基于云計(jì)算的高校雙線模式軟件實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)

吳俊強(qiáng)

(無(wú)錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，機(jī)電與信息工程學(xué)院，江蘇，宜興 214206)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的快速發(fā)展，高校軟件實(shí)驗(yàn)室更新?lián)Q代的周期越來(lái)越短。同時(shí)，2016年教育部印發(fā)《教育信息化“十三五”規(guī)劃》提出，到2020年基本建成“人人皆學(xué)、處處能學(xué)、時(shí)時(shí)可學(xué)”與國(guó)家教育現(xiàn)代化發(fā)展目標(biāo)相適應(yīng)的教育信息化體系[1]。2020年的新冠疫情，國(guó)內(nèi)高校停課不停學(xué)，開啟了“線上新學(xué)期”,可見，新冠后疫情時(shí)代大力發(fā)展在線教學(xué)將是國(guó)內(nèi)教育發(fā)展的重點(diǎn)之一。這些對(duì)高校實(shí)踐教學(xué)提出了更高的要求。面對(duì)軟件實(shí)驗(yàn)室資源配置和管理的壓力，如果采用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案，即批量購(gòu)置IT設(shè)備，在 PC 機(jī)上部署開發(fā)環(huán)境，存在建設(shè)成本高、設(shè)備維護(hù)量大、需反復(fù)部署實(shí)驗(yàn)環(huán)境等缺陷。云計(jì)算應(yīng)用虛擬化技術(shù)將桌面、服務(wù)器、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行池化管理，整合軟件開發(fā)平臺(tái)，將大大降低硬件的投入，減輕運(yùn)維工作量，推進(jìn)軟件在線課程的建設(shè)。

1 軟件實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)需求

為了提高學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，使學(xué)生實(shí)踐技能更強(qiáng)，能直接適應(yīng)崗位職責(zé)的需要，高校軟件專業(yè)都會(huì)考慮校企合作，還會(huì)提供軟件外包服務(wù)，這要求軟件實(shí)驗(yàn)中心具備軟件設(shè)計(jì)、編程和測(cè)試“流水線”的跨平臺(tái)開發(fā)環(huán)境，以滿足日益增長(zhǎng)的軟件開放課程的實(shí)驗(yàn)需求。因此根據(jù)專業(yè)方向需要開設(shè).NET、Java、移動(dòng)等3個(gè)軟件開發(fā)實(shí)驗(yàn)室及軟件測(cè)試實(shí)驗(yàn)室(40臺(tái)PC機(jī)/室)，用云計(jì)算技術(shù)把4個(gè)實(shí)驗(yàn)室整合起來(lái)，具備軟件設(shè)計(jì)、編程、測(cè)試一條龍的云平臺(tái)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。該平臺(tái)采用線上線下的雙線模式，不僅集中管理4個(gè)機(jī)房里的終端，供學(xué)生平時(shí)的線下教學(xué)，還可以通過校園網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)線上開放式的虛擬實(shí)驗(yàn)室。

2 云計(jì)算技術(shù)

云計(jì)算已成為承載各類應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，是信息化和服務(wù)模式創(chuàng)新的集中體現(xiàn)。NIST(美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所)對(duì)云計(jì)算較權(quán)威的定義是：“云計(jì)算是一種對(duì)IT資源的使用模式，是對(duì)共享的可配置的資源(如網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲(chǔ)、應(yīng)用和服務(wù))提供無(wú)所不在的、方便的、所需的網(wǎng)絡(luò)訪問，資源的使用和釋放可以快速進(jìn)行，不需要多少管理代價(jià)?！碧摂M化是構(gòu)建云基礎(chǔ)架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)，能夠?qū)Φ讓泳W(wǎng)絡(luò)、計(jì)算和存儲(chǔ)等硬件資源進(jìn)行抽象化處理，構(gòu)成虛擬化的資源池，并將其隔離為多臺(tái)虛擬機(jī)。虛擬化能夠根據(jù)業(yè)務(wù)需求快速連接并管理資源，為單位提高效率、增強(qiáng)靈活性和加快響應(yīng)速度提供支持，從而降低IT成本。

3 軟件實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)方案

3.1 軟件實(shí)驗(yàn)中心的總體規(guī)劃

軟件實(shí)驗(yàn)中心采用基于云平臺(tái)統(tǒng)一管理的資源集中部署，并在常規(guī)線下實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上引入線上開放實(shí)驗(yàn)，雙線模式的總體規(guī)劃如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中心部署24口萬(wàn)兆核心交換機(jī)1臺(tái)，其中的服務(wù)器采用萬(wàn)兆口接入?yún)R聚交換機(jī)；軟件常規(guī)實(shí)驗(yàn)室采用千兆以太網(wǎng)，每室部署1臺(tái)48口千兆二層接入交換機(jī)，接入交換機(jī)采用萬(wàn)兆網(wǎng)線與匯聚交換機(jī)進(jìn)行連接；為了最大程度地保證云平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，接入層交換機(jī)到服務(wù)器集群交換機(jī)的主干線采用雙網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)模式。

圖1 雙線模式的軟件實(shí)驗(yàn)中心總體規(guī)劃圖

3.2 云計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

軟件實(shí)驗(yàn)中心的云計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用私有云建設(shè)方案，將計(jì)算服務(wù)化、資源虛擬化、管理智能化，根據(jù)教學(xué)需求調(diào)整資源分配。

3.2.1 私有云基礎(chǔ)架構(gòu)

私有云的基礎(chǔ)架構(gòu)基于計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)的集中資源而構(gòu)建，是一種虛擬化、多用戶基礎(chǔ)架構(gòu)。本方案選擇業(yè)界領(lǐng)先的虛擬化平臺(tái)VMware vSphere?和虛擬桌面架構(gòu)VMware Horizon?。vSphere提供強(qiáng)大、靈活、安全的按需基礎(chǔ)架構(gòu)，是云計(jì)算環(huán)境的理想基礎(chǔ)平臺(tái)。vSphere的兩個(gè)核心組件是vCenter Server和ESXi，vCenter Server用于管理網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)資源中連接的多個(gè)主機(jī)，ESXi主機(jī)用于創(chuàng)建和運(yùn)行虛擬機(jī)和虛擬設(shè)備[2]。云平臺(tái)基礎(chǔ)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 云計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)架構(gòu)圖

(1)虛擬基礎(chǔ)架構(gòu)

虛擬基礎(chǔ)架構(gòu)選用5臺(tái)有2個(gè)E5CPU、256 GB內(nèi)存的主流機(jī)架式/刀片式服務(wù)器做為ESXi主機(jī)，部署軟件實(shí)驗(yàn)中心需要的虛擬化服務(wù)器和桌面。5臺(tái)ESXi主機(jī)采用分布式資源調(diào)配組建為一個(gè)集群，自動(dòng)均衡ESXi主機(jī)的負(fù)載，并共享Dell PowerVault MD3060e存儲(chǔ)。Dell MD系列專門針對(duì)較小規(guī)模的存儲(chǔ)整合和虛擬化項(xiàng)目進(jìn)行了優(yōu)化，配套的軟件可靠且易于管理，提供經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且可靠的多用途存儲(chǔ)解決方案。

(2)虛擬化服務(wù)器

軟件實(shí)驗(yàn)中心需要數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、中間件服務(wù)器、Web服務(wù)器、軟件測(cè)試服務(wù)器、云管理平臺(tái)、虛擬化管理服務(wù)等服務(wù)器，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中心的規(guī)模和實(shí)際應(yīng)用要求，配置1臺(tái)物理服務(wù)器，安裝ESXi，可以運(yùn)行8～10臺(tái)虛擬服務(wù)器，將上述的應(yīng)用平臺(tái)安裝或遷移到虛擬服務(wù)器上，vCenter Server服務(wù)器也安裝在虛擬服務(wù)器上[3]?？紤]冗余和擴(kuò)展，可以選配多核、多線程的CPU和增加內(nèi)存量，推薦多配置2臺(tái)物理服務(wù)器。

(3)虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)

VMware Horizon基于VMware vSphere部署，以池化的形式構(gòu)建虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)VDI(Virtual Desktop Infrastructure)。VDI以創(chuàng)建好的虛擬機(jī)作為基礎(chǔ)映像，通過該映像可以靈活、按需、快速地配置大量的桌面，同時(shí)實(shí)現(xiàn)終端用戶在多種設(shè)備上隨時(shí)隨地訪問虛擬桌面[4]。為減少創(chuàng)建虛擬機(jī)時(shí)引起的同一存儲(chǔ)上的性能降低，將映像所在的存儲(chǔ)卷和將要?jiǎng)?chuàng)建虛擬機(jī)的存儲(chǔ)卷分開。根據(jù)4個(gè)機(jī)房的布置各配置1臺(tái)物理服務(wù)器作為ESXi主機(jī)，借助Horizon構(gòu)建VDI，分別部署包含40個(gè)虛擬桌面的不同桌面池，以滿足1個(gè)班級(jí)的實(shí)驗(yàn)需要。從單一控制臺(tái)進(jìn)行集中式管理，可達(dá)到企業(yè)級(jí)的可用性、災(zāi)難恢復(fù)、故障轉(zhuǎn)移和可伸縮性。Horizon相關(guān)的服務(wù)器安裝在虛擬服務(wù)器上。

3.2.2 云平臺(tái)的安全監(jiān)控

云平臺(tái)管理員在vSphere和Horizon中監(jiān)控虛擬環(huán)境中虛擬設(shè)備及物理硬件備份的健康狀況和性能，排除系統(tǒng)中的故障。此外使用一些管理工具以加強(qiáng)對(duì)平臺(tái)的監(jiān)控和保護(hù)。

(1)VMware vCenter Operations Management

通過管理界面實(shí)現(xiàn)從應(yīng)用到存儲(chǔ)的智能運(yùn)維，對(duì)基礎(chǔ)環(huán)境進(jìn)行全面的實(shí)時(shí)監(jiān)控，便于及時(shí)調(diào)整虛擬機(jī)的配置，更有效地利用計(jì)算資源，提高性能并避免中斷。此外，它還能夠按用戶的要求安全實(shí)現(xiàn)工作負(fù)載安置自動(dòng)化和資源優(yōu)化，同時(shí)利用預(yù)置的自定義模板增強(qiáng)控制力[5]。

(2)VMware vSphere Data Protection

這是一款集成于VMware vCenter Server的數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)解決方案。針對(duì)所有虛擬機(jī)提供快速高效的數(shù)據(jù)保護(hù)，包括在vSphere主機(jī)之間遷移的虛擬機(jī)；對(duì)備份采用可變長(zhǎng)度重復(fù)數(shù)據(jù)消除技術(shù)，從而消除冗余，極大地減少備份所占用的磁盤空間[6]。

4 基于云平臺(tái)建設(shè)方案的價(jià)值所在

(1)降低成本

將服務(wù)器遷移到虛擬機(jī)中不僅減少了物理服務(wù)器的數(shù)量，降低了運(yùn)維成本，而且提高了服務(wù)器的總體利用率。采用虛擬桌面可延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)室電腦的使用壽命，降低桌面更新的采購(gòu)成本。

(2)簡(jiǎn)化管理

通過集中式的自動(dòng)化管理流程，大部分的維護(hù)工作將自動(dòng)完成，應(yīng)用部署和更新更迅捷，可快速部署和交付桌面，大大減輕運(yùn)維工作量。

(3)靈活而富有彈性

根據(jù)機(jī)房的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，配置不同軟件開發(fā)、測(cè)試環(huán)境的桌面池，并根據(jù)教學(xué)性質(zhì)(實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn))設(shè)置相應(yīng)的用戶分配類型(浮動(dòng)分配池/專用分配池)，同時(shí)考慮實(shí)驗(yàn)或?qū)嵱?xùn)數(shù)據(jù)的保存要求，需要時(shí)簡(jiǎn)單切換桌面池便可轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)性質(zhì)。云平臺(tái)的這種彈性對(duì)需要資源多、使用時(shí)間短的軟件負(fù)載和性能測(cè)試尤為適用。

(4)提高資源利用率

師生可在機(jī)房?jī)?nèi)外通過網(wǎng)絡(luò)，使用PC機(jī)、瘦客戶機(jī)和平板電腦等多種客戶端訪問虛擬桌面，這使得學(xué)生在新冠疫情期間可以居家線上教學(xué)實(shí)踐，而在校學(xué)生課外繼續(xù)實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)也成為可能。同時(shí)，開放的實(shí)驗(yàn)環(huán)境可以滿足軟件專業(yè)開放課程的實(shí)驗(yàn)需求。

5 總結(jié)

基于云計(jì)算的軟件實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)方案將推動(dòng)高校軟件實(shí)驗(yàn)中心基礎(chǔ)架構(gòu)的建設(shè)，是一套行之有效的高性價(jià)比的解決方案，對(duì)其他專業(yè)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)具有借鑒作用。展望未來(lái)，借助VMware領(lǐng)先的虛擬化技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)，能為高校構(gòu)建完整靈活的軟件實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中心，充實(shí)專業(yè)教育的內(nèi)涵提供支持，同時(shí)能擴(kuò)大教學(xué)的外延，兼具虛擬課堂功能，可助力高校在線開放課程的建設(shè)。