无盘网络技术和云技术在实验室建设中的应用

林 榕, 林瑜华, 盘炜生, 陈守宽

(肇庆学院 信息中心, 广东 肇庆 526061)

高校办学规模扩大、实践教学环节增加、实验室不断开放等都对高校计算机实验室的建设和管理提出了更高的要求。随着网络瓶颈的突破和千兆网络到桌面的普及,无盘网络技术和云计算技术的应用得到快速发展,为高校数字化教学环境建设,实验室建设、管理维护,资源共享等提供了新思路和机遇[1-2]。这些新技术解决了目前的高校计算机实验室建设与改造、管理维护中的多方面问题,然而也需要充分考虑到应用中的优缺点,从实际需求出发,切勿一味追求新技术、盲目追赶上项目,造成建设投入高、使用效果却不甚理想的情况。

总结多年来在计算机实验室建设与改造、维护与管理中的实践经验,通过对多种技术模式的应用进行客观分析,在研究与比较之后,提出了切实可行的解决方案和建议,为无盘网络技术和云技术在高校计算机实验室建设中的具体应用提供参考意见,以期加强交流与探讨,使实验室建设和管理更上水平。

1 计算机实验室技术应用现状

1.1 硬盘还原卡技术

传统PC模式仍是高校计算机实验室建设中应用最广泛的模式,这种模式依靠硬盘还原卡技术来保护计算机系统。利用硬盘还原卡技术可以防止硬盘数据(主要是系统分区)被修改,包括学生的恶意操作和病毒的攻击[3]；利用还原卡的网络同传功能,可以实现一对多的智能网络同传,减轻实验室系统安装与维护工作量[4-5]。但在实际使用中存在许多问题,最突出的就是整个实验室进行系统升级、安装和更新软件时,仍然必须逐台计算机操作,工作量极大[6]。

1.2 云计算

云计算的概念最早出自IBM公司于2007年底宣布的云计算计划[7]。代表了IT领域向集约化、规模化与专业化道路发展的趋势[8-9]。云计算可以使硬件基础设施架构在大规模的廉价服务器集群上,用来构造应用程序,相当于PC机上的操作系统；应用程序与底层服务协作开发,最大限度地利用资源,并通过多个廉价服务器之间的冗余、容错,使软件获得高可用性。

1.2.1 云桌面技术

云桌面技术是云计算的典型应用。基于分布式云计算存储技术、虚拟化技术,打破了传统PC在硬件、操作系统、应用、用户等几个层次结构中任意上下相连的2个“层”之间在编程逻辑上的“紧耦合”关系,在层次结构、上下逻辑关系不变的前提下,将操作系统、应用和用户放到数据中心,通过桌面交付的方式实现集中管理,从而使层与层之间从“紧耦合”变成了“松耦合”。用户可以在任何地方通过相关设备灵活地访问相同的桌面。

1.2.2 渲染农场

渲染农场是云计算技术的一个具体应用,是分布式并行集群计算系统的通俗叫法。利用云计算中的高性能计算、海量存储、自动化任务管理等技术,将一个或多个渲染任务分割成若干部分,交由各个渲染节点同时渲染,以达到快速渲染的目的。

1.3 无盘网络技术

无盘网络就是局域网中所有客户机都通过网络从服务器磁盘上获取操作系统和应用软件并运行的一种计算机网络架构,客户机不安装磁盘驱动器仅是表面现象,不具有实质含意。目前以PXE(Pre-boot Execute Environment,预启动执行环境)技术为主,采用动态路由,在安装和操作上更简单、快捷,其优越性已超过有盘网络[10],运行速度要比有盘PC快3倍以上[11]。

2 计算机实验室建设与改造

以肇庆学院2013年和2015年先后建设的50人规模动漫创作实验1和2室为实例,就应用不同技术进行计算机实验室建设的投入、维护与管理、使用效果等方面的对比分析。

2.1 建设实例

(1) 传统PC模式:2013年10月建设的动漫创作实验1室选用了联想Think Station E31工作站和23寸戴尔全高清宽屏显示器,计算机软、硬件配套投入约82万元,具体技术指标参数见表1。

表1 传统PC模式成本投入

(2) 云桌面模式:由于扩招、专业课程增加,2015年5月建设了动漫创作实验2室。该实验室建设时考虑到动漫创作实验1室在传统PC模式下,维护复杂、困难,时间长,难以实现多系统共存,造成教学效果打折扣；做不到维护过程不间断实验,实验室开放得不到保障等因素,选用了云桌面模式；计算机软、硬件配套投入约117万元,具体技术指标参数见表2。

(3) 云桌面模式很好地解决了传统PC模式下维护复杂、困难,多系统无法共存的问题。云技术模式在投入资金远高于传统PC模式的情况下,48个云桌面同时满负荷运算请求时,服务器端平均分配到每个云桌面的CPU运算能力只能接近Intel Core i5-2500的性能水平,单点位综合性能不及传统PC模式下的单机性能[12]。

2.2 无盘网络技术改造

动漫创作所需的软件种类多、插件多,且版本更新频繁。 在传统PC模式下,这些软件可以通过一对多的智能网络同传完成系统升级和软件更新等维护工作,但是更新软件后,必须逐台机注册。此时,硬盘还原卡除了保护系统数据外,起不到其他任何作用,计算机维

表2 云桌面模式成本投入

护管理的工作量极大,维护更新难以及时实施,多系统共存难以实现,很难满足实验室开放的要求。

在云桌面模式下,桌面以虚拟机方式运行在服务器虚拟化平台中,每个桌面环境都有其独立的硬件性能及软件系统,做到按需定制。系统和软件统一管理及维护,即时生效,即装即用,且维护过程不间断实验,满足实验教学的需求,更为实验室全面开放提供了技术保障。

通过实践,计算机实验室建设的传统PC模式和云技术模式各有优劣。随着普通本科高校向应用型本科高校转型,肇庆学院成为广东省首批试点院校,开放的实验教学体系对实验室建设提出了更高的要求,传统PC模式已满足不了需求,云技术动漫创作实验室开放的负荷增大,实验室开放的教学效果不好。2016年10月,利用基于PXE的无盘网络技术对传统PC模式的动漫创作实验1室进行了改造,在很少投入的情况下,结合了传统PC模式和云技术模式的优点,维护更新比云技术模式更加简化,为实现应用型本科教学目标提供了技术保障。

2.3 利用现有资源搭建渲染农场

在动漫专业教学和实验中,作品的渲染是非常重要的一个环节。然而,渲染硬件资源不足,几分钟的高清作品往往需要几个小时进行渲染,以至于相关教学、实验内容被削弱或忽略。为解决动漫专业教学中渲染的硬件瓶颈,利用原有的动漫创作工作站为渲染节点,选用专业版渲染集群管理软件,搭建了基于数字化校园私有云基础上的云渲染实验平台。平台节点的渲染能力范围可以达到准高清(1280×720)、全高清(1920×1080)、支持2～6 KB的序列帧渲染、 2～8 KB的高分辨率图像渲染。同时支持3ds max、Maya、XSI、Aeffects、V-Ray、Mental Ray、Brazil、Renderman等主流教学软件。平台可以很方便地进行分层渲染、立体渲染、单帧多机并行渲染、单机多进程渲染、边工作边渲染等的设置和管理,支持7×24 h的渲染服务。

2.4 应用效能

(1) 传统PC模式建设的实验室受干扰因素少,单机性能稳定。但由于更新维护需要逐台操作,多系统共存时,维护工作量=系统数×机器数。因而,难以实现因专业、年级、教师、课程等的不同,而定制不同的教学软件环境,往往需要有所迁就,对教学效果造成了一定的影响,实验室开放更是难以实现。

(2) 云桌面模式利用虚拟化技术,变传统PC的“紧耦合”结构为“松耦合”结构,“松开”了应用与其使用者之间的紧密捆绑,更新维护不再需要像传统PC模式那样逐台操作,定制和维护不同的教学软件环境轻而易举,既可以轻松地为不同教师部署不同的教学环境,又可以为不同专业的学生安装相同软件的不同版本,保障了教学实验的效果。

在云桌面模式下,还可以根据需求对服务器计算资源实现动态分配和平衡,充分发挥服务器高性能计算资源的优势来提高工作效率,特别体现在动漫创作时的3D图形设计、动画建模、渲染和影视后期非线性编辑等工作方面。云桌面维护过程不间断实验,使实验室全面开放成为可能。

然而,对于没有差异化请求、满负荷的常规实践教学,服务器计算资源均分,单个用户端的计算性能若要达到单机的性能,就必须大幅增加服务器的投入。

(3) 无盘网络模式的系统维护和更新工作量=系统数,与云桌面模式一致。而且用户机的所有运算都依靠自身的CPU和内存性能,服务器上使用固态硬盘,配合比机械硬盘读写速度更快的千兆局域网时,其运行速度比有盘时更快。

2.5 安全稳定性

动漫创作实验室对数据安全和硬件稳定性要求较高,因而在建设时选用了稳定性较高的工作站。

(1) 数据安全性方面主要涉及到数据存储的安全和防止病毒破坏两个方面。服务器在存储的容错、冗余机制上有成熟的技术保障,数据存储安全性高。针对动漫创作实验教学所需的大量实验素材,服务器端存储具有数据读写方便快捷、安全可靠,还具有存储容量上的优势。云桌面由于云服务器的高性能,最具优势。云桌面和无盘网络可以随时更新安全补丁,系统风险降到最低。而且由于客户机均以镜像形式运行,读写分离。即使发现感染病毒,只需远程对客户机进行关机,云桌面进行桌面的删除、重构操作就可以清除病毒。无盘网络更简单，删除回写文件即可清除病毒。

(2) 云桌面和无盘网络一旦遭遇服务器端硬件故障或网络故障,整个实验教学工作即刻停顿。为避免教学工作停顿,就需要进行服务器的备份,无盘网络由于对服务器需求不高而很容易实现,云桌面则由于高昂的服务器价格,使备份显得较为困难。而传统PC同时出现硬件故障的概率几乎为零,零星故障对实验教学工作的影响不大。

3 思考与建议

实验室建设资金的投入远远滞后于需求,既要保障需求越来越高的实践教学,又要满足逐年增长的实验室开放需求,就必须充分整合现有资源,通过技术改造,形成资源配置与服务的集约化发展途径,构建稳定可靠、低成本的服务模式。

3.1 综合对比图示

对采用传统PC技术、无盘网络技术和云技术进行计算机实验室建设及改造的实例,通过实际使用效果、管理维护难度、系统和软硬件故障对实践教学的影响程度等方面对比,进行综合分析,得出如图1所示的综合对比。

图1 三种技术模式综合对比

3.2 云桌面技术的优劣

云桌面技术打破了传统PC的层次结构,使“层”之间编程逻辑上的“紧耦合”关系变成“松耦合”,从而突破了设备、操作系统的限制,利用互联网技术又突破了地域限制,用户可以在任何地方通过任何设备灵活地访问相同的桌面。云桌面技术有着移动性、便捷性、可扩展性强、管理方便、运维成本低等诸多优势。

然而,通过对云桌面技术用于实验室建设的成本构成进行分析,不难发现,服务器的投入成本约占总成本的50%～80%,性能要求越高,服务器成本占比越大。非服务器投入部分,桌面终端+显示器+虚拟化软件授权的投入是相对固定的,与性能要求基本无关,但是这些投入已经与传统PC模式下的主流PC的投入相当。而在建设规模不大的情况下,运维成本又与投入极少的无盘网络模式基本相当。

3.3 无盘网络技术推广

针对无盘网络改造对服务器要求低、容易实施且实际维护管理效果好,计算机实验教学示范中心对原有的服务器资源进行了改造、整合,充分利用虚拟化技术,依照实际需求进行调配,使用部分改造后的服务器就满足了原有的所有功能,将剩余的服务器用做计算机基础实验室的无盘网络改造,大大地简化了维护工作、提高了使用率,缓解了资金投入和实验室数量偏少的压力。计算机实验教学示范中心已明确将无盘网络技术定位为未来实验室改造和建设的优选方案。

4 结语

针对目前高校计算机实验室建设,无盘网络技术无疑是一种投入适合、管理维护方便、应用效能高、安全稳定性强的解决方案,可以得到大力推广。云桌面技术由于需要高昂的服务器投入,应当属于一种“基础设施”建设,是面向更广范围需求的服务提供,而非针对个别实验室的建设投入。云计算技术作为最先进的技术,在时机成熟时必将成为主流技术,云计算的发展和推广离不开其所借助的先进的商业模式,因此,要想成功,就必须走商业化的道路,一个合理的,强大的云计算服务平台并非是一般高校所能承受的,应当引入市场化的路线,由专业公司投入运营,高校只是按需购买其服务。随着技术的发展和硬件成本的降低,云桌面技术将得到更快的推广和应用。

参考文献(References)

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