基于云容器的教學實訓平臺設計研究

周強　歐文吉斯

摘要：云計算作為近年來非常熱門的技術，眾多云平臺應運而生，受到了廣泛關注。目前，應用的增加不再僅僅局限于功能的簡單增加，而是更加關注如何降低對基礎設備的需求。容器的出現解決了這一問題，由于容器具有輕量級的優(yōu)勢，將應用放在容器中可以減少對基礎設備的要求。在日常的教學和實訓中，所需的資源也可以作為應用部署在容器中，因此基于云容器平臺對教學實訓具有重要意義。

關鍵詞：云容器；基礎設備；教學實訓

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）14-0063-03 開放科學（資源服務）標識碼（OSID） ：

0 引言

近年來，隨著移動互聯網的快速發(fā)展，各種應用層出不窮。然而，許多應用對硬件的需求過大等問題導致行業(yè)出現退熱趨勢。但是，云容器的出現解決了這些問題。云容器[1]本身沒有底層的操作系統(tǒng)，它將應用所需的環(huán)境和應用打包在一起，形成一個容器。由于云容器對底層硬件的需求較小，它有效地降低了應用對底層硬件的要求。云容器的輕量級優(yōu)勢[2]使其在商業(yè)、教育、科研等領域越來越受到重視和歡迎。

1 平臺研究背景及意義

隨著網絡技術的發(fā)展，云計算[3]正在各行各業(yè)上得到應用，自“十二五”開始，云計算已成為國家重點發(fā)展的任務，到“十四五”時期，云計算已成為重點產業(yè)之一。市場上出現了各種云平臺，其中最主要的技術包括KVM[4]、VMware、OpenStack[5]等，這些技術更加依賴底層的基礎設施。雖然這些技術提供了標準化的管理，可以更加高效地管理計算、存儲、網絡等資源，但構建的過程相對復雜，所需的組件達到20多個，并且對底層硬件資源要求過高，成本也會相應地被放大。

容器技術（Docker） 是一種輕量級的沙盒技術[6]，就像一個集裝箱一樣，將各種應用“裝”起來打包在每個容器中，應用之間不會相互干擾。Docker技術是在2013年推出的[7]，因其低成本、高性能的優(yōu)點，近年來得到了眾多開發(fā)者和用戶的支持，目前該技術已經越來越成熟。Docker并沒有操作系統(tǒng)，它直接打包應用所需的基礎環(huán)境，容器可以共享同一臺宿主機的內核。因此，與傳統(tǒng)的虛擬機和主流的云平臺相比，Docker在大小和啟動速度等方面具有優(yōu)勢。

近年來，云計算發(fā)展迅速，市場對人才的需求仍然很大。許多高校看到了這個機遇，紛紛開設了云計算專業(yè)。云計算專業(yè)的核心課程包括OpenStack、Docker、Linux操作系統(tǒng)管理[8]等，這些課程旨在培養(yǎng)學生的動手能力。然而，很多高校的實訓環(huán)境對設備要求過高，很難滿足大量學生同時在真實環(huán)境中完成實訓的需求，大部分實訓都是通過虛擬機完成的。而云容器的出現，已經有很多企業(yè)將應用放在云容器中完成相關服務。因此，通過云容器完成教學實訓具有重要意義。

2 該平臺特點及優(yōu)勢

云容器技術是當今時代最先進的技術之一，其隔離和輕量化的優(yōu)勢使得教學平臺具有以下特點。

2.1 課程資源集中靈活

將云計算專業(yè)課程資源部署在云容器中，可以快速更新課程內容，學生可以同步學習最新知識。

2.2 管理方便

該平臺為教師提供方便的實訓和學習管理工具。

2.3 提供可擴展的資源管理機制

學生可以根據需求快速創(chuàng)建、啟動和銷毀容器，提高實踐能力和技術水平。

2.4 提高動手能力

平臺提供符合市場需求的實訓內容，幫助學生提前適應未來工作崗位的環(huán)境。

2.5 強大的兼容性

平臺支持課程實訓管理模塊，可以添加新課程，并考慮加入思政課程，提高教學質量，豐富教學手段。

3 教學實訓平臺構建

集中采購的PC需要一次性支付大量的費用，無形中提高了成本。而且，PC的資源也不是一直被充分利用。相比之下，平臺可以部署在租借服務器上，這樣成本較低。以阿里云搶占式低配服務器為例，每小時每臺服務器的資費在1元以內。采用租借形式，可以在不教學的情況下，釋放資源，節(jié)約成本，以達到資源的最大利用。為了滿足相關教學和實訓，構建一套滿足教學實訓的平臺部署在云端尤為重要，這樣可以幫助學校以最小代價高質量地完成相關的實訓。以下是基于云容器部署的一套教學實訓平臺部署和功能介紹。

3.1 基礎環(huán)境部署

要部署平臺的基礎環(huán)境，可以按照以下步驟進行操作：

1） 選擇操作系統(tǒng)：首先，選擇適合需求的操作系統(tǒng)作為基礎環(huán)境。常見的選擇包括Ubuntu、CentOS和CoreOS等。確保選擇的操作系統(tǒng)版本與使用的Ku?bernetes版本兼容。這里平臺選用的是最小化安裝的CentOS 7系統(tǒng)。

2） 安裝Docker：Kubernetes使用Docker來容器化應用程序。因此，需要先安裝Docker引擎。可以參考Docker 官方文檔或操作系統(tǒng)的文檔了解如何安裝Docker。

3） 安裝Kubernetes 工具：Kubernetes 提供了一些命令行工具，用于管理集群和部署應用程序。常用的工具包括kubectl、kubelet和kubeadm等。可以從Ku?bernetes官方文檔或操作系統(tǒng)的包管理器中獲取這些工具。

4） 配置Kubernetes集群：使用kubeadm工具來初始化和配置Kubernetes集群。包括在主節(jié)點上運行kubeadm init命令，按照輸出的指示將工作節(jié)點加入集群。確保網絡和DNS設置正確，并根據需求配置高可用性和安全性選項。

5） 部署網絡插件：Kubernetes需要一個網絡插件來實現容器之間的網絡通信。常見的插件包括Calico、Flannel和Weave等。選擇一個適合實際需求的網絡插件，并按照其文檔進行部署和配置。

圖1展示了基礎平臺環(huán)境中三個節(jié)點的狀態(tài)，它們的狀態(tài)均為Ready，表示平臺各個節(jié)點的運行狀態(tài)正常。后期，如果平臺資源不夠，可以加入新的節(jié)點來擴展。圖2展示了平臺所需組件運行成的容器狀態(tài)，這里可以看到各個組件的容器均運行成功，說明平臺的基礎環(huán)境搭建成功。

3.2 云容器平臺功能介紹

針對云平臺構建的問題，采用實驗法進行研究。在實驗過程中，可能會遇到各種報錯，因此在構建之前，需要充分了解Docker和Kubernetes核心概念及組件的相關作用功能。可以線上查詢相關部署文檔，了解平臺構建和部署的相關細節(jié)。最終，在服務器上完成每個模塊的部署，并將所有模塊調度起來，協同工作，測試平臺的所有功能，并最終訪問所有功能。該平臺主要用于教學與實訓，以下對3個平臺各自的模塊進行介紹。

3.2.1 教學平臺

1） 資源監(jiān)控和學情管理：可以監(jiān)控包含在線的學生數量以及各個學生對服務器資源的利用等情況；同時可以管理所有學生實驗、習題和考試等數據。

2） 課程管理：系統(tǒng)管理員可以統(tǒng)一管理所有的課程，可以對PPT、實驗操作文檔、章節(jié)練習等課程資源進行管理，并且可以隨時對這些資源進行新增、修改和刪除。

3） 用戶管理：管理員賬戶可以統(tǒng)一創(chuàng)建教師和學生賬號，并且可以修改賬戶的基礎信息，包括賬戶的工號（學號）、姓名、所屬專業(yè)等信息。

4） 練習與考試管理：教師賬戶可以創(chuàng)建練習和考試，發(fā)布給指定的學生或者班級，學生賬戶完成后，教師可以進行批改。

5） 試題庫管理：提供專業(yè)課程配套考試試題庫。

6） 試卷庫管理：提供考試試卷庫功能，具有發(fā)布考試、修改試卷等功能。

3.2.2 實訓平臺

1） 虛擬機模板管理：管理員通過設定虛擬機模板的CPU、內存等信息來控制發(fā)放給學生的實訓虛擬機的規(guī)格，使得服務器的資源得到最大化利用。

2） 鏡像倉庫管理：平臺提供Ubuntu、CentOS等主流的鏡像，管理員賬戶可以統(tǒng)一管理鏡像倉庫中的鏡像。

3） 虛擬機管理：管理員可以對每臺虛擬機進行管理，隨時監(jiān)測虛擬機的狀態(tài)；支持對虛擬機實例的啟動、關閉、重啟、掛起等操作；支持教師根據教學需求在線創(chuàng)建包含不同組件、不同規(guī)模的虛擬機環(huán)境，即可以支持單機虛擬機環(huán)境和多機虛擬機集群實驗環(huán)境。

3.2.3 教學空間平臺

1） 教師空間。教師可以在該平臺進行備課，制定對應的教學計劃。

①在線備課授課：教師可以在線進行備課和授課。

②課堂助手：提供教師在上課時查看當前授課班級學生實驗進度和章節(jié)實驗任務完成進度的功能，同時支持教師遠程指導協助學生解決實驗問題。

③在線報告及習題評分：教師可以直觀地查看學生各個章節(jié)任務報告并進行評分，提交后可自動統(tǒng)計成績。

④學情管理：教師可以查看學生個人學習實訓數據，實時更新學習情況。

2） 學生空間。學生可以提前在平臺上預習、復習課程，并進行相關練習。

①在線實驗學習：學生可以查看計劃相關課程的課程名稱、課程大綱以及課程課時等信息。

②在線視頻學習：支持學生觀看課程配套實驗指導視頻進行學習。

③在線習題練習：支持學生在線完成教師配置的章節(jié)課后習題練習。

④我的學情：學生可以查看個人實驗報告成績、實驗報告平均分和實驗任務完成情況分析。

云容器平臺相比傳統(tǒng)方式的優(yōu)勢在于，它能夠提供高效、安全、可靠的容器化應用程序部署和管理功能，同時可以在租借服務器上運行，節(jié)約成本，并能夠最大程度地利用資源。此外，云容器平臺還支持多種操作系統(tǒng)和應用程序類型，提供了靈活的選擇和可擴展性，為用戶提供了更好的靈活性和可靠性。

3.3 平臺部署與實訓環(huán)境

通過應用部署和前端界面設計，構建了3個平臺的相關鏡像，并將其生成云容器，發(fā)布在服務器上。管理員、教師和學生可以通過給定地址的網頁登錄賬戶，完成相關操作、教學和實訓。學生實訓需要實驗資源，而實驗資源是通過向服務器申請容器應用來完成的。當學生實訓結束后，所有容器都會被釋放，保證服務器的高可用性。

為了提高平臺的高可用性和監(jiān)控管理水平，部署了一些監(jiān)控和日志工具，例如Prometheus、Grafana和ELK Stack等。這些工具可以幫助收集和分析集群中的指標和日志數據。學生可以通過監(jiān)控和日志功能來了解應用程序的性能和行為，例如容器的資源使用情況、網絡流量和日志輸出等，從而更好地理解和調試應用程序。這對于學生來說是非常有價值的，因為他們可以通過實踐了解如何優(yōu)化和改進自己的應用程序。

整個平臺為學生提供了一個協作和分享的平臺。學生可以將制作的容器鏡像分享給其他同學或老師，以便共享和交流實訓成果。這種協作和分享的機制可以促進學生之間的合作學習和知識共享，加強他們的團隊合作能力和溝通能力。此外，平臺還可以提供一個虛擬的容器化環(huán)境，讓學生能夠在隔離的環(huán)境中進行實驗和實踐，而不會影響其他環(huán)境。這樣，學生可以在不影響其他環(huán)境的情況下進行各種實訓活動，包括應用開發(fā)、系統(tǒng)部署和集群管理等。

4 結束語

傳統(tǒng)的實訓方式通常在配置較高的虛擬機上進行相關課程的實訓，這樣容易導致資源消耗過大，同時也難以直觀地了解學生實訓的情況。而本文所研究的平臺通過云容器的優(yōu)勢解決了資源消耗過大的問題，并且可以集中管理學生實訓，從而更直觀地了解學生實訓的情況。通過本文的研究，可以有效地最大化利用硬件資源，提高學生的動手能力。此外，還可以考慮將其他專業(yè)課程加入平臺中，例如思政課程，通過平臺教學化的方式提高課程教學和實訓效果，為國家培養(yǎng)更多符合企業(yè)用人標準的技能型人才。

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【通聯編輯：謝媛媛】