上海海事大学云平台促进高校教学改革（下）

文/王玉平 王河堂 戴春叶 周开元

上海海事大学云平台促进高校教学改革（下）

文/王玉平 王河堂 戴春叶 周开元

编者按：

本文以上海海事大学iLogistics云计算平台为例，对基于云计算的教学科研实验模式进行研究和探索，提出了云计算平台的核心架构、功能，并对新模式的云平台的优点进行探索归纳，尤其是云平台运营过程中产生的大量数据，根据这些大数据的行为，智能分析，为教学科研实验过程提供了反馈，从而促进教学实验的改革。本刊对此文进行连载刊登，本期推出连载的下篇，介绍iLogistics云平台为传统机房模式带来的革新，以及如何助力科研计算和翻转课堂等方面的内容。

云计算平台的优点

云计算平台在高校中的使用，不仅是建设的问题，更重要的是如何运维、使用，充分发挥其作用也是一项重要的课题。基于云计算的教学实验科研平台为传统机房模式带来了革新，主要体现在以下几个方面。

投入低、效益高

IT资产的成本包括很多方面，初期购买成本只是其中的一小部分，其它还包括整个生命周期里的管理，维护，能量消耗等方面的成本，硬件更新升级的成本。相比传统个人桌面或者个人工作站而言，云PC在整个生命周期里的管理、维护、能量消耗等方面的成本大大降低了。云平台在初期硬件上的投资是比较大的，但是由于传统桌面的更新周期是7年，而服务器的更新周期可长达10年，所以硬件上的成本基本相当。然而，由于软成本大大降低，而且软成本在总体拥有成本（TCO）中占有非常大的比重，所以采用云平台方案总体TCO大大减少了。就云桌面来讲，根据Gartner公司的预计，云桌面的TCO相比传统桌面可以减少40%。

软件的使用很大意义上是在购买用户的使用许可。通过分析软件使用许可的使用频率可以看出，单个软件对于单个用户来说，使用时间有限，但购买成本确是整个时间段。在投入同样的软件使用许可成本的情况下让多达10个用户来使用，这可以节省90%的软件成本。

桌面云中的虚拟桌面系统的授权是按照并发数来计算，学校可以统计分析并发数量，如上海海事大学有1000个并发，总人数有25000人，这样实际购买并发数比只有4%，成本节约立刻显现。

数据存储安全、可靠

在云计算平台中，所有的数据以及运算都在服务器端进行，客户端既可以访问本地资源，也可以进行本地和服务器端资源的同步。师生在暂停使用时，可以断开与服务器端的连接，相关数据均存储于服务器端，不会出现独占某个计算机的情况，而且师生可以在异地随时登录继续访问上次实验的数据。为了提高数据的可用性、安全性，我们对安全等级比较高的数据进行备份，确保数据不会丢失。

资源弹性变换，充分共享资源

基于云计算虚拟技术，对资源的需求量即时增长，避免资源闲置，提高使用效率。云弹性是云计算最显著的特点之一，所谓云弹性是指云资源可以根据用户的需求进行动态的资源调整。这种弹性最能体现在班级教学实验的情况下，由于不是所有师生在同一时刻并发使用计算资源，因此可以对使用情况进行预先评估，给出一个平均使用资源量，初始建设云计算平台时可以按平均使用量的150%的比例进行构建，而在日常教学试验中，系统会自动按需分配资源，提高资源利用率，充分共享资源。

上海海事大学的教务选课是安排在学期末和学期初，在此期间，教学实验对IT资源的需求较少，期间，我们调整教务系统的服务器数量和占用服务器资源的配比，在不增加费用的情况下，充分利用现有资源，保障教务系统选课的正常进行。

另一个典型的案例在于GPU和CPU的使用上的优化。在多年的云平台运维中，通过对平台系统日志的数据分析发现，CPU和GPU集中在晚上10点和上午9点之间比较空闲，使用率较低。为此我们调整了艺术设计类软件的使用习惯，如3DS Max、Maya，建议此类软件的使用者白天进行设计，晚上进行渲染，可以最大化节约时间，提高效率。

实现节能减排，应用更环保

如何保护有限资源，怎么才能消耗更少的能源，这是现在各国科学家在不断探索的问题。一般来说，每台传统个人计算机的功耗在 200W 左右，即使它处于空闲状态时耗电量也至少在 100W 左右，按照每天 8 个小时，每年 240 天工作来计算，每台计算机桌面的耗电量在 480 度左右，非常惊人。在此之外，为了冷却这些计算机使用产生的热量，我们还必须使用一定的空调设备，这些能量的消耗也是非常大的。

采用云平台以后，每个瘦客户端的电量消耗在 8～15W 左右，而一台服务器耗电约400W左右，平均支撑20个瘦客户端，核算后每个云PC耗能是原来传统个人桌面的 20%，所产生的热量也大大减少了。

云计算平台在运行中会产生大量数据，用于对师生的教学实验科研进行评估。也可以从操作过程、操作时间来评估师生的行为，从而对教学进行反哺，便于教师充分了解学生，因材施教，也掌握知识传授接受的程度。

使用方式改变，突破时空限制

有了持续在线的云平台，师生可以突破时空限制，可以在寝室、校园内、互联网上在任何时间访问云平台。对于传统的实验室，需要合理安排场次，师生在规定的时间内到达指定的实验室才可以进行实验，而有了云平台，则可以通过互联网在任意地方任意时间访问实验，也可以暂停或继续实验，而不受地域和其他师生使用的影响。

除了时空限制，用户还可以通过自带设备，譬如便携式计算机、手机、Pad等移动终端连接云平台，尤其是通过移动设备，可以不在固定的场所实时跟踪实验进展情况。

减少IT资源管理人员工作量

在使用传统桌面的整体成本中，管理维护成本在其整个生命周期中占很大的一部分，管理成本包括操作系统安装配置、升级和修复的成本，以及硬件安装配置、升级和维修的成本，数据备份、恢复的成本，各种应用程序安装配置、升级、维修的成本。在传统桌面应用中，这些工作基本上都需要在每个桌面上做一次，工作量非常大。对于那些需要频繁替换，更新桌面的行业来说，工作量就更大了。

在云平台中，管理是集中化的，管理员通过控制中心管理成百上千的虚拟桌面，所有的更新，打补丁都只需要更新一个“基础镜像”就可以了。管理员可以根据课程的不同配置几个基础的镜像，然后不同的课程的师生可以分别连接到这些不同的基础镜像，而且我们要做任何修改，只需要在这几个基础镜像上进行就可以了，大大节约了管理成本。

所有软件资源相当于书籍借阅

在云平台集中管理的模式中，所有的IT资源都是以类似于图书资源的形式出借，师生可以申请、续借、归还该资源，而某个资源的数量却不像图书那么受限，仅仅受制于版权和云平台基础架构的计算能力。

在该模式下，IT资源使用也具有有效期，在到期后，师生可以申请延期继续使用该项资源。若有效期到了，则对该资源进行销毁释放。在IT资源未到期时，师生也可以主动申请销毁资源。从而充分发挥云计算平台基础架构的能力，提高IT资源的效能。

以数据分析评估师生使用效果

云计算平台在运行中会产生大量数据，用于对师生的教学实验科研进行评估。也可以从操作过程、操作时间来评估师生的行为，从而对教学进行反哺，便于教师充分了解学生，因材施教，也掌握知识传授接受的程度。此外，根据学生的操作行为分析，可以分析相关课程的难易点，准确掌握学生的实验进度，从而对教学实验大纲进行修订。

云平台助力科研计算

iLogistics云计算平台对于科学研究最大的贡献在于其计算能力和存储能力。传统的科研小组自购服务器存储，小组内部人员需要学习如何部署协作IT资源，但是不同人员对于计算架构的掌握程度不同，配置出的架构是否合理亦不确定，容易造成资源浪费。为此我们为科研团队提供了各类模板，科研团队也可以向我们提出自定义模板，由他们自定义或者我们来定制。

自助化申请服务

通过iLogistics云计算平台的自助化服务界面，用户可以自助申请计算资源，调整CPU、内存和存储资源配置，平台运维方在1到2个工作日内根据情况进行审批。待审核通过后，申请用户就可以申请资源了。得利于基础架构对多机器的蓝图的支持，平台可以允许用户申请类似Hadoop集群的资源。

安全隔离

借助于网络虚拟化的技术，所有的资源都是机器或集群间完全隔离，互相不能访问。这样即使用户不修改密码，也不会造成数据泄露、入侵等安全问题。

租赁机制

根据不同的服务申请，定制了不同的默认租赁期限。譬如科研短期计算服务，其租赁期限为1个月，而对于网站类服务器，则租赁期限为5年。租赁期结束之前，系统会自动提示用户注意期限，如果需要延期服务，则可以申请延期。通过这种策略，可以减少资源的浪费，也可以提醒用户资源是有限的。

云平台助力翻转课堂

在iLogistics云平台中，主要通过桌面云来助力翻转课堂。桌面云系统需要一个终端通过网络连接使用户获得与传统的桌面系统和应用程序一样的用户体验，并且这种用户体验并不局限于特定的操作系统和应用程序。

然而，桌面云在高校中的使用并不成功，通过几大厂商的案例可以看出，桌面云基本是在学院层面或者二级部门部署，使用范围比较局限，功能比较单一，主要用于考试和实验，而用于实地教学的比较少。为了避免雷声大雨点小的尴尬，能够在校级层面应用桌面云，我们对桌面云的技术关键点进行了详细测试与分析。

目前流行的桌面云系统主要包括客户端、网络接入、系统管理端、GPU和服务存储端5个部分。我们分别对这几部分进行了详细的考量测试。

客户端包括专用的瘦客户端和自带的移动设备。普通瘦客户端，内嵌了独立的嵌入式操作系统，可以通过多种协议连接到运行在远程服务器端的虚拟桌面。瘦客户端的硬件配置可以不足以作为一个单独的终端来支持桌面系统的本地运行，而只需要具有与远程服务器通信和输入输出的能力。在我们的智慧教室中，瘦客户端并不置备，而是由学生自带设备接入（BYOD）。

网络接入

桌面云系统的用户可以通过有线或者无线网络来连接局域或者广域网络，连接的方式可以是普通连接，也可以是安全连接。基于瘦客户端的工作方式，在桌面云系统的网络中需要传递的仅仅是鼠标、键盘点击和屏幕刷新的数据。瘦客户端将用户的输入传给服务器的同时负责接收和呈现服务器传回的输出。在数据传输中，从服务器回传的屏幕数据是主要内容，尤其是在视频播放和高屏幕分辨率的情况下。在1920×1080屏幕分辨率下测试了几个桌面云使用场景，带宽需求参见表1。由此可见，在校内有线网的情况下，各种场景都适用。但是通过无线网络接入，则面临着并发数量的问题，通过调优和实验，在某个教室内，无线只能承载50个并发访问才能保障视频播放正常。

表1

系统管理端

系统管理端是为管理员提供桌面管理的能力。为了简化管理和提高效率，iLogistics云计算平台采用虚拟化系统自身的管理功能，仅在用户是否可以访问某个桌面云时做了策略管理，并与学校的教务系统进行对接。系统在课程上课之前固定时间内自动提早准备桌面。针对每个桌面云的主镜像则由运维团队根据课程需求或者业务需求，预先设置操作系统类型、内存大小、处理器数量、网卡数量和硬盘容量，并安装好操作系统和各类软件。在操作系统和软件需要升级时，运维团队统一进行该操作并推送镜像。

服务存储端

服务存储端由多台服务器和存储设备组成，在为用户存储数据的同时还为用户的虚拟桌面提供操作系统和应用软件。由于桌面云是在服务器上并发访问存储资源，因此对于IOPS要求非常高。为此我们测试了几类集中存储SAN和分布式存储vSAN，通过IOMeter来测算IOPS，最终vSAN在此方面胜出，且vSAN的授权已经包含在桌面云授权中，实际测算下来，其总成本低于传统集中存储。

在iLogistics云计算平台中，使用vSAN作为桌面云的存储，使用传统SAN作为用户数据的存储设备，同时针对SAN做了关键数据的备份。

桌面云对于服务器的压力还集中在CPU方面，如图1所示，不同的场景对于服务器CPU的负载需求不尽相同。为此，在重构iLogistics云计算平台时，尽量选用性能较高的CPU。

图1 CPU和GPU测试

GPU

没有GPU的情况下，系统所用的显示适配器功能是由CPU模拟的。经过测试，CPU模拟会给服务器额外造成30%的压力，且显示效果降低。为此，为每个桌面都分配了vGPU，从而提高显示效果并减轻服务器压力，提高单台服务器承载桌面并发数。此外，对于Photoshop、3DS Max等设计类软件，存在GPU会给软件体验带来显著提高的现象，尤其是3DS Max类软件，没有GPU无法正常运行。

云计算平台中，上海海事大学选用了同种型号的GPU卡，便于卡的共享，并且充分考虑资源的集约利用。普通桌面对于GPU卡的要求较低，而艺术设计类用户要求较高，我们为不同类用户启用了不同的GPU Profile，并尽量平均分布在多台服务器中，从而最大化发挥GPU卡的效能，提高艺术设计类的效果。

智慧教室

上海海事大学智慧教室的建设主要面向翻转课堂，内部采用无线网络访问的模式，学生自带便携式计算机，教室内有活动门板。教师授课时，门板收缩掉；分组讨论时，活动门板展开，大房间分隔成多个封闭的小房间便于小组讨论。这种布局深受师生欢迎，教学效果良好。

（责编：陶春）

（作者单位为上海海事大学）