基于云技術(shù)的計算機課程實驗教學(xué)平臺研究

王瑜

（長春理工大學(xué) 文學(xué)院，長春 130022）

實驗教學(xué)是高校教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，是學(xué)習(xí)和研究的重要途徑，實驗教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識，其教學(xué)質(zhì)量是衡量高校教學(xué)水平的重要標(biāo)準之一。但是，傳統(tǒng)的實驗方式受限于設(shè)備、時間、地點等因素，已經(jīng)無法滿足當(dāng)前的實驗教學(xué)需求。云計算是一種新型的計算模型，是下一代網(wǎng)絡(luò)計算平臺的核心技術(shù)，它可以提供靈活可靠、安全高效的數(shù)據(jù)存儲和處理服務(wù)，它的出現(xiàn)為計算機實驗教學(xué)提供了新的發(fā)展思路［1］。

云計算模式下的實驗室不但可以為學(xué)生提供更加便利的實驗環(huán)境，還利于對實驗教學(xué)資源統(tǒng)一管理，提高教學(xué)設(shè)備投資的效費比。同時可以針對學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣、學(xué)習(xí)興趣定制更有針對性的實驗教學(xué)方案。本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于云計算的實驗教學(xué)平臺，實踐表明該平臺可以有效的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

1 傳統(tǒng)計算機實驗現(xiàn)狀

傳統(tǒng)計算機實驗教學(xué)為單機模式，在一個固定的地點設(shè)置一定數(shù)量的計算機，在同一時間段由老師帶領(lǐng)完成相應(yīng)的實驗內(nèi)容，實驗實踐活動主要是在約定的時間和地點，通過固定的物理實驗室設(shè)備進行。在這種情況下，往往會出現(xiàn)時間不夠用、實驗實踐活動進行不充分，無法達到預(yù)期目標(biāo)。其具體表現(xiàn)如下：

（1）機房管理難度大

傳統(tǒng)計算機實驗機房管理難度大，需要耗費大量的人力、物力。機房管理人員除了要進行日常的設(shè)備檢修之外，還要針對不同課程要求對計算機系統(tǒng)進行維護，每一次安裝軟件都需要對上百臺計算機進行同傳操作，少則2、3個小時，多則7、8個小時；而且機房間設(shè)備差異性較大，甚至在同一間機房中就有兩種以上的機型，需要針對每種不同的機型制作“母盤”，維護的工作量大。而且公共機房如果管理不當(dāng)，極易感染病毒影響教學(xué)工作的正常開展。

（2）設(shè)備更新費用高

計算機領(lǐng)域技術(shù)更新快，對于計算機設(shè)備的要求也日益提高，但是由于高校機房規(guī)模一般都較大，如果想及時對實驗設(shè)備進行及時更新，需要大量的資金支持，就實際情況來講，大多數(shù)高校對于計算機實驗相關(guān)設(shè)備的更新均不夠及時，這也就導(dǎo)致了機房中存在大量老舊設(shè)備的現(xiàn)象，無法滿足實驗需求。即使部分設(shè)備得到更新，也時常會出現(xiàn)系統(tǒng)不兼容的問題。

（3）實驗學(xué)習(xí)行為受限

實驗室開關(guān)門時間固定，而實驗必須依靠實驗室的計算環(huán)境，師生的科研實驗受實驗室開放時間的限制，不能充分調(diào)用學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，實驗設(shè)備的利用率不高。

2 實驗教學(xué)平臺設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 云計算技術(shù)概述

在云計算中，以分布式共享形式存在的硬件和軟件資源通過網(wǎng)絡(luò)以服務(wù)的方式提供給用戶。云計算服務(wù)提供的方式主要有3種：IaaS（基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）、Paas（平臺即服務(wù)）和SaaS（軟件即服務(wù)）。

（1）IaaS基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)。它為用戶提供靈活、低成本的網(wǎng)絡(luò)、存儲及計算等資源，用戶可以通過基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)快速創(chuàng)建和部署業(yè)務(wù)。目前基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)主要利用虛擬化技術(shù)來實現(xiàn)。

（2）Paas平臺即服務(wù)。為用戶提供了應(yīng)用開發(fā)、運行和管理環(huán)境。用戶不需要對計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲等基礎(chǔ)設(shè)施資源進行管理，在遵守平臺特定的規(guī)則下，可以將自己的應(yīng)用部署到平臺上。

（3）SaaS軟件即服務(wù)。它是一種軟件服務(wù)模式，用戶不需要購買軟件，只需向提供商租用軟件，通過互聯(lián)網(wǎng)來使用。軟件的管理和維護由提供商負責(zé)，用戶無需對軟件進行維護。

以上三種服務(wù)模式中，由于IaaS基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)平臺能夠按照不同需求提供不同資源類型的虛擬機，可以滿足不同的實驗應(yīng)用需求，因此，該種模式更適合提供多種不同實驗平臺的教學(xué)需求。因此，本文選擇IaaS平臺為基礎(chǔ)，構(gòu)建符合高校實驗特點的云計算實驗平臺，既可以提供可靠的實驗服務(wù)，同時也能提供可靠的系統(tǒng)資源管理服務(wù)。

2.2 OpenStack開源框架

Openstack是美國國家航空航天局（NASA）和Rackspace聯(lián)合研發(fā)的開源云計算項目［2-3］，旨在實現(xiàn)實施簡單、可擴展性良好的云服務(wù)。OpenStack是主流的開源IaaS云平臺架構(gòu)，已被廣泛驗證過并得到諸多廠家的認可，因此成為高校構(gòu)建實驗教學(xué)云平臺的首選［4-6］，本文以O(shè)penStack開源軟件為基礎(chǔ)，搭建基于云計算的實驗教學(xué)平臺，為學(xué)生提供多樣化的實驗教學(xué)環(huán)境。

OpenStack底層可以采用Xen、KVM和VMWare等多種虛擬化軟件，本文采用了開源的KVM作為底層資源的虛擬化管理。圖1顯示OpenStack的主要組件和他們之間的關(guān)系，Horizon提供控制臺服務(wù)的、Nova提供計算服務(wù)的、Neutron提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、Swift提供對象存儲、Cinder提供塊存儲、Keystone提供身份認證、Glance提供鏡像服務(wù)、Ceilometer提供監(jiān)控服務(wù)，Heat提供自動化部署服務(wù)。

圖1 OpenStack系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.3 實驗平臺建設(shè)

（1）實驗平臺架構(gòu)

云計算實驗平臺的架構(gòu)是由一個控制主機和多個計算節(jié)點組成，如圖2所示，如果希望提高系統(tǒng)性能，可以增加節(jié)點數(shù)量擴展云平臺服務(wù)能力。平臺由管理網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)兩部分組成，其中管理網(wǎng)絡(luò)用于OpenStack組件與操作系統(tǒng)的通信，控制云系統(tǒng)；數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)部分由多臺計算節(jié)點組成，用于提供虛擬服務(wù)器及相關(guān)應(yīng)用。為提高系統(tǒng)的安全性，可以在網(wǎng)絡(luò)接口處設(shè)置防火墻等安全設(shè)備，確保實驗平臺的網(wǎng)絡(luò)和信息安全。

圖2 基于云計算的實驗教學(xué)平臺架構(gòu)圖

（2）關(guān)鍵技術(shù)

①部署控制器節(jié)點。云控制器節(jié)點是實驗平臺運行的核心部件，它實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)控制、調(diào)度管理、API服務(wù)、身份管理和鏡像管理，因此它既是調(diào)度管理服務(wù)器，又是身份管理、鏡像管理、API服務(wù)管理器，部署過程中，還需要配置NTP、MySQL、RabbitMQ和Keystone。在系統(tǒng)中設(shè)置一個備用云控制節(jié)點，在主控制器節(jié)點與備份節(jié)點之間設(shè)置同步機制，當(dāng)主控制器節(jié)點出現(xiàn)故障時可以自動啟動備用控制節(jié)點，提高了系統(tǒng)的健壯性。

②部署計算節(jié)點。計算節(jié)點是指提供nova-compute［7］服務(wù)的物理節(jié)點，為云實驗平臺提供CPU和內(nèi)存等計算資源，部署工作主要包括NTP、nova-compute、nova-network［7］等服務(wù)和命令的配置。如圖 2所示，在實驗云平臺中共有3個計算節(jié)點為云平臺提供，應(yīng)用過程中，可以根據(jù)實際情況對計算節(jié)點進行增減。

③創(chuàng)建實驗?zāi)０?。基于云技術(shù)的實驗系統(tǒng)提供了靈活的配置方式［8-10］。在課程實驗準備時，由實驗教師完成實驗?zāi)０宓呐渲?。配置實驗?zāi)０宓牟襟E包括制作系統(tǒng)鏡像、安裝應(yīng)用軟件和上傳模板三步。制作系統(tǒng)鏡像，創(chuàng)建KVM虛擬機；安裝應(yīng)用軟件，將學(xué)生實驗需要用到的軟件安裝在鏡像中；上傳模板就是使用glance將鏡像文件上傳到云平臺。如創(chuàng)建的鏡像文件名為Ubuntu，則可以通過命令glance image-create –name“Ubuntu”–file“Ubuntu.img”–disk-format qcow2–container-format bare–is-public true將其上傳。

3 效果評估

為了評估使用云計算實驗平臺的效果，從投資消費比、學(xué)生課程成績以及綜合評價方面進行了對比。圖3是投資效費比分析，云平臺的初始投資比較大，是因為采用了高性能服務(wù)器，單價比較高，因此最低投資額度是10萬元，但是可以支持40個學(xué)生開展實驗，平均成本在2500元/臺，而直接使用單機的單臺成本達到了0.5萬元，對于實驗教學(xué)，一般以班級為單位，最少要購置40臺單機，此時使用云平臺可以降低投資成本。

圖3 投資效費比分析

為了對比學(xué)生的學(xué)習(xí)成績，統(tǒng)計了使用單機實驗和使用云技術(shù)開展實驗3門課程的平均成績，如圖4所示。通過圖4發(fā)現(xiàn)使用云技術(shù)平臺學(xué)生的平均成績明顯要高于使用單機的，這是由于云平臺不但可以在實驗室中使用，還可以通過網(wǎng)絡(luò)隨時隨地登錄開展實驗，學(xué)生的實驗學(xué)習(xí)不再受限于時間和場地，具有更大的自主性，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣［11］。

圖4 使用云平臺前后課程平均分對比

為了更全面的分析云技術(shù)實驗平臺，從教師初始配置、投資效費比、實驗室開放、教師實驗管理和學(xué)生實驗準備時間這5個維度進行對比，假定每個維度滿分為5分，對比結(jié)果如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)云平臺在教師初始配置時得分低，這是由于需要配置Openstack等開源軟件，具有一定的難度，而單機管理模式一般使用網(wǎng)絡(luò)硬盤還原卡，實驗教師已經(jīng)使用多年，因此初始配置難度不大。但在其它的4個維度方面，單機實驗?zāi)Ｊ骄哂忻黠@的劣勢，尤其是在實驗室開放和投資效費比方面，值得一提的是，云計算實驗平臺可以根據(jù)需要增加計算節(jié)點，動態(tài)擴充實驗?zāi)芰?，延長設(shè)備使用壽命，而單機性能無法滿足實驗要求后只能淘汰。此外，使用云計算技術(shù)后，教師對實驗修改后，無需像單機模式那樣使用還原卡進行同傳，教師對于實驗的管理和維護更加方便。傳統(tǒng)單機模式下，受限于還原卡的使用模式，單機里面的實驗內(nèi)容一般在開課后就不會再更新，而且學(xué)生修改和配置的內(nèi)容關(guān)機后，也不會保存，因此學(xué)生實驗準備時間要多于云技術(shù)下的準備時間。

圖5 綜合對比

4 結(jié)語

經(jīng)過實際的使用測試，本文所介紹的基于云計算的計算機實驗教學(xué)平臺具有以下優(yōu)點：

（1）集中部署，維護工作量小。平臺將所有應(yīng)用部署在服務(wù)器端，資源集中于云平臺上，簡化了實驗準備工作量，而且更新軟件方便，無需耗費大量時間進行網(wǎng)絡(luò)同傳。

（2）適應(yīng)性強，使用成本低。云平臺適合于多種課程的實驗教學(xué)，在保證云平臺性能的前提下，可以滿足較低配置客戶端的使用需求，降低了實驗設(shè)備的成本。

（3）配置靈活，個性化服務(wù)?？梢愿鶕?jù)學(xué)生興趣愛好單獨開設(shè)相關(guān)實驗內(nèi)容，允許學(xué)生創(chuàng)建個性化的自主學(xué)習(xí)環(huán)境。

基于云技術(shù)的實驗教學(xué)平臺取得了良好的效果，但平臺還存在著部分不足，如在初始配置開源軟件時對實驗教師的要求較高，日后考慮使用預(yù)設(shè)好的腳本，降低初始配置的難度；開發(fā)Web平臺，為學(xué)生提供更加多樣化的實驗環(huán)境，進一步提高學(xué)生實驗學(xué)習(xí)的積極性。

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