曾文英等

摘要：教學(xué)企業(yè)具有機(jī)房用機(jī)分散、個性化配置等特點，存在不同時段的空閑資源以及協(xié)作開發(fā)及遠(yuǎn)程訪問需求。本文主要研究了云計算技術(shù)在教學(xué)企業(yè)實驗中的設(shè)計與應(yīng)用，以期提升教學(xué)企業(yè)資源利用率，實現(xiàn)遠(yuǎn)程資源共享。

關(guān)鍵詞：實驗云 設(shè)計 構(gòu)建 教學(xué)企業(yè) 虛擬化

1 概述

教學(xué)企業(yè)借助現(xiàn)有的設(shè)備資源，搭建實驗云環(huán)境，使得師生可遠(yuǎn)程使用云環(huán)境進(jìn)行項目的協(xié)作開發(fā)，具有一定的可行性。

云計算的三層體系架構(gòu)表明，計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等資源通過虛擬化構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，提供虛擬存儲、計算等服務(wù)；在此基礎(chǔ)上構(gòu)建SVN、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器，用戶通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程開發(fā)、測試和部署，可提供云平臺服務(wù)、軟件服務(wù)。

教學(xué)企業(yè)進(jìn)行實驗云環(huán)境構(gòu)建具有如下優(yōu)勢：充分利用計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等軟硬件資源，提供遠(yuǎn)程存取，協(xié)同開發(fā)，并對云計算體系結(jié)構(gòu)的理解、基于云計算的設(shè)計開發(fā)等提供實踐環(huán)境。通過低成本、靈活自主的方式搭建云環(huán)境平臺。

主要需解決的問題是：實訓(xùn)設(shè)備資源利用率不高；遠(yuǎn)程協(xié)作難；云環(huán)境應(yīng)用開發(fā)的搭建、維護(hù)與更新、數(shù)據(jù)存儲與共享安全。

2 相關(guān)研究

華東交通大學(xué)的柴亞輝等發(fā)明一種服務(wù)于高校計算機(jī)與軟件教學(xué)的實驗云平臺系統(tǒng)[1]，將多臺物理主機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建虛擬機(jī)集群實驗平臺，同時又將多個分散在學(xué)校各處的虛擬機(jī)集群系統(tǒng)實驗平臺整合為一個實驗云平臺系統(tǒng)。

Phantosys幻影桌面虛擬化平臺實現(xiàn)了桌面PC操作系統(tǒng)和應(yīng)用環(huán)境的集中控制、集中管理、應(yīng)用環(huán)境隨需供應(yīng)，提供PC運行所需要的操作系統(tǒng)、應(yīng)用及個性化計算環(huán)境[2，3]。第一代的DOE NetDisk虛擬化產(chǎn)品用網(wǎng)絡(luò)硬盤替代本地硬盤，PC桌面集中管理，只能提供單一的桌面計算環(huán)境，速度完全依賴于網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器。第二代的Phantom虛擬化技術(shù)增加虛擬化的多桌面環(huán)境的生成及統(tǒng)一管理和提供，桌面?zhèn)€性化環(huán)境的保持，運行速度仍依賴于網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器。Phantosys的第三代虛擬架構(gòu)DVP（Desktop Virtual Platform）將多桌面計算環(huán)境虛擬化存儲成了一個整體，變成企業(yè)的桌面計算環(huán)境的資源池，可以統(tǒng)一或單獨隨需提供給桌面用戶，可使任何應(yīng)用或操作系統(tǒng)保持持續(xù)優(yōu)化、升級、更新和一致以及高可用狀態(tài)，保持PC速度、效能、兼容性和用戶體驗及使用習(xí)慣。

瞻博網(wǎng)絡(luò)推出Junosphere云實驗室通過基于云的環(huán)境降低了網(wǎng)絡(luò)建模、測試和設(shè)計成本[4]，是一個能夠改變服務(wù)提供商和企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、測試和運營方式的虛擬環(huán)境。Junosphere可幫助網(wǎng)絡(luò)運營商創(chuàng)建和運行托管型網(wǎng)絡(luò)，支持大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)建模、測試和規(guī)劃。企業(yè)能夠低價租用網(wǎng)絡(luò)，與建立實體實驗室相比，有助于企業(yè)將項目建模速度提高30%，總體擁有成本降低90%。

文獻(xiàn)[5]在高?，F(xiàn)有的校園網(wǎng)基礎(chǔ)上，引入云計算技術(shù)，提供一個成本較低、能彈性分配資源、用戶不受地理位置限制的實驗環(huán)境；利用虛擬化技術(shù)構(gòu)建虛擬化資源池，快速布署云端資源，動態(tài)組織異構(gòu)資源，構(gòu)建不同的應(yīng)用環(huán)境；將高校現(xiàn)有的分布式的實驗室架構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐子诠芾砭S護(hù)和提供高效服務(wù)的集中式架構(gòu)。

文獻(xiàn)[7]通過融合云計算技術(shù)和遠(yuǎn)程實驗技術(shù)搭建虛擬實驗云平臺。采用瘦客戶端模式，以程序編譯平臺、電路仿真平臺和硬件實驗平臺進(jìn)行設(shè)計，提出運用最近最少使用算法（LRU）解決資源訪問沖突和提高資源利用效率、建立預(yù)約機(jī)制的方案?？ɡ_納州立大學(xué)設(shè)計研發(fā)了LAAP（learn anytime anywhere physics）物理實驗系統(tǒng)；華中科技大學(xué)開發(fā)的虛擬實驗教學(xué)環(huán)境項目用于虛擬實驗室建設(shè)和虛擬實驗教學(xué)。

3 架構(gòu)設(shè)計

云計算是計算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展融合的產(chǎn)物，根據(jù)方式與服務(wù)對象的不同可以分為公有云、私有云和混合云，包括3個層次的服務(wù)：基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)（IaaS）、平臺服務(wù)（PaaS）、軟件服務(wù)（SaaS）。在設(shè)計實驗云時，我們通過多個教學(xué)企業(yè)實訓(xùn)室的PC機(jī)構(gòu)建分布式虛擬機(jī)集群，通過安裝虛擬機(jī)操作系統(tǒng)、中間件部署云平臺，并在虛擬機(jī)中安裝和部署各種應(yīng)用軟件提供客戶遠(yuǎn)程訪問。

3.1 實驗云環(huán)境的架構(gòu)

通過在一個實訓(xùn)室內(nèi)的有限數(shù)目的計算機(jī)局域網(wǎng)構(gòu)建的云環(huán)境。我們選取教學(xué)企業(yè)的每個實訓(xùn)室內(nèi)的6臺計算機(jī)構(gòu)建虛擬機(jī)集群，通過1個元數(shù)據(jù)節(jié)點、5個數(shù)據(jù)節(jié)點（當(dāng)然，也可按需變化），構(gòu)建一個Hadoop集群，提供云平臺軟件、數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用等的安裝、部署與測試。每個虛擬機(jī)節(jié)點可以是同構(gòu)的分區(qū)與系統(tǒng)，便于管理；也可以是異構(gòu)的，通過配置文件進(jìn)行管理。各虛擬機(jī)上安裝配置實驗所需的軟件環(huán)境，用戶可選擇遠(yuǎn)程登錄進(jìn)行實驗。

3.2 分布式云環(huán)境

通過分布式的在不同地點的多節(jié)點構(gòu)建云環(huán)境。不同實訓(xùn)室分別提供虛擬機(jī)節(jié)點集群，這些節(jié)點集群之間可構(gòu)成一個局域網(wǎng)，并提供主節(jié)點與其它局域網(wǎng)主節(jié)點通信；也可采用扁平、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，每個節(jié)點之間可相互通信。

分布式云環(huán)境易于構(gòu)建大型分布式網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)易于擴(kuò)展的云網(wǎng)絡(luò)?？山柚诠性茦?gòu)建實驗測試平臺，用戶通過互聯(lián)網(wǎng)訪問和應(yīng)用虛擬服務(wù)器，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用部署、調(diào)試和測試。

4 技術(shù)實現(xiàn)

4.1 平臺分析

基于開源平臺的云環(huán)境的構(gòu)建技術(shù)。①采用Linux+Hadoop進(jìn)行構(gòu)建。②采用Openstack構(gòu)建。③基于XEN 云平臺。④基于Eucalyptus云平臺。⑤基于CloudStack云平臺。⑥基于OpenNebula云平臺。VMware宣布了一項開源的PaaS計劃Cloud Foundry，開發(fā)者可以基于此平臺來建設(shè)SaaS服務(wù)。

基于商業(yè)云平臺的云環(huán)境的構(gòu)建技術(shù)。目前，國內(nèi)外有不少云平臺廠商提供私有云構(gòu)建解決方案。①微軟云平臺。②亞馬遜云平臺。③IBM云平臺。④Oracle云平臺。⑤新浪云頻臺。⑥搜狐云平臺。⑦國內(nèi)的云平臺如阿里云平臺、騰訊云平臺、盛大云平臺、華為云平臺、百度云、360云、115云平臺等都做得風(fēng)生水起，蓬勃發(fā)展。

各種平臺的共同點是：虛擬化、按需構(gòu)建和使用、動態(tài)開啟和共享案例。不同點是：費用；資源的可控性；使用期等。

4.2 教學(xué)企業(yè)實驗云設(shè)計

我們基于Ubuntu+Hadoop構(gòu)建云存儲集群，在集群環(huán)境上部署Web服務(wù)和應(yīng)用服務(wù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程資源共享和在線實驗。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星形架構(gòu)，一臺元數(shù)據(jù)服務(wù)器，連接5臺虛擬機(jī)節(jié)點構(gòu)成集群。軟件安裝通過VMware Workstation上安裝Ubuntu+Hadoop而成。同時，安裝實驗開發(fā)所需的數(shù)據(jù)庫軟件（如MySQL，HBase，MongoDB，Cassandra等）。

開發(fā)環(huán)境配置采用J2EE。服務(wù)器配置Web服務(wù)器。用戶訪問接口采用命令行與API兩種模式。在外網(wǎng)訪問云服務(wù)器時采用TeamViewer遠(yuǎn)程訪問。通過配置實現(xiàn)云存儲文件共享，并借助SVN進(jìn)行協(xié)同開發(fā)。

4.3 教學(xué)企業(yè)實驗云環(huán)境的構(gòu)建

需求分析：①構(gòu)建資源共享環(huán)境；②構(gòu)建分布式協(xié)同開發(fā)環(huán)境；③Web網(wǎng)站。

構(gòu)建工具：Linux+Hadoop+Tomcat+JDK+SSH

構(gòu)建過程：①操作系統(tǒng)安裝；②虛擬化平臺安裝；③虛擬Linux操作系統(tǒng)安裝；④授權(quán)訪問；構(gòu)建虛擬網(wǎng)；安裝Hadoop插件；⑤數(shù)據(jù)庫、開發(fā)環(huán)境等安裝；⑥云平臺測試。

構(gòu)建性能評測：①本地I/O響應(yīng)性能；②并發(fā)訪問性能；③遠(yuǎn)程訪問性能。

5 教學(xué)企業(yè)實驗云的應(yīng)用

5.1 教學(xué)企業(yè)實驗云構(gòu)建

我們在教學(xué)企業(yè)的3個實訓(xùn)室之間建立了分布式教學(xué)企業(yè)實驗云，建立云存儲共享空間；并通過建立數(shù)據(jù)

庫服務(wù)器、Web服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器提供遠(yuǎn)程訪問；通過TeamViewer進(jìn)行遠(yuǎn)程桌面訪問。同時借助公有云存儲、公有云服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)資源共享和分發(fā)。

5.2 實驗云網(wǎng)絡(luò)測試

實驗云網(wǎng)絡(luò)測試通過本地、局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等多種方式進(jìn)行可用性和可靠性性能測試。

5.3 實驗云服務(wù)器

通過構(gòu)建云存儲、安裝數(shù)據(jù)庫，其中包括關(guān)系數(shù)據(jù)庫（RDB），如MS SQL Server，MySQL；非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（NoSQL），如HBase、Cassandra、MogoDB、Pig等，作為云應(yīng)用開發(fā)的基礎(chǔ)設(shè)施和平臺，提供給開發(fā)者使用；安裝Web服務(wù)器，作為應(yīng)用項目測試與部署用。

5.4 基于實驗云的應(yīng)用開發(fā)

基于實驗云的應(yīng)用開發(fā)主要是借助Java、C#等語言和Hadoop等提供的API進(jìn)行設(shè)計開發(fā)。同時，將基于本地開發(fā)、私有云的應(yīng)用開發(fā)與公有云平臺的應(yīng)用開發(fā)結(jié)合，進(jìn)行基于云平臺的應(yīng)用開發(fā)和部署測試。

6 云服務(wù)可用性與可靠性分析

云服務(wù)通過將軟件映射到VM；服務(wù)負(fù)載分配；數(shù)據(jù)管理；軟件冗余和高可用性機(jī)制；快速彈性；過載控制；共享；多租戶；同步應(yīng)用等方式提高可靠性。

云計算最大化服務(wù)可用性的方式是：降低軟硬件產(chǎn)品、數(shù)據(jù)中心、IT服務(wù)管理、災(zāi)難恢復(fù)等的宕機(jī)時間；優(yōu)化云服務(wù)可用性。在實驗云環(huán)境中，可通過軟硬件產(chǎn)品的穩(wěn)定性、冗余配置、虛擬機(jī)節(jié)點的動態(tài)加載等方式增強(qiáng)可用性。

實驗云應(yīng)用時，存在本地存儲與云存儲之間的數(shù)據(jù)傳遞與互訪；異構(gòu)云平臺之間的通信和計算、存儲等資源共享；應(yīng)用的更新與部署、并發(fā)訪問性能的保障等均是在實驗云應(yīng)用中遇到的問題，通過借助傳統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)方法與云應(yīng)用開發(fā)方式的結(jié)合進(jìn)行克服。

7 小結(jié)

基于教學(xué)企業(yè)的實驗云是借助教學(xué)企業(yè)的閑置計算和存儲資源，構(gòu)建虛擬的計算和存儲資源集群服務(wù)，并根據(jù)用戶需要進(jìn)行分配，動態(tài)釋放，從而提高資源利用率，減少用戶使用成本，動態(tài)擴(kuò)展和復(fù)制，自適應(yīng)需求的變化。同時，將基于本地開發(fā)、私有云的應(yīng)用開發(fā)與公有云平臺的應(yīng)用開發(fā)結(jié)合，對實踐項目的教學(xué)與開發(fā)起到了良好的促進(jìn)作用。

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基金資助：廣東省產(chǎn)學(xué)研項目（項目編號2012B091100499）；廣東省科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新專項資金項目（項目編號2012CY037）；廣東省高等職業(yè)教育教學(xué)改革立項項目（項目編號201401091）；廣東省高職教育類信息技術(shù)立項課題“基于教學(xué)企業(yè)的實驗云環(huán)境及云應(yīng)用開發(fā)教學(xué)改革研究”（項目編號XXJS-2013-1008）；廣東省教育科研“十一五”規(guī)劃項目“支撐校企雙主體育人模式的學(xué)習(xí)中心平臺的構(gòu)建研究與實現(xiàn)”（項目編號2011TJK090）；廣東省教育科研“十二五”規(guī)劃2013年度研究項目“基于知識管理視角的高職院校電子信息工程專業(yè)精品資源共享課程建設(shè)的實踐研究”（項目編號2013JK256）；廣東省高等職業(yè)教育技術(shù)研究會課題“基于校企雙主體的高職院校創(chuàng)意人才工學(xué)結(jié)合培養(yǎng)模式的研究與實踐”（項目編號GDGZ12Y146）；廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院校級科研項目“基于教學(xué)企業(yè)的實驗云環(huán)境及云應(yīng)用開發(fā)研究”（項目編號XJMS201202）。

作者簡介：曾文英（1967-），女，教授，博士，主要研究方向：網(wǎng)絡(luò)存儲與數(shù)據(jù)管理、云計算、移動計算、高職教育；朱亞興（1972-）通訊作者，女，碩士，教授，主要研究方向：計算機(jī)應(yīng)用、軟件技術(shù)、教育管理；徐承亮（1970-），男，碩士，高級工程師，主要研究方向：無線通信、移動云計算應(yīng)用開發(fā)、高職教育。