基于云計算的高校雙線模式軟件實驗中心建設

吳俊強

(無錫工藝職業技術學院，機電與信息工程學院，江蘇，宜興 214206)

0 引言

隨著計算機軟硬件的快速發展，高校軟件實驗室更新換代的周期越來越短。同時，2016年教育部印發《教育信息化“十三五”規劃》提出，到2020年基本建成“人人皆學、處處能學、時時可學”與國家教育現代化發展目標相適應的教育信息化體系[1]。2020年的新冠疫情，國內高校停課不停學，開啟了“線上新學期”,可見，新冠后疫情時代大力發展在線教學將是國內教育發展的重點之一。這些對高校實踐教學提出了更高的要求。面對軟件實驗室資源配置和管理的壓力，如果采用傳統計算機實驗室建設方案，即批量購置IT設備，在 PC 機上部署開發環境，存在建設成本高、設備維護量大、需反復部署實驗環境等缺陷。云計算應用虛擬化技術將桌面、服務器、存儲和網絡等進行池化管理，整合軟件開發平臺，將大大降低硬件的投入，減輕運維工作量，推進軟件在線課程的建設。

1 軟件實驗中心建設需求

為了提高學生的就業競爭力，使學生實踐技能更強，能直接適應崗位職責的需要，高校軟件專業都會考慮校企合作，還會提供軟件外包服務，這要求軟件實驗中心具備軟件設計、編程和測試“流水線”的跨平臺開發環境，以滿足日益增長的軟件開放課程的實驗需求。因此根據專業方向需要開設.NET、Java、移動等3個軟件開發實驗室及軟件測試實驗室(40臺PC機/室)，用云計算技術把4個實驗室整合起來，具備軟件設計、編程、測試一條龍的云平臺實驗環境。該平臺采用線上線下的雙線模式，不僅集中管理4個機房里的終端，供學生平時的線下教學，還可以通過校園網或互聯網實現線上開放式的虛擬實驗室。

2 云計算技術

云計算已成為承載各類應用的關鍵技術，是信息化和服務模式創新的集中體現。NIST(美國國家標準技術研究所)對云計算較權威的定義是：“云計算是一種對IT資源的使用模式，是對共享的可配置的資源(如網絡、服務器、存儲、應用和服務)提供無所不在的、方便的、所需的網絡訪問，資源的使用和釋放可以快速進行，不需要多少管理代價?！碧摂M化是構建云基礎架構的關鍵技術，能夠對底層網絡、計算和存儲等硬件資源進行抽象化處理，構成虛擬化的資源池，并將其隔離為多臺虛擬機。虛擬化能夠根據業務需求快速連接并管理資源，為單位提高效率、增強靈活性和加快響應速度提供支持，從而降低IT成本。

3 軟件實驗中心建設方案

3.1 軟件實驗中心的總體規劃

軟件實驗中心采用基于云平臺統一管理的資源集中部署，并在常規線下實驗的基礎上引入線上開放實驗，雙線模式的總體規劃如圖1所示。實驗中心部署24口萬兆核心交換機1臺，其中的服務器采用萬兆口接入匯聚交換機；軟件常規實驗室采用千兆以太網，每室部署1臺48口千兆二層接入交換機，接入交換機采用萬兆網線與匯聚交換機進行連接；為了最大程度地保證云平臺網絡系統的穩定性，接入層交換機到服務器集群交換機的主干線采用雙網絡的建設模式。

圖1 雙線模式的軟件實驗中心總體規劃圖

3.2 云計算實驗平臺

軟件實驗中心的云計算實驗平臺采用私有云建設方案，將計算服務化、資源虛擬化、管理智能化，根據教學需求調整資源分配。

3.2.1 私有云基礎架構

私有云的基礎架構基于計算、存儲和網絡的集中資源而構建，是一種虛擬化、多用戶基礎架構。本方案選擇業界領先的虛擬化平臺VMware vSphere?和虛擬桌面架構VMware Horizon?。vSphere提供強大、靈活、安全的按需基礎架構，是云計算環境的理想基礎平臺。vSphere的兩個核心組件是vCenter Server和ESXi，vCenter Server用于管理網絡和主機資源中連接的多個主機，ESXi主機用于創建和運行虛擬機和虛擬設備[2]。云平臺基礎架構如圖2所示。

圖2 云計算實驗平臺基礎架構圖

(1)虛擬基礎架構

虛擬基礎架構選用5臺有2個E5CPU、256 GB內存的主流機架式/刀片式服務器做為ESXi主機，部署軟件實驗中心需要的虛擬化服務器和桌面。5臺ESXi主機采用分布式資源調配組建為一個集群，自動均衡ESXi主機的負載，并共享Dell PowerVault MD3060e存儲。Dell MD系列專門針對較小規模的存儲整合和虛擬化項目進行了優化，配套的軟件可靠且易于管理，提供經濟實惠且可靠的多用途存儲解決方案。

(2)虛擬化服務器

軟件實驗中心需要數據庫服務器、中間件服務器、Web服務器、軟件測試服務器、云管理平臺、虛擬化管理服務等服務器，根據實驗中心的規模和實際應用要求，配置1臺物理服務器，安裝ESXi，可以運行8～10臺虛擬服務器，將上述的應用平臺安裝或遷移到虛擬服務器上，vCenter Server服務器也安裝在虛擬服務器上[3]?？紤]冗余和擴展，可以選配多核、多線程的CPU和增加內存量，推薦多配置2臺物理服務器。

(3)虛擬桌面基礎架構

VMware Horizon基于VMware vSphere部署，以池化的形式構建虛擬桌面基礎架構VDI(Virtual Desktop Infrastructure)。VDI以創建好的虛擬機作為基礎映像，通過該映像可以靈活、按需、快速地配置大量的桌面，同時實現終端用戶在多種設備上隨時隨地訪問虛擬桌面[4]。為減少創建虛擬機時引起的同一存儲上的性能降低，將映像所在的存儲卷和將要創建虛擬機的存儲卷分開。根據4個機房的布置各配置1臺物理服務器作為ESXi主機，借助Horizon構建VDI，分別部署包含40個虛擬桌面的不同桌面池，以滿足1個班級的實驗需要。從單一控制臺進行集中式管理，可達到企業級的可用性、災難恢復、故障轉移和可伸縮性。Horizon相關的服務器安裝在虛擬服務器上。

3.2.2 云平臺的安全監控

云平臺管理員在vSphere和Horizon中監控虛擬環境中虛擬設備及物理硬件備份的健康狀況和性能，排除系統中的故障。此外使用一些管理工具以加強對平臺的監控和保護。

(1)VMware vCenter Operations Management

通過管理界面實現從應用到存儲的智能運維，對基礎環境進行全面的實時監控，便于及時調整虛擬機的配置，更有效地利用計算資源，提高性能并避免中斷。此外，它還能夠按用戶的要求安全實現工作負載安置自動化和資源優化，同時利用預置的自定義模板增強控制力[5]。

(2)VMware vSphere Data Protection

這是一款集成于VMware vCenter Server的數據備份和恢復解決方案。針對所有虛擬機提供快速高效的數據保護，包括在vSphere主機之間遷移的虛擬機；對備份采用可變長度重復數據消除技術，從而消除冗余，極大地減少備份所占用的磁盤空間[6]。

4 基于云平臺建設方案的價值所在

(1)降低成本

將服務器遷移到虛擬機中不僅減少了物理服務器的數量，降低了運維成本，而且提高了服務器的總體利用率。采用虛擬桌面可延長實驗室電腦的使用壽命，降低桌面更新的采購成本。

(2)簡化管理

通過集中式的自動化管理流程，大部分的維護工作將自動完成，應用部署和更新更迅捷，可快速部署和交付桌面，大大減輕運維工作量。

(3)靈活而富有彈性

根據機房的實驗內容，配置不同軟件開發、測試環境的桌面池，并根據教學性質(實驗/實訓)設置相應的用戶分配類型(浮動分配池/專用分配池)，同時考慮實驗或實訓數據的保存要求，需要時簡單切換桌面池便可轉變實驗內容和教學性質。云平臺的這種彈性對需要資源多、使用時間短的軟件負載和性能測試尤為適用。

(4)提高資源利用率

師生可在機房內外通過網絡，使用PC機、瘦客戶機和平板電腦等多種客戶端訪問虛擬桌面，這使得學生在新冠疫情期間可以居家線上教學實踐，而在校學生課外繼續實驗/實訓也成為可能。同時，開放的實驗環境可以滿足軟件專業開放課程的實驗需求。

5 總結

基于云計算的軟件實驗中心建設方案將推動高校軟件實驗中心基礎架構的建設，是一套行之有效的高性價比的解決方案，對其他專業的計算機實驗室建設具有借鑒作用。展望未來，借助VMware領先的虛擬化技術和云計算技術，能為高校構建完整靈活的軟件實驗數據中心，充實專業教育的內涵提供支持，同時能擴大教學的外延，兼具虛擬課堂功能，可助力高校在線開放課程的建設。