基于云计算的开放式实践平台研究与设计
作者：李坤 蒋莉莉　　

教育部实施的“卓越工程师教育培养计划”明确提出要强化培养学生的工程能力和创新能力。如何在保证课堂教学质量的同时，让学生的实践能力得到提高是当前学校教育面临的关键问题。然而在实际中，学生参与实践往往受到诸多条件限制，具体表现在：①缺乏合适的实践平台，专业教学和实践资源零散分布；②实践条件很难满足需要，实验室硬件设备无法提供高性能计算、不支持特定操作系统等环境配置信息；③参与实践的时间和地点受到实验室管理制度的限制，无法为学生提供全天候管理和服务，无法实现完全开放。
　　随着虚拟化和云计算技术的发展，通过构建专业实践平台，提升学院的实践教学水平成为可能。实践平台借助先进的云计算技术，整合学院信息技术教育资源，构建实践环境资源池，根据课程创新实验需求，提供开放式实践环境预约与部署；同时利用瘦客户端技术，将学生实践地点从实验室扩展到有网络连接的教室、宿舍、家庭等，实践时间也从实验室工作时段扩展至7×24（一周7天，每天24小时），让学生有充分的机会参与实践。

1云计算与虚拟化技术
　　云计算是一种能够降低IT复杂性的新方法，它将按需提供自助管理虚拟基础架构汇集成高效资源池，以服务的形式提供计算能力。云计算将资源管理方法由分散的硬件更改为虚拟化共享资源池，共享资源包括服务器、存储和网络。通过虚拟化所有IT资源，可以提高资源利用率和针对高优先级应用程序进行动态资源分配。这些共享资源池可以抽象为逻辑构造块，包括存储、网络和服务器单元等，从而有效创建虚拟数据中心。
　　虚拟化技术是通往云计算的必由之路。虚拟化技术通过直接在计算机硬件上面嵌入一个精简的软件层，建立多个虚拟操作系统并且可以同时运行在单台物理机上或服务器集群上，彼此之间共享硬件资源，通过服务器整合、自动化负载均衡、计划内零宕机、高可用性来优化IT基础架构。
　　通过虚拟化技术构建的云计算平台，允许以托管服务的形式交付丰富的个性化虚拟桌面。将虚拟桌面整合到数据中心的服务器中，构建桌面云环境，实现操作系统、应用系统和用户数据的独立管理，从而使最终用户能够通过各种网络条件获得灵活的高性能桌面体验。

2平台设计方案
　　2.1平台框架设计
　　根据云计算平台提供的服务类型，可以将云计算服务分为3类：基础设施即服务（InfrastructureasaService，IaaS）是以服务的形式提供虚拟硬件资源，由底层硬件或虚拟机资源所构建；平台即服务（PlatformasaService，PaaS）是构建在云基础设施上，用来提供应用服务引擎，如应用编程接口、公用基础服务等；软件即服务（SoftwareasaService，SaaS）是基于云平台开发的各类应用服务，允许用户定制与创建面向具体应用的服务，实现用户个性化的服务整合和信息聚合。
　　结合云计算服务的类型和实践平台的功能需求，采用模块化、分层的设计理念，将平台划分为3个层次：终端应用层、虚拟中间层、基础设施层，形成云环境下的开放式实践平台总体架构，如图1所示。
　　1）基础设施层位于平台底层，由网络设备、服务器以及存储等基础设备组成。在硬件资源层的基础上，通过虚拟化技术建设虚拟化资源池，为物理资源的统一适配提供坚实基础。通过虚拟化技术实现对资源的池化管理，便于资源动态分配，充分体现弹性可伸缩的特点，同时保证系统的高可用性。
　　2）虚拟中间层是基于基础设施层构建的。在虚拟化及物理资源池上通过各种操作系统、数据库、中间件的部署，搭建各种实践应用、创新计划应用及测试环境等，该层主要包括虚拟桌面池和实践资源池。
　　虚拟桌面池：平台一方面面向全校信息技术公共基础教学和专业实践教学，通过批量构建统一桌面进行实践，目前提供有信息技术基础实践桌面、C语言上机实践桌面、软件工程综合实践桌面等；另一方面面向大学生科技创新和学术科研，已经运行的有ACM大赛、高性能计算、图形图像处理等专用桌面。此外，平台还提供定制服务，用户可以根据实际需求，在当前桌面资源不能满足应用的情况下，进行环境定制。
　　实践资源池：提供实践资源整合与共享，根据学院学科实践特点整合实践资源形成实践项目、实践计划、实践资料、成功案例等资源列表，基于平台提供实践计划安排、实践活动提醒等共享信息，提供电子白板、网络会议、即时通讯工具等方式进行实践信息交流。
　　3）终端应用层面向最终用户。利用瘦客户端技术，提供多种接入方式，允许移动终端、笔记本、台式机等设备无缝接入，将固定的实践环境虚拟化为移动的、开放的实时服务平台。
　　2.2开放式实践环境定制
　　实践平台预先按照基本需求，提供满足通用条件的实践环境虚拟桌面，用户可以根据具体的实践要求或科研需求，在通用实践环境不能满足的情况下，填写实践环境定制申请，由系统管理员审核后进行实践环境的设置与发布。对于学生用户提交的定制申请，还需要先经过科研导师或任课教师的审核，从而确保实践环境定制申请的严肃性和合法性。具体的定制审批流程如图2所示。
　　2.3虚拟桌面池设计
　　虚拟桌面池是满足开放式实践平台环境定制功能的虚拟机资源池，根据用户特点和分类进行虚拟资源的预先划分和设定。根据实践平台用户规划和用户对桌面的需求不同，针对不同用户组设计出不同的虚拟桌面池。对于虚拟桌面池中的资源，一方面按需分配经过优化的计算资源，实现弹性资源管理，最大限度满足用户需求；另一方面借助瘦客户端技术，用户可以方便接入平台，实现学生实践不再受实验室地点和时间的限制，有效扩充学生参与实践的机会。
　　1）特定桌面。特定桌面是指允许进行远程访问的单个虚拟机。此类桌面更多地面向科研需求，对虚拟机资源有较高的性能或安全要求，主要适用于那些需要惟一专用桌面的用户，也适用于使用单个主机需由多名用户在不同时间访问应用程序的情形。已经建立的图形图像处理虚拟桌面和高性能计算桌面属于此类。
　　2）手动桌面池。手动桌面池是指系统管理员手动构建的虚拟机池，为用户分配一个保留会话所有文档、应用程序和设置的专用桌面。此类桌面是在用户首次链接时以静态方式分配的，稍后可用于所有后续会话。该类桌面池大致分为以下两种：
　　固定桌面池：针对实践平台的固定用户组，每个用户都分配了一个特定的桌面，并在每次登录时返回同一个虚拟桌面。用户可以个性化定制桌面、安装应用程序和存储数据。主要用于研究生科研和大学生创新实验，平台提供的ACM大赛虚拟桌面属于此类。
　　流动桌面池：针对实践平台的流动用户组，在每次使用虚拟机后可选择性地删除并重新创建虚拟机，从而形成高度可控的环境。浮动分配桌面就像一个计算机实验室，其中的每个桌面都加载了必要的应用程序，而且所有桌面都能访问所需的数据。该类桌面目前主要有信息技术基础实践桌面和C语言上机实践桌面。

3结语
　　基于云计算的开放式实践平台经过校企共建，目前已经在中国石油大学信息技术公共教学和专业实践中发挥了重要作用，实现了信息技术教学资源的全面开放式管理，在保障基本实验教学任务之外，将优质的实践资源提供给课外实验、科技创新和科学研究，达到了人尽其才、物尽其用的高效运行模式。平台实施后学生的各项科技活动取得了丰硕成果，目前获得国家级大学生科技竞赛奖项24项，省部级奖励103项，获批国家级大学生创新实验计划12项；同时学生动手能力和综合应用能力大幅提高，毕业生受到用人单位的一致好评。