文/王玉平 王河堂 戴春葉 周開元

上海海事大學云平臺促進高校教學改革（下）

文/王玉平 王河堂 戴春葉 周開元

編者按：

本文以上海海事大學iLogistics云計算平臺為例，對基于云計算的教學科研實驗模式進行研究和探索，提出了云計算平臺的核心架構(gòu)、功能，并對新模式的云平臺的優(yōu)點進行探索歸納，尤其是云平臺運營過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，根據(jù)這些大數(shù)據(jù)的行為，智能分析，為教學科研實驗過程提供了反饋，從而促進教學實驗的改革。本刊對此文進行連載刊登，本期推出連載的下篇，介紹iLogistics云平臺為傳統(tǒng)機房模式帶來的革新，以及如何助力科研計算和翻轉(zhuǎn)課堂等方面的內(nèi)容。

云計算平臺的優(yōu)點

云計算平臺在高校中的使用，不僅是建設(shè)的問題，更重要的是如何運維、使用，充分發(fā)揮其作用也是一項重要的課題。基于云計算的教學實驗科研平臺為傳統(tǒng)機房模式帶來了革新，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

投入低、效益高

IT資產(chǎn)的成本包括很多方面，初期購買成本只是其中的一小部分，其它還包括整個生命周期里的管理，維護，能量消耗等方面的成本，硬件更新升級的成本。相比傳統(tǒng)個人桌面或者個人工作站而言，云PC在整個生命周期里的管理、維護、能量消耗等方面的成本大大降低了。云平臺在初期硬件上的投資是比較大的，但是由于傳統(tǒng)桌面的更新周期是7年，而服務(wù)器的更新周期可長達10年，所以硬件上的成本基本相當。然而，由于軟成本大大降低，而且軟成本在總體擁有成本（TCO）中占有非常大的比重，所以采用云平臺方案總體TCO大大減少了。就云桌面來講，根據(jù)Gartner公司的預計，云桌面的TCO相比傳統(tǒng)桌面可以減少40%。

軟件的使用很大意義上是在購買用戶的使用許可。通過分析軟件使用許可的使用頻率可以看出，單個軟件對于單個用戶來說，使用時間有限，但購買成本確是整個時間段。在投入同樣的軟件使用許可成本的情況下讓多達10個用戶來使用，這可以節(jié)省90%的軟件成本。

桌面云中的虛擬桌面系統(tǒng)的授權(quán)是按照并發(fā)數(shù)來計算，學?？梢越y(tǒng)計分析并發(fā)數(shù)量，如上海海事大學有1000個并發(fā)，總?cè)藬?shù)有25000人，這樣實際購買并發(fā)數(shù)比只有4%，成本節(jié)約立刻顯現(xiàn)。

數(shù)據(jù)存儲安全、可靠

在云計算平臺中，所有的數(shù)據(jù)以及運算都在服務(wù)器端進行，客戶端既可以訪問本地資源，也可以進行本地和服務(wù)器端資源的同步。師生在暫停使用時，可以斷開與服務(wù)器端的連接，相關(guān)數(shù)據(jù)均存儲于服務(wù)器端，不會出現(xiàn)獨占某個計算機的情況，而且?guī)熒梢栽诋惖仉S時登錄繼續(xù)訪問上次實驗的數(shù)據(jù)。為了提高數(shù)據(jù)的可用性、安全性，我們對安全等級比較高的數(shù)據(jù)進行備份，確保數(shù)據(jù)不會丟失。

資源彈性變換，充分共享資源

基于云計算虛擬技術(shù)，對資源的需求量即時增長，避免資源閑置，提高使用效率。云彈性是云計算最顯著的特點之一，所謂云彈性是指云資源可以根據(jù)用戶的需求進行動態(tài)的資源調(diào)整。這種彈性最能體現(xiàn)在班級教學實驗的情況下，由于不是所有師生在同一時刻并發(fā)使用計算資源，因此可以對使用情況進行預先評估，給出一個平均使用資源量，初始建設(shè)云計算平臺時可以按平均使用量的150%的比例進行構(gòu)建，而在日常教學試驗中，系統(tǒng)會自動按需分配資源，提高資源利用率，充分共享資源。

上海海事大學的教務(wù)選課是安排在學期末和學期初，在此期間，教學實驗對IT資源的需求較少，期間，我們調(diào)整教務(wù)系統(tǒng)的服務(wù)器數(shù)量和占用服務(wù)器資源的配比，在不增加費用的情況下，充分利用現(xiàn)有資源，保障教務(wù)系統(tǒng)選課的正常進行。

另一個典型的案例在于GPU和CPU的使用上的優(yōu)化。在多年的云平臺運維中，通過對平臺系統(tǒng)日志的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，CPU和GPU集中在晚上10點和上午9點之間比較空閑，使用率較低。為此我們調(diào)整了藝術(shù)設(shè)計類軟件的使用習慣，如3DS Max、Maya，建議此類軟件的使用者白天進行設(shè)計，晚上進行渲染，可以最大化節(jié)約時間，提高效率。

實現(xiàn)節(jié)能減排，應(yīng)用更環(huán)保

如何保護有限資源，怎么才能消耗更少的能源，這是現(xiàn)在各國科學家在不斷探索的問題。一般來說，每臺傳統(tǒng)個人計算機的功耗在 200W 左右，即使它處于空閑狀態(tài)時耗電量也至少在 100W 左右，按照每天 8 個小時，每年 240 天工作來計算，每臺計算機桌面的耗電量在 480 度左右，非常驚人。在此之外，為了冷卻這些計算機使用產(chǎn)生的熱量，我們還必須使用一定的空調(diào)設(shè)備，這些能量的消耗也是非常大的。

采用云平臺以后，每個瘦客戶端的電量消耗在 8～15W 左右，而一臺服務(wù)器耗電約400W左右，平均支撐20個瘦客戶端，核算后每個云PC耗能是原來傳統(tǒng)個人桌面的 20%，所產(chǎn)生的熱量也大大減少了。

云計算平臺在運行中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，用于對師生的教學實驗科研進行評估。也可以從操作過程、操作時間來評估師生的行為，從而對教學進行反哺，便于教師充分了解學生，因材施教，也掌握知識傳授接受的程度。

使用方式改變，突破時空限制

有了持續(xù)在線的云平臺，師生可以突破時空限制，可以在寢室、校園內(nèi)、互聯(lián)網(wǎng)上在任何時間訪問云平臺。對于傳統(tǒng)的實驗室，需要合理安排場次，師生在規(guī)定的時間內(nèi)到達指定的實驗室才可以進行實驗，而有了云平臺，則可以通過互聯(lián)網(wǎng)在任意地方任意時間訪問實驗，也可以暫?；蚶^續(xù)實驗，而不受地域和其他師生使用的影響。

除了時空限制，用戶還可以通過自帶設(shè)備，譬如便攜式計算機、手機、Pad等移動終端連接云平臺，尤其是通過移動設(shè)備，可以不在固定的場所實時跟蹤實驗進展情況。

減少IT資源管理人員工作量

在使用傳統(tǒng)桌面的整體成本中，管理維護成本在其整個生命周期中占很大的一部分，管理成本包括操作系統(tǒng)安裝配置、升級和修復的成本，以及硬件安裝配置、升級和維修的成本，數(shù)據(jù)備份、恢復的成本，各種應(yīng)用程序安裝配置、升級、維修的成本。在傳統(tǒng)桌面應(yīng)用中，這些工作基本上都需要在每個桌面上做一次，工作量非常大。對于那些需要頻繁替換，更新桌面的行業(yè)來說，工作量就更大了。

在云平臺中，管理是集中化的，管理員通過控制中心管理成百上千的虛擬桌面，所有的更新，打補丁都只需要更新一個“基礎(chǔ)鏡像”就可以了。管理員可以根據(jù)課程的不同配置幾個基礎(chǔ)的鏡像，然后不同的課程的師生可以分別連接到這些不同的基礎(chǔ)鏡像，而且我們要做任何修改，只需要在這幾個基礎(chǔ)鏡像上進行就可以了，大大節(jié)約了管理成本。

所有軟件資源相當于書籍借閱

在云平臺集中管理的模式中，所有的IT資源都是以類似于圖書資源的形式出借，師生可以申請、續(xù)借、歸還該資源，而某個資源的數(shù)量卻不像圖書那么受限，僅僅受制于版權(quán)和云平臺基礎(chǔ)架構(gòu)的計算能力。

在該模式下，IT資源使用也具有有效期，在到期后，師生可以申請延期繼續(xù)使用該項資源。若有效期到了，則對該資源進行銷毀釋放。在IT資源未到期時，師生也可以主動申請銷毀資源。從而充分發(fā)揮云計算平臺基礎(chǔ)架構(gòu)的能力，提高IT資源的效能。

以數(shù)據(jù)分析評估師生使用效果

云計算平臺在運行中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，用于對師生的教學實驗科研進行評估。也可以從操作過程、操作時間來評估師生的行為，從而對教學進行反哺，便于教師充分了解學生，因材施教，也掌握知識傳授接受的程度。此外，根據(jù)學生的操作行為分析，可以分析相關(guān)課程的難易點，準確掌握學生的實驗進度，從而對教學實驗大綱進行修訂。

云平臺助力科研計算

iLogistics云計算平臺對于科學研究最大的貢獻在于其計算能力和存儲能力。傳統(tǒng)的科研小組自購服務(wù)器存儲，小組內(nèi)部人員需要學習如何部署協(xié)作IT資源，但是不同人員對于計算架構(gòu)的掌握程度不同，配置出的架構(gòu)是否合理亦不確定，容易造成資源浪費。為此我們?yōu)榭蒲袌F隊提供了各類模板，科研團隊也可以向我們提出自定義模板，由他們自定義或者我們來定制。

自助化申請服務(wù)

通過iLogistics云計算平臺的自助化服務(wù)界面，用戶可以自助申請計算資源，調(diào)整CPU、內(nèi)存和存儲資源配置，平臺運維方在1到2個工作日內(nèi)根據(jù)情況進行審批。待審核通過后，申請用戶就可以申請資源了。得利于基礎(chǔ)架構(gòu)對多機器的藍圖的支持，平臺可以允許用戶申請類似Hadoop集群的資源。

安全隔離

借助于網(wǎng)絡(luò)虛擬化的技術(shù)，所有的資源都是機器或集群間完全隔離，互相不能訪問。這樣即使用戶不修改密碼，也不會造成數(shù)據(jù)泄露、入侵等安全問題。

租賃機制

根據(jù)不同的服務(wù)申請，定制了不同的默認租賃期限。譬如科研短期計算服務(wù)，其租賃期限為1個月，而對于網(wǎng)站類服務(wù)器，則租賃期限為5年。租賃期結(jié)束之前，系統(tǒng)會自動提示用戶注意期限，如果需要延期服務(wù)，則可以申請延期。通過這種策略，可以減少資源的浪費，也可以提醒用戶資源是有限的。

云平臺助力翻轉(zhuǎn)課堂

在iLogistics云平臺中，主要通過桌面云來助力翻轉(zhuǎn)課堂。桌面云系統(tǒng)需要一個終端通過網(wǎng)絡(luò)連接使用戶獲得與傳統(tǒng)的桌面系統(tǒng)和應(yīng)用程序一樣的用戶體驗，并且這種用戶體驗并不局限于特定的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。

然而，桌面云在高校中的使用并不成功，通過幾大廠商的案例可以看出，桌面云基本是在學院層面或者二級部門部署，使用范圍比較局限，功能比較單一，主要用于考試和實驗，而用于實地教學的比較少。為了避免雷聲大雨點小的尷尬，能夠在校級層面應(yīng)用桌面云，我們對桌面云的技術(shù)關(guān)鍵點進行了詳細測試與分析。

目前流行的桌面云系統(tǒng)主要包括客戶端、網(wǎng)絡(luò)接入、系統(tǒng)管理端、GPU和服務(wù)存儲端5個部分。我們分別對這幾部分進行了詳細的考量測試。

客戶端包括專用的瘦客戶端和自帶的移動設(shè)備。普通瘦客戶端，內(nèi)嵌了獨立的嵌入式操作系統(tǒng)，可以通過多種協(xié)議連接到運行在遠程服務(wù)器端的虛擬桌面。瘦客戶端的硬件配置可以不足以作為一個單獨的終端來支持桌面系統(tǒng)的本地運行，而只需要具有與遠程服務(wù)器通信和輸入輸出的能力。在我們的智慧教室中，瘦客戶端并不置備，而是由學生自帶設(shè)備接入（BYOD）。

網(wǎng)絡(luò)接入

桌面云系統(tǒng)的用戶可以通過有線或者無線網(wǎng)絡(luò)來連接局域或者廣域網(wǎng)絡(luò)，連接的方式可以是普通連接，也可以是安全連接。基于瘦客戶端的工作方式，在桌面云系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中需要傳遞的僅僅是鼠標、鍵盤點擊和屏幕刷新的數(shù)據(jù)。瘦客戶端將用戶的輸入傳給服務(wù)器的同時負責接收和呈現(xiàn)服務(wù)器傳回的輸出。在數(shù)據(jù)傳輸中，從服務(wù)器回傳的屏幕數(shù)據(jù)是主要內(nèi)容，尤其是在視頻播放和高屏幕分辨率的情況下。在1920×1080屏幕分辨率下測試了幾個桌面云使用場景，帶寬需求參見表1。由此可見，在校內(nèi)有線網(wǎng)的情況下，各種場景都適用。但是通過無線網(wǎng)絡(luò)接入，則面臨著并發(fā)數(shù)量的問題，通過調(diào)優(yōu)和實驗，在某個教室內(nèi)，無線只能承載50個并發(fā)訪問才能保障視頻播放正常。

表1

系統(tǒng)管理端

系統(tǒng)管理端是為管理員提供桌面管理的能力。為了簡化管理和提高效率，iLogistics云計算平臺采用虛擬化系統(tǒng)自身的管理功能，僅在用戶是否可以訪問某個桌面云時做了策略管理，并與學校的教務(wù)系統(tǒng)進行對接。系統(tǒng)在課程上課之前固定時間內(nèi)自動提早準備桌面。針對每個桌面云的主鏡像則由運維團隊根據(jù)課程需求或者業(yè)務(wù)需求，預先設(shè)置操作系統(tǒng)類型、內(nèi)存大小、處理器數(shù)量、網(wǎng)卡數(shù)量和硬盤容量，并安裝好操作系統(tǒng)和各類軟件。在操作系統(tǒng)和軟件需要升級時，運維團隊統(tǒng)一進行該操作并推送鏡像。

服務(wù)存儲端

服務(wù)存儲端由多臺服務(wù)器和存儲設(shè)備組成，在為用戶存儲數(shù)據(jù)的同時還為用戶的虛擬桌面提供操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。由于桌面云是在服務(wù)器上并發(fā)訪問存儲資源，因此對于IOPS要求非常高。為此我們測試了幾類集中存儲SAN和分布式存儲vSAN，通過IOMeter來測算IOPS，最終vSAN在此方面勝出，且vSAN的授權(quán)已經(jīng)包含在桌面云授權(quán)中，實際測算下來，其總成本低于傳統(tǒng)集中存儲。

在iLogistics云計算平臺中，使用vSAN作為桌面云的存儲，使用傳統(tǒng)SAN作為用戶數(shù)據(jù)的存儲設(shè)備，同時針對SAN做了關(guān)鍵數(shù)據(jù)的備份。

桌面云對于服務(wù)器的壓力還集中在CPU方面，如圖1所示，不同的場景對于服務(wù)器CPU的負載需求不盡相同。為此，在重構(gòu)iLogistics云計算平臺時，盡量選用性能較高的CPU。

圖1 CPU和GPU測試

GPU

沒有GPU的情況下，系統(tǒng)所用的顯示適配器功能是由CPU模擬的。經(jīng)過測試，CPU模擬會給服務(wù)器額外造成30%的壓力，且顯示效果降低。為此，為每個桌面都分配了vGPU，從而提高顯示效果并減輕服務(wù)器壓力，提高單臺服務(wù)器承載桌面并發(fā)數(shù)。此外，對于Photoshop、3DS Max等設(shè)計類軟件，存在GPU會給軟件體驗帶來顯著提高的現(xiàn)象，尤其是3DS Max類軟件，沒有GPU無法正常運行。

云計算平臺中，上海海事大學選用了同種型號的GPU卡，便于卡的共享，并且充分考慮資源的集約利用。普通桌面對于GPU卡的要求較低，而藝術(shù)設(shè)計類用戶要求較高，我們?yōu)椴煌愑脩魡⒂昧瞬煌腉PU Profile，并盡量平均分布在多臺服務(wù)器中，從而最大化發(fā)揮GPU卡的效能，提高藝術(shù)設(shè)計類的效果。

智慧教室

上海海事大學智慧教室的建設(shè)主要面向翻轉(zhuǎn)課堂，內(nèi)部采用無線網(wǎng)絡(luò)訪問的模式，學生自帶便攜式計算機，教室內(nèi)有活動門板。教師授課時，門板收縮掉；分組討論時，活動門板展開，大房間分隔成多個封閉的小房間便于小組討論。這種布局深受師生歡迎，教學效果良好。

（責編：陶春）

（作者單位為上海海事大學）