基于云计算的高校双线模式软件实验中心建设

吴俊强

(无锡工艺职业技术学院，机电与信息工程学院，江苏，宜兴 214206)

0 引言

随着计算机软硬件的快速发展，高校软件实验室更新换代的周期越来越短。同时，2016年教育部印发《教育信息化“十三五”规划》提出，到2020年基本建成“人人皆学、处处能学、时时可学”与国家教育现代化发展目标相适应的教育信息化体系[1]。2020年的新冠疫情，国内高校停课不停学，开启了“线上新学期”,可见，新冠后疫情时代大力发展在线教学将是国内教育发展的重点之一。这些对高校实践教学提出了更高的要求。面对软件实验室资源配置和管理的压力，如果采用传统计算机实验室建设方案，即批量购置IT设备，在 PC 机上部署开发环境，存在建设成本高、设备维护量大、需反复部署实验环境等缺陷。云计算应用虚拟化技术将桌面、服务器、存储和网络等进行池化管理，整合软件开发平台，将大大降低硬件的投入，减轻运维工作量，推进软件在线课程的建设。

1 软件实验中心建设需求

为了提高学生的就业竞争力，使学生实践技能更强，能直接适应岗位职责的需要，高校软件专业都会考虑校企合作，还会提供软件外包服务，这要求软件实验中心具备软件设计、编程和测试“流水线”的跨平台开发环境，以满足日益增长的软件开放课程的实验需求。因此根据专业方向需要开设.NET、Java、移动等3个软件开发实验室及软件测试实验室(40台PC机/室)，用云计算技术把4个实验室整合起来，具备软件设计、编程、测试一条龙的云平台实验环境。该平台采用线上线下的双线模式，不仅集中管理4个机房里的终端，供学生平时的线下教学，还可以通过校园网或互联网实现线上开放式的虚拟实验室。

2 云计算技术

云计算已成为承载各类应用的关键技术，是信息化和服务模式创新的集中体现。NIST(美国国家标准技术研究所)对云计算较权威的定义是：“云计算是一种对IT资源的使用模式，是对共享的可配置的资源(如网络、服务器、存储、应用和服务)提供无所不在的、方便的、所需的网络访问，资源的使用和释放可以快速进行，不需要多少管理代价。”虚拟化是构建云基础架构的关键技术，能够对底层网络、计算和存储等硬件资源进行抽象化处理，构成虚拟化的资源池，并将其隔离为多台虚拟机。虚拟化能够根据业务需求快速连接并管理资源，为单位提高效率、增强灵活性和加快响应速度提供支持，从而降低IT成本。

3 软件实验中心建设方案

3.1 软件实验中心的总体规划

软件实验中心采用基于云平台统一管理的资源集中部署，并在常规线下实验的基础上引入线上开放实验，双线模式的总体规划如图1所示。实验中心部署24口万兆核心交换机1台，其中的服务器采用万兆口接入汇聚交换机；软件常规实验室采用千兆以太网，每室部署1台48口千兆二层接入交换机，接入交换机采用万兆网线与汇聚交换机进行连接；为了最大程度地保证云平台网络系统的稳定性，接入层交换机到服务器集群交换机的主干线采用双网络的建设模式。

图1 双线模式的软件实验中心总体规划图

3.2 云计算实验平台

软件实验中心的云计算实验平台采用私有云建设方案，将计算服务化、资源虚拟化、管理智能化，根据教学需求调整资源分配。

3.2.1 私有云基础架构

私有云的基础架构基于计算、存储和网络的集中资源而构建，是一种虚拟化、多用户基础架构。本方案选择业界领先的虚拟化平台VMware vSphere®和虚拟桌面架构VMware Horizon®。vSphere提供强大、灵活、安全的按需基础架构，是云计算环境的理想基础平台。vSphere的两个核心组件是vCenter Server和ESXi，vCenter Server用于管理网络和主机资源中连接的多个主机，ESXi主机用于创建和运行虚拟机和虚拟设备[2]。云平台基础架构如图2所示。

图2 云计算实验平台基础架构图

(1)虚拟基础架构

虚拟基础架构选用5台有2个E5CPU、256 GB内存的主流机架式/刀片式服务器做为ESXi主机，部署软件实验中心需要的虚拟化服务器和桌面。5台ESXi主机采用分布式资源调配组建为一个集群，自动均衡ESXi主机的负载，并共享Dell PowerVault MD3060e存储。Dell MD系列专门针对较小规模的存储整合和虚拟化项目进行了优化，配套的软件可靠且易于管理，提供经济实惠且可靠的多用途存储解决方案。

(2)虚拟化服务器

软件实验中心需要数据库服务器、中间件服务器、Web服务器、软件测试服务器、云管理平台、虚拟化管理服务等服务器，根据实验中心的规模和实际应用要求，配置1台物理服务器，安装ESXi，可以运行8～10台虚拟服务器，将上述的应用平台安装或迁移到虚拟服务器上，vCenter Server服务器也安装在虚拟服务器上[3]。考虑冗余和扩展，可以选配多核、多线程的CPU和增加内存量，推荐多配置2台物理服务器。

(3)虚拟桌面基础架构

VMware Horizon基于VMware vSphere部署，以池化的形式构建虚拟桌面基础架构VDI(Virtual Desktop Infrastructure)。VDI以创建好的虚拟机作为基础映像，通过该映像可以灵活、按需、快速地配置大量的桌面，同时实现终端用户在多种设备上随时随地访问虚拟桌面[4]。为减少创建虚拟机时引起的同一存储上的性能降低，将映像所在的存储卷和将要创建虚拟机的存储卷分开。根据4个机房的布置各配置1台物理服务器作为ESXi主机，借助Horizon构建VDI，分别部署包含40个虚拟桌面的不同桌面池，以满足1个班级的实验需要。从单一控制台进行集中式管理，可达到企业级的可用性、灾难恢复、故障转移和可伸缩性。Horizon相关的服务器安装在虚拟服务器上。

3.2.2 云平台的安全监控

云平台管理员在vSphere和Horizon中监控虚拟环境中虚拟设备及物理硬件备份的健康状况和性能，排除系统中的故障。此外使用一些管理工具以加强对平台的监控和保护。

(1)VMware vCenter Operations Management

通过管理界面实现从应用到存储的智能运维，对基础环境进行全面的实时监控，便于及时调整虚拟机的配置，更有效地利用计算资源，提高性能并避免中断。此外，它还能够按用户的要求安全实现工作负载安置自动化和资源优化，同时利用预置的自定义模板增强控制力[5]。

(2)VMware vSphere Data Protection

这是一款集成于VMware vCenter Server的数据备份和恢复解决方案。针对所有虚拟机提供快速高效的数据保护，包括在vSphere主机之间迁移的虚拟机；对备份采用可变长度重复数据消除技术，从而消除冗余，极大地减少备份所占用的磁盘空间[6]。

4 基于云平台建设方案的价值所在

(1)降低成本

将服务器迁移到虚拟机中不仅减少了物理服务器的数量，降低了运维成本，而且提高了服务器的总体利用率。采用虚拟桌面可延长实验室电脑的使用寿命，降低桌面更新的采购成本。

(2)简化管理

通过集中式的自动化管理流程，大部分的维护工作将自动完成，应用部署和更新更迅捷，可快速部署和交付桌面，大大减轻运维工作量。

(3)灵活而富有弹性

根据机房的实验内容，配置不同软件开发、测试环境的桌面池，并根据教学性质(实验/实训)设置相应的用户分配类型(浮动分配池/专用分配池)，同时考虑实验或实训数据的保存要求，需要时简单切换桌面池便可转变实验内容和教学性质。云平台的这种弹性对需要资源多、使用时间短的软件负载和性能测试尤为适用。

(4)提高资源利用率

师生可在机房内外通过网络，使用PC机、瘦客户机和平板电脑等多种客户端访问虚拟桌面，这使得学生在新冠疫情期间可以居家线上教学实践，而在校学生课外继续实验/实训也成为可能。同时，开放的实验环境可以满足软件专业开放课程的实验需求。

5 总结

基于云计算的软件实验中心建设方案将推动高校软件实验中心基础架构的建设，是一套行之有效的高性价比的解决方案，对其他专业的计算机实验室建设具有借鉴作用。展望未来，借助VMware领先的虚拟化技术和云计算技术，能为高校构建完整灵活的软件实验数据中心，充实专业教育的内涵提供支持，同时能扩大教学的外延，兼具虚拟课堂功能，可助力高校在线开放课程的建设。