李坤　蔣莉莉

摘要：針對(duì)當(dāng)前計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)踐中存在的缺乏合適的實(shí)踐平臺(tái)、實(shí)踐環(huán)境，實(shí)踐時(shí)間和地點(diǎn)受到限制等突出性問題，文章介紹利用云計(jì)算和虛擬化技術(shù)，結(jié)合需求設(shè)計(jì)一個(gè)開放式實(shí)踐平臺(tái)。該平臺(tái)通過整合學(xué)院資源，同時(shí)利用瘦客戶端技術(shù)，極大地?cái)U(kuò)充了學(xué)生參與實(shí)踐的機(jī)會(huì)，有效地促進(jìn)了學(xué)生實(shí)踐能力的提高。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算；虛擬化；IaaS；資源池；瘦客戶端技術(shù)

文章編號(hào)：1672-5913（2013）07-0021-03

中圖分類號(hào)：G642

教育部實(shí)施的“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”明確提出要強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力。如何在保證課堂教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)，讓學(xué)生的實(shí)踐能力得到提高是當(dāng)前學(xué)校教育面臨的關(guān)鍵問題。然而在實(shí)際中，學(xué)生參與實(shí)踐往往受到諸多條件限制，具體表現(xiàn)在：①缺乏合適的實(shí)踐平臺(tái)，專業(yè)教學(xué)和實(shí)踐資源零散分布；②實(shí)踐條件很難滿足需要，實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備無法提供高性能計(jì)算、不支持特定操作系統(tǒng)等環(huán)境配置信息；③參與實(shí)踐的時(shí)間和地點(diǎn)受到實(shí)驗(yàn)室管理制度的限制，無法為學(xué)生提供全天候管理和服務(wù)，無法實(shí)現(xiàn)完全開放。

隨著虛擬化和云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，通過構(gòu)建專業(yè)實(shí)踐平臺(tái)，提升學(xué)院的實(shí)踐教學(xué)水平成為可能。實(shí)踐平臺(tái)借助先進(jìn)的云計(jì)算技術(shù)，整合學(xué)院信息技術(shù)教育資源，構(gòu)建實(shí)踐環(huán)境資源池，根據(jù)課程創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)需求，提供開放式實(shí)踐環(huán)境預(yù)約與部署；同時(shí)利用瘦客戶端技術(shù)，將學(xué)生實(shí)踐地點(diǎn)從實(shí)驗(yàn)室擴(kuò)展到有網(wǎng)絡(luò)連接的教室、宿舍、家庭等，實(shí)踐時(shí)間也從實(shí)驗(yàn)室工作時(shí)段擴(kuò)展至7×24（一周7天，每天24小時(shí)），讓學(xué)生有充分的機(jī)會(huì)參與實(shí)踐。

1 云計(jì)算與虛擬化技術(shù)

云計(jì)算是一種能夠降低IT復(fù)雜性的新方法，它將按需提供自助管理虛擬基礎(chǔ)架構(gòu)匯集成高效資源池，以服務(wù)的形式提供計(jì)算能力。云計(jì)算將資源管理方法由分散的硬件更改為虛擬化共享資源池，共享資源包括服務(wù)器、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)。通過虛擬化所有IT資源，可以提高資源利用率和針對(duì)高優(yōu)先級(jí)應(yīng)用程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)資源分配。這些共享資源池可以抽象為邏輯構(gòu)造塊，包括存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器單元等，從而有效創(chuàng)建虛擬數(shù)據(jù)中心。

虛擬化技術(shù)是通往云計(jì)算的必由之路。虛擬化技術(shù)通過直接在計(jì)算機(jī)硬件上面嵌入一個(gè)精簡(jiǎn)的軟件層，建立多個(gè)虛擬操作系統(tǒng)并且可以同時(shí)運(yùn)行在單臺(tái)物理機(jī)上或服務(wù)器集群上，彼此之間共享硬件資源，通過服務(wù)器整合、自動(dòng)化負(fù)載均衡、計(jì)劃內(nèi)零宕機(jī)、高可用性來優(yōu)化IT基礎(chǔ)架構(gòu)。

通過虛擬化技術(shù)構(gòu)建的云計(jì)算平臺(tái)，允許以托管服務(wù)的形式交付豐富的個(gè)性化虛擬桌面。將虛擬桌面整合到數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器中，構(gòu)建桌面云環(huán)境，實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)和用戶數(shù)據(jù)的獨(dú)立管理，從而使最終用戶能夠通過各種網(wǎng)絡(luò)條件獲得靈活的高性能桌面體驗(yàn)。

2 平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

2.1平臺(tái)框架設(shè)計(jì)

根據(jù)云計(jì)算平臺(tái)提供的服務(wù)類型，可以將云計(jì)算服務(wù)分為3類：基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a Service，IaaS）是以服務(wù)的形式提供虛擬硬件資源，由底層硬件或虛擬機(jī)資源所構(gòu)建；平臺(tái)即服務(wù)（Platform as a Service，PaaS）是構(gòu)建在云基礎(chǔ)設(shè)施上，用來提供應(yīng)用服務(wù)引擎，如應(yīng)用編程接口、公用基礎(chǔ)服務(wù)等；軟件即服務(wù)（Software as a Service，SaaS）是基于云平臺(tái)開發(fā)的各類應(yīng)用服務(wù)，允許用戶定制與創(chuàng)建面向具體應(yīng)用的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)用戶個(gè)性化的服務(wù)整合和信息聚合。

結(jié)合云計(jì)算服務(wù)的類型和實(shí)踐平臺(tái)的功能需求，采用模塊化、分層的設(shè)計(jì)理念，將平臺(tái)劃分為3個(gè)層次：終端應(yīng)用層、虛擬中間層、基礎(chǔ)設(shè)施層，形成云環(huán)境下的開放式實(shí)踐平臺(tái)總體架構(gòu)，如圖1所示。

1）基礎(chǔ)設(shè)施層位于平臺(tái)底層，由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器以及存儲(chǔ)等基礎(chǔ)設(shè)備組成。在硬件資源層的基礎(chǔ)上，通過虛擬化技術(shù)建設(shè)虛擬化資源池，為物理資源的統(tǒng)一適配提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。通過虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的池化管理，便于資源動(dòng)態(tài)分配，充分體現(xiàn)彈性可伸縮的特點(diǎn)，同時(shí)保證系統(tǒng)的高可用性。

2）虛擬中間層是基于基礎(chǔ)設(shè)施層構(gòu)建的。在虛擬化及物理資源池上通過各種操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、中間件的部署，搭建各種實(shí)踐應(yīng)用、創(chuàng)新計(jì)劃應(yīng)用及測(cè)試環(huán)境等，該層主要包括虛擬桌面池和實(shí)踐資源池。

虛擬桌面池：平臺(tái)一方面面向全校信息技術(shù)公共基礎(chǔ)教學(xué)和專業(yè)實(shí)踐教學(xué)，通過批量構(gòu)建統(tǒng)一桌面進(jìn)行實(shí)踐，目前提供有信息技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)踐桌面、C語(yǔ)言上機(jī)實(shí)踐桌面、軟件工程綜合實(shí)踐桌面等；另一方面面向大學(xué)生科技創(chuàng)新和學(xué)術(shù)科研，已經(jīng)運(yùn)行的有ACM大賽、高性能計(jì)算、圖形圖像處理等專用桌面。此外，平臺(tái)還提供定制服務(wù)，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求，在當(dāng)前桌面資源不能滿足應(yīng)用的情況下，進(jìn)行環(huán)境定制。

實(shí)踐資源池：提供實(shí)踐資源整合與共享，根據(jù)學(xué)院學(xué)科實(shí)踐特點(diǎn)整合實(shí)踐資源形成實(shí)踐項(xiàng)目、實(shí)踐計(jì)劃、實(shí)踐資料、成功案例等資源列表，基于平臺(tái)提供實(shí)踐計(jì)劃安排、實(shí)踐活動(dòng)提醒等共享信息，提供電子白板、網(wǎng)絡(luò)會(huì)議、即時(shí)通訊工具等方式進(jìn)行實(shí)踐信息交流。

3）終端應(yīng)用層面向最終用戶。利用瘦客戶端技術(shù)，提供多種接入方式，允許移動(dòng)終端、筆記本、臺(tái)式機(jī)等設(shè)備無縫接入，將固定的實(shí)踐環(huán)境虛擬化為移動(dòng)的、開放的實(shí)時(shí)服務(wù)平臺(tái)。

2.2開放式實(shí)踐環(huán)境定制

實(shí)踐平臺(tái)預(yù)先按照基本需求，提供滿足通用條件的實(shí)踐環(huán)境虛擬桌面，用戶可以根據(jù)具體的實(shí)踐要求或科研需求，在通用實(shí)踐環(huán)境不能滿足的情況下，填寫實(shí)踐環(huán)境定制申請(qǐng)，由系統(tǒng)管理員審核后進(jìn)行實(shí)踐環(huán)境的設(shè)置與發(fā)布。對(duì)于學(xué)生用戶提交的定制申請(qǐng)，還需要先經(jīng)過科研導(dǎo)師或任課教師的審核，從而確保實(shí)踐環(huán)境定制申請(qǐng)的嚴(yán)肅性和合法性。具體的定制審批流程如圖2所示。

2.3虛擬桌面池設(shè)計(jì)

虛擬桌面池是滿足開放式實(shí)踐平臺(tái)環(huán)境定制功能的虛擬機(jī)資源池，根據(jù)用戶特點(diǎn)和分類進(jìn)行虛擬資源的預(yù)先劃分和設(shè)定。根據(jù)實(shí)踐平臺(tái)用戶規(guī)劃和用戶對(duì)桌面的需求不同，針對(duì)不同用戶組設(shè)計(jì)出不同的虛擬桌面池。對(duì)于虛擬桌面池中的資源，一方面按需分配經(jīng)過優(yōu)化的計(jì)算資源，實(shí)現(xiàn)彈性資源管理，最大限度滿足用戶需求；另一方面借助瘦客戶端技術(shù)，用戶可以方便接入平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生實(shí)踐不再受實(shí)驗(yàn)室地點(diǎn)和時(shí)間的限制，有效擴(kuò)充學(xué)生參與實(shí)踐的機(jī)會(huì)。

1）特定桌面。特定桌面是指允許進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問的單個(gè)虛擬機(jī)。此類桌面更多地面向科研需求，對(duì)虛擬機(jī)資源有較高的性能或安全要求，主要適用于那些需要惟一專用桌面的用戶，也適用于使用單個(gè)主機(jī)需由多名用戶在不同時(shí)間訪問應(yīng)用程序的情形。已經(jīng)建立的圖形圖像處理虛擬桌面和高性能計(jì)算桌面屬于此類。

2）手動(dòng)桌面池。手動(dòng)桌面池是指系統(tǒng)管理員手動(dòng)構(gòu)建的虛擬機(jī)池，為用戶分配一個(gè)保留會(huì)話所有文檔、應(yīng)用程序和設(shè)置的專用桌面。此類桌面是在用戶首次鏈接時(shí)以靜態(tài)方式分配的，稍后可用于所有后續(xù)會(huì)話。該類桌面池大致分為以下兩種：

固定桌面池：針對(duì)實(shí)踐平臺(tái)的固定用戶組，每個(gè)用戶都分配了一個(gè)特定的桌面，并在每次登錄時(shí)返回同一個(gè)虛擬桌面。用戶可以個(gè)性化定制桌面、安裝應(yīng)用程序和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。主要用于研究生科研和大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，平臺(tái)提供的ACM大賽虛擬桌面屬于此類。

流動(dòng)桌面池：針對(duì)實(shí)踐平臺(tái)的流動(dòng)用戶組，在每次使用虛擬機(jī)后可選擇性地刪除并重新創(chuàng)建虛擬機(jī)，從而形成高度可控的環(huán)境。浮動(dòng)分配桌面就像一個(gè)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，其中的每個(gè)桌面都加載了必要的應(yīng)用程序，而且所有桌面都能訪問所需的數(shù)據(jù)。該類桌面目前主要有信息技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)踐桌面和C語(yǔ)言上機(jī)實(shí)踐桌面。

3 結(jié)語(yǔ)

基于云計(jì)算的開放式實(shí)踐平臺(tái)經(jīng)過校企共建，目前已經(jīng)在中國(guó)石油大學(xué)信息技術(shù)公共教學(xué)和專業(yè)實(shí)踐中發(fā)揮了重要作用，實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)教學(xué)資源的全面開放式管理，在保障基本實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)之外，將優(yōu)質(zhì)的實(shí)踐資源提供給課外實(shí)驗(yàn)、科技創(chuàng)新和科學(xué)研究，達(dá)到了人盡其才、物盡其用的高效運(yùn)行模式。平臺(tái)實(shí)施后學(xué)生的各項(xiàng)科技活動(dòng)取得了豐碩成果，目前獲得國(guó)家級(jí)大學(xué)生科技競(jìng)賽獎(jiǎng)項(xiàng)24項(xiàng)，省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)103項(xiàng)，獲批國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃12項(xiàng)；同時(shí)學(xué)生動(dòng)手能力和綜合應(yīng)用能力大幅提高，畢業(yè)生受到用人單位的一致好評(píng)。

（編輯：郭田珍）