基于云计算特色实验室的建设与创新实践教学.pdf

ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第 26 卷 第 3 期 2023 年 6 月Vol.26 No.3 Jun.2023 基于云计算特色实验室的建设与创新实践教学阮灿华,刘必雄,林晓宇(福建农林大学 计算机与信息学院,福建 福州 350002)摘 要:为满足计算机实验教学、不同学科实验教学环境交叉融合以及创新实践训练对多样化实验环境的需求,结合福建农林大学云计算实验室建设的实践,介绍了云计算实验室解决方案价值及其优势,分析了云计算实验体系架构、环境管理、教学、科研、实践、服务社会体系构建,提出了云计算实验室建设规划,最后阐述了解决方案的安全管理。基于云计算实验室可以轻松应对实验室管理、教学、科研、服务社会等方面的挑战,满足师生随时随地不间断创新实验的要求,对提高学生创新能力和师生教学多样化服务有很大的帮助。关键词:云计算;特色实验室;安全管理;虚拟技术中图分类号:TP393 文献标识码:B doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.03.036Construction and innovative practice teaching based on cloud computing characteristic laboratoryRUAN Canhua,LIU Bixiong,LIN Xiaoyu(College of Computer and Information,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou 350002,China)Abstract:In order to meet the demands of computer experiment teaching,the cross-integration of ex-perimental teaching environments of different disciplines,and innovative practice training for diverse experimental environments,combined with the practice of cloud computing laboratory construction in Fujian Agriculture and Forestry University.This paper introduces the solution value and advantages of cloud computing laboratory.It analyzes the cloud computing experimental system architecture,environ-mental management,teaching,scientific research,practice,and social service system construction,puts forward the construction plan of cloud computing laboratory,and finally expounds the security management of the solution.Based on cloud computing,the laboratory can easily meet the challenges of laboratory management,teaching,scientific research,serving the society,etc.,and meet the re-quirements of teachers and students for uninterrupted innovation experiments anytime,anywhere.It is of great help to improve students innovative ability and diversified teaching services for teachers and students.Key words:cloud computing;characteristic laboratory;security management;virtual technology 收稿日期:2021-06-22 修改日期:2022-08-11作者简介:阮灿华,硕士,实验师,主要研究方向为实践教学管理、网络安全、存储技术、云计算。E-mail:ruancanhua 基金 项 目:福 建 省 自 然 科 学 基 金 面 上 项 目(项 目 编 号:2018J01644);福建省教育科学规划“十二五”规划 2014 年度课题(项目编号:FJJKCGZ14-005);福建省教育厅项目(项目编号:JA14119);福建省中青年教师教育科研项目资助(项目编号:JAT200102);福建农林大学科技创新专项基金资助项目(项目编号:CXZX2018033)。随着我国高等教育发展方向由做大转向做强,各高校着力点都从专业学科入手,优化学科结构,促使实验教学环境交叉。学生创新能力的提高离不开实验平台的建设和提高。目前福建农林大学现有设备分散于各学院各学科,有些实验室只服务于单个学科单门课,设备使用率低。为了提高设备使用率,福建农林大学计算机与信息学院整合各类型实验室成立了学院级实验中心,从实验室项目立项到使用都考虑到设备的跨课程、跨学科统筹利用问题。计算机与信息学院现有 56 间实验室(计算机基础课程类实验室、学院专业类实验室及科研类实验室),其中 13 间计算机基础实验室中宝铃楼 301 和宝铃楼 302 实验设备为 2007 年购置,已经无法满足教学需要,宝铃楼 303、401、402、403、501、502 和 503 实验室每次实验最多只能容纳 90 位学生,虽然宝铃楼 304 实验室每次实验最多能容纳 120 位学生,但该实验室设备购置于 2013 年,接近报废年限,设备性能无法满足实验需要。而学校有些专业人数较多,公共课通常安排一个教学班上课,因此急需容纳人数较多可满足基础实验、专业实验、实践实训、服务和科研等要求的特色实验室。本实验室建设项目不仅可以满足基础实验的需求,基础实验面向全校各专业,其受益师生规模较大,主要承担的课程有“大学信息技术基础”(OFFICE 2016)、“数据库应用基础”(ACCESS 2016)、“VB 程序设计”、“R 语言及应用”、“Matlab 编程”、“Python 程序设计”、“Office高级应用”(OFFICE 2016)等课程,也可以满足专业的大规模集群实验、高性能计算实验、计算资源要动态调度、深度学习、网络工程等专业实验的教学科研使用1,同时可以服务大学生创新实践及个性化社会新型技术人才的培养。1 云计算实验室解决方案目前福建农林大学计算机与信息学院计算机类实验室,都是采购单机形式,在单机上安装三个操作系统(教学类、省考类,国考类),操作系统里的软件都是根据教师或考试的要求按需安装更新。单机建设成本高,而且计算机技术飞速发展,计算机硬件配置一般 6 年就需要进行升级或淘汰,使用周期短,单机硬件淘汰率高,维保和升级难度比较大,存在很大资源浪费问题。使用云计算实验室解决方案在扩容及升级硬件资源问题方面有天然的优势,同时具有以下几个特点。1.1 设备维护简单传统单机环境的实验室故障率高,平均每 3 间计算机类实验室就需要一名专职实验室管理员进行软硬件管理维护。云平台环境下,所有资源在服务器端自动管理控制,只要在服务器后端进行方便简单的维护,而云计算实验室前端不需要太多维护,提高了实验室管理人员的工作效率 2。1.2 业务可靠在传统单机环境下,所有实验、应用程序和数据都要在本地单台计算机上进行处理,但传统单机环境下系统稳定性只有 99%左右,年宕机时间比较长,而在云环境中,所有实验数据和各种应用程序都是在服务器上处理,通过双机互备、RAID 技术、不间断电源、精密空调等系统充分保障师生教学科研实验的连续性和各类考试的稳定运行。1.3 利用率高在传统单机环境下,师生只能通过实验室单机访问其个性化桌面,极大地限制了创新性实验开展和使用的灵活性。而在云环境中,无论是在实验室还是在宿舍,师生都可以简单的通过各类终端使用帐号密码或指纹等认证接入属于自己的虚拟机,随时随地进行移动创新实验或科研活动。由于虚拟机都集中运行,并且各种应用和数据都存在服务端数据中心,师生只要连网就可以实现无缝切换、不中断应用运行创新类和计算需求比较大的科研类实验。1.4 资源弹性在云环境下,所有资源(CPU,内存,硬盘,GPU等)都集中在宝铃楼 106 服务器里,实现各类资源集中管控和弹性调度。需要资源多的实验可以弹性分配较多资源,基础类实验可以弹性分配较少资源,节省下资源分配给科研或应急使用。各类资源集中管理、可弹性调度,提高了实验室资源利用率 3。2 云计算实验室建设2.1 云计算实验室体系架构云计算实验室允许师生通过笔记本、计算机、手机、平板等多种终端接入,学校现有的 AD、DNS、DHCP 等设备可以保留使用,云桌面管理平台(Fu-sionAccess)主要是由接入和访问控制层和云桌面管理层等 10 个组件构成,实验室管理员通过 Fusion-Access 弹性管理各种资源及各类用户桌面。云操作系统平台(FusionCompute)负责 CPU、内存、硬盘、GPU、网络等硬件资源虚拟化及管理。云计算实验室逻辑架构如图 1 所示。2.1.1 接入和访问控制层有 4 个组件Web 接口(Web Interface,WI),师生的用户名和密码经过 Web 登录界面程序加密后发给 AD 进行验证,身份验证无误后,Web 接口提供该用户允许访问的虚拟机入口。单一名称服务设置了单一名称服务就可以通过一个地址访问多套 FusionAccess 系统。虚拟接入网关(Virtual Access Gateway,vAG),虚拟机自身出现故障后管理员进行维护和接入网关。当终端用户在客户端无法登录时,实验室管理241 阮灿华,等:基于云计算特色实验室的建设与创新实践教学员登录华为云平台通过 VNC 就可以登录及维护故障虚拟机。虚拟负载均衡器(Virtual Load Balance,vLB),用户访问 Web 接口时,vLB 按顺序解析发送其下绑定的 IP 给用户,实现不同 Web 接口负载均衡,提高Web 接口可靠性及对用户服务响应速度 4-5。2.1.2 云桌面管理层有 6 个组件IT 适配器是管理虚拟机的接口。与华为桌面控制器、云操作系统平台之间交互,从而实现各类虚拟机创建、资源分配、模板等维护管理。华为桌面控制器是对云平台桌面组及各类虚拟机登录的管理。License 服务器负责许可管理与发放。瘦终端管理服务器(Thin Client Management,TCM)为 CT 系列桌面管理系统。GaussDB 数据库为 IT 适配器及华为桌面控制器存储数据信息。备份服务器(Backup Server)为云平台各个组件的信息备份。图 1 云计算实验室逻辑架构2.2 云计算实验室环境管理2.2.1 桌面管理虚拟机模板是创建和模板软硬件完全一致的虚拟机。这种方式部署本质是为目标虚拟机寻找一个或多个合适的存储点,创建卷,再按虚拟机模板里的内容拷贝至新卷。基础实验、验证性实验等实验课根据不同课程链接克隆虚拟机模板,创建出不同实验内容的师生教学虚拟机。这种方式优点是使用同一模板克隆虚拟机之间的公共部分都共用一份磁盘空间。因此采用链接克隆方式,同样的磁盘空间可以支持更多虚拟机,若课程更新或教师要求升级更新实验课软件及配置的话,只要先更新虚拟机模板,再使用这个模板批量更新虚拟机。专业实验、创新实验、科研实验等类型实验根据源虚拟机,完整复制创建独立的专用虚拟机。用这种方式创建出来的虚拟机修改乃至删除都不会影响到源虚拟机的运行。每台虚拟机可以按实验要求个性化分配 CPU、GPU、内存、磁盘及网速等资源,它们都是独立个体。2.2.2 虚拟机管理实验室管理员根据不同实验需要,选择合适的虚拟机模板创建、更新及管理虚拟机。管理员通过云平台在不同实验课开始前定时使用不同课程虚拟机模板更新虚拟机。在云计算实验室中所有用户都是域用户,AD 管理所有用户的各种操作权限及数据权限,创建基础教学桌面组、各专业教学桌面组、各学科科研桌面组、实践实训桌面组及考试组,每一个虚拟机都属于这其中的某个桌面组。桌面组类型按需求设置为科研类“专有”、通用基础类“动态池”341和专业教学类“静态池”。“专有”类型适合用于各学科科研桌面组及考试组,使用完整复制虚拟机方式,用户和虚拟机之间是 11或 1 n 的绑定关系,一位用户只有一台虚拟机或对应多台虚拟机;“动态池”类型适合于资源需求少且通用的基础教学桌面组,平台用户与虚拟机间没有绑定关系,当用户登录后,云平台从“动态池”中随机分配一台尚未分配的虚拟机给该用户;“静态池”类型适用于资源需求较高且不同的各专业教学桌面组,当平台用户第一次登录,平台就会从“静态池”分配一台尚未使用的虚拟机并与该虚拟机的绑定关系,以后该用户登录上来后都使用第一次登录的虚拟机。虚拟机维护管理包括虚拟机规格(CPU、内存、GPU、磁盘、网速、业务类型等)、状态(启动/唤醒、重启、休眠、关闭等)及其他虚拟机相关维护管理功能 6。云计算实验室平台支持对虚拟机进行分域管理(不同实验内容、科研内容),为师生科研创新实验提供更好的运行环境。2.3 云计算实验室教学、科研、实践、服务社会体系构建2.3.1 实验教学基础实验教学是面向福建农林大学各专业基础类课程,主要课程有“大学信息技术基础”(OFFICE 2016)、“数据库应用基础”(ACCESS 2016)、“VB 程序设计”、“R 语言及应用”、“Matlab 编程”、“Python程序设计”、“Office 高级应用”(OFFICE 2016)等课程,这些基础实验对资源需求比较少,一般分配 2 个CPU,4G 内存,40G 磁盘空间就可以正常运行。同时运行 139 台虚拟机进行实验教学,如图 2 所示IOPS、IO 带宽、IO 时延、CPU 占用率、MEM 占用率、网卡速率等指标均表现良好,实验效果优异,完全满足要求。图 2 实验效果监控 专业实验教学主要服务于计算机与信息学院 4个系及外院与计算机与信息学院组成的虚拟教研室。主要课程有算法分析与设计、数据计算智能、网络空间安全、智能优化算法、机器学习算法、数据挖掘算法、Spark 开发应用、数据科学专题实践、计算机视觉、抽样调查技术、统计学习等,这些专业实验对资源需求比较多,一般分配 4 个 CPU,8G 内存,80G 磁盘空间,如果专业实验涉及到并行、图形图像、大数据等内容就要灵活调整 CPU、GPU、内存及磁盘空间。实验教学平台可以支持教师自主研发的实验,可完美开展线上线下混合式教学,“大学信息技术基础”、“生物大数据”等 36 门课程入选首批国家级一流本科课程认定结果名单 7(其中,线上 20 门,虚拟仿真实验教学 8 门,线下 3 门,混合式 2 门,社441 阮灿华,等:基于云计算特色实验室的建设与创新实践教学会实践一流课程 3 门)。师生可以在教学平台上获取相应的电子书、配套软件环境、教学视频、练习、测试、问答及知识库等专业性配套实验内容,简化教学复杂度,提高课程教学质量。2.3.2 科研实践考试云计算实验平台提供 GPU 计算集群服务、科研数据库和算法案例数据库等丰富的教学科研资源,方便师生在实验室或远程进行科研活动 8-9。通过不同模板支持计算机与信息学的大数据、人工智能、软件工程等各种实训,提供实践学习资料、案例及实践环境,同时可以进行全国计算机等级考试、福建省计算机等级考试、各类的课程考试及认证考试。2.3.3 服务社会云计算实验平台通过提供良好的软硬件环境,宣传、支持学生积极参加各种高水平竞赛,如数学建模竞赛、ACM 竞赛、蓝桥杯 10等,通过开展竞赛,以竞赛促专业学习,充分发挥学生学习主观能动性,提高学习兴趣。通过开展科研、竞赛服务,将师生与企业优秀人员结合在一起,促进师生科研能力提高,培养学生创新思维及创业能力 9。云计算实验室与企业一起进行产学研合作,通过培训、资源和数据共享的方式,结合产业发布创新性实验项目,支持学生进行创新性实验训练 11。3 云计算实验室解决方案的安全管理除了应对传统数据中心的安全威胁,云计算还面临在网络层次基础设施,主机层次基础设施,应用层次基础设施及数据与存储安全方面的新的威胁和挑战。云计算实验室结合自身特点提出安全解决方案,如图 3 所示。图 3 安全解决方案 从终端管控、接入访问控制及运维管理等三方面开展保证云计算实验室接入与管理安全,在确保各类终端(笔记本、台式机、平板、手机等)自身安全的情况下,当各类终端通过网络连接云计算实验室时,对其进行 SSL 证书校验保证连接终端安全。对通过指纹认证方式接入的用户进行认证,保证云计算实验室接入安全 3。云管理设备从帐号、密码、各类用户对计算设备和存储设备的操作权限及数据权限、云平台日志等方面确保云平台日常管理的安全。云平台自身内部安全方面,通过不同网络物理隔离、软硬件防火墙、数据加密后传输等手段,在网络传输方面保证实验顺利开展 12。云计算实验室里同一服务器上不同虚拟机之间的资源隔离,保证虚拟机之间不能相互影响,每台虚拟机只能访问自己的软硬件资源。云计算实验室还通过安全策略统一进行数据管理、软件补丁管理、防病毒软件等措施确保服务器的安全 13。4 结语利用云计算技术进行的实验室建设与创新实践教学工作所涉及的各种构架已经很成熟,基于云计(下转第 149 页)541王雪红,等:材料类研究生创新实验平台的构建和管理同研究方向的研究生,这些研究生凭借扎实的专业知识以及较强的自学能力,在完成各自科研课题的同时,也为实验中心建立和引进了一系列新的技术和方法,有助于开发新的实验教学项目。比如:依托“滑石粉填充聚乳酸共混薄膜的制备及性能研究”课题建立的实验项目塑料挤出流延实验;依托“3D 打印技术在骨修复领域的研究”课题建立的实验项目高分子材料快速成型制造实验。如此以来,随着研究生课题的不断完成,新的科研手段不断建立,随之新的实验教学项目也得到充实和完善,进而促进了实验中心的建设和发展。4 结语实验中心作为培养大学生应用实践能力的重要场所,只有不断开拓思路、探索有效的措施,才能促进其建设与发展。实践证实,现代化的实验室不能再维持单一职能,要实现资源共享、全面开放、运行和服务高效,就必须要走多元化形式和多职能“集约化”的发展道路。因此,学校整合并综合利用材料实验教学示范中心的优质资源,积极推进材料类研究生创新实验平台的建立,旨在实现教学与科研的紧密结合,营造良好的科研氛围和创新改革的教学气氛,保障教育资源的相互贯通、相互传承。参考文献(References):1 吴瑞林,卢兴富,于晓敏,等.基于学科群的多校区布局和管理研究J.中国高教研究,2019(9):16-21.2 高磊,李泉涛.分野与整合:大学多校区办学文化建设探讨J.黑龙江高教研究,2019,37(11):66-69.3 孙艳丽,徐晓勇,陈涛,等.多校区办学对建设一流本科教育的影响研究J.化工高等教育,2018(1):31-38.4 龚梅琳,杨杰.多校区办学模式下异地校区科研建设存在的问题及其应对措施 以某高校珠海校区为例J.科技管理研究,2017(12):91-96.5 李永刚.我国研究生教育规模扩张的动力、影响与发展方略J.中国高教研究,2021(2):77-83.6 商闯,常静.新工科背景下分析化学实验室开放共享新模式的探索J.化学教育(中英文),2021,42(2):45-49.7 张悦,常雅宁,王启要,等.新工科背景下实验技术人员在三全育人工作中的积极作用J.实验室研究与探索,2021,40(2):256-259.8 王晓艳,任笑红.高校实验室安全教育在线资源调查研究J.化学教育(中英文),2021,42(10):90-94.9 陈涛,旷文敏,常振兴.高校实验室安全管理体系构建的基本原则J.实验技术与管理,2021,38(6):13-15,40.10 冯之冲,张悦,庄英萍,等.融入绿色工程教育助力实验室“三废”无害化处理J.实验室研究与探索,2021,40(3):301-304.11 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