基于私有云数据中心开展实验教学的研究与实践

◆阮晓龙

基于私有云数据中心开展实验教学的研究与实践

◆阮晓龙

在传统计算机课程教学中计算机需求量大、资源利用率低、教学成本高，且不能够充分满足实验教学需求。提出基于云计算的实验教学模式，并给出教学用的云数据中心的建设与运维管理方案。该方案优化了计算机相关课程的管理模式和实验教学模式，解决了目前高校计算机实验室建设成本高、管理维护效率低、资源利用率低等问题，大大提升了实验教学水平。关键词 云计算；私有云数据中心；实验教学

1 引言

随着信息技术的发展和商业模式的不断创新，云计算以其新的用户体验和业务模式已成为新一代信息技术变革的重要组成部分。云计算由并行计算、分布式计算和网格计算发展而来，是虚拟化、效用计算、SaaS等技术混合演进的结果。

目前各高校均在建设自己的教学资源平台，但大都存在资源共享不足、存储设备容量有限、运维管理水平不高等问题。基于云计算模式构筑全面共享的私有云数据中心的实验教学平台，可以使实验教学开展更加灵活，实验项目设置能够摆脱基础条件限制，进而提升实验教学质量，特别是增强创新性、研究性实验的教学效果。

2 实验教学中的困难与问题

传统教学模式下，实验教学均在实验室环境下进行，但实验室环境存在以下几方面的不足。

对多样操作系统的支持不够 大部分实验室中的计算机所用的操作系统为Windows操作系统，缺乏对Linux、Unix操作系统的支持，使得大量实验课程的教学内容不能展开，如Linux操作系统课程的实验项目就无法很好地开展。

能够为学生实验学习提供的计算机数量有限 实验室中设备数量固定，当同时需要多台计算机用于某一个实验时，实验室通常无法提供，如MySQL集群实验项目需要为同一学生提供多台Linux服务器等。

实验数据存储受限 实验室为了保证计算机的安全性与稳定性，一般都采用安装硬件保护卡的方式对学生使用过的系统进行还原。这样虽然在一定程度上保护了计算机的安全性，但是在学生进行实验过程中，数据无法保存，打破实验的连续性，很大程度上影响了实验教学效果。而且在进行需要安装的实验项目时，由于计算机安装了保护卡，部分软件安装后如果必须重启，则无法实现。

软件维护与更新困难，稳定性不足 计算机实验室为满足不同专业的实验需求，使实验室对设备的维护与管理变得异常困难。通常情况下，实验室的计算机上都安装多个操作系统以适应不同的实验需求。同时，一个操作系统中安装多个专业软件，造成软件冲突严重，系统反应缓慢。

实验教学内容受限 由于实验环境和实验学时的限制，实验课程的教学内容必须依据实验室环境进行准备，内容不宜太难，扩展性不能太大，课外自主实验也不能过多，不能够很好地激发学生的学习兴趣，也不利于学生的思维拓展，不利于开展研究性学习、探索性教学，如PBL、MOOC、翻转课堂等。

实验教学过程管理空白，教学质量无法很好评估 传统的实验教学中，实验仅仅能够在实验课上进行，教师对学生的辅导局限在实验课堂的几十分钟内，之后的学习过程便无法监督、了解与管理，对于学生在课下实验中遇到的问题也无法及时解决，影响了学生自主实验的积极性和教师对实验的指导与评价。

3 云计算与云计算辅助教学

云计算 云计算由一系列可以动态升级和被虚拟化的资源组成，这些资源被所有云计算用户共享，并且可以方便地通过网络访问，用户无需掌握云计算的技术，只需要按照个人或团体的需要租赁云计算资源。

作者：阮晓龙，河南中医药大学网络信息中心讲师，研究方向为计算机网络、计算机软件、Web技术（450008）。

图1 云数据中心拓扑

经过近几年的快速发展，目前云计算技术基本可以概括为公共云、私有云和混合云三种。公共云是由第三方供应商提供给用户使用的云，一般均可通过Internet使用。私有云就是单位或团体自身购买服务器和存储、自行构建机房的数据中心建设模式。混合云是公有云和私有云两种服务相结合的一种云计算模式，既有一定的安全性，又有一定的可扩展性。

笔者使用的云计算模式即为私有云，原因如下：

1）完全自主可控，便于开展多样的实验教学；

2）仅供内部使用，提高了学生在学习过程中使用云数据中心的安全性；

3）网络性能高，基于校园网的万兆主干网络，使得云主机的使用更加流畅，方便开展实验教学；

4）能够实现全体系的运维管理和监控，便于监控学生的学习过程和了解教学效果。

云计算辅助教学 云计算在教学方面的应用正逐步成为研究的热点，使用云计算技术结合具体教学环境，充分发挥出云计算辅助教学的优势，在实现优化教学效果的同时节省硬件资源，提高资源利用率，降低教学成本。在高校的计算机实验教学中，云计算有着显著的优势，具体如下。

1）提升实验教学环境质量。云计算提供一系列可被虚拟化的资源，如计算、存储、平台和服务等，这些资源支持用户共享，方便网络访问，满足了实验教学中设备多样性、操作系统多样性、软件多样性的需求，有利于为实验教学提供良好的实验环境。

2）降低实验教学成本。云计算中对客户端的计算机配置要求较低，教师和学生可以以极低的成本按需获取云服务，有助于减少实验教学中人力、物力、财力的投入。

3）推动教学改革。云计算的教学模式是一种新的教学模式，突破了时间与空间的限制。在该模式下，实验教学的方法、模式也会有所不同。基于云计算的实验教学环境将充分发挥出云计算辅助教学的特点，推动教学改革与教学模式的创新。

4 面向教学的私有云数据中心

云数据中心建设

1）总体架构。笔者构建的面向教学的云数据中心主要由8台虚拟化服务器、2台磁盘阵列、2台FC-SAN交换机、2台以太网交换机组成。其中，8台虚拟化服务器通过FC卡分别接在2台FC-SAN交换机上，实现存储网络的双链路负载；2台磁盘阵列到2台FC-SAN交换机之间，也进行多链路负载，保障业务的高可用性和高性能。云数据中心拓扑如图1所示。

私有云数据中心主要借助VMware vSphere实现服务器的虚拟化，其中包含1个云数据中心、2个虚拟化集群、4个逻辑网络、4个逻辑存储单元。

2）服务器地址规划。8台虚拟化服务器的地址规划如表1所示。

3）集群划分。2个虚拟化集群如表2所示。

4）存储划分。4个逻辑存储单元划分如表3所示。

划分原则如下：

①让学生数据单独存放在SAN-2存储区域，以避免学生的不安全操作对业务数据产生冲击；

表1 虚拟化服务器硬件信息

表2 集群划分

表3 网络存储划分

表4 网络划分

表5 云集群分组划分

②科研等数据存放在SAN-1上，能够更好地为科研工作提供支撑，让科研等业务的存储与教学数据存储分离，提高安全性；

③为了管理方便，给学生团队设置管理权限，只能够访问虚拟主机设备和对应存储单元，以避免学生访问科研数据，保障科研数据的安全；

4）网络划分。划分4个网络，分别为：10.10.1.0/24，10.10.2.0/24，10.10.3.0/24，10.10.4.0/24。其中，10. 10.1.0/24、10.10.2.0/24网段用于独立的物理服务器，进行服务器等设备管理；10.10.3.0/24、10.10.4.0/24网段用于云集群上的虚拟主机，具体如表4所示。

云数据中心管理 在建设完成私有云数据中心之后，并不意味着它就能够应用于教学，还需要提供与教学相关的各类服务以及管理制度和信息归档。

1）为了方便管理，对私有云上的IP地址进行分组划分，每组都用于实验教学的不同方面，如表5所示。

2）云集群上虚拟机的创建与使用也有相应的使用流程与管理规范，具体如下所示。

①需要使用虚拟机时，首先需要按照规范填写《信息技术开放科研创新平台科研服务云服务器虚拟主机管理登记表》，然后由管理员进行审批。《信息技术开放科研创新平台科研服务云服务器虚拟主机管理登记表》如图2所示。

②审批通过之后，管理员需严格根据登记表内容创建虚拟机，以此填写虚拟机名称，选择虚拟机所在组、所属集群、目标存储、网络，指定磁盘 大小。

3）为了虚拟主机的方便管理，在虚拟主机命名方面也有相关的规范，如图3所示：①代表组名称（不加组中间横杠线）；②设备使用IP，如有多个IP只写一个；③设备用途，写英文名称；④操作系统类型、版本。

图2 虚拟主机管理登记表

图3 虚拟主机命名规范

4）在私有云应用于教学之后，会产生各种各样的业务，为了各类业务的方便管理，应对这些业务进行统计和信息归档，包括物理服务器统计与信息归档、Web服务器统计与信息归档、数据库服务统计与信息归档、网站统计与信息归档、文件传输统计与信息归档、域名记录与解析服务统计与信息归档。

以Linux服务器技术课程的实验教学为例，开展教学应用实践方法如下：

①制作教学用的虚拟主机模板，为虚拟主机开启SNMP服务，安装自主研发的数据库管理与性能分析工具“MySQL Smart Tools”，并安装一些其他探针；

②为每位学生开设一台Linux虚拟主机，将账户、SSH管理权限提供给学生，学生在使用虚拟主机学习的同时，还可通过“MySQL Smart Tools”查看本机的运行状态；

③使用运维管理保障系统，通过QS-NSM对所有学生虚拟主机进行监控，同时使用探针收集学生的学习情况；

④做好防火墙等安全配置，仅允许学生在校内访问SSH，提高安全性；

⑤使用OSSIM分析系统，通过NetFlow，对学生虚拟主机的运行情况进行实时监控，发现故障、风险等问题及时响应。

云数据中心运维 为了更好地服务于教学，建设一支以学生为主体的运维管理团队对云平台进行日常运行管理和维护，保障业务的高可用性。

在具体的运维实践中，笔者和运维团队采用商业和开源监控软件相结合，如QS-NSM、QS-WSM、ZBBIX、Nagios、Cacti、SmokePing、Observium等，建立运维管理分析平台，其主要组成部分如下。

1）网络与服务器监控分析系统：对云数据中心的交换机等网络设备实施流量和网络监控，对服务器和云主机实施性能分析，不断优化，提升业务质量。

2）应用系统与软件监控分析系统：对云数据中心的网站、数据库服务、域名解析等服务的状态进行监控与业务分析，为业务的性能优化提供有效的解决方案。

3）云服务器性能测量分析系统：实现对云数据中心网络设备的实时监控和网络流量分析，自动发现网络设备，帮助运维人员准确掌握网络动态流向。

云数据中心安全 为了保障云数据中心的安全，需要对整个云数据中心建立完整的安全保障体系，主要的技术安全措施包括：

1）云数据中心中服务器地址都采用私有地址，降低被外来人员攻击的可能性；

2）通过在云数据中心边界架设防火墙，并设置防火墙规则，只对指定的服务端口对外开放，保障云数据中心的安全；

3）通过开源软件OSSIM建设安全分析系统，实现Net Flow分析，及时发现并修复云数据中心存在的漏洞，增强云数据中心的安全性。

5 私有云数据中心在实验教学中的应用

实验教学实践 在2013级信息管理与信息系统专业Linux操作系统课程实验教学中，充分挖掘云计算的资源与服务，整合现有的Linux资源和服务，为学生创建2套虚拟主机模板、135台云主机，支撑学生日常实验研究，使学生不再拘泥于课堂的学习，激发学生学习兴趣，并得到学生的广泛好评。

实验教学模式探索 基于云计算可以在任何时间、任何地点进行网络访问的特点，创建管理科学与工程学科课程群，教师可将实验课程中的教学文档、电子教案、课件、实验指导书等内容以文章的方式发布，供学生浏览与下载，方便学生随时了解实验教学的方式与进度，达到学习资源与学习工具的按需使用。如此使实验教学模式从单纯的实验课程教学扩充为课前知识准备、课堂实验教学、课后自主实验的模式，扩展实验教学的宽度与广度。

基于云计算的实验教学资源共享 基于云计算资源获取途径广泛、收集整理方便快捷的优势，建设资源共享平台，师生共同努力，不断充实、动态更新教学资源，实现资源的共享和优化应用。同时，挖掘云计算在效率和节约资源方面的潜力，依靠高校教育资源共享机制，扩展教学资源的覆盖面。总体上，教学资源已经由传统的教材扩充到丰富的网络资源，可利用的教学资源种类繁多，可更有效地支持实践教学活动。

6 存在的问题与下一步计划

目前基于私有云开展实验教学仍然存在一些问题，主要有以下几点。

1）师资力量相对薄弱。尽管云数据中心设施比较完善，但能够熟练使用云平台进行教学的教师相对较少。

2）云平台资源利用不够充分。除了课堂教学、科研项目需求之外，很少有学生申请虚拟主机进行自主实验研究与学习。

3）私有云数据中心仍存在许多安全问题，且对于发生的故障和问题尚不能够快速发现和解决。

针对以上问题，今后在以下方面进行改进。

1）加强师资队伍的建设。通过内部学习交流提高教师的教学能力，并通过多种方式的教研活动，帮助更多的教师能够平滑使用云技术平台开展教学活动。

2）鼓励学生申请云主机，积极开展课外自主实验，加强学生对互联网、云计算、虚拟化的体会，为走入社会、走向工作岗位奠定更好的基础。

3）建设更为全面的云数据中心安全保障系统。建设防火墙和业务映射与代理机制、云数据中心的安全保障体制，提升业务安全性和可靠性。

4）建设云数据中心性能分析系统。通过建设VMware vRealize Operations Insight，实现性能管理、容量优化和实时日志分析；建设云数据中心的智能预测分析，利用结构化和非结构化数据来主动避免故障发生和提高解决故障的效率；实现包括操作系统、物理服务器、存储和网络连接硬件在内的管理和分析。

7 结语

云计算的出现，不仅解决了当前实验教学中存在的问题，还为实验教学提供了新的可能。本文提出基于私有云数据中心开展实验教学的研究和实践，并系统论述了云数据中心在建设方案、管理模式、制度流程建设和运维保障等方面的工作。云计算技术的应用不仅降低了实验教学成本，也提高了教学质量，激发了学生的学习兴趣，对于教学质量的提升和教学内涵的深化，具有积极的意义。

［1］吴捷.基于私有云的计算机类课程教学模式的创新与实践研究［J］.电脑知识与技术，2015（16）：153-154.

［2］李满玲.基于私有云的计算机课程教学模式的改革［J］.牡丹教育学院学报，2013（6）：148-149.

［3］王新鹏，贾国芳.私有云在教学资源平台建设中的应用研究［J］.广东技术师范学院学报：自然科学，2014，35（3）：32-37.

［4］王路明.从传统计算机辅助教学到云计算辅助教学的发展研究［J］.民营科技，2011（1）：63.

Research and Practice of Experiment Teaching based on Private Cloud Data Center

RUAN XiaoLong

In the traditional computer course teaching， the demand of the computer is big， the utilization rate of resources is low， the teaching cost is high， and cannot fully meet the needs of experimental teaching. This paper puts forward the experimental teaching mode based on the cloud computing， and gives the construction of the cloud data center and the operation and maintenance management program. The scheme optimized computer related courses of management mode and experimental teaching mode， solve the current high cost of college computer laboratory construction， management and maintenance efficiency， low resource utilization rate is low，greatly enhance the level of experimental teaching.

cloud computing； private cloud data center； experimental teaching

G642.0

B

1671-489X（2016）18-0124-05

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.18.124