卜天然

摘要：該文通過(guò)研究虛擬化技術(shù)在高職院校實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，制定一套符合高職院校實(shí)踐教學(xué)需要的私有云平臺(tái)規(guī)劃方案。通過(guò)有效整合分散的軟、硬件資源，搭建統(tǒng)一的實(shí)踐教學(xué)云，通過(guò)云管理平臺(tái)、實(shí)踐教學(xué)云應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)靈活統(tǒng)一的資源調(diào)配、系統(tǒng)部署和運(yùn)雛管理模式。從而大大提高資源利用率，提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)，同時(shí)減少了實(shí)訓(xùn)室管理人員瑣碎的管理事務(wù)，提高管理人員的工作效率。最終實(shí)現(xiàn)以云計(jì)算服務(wù)為中心的數(shù)字化、智慧化實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：虛擬化技術(shù)；實(shí)踐教學(xué)；私有云

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）14-0106-04

1信息化技術(shù)在我院實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用現(xiàn)狀及研究背景

《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》和《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃》中明確提出要“加快教育信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”，“充分整合現(xiàn)有資源，采用云計(jì)算技術(shù)，形成資源配置與服務(wù)的集約化發(fā)展途徑，構(gòu)建穩(wěn)定可靠、低成本的國(guó)家教育云服務(wù)模式”。這為“十三五”教育信息化發(fā)展指明了方向，通過(guò)云計(jì)算的手段全面部署教育管理信息系統(tǒng)，有助于提升教育資源公共服務(wù)平臺(tái)技術(shù)水平和服務(wù)能力，有助于提升教育治理體系和治理能力的現(xiàn)代化水平。

近年來(lái)，各高職院校均高度重視高校信息化工作，以安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例，從2012年起，學(xué)院依據(jù)數(shù)字化校園建設(shè)需求，在信息化建設(shè)方面投入資金475萬(wàn)元，其中，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)225萬(wàn)元，中心機(jī)房建設(shè)74萬(wàn)元，軟件信息系統(tǒng)建設(shè)176萬(wàn)元。信息基礎(chǔ)設(shè)施初具規(guī)模。學(xué)院目前已建成萬(wàn)兆骨干校園網(wǎng)、標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)中心機(jī)房。校園網(wǎng)擁有各類服務(wù)器40臺(tái)，骨干網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備39臺(tái)，教學(xué)與辦公終端計(jì)算機(jī)近4000臺(tái)，基本建成了以信息門戶、統(tǒng)一身份認(rèn)證和數(shù)據(jù)交換中心三大平臺(tái)為基礎(chǔ)的數(shù)字化校園平臺(tái)；同時(shí)，學(xué)院也高度重視實(shí)踐教學(xué)基地的建設(shè)，平均每年投入1000萬(wàn)用于校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地的新建、改建、擴(kuò)建等項(xiàng)目，目前學(xué)院共建有校內(nèi)實(shí)訓(xùn)室96個(gè)，覆蓋全院36個(gè)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)場(chǎng)所，經(jīng)過(guò)近幾年跨越式發(fā)展與建設(shè)，極大改善了我院實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，校內(nèi)實(shí)踐教學(xué)條件得到進(jìn)一步提升。

隨著教育方式的快速轉(zhuǎn)變，學(xué)院各系都在大力加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，不僅電子信息工程系、藝術(shù)設(shè)計(jì)系對(duì)信息化硬件需求不斷增強(qiáng)，會(huì)計(jì)系、經(jīng)濟(jì)貿(mào)易系等財(cái)經(jīng)類專業(yè)近年來(lái)也陸續(xù)采購(gòu)了VBSE、用友ERP等大型虛擬仿真教學(xué)軟件，這些虛擬仿真教學(xué)軟件的部署，對(duì)提高財(cái)經(jīng)類實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量有著巨大的推動(dòng)作用；與此同時(shí)，軟件對(duì)IT基礎(chǔ)資源的需求也快速增加，以實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心管理全院42個(gè)通用型實(shí)訓(xùn)室（以電腦為主體的實(shí)訓(xùn)設(shè)備超60臺(tái)為計(jì)算依據(jù)）為例，通過(guò)近幾年的建設(shè)，實(shí)訓(xùn)室配套有機(jī)架式服務(wù)器7臺(tái)、塔式服務(wù)器16臺(tái)，在服務(wù)器上運(yùn)行的虛擬仿真教學(xué)軟件已有近20余種。實(shí)訓(xùn)室已從原先的單一臺(tái)式機(jī)逐步轉(zhuǎn)變成以服務(wù)器為主導(dǎo)、桌面式臺(tái)式機(jī)為主體的多元化實(shí)訓(xùn)室。

服務(wù)器與電腦的增配改善了學(xué)院實(shí)訓(xùn)條件，解決了單一課程軟件的運(yùn)行需求。但實(shí)踐教學(xué)信息化方面卻面臨著分散建設(shè)的問(wèn)題：所有學(xué)生電腦均為獨(dú)立模式，教學(xué)資源與實(shí)訓(xùn)成果只能保存在原先電腦中；所有機(jī)架式服務(wù)器均分散在各個(gè)實(shí)訓(xùn)室；有的服務(wù)器常年只運(yùn)行一個(gè)應(yīng)用軟件；塔式服務(wù)器除了少部分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器之外，其它應(yīng)用服務(wù)器的負(fù)載都較小，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到充分利用的狀態(tài)。出現(xiàn)資源緊張時(shí)各系搶著借，資源富裕時(shí)服務(wù)器斷電“睡大覺(jué)”的尷尬局面。一方面，信息化系統(tǒng)建設(shè)需求越來(lái)越多，原有的硬件已經(jīng)無(wú)法支撐更多的新業(yè)務(wù)，擴(kuò)容的需求非常緊迫，而另一方面一些服務(wù)器資源并未得到有效利用，這一矛盾初顯端倪。

研究表明，分散的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所的數(shù)據(jù)中心建設(shè)會(huì)導(dǎo)致資源利用率低，重復(fù)建設(shè)，管理成本高的問(wèn)題。2016年，學(xué)院網(wǎng)絡(luò)中心、實(shí)訓(xùn)中心先后實(shí)施了部分服務(wù)器、桌面計(jì)算機(jī)的虛擬化工程，初步實(shí)現(xiàn)了虛擬化技術(shù)在校內(nèi)的應(yīng)用，從運(yùn)行及維護(hù)方面看，通過(guò)有效的虛擬化可以加快的新實(shí)踐教學(xué)管理軟件的運(yùn)行降低采購(gòu)成本，提高業(yè)務(wù)的可靠性。

2學(xué)院實(shí)訓(xùn)中心信息化技術(shù)的現(xiàn)狀分析與解決思路

2.1現(xiàn)狀分析

學(xué)院實(shí)訓(xùn)中心目前以7臺(tái)X86服務(wù)器為主，部署了多個(gè)信息系統(tǒng)為學(xué)院實(shí)踐教學(xué)業(yè)務(wù)提供信息化技術(shù)支撐。目前部署有數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、文件服務(wù)器等獨(dú)立服務(wù)器，運(yùn)行著實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用、機(jī)房管理、數(shù)據(jù)庫(kù)等業(yè)務(wù)。從現(xiàn)有運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)看，除了數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器之外，其它應(yīng)用服務(wù)器的負(fù)載都較小，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到充分利用的狀態(tài)。所有業(yè)務(wù)都采用單機(jī)部署，數(shù)據(jù)存放在系統(tǒng)本地硬盤，同時(shí)數(shù)據(jù)中心的設(shè)備使用周期較長(zhǎng)，存在較大的安全隱患。隨著實(shí)踐教學(xué)業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，即將建設(shè)和管理的實(shí)訓(xùn)信息系統(tǒng)不斷增加，對(duì)實(shí)訓(xùn)中心管理部門在資源利用、系統(tǒng)部署及業(yè)務(wù)連續(xù)性方面提出了更高的要求。從學(xué)院業(yè)務(wù)運(yùn)行效率，以及連續(xù)性保障等方面，對(duì)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)架構(gòu)資源進(jìn)行升級(jí)改造勢(shì)在必行。

2.2解決思路

云計(jì)算的出現(xiàn)和演變是從1990年代開(kāi)始的，它經(jīng)歷了網(wǎng)格計(jì)算、效用計(jì)算、軟件即服務(wù)（SaaS）等幾個(gè)階段。我們可以這樣定義云計(jì)算：云計(jì)算是一種計(jì)算模式，在這種模式中，應(yīng)用、數(shù)據(jù)和IT資源以服務(wù)的方式通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提供給用戶使用。云計(jì)算也是一種基礎(chǔ)架構(gòu)管理的方法論，大量的計(jì)算資源組成IT資源池，用于動(dòng)態(tài)創(chuàng)建高度虛擬化的資源提供用戶使用。綜上所述，云計(jì)算是一種能夠降低IT復(fù)雜性的新方法，它將按需提供的自助管理虛擬基礎(chǔ)架構(gòu)匯集成高效池，以服務(wù)的形式提供計(jì)算，目前來(lái)看，云計(jì)算就是能夠?qū)崿F(xiàn)前述要求的主要技術(shù)體現(xiàn)。

在這種環(huán)境下，基于云計(jì)算的虛擬化技術(shù)就體現(xiàn)了整合優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用在IT的不同層面，從邏輯層到物理層抽象出來(lái)意味著邏輯組件會(huì)得到更一致的管理。從各方面來(lái)看，均對(duì)實(shí)訓(xùn)室平臺(tái)性能有較大提升。

1）從安全監(jiān)督來(lái)看，虛擬化技術(shù)提升了X86服務(wù)器的可靠性、可用性，從基礎(chǔ)架構(gòu)層面獲得了原先單機(jī)系統(tǒng)無(wú)法想象的功能，大大提高了業(yè)務(wù)連續(xù)性的級(jí)別，降低了故障率、減少了系統(tǒng)宕機(jī)的時(shí)間。

2）從服務(wù)器的角度來(lái)看，虛擬化技術(shù)讓每臺(tái)設(shè)備都能托管多種操作系統(tǒng)，最大化了利用率，降低了服務(wù)器數(shù)量。

3）從存儲(chǔ)的角度來(lái)看，虛擬化技術(shù)可網(wǎng)絡(luò)化、整合磁盤設(shè)備，并讓多個(gè)服務(wù)器共享磁盤設(shè)備，從而提高了利用率。

4）從應(yīng)用的角度來(lái)看，虛擬化技術(shù)將應(yīng)用計(jì)算從用戶設(shè)備中分離出來(lái)，并在數(shù)據(jù)中心對(duì)應(yīng)用及相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，通過(guò)集中化技術(shù)改善了管理和系統(tǒng)安全性。

通過(guò)現(xiàn)狀分析和技術(shù)需求分析，采用對(duì)實(shí)訓(xùn)中心所有X86架構(gòu)服務(wù)器進(jìn)行虛擬化遷移整合，建設(shè)數(shù)據(jù)中心計(jì)算存儲(chǔ)超融合資源池的解決方案。下圖1是虛擬化整合之后的IT架構(gòu)，可以看出來(lái)，原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并沒(méi)有改變，避免了資源重復(fù)建設(shè)。

3實(shí)踐教學(xué)云平臺(tái)的構(gòu)建

基于目前實(shí)踐教學(xué)環(huán)境中服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)和安全現(xiàn)狀和未來(lái)學(xué)院實(shí)踐教學(xué)業(yè)務(wù)發(fā)展目標(biāo)規(guī)劃設(shè)計(jì)了云平臺(tái)邏輯架構(gòu)。平臺(tái)包含實(shí)訓(xùn)云平臺(tái)基礎(chǔ)資源架構(gòu)、實(shí)訓(xùn)資源管理平臺(tái)、桌面云及數(shù)據(jù)安全管理平臺(tái)等五個(gè)子模塊。通過(guò)服務(wù)器虛擬化（SDC）、存儲(chǔ)虛擬化（SDS）和網(wǎng)絡(luò)虛擬化（SDN）技術(shù)構(gòu)建軟件定義的數(shù)據(jù)中心（SDDC），實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)院實(shí)訓(xùn)環(huán)境的資源支持，再結(jié)合實(shí)訓(xùn)云平臺(tái)資源管理平臺(tái)和實(shí)訓(xùn)桌面云接入平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)資源管理及按照教學(xué)需要自動(dòng)化交付實(shí)訓(xùn)應(yīng)用環(huán)境，滿足不同師生對(duì)實(shí)訓(xùn)應(yīng)用場(chǎng)景的個(gè)性化要求，實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)信息系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)“統(tǒng)一規(guī)劃”、“統(tǒng)一部署”、“統(tǒng)一投資”和“統(tǒng)一管理”。實(shí)踐教學(xué)云平臺(tái)整體業(yè)務(wù)邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

根據(jù)邏輯架構(gòu)圖，可以將實(shí)踐教學(xué)云平臺(tái)分為以下幾個(gè)核心業(yè)務(wù)模塊：

1）實(shí)踐教學(xué)云資源平臺(tái)

通過(guò)軟件定義的計(jì)算、軟件定義的存儲(chǔ)、軟件定義的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行資源抽象整合，形成虛擬化資源池，為實(shí)訓(xùn)課程資源、教育教學(xué)應(yīng)用資源、實(shí)訓(xùn)終端桌面云資源提供基礎(chǔ)設(shè)施支撐服務(wù)，滿足實(shí)踐教學(xué)對(duì)底層資源的動(dòng)態(tài)、靈活、可靠、可擴(kuò)展等要求。

2）教學(xué)、實(shí)訓(xùn)資源管理平臺(tái)

構(gòu)建實(shí)訓(xùn)資源管理平臺(tái)，將學(xué)院各類實(shí)訓(xùn)課程進(jìn)行集中統(tǒng)一構(gòu)建、部署、分發(fā)、使用、回收管理，對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)模式進(jìn)行創(chuàng)新，利用云計(jì)算自服務(wù)能力，滿足不同課程環(huán)境的云計(jì)算服務(wù)化交付。利用實(shí)訓(xùn)云平臺(tái)構(gòu)建在線教學(xué)、MOOC、精品課程等教學(xué)應(yīng)用資源，滿足日常教學(xué)需求。

3）桌面云及數(shù)據(jù)安全管理平臺(tái)

通過(guò)桌面云管理平臺(tái)對(duì)桌面云用戶權(quán)限、應(yīng)用類型、實(shí)訓(xùn)課程內(nèi)容及實(shí)訓(xùn)手冊(cè)進(jìn)行管理，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)訓(xùn)云桌面接人環(huán)境，簡(jiǎn)化機(jī)房管理員終端運(yùn)維管理的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)通用實(shí)訓(xùn)軟件的快速部署及應(yīng)用軟件的切換。

4）教學(xué)，實(shí)訓(xùn)云資源管理及自動(dòng)化引擎

資源管理及自動(dòng)化引擎負(fù)責(zé)實(shí)訓(xùn)課程資源分配、課程支撐環(huán)境組建、課程間隔離管理等功能，教師可手動(dòng)或自動(dòng)部署課程為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境；自動(dòng)化引擎實(shí)現(xiàn)課程的自動(dòng)化創(chuàng)建及回收管理，最大化實(shí)訓(xùn)資源的復(fù)用率。

5）教學(xué)/實(shí)訓(xùn)云平臺(tái)服務(wù)門戶

學(xué)生可以利用實(shí)訓(xùn)服務(wù)門戶自助申請(qǐng)、使用實(shí)訓(xùn)資源，通過(guò)服務(wù)門戶與云計(jì)算資源平臺(tái)進(jìn)行服務(wù)交互。4大規(guī)模并發(fā)計(jì)算在虛擬化技術(shù)中的實(shí)現(xiàn)

虛擬化技術(shù)的引進(jìn)，帶來(lái)了虛擬網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)虛擬化）的概念。在虛擬化平臺(tái)層面，將會(huì)衍生出一個(gè)虛擬交換層。虛擬機(jī)（應(yīng)用）與系統(tǒng)外的數(shù)據(jù)交互，都是通過(guò)虛擬交換層（虛擬交換機(jī)）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，網(wǎng)絡(luò)管理的終端設(shè)備是虛擬網(wǎng)卡，物理網(wǎng)卡僅僅作為一個(gè)數(shù)據(jù)通道存在，沒(méi)有管理意義。

對(duì)于虛擬化平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)管理，需要單獨(dú)建設(shè)虛擬化管理網(wǎng)，作用是對(duì)虛擬化環(huán)境的統(tǒng)一管理，并且單獨(dú)便于計(jì)算資源流動(dòng)時(shí)不會(huì)對(duì)生產(chǎn)網(wǎng)造成影響。下圖3是虛擬化平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)連接示意圖。

在進(jìn)行大規(guī)模并行計(jì)算方面，云平臺(tái)下的應(yīng)用作為客戶端發(fā)出計(jì)算請(qǐng)求，為完成計(jì)算請(qǐng)求作業(yè)，首先將其拆分成若干個(gè)任務(wù)，然后分配到分布式數(shù)據(jù)網(wǎng)格的各個(gè)節(jié)點(diǎn)去執(zhí)行，經(jīng)過(guò)計(jì)算處理之后，相關(guān)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的結(jié)果自動(dòng)匯總到發(fā)出此計(jì)算請(qǐng)求的客戶端并得出最終結(jié)果。當(dāng)計(jì)算節(jié)點(diǎn)不充足時(shí)，用戶自動(dòng)添加計(jì)算資源滿足高并行計(jì)算的壓力負(fù)載，用戶還可根據(jù)自己的計(jì)算需求靈活設(shè)置并行計(jì)算策略，這大大提高并行計(jì)算的機(jī)動(dòng)性，使其分布式擴(kuò)展得到良好的保證。在跨數(shù)據(jù)中心的分布式計(jì)算方面WAN網(wǎng)關(guān)聯(lián)的成員之間（或者相同網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)集群之間）為了分布數(shù)據(jù)，使用超對(duì)等體的網(wǎng)關(guān)特性來(lái)提供異步復(fù)制數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程分布式系統(tǒng)。一個(gè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)程在一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域上監(jiān)聽(tīng)增，刪，改，查事件，然后以容錯(cuò)的方式f內(nèi)存或者磁盤）隊(duì)列化相關(guān)事件，事件被保存在隊(duì)列里，當(dāng)多個(gè)更新共同作用于一個(gè)鍵，此事件會(huì)合并在一起（舊的更新從隊(duì)列中刪除，最新的更新留在隊(duì)列中）。發(fā)送到遠(yuǎn)程系統(tǒng)的事件是批量的，根據(jù)分布式系統(tǒng)之間網(wǎng)絡(luò)狀況的可以配置消息的大小。在接受端做沖突檢測(cè)，網(wǎng)關(guān)配置成單向或者雙向，或多個(gè)遠(yuǎn)程站點(diǎn)接受事件，達(dá)到異步網(wǎng)關(guān)分布式數(shù)據(jù)中心協(xié)同計(jì)算。異步網(wǎng)關(guān)分布式架構(gòu)如圖4所示。

5實(shí)踐教學(xué)云平臺(tái)應(yīng)用成效

1）應(yīng)用服務(wù)器的效率對(duì)比

實(shí)踐教學(xué)云平臺(tái)采用虛擬化技術(shù)后，在原有7臺(tái)刀片服務(wù)器組成的虛擬化資源集群中，只要具有整體資源空閑，即可采用模板或服務(wù)器復(fù)制方式快速建立一臺(tái)新的虛擬化服務(wù)器，耗時(shí)不超過(guò)15分鐘。與傳統(tǒng)方式相比，所需部署時(shí)間最短可以縮小到1/1440。極大的提高了用戶應(yīng)對(duì)各類突發(fā)新的應(yīng)用需求的能力，并且節(jié)約了工作時(shí)間，提高工作效率。服務(wù)器準(zhǔn)備耗時(shí)對(duì)比如圖5所示。

21虛擬化前后的教學(xué)成本估算對(duì)比

在虛擬化之后，我們?nèi)绻瓷鲜稣媳葹槔?，以五年新建、改?0個(gè)通用實(shí)訓(xùn)室規(guī)模進(jìn)行計(jì)算，虛擬化后需要5臺(tái)四路四核CPU服務(wù)器，只需10塊Infiband網(wǎng)卡和10塊HBA卡（每臺(tái)服務(wù)器配兩塊HBA卡，形成鏈路冗余）。結(jié)合人工及電力成本，五年共節(jié)省教學(xué)成本449萬(wàn)。

虛擬化前、后對(duì)比分析如表1所示。

6結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究虛擬化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，制定了一套符合高職院校實(shí)踐教學(xué)需要的私有云平臺(tái)規(guī)劃方案并應(yīng)用。實(shí)踐表明通過(guò)有效整合分散的軟、硬件資源，搭建統(tǒng)一的實(shí)踐教學(xué)云，可以大大提高資源利用率，提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)，同時(shí)減少了實(shí)訓(xùn)室管理人員瑣碎的管理事務(wù)，提高管理人員的工作效率。