馬偉良

(閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建龍巖 364000)

教育是國家的立足之本，在競爭日益激烈的當(dāng)前，教育的信息化改造是實現(xiàn)更為先進(jìn)的教育手段的必經(jīng)之路，也是當(dāng)前教育創(chuàng)新的一個挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的教學(xué)方式在面對新的教育環(huán)境下已經(jīng)存在越來越多的問題，多媒體教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂、遠(yuǎn)程教學(xué)等新的教學(xué)方式被越來越多的師生所接受，在這種背景下，構(gòu)建一個標(biāo)準(zhǔn)化的教學(xué)平臺成為了當(dāng)務(wù)之急[1-5]。云計算作為一種新興技術(shù)，徹底剝離了計算機(jī)軟件和硬件之間不可分離的關(guān)系，用戶僅僅利用一個瘦終端接入至網(wǎng)絡(luò)中就可以進(jìn)行軟件操作[6-7]。這種方式能夠極大節(jié)約運行和維護(hù)的成本，提升系統(tǒng)平臺運行的安全性?；谠朴嬎愕臉?biāo)準(zhǔn)化教學(xué)平臺設(shè)計，能夠提升教學(xué)管理水平，實現(xiàn)學(xué)院的全面信息化，改變傳統(tǒng)教學(xué)管理機(jī)制落后的情況。本研究提出一種可以應(yīng)用于該平臺的核心算法，并以此為基礎(chǔ)，基于云計算技術(shù)構(gòu)建出一個可以應(yīng)用于實際教學(xué)管理的標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)平臺。

1 基于模糊控制的CRP算法優(yōu)化改進(jìn)

考慮到高校教學(xué)平臺中數(shù)據(jù)處理的效率要求，因而選取CRP (Customizable Route Planning)算法來處理教學(xué)平臺中的數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)負(fù)載均衡。CRP算法能夠根據(jù)不同的用戶等級來實現(xiàn)加權(quán)資源分配，這樣可以將資源分配給對應(yīng)需求更高的用戶，該算法的步驟主要有三步：第一步，收集不同權(quán)限等級用戶節(jié)點信息，動態(tài)獲取寬帶、硬盤、CPU等基本信息。第二步，標(biāo)準(zhǔn)化節(jié)點信息，將這些節(jié)點信息進(jìn)行量化處理。第三步，輪詢各節(jié)點用戶列表，從空閑資源列表中選取空閑節(jié)點加入至節(jié)點隊列中。

傳統(tǒng)CRP算法最大的優(yōu)點就是可以根據(jù)不同的用戶數(shù)據(jù)需求來分配資源，但是若節(jié)點性能接近下邊緣時，則可能出現(xiàn)用戶云請求溢出的情況，導(dǎo)致更高等級用于云請求質(zhì)量無法得到保障。基于云計算的高校教學(xué)平臺是將標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)平臺創(chuàng)建云服務(wù)子節(jié)點，傳統(tǒng)的CRP算法難以保障教學(xué)平臺的教學(xué)資源請求，因而考慮引入模糊化處理的思路來對CRP算法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，改進(jìn)后的CRP算法步驟如圖1所示。

首先，對所有的節(jié)點信息進(jìn)行模糊量化，設(shè)系統(tǒng)CPU的未利用率為Wc，內(nèi)存的未利用率為Wm，其他未利用率用Wi表示，對節(jié)點信息的量化標(biāo)準(zhǔn)公式為：

(1)

圖1 改進(jìn)CRP算法流程圖

在式(1)中，h表示影響參數(shù)的數(shù)量，C,M兩個參數(shù)的取值范圍均為[0,1]，三個未利用率的關(guān)系為：

(2)

對于不同的云計算節(jié)點而言，它們的需求差異也很大，因而需要給參數(shù)C,M賦予不同的值。在此以五量綱分法將云計算節(jié)點性能劃分為超低檔、低檔、中檔、高檔、超高檔，對應(yīng)表示為LL,L,M,H,HH，由此可以得到節(jié)點性能標(biāo)識的模糊集公式：

FS={LL,L,M,H,HH}

(3)

為了優(yōu)化算法性能，對模糊邊界進(jìn)行定義，構(gòu)建出對應(yīng)的規(guī)則，只有當(dāng)HH節(jié)點全部不可用時，節(jié)點列表才不可用。構(gòu)建出計算節(jié)點列表如表1所示，其中R代表節(jié)點性能等級，A指的是節(jié)點性能，最后將數(shù)量較少且等級偏低的空余節(jié)點刪除。

表1 云計算節(jié)點列表及模糊邊界范圍

2 云計算技術(shù)下的標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)平臺設(shè)計

2.1 平臺總體設(shè)計

基于云計算環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)平臺設(shè)計，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中按照客戶層和云環(huán)境下的虛擬桌面層、管理層，為了保證這三個部分之間的安全性，需要在這三層之間設(shè)置防火墻的同時將部分端口進(jìn)行關(guān)閉[8]。如此可以在實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層之間的數(shù)據(jù)安全傳輸，還可以很好地將服務(wù)器保護(hù)起來，確保高校教學(xué)的數(shù)據(jù)安全?；谶@個理念，該教學(xué)平臺的整體架構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 基于云計算的標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)平臺整體架構(gòu)設(shè)計

該教學(xué)平臺的設(shè)計，需要將高校中的所有軟件和硬件資源組合利用起來，從而搭建一個能夠順利實現(xiàn)云計算的平臺環(huán)境。根據(jù)需要，可以將系統(tǒng)分為網(wǎng)絡(luò)、存儲和服務(wù)器三個部分，虛擬桌面可以使用X86系列。系統(tǒng)的軟件主要包括了虛擬桌面的監(jiān)控軟件、配置管理軟件、備份軟件、恢復(fù)軟件以及虛擬化套件等，如此能夠滿足教學(xué)平臺的存儲、資源分配等各項功能。

云環(huán)境下的虛擬桌面平臺功能如圖3所示，系統(tǒng)通過各個接口將各類組件整合在一起，將所有的原子操作組合成為成套的業(yè)務(wù)動作，最后在用戶界面中展現(xiàn)給管理員和用戶。在系統(tǒng)的運行過程中，用戶及管理人員會經(jīng)過身份認(rèn)證進(jìn)入到系統(tǒng)平臺中，實現(xiàn)對授權(quán)資源的監(jiān)控及操作。管理人員能夠利用虛擬桌面實現(xiàn)對云教學(xué)資源的管理，對這些教學(xué)資源進(jìn)行復(fù)制、上傳、變更、刪除等操作。虛擬桌面也會對運行的教學(xué)平臺進(jìn)行實時的監(jiān)督，保證虛擬服務(wù)器能夠保持一個正常工作運行的狀態(tài)。

圖3 系統(tǒng)功能設(shè)計

基于云計算技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)系統(tǒng)平臺安全管理，要保證系統(tǒng)平臺中所有項目的安全性，確保所有項目是隔離開的，但是又不能夠影響用戶對系統(tǒng)各項資源的申請、訪問，能夠保證一個暢通的訪問渠道。用戶的登錄是通過Web界面實現(xiàn)的，教學(xué)系統(tǒng)的所有安全管理也是通過虛擬機(jī)的訪問來完成。

2.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

云計算環(huán)境下，需要構(gòu)建虛擬桌面來實現(xiàn)云環(huán)境下的教學(xué)平臺的各項功能，其中非常重要的是資源池的創(chuàng)建[9]。虛擬桌面管理系統(tǒng)首先會提出獲取虛擬桌面的需求，在生成ID組信息后虛擬桌面管理中心會對該請求進(jìn)行回應(yīng)。桌面池創(chuàng)建請求發(fā)送到管理中心后，虛擬桌面管理中心將消息發(fā)送到虛擬機(jī)管理中心，然后返回虛擬ID到管理中心，最后返回Web管理界面，用戶創(chuàng)建桌面虛擬池進(jìn)行桌面申請的流程如圖4所示。

圖4 用戶虛擬桌面申請流程

用戶要進(jìn)入到云計算平臺中，第一步要登錄虛擬桌面系統(tǒng)，根據(jù)自己的賬號密碼登錄到系統(tǒng)中，通過虛擬桌面系統(tǒng)鑒權(quán)。通過認(rèn)證的虛擬桌面系統(tǒng)客戶端對客戶端的申請訪問的申請需求進(jìn)行判斷，若虛擬桌面平臺判斷自己不能夠滿足申請需求，就自行安裝相關(guān)插件，如果滿足就返回用戶的認(rèn)證鑒權(quán)信息，最后將登陸桌面請求發(fā)送到虛擬系統(tǒng)。

系統(tǒng)的頁面信息具體包含如下七個：地區(qū)信息表、大樓信息表、系部信息表、工作性指標(biāo)、資源池信息表、城市信息表、用戶信息表。云計算環(huán)境下的虛擬教學(xué)平臺將云計算網(wǎng)絡(luò)劃分為核心部分和出口部分兩個部分。云計算教學(xué)平臺的網(wǎng)絡(luò)采取的是雙核心設(shè)計方案，需要將核心網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)鏈接基礎(chǔ)，為了保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全，在核心交換機(jī)之間以特殊協(xié)議進(jìn)行雙方的備份。為了能夠滿足學(xué)校后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)升級，因而在核心層和匯聚層之間選取千兆以上的設(shè)備，由此實現(xiàn)教學(xué)平臺能夠平滑過渡至骨干網(wǎng)。在骨干網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計的時候，需要充分考慮冗余設(shè)計，要利用云技術(shù)實現(xiàn)核心交換機(jī)間的高速鏈接，因而需要滿足如下三個需求：(1)要能夠?qū)I(yè)務(wù)類型QOS進(jìn)行良好控制；(2)保證雙出口間可以靈活切換以保證云計算網(wǎng)絡(luò)的安全；(3)要求網(wǎng)絡(luò)出口設(shè)備能夠支持策略路由。

3 系統(tǒng)仿真分析

3.1 仿真環(huán)境設(shè)置

為了驗證云計算環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)平臺各項性能，通過對核心算法和系統(tǒng)功能的仿真測試，分析此次設(shè)計的教學(xué)平臺的可用性。該標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)平臺的核心組件是VM XenCenter Server，作為整個教學(xué)平臺的調(diào)度中心，能夠根據(jù)需要將應(yīng)用配置、OS等組成完整服務(wù)器。服務(wù)器啟動后，就可以不需要經(jīng)過本地磁盤，直接通過VDisk引導(dǎo)啟動。在服務(wù)端中劃分出部分空間作為虛擬磁盤，用以儲存桌面資源，對各種賬號信息匹配對應(yīng)的密碼進(jìn)行賬號管理。在賬號信息設(shè)置完成后，需要將其映射至客戶端電腦上，最后構(gòu)建虛擬桌面模板。

每一個虛擬桌面都會占用一部分的網(wǎng)絡(luò)及服務(wù)器資源，測試客戶端配置為8 G內(nèi)存，能夠支持10個左右的虛擬桌面流暢運行。由于此次設(shè)計的軟件平臺存在一定的限制，因而最多也只能夠生成10個虛擬桌面。系統(tǒng)所使用的硬件配置如表2中所示。

表2 云計算環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)平臺硬件配置

3.2 系統(tǒng)性能仿真分析

對比分析系統(tǒng)所使用核心算法的效率，選取100個并發(fā)客戶量，其對比分析的結(jié)果如圖5所示。

用戶并發(fā)數(shù)/人圖5 改進(jìn)RCP算法的運行效率對比分析

通過圖5可以看出，改進(jìn)后的RCP算法相對于傳統(tǒng)的RCP算法，其運行效率更高，相同用戶并發(fā)數(shù)時，其耗時更短。隨著用戶并發(fā)數(shù)量的增加，RCP算法及改進(jìn)后的RCP算法所需耗時都會逐漸增加，在10～100的用戶并發(fā)數(shù)量下，相較于傳統(tǒng)RCP算法，改進(jìn)后RCP算法效率最高提升了21.88%，當(dāng)用戶并發(fā)數(shù)量為100時，改進(jìn)后的RCP算法效率提升了16.48%。

進(jìn)一步驗證分配不同節(jié)點數(shù)量下，改進(jìn)RCP算法和傳統(tǒng)RCP算法的運行效率，其對比分析結(jié)果如圖6所示。

節(jié)點分配數(shù)量/個圖6 不同節(jié)點分配數(shù)量下的算法運行效率對比分析

通過圖6可以看出，在分配不同云服務(wù)節(jié)點下的兩種算法中，改進(jìn)RCP算法運行效率更高，耗時更短，運行效率有顯著提升，在云服務(wù)環(huán)境下有著更大的優(yōu)勢。具體分析可以看出，當(dāng)分配的云節(jié)點數(shù)量達(dá)到100時，改進(jìn)后的RCP算法相較于傳統(tǒng)RCP算法提升了30.60%。

3.3 系統(tǒng)功能測試

為了驗證該系統(tǒng)的各項功能能夠順利實現(xiàn)，通過已經(jīng)配置的系統(tǒng)和用戶賬號進(jìn)行該系統(tǒng)的功能測試，主要測試的功能有用戶登錄、桌面統(tǒng)一管理、病毒防護(hù)、用戶漫游配置、教學(xué)軟件測試，測試結(jié)果如表3所示。

表3 系統(tǒng)主要功能測試

通過系統(tǒng)功能測試可以看出，該系統(tǒng)的各項功能都能夠順利實現(xiàn)，在系統(tǒng)運行時，也會出現(xiàn)一些隱藏的BUG，例如學(xué)生的重復(fù)惡意登錄，會增加并發(fā)用戶數(shù)量而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰等，對此可以考慮后續(xù)設(shè)計為單IP只能申請一個的限制。

4 結(jié)論

為了解決不同用戶對于系統(tǒng)資源需求可能產(chǎn)生的沖突，引入CRP算法來實現(xiàn)資源任務(wù)派發(fā)的最優(yōu)控制，解決用戶優(yōu)先等級沖突的問題。通過仿真分析也可以看出，引入模糊控制改進(jìn)的CRP算法有著更好的運行效率，在相同用戶并發(fā)數(shù)量和云節(jié)點數(shù)量的情況下，改進(jìn)后的CRP算法性能更為優(yōu)異。而基于該核心算法的標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)平臺各項功能能夠順利實現(xiàn)，可以滿足院校的教學(xué)使用要求。但是該系統(tǒng)還存在一定的不足，在面對訪問用戶過多的時候可能會存在系統(tǒng)崩潰的情況，其安全性能也需要進(jìn)一步提升。