基于虛擬化和資源共享技術的云平臺設計

康筱彬 馬平安

摘 要：高職教育憑借自身的專業和課程優勢參與教育扶貧任務以提升當地勞動人口技術技能，這一形式符合國家要求和當地發展要求，但是貧困地區教育教學條件的不足又嚴重制約了教學過程中實驗和實訓活動的開展。在此背景下，利用虛擬化和共享資源技術改善貧困地區技能教育過程所需的實驗實訓條件，同時避免貧困地區學校硬件升級所需的資金投入，具有一定的實現價值。本文分析了云平臺的優勢和教學需求，繪制功能架構圖，為該構想的實施進行結構設計。

關鍵詞：教育扶貧;虛擬化;資源共享

1 概述

教育扶貧是當下扶貧過程中較為重要的一個環節，針對貧困地區實現永久脫貧的目標需要發展地區經濟，而地區經濟的發展離不開當地各項產業的發展和大量具有勞動技能人員的參與。因此讓貧困地區人員擁有一技之長成為促進就業、發展地區經濟和實現脫貧目標的重中之重。職業教育以技能培養為目標組織開展教學活動，課程內容與行業結合緊密，崗位劃分明確，根據產業需求和崗位需求進行技術技能培養，但是隨著工業進程的開展，大量專業系統和專業工具的熟練使用成為從業人員的技能要求，也成為了職業教育課程的重要組成部分，這類課程的教學通常需要在專用機房中開展，而學生更是需要在這類專業機房中開展大量的操作練習和技能訓練。貧困地區通常教學條件較為簡陋，很難建立符合要求的訓練環境，學生在家更不具備學習條件，特別是當前各專業系統和工具的更新速度較快，貧困地區教育很難跟上行業技術更新的速度。面對一方面要降低貧困地區院校教學硬件投入，另一方面又要保證學校的教學質量的需求，嘗試使用基于虛擬化技術和資源共享技術的云平臺解決方案。

2 云平臺的簡介

2.1 主要技術說明

云計算是并行計算、分布式計算和網絡計算的發展。根據2011年9月NIST公布的云計算的定義“云計算是一套能夠在任何時間和地點進入可配置的計算資源共享池中按需提供所需資源（包括網絡、服務器、存儲、應用和服務）的模型。”。云平臺的構建是虛擬化、公用計算、Iaas（基礎設施即服務）、PaaS（平臺即服務）、SaaS（軟件即服務）等概念混合演進并躍升的結果。

虛擬化是云計算的技術基礎，指計算元件在虛擬基礎上而不是真實的基礎上運行，虛擬化技術允許一個平臺同時運行多個操作系統，并且應用程序都可以在相互獨立的空間內運行而互不影響，從而顯著提高計算機的工作效率。而且虛擬化也出現了虛擬服務器、桌面、網絡、存儲等多種應用形式。

2.2 云平臺的特性

（1）自助服務。使用者不需要或很少需要云服務提供商的協助，就可以單方面按需獲取云端的計算資源。

（2）廣泛的網絡訪問。使用者可以隨時隨地地使用任何云終端設備接入網絡并使用云端的計算資源。常見的云終端設備包括手機、平板、筆記本電腦和臺式機等。

（3）資源池化。云端計算資源需要被池化，以便通過多租戶的形式共享給多個使用者，也只有池化才能根據使用者的需求動態分配或再分配各種物理的和虛擬的資源。

（4）快速彈性。使用者能方便、快捷地按需獲取和釋放計算資源，也就是需要時能快速獲取資源從而擴展計算能力，不需要時能迅速示范個資源以便降低計算能力，從而減少資源的使用費用。

（5）計費服務。使用者使用云端計算資源時需要付費的，付費的計量方法有很多，比如根據某類資源（如存儲、CPU、內存、網絡帶寬等）的使用量和時間長短計費，也可以按照每使用一次來計費。

3 云平臺建設需求

3.1 改善幫扶學校“信息孤島”的現狀

當前幫扶學校的專業系統普遍配套專業機房，所有的教學、實訓活動都在專業機房中開展。專業機房單獨配置局域網環境，并未接入校園網絡和互聯網，這使得每一臺系統服務器猶如“信息孤島”不能進行交互訪問。同時，“孤島”現象使得服務器的利用率低下，實訓受物理條件限制，不能充分發揮作用。

3.2 滿足學生利用不同終端登錄服務器

計算機硬件更新速度較快，通常高性能設備價格較高，為避免給幫扶學校和扶貧學校、學生增加經濟負擔，充分利用現有設備，需要對各種類型的終端進行兼容。力求不讓貧困地區學校因提升現有機房設備而再次進行資金投入，也使得學生可以在課后也能利用個人設備開展專業系統的操作訓練，并且個人操作數據不會因終端設備的不同而丟失。

3.3 增加平臺穩定性和可靠性

隨著學校規模的擴大和專業更新，學生數量增多、專業系統增多成為必然趨勢，為保證各系統的正常運行可以通過增加服務器和磁盤陣列的方式提升平臺的數據處理能力和存儲能力，動態配置虛擬資源使得平臺運行穩定。網絡管理人員通過維護平臺軟件即可實現對所有虛擬機系統的維護，避免了終端因受病毒干擾而產生各種異常，降低維護的難度、確保平臺運行可靠。

4 云平臺規劃與設計

4.1 功能結構規劃展示

在不改變現有幫扶學校機房設置的前提條件下，通過分布式系統將所有系統服務器連接起來，通過虛擬機管理系統進行資源調配，為學生設置虛擬機。學生通過登錄個人虛擬機賬號進行各專業系統工具的學習和練習，同時保存個人數據。

4.2 分布式服務器

物理服務器是整個網絡運行的基礎，不僅提供各類專業系統服務器運行，還是虛擬機運行的平臺。采用分布式方式通過校園網進行連接，一方面節省網絡改造費用，另一方面可以根據根據人數、用戶需求等進行服務器的添加。

4.3 虛擬管理系統

可分為對物理資源進行管理的虛擬服務器系統和對虛擬資源進行管理的虛擬機管理平臺。采用虛擬服務器系統對各個服務器的資源進行整合，構建統一的池化資源平臺，確保系統和虛擬機的運行，并通過此系統實現對服務器資源的添加和備份。虛擬機管理平臺進行虛擬機創建和遷移，通過管理員設置的虛擬機模板進行虛擬機建設，根據服務器調度策略模型為虛擬機提供最佳宿主服務器。

4.4 用戶端

學生通過安裝在終端的應用程序訪問虛擬機。學生通過賬戶和密碼進行身份認證，登錄存放個人數據的虛擬機。學生終端設備硬件要求較低，無需完成任何計算操作，僅需要進行數據上傳和數據展示，確保學生僅用手機也可以完成對于虛擬機的操作。

5 云平臺的應用優勢

5.1 資源共享

簡化的用戶端應用程序使得學生可以通過智能手機等設備連接虛擬機，訪問平臺中的學習資源，開展課程專業實訓。使得學生不僅可以在學校機房環境中進行學習，也能夠在家開展對應練習，達到教學過程中“操作熟練”的訓練要求。

5.2 簡化系統管理

設備配置維護是每個實驗室管理人員工作中非常繁雜的一部分。在虛擬機的應用過程中管理人員可通過設置虛擬機模板完成學生機的創建，可以通過對服務器系統的維護實現對所有專業系統和虛擬機運行平臺的維護。

5.3 支持遠程訪問

學生在終端設備上的操作借助通信網絡進行傳輸，通過學校網關進行虛擬機操作和平臺上各類資源訪問。學生可自行進行專業技能訓練，延長學習時間提升教學效果。幫扶學校的網絡管理人員以為各專業課程資源和軟件運行提供技術支持。

5.4 動態數據監控

通過對虛擬機設備運行情況和學生平臺資源的使用數據進行統計分析，了解學生的學習活動和狀況，為分析課堂教學效果和學生學習效果提供數據參考。

6 結語

結合教育扶貧過程中幫扶學校和扶貧學校當前網絡資源狀況構建云平臺，不僅提升了現有設備的利用率、簡化管理人員的工作量，還可以最大限度地滿足對貧困地區的教學條件的改善。

基于云平臺的優勢，可以進行后期各類教學資源的上傳、開展直播課程和實驗課程，學生也可以擁有較好的實驗實訓環境。但是該系統仍有不足，例如大量學生同時進行訪問，必然會造成嚴重的網絡傳輸延遲，這類問題需要在后續研究的過程中進行改進。

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課題來源：本文系2019年甘肅省高校科研項目“精準扶貧背景下課程資源共享云平臺的研究”（編號：2019B-251）

作者簡介：康筱彬（1982—），女，碩士，副教授，研究方向：教育信息化、數據分析、移動互聯技術應用;馬平安（1981—），男，碩士，副教授，研究方向：移動互聯技術應用、云架構。