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摘要：教学企业具有机房用机分散、个性化配置等特点，存在不同时段的空闲资源以及协作开发及远程访问需求。本文主要研究了云计算技术在教学企业实验中的设计与应用，以期提升教学企业资源利用率，实现远程资源共享。
关键词：实验云 设计 构建 教学企业 虚拟化
1 概述
教学企业借助现有的设备资源，搭建实验云环境，使得师生可远程使用云环境进行项目的协作开发，具有一定的可行性。
云计算的三层体系架构表明，计算机、网络设备等资源通过虚拟化构建基础设施服务，提供虚拟存储、计算等服务；在此基础上构建SVN、数据库服务器、Web服务器、应用服务器，用户通过网络进行远程开发、测试和部署，可提供云平台服务、软件服务。
教学企业进行实验云环境构建具有如下优势：充分利用计算机、网络等软硬件资源，提供远程存取，协同开发，并对云计算体系结构的理解、基于云计算的设计开发等提供实践环境。通过低成本、灵活自主的方式搭建云环境平台。
主要需解决的问题是：实训设备资源利用率不高；远程协作难；云环境应用开发的搭建、维护与更新、数据存储与共享安全。
2 相关研究
华东交通大学的柴亚辉等发明一种服务于高校计算机与软件教学的实验云平台系统[1]，将多台物理主机通过互联网络构建虚拟机集群实验平臺，同时又将多个分散在学校各处的虚拟机集群系统实验平台整合为一个实验云平台系统。
Phantosys幻影桌面虚拟化平台实现了桌面PC操作系统和应用环境的集中控制、集中管理、应用环境随需供应，提供PC运行所需要的操作系统、应用及个性化计算环境[2，3]。第一代的DOE NetDisk虚拟化产品用网络硬盘替代本地硬盘，PC桌面集中管理，只能提供单一的桌面计算环境，速度完全依赖于网络和服务器。第二代的Phantom虚拟化技术增加虚拟化的多桌面环境的生成及统一管理和提供，桌面个性化环境的保持，运行速度仍依赖于网络和服务器。Phantosys的第三代虚拟架构DVP（Desktop Virtual Platform）将多桌面计算环境虚拟化存储成了一个整体，变成企业的桌面计算环境的资源池，可以统一或单独随需提供给桌面用户，可使任何应用或操作系统保持持续优化、升级、更新和一致以及高可用状态，保持PC速度、效能、兼容性和用户体验及使用习惯。
瞻博网络推出Junosphere云实验室通过基于云的环境降低了网络建模、测试和设计成本[4]，是一个能够改变服务提供商和企业的网络设计、测试和运营方式的虚拟环境。Junosphere可帮助网络运营商创建和运行托管型网络，支持大规模的网络建模、测试和规划。企业能够低价租用网络，与建立实体实验室相比，有助于企业将项目建模速度提高30%，总体拥有成本降低90%。
文献[5]在高校现有的校园网基础上，引入云计算技术，提供一个成本较低、能弹性分配资源、用户不受地理位置限制的实验环境；利用虚拟化技术构建虚拟化资源池，快速布署云端资源，动态组织异构资源，构建不同的应用环境；将高校现有的分布式的实验室架构转变为易于管理维护和提供高效服务的集中式架构。
文献[7]通过融合云计算技术和远程实验技术搭建虚拟实验云平台。采用瘦客户端模式，以程序编译平台、电路仿真平台和硬件实验平台进行设计，提出运用最近最少使用算法（LRU）解决资源访问冲突和提高资源利用效率、建立预约机制的方案。卡拉罗纳州立大学设计研发了LAAP（learn anytime anywhere physics）物理实验系统；华中科技大学开发的虚拟实验教学环境项目用于虚拟实验室建设和虚拟实验教学。
3 架构设计
云计算是计算机技术与网络技术发展融合的产物，根据方式与服务对象的不同可以分为公有云、私有云和混合云，包括3个层次的服务：基础设施服务（IaaS）、平台服务（PaaS）、软件服务（SaaS）。在设计实验云时，我们通过多个教学企业实训室的PC机构建分布式虚拟机集群，通过安装虚拟机操作系统、中间件部署云平台，并在虚拟机中安装和部署各种应用软件提供客户远程访问。
3.1 实验云环境的架构
通过在一个实训室内的有限数目的计算机局域网构建的云环境。我们选取教学企业的每个实训室内的6台计算机构建虚拟机集群，通过1个元数据节点、5个数据节点（当然，也可按需变化），构建一个Hadoop集群，提供云平台软件、数据库、应用等的安装、部署与测试。每个虚拟机节点可以是同构的分区与系统，便于管理；也可以是异构的，通过配置文件进行管理。各虚拟机上安装配置实验所需的软件环境，用户可选择远程登录进行实验。
3.2 分布式云环境
通过分布式的在不同地点的多节点构建云环境。不同实训室分别提供虚拟机节点集群，这些节点集群之间可构成一个局域网，并提供主节点与其它局域网主节点通信；也可采用扁平、网状结构，每个节点之间可相互通信。
分布式云环境易于构建大型分布式网络，实现易于扩展的云网络。可借助于公有云构建实验测试平台，用户通过互联网访问和应用虚拟服务器，进行网络应用部署、调试和测试。
4 技术实现
4.1 平台分析
基于开源平台的云环境的构建技术。①采用Linux+Hadoop进行构建。②采用Openstack构建。③基于XEN 云平台。④基于Eucalyptus云平台。⑤基于CloudStack云平台。⑥基于OpenNebula云平台。VMware宣布了一项开源的PaaS计划Cloud Foundry，开发者可以基于此平台来建设SaaS服务。
基于商业云平台的云环境的构建技术。目前，国内外有不少云平台厂商提供私有云构建解决方案。①微软云平台。②亚马逊云平台。③IBM云平台。④Oracle云平台。⑤新浪云频台。⑥搜狐云平台。⑦国内的云平台如阿里云平台、腾讯云平台、盛大云平台、华为云平台、百度云、360云、115云平台等都做得风生水起，蓬勃发展。 各种平台的共同点是：虚拟化、按需构建和使用、动态开启和共享案例。不同点是：费用；资源的可控性；使用期等。
4.2 教学企业实验云设计
我们基于Ubuntu+Hadoop构建云存储集群，在集群环境上部署Web服务和应用服务，实现远程资源共享和在线实验。拓扑结构采用星形架构，一台元数据服务器，连接5台虚拟机节点构成集群。软件安装通过VMware Workstation上安装Ubuntu+Hadoop而成。同时，安装实验开发所需的数据库软件（如MySQL，HBase，MongoDB，Cassandra等）。
开发环境配置采用J2EE。服务器配置Web服务器。用户访问接口采用命令行与API两种模式。在外网访问云服务器时采用TeamViewer远程访问。通过配置实现云存储文件共享，并借助SVN进行协同开发。
4.3 教学企业实验云环境的构建
需求分析：①构建资源共享环境；②构建分布式协同开发环境；③Web网站。
构建工具：Linux+Hadoop+Tomcat+JDK+SSH
构建过程：①操作系统安装；②虚拟化平台安装；③虚拟Linux操作系统安装；④授权访问；构建虚拟网；安装Hadoop插件；⑤数据库、开发环境等安装；⑥云平台测试。
构建性能评测：①本地I/O响应性能；②并发访问性能；③远程访问性能。
5 教学企业实验云的应用
5.1 教学企业实验云构建
我们在教学企业的3个实训室之间建立了分布式教学企业实验云，建立云存储共享空间；并通过建立数据
库服务器、Web服务器、应用服务器提供远程访问；通过TeamViewer进行远程桌面访问。同时借助公有云存储、公有云服务进行数据资源共享和分发。
5.2 实验云网络测试
实验云网络测试通过本地、局域网、互联网、移动互联网等多种方式进行可用性和可靠性性能测试。
5.3 实验云服务器
通过构建云存储、安装数据库，其中包括关系数据库（RDB），如MS SQL Server，MySQL；非关系型数据库（NoSQL），如HBase、Cassandra、MogoDB、Pig等，作为云应用开发的基础设施和平台，提供给开发者使用；安装Web服务器，作为应用项目测试与部署用。
5.4 基于实验云的应用开发
基于实验云的应用开发主要是借助Java、C#等语言和Hadoop等提供的API进行设计开发。同时，将基于本地开发、私有云的应用开发与公有云平台的应用开发结合，进行基于云平台的应用开发和部署测试。
6 云服务可用性与可靠性分析
云服务通过将软件映射到VM；服务负载分配；数据管理；软件冗余和高可用性机制；快速弹性；过载控制；共享；多租户；同步应用等方式提高可靠性。
云計算最大化服务可用性的方式是：降低软硬件产品、数据中心、IT服务管理、灾难恢复等的宕机时间；优化云服务可用性。在实验云环境中，可通过软硬件产品的稳定性、冗余配置、虚拟机节点的动态加载等方式增强可用性。
实验云应用时，存在本地存储与云存储之间的数据传递与互访；异构云平台之间的通信和计算、存储等资源共享；应用的更新与部署、并发访问性能的保障等均是在实验云应用中遇到的问题，通过借助传统应用开发方法与云应用开发方式的结合进行克服。
7 小结
基于教学企业的实验云是借助教学企业的闲置计算和存储资源，构建虚拟的计算和存储资源集群服务，并根据用户需要进行分配，动态释放，从而提高资源利用率，减少用户使用成本，动态扩展和复制，自适应需求的变化。同时，将基于本地开发、私有云的应用开发与公有云平台的应用开发结合，对实践项目的教学与开发起到了良好的促进作用。
参考文献：
[1]柴亚辉，涂春萍，刘觉夫，胡林峰，周娟.一种服务于高校计算机与软件教学的实验云平台系统[EB/OL].http：//zhuanli.baidu.com
/pages/sipo/20101025/20/6f4c9e5f34510c2c1f2a225be3d4b04c_0.
html.
[2]广州方景信息科技有限公司. PHANTOSYS——校园云实验环境应用方案.http：//pan.baidu.com/share/link？shareid=1140574187
&uk=3006525172，2013-05-30.
[3]phantosys. http：//baike.baidu.com/link？url=OMIPTQULfcU
zvG3TnIghXs-vImS26I_FAAPbjgSNfjgbmANB6rRVsz_tk8BXGnwStwgCckihGU3nMIFGk2UZKK，2015-01-19.
[4]JUNIPER NETWORKS.http：//www.juniper.net/cn/zh/
company/press-center/press-releases/2011/pr_2011_10_03-11_
05.html.
[5]傅务谨.基于云计算的高校私有实验云的研究[J].电脑知识与技术，2013，9（13）：3023-3025.
[6][美]Eric Bauer，Randee Adams著，高巍，李洁，魏凯，等.云计算实战——可靠性与可用性设计[M].北京：人民邮电出版社，2014.
[7]张乃千，杨海，周丽涛.基于云计算的虚拟实验云平台设计[J].计算机教育，2015（1）：39-44.
[8]洪文圳，陈玉琴，黄晓峰.基于Eucalyptus的实验云平台搭建[J].微型机与应用，2014，33（17）：59-61，65.
[9]吴迪.基于XEN云平台的网络安全实验教学[J].实验室研究与探索，2013，32（7）：62-66.
基金资助：广东省产学研项目（项目编号2012B091100499）；广东省科技型中小企业技术创新专项资金项目（项目编号2012CY037）；广东省高等职业教育教学改革立项项目（项目编号201401091）；广东省高职教育类信息技术立项课题“基于教学企业的实验云环境及云应用开发教学改革研究”（项目编号XXJS-2013-1008）；广东省教育科研“十一五”规划项目“支撑校企双主体育人模式的学习中心平台的构建研究与实现”（项目编号2011TJK090）；广东省教育科研“十二五”规划2013年度研究项目“基于知识管理视角的高职院校电子信息工程专业精品资源共享课程建设的实践研究”（项目编号2013JK256）；广东省高等职业教育技术研究会课题“基于校企双主体的高职院校创意人才工学结合培养模式的研究与实践”（项目编号GDGZ12Y146）；广东科学技术职业学院校级科研项目“基于教学企业的实验云环境及云应用开发研究”（项目编号XJMS201202）。
作者简介：曾文英（1967-），女，教授，博士，主要研究方向：网络存储与数据管理、云计算、移动计算、高职教育；朱亚兴（1972-）通讯作者，女，硕士，教授，主要研究方向：计算机应用、软件技术、教育管理；徐承亮（1970-），男，硕士，高级工程师，主要研究方向：无线通信、移动云计算应用开发、高职教育。
关键词：实验云 设计 构建 教学企业 虚拟化
1 概述
教学企业借助现有的设备资源，搭建实验云环境，使得师生可远程使用云环境进行项目的协作开发，具有一定的可行性。
云计算的三层体系架构表明，计算机、网络设备等资源通过虚拟化构建基础设施服务，提供虚拟存储、计算等服务；在此基础上构建SVN、数据库服务器、Web服务器、应用服务器，用户通过网络进行远程开发、测试和部署，可提供云平台服务、软件服务。
教学企业进行实验云环境构建具有如下优势：充分利用计算机、网络等软硬件资源，提供远程存取，协同开发，并对云计算体系结构的理解、基于云计算的设计开发等提供实践环境。通过低成本、灵活自主的方式搭建云环境平台。
主要需解决的问题是：实训设备资源利用率不高；远程协作难；云环境应用开发的搭建、维护与更新、数据存储与共享安全。
2 相关研究
华东交通大学的柴亚辉等发明一种服务于高校计算机与软件教学的实验云平台系统[1]，将多台物理主机通过互联网络构建虚拟机集群实验平臺，同时又将多个分散在学校各处的虚拟机集群系统实验平台整合为一个实验云平台系统。
Phantosys幻影桌面虚拟化平台实现了桌面PC操作系统和应用环境的集中控制、集中管理、应用环境随需供应，提供PC运行所需要的操作系统、应用及个性化计算环境[2，3]。第一代的DOE NetDisk虚拟化产品用网络硬盘替代本地硬盘，PC桌面集中管理，只能提供单一的桌面计算环境，速度完全依赖于网络和服务器。第二代的Phantom虚拟化技术增加虚拟化的多桌面环境的生成及统一管理和提供，桌面个性化环境的保持，运行速度仍依赖于网络和服务器。Phantosys的第三代虚拟架构DVP（Desktop Virtual Platform）将多桌面计算环境虚拟化存储成了一个整体，变成企业的桌面计算环境的资源池，可以统一或单独随需提供给桌面用户，可使任何应用或操作系统保持持续优化、升级、更新和一致以及高可用状态，保持PC速度、效能、兼容性和用户体验及使用习惯。
瞻博网络推出Junosphere云实验室通过基于云的环境降低了网络建模、测试和设计成本[4]，是一个能够改变服务提供商和企业的网络设计、测试和运营方式的虚拟环境。Junosphere可帮助网络运营商创建和运行托管型网络，支持大规模的网络建模、测试和规划。企业能够低价租用网络，与建立实体实验室相比，有助于企业将项目建模速度提高30%，总体拥有成本降低90%。
文献[5]在高校现有的校园网基础上，引入云计算技术，提供一个成本较低、能弹性分配资源、用户不受地理位置限制的实验环境；利用虚拟化技术构建虚拟化资源池，快速布署云端资源，动态组织异构资源，构建不同的应用环境；将高校现有的分布式的实验室架构转变为易于管理维护和提供高效服务的集中式架构。
文献[7]通过融合云计算技术和远程实验技术搭建虚拟实验云平台。采用瘦客户端模式，以程序编译平台、电路仿真平台和硬件实验平台进行设计，提出运用最近最少使用算法（LRU）解决资源访问冲突和提高资源利用效率、建立预约机制的方案。卡拉罗纳州立大学设计研发了LAAP（learn anytime anywhere physics）物理实验系统；华中科技大学开发的虚拟实验教学环境项目用于虚拟实验室建设和虚拟实验教学。
3 架构设计
云计算是计算机技术与网络技术发展融合的产物，根据方式与服务对象的不同可以分为公有云、私有云和混合云，包括3个层次的服务：基础设施服务（IaaS）、平台服务（PaaS）、软件服务（SaaS）。在设计实验云时，我们通过多个教学企业实训室的PC机构建分布式虚拟机集群，通过安装虚拟机操作系统、中间件部署云平台，并在虚拟机中安装和部署各种应用软件提供客户远程访问。
3.1 实验云环境的架构
通过在一个实训室内的有限数目的计算机局域网构建的云环境。我们选取教学企业的每个实训室内的6台计算机构建虚拟机集群，通过1个元数据节点、5个数据节点（当然，也可按需变化），构建一个Hadoop集群，提供云平台软件、数据库、应用等的安装、部署与测试。每个虚拟机节点可以是同构的分区与系统，便于管理；也可以是异构的，通过配置文件进行管理。各虚拟机上安装配置实验所需的软件环境，用户可选择远程登录进行实验。
3.2 分布式云环境
通过分布式的在不同地点的多节点构建云环境。不同实训室分别提供虚拟机节点集群，这些节点集群之间可构成一个局域网，并提供主节点与其它局域网主节点通信；也可采用扁平、网状结构，每个节点之间可相互通信。
分布式云环境易于构建大型分布式网络，实现易于扩展的云网络。可借助于公有云构建实验测试平台，用户通过互联网访问和应用虚拟服务器，进行网络应用部署、调试和测试。
4 技术实现
4.1 平台分析
基于开源平台的云环境的构建技术。①采用Linux+Hadoop进行构建。②采用Openstack构建。③基于XEN 云平台。④基于Eucalyptus云平台。⑤基于CloudStack云平台。⑥基于OpenNebula云平台。VMware宣布了一项开源的PaaS计划Cloud Foundry，开发者可以基于此平台来建设SaaS服务。
基于商业云平台的云环境的构建技术。目前，国内外有不少云平台厂商提供私有云构建解决方案。①微软云平台。②亚马逊云平台。③IBM云平台。④Oracle云平台。⑤新浪云频台。⑥搜狐云平台。⑦国内的云平台如阿里云平台、腾讯云平台、盛大云平台、华为云平台、百度云、360云、115云平台等都做得风生水起，蓬勃发展。 各种平台的共同点是：虚拟化、按需构建和使用、动态开启和共享案例。不同点是：费用；资源的可控性；使用期等。
4.2 教学企业实验云设计
我们基于Ubuntu+Hadoop构建云存储集群，在集群环境上部署Web服务和应用服务，实现远程资源共享和在线实验。拓扑结构采用星形架构，一台元数据服务器，连接5台虚拟机节点构成集群。软件安装通过VMware Workstation上安装Ubuntu+Hadoop而成。同时，安装实验开发所需的数据库软件（如MySQL，HBase，MongoDB，Cassandra等）。
开发环境配置采用J2EE。服务器配置Web服务器。用户访问接口采用命令行与API两种模式。在外网访问云服务器时采用TeamViewer远程访问。通过配置实现云存储文件共享，并借助SVN进行协同开发。
4.3 教学企业实验云环境的构建
需求分析：①构建资源共享环境；②构建分布式协同开发环境；③Web网站。
构建工具：Linux+Hadoop+Tomcat+JDK+SSH
构建过程：①操作系统安装；②虚拟化平台安装；③虚拟Linux操作系统安装；④授权访问；构建虚拟网；安装Hadoop插件；⑤数据库、开发环境等安装；⑥云平台测试。
构建性能评测：①本地I/O响应性能；②并发访问性能；③远程访问性能。
5 教学企业实验云的应用
5.1 教学企业实验云构建
我们在教学企业的3个实训室之间建立了分布式教学企业实验云，建立云存储共享空间；并通过建立数据
库服务器、Web服务器、应用服务器提供远程访问；通过TeamViewer进行远程桌面访问。同时借助公有云存储、公有云服务进行数据资源共享和分发。
5.2 实验云网络测试
实验云网络测试通过本地、局域网、互联网、移动互联网等多种方式进行可用性和可靠性性能测试。
5.3 实验云服务器
通过构建云存储、安装数据库，其中包括关系数据库（RDB），如MS SQL Server，MySQL；非关系型数据库（NoSQL），如HBase、Cassandra、MogoDB、Pig等，作为云应用开发的基础设施和平台，提供给开发者使用；安装Web服务器，作为应用项目测试与部署用。
5.4 基于实验云的应用开发
基于实验云的应用开发主要是借助Java、C#等语言和Hadoop等提供的API进行设计开发。同时，将基于本地开发、私有云的应用开发与公有云平台的应用开发结合，进行基于云平台的应用开发和部署测试。
6 云服务可用性与可靠性分析
云服务通过将软件映射到VM；服务负载分配；数据管理；软件冗余和高可用性机制；快速弹性；过载控制；共享；多租户；同步应用等方式提高可靠性。
云計算最大化服务可用性的方式是：降低软硬件产品、数据中心、IT服务管理、灾难恢复等的宕机时间；优化云服务可用性。在实验云环境中，可通过软硬件产品的稳定性、冗余配置、虚拟机节点的动态加载等方式增强可用性。
实验云应用时，存在本地存储与云存储之间的数据传递与互访；异构云平台之间的通信和计算、存储等资源共享；应用的更新与部署、并发访问性能的保障等均是在实验云应用中遇到的问题，通过借助传统应用开发方法与云应用开发方式的结合进行克服。
7 小结
基于教学企业的实验云是借助教学企业的闲置计算和存储资源，构建虚拟的计算和存储资源集群服务，并根据用户需要进行分配，动态释放，从而提高资源利用率，减少用户使用成本，动态扩展和复制，自适应需求的变化。同时，将基于本地开发、私有云的应用开发与公有云平台的应用开发结合，对实践项目的教学与开发起到了良好的促进作用。
参考文献：
[1]柴亚辉，涂春萍，刘觉夫，胡林峰，周娟.一种服务于高校计算机与软件教学的实验云平台系统[EB/OL].http：//zhuanli.baidu.com
/pages/sipo/20101025/20/6f4c9e5f34510c2c1f2a225be3d4b04c_0.
html.
[2]广州方景信息科技有限公司. PHANTOSYS——校园云实验环境应用方案.http：//pan.baidu.com/share/link？shareid=1140574187
&uk=3006525172，2013-05-30.
[3]phantosys. http：//baike.baidu.com/link？url=OMIPTQULfcU
zvG3TnIghXs-vImS26I_FAAPbjgSNfjgbmANB6rRVsz_tk8BXGnwStwgCckihGU3nMIFGk2UZKK，2015-01-19.
[4]JUNIPER NETWORKS.http：//www.juniper.net/cn/zh/
company/press-center/press-releases/2011/pr_2011_10_03-11_
05.html.
[5]傅务谨.基于云计算的高校私有实验云的研究[J].电脑知识与技术，2013，9（13）：3023-3025.
[6][美]Eric Bauer，Randee Adams著，高巍，李洁，魏凯，等.云计算实战——可靠性与可用性设计[M].北京：人民邮电出版社，2014.
[7]张乃千，杨海，周丽涛.基于云计算的虚拟实验云平台设计[J].计算机教育，2015（1）：39-44.
[8]洪文圳，陈玉琴，黄晓峰.基于Eucalyptus的实验云平台搭建[J].微型机与应用，2014，33（17）：59-61，65.
[9]吴迪.基于XEN云平台的网络安全实验教学[J].实验室研究与探索，2013，32（7）：62-66.
基金资助：广东省产学研项目（项目编号2012B091100499）；广东省科技型中小企业技术创新专项资金项目（项目编号2012CY037）；广东省高等职业教育教学改革立项项目（项目编号201401091）；广东省高职教育类信息技术立项课题“基于教学企业的实验云环境及云应用开发教学改革研究”（项目编号XXJS-2013-1008）；广东省教育科研“十一五”规划项目“支撑校企双主体育人模式的学习中心平台的构建研究与实现”（项目编号2011TJK090）；广东省教育科研“十二五”规划2013年度研究项目“基于知识管理视角的高职院校电子信息工程专业精品资源共享课程建设的实践研究”（项目编号2013JK256）；广东省高等职业教育技术研究会课题“基于校企双主体的高职院校创意人才工学结合培养模式的研究与实践”（项目编号GDGZ12Y146）；广东科学技术职业学院校级科研项目“基于教学企业的实验云环境及云应用开发研究”（项目编号XJMS201202）。
作者简介：曾文英（1967-），女，教授，博士，主要研究方向：网络存储与数据管理、云计算、移动计算、高职教育；朱亚兴（1972-）通讯作者，女，硕士，教授，主要研究方向：计算机应用、软件技术、教育管理；徐承亮（1970-），男，硕士，高级工程师，主要研究方向：无线通信、移动云计算应用开发、高职教育。