在线实验云平台构建及实施

2018-01-09管维红孙涛刘腾

软件导刊 2017年12期

管维红+孙涛+刘腾

摘要：

随着云计算的不断发展，桌面虚拟化技术日趋成熟，高校实验实训室纷纷搭建虚拟桌面。在虚拟桌面的基础上，利用现有服务器、存储等资源，通过OpenStack搭建了实验实训室在线实验云平台。该平台有用户专属的實验云主机，并配套开发在线实验提交系统，以及相关教学资源共享平台，为学生提供了在线实验及课程教学资源一体化的泛在学习体验。对云平台建设过程中的一些问题进行了分析，旨在为实验实训室建设提供参考。

关键词：虚拟桌面；资源整合；在线实验；OpenStack；云平台

DOIDOI：10.11907/rjdk.172793

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2017）012-0172-03

Abstract：As the fast development of cloud computing technology and gradually mature desktop virtualization technology， many universities and colleges start to build the virtual desktop in the experimental training room. Discussion based on the virtual desktop， make full use of the existing servers， storages and other resources， through OpenStack to build the cloud platform for online experiments in the experimental training room， to provide students with own experimental cloud host， and develop of the online experimental submission system， and the related teaching resources sharing platform. It enables students to get the u-learning experience of the integration of online experiments and teaching resources， achieved good teaching results. By the way， it is analyzed the common problems of cloud platform construction， hope to share the experience as good reference to brother colleges.

Key Words：virtual desktop； resource integration； online experiment； OpenStack； cloud platform

0 引言

为解决传统机房存在成本投入过大、维护费用过高、管理效率低下、安全灵活性差等难题[1]，越来越多的高校在实验实训室建设时采用虚拟桌面[2-4]。

虚拟桌面搭建需要服务器、存储等大型设备，在建设虚拟桌面实训室时往往“各自为阵”，并在设备选择时留有一定余地，没有充分考虑服务器使用率，存在资源浪费情况[5]。目前MOOC、SPOC等在线开放课程平台，难以支持课程实验环节，配套建设在线实验教学平台迫在眉睫[6-7]。在线实验云平台主要用于高校实验室共享平台建设[8]，为学生提供统一的实验环境和点对点的实时通信平台[7]。笔者基于虚拟桌面服务器、存储等设备，利用OpenStack搭建了在线实验云平台，并开发了在线实验提交系统，实现硬件、软件和教学资源共享[9]，为师生提供实践教学和课程学习一体化的泛在学习体验。

1 搭建在线实验云平台意义

高职院校实践课程占教学的大部分，而实践课程往往存在以下问题：很多课程在实验室的操作时间有限，课后因为实验环境、实训指导缺乏等因素，学生难以继续练习。如何进行在线实验资源建设，将实验环境、实训内容等资源搬到网上，给学生提供更多学习机会，是实验实训室建设的发展方向。

随着桌面虚拟化技术的不断成熟，高校越来越多的实验实训室采用虚拟桌面，与此同时也暴露出一些问题：虚拟桌面建设时基于较多应用及扩展性，一般配置较高，但在实际使用时往往只用于某几门课程教学，使用单一，没有充分发挥设备效能，造成一定的资源浪费，尤其是服务器、存储等大型设备的利用率很低。

在线实验云平台利用虚拟桌面现有设备，通过OpenStack进行合理部署，在提供云主机满足在线实验教学的同时，还能开发在线实验提交平台，实现在线实验布置、提交及反馈。与实践课程建设相结合，将实践课程教学资源库融入，为学生提供更广阔的学习空间，实现移动学习、泛在学习。在线实验云平台建设不仅可以提升实验实训中心的整体管理水平，还可更好地为教学服务，提高教学效果。

2 在线实验云平台搭建

笔者学校物联网工程学院拥有实验实训室30间，包括政府财政补贴建设的物联网综合实训室、计算机与软件实训室；与行业协会共建的网络安全工作室；与知名企业合作建设的移动互联实训室、云计算实训室、物联网技术应用实训室、物联网工程与安全综合实训室等。实验实训室承担了物联网技术专业绝大多数实验实训课程的教学任务。其中云计算实训室、大数据实训室、公共机房等实训室采用了虚拟桌面。根据设备、人员、课程资源等实际使用情况，搭建了云计算工作室和信息技术教学平台两个在线实验云平台。本文根据服务器部署、配置和实际使用情况，以云计算实训室为例说明在线实验云平台的搭建和使用过程。云平台建设分为硬件建设、软件部署和教学资源建设与共享3部分。endprint

2.1 硬件建设

云计算实训室（见图1）有服务器、存储共20台，终端50台，教师机1台，以及千兆交换机3台，网管交换机1台，大型设备清单见表1，主要用于物联网技术专业群云计算等相关课程的教学。采用14台1U机架式服务器部署在线实验云平台，并直接通过楼层汇聚连接到校园中心机房，实现校园网内免费访问。

2.2 软件部署

OpenStack是一个开源的云计算管理平台，有着良好的可控性、兼容性和扩展性，很多企业和高校采用OpenStack搭建私有云[10-14]，如基于OpenStack搭建创新实验室云平台[12]，基于OpenStack构建适用于教学和科研实验的云计算平台[13]，以及基于OpenStack构建高校实验室云计算管理平台[14]等。

在线实验云平台（见图2）采用开源的OpenStack进行部署，将14台1U机架式服务器作为底层物理设备形成计算资源池，分为两组，每组7台，统一管理使用，可允许300G内存的实验云主机同时运行。整个OpenStack由控制节点、计算节点、网络节点、存储节点4部分组成[14-15]。目前OpenStack云平台采用一个控制节点、多个计算节点的方法进行部署。此方法部署简单，不容易出错，适合小范围使用，但整体性能一般。本文对云平台进行升级部署，争取在现有设备前提下，改用3个控制节点，同时重新部署OpenStack的高可用性，提升云平台性能。

该平台主要服务于计算网络技术专业，尤其是云计算方向，可保证每个学生拥有自己的云主机，上课时直接登录云主机进行操作，课后可将云主机“随身”携带，只要在校园网内登录即可使用。

点击“实验云平台”登录，即可进入云平台。点击“实验提交”，即可进入在线实验平台，进行在线实验系统操作。“云知识库”集中部署了多门课程的相关教学资源，可以在线学习。

2.2.1 实验云平台

实验云平台主要提供云主机的管理，见图3。

2.2.2 实验提交系统

“实验提交”系统是由任课教师根据教学需要采用python和django自行编写的。教师在平台上发布实验要求，学生根据实验要求在自己的云主机上进行操作，然后将命令结果复制到答题区提交，平台采用抓取关键词比对的方法判断完成正确与否。

“实验提交”系统结合云主机可实现“在线实验”功能，平台界面见图4。登录后可看到“我的实验”、“我的完成情况”以及“班级完成情况”3个页面。在线实验提交系统流程见图5。

2.3 教学资源建设与共享

“云知识库”收集整理的资源主要有dokuwiki 、python、 openstack等新技术教程及实例。资源主要由教师收集整理，来自江苏省、全国技能大赛项目，官网、论坛以及网上知名博客的系列讲解等，还有部分教学资源和在线开放课程的建设是同步的，和在其它平台发布的在线开放课程配套使用。云知识库界面见图6。

3 实施效果及问题分析

3.1 实施效果

在线实验云平台应用于多门课程教学，取得了良好的教学效果。对云平台登录和使用时间统计，学生平均每天在云平台上学习1.5个小时以上，远远超过其它课程的课外学习时间。

从教师角度：在线实验云平台大大提高了教学效率，无限延伸了云计算实验室，提高了教师的实践能力，为教师成长提供了很好的平台。

从学生角度：通过在线实验云平台，学生拥有自己的云主机，实验课程学习不再拘泥于实验室，可以轻松实现在线学习、移动学习，将实验室搬到校园每个角落。不仅提高了学生的学习兴趣，学习效率，同时为自主学习提供广阔的空间。

在线实验云平台的搭建，很好的利用了现有设备，有益于教学。若能从课程组、专业群的角度进行规划建设，将发挥更大的作用。

3.2 问题分析

（1）虚拟桌面不能适用于所有机房，但是在线实验云平台建设却迫在眉睫。在线开放课程的建设往往偏于理论，却忽视了最为关键的实践部分，因此即使没有资源过剩的情况，也应该进行在线实验资源建设。可以校内自行搭建平台，也可以采取和企业合作引进的方式进行，两种方法各有利弊，应根据实际情况进行选择。

（2）在线实验云平台欲成为学生学习的移动桌面，实现泛在学习，就要保证云平台7*24稳定工作。不同于传统机房按时开放，云平台是随时在线的，对电源、备份以及散热、通风等环境因素要充分考虑。实训室管理方式要改革，以适应新的使用要求，尤其要做好服务器的运维和安保工作。

（3）目前很多高校已经建立了专门的在线实验平台，也有很多公司提供在线实验服务，搭建私有在线实验云平台有无必要？答案是肯定的。因为私有在线云平台不仅充分利用了现有资源，避免浪费，而且该平台最易实现，平台本身就是最好的教学案例，关键是如何保证在线实验云平台持续高效使用。应根据云平台的建设和使用情况制定相应的考核和奖励政策，给予一定的经费支持，保证云平台的软硬件及时升级，给相关人员一定的奖励，以激发和维持其工作热情，使平台能持续高效运行。

4 结语

本文在虚拟桌面的基础上，探讨了资源整合，充分发挥服务器等大型仪器设备的使用效率，通过合理的软硬件部署，与相关课程教学资源相结合，将实验实训室搬到校园网上，构建在线实验云平台，无限延伸了实训室功能，为学生自主学习提供了广阔平台，在实际使用中取得了很好的教学效果。分析了云平台建设中存在的一些问题。桌面虚拟技术还是一项发展中的技术，很多问题有待解决。在线实验云平台建设也不可能一蹴而就，是一个不断完善的过程。

参考文献：

[1] 王珂珂.基于云计算的高校虚拟化实验室建设研究[J].实验室科学与技术，2015，13（5）：41-43.

[2] 刘永，吴杰，宁玉富，等.高校虚拟化桌面实施研究[J].计算机技术与发展，2016，26（2）：140-143.

[3] 洪文圳，周劲桦，梁慧娜.开源虚拟化桌面在实验环境部署中的应用[J].计算机教育，2015（2）：94-98.

[4] 金彪，郑小建，姚志强，等.桌面虚拟化与计算机实验室管理[J].实验技术与管理，2014，31（2）：85-88.

[5] 李贺华.基于云计算系统的实训平台研究与实现[J].实验技术与管理，2015，32（3）：157-160.

[6] 谢阳，史有群，陶然，等.基于虚拟化技术的教学云平台构建与管理[J].计算机与现代化，2013（8）：218-221.

[7] 郭旭，茅俊杰，何嘉权，等.基于MOOC的在线教学实验平台的设计与实现[J].计算机工程与设计，2016，37（2）：545-551.

[8] 毋妙丽.基于云桌面技术的实验室资源共享平台建设[J].实验室研究与探索，2014，33（12）：290-294.

[9] 华驰，顾晓燕.“互联网+”背景下的实验实训教学体系设计[J].实验技术与管理，2016，33（3）：93-176.

[10] 陳伯龙，程志鹏，张杰著.云计算与OpenStack（虚拟机Nova篇）[M].北京：电子工业出版社，2013.

[11] OpenStack中国社区.部署Openstack前需要考虑的五大问题[EB/OL].http：//www.openstack.cn/.