开放云解决实验教学管理难题

文/胡腾 李燕红 宋凤英

实验课程教学环境管理的问题

如今信息化和智能化技术在高等教育中的应用越来越普遍，尤其是经管类学校中的实验课程更加依托于计算机实验环境。随之带来的问题是国内大多数高校的实验教学计算环境还停留在大量物理计算机阶段，它的管理和维护问题越来越突出。

首先，实体计算机所需要的物理空间分布过大而且固定，不利于参与者的使用和维护。对于高校的学生和教师来说，每个人必须要到固定的实验室进行操作，课程需要大量的教室空间资源。同时，对于高校的管理人员，这样的实验课程环境意味着一旦出现问题将很难被定位。更严重的情况下，如果物理计算机集群出现了计算机病毒或者部分被植入木马，都很难被解决。重新部署实验室的系统环境将是十分繁重的重复劳动，为了降低此类运维工作并控制未知风险，必须引入虚拟化技术进行解决。

同一台物理实验环境一次只能运行一个固定的操作系统，系统的硬件资源配置几乎不可能动态改变，造成了大量计算资源的浪费。随着实验课程的深入，不同的课程需要引入不同的实验软件环境，使得大量的软件、数据和文档需要被存储在同一台物理环境之下，造成实验环境分类更加困难，同时对硬件要求越来越高。系统的冗余垃圾不断积累，注册表会存在大量无用的配置信息。随着时间推移，物理实验机器整体性能将会严重滞后，影响正常的教学活动。

实验物理集群管理本身是业界的一个大问题。随着统一管理软件的出现，自动化运维与无人值守的引入一定程度上解决了部分管理问题。然而，由于高校环境使用的复杂性和高并发性，一方面，定制和维护管理软件系统的成本极高，另一方面，随着需求的不断变化，管理系统将会逐渐滞后于使用的现实情况。

综上，高校实验教学环境的管理问题是由于大量物理计算资源的引入造成的。如何降低管理成本以及运维人力是现在高校亟待解决的问题。技术革新使得虚拟化技术大量应用于高校的实验教学环境，在一定程度上降低了实验教学环境的管理成本。然而，虚拟化技术本身以及与高等实验教育相结合的过程中又带来了新的问题。大量的技术引进和新型概念对于传统教育行业来说并不是良药，虚拟化技术如何真正解决高校实验教学环境所带来的实际问题，值得我们探讨和解决的。

开放云实验计算平台概念及特点

开放云实验计算平台是对外经济贸易大学自主研发的一套辅助实验教学系统，该实验计算平台对基于HTML5的WebRDP协议进行了修改和封装，并结合对外经济贸易大学实际实验教学的情况和已有运维管理经验进行开发，目的是为了更好地辅助教师进行教学，促进学生学习，帮助运维人员进行实验课程管理。该平台基于服务器虚拟化技术，将高校实验课程所需要的服务器硬件资源构成一个大的资源池，对所使用的资源进行动态配置，同时封装整体计算资源，进行同一IP地址接入，减少了外部交互，使得整个平台完全被封装，易于使用和运维。

在过去的一段实际的教学之中，通过在实际实验教学应用过程中产生的数据，也间接反馈了这种新型教学模式在高校应用中的广泛性和创新性。

网页访问无需客户端安装

首先，为了更好地辅助实验教学，中心虚拟化教学平台采用了B/S(Browser/Server，浏览器/服务器)架构，学生学习、教师教学以及运维人员进行平台管理都只需要同一IP地址入口进入平台。这需要操作系统能在主流浏览器之中进行显示与交互，目前只有HTML5技术支持这种解决方案。由于学生学习大部分采用的是Windows系统，在虚拟化技术之中属于较困难的全虚拟化技术。WebRDP不同于半虚拟化的远程VNC协议，如何通过此协议传输到常用的浏览器之中并正确显示成了最大的问题。基于HTML5的WebRDP技术可以说是此解决方案的核心思想和最重要技术，解决了页面在浏览器传输问题之后，本平台相对于传统虚拟化解决方案的优势才能显示出来。不用受限于物理环境的限制，极大地提高了开放云实验计算平台的核心竞争力。目前支持Chrome、Firefox、Safari及IE等主流浏览器，并提供自适应浏览器大小的功能。带来的好处有，学生和教师只需要访问一个固定地址就能访问到属于自己的实验计算资源。虚拟化技术不仅突破了传统的教学物理空间和学习环境的限制，而且使得教与学的过程可以分布在不同的物理环境之下。由于很少受到机器本身的限制，使得课下继续实验成为可能。

B/S结构的提出可以帮助解决大量客户端安装的问题，同时也能节省大量的开发成本。而开放云实验计算平台应用了此框架结构，不仅仅只是为了解决客户端所带来的问题，同时对于高校新型实验室的创建提出了新的解决方案。省去了客户端部署，可以利用高校传统的多媒体教室加上有边界的无线网络构建特殊的实验室环境。

由于现在智能终端的普及，学生可以完全在传统的多媒体实验室通过自己的手持设备访问到开放云实验计算平台之中属于自己的虚拟计算环境内，节省了实验室创建的成本，解决了机房资源不足的问题，同时将传统课堂之中知识的传授变成技能熟练度的训练行为，成熟以后可以在传统多媒体教室完成技能训练的考试等。

高校人力运维成本最小化

开放云实验计算平台的需求定位之一是大幅度降低运维与管理成本。平台投入运行的结果证明平台系统的安装零成本、运维零成本、使用零成本。开放云实验计算平台的出现降低了对外经济贸易大学管理人员的运维成本，使得管理和教学集成在一个入口点，通过权限设计分开，简单和方便。

为了解决成本问题，中心对开源框架Django进行了开发，系统所包含的管理思想对于整体的管理十分重要。因为控制和管理系统直接面向用户，是教师和学生使用体验、能否省去运维管理人员的人力成本是重要的一个选项。管理人员通过平台系统的集中管理就可以操作所有的教室虚拟机器，同时更容易修复虚拟机系统出现的各类问题。

开放云实验计算平台通过大量的程序编写，将主要功能全部通过简单的鼠标操作进行封装，系统中集成了大量的操作功能，并尽可能封装成了简单的鼠标点击操作，使得实际使用中能有更好的用户体验。

学生使用时间更加合理

开放云实验计算平台主要通过面向高校实验课程预约管理和课程自动化轮循使用来实现。实际教学过程中，课程数的增加必然给服务器带来更大的负载压力，如何充分使用服务器的性能成为节省成本的重要因素之一。开放云实验计算平台采用课程轮循调度的方式，使得加入的实验课程在设定好的时间内自动启动或者关闭，完全成为了自动化的程序。管理人员的一次加入，使得后续课程完全由机器进行托管，整个平台优先保证课程正常运行。

为服务器资源得到充分使用，学生更好地管理学习实验时间，平台上学生身份的可以对自己的虚拟机进行预约使用。在固定的时间段内，学生可以访问到自己的机器资源，完成课程之后，平台将自动关闭此机器，并将释放出来的硬件资源给予其他人进行使用，平台可以充分调度和使用教学资源，完成优化实验教学的目的。

开放云实验计算平台具体应用

开放云实验计算平台从第一步创建起来都是围绕实验教学进行，在投入使用的过程中，随时投入到实际课堂中，可以及时得到师生的反馈。结合开放云实验计算平台的原生优势，平台系统迅速应用到了对外经济贸易大学的实验课程之中，在收到师生好评的同时，也开辟了实验教学模式新的模式。例如学校金融学院研究生课程，名为“Python在量化交易中的应用”，课程需要配置完整的python环境，包括python2.7的解释器、IPython环境、Sublime Text编辑器、绘图软件Visio、编程教育软件Scratch等。安装的软件较多而且相对比较集中，在服务器中的Windows7系统上直接安装压缩模板并直接生成使用，不需要后续的分布安装。

同时，由于人数增加的原因，此课程由46座教室调整到了64座大教室，开放云实验计算平台中的虚拟机器无需像物理环境一样重新部署。学生和教师的教学环境在物理环境的更换之后无缝平滑地过渡，没有使实验教学的过程产生任何影响，同时管理员也没有任何参与过程，节省重新安装的人力开支。

平台系统架构及核心技术

开放云实验计算平台在硬件方面分为两大部分，一部分是作为承载大规模虚拟机运行的服务器，目前应用的是Dell的R910，采用开源的虚拟化系统。另一部分作为承载各类核心服务和运行所有程序的控制服务器，应用的是托管的虚拟机。在操作系统方面，控制服务器采用的是Ubuntu 12.04 Server，而在R910之中XenServer 6.2版本。服务器虚拟化方面，由于主要承载教学进行使用，目前支持各类Windows操作系统，同时也支持部分可视化Linux的需求使用。

系统功能及主要流程

图1 功能视图

在系统功能方面，虚拟化教学平台解决方案旨在提供一个通用IP地址，通过权限设计的方式把管理员、教师、学生的三类用户分别开来。对应的基础功能模块主要包括对模板的管理和访问、虚拟机组的管理和访问、用户信息和其他信息等。教师和学生的操作基本已访问和申请为主，这也反映了开发人员简洁明确且方便使用的思路。而对于运维管理人员来说，其需要使用的功能更多也更加复杂，在功能方面包括四大类的功能模块，每类功能模块又分为更加细致的小型功能模块。功能视图如图1所示：

其中，简要介绍核心的两大模块，模板管理功能模块和虚拟机组管理模块。首先是模板管理模块，模板是学生和教师虚拟机组批量创建的核心，通过对模板的克隆使得运维管理人员可以迅速根据实际课堂需要创建对应的虚拟机，而每台虚拟机都包含此类课程所需要的全部软件信息。所以，如何定制化一个模板和管理好已有的模板成为衡量系统是否成功的重要因素。虚拟化教学平台在此提供了三个子模块，分别是模板库列表模块、制作新模板模块以及模板申请查看模块，管理人员通过审核教师的申请课程信息，可以判断出使用已有模板还是协助教师制作新的模板，制作完毕的模板存储在模板库列表之中，最后成为创建课程的原型。包含了教师的申请操作和管理人员的审批和制作操作，教师提出请求，管理员完成请求。

另一方面为虚拟机组管理模块，虚拟机组是课程通过模板克隆出来的学生和教师虚拟机的统称，而实际教学之中，学生和教师在各自的虚拟机中进行操作，一个虚拟机组相当于一个虚拟出的课堂。其中包含两个重要模块，一个是虚拟机组列表，虚拟机组列表可以显示不同课程对应的所有虚拟机的实时状态，管理员可以随时去操作相关的虚拟机，比如集体的开关机、重启和删除等操作。虚拟机组的操作在管理课堂行为的同时，可以节省大量的服务器硬件资源供其他课程使用。

平台服务器硬件要求

开放云实验计算平台系统要求相对于物理环境较低，由于所有的虚拟机都建立中心的服务器之上，所以对于整体的系统来说，服务器水平是虚拟机系统能否成功而有效部署的瓶颈。一般来说，搭建大规模教学环境的服务器所需要的硬件水平市场是基本没有能够达到此高要求的。

所以，对于多台服务器做成的是一个集群系统，共同配合工作。服务器的具体的配置根据虚拟机数量进行变更，由于实现了增量硬盘和内存动态分配的技术，相对的服务器瓶颈在于CPU的工作效率和网络带宽的限制。例如一台Windows7需要至少2G内存和24G硬盘，10台就会消耗20G内存和240G的硬盘容量。考虑本机服务器虚拟化系统资源占用、硬盘和内存技术优化、冗余备份等增减要求，一般24G内存和300G硬盘容量的服务器就完全能够满足。客户端的机器要求不高，一般能正常运行的均可，因为所有资源都是在服务器上进行运行。所以对于学生的物理设备能显示、能通信和鼠标键盘操作即可，这也是移动设备就能满足条件的原因。同时对于教学系统来说，集成的低端显卡就可以满足需求，对于其他环境可以自行增减设备。网络方面，由于虚拟机数量不同，服务器端的带宽要求尽量是万兆，客户端百兆接入即可，目前学校的条件完全可以满足。

现代的教学实验环境应在物理机器集群的基础之上，配合桌面虚拟化的系统调度，应用虚拟化推送以及服务器虚拟化的开放云实验计算之下，才能解决不断出现新的教学环境问题。现实中，可以采用一部分的虚拟化进行实验教学，把物理机和虚拟机的使用结合起来，最终实现物理环境和虚拟环境无缝链接起来进行教学使用，达到对高校教学信息化建设的最终目的。