私有云与大数据实训平台在计算机实验中心的建设与应用

兰州交通大学计算机科学与技术实验教学示范中心 冯 凯

信息技术中我们经常看到或提到各种“云”，诸如云计算、云平台、云技术、云阅读、云搜索等等。在很多拓扑图中为了表现互联网，常常用一团云来代表。那么到底什么是“云”哪？云实际上就是我们经常说到的网络，随着互联网的不断发展，我们接触到的数据和信息量大量的增多，仅靠单个的计算机进行数据的处理已难以满足实际的需求，于是dcr人们考虑到利用网络来进行数据的处理和服务，这就是产生“云”概念的背景。“云”它是一种比喻说法，随着发展它表示互联网和底层基础设施的一种抽象。是分布式计算技术的一种。

1.云计算

（1）互联网是基础设施，云计算是公共服务。云计算是一种基于互联网的计算方式，通过这种服务方式，可以对软硬件资源集中进行管理，通过共享资源和信息，按用户需求，以虚拟化的方式为用户提供服务。云计算由于是动态可扩展的，而且是以虚拟化的形式提供资源，它就能提供无限的存储和计算能力。

（2）云计算从资源的类别上来看，它分为三种，也就是SaaS，PaaS和IaaS， SaaS(Software as a Service)主要将应用程序作为服务提供给客户，PaaS(Platform as a Service)主要是将一个开发平台或者说系统平台作为服务提供给用户。IaaS(Infrastructure as a Service)主要是将虚拟机或者其他基础设施资源(cpu、存储器、网络、服务器等)作为服务提供给用户，这种服务模型也即所谓的SPI模型。是云计算最典型的三种服务模式， 从技术和运维角度来看，“云计算”是指一种技术架构，主要包含了虚拟化技术、自动化部署、分布式计算、分布式存储等技术，这个技术架构的优点是可以对外表现出非常优秀的并行计算性能、规模伸缩性和健壮性。

（3）云计算的类型：公有云、私有云、混合云。

2.私有云

私有云计算（Private Clouds）也是一种云计算，主要是指企业自身可以完全控制的云计算方式。本文要讨论的是关于教育方面的私有云平台。把它称为私有云教育平台。它是由搭载了云平台服务器端软件的云服务器、搭载了云平台客户端软件的云电脑以及一系列网络部件所组成。它的主要特点：

2.1 创新模式。私有云平台服务于教育领域，来源于传统的教育模式同时又突破了传统的教育模式。集教学管理、学习交流、信息共享为一体，使教育主体的各方面元素，如教师、学生、教学管理人员突破原有的时空限制，在一个虚拟的平台上进行教学活动。实现了一种新的教学模式。

2.2 整合、分配及扩充资源、提高效率。通过按需分配资源和对资源使用情况进行精确监控和量化，能够节省投资、提高硬件系统的利用率、降低管理和运维成本、节约能耗，对资金节约和计划的有效性都非常有意义。

2.3 发挥各自优势。私有云平台架构的设计与教育资源的紧密结合，实现多种教学开发和应用。

2.4 私有云平台可以提供集中的网络管理和运行维护服务。

2.5 搭建私有云平台可以提高低配置或老旧计算机的综合性能，使其达到现有流行速度的效果。

3.实验中心的私有云与大数据实训平台是如何构建的？

3.1 现状

实验中心现有计算机应用基础实验室、软件技术基础实验室、网络技术实验室、单片机技术实验室、虚拟仿真实验室等。

现有大部分设备是5年前购置，许多设备已处于老化状态，在综合布线系统部分、主干网线主要以千兆双绞线为主。现有一台华为企业级路由器、一台华为全千兆高性能核心交换机及数十台二层千兆交换机。实验室PC机为联想启天M7300,配置较低，网卡为千兆网卡。

教学实验内容主要面向校内计算机、通讯、电子技术、物联网、交通、土木、地理信息等相关专业的学生、完成校内百分之80的计算机实验教学工作量。工作量（包括软硬件更新、系统维护、网络安全等）繁重。设备使用的频率高且个性化要求复杂多样。

3.2 平台的构建

这里的平台指私有云与大数据实训平台。“工欲善其事,必先利其器”，经过前期的考察及充分的论证，实验中心的实验情况符合采用私有云(云计算的一种)平台模式进行教学，不需要对原有设备进行大规模的改造。旧有的设备及网络布线系统马上就可以启用。只需对网管、运维人员和教师进行课前培训。

中心选用了上海睿亚训软件技术服务有限公司的教育云平台。硬件部分由一台华三路由器、一台华三交换机及四台高性能服务器组成，其中一台为云博实践教育平台，其他三台为采用分布式存储技术管理的存储服务器、在其中一节点上安装有集中式虚拟桌面管理系统。并发数为150个用户在线使用。留有扩容空间，在这个基础上可以增加新的节点。教育平台与中心原有网络平台平行并入校园网。

在软件部分，系统基础平台全部采用Liunix操作系统，管理系统包括两大系统：YunBo实践教学管理系统（客户端），集中式虚拟桌面管理系统。

3.3 平台实现机制

一个统一的、标准化的技术架构对一项技术的发展是非常重要的，云计算现存的情况是还没有一个统一的技术架构标准，我们现在看到的比较常见的技术架构可以分为四层：显示层、中间层、基础设施层、管理层。

实验中心的私有云教育平台技术架构也基本遵从了这一结构。以原有的设备和网络资源作为基础设施层，以视频教学、在线作业及考试等为显示层，以VDI桌面虚拟化解决方案为基础，采用开源KVM虚拟机， KVM作为Linux内核中的一个可装载模块，它支持的物理设备也即是Linux所支持的物理设备，构建平台的中间层（虚拟桌面云），以实践教学系统为管理层，组成教育云平台。

3.3.1 虚拟桌面云

虚拟桌面云是云计算的一个具体应用实例，虚拟桌面云利用云计算技术在中心内搭建一个服务器集群，通过创建多个虚拟机来提供远程虚拟桌面；以“虚拟机”和“虚拟桌面”的形式向用户提供所需的计算、存储和应用程序等个性化内容，主要管理部分有：系统状态统计、用户管理、模板管理、存储管理、虚拟机管理等。

系统状态统计负责对资源使用情况进行精确监控和量化，实时反映出资源的运行状态。

用户管理负责对用户进行身份认证、访问授权。

模板管理就是根据需求来配置一台虚拟机的硬件参数，在创建建虚拟机的时候，虚拟机的配置要和模板是一样的，只要选那个模板就可以了。

存储管理负责对不同类型的存储设备统一管理，融合，分配、镜像迁移等。

进行负载均衡存储。

虚拟机管理负责虚拟机的创建、连接以及向用户分配虚拟机。之前需要创建模板。在生成虚拟机过程中，以Web方式调用模板。虚拟机管理，屏蔽了硬件层自身的差异和复杂度，呈现为标准化、可灵活扩展和收缩、弹性的虚拟化资源池。

虚拟桌面云平台的种类：公有池、私有池。

公有池主要指根据对学生学习、实验的要求，配置建立的虚拟机平台，这个平台对每个学生来说是一对一的，同时又是完全虚拟化的。这个公有池不受场地、资金的限制，而是根据用户实际需求建立。公有池简单的可以理解为传统的机房。

私有池是指针对每个教师建立的、虚拟的授课平台。私有池里可以含有此教师的多门课程平台。

3.3.2 实践教学系统

实践教学平台，也叫自适应教学平台（客户端），它以友好的方式展现教学相关人员所需的教学内容和服务体验。优化教与学、实现教与学全面互动，充分共享资源池。利用这一平台，让学生提前主动学习，提高预习效果；以学定教，教学更显有效性。

一个教学任务，它包含一些基本的元素，诸如教师、学生、教学资源、虚拟机等，所有的工作都是以课程为主轴，根据教务处下发的教学课程，通过系统平台将这些元素有机地结合到一起，构成一个完整的教学云平台。平台可以实现备课、下发作业、作业提交、检查、评估、测验等教学任务。

它的具体特点有：

3.3.2.1 教师与学生可以通过教学平台实现相互互动。

3.3.2.2 通过创建课程，将课程与上课的学生进行绑定，将课程与桌面进行绑定后再将虚拟机分配给学生，实现学生在虚拟的环境下，完成课程内容。

3.3.2.3 实现各种教学资源上传平台，支持教师自身资源上传，满足学生课前预习、课堂实训、课后总结的要求。

3.3.2.4 平台采用任务驱动教学案例模式，以知识点贯穿教学案例的编排。

3.3.2.5 采用“学习导向图”学习方式，明确学习目标，总体把控学习流程。

3.3.2.6 实现备课、作业布置、作业提交、检查、评估等全无纸化系统管理。

3.3.2.7 体系化平台管理，可与项目管理软件、考试系统、测试工具等专业引擎作无缝链接。

3.3.2.8 借助云桌面技术，可根据课程内容向用户提供不同类型的实践环境(Windows+Linux），实现单用户、跨课程、多桌面。

3.3.3 推送桌面

通过云端方式向每个使用者推送桌面，使得每个使用者都有了一台属于自己的电脑，数据及环境都在服务器端，便于个人数据存储和应用。同时结合服务端的安全策略，使得整体使用环境的安全性以及运维便利性大大提高。

3.4 平台的特色

3.4.1 采用云计算技术平台后，可以根据用户的需求，规划上机实训的环境。

3.4.2 用VDI技术解决地理信息等专业软件的教学实验。实现了大型软件ArcGis在VDI中的安装运行。

3.4.3 优化教与学、实现教与学全面互动，充分共享资源池，支持教师自身资源上传共享。

3.4.4 实现备课、作业布置、作业提交、检查、考试、评估等全无纸化系统管理。

3.5 平台的技术架构图（见图1）

图1

3.6 平台的网络拓扑结构图（见图2）

图2中虚线部分为教育云平台网路结构拓扑图，其他部分为原有的网络结构

3.7 数据流向

在私有云平台路由器上划分两个子网VLAN202、VLAN1。四个云服务器在子网VLAN202，私有云平台路由器与私有云平台交换机、核心交换机相连的端口在子网VLAN1。这样，在云平台上的数据的流向是：

虚拟机之间的数据交换通过私有云平台交换机完成。

虚拟机与公网间数据交换通过私有云平台交换机、核心交换机、核心路由器与外网交换数据。

虚拟机与校园网用户数据交换通过子网VLAN202、校园网交换机进行数据交换。

虚拟机与内网用户（中心用户）数据交换通过私有云平台交换机、核心交换机、接入层交换机完成数据交换。

图2

3.8 大数据实训平台的建设

3.8.1 私有云基础桌面平台

采用VDI桌面虚拟化解决方案和KVM虚拟机技术相结合，灵活部署计算与分布存储，实现私有云基础桌面环境建设，为整个系统平台提供基础服务支持。

3.8.2 教学与实训的私有云平台（客户端）

为教学过程提供完整的教学支撑。用户通过客户端设备（瘦客户机或是家用PC）的瘦客户计算协议与虚拟桌面进行连接。为每个用户提供完全个性化的，与物理桌面很难区别的虚拟桌面。

3.8.3 数据科学与大数据专业工程实践教学与实训资源

建立数据科学与大数据专业工程实践教学与实训资源，包括大数据原理与应用，大数据理论与实践，大数据项目案例等资源。平台可支撑包括课件、实验手册、教学视频、教师参考答案、学生答案模板、实验素材下载，多媒体播放等多种教学资源。

4.私有云及大数据实训平台的应用

教师可根据教务处下发的教学计划，提交所授课程内容和学生名单，系统管理员根据以上内容，建立相应的策略。

4.1 借助用户账号管理功能建立教师和学生名单。

4.2 将一部分成熟的、已公开的、多年在教学岗位上向学生传授的教学资源存放到平台上，进行共享。对于一部分还在不断进行完善的、需要充实的教学资源可以放到个人的资源目录下。可公开，可不公开。

4.3 创建实验课实验模板。

4.4 通过已创建的模板建立桌面池。

4.5 创建实验的“课程管理”，教师可根据“课程管理”建立本学期的实验内容，对与本课程相关的学生进行实验等。

4.6 教师和学生借助各自的账号登陆实践教学平台（学宝），在平台上有争对每个学生实验的环境（虚拟机），有实验内容，有课程考试，供学生完成相关的实训。

实验中，私有云平台为授课教师提供了多种技术手段和工具，帮助教师更好的完成实验内容。

5.结论

私有云与大数据实训平台为教师和学生提供了一种新的实验平台，相比传统的实验模式，这种创新模式，扩充了资源、提高了效率、方便了管理。

需要完善的部分：

5.1 如何让教师、学生更快地接受这种新的教学模式

5.2 加快资料的更新、建立上传资料评估、审核制度。

5.3 完善精品课程示范平台。