基于虚拟化的慕课(MOOCs)平台架构研究

叶伦强

（西南民族大学现代教育技术中心, 四川 成都 610041）

基于虚拟化的慕课(MOOCs)平台架构研究

叶伦强

（西南民族大学现代教育技术中心, 四川 成都 610041）

慕课平台是数字化环境下慕课建设和推广的重要组成部分. 描述了慕课平台目前存在的问题、慕课平台虚拟化方案、慕课平台虚拟化原理、慕课平台VMware服务器组件和功能、慕课平台VMware服务器虚拟化系统架构、慕课虚拟化系统推荐配置、关键技术与实现, 对如何利用虚拟化对慕课平台进行了架构研究.

虚拟化; Vmware; vSphere; 慕课; 架构

MOOCs即慕课, 是大规模在线开放课程的简称[1]. “M”是Massive(大规模)的简写, 相对于一门传统课程几十或上百学生不同, 一门慕课(MOOCs)的受众最多达16万人; “O”是Open(开放)的简写, 相对于传统课堂是针对学校围墙内的学生不同, 慕课(MOOCs)的受众广泛, 学校围墙内外的学习者皆可参与. 无论国籍、肤色和年龄,学习者只要对某门慕课感兴趣, 注册慕课平台后便可加入慕课的学习; “O”是Online(在线)的简写. 随着以电信网、互联网、有线电视网为代表的“三网合一”的发展、城域WIFI覆盖、4G无线网络的推进、手机、平板等移动终端设备的普及, 学习者使用终端设备通过网络自主完成慕课的学习已经越来越便捷. 大规模在线学习的慕课传播和推广迎来了前所未有的发展机遇, 世界名校哈佛大学、斯坦福大学纷纷发布了慕课供全世界学习者免费学习[2]. 在中国清华大学、北京大学与edX合作推出了慕课, 复旦大学、上海交通大学与Coursera合作推出了自己的慕课[3].

慕课平台作为慕课重要组成部分, 从诞生之日起, 就肩负着实现优质教育资源共享, 推动高等教育开放, 弘扬和传播优秀文明成果, 促进学习化社会的形成, 共同服务于国家经济建设与社会全面进步的责任[4]. 合理利用慕课平台对于慕课的建设、应用、推广起着关键的作用. 慕课平台具有学生注册与认证、基于微课理念的高度知识模块化的课程视频管理、针对知识点的课程测验、教师与学生互动和学生与学生互动的评价管理、基于大数据分析生成图表和仪表盘的直观评价等功能. 慕课平台在慕课课程学习的教学环节中的合理运用, 能够免费、高效的提高慕课课程学习的质量. 因此, 通过慕课平台完成课前准备、课堂学习、课堂讨论、课后评价、调整教学策略方面都是非常重要的.

1 问题提出

慕课是大规模在线开放课程, 其在线用户数量多、在线操作规模之大是传统课程无法比拟的. 以2011年秋季斯坦福大学推出的“人工智能导论”慕课为例[5], 其注册用户超过16万人. 这16万用户如果同时在线视频学习、在线互动讨论、在线评价, 后果是以往难以想象的. 迄今为止有如下几个问题阻碍慕课平台发展:

1)大规模用户同时在线点击课程视频学习会造成瞬时负载过大引起“启动风暴”的问题.

2)用户无限的增加了, 为了满足业务的需要, 是否硬件投资也要无限的增加？不断的增加硬件投入造成对慕课服务器和网络设备投资成本过大的问题.

3)慕课用户越来越多, 服务器硬件投资越来越大, 造成功耗、能耗越来越大的问题.

4)慕课服务由众多服务器集群组成, 有的服务器负责慕课用户注册、有的负责慕课用户视频浏览和学习、有的负责在线讨论和评价、有的负责大数据的分析评价. 在众多服务器中有的只是在一天中的某个时段会出现使用高峰, 其他时候不过10%的使用率, 而其他服务器则会出现资源不足的问题.

5)慕课服务器由于建设的时间和周期的原因, 有些服务器服役期限超过了3年, 逐渐进入了老化淘汰更新期, 设备故障频发容易照成慕课业务中断. 如何避免感染病毒、操作系统崩溃等灾难故障, 快速的恢复慕课的业务也是一个难题.

针对以上问题, 本文提出了基于虚拟化的慕课(MOOCs)平台架构研究, 利用虚拟化技术完成慕课的日常业务部署, 解决慕课服务硬件投资成本大的问题、业务资源利用率低的问题、服务器功耗大的问题、灾难恢复复杂的问题.

2 实现方案

虚拟化技术是当今最热门的技术之一, 服务器虚拟化后能够体现出服务器整合、降低成本、提高资源利用率等诸多优势. 本慕课平台采用VMware推出的一套虚拟化方案VMware vSphere[6], 其广泛的应用于服务器资源虚拟化整合、动态负载均衡、智能电源管理、在线迁移主机等领域, 受到了世界知名服务器厂商DELL、HP、IBM等公司的广泛支持.

2.1 慕课平台虚拟化原理

传统慕课平台的软件与硬件紧密结合, 服务层由低到高由硬件、操作系统、应用程序组成, 每台硬件机器上对应安装一个操作系统, 每个操作系统对应部署一个应用程序. 各个服务层之间紧密的相互依赖. 如图1所示,虚拟化技术出现后, 包含操作系统和应用程序的严密隔离的软件容器“虚拟机”(VM)出现了, 一台服务器上可以有很多虚拟机同时运行, 每个虚拟机都是完全隔离和独立. 虚拟化软件层可将虚拟机与主机分离开来, 根据需要为每个虚拟机动态分配计算资源[7]. 经过虚拟化后的慕课平台服务器在不更改操作系统和应用程序的前提下, 借助虚拟出来的硬件完成以前的业务, 软件与硬件相互独立, 每台机器运行多个虚拟机, 部署运行多个应用.

图1 慕课平台VMware服务器虚拟化原理Fig.1 Virtualization principles of MOOCs platform VMware server

2.2 慕课平台VMware服务器组件和功能

本慕课平台采用VMware推出的一套虚拟化方案VMware vSphere, 其包括接口层、管理层、虚拟化层、服务器、网络、存储等部分[8]. 图2所示为慕课平台VMware vSphere组件和功能.

接口层包括vSphere Client、vSphere Web Client等组件, 主要负责用户与vCenter Server的连接与接入工作.

虚拟化层由架构服务层和应用服务层两部分组成. 架构服务层由有慕课平台私有云组成, 包括服务器的CPU、HP的EVA存储、FC交换机和IP网络组成. 该层为虚拟化提供基础的硬件条件, 为虚拟资源池提供硬件资源. 应用服务层由应用软件服务组成, 保证了虚拟机软件服务的可用性、安全性和扩展性. 该层主要由虚拟机软件VMware ESX和ESXi服务器来完成, VMware vSphere 5.5版本基于ESXi虚拟化管理程序体系结构, 它是不依赖操作系统构建的精简虚拟化管理程序, 而ESX 体系结构是早期的控制台操作系统, 目前已被新版本的ESXi虚拟化管理程序体系结构所替代.

管理层的核心是VMware vCenter Server, 它是整个vSphere架构的核心控制台, 实现对VMware ESX和ESXi服务器的集中式的管理, 配置、置备和管理虚拟化信息环境, 提供访问控制、性能监控和警报管理等数据中心服务. 在慕课平台的日常维护中很多高级功能必须由vSphere Client或者Web Client登陆vCenter Server的管理界面操作来完成, 例如vMotion(虚拟机在线迁移),vDRS(动态分配和平衡计算容量),HA(虚拟机故障重启)等功能.

服务器、网络、存储等部分为VMware虚拟化提供基础硬件架构所需要的数据计算、数据存储和数据网络的硬件条件. 服务器的CPU、内存、存储以及网络资源虚拟化成多个虚拟主机, 通过VMware ESX和vCenter Server的有效管理和调度, 集合不同的硬件资源形成统一的逻辑资源池,提供多个应用同时运行, 极大的提高资源的利用率.

图2 慕课平台VMware vSphere组件和功能Fig.2 Components and functions of the MOOCs platform VMware vSphere server

2.3 慕课平台VMware服务器虚拟化系统架构

如图3所示是慕课平台VMware服务器架构. 慕课平台VMware服务器虚拟化系统由Virtual Center管理服务器、VM(Virtual Manufacturing是虚拟主机的简称)、ESX/ESXi(vSphere的两种体系架构)、VI客户端(vSphere Client)、Web浏览器、图形终端、FC交换机(光纤交换机)、IP网络、服务器群、 FC存储阵列(光纤存储阵列)、iSCSI(Internet小型计算机系统接口)存储阵列、NAS(网络接入服务器)存储阵列、备份服务器组成[9].

VI客户端(vSphere Client)、Web浏览器、图形终端作为接入层的用户接入端, 完成允许通过命令行终端、图形化界面连接到vCenter Serve服务器进行管理, 完成ESXi服务器的集中式的管理, 配置、置备和管理虚拟化信息环境.

服务器群通过光纤交换机或者IP网络连接到共享存储FC存储阵列(光纤存储阵列)、iSCSI(Internet小型计算机系统接口)存储阵列、NAS(网络接入服务器)存储阵列, 这样便完成了慕课平台的私有云的搭建[10].

这个搭建好的慕课平台的私有云将CPU、内存、网络、存储资源虚拟成一个个VM虚拟机, 安装到ESXi服务器组中, 通过vCenter Server的有效管理和调度, 集合不同的硬件资源形成统一的逻辑资源池,提供慕课平台注册、视频学习、课堂讨论、数据分析等不同应用同时运行, 极大的提高资源的利用率.

由于服务器服役期限超过了3年, 逐渐进入了老化淘汰更新期, 设备故障频发容易照成慕课服务中断. 备份服务器作为日常服务器的备用服务器在灾难恢复和容灾备份方面起着很重要的作用. 在避免感染病毒、操作系统崩溃等灾难故障, 快速恢复慕课的业务方面, 备用服务器通过VMware vSphere的HA功能 (High Availability)将宕机造成影响的虚拟机马上在备用服务器上重新启动, FT(Fault Tolerance)功能立即激活辅助副本虚拟机立刻提供连续可用的服务.

图3 慕课平台VMware服务器架构Fig.3 Architecture of the MOOCs platform VMware server

2.4 慕课虚拟化系统推荐配置

慕课虚拟化系统推荐服务器配置如下:

服务器: Dell R900, IBM x3650, HP DL 580以上.

存储: HP EVA 4400(Max88TB, 2 SP, 4G cache)

FC交换机: Brocade 300 SAN Switch(8/16/24 ports, 192Gbps bindwidth,4/8G port speed)

虚拟软件: VMware vSphere 5.5 Enterprise(HA、vMotion、FT、VCB、DRS、DPS等)VMware vCenter Server standard(vCenter Orchestrator、web access等)

3 关键技术与实现

慕课平台建设周期长, 部分服务器才上马部署另一部分服务器已经超过了3年服役期开始老化淘汰中, 服务器硬件保修服务到期, 其上运行业务不能与新款服务器硬件相兼容. 一旦其中一台慕课服务器硬件出现故障,修复将变得异常困难. 如何应对服务器升级带来的问题？如何面对服务器出现故障影响慕课访问的问题？如何面对感染病毒、操作系统崩溃等灾难故障造成的慕课快速恢复业务的问题？这些问题都是相当重要和关键的问题. 基于虚拟化平台下的慕课平台架构中的vMotion(Live motion)、HA(High Availability)、FT(Fault Tolerance)功能[11]很好的解决了这些问题.

图4 慕课平台VMware服务器故障恢复Fig.4 Fault recovery of the MOOCs platform VMware server

如图4所示, 正常情况下服务器1、服务器2、服务器3通过VMware ESXI服务将CPU、内存、存储与网络资源提供给资源池供多个虚拟主机VM调用资源. 服务器1上运行的是VM1、VM2、VM3, 服务器2上运行的VM4,服务器3上运行的是VM5、VM6、VM7, 如果服务器2老化了, 新的服务器要部署的话可以通过VMware VMotion可以实现服务器群的虚拟机的动态迁移, 而服务不中断. 服务器2停机进行维护时, 该服务器2上运行的虚拟机VM4可以动态地迁移到服务器1或者服务器3上, 迁移过程对业务的中断极短(数秒内)甚至感觉不到业务中断. 如果服务器2出现故障, 通过VMware vSphere的HA功能 (High Availability)快速的将宕机的虚拟机VM4业务马上转移到服务器1或者服务器3中启用. 在服务器2正常的情况下, 可以通过VMware vSphere的FT(Fault Tolerance)功能, 将服务器2上的虚拟机VM4生成一个辅助副本虚拟机, 当服务器2故障后, 立即激活辅助副本虚拟机立刻提供连续可用的服务. 这样以上三种情况都能通过VMware vSphere虚拟化方案中的高级功能得圆满的解决.

4 小结

相对传统的慕课平台的架构, 在数字化环境下利用VMware vSphere虚拟化方案完成慕课平台的架构建设、部署于管理, 将虚拟化和慕课平台有效的结合, 极大的整合了慕课平台服务器的资源、有效的负载均衡提高资源的利用率、智能电源管理降低能耗, 而VMware vSphere虚拟化vMotion、HA、FT高级功能圆满的解决服务器升级带来的问题、灾难故障造成的慕课快速恢复业务的问题和服务器容灾备份的问题, 极大的提高了慕课平台的资源的有效性、可扩展性和稳定性.

参考文献：

[1] 王左利. MOOC: 一场教育的风暴要来了吗? [J]. 中国教育网络, 2013(4):11-15.

[2] 李曼丽. MOOCs的特征及其教学设计原理探析[J]. 清华大学教育研究, 2013(8): 13-21.

[3] 袁松鹤, 马若龙. MOOCs: 开放、争论与启示 [J]. 中国电化教育, 2014(1):69-75.

[4] 焦建利.MOOC:大学的机遇与挑战[J]. 中国教育网络, 2013(4):21-23.

[5] 约翰. 丹尼尔. 大规模开放在线课程的发展前景——对由相关神话、悖论和可能性所引发困惑的深层思考[J]. 开放教育研究, 2013(6): 42-55.

[6] 何坤源. VMware vSphere 5.0虚拟化架构实战指南[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2014.

[7] 吕斯特.虚拟化技术指南[M]. 北京: 机械工业出版社, 2011.

[8] 任昱, 李青荣.基于VMware vSphere虚拟化资源管理平台研究[J]. 计算机应用与软件, 2012 (5): 219-237.

[9] 王春海.VMware虚拟化与云计算应用案例详解[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2013.

[10] 斯穆特.私有云计算: 整合、虚拟化和面向服务的基础设施[M]. 北京: 机械工业出版社, 2013.

[11] ERIC MAILLÉ RENÉ-FRANOIS MENNEC .VMware vSphere 5虚拟数据中心构建指南[M].北京: 机械工业出版社, 2013.

The research of the MOOCs platform based on virtualization

YE Lun-qiang
(Modern Educational Technology Center, Southwest University for Nationalities, Chengdu 610041, P.R.C.)

The MOOCs platform is a very important part in the MOOCs under the digitalized environment. This paper shows the existing problems in the MOOCs, virtualization solution, virtualization principles, components and functions of the MOOCs platform VMware server, the architecture of the MOOCs platform VMware server, recommended configuration of the MOOCs platform VMware server, the crucial technology and its realization, and how to utilize the virtualization to research the architecture for the MOOCs.

virtualization; VMware,vSphere; MOOCs; architecture

G434

A

1003-4271(2014)04-0553-06

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.04.16

2014-06-03

叶伦强(1981-), 男, 汉族, 四川成都人, 实验师, 硕士; 研究方向：现代教育技术、计算机网络、软件工程.

2014年度西南民族大学教改项目《MOOCs（慕课）的建设推广与应用研究》; 2014年度西南民族大学中央高校基本科研业务费专项基金项目(14NZYQN48).