基于高职学院实训教学过程的云计算实验环境分析与搭建

杨雨锋

（四川信息职业技术学院信息工程系，628040）

基于高职学院实训教学过程的云计算实验环境分析与搭建

杨雨锋

（四川信息职业技术学院信息工程系，628040）

本文首先针对高职学院实验教学过程局限性分析，提出采用云计算实验环境获得实验结果和可信实验过程数据收集的改进措施。接着分析高职学院实验环境探索方向和云计算实验环境的整体思想和基本原理。然后对该实验环境进行详细功能分析，最后阐释部署该实验环境的软硬件设备和部署过程。对高职学院实验环境改善具有较强的借鉴作用。

云计算实验环境;虚拟化技术;存储资源

职业教育必须坚持理论与实践相结合，要求学生“做中学”、教师“做中教”。调研发现，大部分院校、社会培训机构都已经开始使用“虚拟化技术”来辅助计算机课程及其他相关课程的教学。也利用课程教学管理软件来简化教学管理过程。这样实施带来的局限性是只能管理信息的结果,无法实现教学过程信息化管理，而任何数据的可信来自过程。因此教学管理不仅管理结果而且要求获得过程中形成可信的数据。为此我们采用目前前沿的云技术探索建设理论与实践一体、学习过程、实践过程和工作过程一体的云计算实验环境。简单说就是云计算技术解决教学过程建立可信数据机制+数据信息管理应用的二者高度结合和统一的平台项目。

1 高职学院实验环境探索方向

1.1 智能搜索系统

搜索技术是现在最新最热的云计算技术。搜索技术的研究不仅需要依靠强大的数据计算能力、强大的网络流量，而且还需要一套研究性的云计算基础平台来进行实现。

1.2 云存储系统

随着现在社会电子化的加快，对存储的容量和需求呈现爆炸性的增长，如何解决网络上面的存储问题也是现在面临的重大挑战。

1.3 大规模数据挖掘系统

大规模数据处理和挖掘是现在社会普遍的研究课题，但大规模的数据一直是研究机构或者高校缺乏研究的基础。

1.4 虚拟资源研究系统

虚拟资源的研究是云计算将来的一个重大分支。通过虚拟资源的建立，可以随时对学校的计算资源进行整合和服务。

2 云计算实验环境整体思想

以云计算技术为支撑点通过高校的科研和教学应用把云端资源集中整合后，通过应用服务建立和用户之间的桥梁,并为终端用户提供按需消费地绿色,节俭,安全,可靠的个性化计算资源、存储资源、软件资源，其中云计算实验环境是私有云模式的经典应用之一。它的特点是借助学校的局域网传输能力，将数据的处理过程从个人计算转移到云端的分布式集群计算环境中，极大的方便高校实验教学过程中对计算资源的集中管理。

云计算实验环境的基本原理是计算分布在大量的分布式计算机上，而非本地计算机或远程服务器中，从而使校园数据中心的运行与互联网相似。这使信息化学科教师和学生能够将资源切换到需要的应用上，根据需求访问计算机和存储系统。其核心是提供基础架构服务资源（计算资源，存储资源，网络资源），同时结合学校的实际教学过程，为教师和学生提供在线的实验平台，确保他们在云环境中拥有自己独立的实验环境，不受时间和地点的限制，随时随地获取相应的实验环境，极大的实验教学的效率和效果。

云计算实验环境应该具有一下特点：

（1）基于浏览器的云开发环境

学生在实验的时候，其所有实验环境（开发环境）都部署在云端，学员本地机器上无需安装任何实验相关的软件，只需一个我们平常上网使用的浏览器即可。

（2）每个学生拥有独立的项目云存储空间

学员在实验过程中所有的工作成果都由云实验平台自动的存储在此空间并永久存储归档。采用云存储，方便切换工作环境，机器和环境的变化无需拷贝数据。

（3）可依据云实验环境要求弹性配置硬件资源

实验环境基于虚拟化技术，以虚拟机的形式提供计算资源。可以通过动态的为虚拟机分配计算资源的方法完美的实现按需为学员分配计算资源。

3 云计算实验环境功能分析

云计算实验环境是以云计算服务为核心的实验基地，依据服务内容和层次的不同，通常包括如下三种类别：

Saas Lab：采用CloudVM平台支持构建云计算环境的面向教学实验的管理平台。

（1）基础设施管理：提供物理主机的管理与监控功能。

（2）虚拟资源管理：管理系统中的三个主要实体：虚拟机、镜像模板以及虚拟机解决方案。

（3）用户管理：系统管理员管理系统中不同权限的用户。

（4）实验应用管理：课程管理、共享资源管理、学生实验环境管理、学生个人资源管理等模块帮助学生方便管理和使用不同课程的实验计算环境。

Paas Lab：平台服务实验环境提供应用服务引擎，并行计算服务平台，大数据处理服务引擎。

Iaas Lab：以服务的形式提供虚拟硬件资源，如虚拟主机/存储/网络/安全等资源。用于无需购买服务器、网络设备、存储设备，只需通过互联网租赁即可搭建自己的应用系统。核心技术是利用服务器集群技术，将大量低成本的PC服务器有机的组织成一个整体，再利用虚拟化技术按需将计算、存储与网络资源按需交付给应用使用。云计算平台中，弹性资源计算基础设施软件用于管理虚拟化计算资源，云存储系统用于管理存储资源，从而为上层应用提供低成本、高可靠的计算和存储资源。

平台业务架构如下：

云实验平台的业务角色有学员、教师。教师负责教学、课程的发布及用户管理。学员负责完成实验项目。

教学服务功能介绍

对于院校教学管理者，可以详细了解作业完成情况，测试结果分布，授课的反馈，可以了解课程设计情况，大纲，作业，练习，评测，实践可以了解学生学习情况，实践环节，理论环节。对于一线教师，可以协助教师完成备课、授课工作； 系统自动管理课后作业的发放、收取、评分工作； 系统自动完成期中和期末考试的执行和评分工作； 为教师提供学生学习情况分析报告；

对于学生，可以准确记录自己的学习实践内容，实验，练习，作业。可以准确查看自己历史的学习成绩报告。可以参与教学的互动讨论,提问，答疑。进行课程的预习和复习；帮助学生总结学习过程中的优势和不足，及时做到互助互学

对企业可以全面的了解学生在校期间主要课程的学习情况，可以有效避免用人企业仅通过一份简历、一次考试来招聘员工的片面性。

4 云计算环境部署

云计算实验环境核心架构支撑包括两个系统平台和两套应用系统。分别是云管理平台和云存储平台，CloudLab应用系统与CloudVM应用系统。

云管理和存储平台：其基础是构建于分布式集群计算环境和存储为基础设施之上，通过云管理平台为用户提供服务器虚拟化、应用虚拟化、桌面虚拟化的云资源池。还可以在云资源池之上进行云计算项目研究和应用。

云管理平台主要是提供一个通用的、高性能、稳定、实用的虚拟化系统软件，有效地支撑虚拟化应用的开发、部署、运行管理和维护，支持实现资源共享、协同工作、应用集成功能。

云搜索和大数据处理实验平台：主要是由Hadoop系统开发，在Hadoop系统上面，可以开发出大规模的数据搜索应用系统。

云存储系统：是一套针对多媒体存储设计的存储系统软件，安装在一组通用的X86服务器上，形成一套扩展性强、性能优异的存储系统，对上层应用快捷方便地处理大规模数据提供存储系统支撑，其目标是“存得住、读得出、用得好”。

存得住：支持存储容量达到几P甚至几十P，有效管理文件数量达到几亿甚至几十亿个。

读得出：能够提供几十GB至上百GB的聚合数据读写带宽，具有极高的并发I/O性能，支持高效率的文件创建和查询。

用得好：通用X86服务器作为存储对象，方便在线扩容替换，减少系统复杂性，提供统一文件系统映像和标准POSIX接口，所有应用服务可以看到相同的视图，可以访问所有的文件，通过软件技术提高整体系统的可靠性和数据可靠性。

云存储系统的主要特点包括：

高性能：根据虚拟化应用的不同特点，在卷管理策略上将虚拟化存储分为三种，并采取不同的读写策略。使得不仅能利用机群存储可靠，高吞吐率的优势，又能利用本地磁盘低延迟的特点，优化虚拟主机的性能。而且，尽可能优化本地缓存策略，极大化的降低了对后端存储节点的负载。

高可扩展的弹性架构：云存储系统在容量，性能和可管理性三个维度上具有线性扩展能力。 在需求增加时，简单的增加存储设备以获得容量及性能的线性增长。系统构架和软件设计使得系统的管理复杂度也同样线性扩展，不会因为节点增多而急剧增长。

低成本：相对于传统企业级存储设备，不需要昂贵的专用硬件设备。也不需要昂贵的存储管理软件及服务。存储系统采用廉价的通用服务器，桌面级SATA/SAS磁盘与普通以太网络等硬件设备，成本优势明显。

高可靠/高可用：采用灵活高效的数据复制以及智能的数据分布策略来保证数据可靠性和可用性。如将文件复制多个副本，分别存放在不同机架的不同服务器之上，保证用户的数据不会丢失。同时，支持自动恢复，保证用户的数据完好无损。 支持多种接口：提供Linux和Windows本地文件系统接口及NFS/ CIFS接口，二进制兼容现有应用程序。

云计算实验环境功能要要实现需提供相关软硬件资源。硬件资源包括计算服务器、存储服务器（8盘位）、瘦客户机、个人pc机。软件资源包括平台软件，分布式文件系统存储软件，平台应用软件，云机房平台管理软件，用于“云+端”管理系统软件，云课程实验教学应用软件。

部署过程如下：

（1）通过招投标采购相应软硬件实验设备。

（2）硬件安装与调试。

（3）服务器部署与调试

（4）操作系统与基础配置

（5）网络配置。

（6）软件部署阶段

（7）虚拟化与存储软件部署

（8）教学管理软件部署

（9）联调与测试。

5 结束语

部署基于高职学院实训教学过程的云计算实验环境需要全面理解云计算相关理论知识，还需要开发出平台和机房管理软件，具有比较强的技术特点。在实施过程中最好和企业联合完成。同时该实验环境与现行实验环境相比具有比较突出的优点，对高职教育实验室建设、课程建设具有很好的支撑作用。对同类性质高校也具有较强的交流、借鉴的作用。

[1] 陈康 郑纬民.云计算:系统实例与研究现状.软件学报,2009,05

[2] 陈全 邓倩妮.云计算及其关键技术.计算机应用,2009,09

[3] 罗军舟 金嘉晖.云计算:体系架构与关键技术.通信学报,2011,07

[4] 刘正伟 文中领.云计算和云数据管理技术.计算机研究与发展,2012,21

[5] 叶可江 吴朝晖.虚拟化云计算平台的能耗管理.软计算机学报,2012,06

杨雨锋，男，四川信息职业技术学院讲师。主要研究方向为高校网络专业建设、课程建设。

4.3 实验结果分析

4.3.1 改进的递归神经网络参数设置

本文算法实现过程中，选取前9周的黑客攻击数据作为训练样本，第10周的网络安全态势值作为预测样本，每一个样本都以7天为一个周期，因此改进的递归神经网络的输入层拥有7个神经元，表示输入向量S∈R1×7；网络输出为一个神经元，表示输出向量Y∈R1×1。依据前一周的网络安全态势预测未来一天的网络安全态势值。

4.3.2 实验结果分析

本文算法经过严格的训练之后，基于改进的递归神经网络预测第10周的网络攻击数据的态势，也即是使用的数据预测的网络安全态势，使用的数据预测 的网络安全态势，以此类推，一直到预测的网络安全态势。经过对实验结果数据进行分析，本文算法运行的网络安全态势结果与实际值一致，并且具有较小的误差。为了能够充分突出本文算法的优势，与文献中基于KNN-SVM的网络安全态势预测相比，本文算法也具有较好的准确性。

参考文献

陈秀真[1];郑庆华[1];管晓宏[1,2];林晨光[1].层次化网络安全威胁态势量化评估方法.软件学报.2006.885-897

The experimental environment analysis and calculation and set up practice teaching process in Higher Vocational College Based on the cloud

Yang Yufeng
(Sichuan Information Technology College Information Engineering Department，628040)

This paper firstly according to the process of experiment teaching in Higher Vocational College limitation analysis,proposes to use cloud computing to obtain experimental environment improvement measures of data collection experiment results and credible experimental process.Then analysis of vocational college experimental environment and explore the overall thought and basic principle of direction and cloud computing experiment environment.Has a strong reference for higher vocational college to improve the experimental environment.

Cloud computing experiment environment;Virtualization Technology;Storage resources