基于Docker的智慧教學平臺研究與實踐

張 濤 劉彩云 汪 翔

（1.銅陵職業技術學院信息工程系，安徽 銅陵 244061；2.銅陵學院數學與計算機學院，安徽 銅陵 244061）

隨著云計算、大數據等新一代IT技術的興起，傳統的教育教學方式也在不斷地向智慧教學方式轉變。基于新興IT技術的智慧教學平臺建設，可進一步提升教育教學質量和實踐教學能力，構建高效、靈活的智慧課堂，彌補傳統教育教學尤其是實驗實訓教學方面存在的不足。在現代計算機教育教學中，教師在教學過程中可能要在不同的軟件版本、不同的軟件整合方案中進行演示教學，稍不注意可能就會導致錯誤；在實驗軟件安裝時，不同軟件、不同的軟件版本可能也會存在沖突；新的軟件可能在老舊電腦上無法流暢運行；完成實訓項目可能需要多個組件相互協作，學生在實驗環境安裝和配置中花費較多時間，效率不高；學生在實驗實訓室之外不能繼續完成實驗，不能隨時隨地學習。本文就相關問題進行研究探討，基于Docker技術進行智慧教學平臺構建，進而通過基于該平臺的高可用Web系統自動化部署實踐，探索解決問題的可行性。

1 技術架構

面對上述當前計算機教育教學中存在的問題，可以通過輕量級的Docker技術進行智慧教學PaaS（Platform as a Service）平臺構建，提供優于傳統虛擬機的Docker容器沙箱環境。[1]契合OpeanStack云計算環境，教師、學生可在獨立的Docker容器環境中運行和部署相關軟件，不同的容器環境相互隔離、易于構建，能較好地解決軟件安裝配置繁瑣、軟件沖突、軟件版本不一致、機器性能差導致的軟件運行不流暢等問題，[2]使得運行環境多樣化，提升計算機資源的利用效率，減少物理軟件平臺消耗，提高教育教學尤其是實驗實訓教學的效率。學生在課余時間也可以通過提供的云平臺接口方便地通過Docker鏡像在自己的計算機上構建實訓環境，實現隨時隨地可學。

1.1 Docker

Docker是云計算PaaS平臺提供商dotCloud開源的一個基于 LXC 的高級容器引擎，當前主流的開源應用容器引擎，基于容器技術實現高效的應用運行平臺。[3]在智慧教學平臺構建中，主要是基于Docker創建軟件部署和運行環境的。基于Docker可以把應用及其依賴封裝到一個輕量級、可移植的容器中，打包封裝后可以在任何Docker平臺上都獨立、穩定運行。Docker打包封裝后的鏡像保存著容器運行所需的運行環境及其配置信息，鏡像來自于存儲鏡像的倉庫，并且采用分層存儲架構，提高其復用性。

相對于傳統的VM（Virtual Machine），Docker具有以下優點：更快的啟動速度，容器可以秒級啟動，而VM通常要更久；更小的性能開銷，Docker不需要傳統VM所需的額外的CPU和內存完成操作系統功能；更高的資源利用率，一臺普通電腦可運行上千個容器，而VM則做不到。[4]基于這些特性，可依托Docker容器PaaS平臺構建輕量、快速、高效、易用的智慧教學平臺。Docker容器直接復用主機操作系統資源，在Docker Engine層面實現高效的調度和隔離。Docker 容器基于LXC，通過Namespaces進行權限的控制和隔離，通過Cgroups進行資源的配置。

Docker服務的組成主要包括：

（1）Docker daemon服務器：后臺運行，用于管理Docker對象。

（2）Docker Client客 戶 端：命 令 行（CLI）交互客戶端，可使用REST API接口訪問Docker daemon。智慧教學平臺可使用Docker提供的客戶端命令行實現Docker容器、鏡像等對象的管理。

（3）Docker Image鏡像：一個只讀模板，用于創建Docker容器，由Dockerfile文本描述鏡像的內容。智慧教學平臺就是基于Dockerfile來構建不同的應用鏡像達到運行環境多樣化的，可基于不同的鏡像快速構建出自己需要的應用環境。

（4）Docker容器：一個鏡像的運行實例。可通過docker pull命令從鏡像倉庫中拉去鏡像到本地，通過docker run命令可運行執行的鏡像。在智慧教學平臺中即為運行不同應用環境的容器。

（5）Docker Registry倉庫：即Docker鏡像庫，其本身也是一個容器。Docker Hub是Docker公司提供的互聯網公共鏡像倉庫。可以構建自己本地的鏡像倉庫。在智慧教學平臺中，搭建自己的鏡像倉庫，存放不同的應用鏡像。可以通過 <倉庫名>:<標簽>的格式來指定具體是哪個版本的鏡像。

（6）Docker Container容器：獨立運行的一個或一組應用（即創建的獨立的工作環境）。在智慧教學平臺中可構建不同類型的應用容器，為實訓教學提供平臺支持。

1.2 OpenStack

云計算提供一種基于互聯網的交付服務模式，通常是提供動態可擴展虛擬化的資源對象，以IaaS、PaaS、SaaS等服務形式提供大規模的計算服務和應用。OpenStack是一個開源的云計算管理平臺項目，為私有云和公有云提供可擴展的彈性的云計算服務。OpenStack提供了基礎設施即服務（IaaS）的解決方案，每個服務提供API以進行集成，是目前廣泛收到支持的開源云平臺。為構建易于彈性擴展、具有一定運算能力的智慧教學平臺，可通過OpenStack云平臺構建Docker運行環境，提升計算機資源的利用效率。OpenStack和Docker分別偏向云計算架構中的IaaS（資源層）和PaaS（應用層），[5]兩者有深度結合的基礎。

OpenStack主要提供計算、網絡、存儲三大資源服務能力。Swift對象存儲是OpenStack提供的高可用分布式對象存儲服務，通過在軟件層面引入一致性散列技術和數據冗余，來達到高可用和可伸縮性。Docker Registry倉庫默認是使用本地文件系統存儲鏡像文件，默認存儲在/var/lib/registry目錄下。此種存儲方式當前不支持自動復制和同步鏡像功能，鏡像存儲的可靠性尚無法保證。由于Docker Registry支持多種分布式存儲后端，可把OpenStack的Swift對象存儲作為底層的存儲系統，進而保證鏡像數據的可靠性存儲。

1.3 系統架構設計

基于Docker的智慧教學平臺研究以OpenStack云平臺作為底層的計算支撐，方便智慧教學平臺的存儲和擴充，提供一個可持續集成的云計算環境。通過在云平臺提供的計算環境中部署Docker環境，構建和運行自建的實訓環境的Docker鏡像封裝，學生可以方便地訪問Docker實訓環境，可進行快捷、高效、可重復的實訓教學。作為示例，基于Docker技術的高可用Web系統自動化部署智慧教學平臺系統的架構設計如圖1所示，在云平臺中構建Docker運行環境，基于Docker技術構建滿足不同實訓需求的Docker鏡像（如：SQL Server、Linux、Web、MySQL等），實訓時直接拉取鏡像、啟動容器即可進行實訓，可滿足不同版本、不同實訓環境以及錯誤及時恢復、多次重復實訓的要求。

圖1 智慧教學平臺系統架構設計

2 平臺設計

2.1 問題的提出

基于上述的平臺架構設想，契合動態網頁設計的課程教學（需要安裝SQL Server、Tomcat、JDK等實訓環境）需求進行平臺的設計、研究和實踐。

當前，隨著社會信息化進程的進一步深化，企業、單位和個人都將所屬資源通過web進行展現，提升自身的社會影響力。對應中小型企業，企業形象的展示可基于快速開發模型實現，節約成本、靈活高效。在計算機類專業的實踐教學中，動態網頁設計通常是計算機專業的基礎課，能緊密契合信息化社會的職業崗位需求。智慧教學平臺的設計實踐結合高校、學生、企業經常關注的項目需求，開發了一個展示企業、單位和個人信息的開發平臺模板，能快速地實現web應用開發。易淘電子商城項目能夠實現產品信息的展示和商品的分類瀏覽。智慧圖書信息系統項目實現了圖書信息的展示和交流功能。通過智慧教學平臺進行實訓教學環境和運行環境部署。

智慧圖書管理系統提供圖書的展示、閱讀、分類等功能，具體功能模塊如圖2所示。

圖2 智慧圖書管理系統

易淘電子商城實現商品信息的管理、展覽、分類等功能，具體功能模塊如圖3所示。

圖3 易淘電子商城系統

2.2 技術設計

契合搭建好的OpenStack云平臺，結合圖1的系統架構以及Docker平臺和應用部署的需要，設計和實現基于Docker的智慧教學平臺，通過鏡像部署相關的SQL Server、Tomcat、Nginx、JDK等容器環境，方便實訓和開發，實現高可用Web系統自動化部署平臺，簡化配置、代碼流水線管理、提高開發和實訓效率，同時，為基于Docker環境的應用系統自動伸縮和應用集群構建提供一種靈活部署模式。實訓平臺主要技術需求如下：

(1) 基于Docker平臺實現應用程序的鏡像的自動化制作。

(2)基于Docker平臺實現鏡像的運行和數據交互功能。

(3) 基于Docker平臺實現運行的web容器的高可用和集群負載均衡功能。

(4)基于企業級框架開發web應用，實現易淘電子商城、智慧圖書信息系統項目的開發。

(5)基于Docker平臺實現web應用的鏡像制作、運行、高可用和集群負載均衡等功能。

Docker平臺基于常規的構建方法進行設計和構建，提供平臺支撐運行環境，具體設計架構如下圖4所示。

圖4 技術設計架構

實訓完成，部署成功后，Web應用使用數據庫容器提供數據支撐，用戶訪問web應用時，用戶的訪問可均衡地分布到web集群容器中，實現負載均衡，同時，如果某個web運行容器出現故障了，其他web容器也能保證訪問正常進行，實現訪問的高可用。Web容器的構建基于自動化構建的web鏡像實現。應用系統開發完成后，制作Docker鏡像，基于容器運行具體應用，可構筑云平臺web站點集群。相比于傳統的實訓教學方式，基于Docker的智慧教學平臺更節約資源、方便、快捷、高效，功能整合更容易、規范，實訓課實現便捷的可重復性。

3 應用實踐

3.1 技術實現

智慧教學平臺基于Docker開源的容器引擎，搭建雙節點的Docker平臺，基于Dockerfile實現應用系統鏡像的自動部署和制作，基于Nginx引擎鏡像實現應用系統負載均衡和高可用運行，實現更快地打包、測試以及部署應用程序。應用系統的開發基于Java平臺的Struts、Spring、Hibernate開源框架實現了電子商城應用、智慧圖書站等應用的開發，在Docker平臺上進行了良好的部署和運行，為企業基于Docker的應用提供了有意義的實踐。智慧教學平臺具體設計部署見圖1所示。

智慧教學平臺網絡架構設計如表1所示。

表1 智慧教學平臺網絡架構設計

Docker鏡像自動化部署Dockerfile基本命令如下：

基于Nginx引擎鏡像實現應用系統負載均衡和高可用運行的關鍵技術配置如下：

3.2 平臺搭建

平臺的部署步驟如下：

（1）搭建OpenStack云平臺并按規劃啟動虛擬主機（測試基于CentOS 7操作系統）。

（2）基于yum源安裝Docker平臺:

（3）基于docker load、tag、push命令上傳倉庫部署使用的鏡像。

（4）拉取SQL Server鏡 像: docker pull mcr.microsoft.com/mssql/server:2017-latest。運行SQL Server鏡像（為了便于數據的持久化，這里使用了共享卷）：

（5）上傳web應用所使用的數據庫到Docker宿主主機，進入數據庫容器，附加數據庫：

（6）上傳web應用構建所使用的源文件，參考3.1設計說明，編寫Dockerfile文件，構建web應用：

（7）啟動web應用鏡像（這里可以根據多起幾個web應用鏡像）：

（8）拉取nginx鏡像，創建nginx容器（注意端口是否被占用）：

根據3.1設計里的說明，進入nginx容器配置nginx.conf文件，啟動nginx引擎，實現高可用Web系統自動化部署實訓。

容器鏡像啟用后，可以通過瀏覽器訪問web站點，用戶操作web頁面即可進行相關的操作。這種靈活、輕量、資源隔離的應用部署方式，在更快地打包、測試以及部署應用程序方面具有較好的應用價值，摒棄了傳統物理機實訓環境帶來的弊端。

3.3 測試分析

智慧教學平臺基于實際的教學實訓項目進行研究和測試，基于Docker平臺進行高可用Web系統自動化部署平臺實踐，實踐測試項包括：

（1）Web項目的自動化構建：Dockerfile編寫是否正確，在綁定端口是要注意是否已經被占用。

（2）SQL Server鏡像的運行：啟動時密碼的設置是否符合規則，進入容器運行SQL Server客戶端命令，能否正確附加數據庫（要注意數據庫的版本問題）。

（3）Web項目鏡像的運行：web應用能否正常啟動，要特別注意數據庫的配置信息，如不能正常啟動，可以進行tomcat服務器的log目錄，查看具體的出錯信息，進行修改。測試時出現問題最多的就是數據庫信息不正確，導致應用程序啟動時初始化失敗。

（4）Docker負載均衡測試：Nginx的配置文件是否正確，特別是服務端口號的問題，至少啟動兩個web應用實例，通過curl命令多次訪問服務器，查看其輸出結果。

（5）Docker平臺高可用測試：停止1個web應用容器，查看網站是否還能訪問成功，經測試，可以正常訪問。

測試中，與虛擬機運行web應用進行性能比較，Docker平臺在應用啟動上有很好的表現，具有很好的靈活性，為智慧教學實訓項目提供了技術支撐。

4 結語

在傳統的基于物理機的學生實訓教學中，經常會出現版本沖突、軟件不兼容、環境配置復雜、實訓失敗后無法及時恢復實訓、實訓受時空限制等問題。新一代信息技術的發展為智慧教學平臺的構建提供了有力的技術支撐，可彌補傳統實訓教學環境的不足。本文對基于云計算、Docker技術的智慧教學平臺進行了研究和教學實踐，在動態網頁設計課程教學中結合企業項目需求對中小型企業靈活部署web應用提供了一種有意義的實踐，在教學中，可以為學生快速提供實驗環境并進行資源隔離，學生可以得到獨立的運行環境。隨著Docker技術的不斷發展，基于Docker平臺的應用部署將會得到極大地使用。

平臺的后續研究也在積極實施中，后面將基于物理機實現云平臺的分布式部署，同時設計容器運行狀態感知技術，實施容器的彈性管理，同時對容器和服務器的熱遷移技術也可進一步升級演化。