商用公有云上实现Linux系统管理与应用实践教学的可行性研究

傅东亮　杨海洪　陆燕丽　谢锋

摘要：随着信息技术的发展，信息产业发展得越来越快。信息产业的发展推动了信息技能人才需求，信息技能人才需求推动着信息技术职业教育的发展。世界范围内的云计算平台和应用建设正如火如荼地进行。云计算产业越来越成熟的今天，云计算职业教育迫在眉睫。职业教育与产业休戚相关，职业教育如何与产业结合，如何在瞬息万变中保障职业教育的有效性，一个关键的做法就是将实践教学的实训场室搬到产业一线，实现贴近实战的实践环境。本文重点研究云计算技术应用专业（以下简称云计算专业）Linux系统管理与应用相关课程的实践教学采用商用公有云的可行性。

关键字：云计算专业;Linux系统管理;实践教学;商用公有云;可行性

一、云计算技术的行业发展状况和趋势

随着信息技术的发展，云计算已演变成一种产业，逐渐成为IT基础设施。根据国家前瞻产业研究院《2020年中国云计算行业市场状况及发展趋势分析》报告：各国政府十分重视云计算行业的发展，纷纷制定国家战略和行动计划，引导行业发展。2020 年我国应用云计算的企业占比达到 66.1%，较 2019 年上升了 7.5%。随着企业应用的逐渐普及，我国公有云的市场规模迅速扩大。2020 年，我国云计算市场规模达 1334 亿元，同比增长 38.6%，其中，公有云的市场规模已反超私有云，达 689.3 亿元。未来，在数字经济高速发展的趋势下，我国云计算行业仍将保持高速发展态势。一方面，企业应用云计算降本增效的效果显著，另一方面，超6成的企业因为使用云计算提升了 IT 运行效率。

二、高职院校云计算专业课程设置分析

云计算专业通常培养学生五类能力：网络设计及实施能力、数据库应用能力、操作系统管理能力、虚拟化能力、应用开发及运维能力。其中操作系统管理能力是重中之重。以下为某一高职院校云计算专业课程设置案例：

基础课程：计算机程序设计基础、计算机网络基础、数据库技术基础、服务器操作系统管理

核心课程：服务器操作系统自动化运维、操作系统虚拟化、资源虚拟化、桌面云虚拟应用、云存储技术、云安全技术、Java云应用程序设计、Python云应用程序设计、云基础应用开发与维护、云计算开发与运维。

这些课程涉及技术都要求构建服务器操作系统之上[1]。而当前服务器操作系统90%运行在Linux系统之上。比如Mysql数据库通常运行在Linux操作系统为最佳。

三、云计算专业实训室如何构建

传统云计算专业实训室通常采用“搭建私有云”[2]和 “单机虚拟化”方案[3]。其做法是：

方案1：搭建私有云

过往，云计算专业实训室通常采购大批量的云计算服务器设备，购买课程相关的软件资源、课程资源，满足专业的基础课程和核心课程的实践教学需求。这种实训室建设思路比较理想化，会带来较多问题，比如这种实训室很难满足市场变化的需求、课程实施较为复杂、课程环境维护困难、实训室投资较大等。

方案2：单机虚拟化

由于需要满足虚拟化的需求，这种方案要求为课程班级每一学生准备高端配置PC机。这些配置机器通常需要安装要求较高的VMware、Virtual Box等虚拟化软件。这样才能满足云计算所有课程的教学要求。

以上两实训室方案在教学实践中都存在一些共性问题[4]：1.首次投资较高;2.实训室维护困难;3.课堂轮转问题较多;4.课堂效率不高;5.难以有很好的实践考察方法;6.无法满足异地实践教学;7.难以真实模拟云计算环境。

四、云计算专业实践教学选择商用公有云的优势

由于商用公有云的发展很快，其优势尽显，作為我们的实训环境具有无可比拟的优势：

投资经济性：相比于传统云计算实训室方案，商用公有云方案将有效降低实训室建设首次投资金额。经分析，期限10年以上的实训室投资成本上将节省20%以上。

维护成本性：由于公有云不涉及高配置硬件，硬件的维护成本相对较低。加之减少了维护工作量，持续维护成本将明显减少，包含人力在内的维护成本将节省30%以上。

轮转优势性：传统实训室由于单台机公用，机器环境每次课堂都需重刷，这就存在上次虚拟机课堂状态难以在下一次课堂复现。商用公有云可以很好保持课堂状态。

课堂效率性：传统实训环境由于轮转课堂原因，存在重新恢复难的问题，这造成课堂效率不高;而商用公有云可以通过技术手段高速高效地实现虚拟机的创建、启动、暂停、删除、恢复等。

课堂考核性：对于课堂实践任务，传统方案，每个人都有不同的虚拟机，虚拟机之间相对独立，教师无法了解每一个人虚拟化的作业状态，难以实现教师对课堂的评估。而商用公有云可以通过技术手段较为简单的了解每一个人的课堂作业状态;

专业实战性：传统实训室由于使用的都是虚拟环境，这些环境实际不是真实的云环境。而商用公有云就是企业实际运行环境，商用公有云实训室可以很好满足实战性需求。

异地支持性：由于传统物理实训室通常不对外开放，实训环境都是内网环境，异地无法使用。对于异地教学比如疫情时期的在线课堂、学徒制 等无法支持。而商用公有云具有任何时候任何地点都可使用的优势，满足了异地实践教学的需求。

五、云计算专业实践教学采用商用公有云的技术可行性

由于云计算专业课程大多与Linux系统有关，本文以商用公有云上构建Linux实践教学环境为例来考证技术可行性。商用公有云实现云计算Linux相关课程教学可以采用单台或多台云主机方式实现。对于多台云主机方案，由于其难以解决传统实训室环境的全部问题，本研究重点讨论单台云主机方案。

单台云服务器技术实现，具体方案描述如下：1.购买高配置ECS云服务器，配置可为32核vCPU、64GB内存。2.安装Docker-ce支持软件。3.拉取Linux镜像（比如CentOS7），运行后安装成具有VIM、WGET、CURL、SSH功能的CentOS Docker; 将该Docker镜像化成一个Base版本的云计算实践教学镜像。4.基于Base版的镜像，运行60个该镜像的Docker，运行时将这些Docker的22号端口映射成ECS云服务器的对外端口。

基于以上方案，可以很好地解决传统云计算实训室的缺陷，支持公有云实训室的优势，原因在于每个CentOS Docker都在ECS服务的管理之下，学生无法增删改虚拟机。本文的作者及团队具有长时间的实践经验，性能可行性验证如下：

ECS初始化TOP资源状态如图1：

运行单台Base Docker后的TOP资源状态如图2：

图2说明：运行命令是docker run -d --name centos7-base-1 --privileged=true -p 10001：22 -h centos7-ssh-1 mybasecentos-ssh：7 /usr/sbin/init;

执行61次以上类似命令，TOP资源状态如图3：

为了验证单台ECS主机并发运行极限应用的性能，制作一个对系统性能要求最高的应用zabbix-server docker作为验证镜像，执行命令：docker run -d --name centos7-zabbix-1 --privileged=true -p 10001：22 -p20001：80 -h centos7-zabbix-1 myzabbix  /usr/sbin/init; 即可启动一个zabbix-server的容器虚拟机。图4为启动61台zabbix-server容器虚拟机的TOP资源状态：

虚拟出61个容器虚拟机后，进行容器虚拟机登录验证。验证单台虚拟机登录情况如图5。

图5说明：本图中，ECS服务器（即图中的8.134.37.146）登录正常，CentOS Docker01＼Docker10＼Docker61（即图中的8.134.37.146（01）、8.134.37.146（10）、8.134.37.146（61））登录正常，证明在单台高配ECS服务器下可以使用Docker技术实现61台虚拟机的创建和使用。

总结：以上过程证明单台高配ECS主机可以虚拟出61台Linux实践教学虚拟机，技术和功能上完全可行，具有技术可行性。

六、云计算专业实践教学采用商用公有云的经济可行性

在技术可行性研究中，我们采用的32核64G内存配置。从资源使用来看，即使是在61台虚拟机中运行zabbix-server这样的复杂应用，系统在CPU和内存使用上也毫无压力。ID（CPU空闲）在90%以上，内存使用仅占16%。依此，实现1个班级的虚拟机完全可以在16核32G内存配置下进行。

为了验证使用商用公有云进行云计算专业实践教学的经济可行性，可以网上询价最权威最贵的阿里云。

图6为阿里云单台 16核、32G内存ECS服务器的5年报价，其价格为7.3491万元。

从询价可知，我们在公有云虚拟出一个Linux实训室，5年最低仅需7.3491万元的费用。实际上这是该配置费用最高值，因为根据阿里云的市场政策，购买越多越便宜，而且可以实现动态缩放资源，对于用于教学的ECS主机，我们还可以在寒暑假内收缩资源，减少成本。经测算，一个公有云虚拟Linux实训室10年费用不超过14万，相比一个物理的Linux实训室10年费用至少低20%。

总结：在实训室建设和维护成本来看，公有云上实现云计算Linux实践教学具有经济可行性。

七、云計算专业实践教学采用商用公有云的教学模式可行性

寒暑假：每个学期末，云主机管理老师可以清除过往班级的镜像和Docker。为了减少寒暑假期间云主机的费用消耗，可实用商用公有云环境的自由收缩功能，在寒暑假期间收缩服务器的配置，以降低服务器费用。在开学时恢复服务器的高配置，以满足学期教学需求。

学期：学期开始后，云主机管理老师需要了解云主机支持的课程和班级。每个班级每门课程为一组实践环境。管理教师可开始新年级新班级的虚拟机创建和运行工作。这些创建和运行都可运行既定脚本，操作简单。

课堂：每堂课的任老师只需要启动自己课程班级所有学生的虚拟机，在云服务器公共目录下上传实践资源，比如安装包和任务手册，便可开始课堂实践教学。课后停止本课堂学生的所有虚拟机（也就保存了该虚拟机的状态）。

总结：基于技术可行性，按寒暑假、学期、课堂 三个阶段的模式开展工作，完全具有模式可行性。

八、结束语

商用公有云在云计算实践教学环境上具有很多传统实训室没有的优势，比如成本优势、课堂有效性优势、实战性优势、任务验证优势、异地教学优势等。很多传统实训室的缺陷，比如轮转课堂时课堂的虚拟机经常被破坏、环境不稳定等在公有云的实践环境完全得到解决。公有云服务器已被证明在技术性、经济性和教学模式上可以作为云计算专业Linux课程实践教学的教学环境。

作者单位：傅东亮    杨海洪    陆燕丽    谢锋    广州松田职业学院

参  考  文  献

[1] 祝旭.云计算技术与应用课程的实验教学探索[J].中国新通信，2018，20（05）.

[2] 石慧，李俊杰，陈恩.“互联网+”环境下云计算技术与应用专业实训室建设模式探索[J].高等职业教育（天津职业大学学报）. 2017，26（06）.

[3] 华驰，顾晓燕，张蓉，等.“互联网+”背景下云计算技术与应用专业实训基地设计及构建[J].实验技术与管理，2016，33（09）.

[4] 王彦朝.云计算环境下高校实验教学探索[J].实验室科学， 2016，19（05）.