基于虚拟化和资源共享技术的云平台设计

    康筱彬 马平安

    

    摘 要：高职教育凭借自身的专业和课程优势参与教育扶贫任务以提升当地劳动人口技術技能，这一形式符合国家要求和当地发展要求，但是贫困地区教育教学条件的不足又严重制约了教学过程中实验和实训活动的开展。在此背景下，利用虚拟化和共享资源技术改善贫困地区技能教育过程所需的实验实训条件，同时避免贫困地区学校硬件升级所需的资金投入，具有一定的实现价值。本文分析了云平台的优势和教学需求，绘制功能架构图，为该构想的实施进行结构设计。

    关键词：教育扶贫;虚拟化;资源共享

    1 概述

    教育扶贫是当下扶贫过程中较为重要的一个环节，针对贫困地区实现永久脱贫的目标需要发展地区经济，而地区经济的发展离不开当地各项产业的发展和大量具有劳动技能人员的参与。因此让贫困地区人员拥有一技之长成为促进就业、发展地区经济和实现脱贫目标的重中之重。职业教育以技能培养为目标组织开展教学活动，课程内容与行业结合紧密，岗位划分明确，根据产业需求和岗位需求进行技术技能培养，但是随着工业进程的开展，大量专业系统和专业工具的熟练使用成为从业人员的技能要求，也成为了职业教育课程的重要组成部分，这类课程的教学通常需要在专用机房中开展，而学生更是需要在这类专业机房中开展大量的操作练习和技能训练。贫困地区通常教学条件较为简陋，很难建立符合要求的训练环境，学生在家更不具备学习条件，特别是当前各专业系统和工具的更新速度较快，贫困地区教育很难跟上行业技术更新的速度。面对一方面要降低贫困地区院校教学硬件投入，另一方面又要保证学校的教学质量的需求，尝试使用基于虚拟化技术和资源共享技术的云平台解决方案。

    2 云平台的简介

    2.1 主要技术说明

    云计算是并行计算、分布式计算和网络计算的发展。根据2011年9月NIST公布的云计算的定义“云计算是一套能够在任何时间和地点进入可配置的计算资源共享池中按需提供所需资源（包括网络、服务器、存储、应用和服务）的模型。”。云平台的构建是虚拟化、公用计算、Iaas（基础设施即服务）、PaaS（平台即服务）、SaaS（软件即服务）等概念混合演进并跃升的结果。

    虚拟化是云计算的技术基础，指计算元件在虚拟基础上而不是真实的基础上运行，虚拟化技术允许一个平台同时运行多个操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率。而且虚拟化也出现了虚拟服务器、桌面、网络、存储等多种应用形式。

    2.2 云平台的特性

    （1）自助服务。使用者不需要或很少需要云服务提供商的协助，就可以单方面按需获取云端的计算资源。

    （2）广泛的网络访问。使用者可以随时随地地使用任何云终端设备接入网络并使用云端的计算资源。常见的云终端设备包括手机、平板、笔记本电脑和台式机等。

    （3）资源池化。云端计算资源需要被池化，以便通过多租户的形式共享给多个使用者，也只有池化才能根据使用者的需求动态分配或再分配各种物理的和虚拟的资源。

    （4）快速弹性。使用者能方便、快捷地按需获取和释放计算资源，也就是需要时能快速获取资源从而扩展计算能力，不需要时能迅速示范个资源以便降低计算能力，从而减少资源的使用费用。

    （5）计费服务。使用者使用云端计算资源时需要付费的，付费的计量方法有很多，比如根据某类资源（如存储、CPU、内存、网络带宽等）的使用量和时间长短计费，也可以按照每使用一次来计费。

    3 云平台建设需求

    3.1 改善帮扶学校“信息孤岛”的现状

    当前帮扶学校的专业系统普遍配套专业机房，所有的教学、实训活动都在专业机房中开展。专业机房单独配置局域网环境，并未接入校园网络和互联网，这使得每一台系统服务器犹如“信息孤岛”不能进行交互访问。同时，“孤岛”现象使得服务器的利用率低下，实训受物理条件限制，不能充分发挥作用。

    3.2 满足学生利用不同终端登录服务器

    计算机硬件更新速度较快，通常高性能设备价格较高，为避免给帮扶学校和扶贫学校、学生增加经济负担，充分利用现有设备，需要对各种类型的终端进行兼容。力求不让贫困地区学校因提升现有机房设备而再次进行资金投入，也使得学生可以在课后也能利用个人设备开展专业系统的操作训练，并且个人操作数据不会因终端设备的不同而丢失。

    3.3 增加平台稳定性和可靠性

    随着学校规模的扩大和专业更新，学生数量增多、专业系统增多成为必然趋势，为保证各系统的正常运行可以通过增加服务器和磁盘阵列的方式提升平台的数据处理能力和存储能力，动态配置虚拟资源使得平台运行稳定。网络管理人员通过维护平台软件即可实现对所有虚拟机系统的维护，避免了终端因受病毒干扰而产生各种异常，降低维护的难度、确保平台运行可靠。

    4 云平台规划与设计

    4.1 功能结构规划展示

    在不改变现有帮扶学校机房设置的前提条件下，通过分布式系统将所有系统服务器连接起来，通过虚拟机管理系统进行资源调配，为学生设置虚拟机。学生通过登录个人虚拟机账号进行各专业系统工具的学习和练习，同时保存个人数据。

    4.2 分布式服务器

    物理服务器是整个网络运行的基础，不仅提供各类专业系统服务器运行，还是虚拟机运行的平台。采用分布式方式通过校园网进行连接，一方面节省网络改造费用，另一方面可以根据根据人数、用户需求等进行服务器的添加。

    4.3 虚拟管理系统

    可分为对物理资源进行管理的虚拟服务器系统和对虚拟资源进行管理的虚拟机管理平台。采用虚拟服务器系统对各个服务器的资源进行整合，构建统一的池化资源平台，确保系统和虚拟机的运行，并通过此系统实现对服务器资源的添加和备份。虚拟机管理平台进行虚拟机创建和迁移，通过管理员设置的虚拟机模板进行虚拟机建设，根据服务器调度策略模型为虚拟机提供最佳宿主服务器。

    4.4 用户端

    学生通过安装在终端的应用程序訪问虚拟机。学生通过账户和密码进行身份认证，登录存放个人数据的虚拟机。学生终端设备硬件要求较低，无需完成任何计算操作，仅需要进行数据上传和数据展示，确保学生仅用手机也可以完成对于虚拟机的操作。

    5 云平台的应用优势

    5.1 资源共享

    简化的用户端应用程序使得学生可以通过智能手机等设备连接虚拟机，访问平台中的学习资源，开展课程专业实训。使得学生不仅可以在学校机房环境中进行学习，也能够在家开展对应练习，达到教学过程中“操作熟练”的训练要求。

    5.2 简化系统管理

    设备配置维护是每个实验室管理人员工作中非常繁杂的一部分。在虚拟机的应用过程中管理人员可通过设置虚拟机模板完成学生机的创建，可以通过对服务器系统的维护实现对所有专业系统和虚拟机运行平台的维护。

    5.3 支持远程访问

    学生在终端设备上的操作借助通信网络进行传输，通过学校网关进行虚拟机操作和平台上各类资源访问。学生可自行进行专业技能训练，延长学习时间提升教学效果。帮扶学校的网络管理人员以为各专业课程资源和软件运行提供技术支持。

    5.4 动态数据监控

    通过对虚拟机设备运行情况和学生平台资源的使用数据进行统计分析，了解学生的学习活动和状况，为分析课堂教学效果和学生学习效果提供数据参考。

    6 结语

    结合教育扶贫过程中帮扶学校和扶贫学校当前网络资源状况构建云平台，不仅提升了现有设备的利用率、简化管理人员的工作量，还可以最大限度地满足对贫困地区的教学条件的改善。

    基于云平台的优势，可以进行后期各类教学资源的上传、开展直播课程和实验课程，学生也可以拥有较好的实验实训环境。但是该系统仍有不足，例如大量学生同时进行访问，必然会造成严重的网络传输延迟，这类问题需要在后续研究的过程中进行改进。

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    课题来源：本文系2019年甘肃省高校科研项目“精准扶贫背景下课程资源共享云平台的研究”（编号：2019B-251）

    作者简介：康筱彬（1982—），女，硕士，副教授，研究方向：教育信息化、数据分析、移动互联技术应用;马平安（1981—），男，硕士，副教授，研究方向：移动互联技术应用、云架构。