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淺談基于云計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)研究和實(shí)現(xiàn)的論文
云計(jì)算機(jī)是指采用與個(gè)人計(jì)算機(jī)和超級(jí)計(jì)算機(jī)完全不同的分布式體系架構(gòu)，借助于云計(jì)算的虛擬化技術(shù)，由多個(gè)成本相對(duì)較低的計(jì)算資源融合而成的一臺(tái)具有強(qiáng)大計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力的計(jì)算機(jī)。一臺(tái)云計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可供多達(dá)上千個(gè)終端用戶同時(shí)使用。用云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建高校虛擬實(shí)訓(xùn)室，可以有效改善傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)室建設(shè)、運(yùn)行、使用和管理過程中遇到的諸多問題。本文在研究 VMware虛擬化平臺(tái)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了以云計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心的高校實(shí)訓(xùn)平臺(tái)服務(wù)器端和以虛擬桌面為核心的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)客戶端。
1云計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能特點(diǎn)云計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可高效支持大數(shù)據(jù)處理、高吞吐率和高安全信息服務(wù)等多類應(yīng)用需求，其計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力可動(dòng)態(tài)伸縮并無限擴(kuò)展，可為用戶提供桌面虛擬化、數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理、信息安全管理和網(wǎng)絡(luò)管理等服務(wù)，降低數(shù)據(jù)中心建設(shè)和運(yùn)營費(fèi)用。 (1)高可用性和高擴(kuò)展性。云計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由多個(gè)計(jì)算單元組成的集合體來實(shí)現(xiàn)集群虛擬化，每個(gè)計(jì)算單元之間獨(dú)立運(yùn)行、互不干擾。當(dāng)某個(gè)計(jì)算單元發(fā)生故障時(shí)不會(huì)影響其他計(jì)算單元。發(fā)生故障的計(jì)算單元在恢復(fù)運(yùn)行以后，其他計(jì)算單元上已經(jīng)更新的配置信息也會(huì)被快速遷移到在該計(jì)算單元上，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)計(jì)算單元可同時(shí)擁有相同的最新配置。
(2)優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)儲(chǔ)存系統(tǒng)。云計(jì)算技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵問題是如何把數(shù)據(jù)安全可靠地存儲(chǔ)在云端，為保證數(shù)據(jù)的可用性，還必須同時(shí)保存數(shù)據(jù)的多個(gè)副本。通過集群、分布式數(shù)據(jù)庫和分布式文件系統(tǒng)等技術(shù)，云計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)得到了優(yōu)化。在云存儲(chǔ)系統(tǒng)中，大量不同類型、不同廠家的存儲(chǔ)設(shè)備集合在一起，通過虛擬化和集中控制機(jī)制使它們協(xié)同工作，共同對(duì)外提供統(tǒng)一的更加高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和業(yè)務(wù)訪問。分布式數(shù)據(jù)庫能實(shí)現(xiàn)故障節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)接管和動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡，在處理擁有PetaByte以上級(jí)別的結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)上性能優(yōu)勢(shì)明顯。
(3)容易管理的虛擬桌面。云計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的虛擬桌面也被稱為云桌面，其主映像上的數(shù)據(jù)和配置可以方便地遷移到系統(tǒng)中所有虛擬桌面上，大大降低了虛擬桌面修補(bǔ)和部署的難度與成本。云計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過虛擬桌面池管理功能，提供直觀的 Web管理界面，管理員可以通過遠(yuǎn)程方式管理云計(jì)算機(jī)和存儲(chǔ)在云端的虛擬桌面。
(4)桌面?zhèn)浞莺蜑?zāi)難恢復(fù)。在云計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，保留了傳統(tǒng)服務(wù)器應(yīng)用程序的可靠性、自動(dòng)備份、數(shù)據(jù)保護(hù)和災(zāi)難恢復(fù)等功能。使用鏈接克隆技術(shù)，云計(jì)算機(jī)系統(tǒng)允許用戶在主映像的基礎(chǔ)上，快速創(chuàng)建各類用戶的虛擬桌面映像，實(shí)現(xiàn)虛擬桌面的批量快速部署與快速修復(fù)。 (5)高度安全的訪問控制。在云計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，所有的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算都發(fā)生在云端，所有的虛擬桌面也保存在云端，管理員可以通過配置工具，嚴(yán)格限制用戶對(duì)機(jī)密數(shù)據(jù)和信息的訪問、使用和下載。云計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可為云計(jì)算機(jī)與云接入終端之間的桌面協(xié)議提供安全保護(hù)，如SSL、加密、身份認(rèn)證等，大大增加了數(shù)據(jù)的安全性。
2云計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)管理中的作用2.1實(shí)訓(xùn)設(shè)備硬件配置問題實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的計(jì)算機(jī)故障主要來自：主板、內(nèi)存、顯卡、硬盤等;設(shè)備配置不統(tǒng)一、一些設(shè)備配置低;終端實(shí)訓(xùn)和辦公環(huán)境崩潰，需要重新部署等。云計(jì)算機(jī)解決方案是：整合高性能服務(wù)器與優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)帶寬，提供基于云計(jì)算模式的按需使用和按需付費(fèi)能力的主機(jī)租用服務(wù)。管理員可以通過 Web界面的自助服務(wù)平臺(tái)，部署所需的實(shí)訓(xùn)環(huán)境，有效解決了實(shí)訓(xùn)主機(jī)配置不一，難以更換和升級(jí)等缺點(diǎn)。2.2操作系統(tǒng)和軟件安裝問題由于學(xué)生自行安裝或卸載實(shí)訓(xùn)計(jì)算機(jī)上的軟件、修改系統(tǒng)設(shè)置和系統(tǒng)服務(wù)，可能導(dǎo)致計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度慢、桌面混亂甚至服務(wù)崩潰。雖然機(jī)房管理員可以進(jìn)行重裝系統(tǒng)，但會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間和人力成本。云計(jì)算機(jī)解決方案是：使用虛擬化技術(shù)建立用戶桌面的主映像，根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)分類，在多個(gè)主映像上安裝能滿足不同實(shí)驗(yàn)需求的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。安裝主鏡像的操作與使用物理主機(jī)一樣，但發(fā)布和部署到客戶端所用的時(shí)間卻很短。主鏡像以多用戶共享的機(jī)制給參加實(shí)訓(xùn)的用戶同時(shí)使用，學(xué)生在虛擬桌面上完成的設(shè)置和修改，在云主機(jī)或虛擬桌面重啟后可以得到保留。
一旦管理員收回主鏡像操作后，用戶的修改又會(huì)全部失效，而再次發(fā)布和部署的虛擬桌面還可以還原到初始狀態(tài)，后供下次實(shí)訓(xùn)的學(xué)生使用。2.3病毒的防治問題實(shí)訓(xùn)機(jī)房的主機(jī)和個(gè)人主機(jī)相比，更容易感染和傳播病毒。學(xué)生在實(shí)訓(xùn)主機(jī)上使用 U 盤是造成病毒快速擴(kuò)散的重要原因。云計(jì)算機(jī)解決方案是：采用桌面虛擬化技術(shù)為學(xué)生提供虛擬的云桌面。病毒、木馬等惡意程序?qū)μ摂M桌面的任何修改，在管理員重新發(fā)布和部署后都會(huì)失效。另外，云終端無硬盤等硬件設(shè)備，也有效防止了病毒和木馬等惡意代碼從內(nèi)部發(fā)起的對(duì)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的侵害。2.4需求與管理的協(xié)調(diào)問題傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)機(jī)房往往是不同專業(yè)、不同年級(jí)的學(xué)生輪流使用，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容也有很大差別，機(jī)房主機(jī)固定安裝的操作系統(tǒng)和各種應(yīng)用程序不可能完全滿足不同學(xué)生、不同實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的需求。云算計(jì)解決方案是：利用虛擬化功能建立應(yīng)用池，應(yīng)用池中包含了大量的內(nèi)容。在實(shí)訓(xùn)過程中，如果管理員要臨時(shí)安裝某個(gè)應(yīng)用，只需將已經(jīng)發(fā)布和部署的虛擬桌面主鏡像做回收操作，添加新的應(yīng)用程序，再重新發(fā)布和部署即可。2.5管理工作量大的問題傳統(tǒng)的機(jī)房建設(shè)特點(diǎn)是機(jī)房多、計(jì)算機(jī)數(shù)量多而且分散，管理維護(hù)人員較少。由于機(jī)房使用頻率高、開機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，學(xué)生的各種誤操作，使管理員的管理和維護(hù)工作量大。云計(jì)算機(jī)解決方案是：管理員通過云計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的虛擬桌面管理功能，只需要在管理端進(jìn)行簡(jiǎn)單的勾選設(shè)置，即可完成云桌面的應(yīng)用交付、更改和收回，使維護(hù)工作量成倍下降，甚至一個(gè)管理員可輕松管理上千桌面。2.6需要多臺(tái)實(shí)訓(xùn)主機(jī)的問題很多專業(yè)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目需要多臺(tái)計(jì)算機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)才能完成，不同的實(shí)訓(xùn)任務(wù)也可能需要不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，例如，信息安全實(shí)訓(xùn)室要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)不同站點(diǎn)的攻防實(shí)踐演練，就需要為每個(gè)學(xué)生提供2至4臺(tái)PC機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而普通機(jī)房很難提供這樣的實(shí)訓(xùn)環(huán)境。
云計(jì)算機(jī)解決方案是：通過虛擬出多臺(tái)云主機(jī)，它們像物理主機(jī)一樣工作，都可以具有一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立IP地址和 MAC地址，也可以安裝不同的操作系統(tǒng)，輕松實(shí)現(xiàn)多主機(jī)、多設(shè)備實(shí)訓(xùn)環(huán)境的搭建。
2.7建設(shè)和維護(hù)成本問題由于操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件對(duì)主機(jī)配置的要求越來越高，傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)機(jī)房的服務(wù)器和PC機(jī)硬件升級(jí)換代的周期變短，計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)和維護(hù)成本不斷升高。
云計(jì)算機(jī)解決方案是：接入端用戶可以靈活地使用校內(nèi)或校外的任何PC、筆記本或瘦客戶端。瘦客戶端的結(jié)構(gòu)和功能比較簡(jiǎn)單，其使用年限較長(zhǎng)，而現(xiàn)有的服務(wù)器和PC機(jī)使用年限也可以延長(zhǎng)，保護(hù)了現(xiàn)有投資，降低了建設(shè)和維護(hù)成本。
2.8節(jié)能與環(huán)保的要求問題傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)機(jī)房數(shù)量龐大的普通PC機(jī)、服務(wù)器以及空調(diào)設(shè)備需要消耗大量電能，用電成本甚至超過總運(yùn)行成本的50%。這讓傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)機(jī)房的運(yùn)行管理單位不堪負(fù)重。云計(jì)算機(jī)解決方案是：通過虛擬化技術(shù)將一臺(tái)服務(wù)器虛擬成多臺(tái)虛擬服務(wù)器，每臺(tái)虛擬服務(wù)器上都獨(dú)立運(yùn)營一個(gè)或幾個(gè)服務(wù)，提升了物理服務(wù)器的使用效率，減少了實(shí)訓(xùn)機(jī)房實(shí)際服務(wù)器的數(shù)量，降低了服務(wù)器的能耗。另外，瘦客戶端的功率通常也只有 PC機(jī)的10%左右，由于數(shù)量多，節(jié)能效果更加明顯。瘦客戶端無風(fēng)扇，零噪音，也可大大改善教學(xué)環(huán)境。
3基于云計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于云計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建立在虛擬化的資源池基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)多種虛擬化、并行計(jì)算、多種類型的存儲(chǔ)支撐和多種形式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接與模擬。通過將關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用程序與底層硬件分離來實(shí)現(xiàn)高可靠性和高靈活性，使每種應(yīng)用程序工作負(fù)載均能夠以盡可能低的成本履行最高級(jí)別的應(yīng)用程序服務(wù)協(xié)議。利用統(tǒng)一管理的資源池，可以實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)、云存儲(chǔ)、虛擬化、云開發(fā)、云管理和在線學(xué)習(xí)等多種功能，從而實(shí)現(xiàn)IaaS、PaaS和SaaS的多層次、多種類實(shí)訓(xùn)和實(shí)驗(yàn)的支持，可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一化、多維度的管理功能。在基于云主機(jī)系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)由12臺(tái)服務(wù)器、3臺(tái)存儲(chǔ)服務(wù)器、2臺(tái)核心千兆交換機(jī)組成，可以輕松滿足800～1500個(gè)虛擬桌面的I/O性能要求，其網(wǎng)絡(luò)核心結(jié)構(gòu)如圖1所示。
3.1實(shí)訓(xùn)平臺(tái)核心組件與功能采用 VMwarevSphere云操作系統(tǒng)，提供虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)、高可用性、集中管理、監(jiān)控等功能，利用vSphere這個(gè)數(shù)據(jù)中心虛擬化平臺(tái)，可使所有應(yīng)用程序和服務(wù)具備高級(jí)別的可用性和響應(yīng)速度。采用VCS(veritasclusterserver)實(shí)現(xiàn)高可用性，它可以監(jiān)控物理服務(wù)器、虛擬機(jī)以及應(yīng)用程序在虛擬機(jī)內(nèi)運(yùn)行的狀況。
VCS為采用所有主要虛擬化技術(shù)，包括 VMWareESX、MicrosoftVirtualServer、AIXLPars& Micro-pars、SolarisZones和 HPvPars，實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用程序可用性、災(zāi)難恢復(fù)、服務(wù)器設(shè)置和存儲(chǔ)管理提供了單個(gè)視圖和管理平臺(tái)[10-12]。采用VMwareView從單一集成平臺(tái)向客戶端交付虛擬桌面。View基于VMwarevSphere構(gòu)建，動(dòng)態(tài)分配資源，為終端用戶提供快速響應(yīng)和高度可用的環(huán)境。
View可按需擴(kuò)展和縮減桌面服務(wù)，以快速滿足不斷變化的業(yè)務(wù)需求，并主動(dòng)防范計(jì)劃內(nèi)及計(jì)劃外停機(jī)。采用2臺(tái)2CPU/4核心/8GB內(nèi)存的服務(wù)器組成云對(duì)開放教學(xué)質(zhì)量實(shí)施監(jiān)控，是開放教學(xué)質(zhì)量管理的重要手段，對(duì)提高開放教學(xué)質(zhì)量具有重要意義。構(gòu)建工程訓(xùn)練監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)行中心、教務(wù)處、主管校長(zhǎng)三級(jí)管理。重點(diǎn)對(duì)組織形式、教學(xué)過程、開放結(jié)果等方面進(jìn)行監(jiān)控。數(shù)字化管理制度和開放質(zhì)量監(jiān)控體系共同保障開放運(yùn)行模式的良性運(yùn)行。
2.6工程訓(xùn)練開放教學(xué)支持平臺(tái)要實(shí)現(xiàn)工程訓(xùn)練開放的順暢運(yùn)行，不僅需要有數(shù)字化管理和質(zhì)量監(jiān)控的保障，更需要有好的支撐平臺(tái)。
大學(xué)生科技競(jìng)賽活動(dòng)能夠有效地培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，而在高等學(xué)校實(shí)施職業(yè)資格證書培養(yǎng)計(jì)劃和機(jī)制，是提高大學(xué)生職業(yè)素質(zhì)、實(shí)踐能力和就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力的一條重要途徑，因此，工程訓(xùn)練開放可以與科技競(jìng)賽平臺(tái)和職業(yè)技能認(rèn)證平臺(tái)有效結(jié)合起來，相互促進(jìn)，相互發(fā)展。即學(xué)生通過參加模塊化、分層次開放實(shí)踐項(xiàng)目，積累了理論知識(shí)和實(shí)踐方法，提高了綜合素質(zhì)，為科技競(jìng)賽和職業(yè)技能認(rèn)證提供了理論和實(shí)踐基礎(chǔ);反過來學(xué)生通過參加工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽、飛思卡爾智能車競(jìng)賽等科技競(jìng)賽和數(shù)控車床、加工工藝等職業(yè)技能考核，促進(jìn)了工程訓(xùn)練的開放。3結(jié)束語河北工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心是國家級(jí)綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，自2013年秋季學(xué)期開始向?qū)W生開放，效果良好。
但是也出現(xiàn)了一些問題，學(xué)生缺乏將靈感、創(chuàng)新點(diǎn)轉(zhuǎn)化為小論文、小發(fā)明、小專利的意識(shí)，學(xué)生的創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)意識(shí)不夠。究其原因，一是缺乏專業(yè)、經(jīng)驗(yàn)豐富的指導(dǎo)教師進(jìn)行創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)指導(dǎo)，二是能夠參加省級(jí)、國家級(jí)大賽的學(xué)生畢竟是少數(shù)，大部分學(xué)生缺乏大賽經(jīng)驗(yàn)和競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，因此大部分學(xué)生在能力的提高時(shí)遇到瓶頸。隨著工程訓(xùn)練中心設(shè)備的完善、師資力量的提高，在《華盛頓協(xié)議》認(rèn)證體系思想指導(dǎo)下，以學(xué)生為中心，能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、溝通能力，全面提高學(xué)生綜合素質(zhì)。
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