基于云计算的计算机类实验教学平台搭建与应用

杨焱超, 熊盛武, 饶文碧, 袁景凌

(武汉理工大学 计算机科学与技术学院, 湖北 武汉　430070)



基于云计算的计算机类实验教学平台搭建与应用

杨焱超, 熊盛武, 饶文碧, 袁景凌

(武汉理工大学 计算机科学与技术学院, 湖北 武汉430070)

针对武汉理工大学计算机类实验教学中存在跨校区、教学资源分散、实验基础设施有限等问题,提出实验教学云平台框架,并阐述该框架构建过程。通过该平台实现计算机类实验环境快速自定义部署、高性能实验仿真开发、实验中心信息综合服务支撑等功能。给出包括跨区域和跨专业计算机开放式教学、Hadoop高性能实验平台、开放实验预约等方面的教学应用案例。

教学实验云平台； 云计算； 仿真实验； 开放实验管理

目前,云计算技术在教育领域越来越受到重视和广泛运用。它不仅能动态调配虚拟资源、弹性负担大数据的处理[1-3],还能快速部署应用、提高资源使用率、降低实验室安装维护工作量[4]。通过建设云计算平台，能够有效整合教学资源,推动教学实践体系改革,培养学生的创新能力与实践能力[5-11]。

1　教学实验平台概述

武汉理工大学计算机学院实验中心承担着校级计算机类公共教学实验和本专业实验、实训及科研任务。由于武汉理工大学跨5个校区办学,计算机学院也分散在2个校区,因而实验室资源无法集中。现有的机房实验环境固定,无法满足学生个性化和开放式学习需求。

为此,武汉理工大学计算机学院搭建了计算机类公共实验教学云平台。该平台分为资源虚拟化平台、虚拟实验平台和实验中心综合信息服务平台等3层架构(见图1)。通过该云平台，能够灵活、快速地搭建实验实训教学环境,提供大规模、开放式实验空间,满足学生自主化学习需要。利用云存储构建大数据中心,可以支撑海量实验资源的集中存储和管理。通过整合资源,实现网上、网下、移动终端等多种形式的资源共享服务,便于对教学过程进行挖掘和分析[12-15]。学生可以不受时间限制地在校内校外用智能终端设备接入,获取IaaS(基础设施即服务)、PaaS(平台即服务)或SaaS(软件即服务)云服务。

图1　计算机类教学实验云平台架构

2　资源虚拟化平台

2.1整体架构

资源虚拟化平台是整个实验教学平台的核心支撑层,它具有一个功能完整、标准开放并易于集成的基于CloudStack的云计算基础架构,通过虚拟化技术将高性能服务器集群、云存储及网络设备池化，再通过CloudStack云计算管理软件，使计算、存储和网络资源协同工作,按需进行动态配置和拓展,实现系统高可用性与数据备份和恢复功能。

2.2规划和部署

2.2.1总体规划

该计算机类教学实验平台的用户主要是校园网内的学生用户,因此平台部署为私有云模式。云平台系统架构硬件主要由计算资源池、存储资源池和网络资源池组成。服务器主要由DELL R730物理服务器组成虚拟资源池,承载云平台管理服务器和生产服务器等虚拟机运行。用100 TB磁盘阵列和万兆光纤交换机构成后端FC-SAN(fiber channel-storage area network),用千兆企业级交换机保证管理网络、生产网络、存储网络高效运行,用硬件防火墙保证云平台网络安全。硬件拓扑如图2所示。

图2　平台硬件规划

2.2.2服务器规划

CloudStack资源虚拟化平台分为管理节点(管理服务器)和计算节点(生产服务器)。控制节点是整个云平台的核心节点，负责资源分配、调度以及用户管理入口，计算节点即为云平台提供基础资源，包括CPU、内存、网络、存储等，并由管理节点统一管理和调度。计算节点使用4台服务器构建4节点集群,承载CloudStack生产环境虚机,做企业级应用服务资源池。7台服务器构建实验环境应用发布资源池,以桌面方式发布软件和各种应用服务。

2.2.3存储规划

主存储采用FC-SAN集中存储网络架构,直接通过HBA光纤通道，为集群中的计算节点以共享存储的方式提供资源(云平台所有服务器通过光纤交换机直连到后端光纤磁盘阵列中)。二级存储位于管理节点上,存储云平台的虚拟机、快照、系统安装镜像文件,以网络文件系统共享方式为计算节点提供服务。由于资源虚拟化平台中的虚拟机实质是相关配置文件,将这些虚拟机文件存储在后端SAN存储阵列中,从而云平台中任何一台虚拟机单点故障都可以实现业务不中断地切换到另一台虚拟机(virtual machine, VM)中,能有效实现数据迁移,保证数据中心的高可用性。

2.2.4网络规划

整套网络需4个网段,分别为管理网络、Public/Float网、存储网和实例专网(即租户内部网络)。其中Public/Float网络提供对外服务，由校园网络统一管理。在管理和生产服务器上配备2块主机总线适配卡(host bus adapter，HBA)，接入存储网络。每台服务器配有4端口以太网卡，其中1端口接入管理网络，1端口接入实例专网，另2个端口绑定，作为二级存储的模板存储通道。

2.2.5接入模式

管理员通过资源虚拟化平台Web管理界面进行集中管理和部署。终端用户可通过校园网虚拟桌面,基于B/S浏览器和客户端程序访问云平台,也可在校园网外通过VPN加密隧道协议连入云平台。接入设备支持平板电脑、瘦客户端、手机等可连入网络的智能设备。

2.3资源虚拟化平台功能

资源虚拟化平台的主要功能包括:用户权限管理、底层虚拟资源以虚拟机形式管理、按需分配资源以及自动化管理等。

自动化管理功能包括自动部署和自动开通服务。按照管理员设置的服务策略,云平台的用户可在线提交虚拟机申请,选择通过模板或者镜像文件创建虚拟机并设置好计算方案；云平台根据用户申请的资源和特点自动开通服务功能并告知用户。用户可利用快照功能和镜像管理对虚拟机进行保存和恢复,包括操作系统、运行和开发环境、应用和数据等。平台对运行性能，如处理器资源、内存和存储等资源进行监控和管理，以图形和图表方式呈现。并自动生成日志记录,满足计算机类实验实训的高性能、可扩展、便于维护和安全需求。

3　虚拟实验平台

虚拟实验平台统一管理IaaS资源虚拟化平台的虚拟资源池,管理员或教师调用IaaS底层资源为教学实验提供整套虚拟主机、配套操作系统、管理工具、实验环境等,将传统固定机房迁移到云端,快速部署实验环境,统一管理学生的虚拟实验空间,而无需考虑课程所需的操作系统软件和机房实验环境的差异。

3.1平台特点

虚拟化技术提供了高性能的应用服务器和实验环境虚拟机,可以按需获取资源进行仿真实验,高性能的数据中心也便于资源的整合。利用基础设施与应用环境的协同构建,将硬件、操作系统与应用分离,按不同课程在后台创建不同的虚拟实验资源池,部署课程或者实训环境并统一发布。这样实验室机房可以一机多用,方便快速部署环境,虚拟机资源从IaaS虚拟资源池中按需配置,可以方便地创建、销毁和远程启用。

平台的特点主要是:

(1) 按需分配实验空间。与传统机房的还原卡模式不同,在虚拟实验平台中,实验室PC机只是一个显示设备,虚拟机作为学生的虚拟实验空间。学生个人实验环境和数据都会予以保留。这对开放性课程和贯穿学期/学年的连续性课程非常适用。

(2) 灵活的访问模式。采用Web、B/S模式和远程桌面方式登录虚拟实验平台。无论在哪个校区或校外,通过PC机、手机等智能设备均可访问自己的实验空间和个人云盘,便于自主学习。

(3) 配套教学资源和过程跟踪功能。集成计算机类精品课程资源库和在线课堂,如Java和C语言在线学习平台包括课程实践、电子书和在线测试库、项目实训库、最佳实践案例库等,并设置互动讨论区,教师能对学生实验的过程进行有效跟踪。

3.2平台功能

在IaaS云计算平台下,独立主机变为虚拟机,从虚拟资源池中获取所需的计算、网络和存储资源,以达到企业级服务和虚拟实验环境的性能要求。通过在底层资源上加载操作系统、开发环境及相应组件、搭建虚拟实验平台,可进行实验仿真和项目开发。

目前已经部署的教学和应用有:

(1) 教学实验资源库平台。主要提供计算机类课程资源库,目前有C语言、数据结构、Java相关的电子书,工程实践实训和案例库等。学生可登录该平台进行在线学习。

(2) 专业实验平台。提供基础课程和部分个性化实验环境的管理部署和分发。已部署了Java程序设计、数据结构基础、国际化教育等课程实验环境。学生通过Web或者客户端方式访问自己的虚拟实验课程空间及个人数据中心,进行在线实验课程学习和仿真。

(3) 高性能Hadoop实验平台。负担大数据处理,支撑高性能实验仿真和开发。

(4) 实训实践平台。部署企业级实训环境,用于进行企业级项目开发和实训。目前已集成中软国际、华为实训项目及软件测试项目。

(5) 创新与学科竞赛平台。为学生课外自主创新和参加学科竞赛提供实验环境,如ACM竞赛、Android开发自主创新项目等。

4　信息综合服务平台

实验中心综合信息服务平台承载着教学实验的信息发布、资源共享、互动交流等服务功能。该平台以武汉理工大学计算机实验教学示范中心门户网站的形式发布SaaS层次的云服务。主要的功能如下:

(1) 中心介绍:包括实验中心的简介及规划；

(2) 教学实验:教学理念改革思路、教学体系与教学方法、开设的课程及实验安排、考试信息等；

(3) 信息平台:开放实验室预约平台、虚拟实验平台、ACM在线竞赛、在线答疑等信息集成、实验过程管理；

(4) 教学资源:计算机类教学实验资源库汇总,包括教学案例、实验工具、教学视频精品课程等；

(5) 创新团队:创新成果及师资队伍建设；

(6) 组织机制:规章管理制度、运行体制建设；

(7) 设备环境:实验室及设备配置管理；

(8) 通知公告:新闻公告及通知。

5　应用案例

5.1个性化实验课教学

计算机数据结构实验课是面向全校本科生的计算机公选课,每学期至少有180人选修该课程。因为跨校区公共实验课程时间难以统一、物理机房和实验资源有限,一般是让学生课后进行实验练习。在个性化实验开设之前,学生主要靠自己课下练习,教师不能对学生实验的过程进行有效跟踪,例如做了哪些实验项目、做了多长时间、实验报告提交情况等,难以保证数据与教学的可持续性。

通过开展个性化开放式实验教学,为每个学生创建了一个数据结构虚拟实验空间,该虚拟空间内部署了数据结构课程的实验环境:VC6.0、数据库软件、压缩软件及Office等常用软件。学生可随时随地使用智能设备访问自己账户下的实验教学桌面,并根据课程进度在线进行仿真实验。虚拟实验空间集成了教学案例资源库和课程资源库,学生可以对照视频和指导书进行仿真实验,教师可实时看到学生已做哪些实验项目,每个实验项目用时和作业完成情况,对实验过程进行跟踪。平台互动讨论区可以方便学生提问和答疑,还集成了在线提交作业和在线练习,方便一站式实验教学。

通过开展个性化实验,实现了网络环境下的实验课程、实验项目的365天不间断开放,满足学生自主化、开放式学习需要,提高了教学质量和学生的课程实践能力。

目前所支撑的部分课程包括:

(1) 计算机基础:数据结构基础实验、面向对象与多线程独立实验；

(2) 国际化本科生教育:数据库系统原理、高级语言设计、计算机基础、C语言设计、编译原理、Linux操作系统；

(3) 计算机专业实验:Java语言综合程序设计、软件测试实训、数据挖掘、Hadoop大数据。

5.2Hadoop大数据虚拟实验平台

Hadoop是大数据处理最重要的开源分布式平台之一,已被很多大型网站(如亚马逊、Facebook和Yahoo等)采用。武汉理工大学计算机科学与技术学院虽然开设了大数据的相关课程,但是因实验机房数量有限,很难部署Hadoop分布式环境,一般都是由学生在自己的电脑上搭建Hadoop单机模式和伪分布模式环境。伪分布模式就是在单节点上同时启动namenode、datanode、jobtracker、tasktraker、secondary namenode等5个进程,模拟分布式运行的各个节点,但无法搭建由多个各司其职的节点构成的正常的完全分布模式的Hadoop集群。

为了便于学生更好地理解Hadoop系统的模块构成,进行数据分析和挖掘算法的研究及优化,依托计算机类实验教学云平台,创建了Hadoop课程实验云项目,可按需申请5台虚拟机搭建Hadoop实验平台。每个虚拟机的物理配置为:内存64 GB,CPU为双核,20 GB外部存储和60 GB系统盘存储空间。该部署既便于集中管理、自动化部署和弹性扩展,也为以后对大数据的研究提供了一个研究和开发平台。

目前Hadoop大数据平台已用于项目开发、处理大数据并行计算、调试运行分布式程序以及实验教学。已有一些学生基于该平台完成kddcup的推荐算法竞赛。实验数据来自于KDD Cup Track1中的腾讯微博数据集,整个数据集共3.8 GB,利用Hadoop框架运行分布式程序。平台已经处理了50 GB的数据量。师生普遍反映该Hadoop大数据虚拟实验平台性能稳定、处理速度快、访问便捷且易于管理。

5.3开放实验室预约

实验室开放包括2个层次。一层是虚拟实验室的开放,学生在网上提交虚拟实验预约申请,管理员按需分配虚拟实验空间账号；另一层是物理空间开放,实验室在课余、周末和假期开放,方便创新竞赛小组和项目团队预约实验室,进行竞赛培训辅导和实验开发。

全校师生可在信息综合服务平台门户网站一站式预约开放实验室。管理员对开放的实验资源进行管理,包括实验资源、开放周期、开放时段、开放座位及支持的项目等信息,并对预约实验进行审核。学生根据开放实验资源和开放时间等信息,填写要预约的实验室和实验起止时间、实验项目名称、指导教师,提交预约申请。教师对学生申请进行审核。预约成功后可自动获得相关实验资源。预约申请流程如图3所示。

图3　开放实验室申请流程

通过开放式实验预约,支撑起部分实验课程、项目的课外开放。学生可以在课下继续进行仿真实验和个性化实验,满足自主化学习的需要。实验室开放不仅提高了设备利用率,也调动起学生学习的主动性、促进实验教师投入实验教学的研究与改革,形成双向互动式教学良性循环[16]。目前学生在ACM竞赛、自主创新大赛等竞赛中均取得了较好成绩。

开放实验室预约服务以智能化的实验室管理为保障,同时集成了门禁、监控、温控、消防等智能化实验室管理手段,提高了实验管理人员的工作效率。

6　结语

在当前信息技术与高校教学深度融合的背景下,云平台在教育领域得到日益广泛的运用。整合资源,构建先进、高效、实用的实验教学平台成为高校信息化发展趋势。武汉理工大学计算机科学与技术学院搭建了一个集教学、科研为一体的计算机类公共教学实验云平台,提供从IaaS到SaaS不同层次的云服务。该平台有效地解决了跨校区、个性化课程教学的问题,可以灵活响应教学实践需求,满足学生在线学习和自主学习需要,有助于培养学生良好的科研、工程技术素养和创新与实践能力,同时对推进开放实验室教学模式和实践教学体系改革、整合教学资源、提高教学和科研工作效率具有深远的意义。

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Construction and application of computer teaching experimental platform based on cloud computing

Yang Yanchao, Xiong Shengwu, Rao Wenbi, Yuan Jingling

(College of Computer Science and Technology,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

To solve the problems of the teaching and experimental in Wuhan University of Technology,such as decentralization in teaching resources,limitation in experimental infrastructure and high cost in laboratory management and maintenance, this article presents a framework of teaching and experimental cloud-computing platform in Wuhan University of Technology,and introduces the process of constructing the framework. The platform has the functions such as fast custom deployed computer experiment environment,high performance simulation and development,and supports in information integrated service. Finally,some teaching cases including the trans-campus and trans-disciplinary computer opening teaching,Hadoop high performance experimental platform and open laboratory appointment will be given.

teaching experimental cloud platform; cloud computing; simulation experiment; open experimental management

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.037

2016-04-15

湖北省教育厅人才培养模式综合改革项目(2015128,2014117)；湖北省教育厅实验与实践教学改革项目(2015134)

杨焱超(1983—),女,吉林四平,硕士,实验员,主要研究方向为人工智能

熊盛武(1966—),男,湖北咸宁,博士,教授,主要研究方向为人工智能、车联网与智能交通、数据挖掘与机器学习.

G642

A

1002-4956(2016)10-0147-05