“互联网+”背景下云计算技术与应用专业实训基地设计及构建

华　驰, 顾晓燕, 张　蓉, 李祥瑜

(1. 江苏信息职业技术学院 教学与科研处, 江苏 无锡　214153；2. 江苏信息职业技术学院 物联网工程学院,江苏 无锡　214153； 3. 南京航空航天大学 计算机信息科学与技术学院, 江苏 南京　210016)



“互联网+”背景下云计算技术与应用专业实训基地设计及构建

华驰1,3, 顾晓燕2, 张蓉2, 李祥瑜2

(1. 江苏信息职业技术学院 教学与科研处, 江苏 无锡214153；2. 江苏信息职业技术学院 物联网工程学院,江苏 无锡214153； 3. 南京航空航天大学 计算机信息科学与技术学院, 江苏 南京210016)

基于云计算技术与应用专业课程基地的实践与研究,将相关课程实验环境的建设与云计算虚拟实验室的搭建相结合。依托H3C设备建设云计算技术与应用专业虚拟实验室,完成云计算课程的教学,通过校园用户网直接访问云服务器进入虚拟实验室,从而保证了用户不受时间、地域的限制,并能够有效地利用实验室的各种资源。

课程实训基地； 专业实验室； 虚拟实验室

1　研究背景

自2006年Google首次提出云计算概念以来,云计算、云服务、虚拟化技术随着网络带宽和硬件能力的不断发展,已经日趋成熟,并成为IT行业的发展趋势。云计算是分布式计算、并行计算、效用计算、网络存储、虚拟化、负载均衡等传统计算机和网络技术发展融合的产物[1]。

在“互联网+”新的形态推动下,移动互联网、云计算、大数据、物联网等与现代制造业结合,带来了新一轮以数字化、网络化、智能化为核心的制造业变革[2]。

《普通高等学校高等职业教育专科(专业)目录(2015年)》(以下简称《目录》)中新增了云计算技术与应用专业,该文件是高等职业教育的基本指导性文件,是高校设置与调整高职专业、实施人才培养、组织招生、指导就业的基本依据。此次专业的调整凸显了云计算技术与应用技术技能型人才的培养在“互联网+”背景下的重要性。

根据赛迪的数据,在云计算人才需求中,研发类岗位占30%,一般要求本科或硕士学历[3]。而位于产业链下游的技能型、应用型的信息技术人才,约占总需求的70%,从而形成产业链上中下游人才需求的“金字塔”状分布态势。这种应用型岗位不仅数量多,而且能力要求与高职匹配,在云计算所有招聘岗位中,有51%的岗位对学历要求为大专。

根据典型云计算企业的调研数据分析,在云计算应用型岗位中,以云平台的实施和维护两类岗位为主。根据具体职责占比不同,岗位会有不同的称呼,如云平台维护工程师、规划工程师、虚拟化工程师、云平台交付工程师、Openstack工程师、云桌面工程师、大数据工程师等。

云计算技术在业界的实际应用通常可以分为3层:基础设施层(IAAS)聚焦在网络、存储、服务器等硬件及其虚拟化,IAAS层的技能是最基础、最重要的；平台服务层(PAAS)指以服务的形式提供的API、Hadoop组件、云安全、Openstack等组件或环境；应用服务层(SAAS)指以服务的形式提供的各种企业应用。

2　云计算技术与应用专业实训基地建设思路

2.1核心课程设计

当前企业级云计算业务主要包括云平台、云应用、大数据、云数据中心维护、云安全、云监控及云桌面等实操技术,具体如图1所示。

图1　企业级云计算业务图

根据当前行业主要岗位技能,考虑在本专业开设云计算概论、服务器虚拟化、服务器存储管理、Linux操作系统、信息安全管理及评估、云平台构建与管理实训等核心课程,通过这些平台之间的搭配使用,达到满足学生实习实训,全面掌握云计算应用技能的目的。

2.2实训基地建设思路

考虑到上述云计算业务功能,满足核心课程的教学需要,云计算技术与应用专业实训基地建设主要建设思路分为4个方面。

(1) 展现云计算关键技术全景图。在实验室的小微环境中,提供了包括IAAS层(主流虚拟化平台)、PAAS层(云操作系统、Openstack、Hadoop大数据)、SAAS层(业务应用)、云安全在内的全景图,充分了解云计算的重要技术。

(2) 环境与企业一致,任务与岗位一致,利于快速上岗。实验室的技术架构与企业真实生产环境一致,我们设计的实训任务侧重点与学生就业的目标岗位一致,强调IAAS层的操作技能,兼顾PAAS层和SAAS层的扩展能力,达到学、练、用一体的效果。

(3) 以标准业务流程进行项目实战,确保学生懂知识，也懂业务。以真实的云平台项目为原型设计,根据标准的信息服务流程设计学员角色分配、项目实施、质量规范。

(4) 多个独立环境,自主尝试,激发兴趣。将实验室分成多个独立小环境,学生有充分机会进行尝试和探索,充分激发兴趣。

3　云计算技术与应用专业实训基地总体框架

3.1实训基地布局与逻辑拓扑设计

3.1.1架构与布局设计

云计算技术与应用专业实训基地参考标准IDC的架构与布局进行设计,共分为两大区域:实训区:主要由桌面云系统、服务器和存储等,供学生进行实训；设备区:按照企业级标准,存放服务器等实训设备。

3.1.2逻辑拓扑设计

由于学生实训要多组同时进行,一个实验室包含多个独立的实训平台,不同平台之间互不干扰。学生从物理硬件的连接到虚拟机管理均可并行,充分考虑到实验室建成后符合如下几个特征:

(1) 可管理性。各模块之间通过交换机连接,可统一管理。此外,平台还可以实现统一化、多维度的管理功能。

(2) 互通性。各硬件、虚拟机可互通,如通过虚拟桌面访问虚拟主机上的SAAS应用。模拟企业的真实场景。

(3) 统一性。大企业平台与小企业平台虽然软硬件选型不同,但采用同样结构,可统一授课。

实训基地逻辑拓扑的设计见图2。

图2　实训基地逻辑拓扑图

3.1.3实训基地方案设计

根据以上,完成本云计算技术与应用专业实训基地方案设计,共5个模块。

(1) 云平台模块。部署云平台,通过该模块练习服务器虚拟化的安装和管理。

(2) 桌面云模块。部署桌面云,通过该模块练习vmware view的安装和管理。

(3) 云管理模块。部署云管理系统及企业应用(含SAAS、PAAS)通过该模块练习Openstack的安装和管理以及企业应用的部署。

(4) 云安全模块。部署云平台的安全防护设备,可进行虚拟主机以及虚拟机的扫描、预警、修复的安全操作。可提高学生对云平台的安全意识。

(5) 大数据模块。部署Hadoop,了解大数据中的数据存储、数据挖掘、数据采集、数据分析的4层服务。

本云计算技术与应用专业实训基地的物理拓扑如图3所示。

3.2云平台服务的搭建

根据上节所述云计算技术与应用专业实训基地的布局与逻辑拓扑设计,完成其云计算平台的用户规划和设计。在云平台中,可以通过网页登录到云平台的登录界面完成三类用户的管理,三类用户分别为:系统管理员、教师管理员、学生用户[4],三类用户分别注册或者登录到云平台系统,管理使用云平台资源,各类用户详细服务结构如图4所示。

3.3服务器的设备选用依据

要完成上述云平台的搭建,离不开硬件设备的支撑,服务器的设备选用了H3C设备。之所以选用H3C设备作为这次的工具,是因为H3C设备性价比较高,并能完成本实训基地规划各类功能所需硬件需求。

H3C CAS虚拟化管理系统融合了计算、网络、存储资源的虚拟化,形成弹性的数据中心资源池,实现资源的自动化调度,更好地为上层应用服务[5]。通过虚拟化后,虚拟机之间为完全隔离状态,具有独立CPU、内存、磁盘I/O、网络I/O,即任何一个虚拟机发生故障时,同一物理机上的其他虚拟机不受其影响,每个虚拟机具有独立的用户管理权限,可安装独立操作系统,不同虚拟机间操作系统可以异构[6]。

4　云计算技术与应用专业实训基地设计

4.1云平台虚拟实验室布局设计

根据虚拟实验室的可管理性、互通性、统一性的特点,为了模拟企业的真实场景,云平台虚拟实验室的设计采用服务器集群式布局设计,三维布局如图5所示,俯视构建如图6所示,用户可在普通PC机使用Web网页登录,集中访问,提高对用户的可控性,颠覆传统电子授课的方法。

图3　实验基地物理拓扑图

图4　云平台用户服务结构图

图5　云平台虚拟实验室正面设计

图6　云平台虚拟实验室俯视设计

4.2云平台业务流程分析

在本设计中,云平台用户主要有系统管理员、组织管理员、最终用户[7],3类用户分级化管理模式,每类用户所给予的使命不同,云业务流程如图7所示。

在上图中,云业务流程主要分为7个步骤：按照业务流程完成的先后顺序分为物理资源整合与资源池化，云资源申请，云资源申请审核通过、组织创建与云资源分配，组织策略分配与虚拟机模板管理，云服务申请、云服务申请审核通过、虚拟资源分配，使用虚拟资源等[8]。

4.3云业务功能设计

云业务功能设计主要分为以下7个部分:

(1) 物力资源整合与资源池化。系统管理员可搭建整个云平台服务器,在系统管理添加组织操作员添加组织添加用户分组增加组织用户；划分服务器的资源,划分不同种类用户的权限,管理服务器的资源调度以及安全防护。

(2) 云资源申请。组织管理员可以向系统管理员申请云平台服务器中的云资源的使用权,来支配给最终用户。

(3) 云资源申请审核通过组织创建与云资源分配。系统管理员接收到组织管理员的云资源申请,可通过云平台网页同意或者拒绝分配云资源给组织管理员。

(4) 组织策略分配与虚拟机模板管理。组织管理员可以通过云平台服务器中的组织策略分配和创建虚拟机模板,为用户申请使用虚拟机来快速分配给用户使用和为不同的用户要求来分配不同的策略。统一管理最终用户的使用。

(5) 云服务申请。最终用户可以不受时间和地点的约束,通过Web网页访问云平台服务器,注册用户账号,向组织管理员申请云资源。

(6) 云服务申请审核通过、虚拟资源分配。云服务申请审核通过,组织管理员分配虚拟机给最终用户使用。

(7) 使用虚拟资源。最终用户申请通过,并且组织管理员分配云资源给最终的用户后,最终用户就可以不受时间和地理位置的限制使用云资源。

5　云计算技术与应用专业实训基地建设

5.1云计算平台的系统流程设计

云平台系统的业务流程,从用户注册和登录开始,不同用户登录到云平台将享有不同的资源和权限,管理员用户注册或登录云平台系统,将享有用户管理、实验项目管理和虚拟机分配的权限；教师用户注册或登录云平台系统可以进行组织管理员申请和管理学生机的权限；学生用户注册或登录云平台系统可以享受虚拟机申请、虚拟机使用、网络设备配置和信息浏览权限。云平台系统的资源分配及用户管理模块,系统管理员可以进行云资源的分配和用户的创建以及用户的管理及用户的删除操作。

3类用户分级化管理模式,相互具有联系,一环扣一环的管理模式,实现云平台系统的管理和使用。

5.2用户登录和使用

用户通过登录H3C CAS系统的登录界面登录到云平台[9],也可以在H3C CAS系统登录界面进行用户的注册。登录后的显示界面主要包括了“云资源”“云服务”和“系统管理”三大功能[10]。

用户通过申请虚拟机来获取云平台虚拟机的使用权限,管理员需要创建好虚拟机,划分虚拟机网络,之后交由用户使用，用户可以通过H3C CAS系统登录界面登录,使用已经申请好的虚拟机。

整个用户登录和使用过程在云计算系统的运作下完成。

6　结语

围绕基于云计算技术与应用专业课程实践教学需求的学习和研究,将专业核心课程实验环境的搭建与云计算虚拟实验基地的建构相结合,经试运行,实训基地不仅符合云计算技术与应用核心课程项目式教学需要[11],基于实训基地构建过程,锻炼了师生的工程实践能力[12],达到了实验基地规划和建设的预期目标。

References)

[1] 罗晓丽. 基于云计算的遥感影像存储组织模型研究[D]. 河南大学,2013.

[2] 严霄凤,张德馨.大数据研究[J]. 计算机技术与发展,2013,4(32):4.

[3] 黄志球. 云计算环境下隐私需求的描述与检测方法[J].计算机研究与发展,2015,52(4):879-888.

[4] 华驰,毕海峰,王辉,等.基于太阳能光伏组件监测的物联网专业综合实验研究[J].实验技术与管理,2014,31(2):135-139.

[5] 黎建辉,杨风雷,崔建业,等.全球食品安全信息监控与分析云平台架构研究[J].计算机应用研究,2014,31(8):2361-2366.

[6] 杨洪山,章民融,孙平.云数据中心分布式监控架构研究与平台设计[J]. 计算机应用与软件,2015,32(7):51-55.

[7] 华驰,姜彬,王辉.一种可联网的在线农业环境监测系统的设计与实现[J]. 江苏农业科学,2014,42(4):345-349.

[8] 焦合军,张璟,李军怀,等.协同设计中基于混合 Petri 网的云工作流表示模型[J].应用科学学报,2014,32(6):646-646.

[9] 苏命峰. 云计算环境下高校数据中心的虚拟化研究与实现[D].湖南大学,2015.

[10] 唐登龙,李继云.个性化服装设计协同云平台的设计与实现[J].计算机应用与软件,2014,31(4):85-88.

[11] 蔡剑华,郭杰荣,王先春,等.校企合作中项目式教学在传感器与检测技术课程教学里的应用[J]. 大学教育,2015(11):125-126.

[12] 吕小艳,文衍宣. 地方高校工科学生工程实践能力培养对策研究[J].实验技术与管理,2016,33(1):13-16.

Design and establishment of cloud computing technology and professional training base under background of “Internet +”

Hua Chi1，3, Gu Xiaoyan2, Zhang Rong2, Li Xiangyu2

(1. Teaching and Research Department,Jiangsu Information Professional Technology Institute,Wuxi 214153,China；2. Engineering College of Internet Things,Jiangsu Information Professional Technology Institute,Wuxi 214153,China; 3. College of Computer Science and Technology,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)

Based on the practice and research of cloud computing technology and professional training base,the experimental environment for the related courses is established with cloud computing virtual laboratory. Relying on H3C equipment,a cloud computing technology and professional virtual laboratory is set up,a Cloud Computing course is designed,and direct access to the cloud server for the virtual laboratory through the campus network is completed,thus ensuring the effective use of the laboratory resources regardless of time and geographical constraints.

curriculum practical training base；professional laboratory; virtual laboratory

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.059

实习基地建设

2016-03-08修改日期：2016-06-01

江苏高校哲学社会科学研究基金资助项目(2014SJB351)；江苏省高等职业院校国内高级访问学者计划资助项目(2016GRFX025)；江苏高校品牌专业建设工程资助项目(PPZY2015C239)；江苏省教育科学“十二五”规划2015年度课题(D/2015/03/092)

华驰(1979—),男,江苏兴化,硕士,副教授,主要从事软件技术、计算机网络技术研究及计算机教学.

E-mail：8573748@qq.com

TP393

A

1002-4956(2016)9-0223-06