基于FusionCompute研究生科研实践平台的建设

黎荆妗， 向涛

(重庆大学, 计算机学院， 重庆 400044)

0 引言

近年来，研究生招生规模不断扩大，对于研究生教育的改革也成为众多高校不断探索和研究的重要内容。科研水平和实践能力是对于学术型硕士和专业型硕士能力培养的重心，人数的增多、实验室建设规模有限、实验设备和建设资金的紧缺、资源分布不均、利用率低下、维护工作量大等问题给目前研究生培养带来了巨大的挑战，无法满足教师和学生在科研和实践方面的现实需求，同时也不利于科研资源的整合和共享[1]。

云计算技术的高灵活性、可扩展性和高性比特征为高校的资源建设和教育教学改革提供了新的思路，近年来国内外众多高校利用云计算辅助教学，平台建设等方面进行了实践和探索[2]。利用云计算来构建科研实践平台，可以有效地整合数据资源，使教师和学生通过互联网按需获得软硬件资源，其中包括网络资源、服务器资源、存储资源、应用软件资源等，从而提高资源利用率，有效解决资源分布不均，降低实验室软硬件购买和维护成本等问题[3]，该科研实践平台的建立可以推动学校在人才培养和学术研究的发展，并且为高校培养高层次研究生人才，以及高水平学术交流提供了基础条件和重要基地。

根据以上问题和当前云计算技术，使用Fusion-Compute融合计算虚拟技术来实现研究生科研实践平台的建设。

1 FusionCompute介绍

FusionCompute是华为公司开发的云操作系统软件，采用了Xen虚拟化技术以及英特尔和AMD辅助虚拟化技术[4]，主要负责硬件资源的虚拟化，以及对虚拟资源、业务资源、用户资源的集中管理。它采用虚拟计算、虚拟存储、虚拟网络等技术，完成计算资源、存储资源、网络资源的虚拟化。同时通过统一的接口，对这些虚拟资源进行集中调度和管理，从而降低业务的运行成本，保证系统的安全性和可靠性。

FusionCompute的模块包括计算节点代理(CNA)和虚拟资源管理(VRM)，CNA主要负责管理计算节点上的资源，VRM主要负责管理集群资源，并且提供计算、存储、IP等服务，同时为管理人员提供统一的管理接口。FusionCompute的主要功能特性包括虚拟机热迁移技术、灵活的虚拟机配置调整、自动负载均衡(DRS)、自动绿色节能(DPM)及分布式虚拟交换机等。

利用FusionCompute建立研究生科研实践平台能够有效提高资源利用率，提升设备可靠性，并达到自动绿色节能的目的。

2 研究生科研实践平台的建设

我国学术硕士和专业硕士的培养都离不开团队的深度交流和合作，尤其在目前双一流建设的大环境下，结合现有有限资源，提高硕士培养科研实践能力，建设合作共享的平台，有利于研究生的培养改革，基于FusionCompute的研究生科研实践平台结合学院目前学科方向进行建设，目前学院设有4个学科方向：计算智能与信息安全、机器学习与跨媒体感知、智能网络与先进计算、大数据智能与服务计算。根据现有资源和学科设置，通过FusionCompute对不同学科方向及研究领域分配平台空间，并为每个空间设置系统管理员，通过管理员为教师和学生分配账号，各学科方向和研究领域的老师和学生通过校园网就可远程进行操作。在此平台之上老师和学生根据权限获得各类资源，并自行搭建虚拟机，配置虚拟软硬件环境，配置虚拟网络等操作。虚拟共享实践平台结构框架，如图1所示。

(1)安装部署：目前学院已配备3台华为RH2288 V2服务器、1台华为S2600T存储，以及其余网络设备。首先对各设备之间进行物理连接，然后在每台服务器上安装FusionCompute，并且为物理设备和管理节点设置IP，接下来需要在虚拟机上部署VRM(虚拟资源管理，Virtual Resourse Manage)，VRM可以部署在虚拟机或物理服务器上，这里将VRM部署在虚拟机上，直接使用FusionCompute安装向导完成部署，并对其进行相应配置。所需物理设备及其相应配置见表1。

图1 虚拟共享实践平台架构图

表1 设备清单

(2)网络配置：这里分别对物理设备、计算节点、管理节点进行了网络配置，网络拓扑结构如图2所示。具体IP设置如表2所示。表中Server 01、Server 02、Server 03分别对应3台物理服务器，CNA 001、CNA 002、CNA 003分别对应每台服务器上的计算节点，管理员通过管理链接进入相关设备管理页面对其进行管理。

图2 网络拓扑

表2 设备IP设置

(3)系统管理：管理员通过表2中的管理链接进入相应设备的管理界面，这里管理账户包括主机操作系统账户、VRM操作系统账户的管理和FusionCompute系统账户。在VRM操作系统界面中可以查看虚拟机和主机状态，以及资源配置情况，主机操作系统界面中可以对主机进行实时监控，查看主机状态及基本信息，还提供给用户虚拟按键，对其进行远程开关机，方便用户对相关设备或主机，虚拟机进行管理并及时排障。

3 研究生科研实践平台的功能及应用

3.1 平台基础功能

基于FusionCompute的研究生科研实践平台基础功能包含：①提供基础镜像库：提供不同操作系统的基础镜像，如Linux、Windows 8等，老师和学生可以按需选择；②虚拟机申请：学生可以申请临时或长期固有的虚拟机，并自行调整虚拟机的相关配置；③虚拟机克隆：对于需要多台并行使用的虚拟机时可以先配置1台后，通过克隆获得多台相同配置的虚拟机；④虚拟机在线迁移：此功能是基于FusionCompute平台的最重要功能之一，可以保证整个平台的稳定运行和负载均衡；⑤虚拟机管理：学生和老师能管理自己的虚拟机，同时管理员可以对平台所有虚拟机进行管理，对比线下实验室来讲，更易维护、方便管理[5]。

3.2 应用及相关案例

基于平台的基础功能，将平台应用于研究生培养环节。

(1)开放共享虚拟实践平台。对于研究生实践能力的培养是研究生教育培养中的重要环节，老师通过平台开放实践项目，学生在此过程中通过远程获得实践资源，进行实践操作，通过权限管理，老师可以进行线上指导并共享实践相关资源，形成虚拟化实验室。由于线下课程时间有限，虚拟实践平台可以让学生和老师不受时间和地点的限制，轻松方便地进行学习和培养。

目前学院利用该平台在研究生教学培养中作出改革：一是在原研究生课程基础上增加实践部分，如算法分析与计算复杂性课程，在理论教学的同时，老师在平台上设立相关实践内容，学生根据线下所学理论知识，同时进行线上实践训练;二是增设校内专业实践环节，并设立校内实训基地，目前学院开设了相关实训科目，内容包含实训基地老师授课和自主实践两部分，要求学生在32学时内完成老师发布的实训项目。目前设置的科目有数据挖掘实践、智能家居、图像处理与深度学习、移动平台开发、Web内容挖掘设计与应用、基于物联网的机器人综合实训等;三是学生可以通过提前预约和提交申请的方式，获得实训基地和平台的使用空间，进行自主的创新创业、学术交流等活动。

(2)开放共享基础软硬件和科研资源库。科研能力是研究生培养的主要目标，平台提供各学科团队，各研究方向小组的科研资源空间，通过共享相关的实验架构、实验数据、深入合作交流与资源共享，降低重复的实验部署，保存优秀的实验成果，对于实验中所需要的软硬件环境，也可以按需进行配置而不必重新购买设备，降低了投资和开销。

目前广泛应用该平台的有NLP(Natural Language Processing自然语言处理)、IP(Image Procession图像处理)等多个领域的多个科研小组，如NLP的NER(Named Entity Recogniton命名实体识别)小组，该科研小组有本科生、硕士、博士、教授共20余人，在此平台上小组建立了NER中的前沿数据集以及相关训练模型，目前该小组已获得多项科研成果。

(3)应对新冠肺炎疫情，实施毕业生远程毕业课题研究。2020年突如其来的新冠肺炎疫情，对社会各行各业造成了巨大影响，也对高等教育带来了深刻变革[6]。疫情的暴发，导致学生不能及时返校，很多毕业班学生的毕业课题数据等在实验室无法获得，手上没有数据，实验无法完成，毕业论文写不了，这些问题给毕业生带来了心理上的重大影响。为了能让学生能够如期按时毕业，完成毕业课题，学院根据情况及时提供外网访问端口，学生在家通过VPN可以直接访问到平台虚拟机和数据，使同学们在家也能继续进行毕业课题研究，最终使得本学院130余名全日制硕士毕业生按时毕业，在此也体现了特殊时期平台的重要性，以及利用云计算技术上建设科研实践平台对于高校未来发展的必要性。

4 总结

本文针对目前研究生培养环节存在的问题提出了基于FusionCompute的科研实践平台，并完成了平台的实现及应用。该平台通过将传统数据机房内主机CPU、内存、存储设备等物理资源虚拟化为可供虚拟机使用的计算、存储和网络资源，从而实现科研、实践、教学等资源整合和共享，教师和学生通过校园网按需获得云端的计算、网络和存储服务，随时随地接入云端进行实践、教学有效地解决了实验室规模有限、资源缺乏及个性化服务等问题。对于不断增长的学生人数，该平台也可以通过增加主机数量，有效和及时地进行平台扩展。