创新云计算平台建设提升服务质量助力教学与科研

单子鹏 朱弘飞 邹启明

摘要：针对高等教育中面向教学和科研服务的云计算平台建设，分析了其为教学和科研服务的具体需求，并通过对比不同虚拟化技术和服务模式，选定一种合适的云计算平台基础架构的建设方案；介绍研发不同云计算服务应用的实现方式和方法，及其对教学和科研所产生的实际推动效果，总结在建设和运维过程中发现的问题并给出解决策略；探讨云计算等技术在高等教育中的应用前景。

关键词：虚拟化；云计算；基础架构；云平台；教学科研

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）18-0053-02

一、需求分析

大学计算中心是大学的公共服务体系之一，主要负责两大方面的工作：一是承担全校大学生计算机类课堂教学和实践教学任务；二是保障公共计算机机房、语言实验室、多媒体教室等正常运维管理，涉及为数众多的PC和各类服务器。

但是，随着教学和科研在方式和方法上的不断创新，计算中心的传统服务模式面临极大的问题和挑战，例如：快速变化的需求、资源分散、有限的经费投入与资源浪费等方面的问题。

与一般的个人PC和普通学校机房不同，丰富的教、学和科研业务要求相对较高且易于获取的计算环境，这就需要有高性能、更便捷、可资源复用的计算平台提供支持。

总结实践经验，现在的IT教学环境主要存在如下实际问题：

1.教学场所很多，不可能都配备高性能计算机。

2.教学场所或教师配备的教学、科研用计算机，每隔三、二年就会因性能需要而更新换代，频繁的更新不仅仅是管理和经费上的重复投入，而且不利于设备的持续性利用。

3.教学和科研中需要的软件或系统环境往往有较高的、特别的要求，配置大量的单点计算设备环境需要重复投入。

4.计算资源的分配是固定、分散的，一定程度会造成资源浪费。

5.机房中的高性能服务器往往具有独占性，无法做到计算资源的共享和并行操作。

6.相对封闭的操作系统，很难做到灵活机动的多任务应用。

7.远程调用机房中的计算资源相对困难。

8.高性能计算资源无法做到多样化复用，比如科研、教学和办公无法做到有机统一。

为了解决以上一些面临的实际问题，提高计算中心的服务质量，保障教學的可持续性，创新教学方式，为科研、学科竞赛等量化需求等提供更便利的基础环境，尝试利用最新的虚拟化、云计算、WEB2.0等技术，统筹部署计算资源，优化IT基础架构，建设面向教学和科研的教育云计算多维协作平台（以下简称云平台）。

二、基础架构方案

1.虚拟化技术比较选型。目前技术相对成熟且得到广泛应用的虚拟化技术有：Hyper-v、VMware、Xen、KVM等。Hper-v是微软Windows 2008 R2附带的虚拟化组件，在购买了足够授权的情况下，Hyper-v（包括Hyper-v 2008 core）可以免费使用；VMware是付费的虚拟化软件，市场化程度和认可度目前来说都是最高的；Xen和KVM都是开源免费的虚拟化软件，Xen由于有一个先市场化后开源的发展过程，所以产品集成化程度较高，部署和管理相对规范化；KVM自Linux 2.6.20之后集成在Linux的各个主要发行版本中，是学术界的主流VMM之一，更适合对底层技术有深刻研究的使用者，尤其是Openstack技术兴起以来，更是提升了KVM的关注度。

从性能上来讲，在计算节点上虚拟Windows操作系统，如果都能得到厂商的支持，那么性能优化就不是问题。这几款软件全都能达到主系统至少80%以上的性能（磁盘，CPU，网络，内存），Windows是微软自身的产品，使用Hyper-v来虚拟Windows是有绝对优势的。如果是虚拟Linux，首选Xen，Xen支持Linux的半虚拟化，可以直接使用主系统的CPU和磁盘及网络资源，达到较少的虚拟化调度操作，可以达到非常高的性能。其次是用KVM来虚拟Linux，Linux本身支持KVM的VirtIO技术，可以实现用少量的虚拟化调度操作得到较高的系统性能。

综合以上因素，考量到拥有成本、维护成本、学习成本和开发成本，我们选择成熟度较高的Xen作为主要虚拟化方案，用于大规模基础架构部署；KVM为辅助方案，配合Openstack技术开展云架构方面的研究和测试。

2.底层物理架构。首先将服务器分类集群，采用Xen或KVM技术进行虚拟化，并形成计算节点的资源池。确定池主，以便通过API接口统一任务调度，实现计算节点上的负载均衡。

为了实现统一存储和HA高可用性，将存储资源通过10Gb高速光通道网络采用iSCSI方式接入计算节点。在完成虚拟化的基础上，借助专业存储数万的IOPS能力，对用户层提供IaaS类型的云主机或云桌面等云计算服务。

3.整体系统设计。完成底层基础物理架构建设后，在云计算业务中间层之上，就需要研发第三层面向用户的应用系统，以应对不同的教学和科研需求。由于计算节点采用了池化方案，因此可以在业务层有针对性地调度不同资源池，让不同的业务实现池化隔离，提高了多系统的单一安全性，使得风险在业务池内可控。同时，为保证数据存储的安全性，通过在统一存储上针对不同的业务层建立不同卷和LUN，来实现数据在存储层上的安全隔离。

池化计算节点方案的选择有利于异构体系管理、业务区分的同时，更方便于业务变化后的资源调整，使得有限的计算资源可以合理调配、有效利用。基于此的数据中心应用层的管理可以满足更大层次上的缩放性需求，从而更便捷地解决高教问题的识别和操作。

4.云平台应用系统开发方案。如上所述，云平台采用开源技术做底层计算资源虚拟化，搭配大容量高速存储做数据中心，提供云端资源IT资源池，底层资源管理与配置采用中间层。以此为基础进行基于B/S结构的云平台应用系统开发。

云平台应用系统的设计思想是基于开源软件，以最小成本实现业务需求。应用系统的运行环境选择Linux系列开源操作系统如CentOS、MySql数据库，其他功能如Web service也是基于此理念进行选择。

整体框架采用LAMP与MVC技术相结合，采用多种编程语言。前台UI界面更多地使用了HTML5、JS等技术，增强交互和适应性；后台服务主要采用JSP、PHP等技术实现。

三、云平台系统实现

针对不同的业务需求，目前我们已经尝试开发了以下几种教育云计算多维协作平台，并成功部署了稳定的生产环境，提供了持续的服务。

1.服务中长期教学和科研的自助申请云计算平台——教育云平台。教育云平台是以IT云资源、教师、学生为主要的管理对象，在互联网上按指定流程自动向特定目标服务对象提供可控计算资源的云管理系统。教育云平台包含授权全生命周期流程管理模塊、云主机资源授权和配置模块、平台资源监控模块、云主机自助管理模块、平台使用记录统计分析模块，以及提供辅助功能的云盘模块、服务公告协助模块、技术论坛模块、校内域名自定义模块等。

教育云平台2014年10月份上线运行至今，访问人次上万，使用各类型云主机数千台次，平均在线云主机数百台。

教育云平台的建设极大地缩短了用户与资源距离，提升了计算资源的获取速度，对教学、科研等提供了很好的支持，获得了广大教师和同学们的一致好评。

2.服务短期应用的预约体验云计算平台。为配合计算机课程中云计算部分、网站建设与部署发布等授课内容，让更多的同学短时体验、应用典型的云计算服务——云主机，又建设了基于教育云平台的云计算IaaS体验平台（excloud.hoc.ccshu.net）。

云计算IaaS体验平台采用了与教育云平台同一个基础物理架构和系统设计方法。同时利用云计算资源高度自由调配的特性，单独划定云计算资源池提供服务，保证了业务的有效区分。

云计算IaaS体验平台配置了丰富的系统模板，如WinXP、Win7、Win8、Win10、Win2003、Win2008、

Win2012、Ubuntu、CentOS、Debian等操作系统，同时配置了模拟机房环境的机房上机系统，让同学们可以远程机房上机，免除了机房排队、关键时刻人满为患等现实困扰。在为同学们在校内便捷、快速短时体验、使用云主机的同时，也为教学实践提供了一个很好的短时应用平台。

3.特色服务云计算平台。在教育云平台同一个基础架构下，我们还开发了各种特色服务平台。比如为每年举办一次的计算机应用能力大赛开发的竞赛云平台，服务竞赛项目百余个，服务队员数百名；为第八届中国大学生计算机设计大赛上海赛区提供的国赛云平台，服务竞赛项目300余个，服务队员1200余名。云计算成功应用在了竞赛资源平台的提供上，方便了竞赛队员，方便了专家评审，更有利于数据的积累和后续分析展示。云计算应用到竞赛活动的创新亮点，得到专家和竞赛者的普遍认同。

为评测更多的虚拟化和云计算技术，我们利用部分计算资源开发了基于KVM、Openstack的自由云平台，以方便用户对不同云计算技术进行学习和比较，同时为进一步的开发积累技术资源。

四、应用展望

在积累云计算平台建设经验的基础上，我们正在规划研发更多的面向教学和科研的云计算应用，比如建设基于云计算的创新虚拟实验室，建设服务于普通话测试的普测云平台，服务于教学互动的教学在线云平台，服务于支持GPU虚拟化共享的高性能云计算实验室等，努力让云计算技术真正走进教学，走进科研，走进服务，让教学和科研等对计算资源的需求摆脱时空的限制，从而为提高教学服务质量做出最好保障。

五、总结

云计算技术的应用和发展使得教学工具、教学环境、教学方法上得以创新性提高，进而为高校教学质量的稳步提升提供更好的技术和资源保障。