基于云計(jì)算的計(jì)算機(jī)類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)搭建與應(yīng)用

楊焱超, 熊盛武, 饒文碧, 袁景凌

(武漢理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 湖北 武漢　430070)

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基于云計(jì)算的計(jì)算機(jī)類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)搭建與應(yīng)用

楊焱超, 熊盛武, 饒文碧, 袁景凌

(武漢理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 湖北 武漢430070)

針對(duì)武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在跨校區(qū)、教學(xué)資源分散、實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施有限等問(wèn)題,提出實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺(tái)框架,并闡述該框架構(gòu)建過(guò)程。通過(guò)該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)類(lèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)境快速自定義部署、高性能實(shí)驗(yàn)仿真開(kāi)發(fā)、實(shí)驗(yàn)中心信息綜合服務(wù)支撐等功能。給出包括跨區(qū)域和跨專(zhuān)業(yè)計(jì)算機(jī)開(kāi)放式教學(xué)、Hadoop高性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、開(kāi)放實(shí)驗(yàn)預(yù)約等方面的教學(xué)應(yīng)用案例。

教學(xué)實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)； 云計(jì)算； 仿真實(shí)驗(yàn)； 開(kāi)放實(shí)驗(yàn)管理

目前,云計(jì)算技術(shù)在教育領(lǐng)域越來(lái)越受到重視和廣泛運(yùn)用。它不僅能動(dòng)態(tài)調(diào)配虛擬資源、彈性負(fù)擔(dān)大數(shù)據(jù)的處理[1-3],還能快速部署應(yīng)用、提高資源使用率、降低實(shí)驗(yàn)室安裝維護(hù)工作量[4]。通過(guò)建設(shè)云計(jì)算平臺(tái)，能夠有效整合教學(xué)資源,推動(dòng)教學(xué)實(shí)踐體系改革,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力[5-11]。

1　教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)概述

武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心承擔(dān)著校級(jí)計(jì)算機(jī)類(lèi)公共教學(xué)實(shí)驗(yàn)和本專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)及科研任務(wù)。由于武漢理工大學(xué)跨5個(gè)校區(qū)辦學(xué),計(jì)算機(jī)學(xué)院也分散在2個(gè)校區(qū),因而實(shí)驗(yàn)室資源無(wú)法集中?，F(xiàn)有的機(jī)房實(shí)驗(yàn)環(huán)境固定,無(wú)法滿(mǎn)足學(xué)生個(gè)性化和開(kāi)放式學(xué)習(xí)需求。

為此,武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院搭建了計(jì)算機(jī)類(lèi)公共實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺(tái)。該平臺(tái)分為資源虛擬化平臺(tái)、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)中心綜合信息服務(wù)平臺(tái)等3層架構(gòu)(見(jiàn)圖1)。通過(guò)該云平臺(tái)，能夠靈活、快速地搭建實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境,提供大規(guī)模、開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)空間,滿(mǎn)足學(xué)生自主化學(xué)習(xí)需要。利用云存儲(chǔ)構(gòu)建大數(shù)據(jù)中心,可以支撐海量實(shí)驗(yàn)資源的集中存儲(chǔ)和管理。通過(guò)整合資源,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上、網(wǎng)下、移動(dòng)終端等多種形式的資源共享服務(wù),便于對(duì)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行挖掘和分析[12-15]。學(xué)生可以不受時(shí)間限制地在校內(nèi)校外用智能終端設(shè)備接入,獲取IaaS(基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù))、PaaS(平臺(tái)即服務(wù))或SaaS(軟件即服務(wù))云服務(wù)。

圖1　計(jì)算機(jī)類(lèi)教學(xué)實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)架構(gòu)

2　資源虛擬化平臺(tái)

2.1整體架構(gòu)

資源虛擬化平臺(tái)是整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的核心支撐層,它具有一個(gè)功能完整、標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放并易于集成的基于CloudStack的云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu),通過(guò)虛擬化技術(shù)將高性能服務(wù)器集群、云存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備池化，再通過(guò)CloudStack云計(jì)算管理軟件，使計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源協(xié)同工作,按需進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置和拓展,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高可用性與數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)功能。

2.2規(guī)劃和部署

2.2.1總體規(guī)劃

該計(jì)算機(jī)類(lèi)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的用戶(hù)主要是校園網(wǎng)內(nèi)的學(xué)生用戶(hù),因此平臺(tái)部署為私有云模式。云平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)硬件主要由計(jì)算資源池、存儲(chǔ)資源池和網(wǎng)絡(luò)資源池組成。服務(wù)器主要由DELL R730物理服務(wù)器組成虛擬資源池,承載云平臺(tái)管理服務(wù)器和生產(chǎn)服務(wù)器等虛擬機(jī)運(yùn)行。用100 TB磁盤(pán)陣列和萬(wàn)兆光纖交換機(jī)構(gòu)成后端FC-SAN(fiber channel-storage area network),用千兆企業(yè)級(jí)交換機(jī)保證管理網(wǎng)絡(luò)、生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)高效運(yùn)行,用硬件防火墻保證云平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)安全。硬件拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2　平臺(tái)硬件規(guī)劃

2.2.2服務(wù)器規(guī)劃

CloudStack資源虛擬化平臺(tái)分為管理節(jié)點(diǎn)(管理服務(wù)器)和計(jì)算節(jié)點(diǎn)(生產(chǎn)服務(wù)器)?？刂乒?jié)點(diǎn)是整個(gè)云平臺(tái)的核心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)資源分配、調(diào)度以及用戶(hù)管理入口，計(jì)算節(jié)點(diǎn)即為云平臺(tái)提供基礎(chǔ)資源，包括CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)等，并由管理節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一管理和調(diào)度。計(jì)算節(jié)點(diǎn)使用4臺(tái)服務(wù)器構(gòu)建4節(jié)點(diǎn)集群,承載CloudStack生產(chǎn)環(huán)境虛機(jī),做企業(yè)級(jí)應(yīng)用服務(wù)資源池。7臺(tái)服務(wù)器構(gòu)建實(shí)驗(yàn)環(huán)境應(yīng)用發(fā)布資源池,以桌面方式發(fā)布軟件和各種應(yīng)用服務(wù)。

2.2.3存儲(chǔ)規(guī)劃

主存儲(chǔ)采用FC-SAN集中存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),直接通過(guò)HBA光纖通道，為集群中的計(jì)算節(jié)點(diǎn)以共享存儲(chǔ)的方式提供資源(云平臺(tái)所有服務(wù)器通過(guò)光纖交換機(jī)直連到后端光纖磁盤(pán)陣列中)。二級(jí)存儲(chǔ)位于管理節(jié)點(diǎn)上,存儲(chǔ)云平臺(tái)的虛擬機(jī)、快照、系統(tǒng)安裝鏡像文件,以網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)共享方式為計(jì)算節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)。由于資源虛擬化平臺(tái)中的虛擬機(jī)實(shí)質(zhì)是相關(guān)配置文件,將這些虛擬機(jī)文件存儲(chǔ)在后端SAN存儲(chǔ)陣列中,從而云平臺(tái)中任何一臺(tái)虛擬機(jī)單點(diǎn)故障都可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)不中斷地切換到另一臺(tái)虛擬機(jī)(virtual machine, VM)中,能有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遷移,保證數(shù)據(jù)中心的高可用性。

2.2.4網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

整套網(wǎng)絡(luò)需4個(gè)網(wǎng)段,分別為管理網(wǎng)絡(luò)、Public/Float網(wǎng)、存儲(chǔ)網(wǎng)和實(shí)例專(zhuān)網(wǎng)(即租戶(hù)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò))。其中Public/Float網(wǎng)絡(luò)提供對(duì)外服務(wù)，由校園網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一管理。在管理和生產(chǎn)服務(wù)器上配備2塊主機(jī)總線(xiàn)適配卡(host bus adapter，HBA)，接入存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。每臺(tái)服務(wù)器配有4端口以太網(wǎng)卡，其中1端口接入管理網(wǎng)絡(luò)，1端口接入實(shí)例專(zhuān)網(wǎng)，另2個(gè)端口綁定，作為二級(jí)存儲(chǔ)的模板存儲(chǔ)通道。

2.2.5接入模式

管理員通過(guò)資源虛擬化平臺(tái)Web管理界面進(jìn)行集中管理和部署。終端用戶(hù)可通過(guò)校園網(wǎng)虛擬桌面,基于B/S瀏覽器和客戶(hù)端程序訪(fǎng)問(wèn)云平臺(tái),也可在校園網(wǎng)外通過(guò)VPN加密隧道協(xié)議連入云平臺(tái)。接入設(shè)備支持平板電腦、瘦客戶(hù)端、手機(jī)等可連入網(wǎng)絡(luò)的智能設(shè)備。

2.3資源虛擬化平臺(tái)功能

資源虛擬化平臺(tái)的主要功能包括:用戶(hù)權(quán)限管理、底層虛擬資源以虛擬機(jī)形式管理、按需分配資源以及自動(dòng)化管理等。

自動(dòng)化管理功能包括自動(dòng)部署和自動(dòng)開(kāi)通服務(wù)。按照管理員設(shè)置的服務(wù)策略,云平臺(tái)的用戶(hù)可在線(xiàn)提交虛擬機(jī)申請(qǐng),選擇通過(guò)模板或者鏡像文件創(chuàng)建虛擬機(jī)并設(shè)置好計(jì)算方案；云平臺(tái)根據(jù)用戶(hù)申請(qǐng)的資源和特點(diǎn)自動(dòng)開(kāi)通服務(wù)功能并告知用戶(hù)。用戶(hù)可利用快照功能和鏡像管理對(duì)虛擬機(jī)進(jìn)行保存和恢復(fù),包括操作系統(tǒng)、運(yùn)行和開(kāi)發(fā)環(huán)境、應(yīng)用和數(shù)據(jù)等。平臺(tái)對(duì)運(yùn)行性能，如處理器資源、內(nèi)存和存儲(chǔ)等資源進(jìn)行監(jiān)控和管理，以圖形和圖表方式呈現(xiàn)。并自動(dòng)生成日志記錄,滿(mǎn)足計(jì)算機(jī)類(lèi)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的高性能、可擴(kuò)展、便于維護(hù)和安全需求。

3　虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)統(tǒng)一管理IaaS資源虛擬化平臺(tái)的虛擬資源池,管理員或教師調(diào)用IaaS底層資源為教學(xué)實(shí)驗(yàn)提供整套虛擬主機(jī)、配套操作系統(tǒng)、管理工具、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等,將傳統(tǒng)固定機(jī)房遷移到云端,快速部署實(shí)驗(yàn)環(huán)境,統(tǒng)一管理學(xué)生的虛擬實(shí)驗(yàn)空間,而無(wú)需考慮課程所需的操作系統(tǒng)軟件和機(jī)房實(shí)驗(yàn)環(huán)境的差異。

3.1平臺(tái)特點(diǎn)

虛擬化技術(shù)提供了高性能的應(yīng)用服務(wù)器和實(shí)驗(yàn)環(huán)境虛擬機(jī),可以按需獲取資源進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),高性能的數(shù)據(jù)中心也便于資源的整合。利用基礎(chǔ)設(shè)施與應(yīng)用環(huán)境的協(xié)同構(gòu)建,將硬件、操作系統(tǒng)與應(yīng)用分離,按不同課程在后臺(tái)創(chuàng)建不同的虛擬實(shí)驗(yàn)資源池,部署課程或者實(shí)訓(xùn)環(huán)境并統(tǒng)一發(fā)布。這樣實(shí)驗(yàn)室機(jī)房可以一機(jī)多用,方便快速部署環(huán)境,虛擬機(jī)資源從IaaS虛擬資源池中按需配置,可以方便地創(chuàng)建、銷(xiāo)毀和遠(yuǎn)程啟用。

平臺(tái)的特點(diǎn)主要是:

(1) 按需分配實(shí)驗(yàn)空間。與傳統(tǒng)機(jī)房的還原卡模式不同,在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中,實(shí)驗(yàn)室PC機(jī)只是一個(gè)顯示設(shè)備,虛擬機(jī)作為學(xué)生的虛擬實(shí)驗(yàn)空間。學(xué)生個(gè)人實(shí)驗(yàn)環(huán)境和數(shù)據(jù)都會(huì)予以保留。這對(duì)開(kāi)放性課程和貫穿學(xué)期/學(xué)年的連續(xù)性課程非常適用。

(2) 靈活的訪(fǎng)問(wèn)模式。采用Web、B/S模式和遠(yuǎn)程桌面方式登錄虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。無(wú)論在哪個(gè)校區(qū)或校外,通過(guò)PC機(jī)、手機(jī)等智能設(shè)備均可訪(fǎng)問(wèn)自己的實(shí)驗(yàn)空間和個(gè)人云盤(pán),便于自主學(xué)習(xí)。

(3) 配套教學(xué)資源和過(guò)程跟蹤功能。集成計(jì)算機(jī)類(lèi)精品課程資源庫(kù)和在線(xiàn)課堂,如Java和C語(yǔ)言在線(xiàn)學(xué)習(xí)平臺(tái)包括課程實(shí)踐、電子書(shū)和在線(xiàn)測(cè)試庫(kù)、項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)庫(kù)、最佳實(shí)踐案例庫(kù)等,并設(shè)置互動(dòng)討論區(qū),教師能對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的過(guò)程進(jìn)行有效跟蹤。

3.2平臺(tái)功能

在IaaS云計(jì)算平臺(tái)下,獨(dú)立主機(jī)變?yōu)樘摂M機(jī),從虛擬資源池中獲取所需的計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)資源,以達(dá)到企業(yè)級(jí)服務(wù)和虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的性能要求。通過(guò)在底層資源上加載操作系統(tǒng)、開(kāi)發(fā)環(huán)境及相應(yīng)組件、搭建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真和項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。

目前已經(jīng)部署的教學(xué)和應(yīng)用有:

(1) 教學(xué)實(shí)驗(yàn)資源庫(kù)平臺(tái)。主要提供計(jì)算機(jī)類(lèi)課程資源庫(kù),目前有C語(yǔ)言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、Java相關(guān)的電子書(shū),工程實(shí)踐實(shí)訓(xùn)和案例庫(kù)等。學(xué)生可登錄該平臺(tái)進(jìn)行在線(xiàn)學(xué)習(xí)。

(2) 專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。提供基礎(chǔ)課程和部分個(gè)性化實(shí)驗(yàn)環(huán)境的管理部署和分發(fā)。已部署了Java程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、國(guó)際化教育等課程實(shí)驗(yàn)環(huán)境。學(xué)生通過(guò)Web或者客戶(hù)端方式訪(fǎng)問(wèn)自己的虛擬實(shí)驗(yàn)課程空間及個(gè)人數(shù)據(jù)中心,進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)和仿真。

(3) 高性能Hadoop實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。負(fù)擔(dān)大數(shù)據(jù)處理,支撐高性能實(shí)驗(yàn)仿真和開(kāi)發(fā)。

(4) 實(shí)訓(xùn)實(shí)踐平臺(tái)。部署企業(yè)級(jí)實(shí)訓(xùn)環(huán)境,用于進(jìn)行企業(yè)級(jí)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)和實(shí)訓(xùn)。目前已集成中軟國(guó)際、華為實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目及軟件測(cè)試項(xiàng)目。

(5) 創(chuàng)新與學(xué)科競(jìng)賽平臺(tái)。為學(xué)生課外自主創(chuàng)新和參加學(xué)科競(jìng)賽提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境,如ACM競(jìng)賽、Android開(kāi)發(fā)自主創(chuàng)新項(xiàng)目等。

4　信息綜合服務(wù)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)中心綜合信息服務(wù)平臺(tái)承載著教學(xué)實(shí)驗(yàn)的信息發(fā)布、資源共享、互動(dòng)交流等服務(wù)功能。該平臺(tái)以武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心門(mén)戶(hù)網(wǎng)站的形式發(fā)布SaaS層次的云服務(wù)。主要的功能如下:

(1) 中心介紹:包括實(shí)驗(yàn)中心的簡(jiǎn)介及規(guī)劃；

(2) 教學(xué)實(shí)驗(yàn):教學(xué)理念改革思路、教學(xué)體系與教學(xué)方法、開(kāi)設(shè)的課程及實(shí)驗(yàn)安排、考試信息等；

(3) 信息平臺(tái):開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室預(yù)約平臺(tái)、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、ACM在線(xiàn)競(jìng)賽、在線(xiàn)答疑等信息集成、實(shí)驗(yàn)過(guò)程管理；

(4) 教學(xué)資源:計(jì)算機(jī)類(lèi)教學(xué)實(shí)驗(yàn)資源庫(kù)匯總,包括教學(xué)案例、實(shí)驗(yàn)工具、教學(xué)視頻精品課程等；

(5) 創(chuàng)新團(tuán)隊(duì):創(chuàng)新成果及師資隊(duì)伍建設(shè)；

(6) 組織機(jī)制:規(guī)章管理制度、運(yùn)行體制建設(shè)；

(7) 設(shè)備環(huán)境:實(shí)驗(yàn)室及設(shè)備配置管理；

(8) 通知公告:新聞公告及通知。

5　應(yīng)用案例

5.1個(gè)性化實(shí)驗(yàn)課教學(xué)

計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課是面向全校本科生的計(jì)算機(jī)公選課,每學(xué)期至少有180人選修該課程。因?yàn)榭缧^(qū)公共實(shí)驗(yàn)課程時(shí)間難以統(tǒng)一、物理機(jī)房和實(shí)驗(yàn)資源有限,一般是讓學(xué)生課后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)練習(xí)。在個(gè)性化實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)之前,學(xué)生主要靠自己課下練習(xí),教師不能對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的過(guò)程進(jìn)行有效跟蹤,例如做了哪些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、做了多長(zhǎng)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交情況等,難以保證數(shù)據(jù)與教學(xué)的可持續(xù)性。

通過(guò)開(kāi)展個(gè)性化開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué),為每個(gè)學(xué)生創(chuàng)建了一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)虛擬實(shí)驗(yàn)空間,該虛擬空間內(nèi)部署了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)境:VC6.0、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、壓縮軟件及Office等常用軟件。學(xué)生可隨時(shí)隨地使用智能設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)自己賬戶(hù)下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)桌面,并根據(jù)課程進(jìn)度在線(xiàn)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)空間集成了教學(xué)案例資源庫(kù)和課程資源庫(kù),學(xué)生可以對(duì)照視頻和指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),教師可實(shí)時(shí)看到學(xué)生已做哪些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目用時(shí)和作業(yè)完成情況,對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行跟蹤。平臺(tái)互動(dòng)討論區(qū)可以方便學(xué)生提問(wèn)和答疑,還集成了在線(xiàn)提交作業(yè)和在線(xiàn)練習(xí),方便一站式實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

通過(guò)開(kāi)展個(gè)性化實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)課程、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的365天不間斷開(kāi)放,滿(mǎn)足學(xué)生自主化、開(kāi)放式學(xué)習(xí)需要,提高了教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的課程實(shí)踐能力。

目前所支撐的部分課程包括:

(1) 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ):數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、面向?qū)ο笈c多線(xiàn)程獨(dú)立實(shí)驗(yàn)；

(2) 國(guó)際化本科生教育:數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)原理、高級(jí)語(yǔ)言設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、C語(yǔ)言設(shè)計(jì)、編譯原理、Linux操作系統(tǒng)；

(3) 計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn):Java語(yǔ)言綜合程序設(shè)計(jì)、軟件測(cè)試實(shí)訓(xùn)、數(shù)據(jù)挖掘、Hadoop大數(shù)據(jù)。

5.2Hadoop大數(shù)據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

Hadoop是大數(shù)據(jù)處理最重要的開(kāi)源分布式平臺(tái)之一,已被很多大型網(wǎng)站(如亞馬遜、Facebook和Yahoo等)采用。武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院雖然開(kāi)設(shè)了大數(shù)據(jù)的相關(guān)課程,但是因?qū)嶒?yàn)機(jī)房數(shù)量有限,很難部署Hadoop分布式環(huán)境,一般都是由學(xué)生在自己的電腦上搭建Hadoop單機(jī)模式和偽分布模式環(huán)境。偽分布模式就是在單節(jié)點(diǎn)上同時(shí)啟動(dòng)namenode、datanode、jobtracker、tasktraker、secondary namenode等5個(gè)進(jìn)程,模擬分布式運(yùn)行的各個(gè)節(jié)點(diǎn),但無(wú)法搭建由多個(gè)各司其職的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的正常的完全分布模式的Hadoop集群。

為了便于學(xué)生更好地理解Hadoop系統(tǒng)的模塊構(gòu)成,進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和挖掘算法的研究及優(yōu)化,依托計(jì)算機(jī)類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)云平臺(tái),創(chuàng)建了Hadoop課程實(shí)驗(yàn)云項(xiàng)目,可按需申請(qǐng)5臺(tái)虛擬機(jī)搭建Hadoop實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。每個(gè)虛擬機(jī)的物理配置為:內(nèi)存64 GB,CPU為雙核,20 GB外部存儲(chǔ)和60 GB系統(tǒng)盤(pán)存儲(chǔ)空間。該部署既便于集中管理、自動(dòng)化部署和彈性擴(kuò)展,也為以后對(duì)大數(shù)據(jù)的研究提供了一個(gè)研究和開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

目前Hadoop大數(shù)據(jù)平臺(tái)已用于項(xiàng)目開(kāi)發(fā)、處理大數(shù)據(jù)并行計(jì)算、調(diào)試運(yùn)行分布式程序以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)。已有一些學(xué)生基于該平臺(tái)完成kddcup的推薦算法競(jìng)賽。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自于KDD Cup Track1中的騰訊微博數(shù)據(jù)集,整個(gè)數(shù)據(jù)集共3.8 GB,利用Hadoop框架運(yùn)行分布式程序。平臺(tái)已經(jīng)處理了50 GB的數(shù)據(jù)量。師生普遍反映該Hadoop大數(shù)據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)性能穩(wěn)定、處理速度快、訪(fǎng)問(wèn)便捷且易于管理。

5.3開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室預(yù)約

實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放包括2個(gè)層次。一層是虛擬實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放,學(xué)生在網(wǎng)上提交虛擬實(shí)驗(yàn)預(yù)約申請(qǐng),管理員按需分配虛擬實(shí)驗(yàn)空間賬號(hào)；另一層是物理空間開(kāi)放,實(shí)驗(yàn)室在課余、周末和假期開(kāi)放,方便創(chuàng)新競(jìng)賽小組和項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)預(yù)約實(shí)驗(yàn)室,進(jìn)行競(jìng)賽培訓(xùn)輔導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)。

全校師生可在信息綜合服務(wù)平臺(tái)門(mén)戶(hù)網(wǎng)站一站式預(yù)約開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室。管理員對(duì)開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)行管理,包括實(shí)驗(yàn)資源、開(kāi)放周期、開(kāi)放時(shí)段、開(kāi)放座位及支持的項(xiàng)目等信息,并對(duì)預(yù)約實(shí)驗(yàn)進(jìn)行審核。學(xué)生根據(jù)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)資源和開(kāi)放時(shí)間等信息,填寫(xiě)要預(yù)約的實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)起止時(shí)間、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱(chēng)、指導(dǎo)教師,提交預(yù)約申請(qǐng)。教師對(duì)學(xué)生申請(qǐng)進(jìn)行審核。預(yù)約成功后可自動(dòng)獲得相關(guān)實(shí)驗(yàn)資源。預(yù)約申請(qǐng)流程如圖3所示。

圖3　開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室申請(qǐng)流程

通過(guò)開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)預(yù)約,支撐起部分實(shí)驗(yàn)課程、項(xiàng)目的課外開(kāi)放。學(xué)生可以在課下繼續(xù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和個(gè)性化實(shí)驗(yàn),滿(mǎn)足自主化學(xué)習(xí)的需要。實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放不僅提高了設(shè)備利用率,也調(diào)動(dòng)起學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教師投入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究與改革,形成雙向互動(dòng)式教學(xué)良性循環(huán)[16]。目前學(xué)生在A(yíng)CM競(jìng)賽、自主創(chuàng)新大賽等競(jìng)賽中均取得了較好成績(jī)。

開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室預(yù)約服務(wù)以智能化的實(shí)驗(yàn)室管理為保障,同時(shí)集成了門(mén)禁、監(jiān)控、溫控、消防等智能化實(shí)驗(yàn)室管理手段,提高了實(shí)驗(yàn)管理人員的工作效率。

6　結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)前信息技術(shù)與高校教學(xué)深度融合的背景下,云平臺(tái)在教育領(lǐng)域得到日益廣泛的運(yùn)用。整合資源,構(gòu)建先進(jìn)、高效、實(shí)用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)成為高校信息化發(fā)展趨勢(shì)。武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院搭建了一個(gè)集教學(xué)、科研為一體的計(jì)算機(jī)類(lèi)公共教學(xué)實(shí)驗(yàn)云平臺(tái),提供從IaaS到SaaS不同層次的云服務(wù)。該平臺(tái)有效地解決了跨校區(qū)、個(gè)性化課程教學(xué)的問(wèn)題,可以靈活響應(yīng)教學(xué)實(shí)踐需求,滿(mǎn)足學(xué)生在線(xiàn)學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)需要,有助于培養(yǎng)學(xué)生良好的科研、工程技術(shù)素養(yǎng)和創(chuàng)新與實(shí)踐能力,同時(shí)對(duì)推進(jìn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室教學(xué)模式和實(shí)踐教學(xué)體系改革、整合教學(xué)資源、提高教學(xué)和科研工作效率具有深遠(yuǎn)的意義。

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Construction and application of computer teaching experimental platform based on cloud computing

Yang Yanchao, Xiong Shengwu, Rao Wenbi, Yuan Jingling

(College of Computer Science and Technology,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

To solve the problems of the teaching and experimental in Wuhan University of Technology,such as decentralization in teaching resources,limitation in experimental infrastructure and high cost in laboratory management and maintenance, this article presents a framework of teaching and experimental cloud-computing platform in Wuhan University of Technology,and introduces the process of constructing the framework. The platform has the functions such as fast custom deployed computer experiment environment,high performance simulation and development,and supports in information integrated service. Finally,some teaching cases including the trans-campus and trans-disciplinary computer opening teaching,Hadoop high performance experimental platform and open laboratory appointment will be given.

teaching experimental cloud platform; cloud computing; simulation experiment; open experimental management

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.037

2016-04-15

湖北省教育廳人才培養(yǎng)模式綜合改革項(xiàng)目(2015128,2014117)；湖北省教育廳實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)改革項(xiàng)目(2015134)

楊焱超(1983—),女,吉林四平,碩士,實(shí)驗(yàn)員,主要研究方向?yàn)槿斯ぶ悄?/p>

熊盛武(1966—),男,湖北咸寧,博士,教授,主要研究方向?yàn)槿斯ぶ悄堋④?chē)聯(lián)網(wǎng)與智能交通、數(shù)據(jù)挖掘與機(jī)器學(xué)習(xí).

G642

A

1002-4956(2016)10-0147-05