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摘要：该文通过研究虚拟化技术在高职院校实践教学中的应用现状，制定一套符合高职院校实践教学需要的私有云平台规划方案。通过有效整合分散的软、硬件资源，搭建统一的实践教学云，通过云管理平台、实践教学云应用，实现灵活统一的资源调配、系统部署和运雏管理模式。从而大大提高资源利用率，提高系统的快速响应，同时减少了实训室管理人员琐碎的管理事务，提高管理人员的工作效率。最终实现以云计算服务为中心的数字化、智慧化实践教学平台的建设目标。
关键词：虚拟化技术；实践教学；私有云
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）14-0106-04
1信息化技术在我院实践教学中应用现状及研究背景
《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》和《教育信息化十年发展规划》中明确提出要“加快教育信息基础设施建设”，“充分整合现有资源，采用云计算技术，形成资源配置与服务的集约化发展途径，构建稳定可靠、低成本的国家教育云服务模式”。这为“十三五”教育信息化发展指明了方向，通过云计算的手段全面部署教育管理信息系统，有助于提升教育资源公共服务平台技术水平和服务能力，有助于提升教育治理体系和治理能力的现代化水平。
近年来，各高职院校均高度重视高校信息化工作，以安徽商贸职业技术学院为例，从2012年起，学院依据数字化校园建设需求，在信息化建设方面投入资金475万元，其中，网络基础设施建设225万元，中心机房建设74万元，软件信息系统建设176万元。信息基础设施初具规模。学院目前已建成万兆骨干校园网、标准化网络中心机房。校园网拥有各类服务器40台，骨干网络交换设备39台，教学与办公终端计算机近4000台，基本建成了以信息门户、统一身份认证和数据交换中心三大平台为基础的数字化校园平台；同时，学院也高度重视实践教学基地的建设，平均每年投入1000万用于校内实训基地的新建、改建、扩建等项目，目前学院共建有校内实训室96个，覆盖全院36个专业的实践教学场所，经过近几年跨越式发展与建设，极大改善了我院实践教学环境，校内实践教学条件得到进一步提升。
随着教育方式的快速转变，学院各系都在大力加强实践教学，不仅电子信息工程系、艺术设计系对信息化硬件需求不断增强，会计系、经济贸易系等财经类专业近年来也陆续采购了VBSE、用友ERP等大型虛拟仿真教学软件，这些虚拟仿真教学软件的部署，对提高财经类实践教学质量有着巨大的推动作用；与此同时，软件对IT基础资源的需求也快速增加，以实验实训中心管理全院42个通用型实训室（以电脑为主体的实训设备超60台为计算依据）为例，通过近几年的建设，实训室配套有机架式服务器7台、塔式服务器16台，在服务器上运行的虚拟仿真教学软件已有近20余种。实训室已从原先的单一台式机逐步转变成以服务器为主导、桌面式台式机为主体的多元化实训室。
服务器与电脑的增配改善了学院实训条件，解决了单一课程软件的运行需求。但实践教学信息化方面却面临着分散建设的问题：所有学生电脑均为独立模式，教学资源与实训成果只能保存在原先电脑中；所有机架式服务器均分散在各个实训室；有的服务器常年只运行一个应用软件；塔式服务器除了少部分数据库服务器之外，其它应用服务器的负载都较小，远没有达到充分利用的状态。出现资源紧张时各系抢着借，资源富裕时服务器断电“睡大觉”的尴尬局面。一方面，信息化系统建设需求越来越多，原有的硬件已经无法支撑更多的新业务，扩容的需求非常紧迫，而另一方面一些服务器资源并未得到有效利用，这一矛盾初显端倪。
研究表明，分散的实训场所的数据中心建设会导致资源利用率低，重复建设，管理成本高的问题。2016年，学院网络中心、实训中心先后实施了部分服务器、桌面计算机的虚拟化工程，初步实现了虚拟化技术在校内的应用，从运行及维护方面看，通过有效的虚拟化可以加快的新实践教学管理软件的运行降低采购成本，提高业务的可靠性。
2学院实训中心信息化技术的现状分析与解决思路
2.1现状分析
学院实训中心目前以7台X86服务器为主，部署了多个信息系统为学院实践教学业务提供信息化技术支撑。目前部署有数据库服务器、应用服务器、文件服务器等独立服务器，运行着实践教学应用、机房管理、数据库等业务。从现有运行数据来看，除了数据库服务器之外，其它应用服务器的负载都较小，远没有达到充分利用的状态。所有业务都采用单机部署，数据存放在系统本地硬盘，同时数据中心的设备使用周期较长，存在较大的安全隐患。随着实践教学业务的不断发展，即将建设和管理的实训信息系统不断增加，对实训中心管理部门在资源利用、系统部署及业务连续性方面提出了更高的要求。从学院业务运行效率，以及连续性保障等方面，对数据中心基础架构资源进行升级改造势在必行。
2.2解决思路
云计算的出现和演变是从1990年代开始的，它经历了网格计算、效用计算、软件即服务（SaaS）等几个阶段。我们可以这样定义云计算：云计算是一种计算模式，在这种模式中，应用、数据和IT资源以服务的方式通过网络提供给用户使用。云计算也是一种基础架构管理的方法论，大量的计算资源组成IT资源池，用于动态创建高度虚拟化的资源提供用户使用。综上所述，云计算是一种能够降低IT复杂性的新方法，它将按需提供的自助管理虚拟基础架构汇集成高效池，以服务的形式提供计算，目前来看，云计算就是能够实现前述要求的主要技术体现。
在这种环境下，基于云计算的虚拟化技术就体现了整合优势。应用在IT的不同层面，从逻辑层到物理层抽象出来意味着逻辑组件会得到更一致的管理。从各方面来看，均对实训室平台性能有较大提升。
1）从安全监督来看，虚拟化技术提升了X86服务器的可靠性、可用性，从基础架构层面获得了原先单机系统无法想象的功能，大大提高了业务连续性的级别，降低了故障率、减少了系统宕机的时间。 2）从服务器的角度来看，虚拟化技术让每台设备都能托管多种操作系统，最大化了利用率，降低了服务器数量。
3）从存储的角度来看，虚拟化技术可网络化、整合磁盘设备，并让多个服务器共享磁盘设备，从而提高了利用率。
4）從应用的角度来看，虚拟化技术将应用计算从用户设备中分离出来，并在数据中心对应用及相关数据进行整合，通过集中化技术改善了管理和系统安全性。
通过现状分析和技术需求分析，采用对实训中心所有X86架构服务器进行虚拟化迁移整合，建设数据中心计算存储超融合资源池的解决方案。下图1是虚拟化整合之后的IT架构，可以看出来，原有的网络结构并没有改变，避免了资源重复建设。
3实践教学云平台的构建
基于目前实践教学环境中服务器、存储、网络和安全现状和未来学院实践教学业务发展目标规划设计了云平台逻辑架构。平台包含实训云平台基础资源架构、实训资源管理平台、桌面云及数据安全管理平台等五个子模块。通过服务器虚拟化（SDC）、存储虚拟化（SDS）和网络虚拟化（SDN）技术构建软件定义的数据中心（SDDC），实现对学院实训环境的资源支持，再结合实训云平台资源管理平台和实训桌面云接入平台实现实训资源管理及按照教学需要自动化交付实训应用环境，满足不同师生对实训应用场景的个性化要求，实现实践教学信息系统基础架构“统一规划”、“统一部署”、“统一投资”和“统一管理”。实践教学云平台整体业务逻辑架构设计如图2所示。
根据逻辑架构图，可以将实践教学云平台分为以下几个核心业务模块：
1）实践教学云资源平台
通过软件定义的计算、软件定义的存储、软件定义的网络技术对数据中心基础设施进行资源抽象整合，形成虚拟化资源池，为实训课程资源、教育教学应用资源、实训终端桌面云资源提供基础设施支撑服务，满足实践教学对底层资源的动态、灵活、可靠、可扩展等要求。
2）教学、实训资源管理平台
构建实训资源管理平台，将学院各类实训课程进行集中统一构建、部署、分发、使用、回收管理，对传统的实训模式进行创新，利用云计算自服务能力，满足不同课程环境的云计算服务化交付。利用实训云平台构建在线教学、MOOC、精品课程等教学应用资源，满足日常教学需求。
3）桌面云及数据安全管理平台
通过桌面云管理平台对桌面云用户权限、应用类型、实训课程内容及实训手册进行管理，构建标准化实训云桌面接人环境，简化机房管理员终端运维管理的同时，可以实现通用实训软件的快速部署及应用软件的切换。
4）教学，实训云资源管理及自动化引擎
资源管理及自动化引擎负责实训课程资源分配、课程支撑环境组建、课程间隔离管理等功能，教师可手动或自动部署课程为学生提供实验环境；自动化引擎实现课程的自动化创建及回收管理，最大化实训资源的复用率。
5）教学/实训云平台服务门户
学生可以利用实训服务门户自助申请、使用实训资源，通过服务门户与云计算资源平台进行服务交互。4大规模并发计算在虚拟化技术中的实现
虚拟化技术的引进，带来了虚拟网络（网络虚拟化）的概念。在虚拟化平台层面，将会衍生出一个虚拟交换层。虚拟机（应用）与系统外的数据交互，都是通过虚拟交换层（虚拟交换机）来实现的，网络管理的终端设备是虚拟网卡，物理网卡仅仅作为一个数据通道存在，没有管理意义。
对于虚拟化平台的网络管理，需要单独建设虚拟化管理网，作用是对虚拟化环境的统一管理，并且单独便于计算资源流动时不会对生产网造成影响。下图3是虚拟化平台的网络连接示意图。
在进行大规模并行计算方面，云平台下的应用作为客户端发出计算请求，为完成计算请求作业，首先将其拆分成若干个任务，然后分配到分布式数据网格的各个节点去执行，经过计算处理之后，相关计算节点的结果自动汇总到发出此计算请求的客户端并得出最终结果。当计算节点不充足时，用户自动添加计算资源满足高并行计算的压力负载，用户还可根据自己的计算需求灵活设置并行计算策略，这大大提高并行计算的机动性，使其分布式扩展得到良好的保证。在跨数据中心的分布式计算方面WAN网关联的成员之间（或者相同网络的多个集群之间）为了分布数据，使用超对等体的网关特性来提供异步复制数据到远程分布式系统。一个网关进程在一个或多个数据区域上监听增，删，改，查事件，然后以容错的方式f内存或者磁盘）队列化相关事件，事件被保存在队列里，当多个更新共同作用于一个键，此事件会合并在一起（旧的更新从队列中删除，最新的更新留在队列中）。发送到远程系统的事件是批量的，根据分布式系统之间网络状况的可以配置消息的大小。在接受端做冲突检测，网关配置成单向或者双向，或多个远程站点接受事件，达到异步网关分布式数据中心协同计算。异步网关分布式架构如图4所示。
5实践教学云平台应用成效
1）应用服务器的效率对比
实践教学云平台采用虚拟化技术后，在原有7台刀片服务器组成的虚拟化资源集群中，只要具有整体资源空闲，即可采用模板或服务器复制方式快速建立一台新的虚拟化服务器，耗时不超过15分钟。与传统方式相比，所需部署时间最短可以缩小到1/1440。极大的提高了用户应对各类突发新的应用需求的能力，并且节约了工作时间，提高工作效率。服务器准备耗时对比如图5所示。
21虚拟化前后的教学成本估算对比
在虚拟化之后，我们如果按上述整合比为例，以五年新建、改建30个通用实训室规模进行计算，虚拟化后需要5台四路四核CPU服务器，只需10块Infiband网卡和10块HBA卡（每台服务器配两块HBA卡，形成链路冗余）。结合人工及电力成本，五年共节省教学成本449万。
虚拟化前、后对比分析如表1所示。
6结束语
通过研究虚拟化技术应用现状，制定了一套符合高职院校实践教学需要的私有云平台规划方案并应用。实践表明通过有效整合分散的软、硬件资源，搭建统一的实践教学云，可以大大提高资源利用率，提高系统的快速响应，同时减少了实训室管理人员琐碎的管理事务，提高管理人员的工作效率。
关键词：虚拟化技术；实践教学；私有云
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）14-0106-04
1信息化技术在我院实践教学中应用现状及研究背景
《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》和《教育信息化十年发展规划》中明确提出要“加快教育信息基础设施建设”，“充分整合现有资源，采用云计算技术，形成资源配置与服务的集约化发展途径，构建稳定可靠、低成本的国家教育云服务模式”。这为“十三五”教育信息化发展指明了方向，通过云计算的手段全面部署教育管理信息系统，有助于提升教育资源公共服务平台技术水平和服务能力，有助于提升教育治理体系和治理能力的现代化水平。
近年来，各高职院校均高度重视高校信息化工作，以安徽商贸职业技术学院为例，从2012年起，学院依据数字化校园建设需求，在信息化建设方面投入资金475万元，其中，网络基础设施建设225万元，中心机房建设74万元，软件信息系统建设176万元。信息基础设施初具规模。学院目前已建成万兆骨干校园网、标准化网络中心机房。校园网拥有各类服务器40台，骨干网络交换设备39台，教学与办公终端计算机近4000台，基本建成了以信息门户、统一身份认证和数据交换中心三大平台为基础的数字化校园平台；同时，学院也高度重视实践教学基地的建设，平均每年投入1000万用于校内实训基地的新建、改建、扩建等项目，目前学院共建有校内实训室96个，覆盖全院36个专业的实践教学场所，经过近几年跨越式发展与建设，极大改善了我院实践教学环境，校内实践教学条件得到进一步提升。
随着教育方式的快速转变，学院各系都在大力加强实践教学，不仅电子信息工程系、艺术设计系对信息化硬件需求不断增强，会计系、经济贸易系等财经类专业近年来也陆续采购了VBSE、用友ERP等大型虛拟仿真教学软件，这些虚拟仿真教学软件的部署，对提高财经类实践教学质量有着巨大的推动作用；与此同时，软件对IT基础资源的需求也快速增加，以实验实训中心管理全院42个通用型实训室（以电脑为主体的实训设备超60台为计算依据）为例，通过近几年的建设，实训室配套有机架式服务器7台、塔式服务器16台，在服务器上运行的虚拟仿真教学软件已有近20余种。实训室已从原先的单一台式机逐步转变成以服务器为主导、桌面式台式机为主体的多元化实训室。
服务器与电脑的增配改善了学院实训条件，解决了单一课程软件的运行需求。但实践教学信息化方面却面临着分散建设的问题：所有学生电脑均为独立模式，教学资源与实训成果只能保存在原先电脑中；所有机架式服务器均分散在各个实训室；有的服务器常年只运行一个应用软件；塔式服务器除了少部分数据库服务器之外，其它应用服务器的负载都较小，远没有达到充分利用的状态。出现资源紧张时各系抢着借，资源富裕时服务器断电“睡大觉”的尴尬局面。一方面，信息化系统建设需求越来越多，原有的硬件已经无法支撑更多的新业务，扩容的需求非常紧迫，而另一方面一些服务器资源并未得到有效利用，这一矛盾初显端倪。
研究表明，分散的实训场所的数据中心建设会导致资源利用率低，重复建设，管理成本高的问题。2016年，学院网络中心、实训中心先后实施了部分服务器、桌面计算机的虚拟化工程，初步实现了虚拟化技术在校内的应用，从运行及维护方面看，通过有效的虚拟化可以加快的新实践教学管理软件的运行降低采购成本，提高业务的可靠性。
2学院实训中心信息化技术的现状分析与解决思路
2.1现状分析
学院实训中心目前以7台X86服务器为主，部署了多个信息系统为学院实践教学业务提供信息化技术支撑。目前部署有数据库服务器、应用服务器、文件服务器等独立服务器，运行着实践教学应用、机房管理、数据库等业务。从现有运行数据来看，除了数据库服务器之外，其它应用服务器的负载都较小，远没有达到充分利用的状态。所有业务都采用单机部署，数据存放在系统本地硬盘，同时数据中心的设备使用周期较长，存在较大的安全隐患。随着实践教学业务的不断发展，即将建设和管理的实训信息系统不断增加，对实训中心管理部门在资源利用、系统部署及业务连续性方面提出了更高的要求。从学院业务运行效率，以及连续性保障等方面，对数据中心基础架构资源进行升级改造势在必行。
2.2解决思路
云计算的出现和演变是从1990年代开始的，它经历了网格计算、效用计算、软件即服务（SaaS）等几个阶段。我们可以这样定义云计算：云计算是一种计算模式，在这种模式中，应用、数据和IT资源以服务的方式通过网络提供给用户使用。云计算也是一种基础架构管理的方法论，大量的计算资源组成IT资源池，用于动态创建高度虚拟化的资源提供用户使用。综上所述，云计算是一种能够降低IT复杂性的新方法，它将按需提供的自助管理虚拟基础架构汇集成高效池，以服务的形式提供计算，目前来看，云计算就是能够实现前述要求的主要技术体现。
在这种环境下，基于云计算的虚拟化技术就体现了整合优势。应用在IT的不同层面，从逻辑层到物理层抽象出来意味着逻辑组件会得到更一致的管理。从各方面来看，均对实训室平台性能有较大提升。
1）从安全监督来看，虚拟化技术提升了X86服务器的可靠性、可用性，从基础架构层面获得了原先单机系统无法想象的功能，大大提高了业务连续性的级别，降低了故障率、减少了系统宕机的时间。 2）从服务器的角度来看，虚拟化技术让每台设备都能托管多种操作系统，最大化了利用率，降低了服务器数量。
3）从存储的角度来看，虚拟化技术可网络化、整合磁盘设备，并让多个服务器共享磁盘设备，从而提高了利用率。
4）從应用的角度来看，虚拟化技术将应用计算从用户设备中分离出来，并在数据中心对应用及相关数据进行整合，通过集中化技术改善了管理和系统安全性。
通过现状分析和技术需求分析，采用对实训中心所有X86架构服务器进行虚拟化迁移整合，建设数据中心计算存储超融合资源池的解决方案。下图1是虚拟化整合之后的IT架构，可以看出来，原有的网络结构并没有改变，避免了资源重复建设。
3实践教学云平台的构建
基于目前实践教学环境中服务器、存储、网络和安全现状和未来学院实践教学业务发展目标规划设计了云平台逻辑架构。平台包含实训云平台基础资源架构、实训资源管理平台、桌面云及数据安全管理平台等五个子模块。通过服务器虚拟化（SDC）、存储虚拟化（SDS）和网络虚拟化（SDN）技术构建软件定义的数据中心（SDDC），实现对学院实训环境的资源支持，再结合实训云平台资源管理平台和实训桌面云接入平台实现实训资源管理及按照教学需要自动化交付实训应用环境，满足不同师生对实训应用场景的个性化要求，实现实践教学信息系统基础架构“统一规划”、“统一部署”、“统一投资”和“统一管理”。实践教学云平台整体业务逻辑架构设计如图2所示。
根据逻辑架构图，可以将实践教学云平台分为以下几个核心业务模块：
1）实践教学云资源平台
通过软件定义的计算、软件定义的存储、软件定义的网络技术对数据中心基础设施进行资源抽象整合，形成虚拟化资源池，为实训课程资源、教育教学应用资源、实训终端桌面云资源提供基础设施支撑服务，满足实践教学对底层资源的动态、灵活、可靠、可扩展等要求。
2）教学、实训资源管理平台
构建实训资源管理平台，将学院各类实训课程进行集中统一构建、部署、分发、使用、回收管理，对传统的实训模式进行创新，利用云计算自服务能力，满足不同课程环境的云计算服务化交付。利用实训云平台构建在线教学、MOOC、精品课程等教学应用资源，满足日常教学需求。
3）桌面云及数据安全管理平台
通过桌面云管理平台对桌面云用户权限、应用类型、实训课程内容及实训手册进行管理，构建标准化实训云桌面接人环境，简化机房管理员终端运维管理的同时，可以实现通用实训软件的快速部署及应用软件的切换。
4）教学，实训云资源管理及自动化引擎
资源管理及自动化引擎负责实训课程资源分配、课程支撑环境组建、课程间隔离管理等功能，教师可手动或自动部署课程为学生提供实验环境；自动化引擎实现课程的自动化创建及回收管理，最大化实训资源的复用率。
5）教学/实训云平台服务门户
学生可以利用实训服务门户自助申请、使用实训资源，通过服务门户与云计算资源平台进行服务交互。4大规模并发计算在虚拟化技术中的实现
虚拟化技术的引进，带来了虚拟网络（网络虚拟化）的概念。在虚拟化平台层面，将会衍生出一个虚拟交换层。虚拟机（应用）与系统外的数据交互，都是通过虚拟交换层（虚拟交换机）来实现的，网络管理的终端设备是虚拟网卡，物理网卡仅仅作为一个数据通道存在，没有管理意义。
对于虚拟化平台的网络管理，需要单独建设虚拟化管理网，作用是对虚拟化环境的统一管理，并且单独便于计算资源流动时不会对生产网造成影响。下图3是虚拟化平台的网络连接示意图。
在进行大规模并行计算方面，云平台下的应用作为客户端发出计算请求，为完成计算请求作业，首先将其拆分成若干个任务，然后分配到分布式数据网格的各个节点去执行，经过计算处理之后，相关计算节点的结果自动汇总到发出此计算请求的客户端并得出最终结果。当计算节点不充足时，用户自动添加计算资源满足高并行计算的压力负载，用户还可根据自己的计算需求灵活设置并行计算策略，这大大提高并行计算的机动性，使其分布式扩展得到良好的保证。在跨数据中心的分布式计算方面WAN网关联的成员之间（或者相同网络的多个集群之间）为了分布数据，使用超对等体的网关特性来提供异步复制数据到远程分布式系统。一个网关进程在一个或多个数据区域上监听增，删，改，查事件，然后以容错的方式f内存或者磁盘）队列化相关事件，事件被保存在队列里，当多个更新共同作用于一个键，此事件会合并在一起（旧的更新从队列中删除，最新的更新留在队列中）。发送到远程系统的事件是批量的，根据分布式系统之间网络状况的可以配置消息的大小。在接受端做冲突检测，网关配置成单向或者双向，或多个远程站点接受事件，达到异步网关分布式数据中心协同计算。异步网关分布式架构如图4所示。
5实践教学云平台应用成效
1）应用服务器的效率对比
实践教学云平台采用虚拟化技术后，在原有7台刀片服务器组成的虚拟化资源集群中，只要具有整体资源空闲，即可采用模板或服务器复制方式快速建立一台新的虚拟化服务器，耗时不超过15分钟。与传统方式相比，所需部署时间最短可以缩小到1/1440。极大的提高了用户应对各类突发新的应用需求的能力，并且节约了工作时间，提高工作效率。服务器准备耗时对比如图5所示。
21虚拟化前后的教学成本估算对比
在虚拟化之后，我们如果按上述整合比为例，以五年新建、改建30个通用实训室规模进行计算，虚拟化后需要5台四路四核CPU服务器，只需10块Infiband网卡和10块HBA卡（每台服务器配两块HBA卡，形成链路冗余）。结合人工及电力成本，五年共节省教学成本449万。
虚拟化前、后对比分析如表1所示。
6结束语
通过研究虚拟化技术应用现状，制定了一套符合高职院校实践教学需要的私有云平台规划方案并应用。实践表明通过有效整合分散的软、硬件资源，搭建统一的实践教学云，可以大大提高资源利用率，提高系统的快速响应，同时减少了实训室管理人员琐碎的管理事务，提高管理人员的工作效率。