马伟良
(闽西职业技术学院 福建龙岩 364000)
教育是国家的立足之本，在竞争日益激烈的当前，教育的信息化改造是实现更为先进的教育手段的必经之路，也是当前教育创新的一个挑战。传统的教学方式在面对新的教育环境下已经存在越来越多的问题，多媒体教学、翻转课堂、远程教学等新的教学方式被越来越多的师生所接受，在这种背景下，构建一个标准化的教学平台成为了当务之急[1-5]。云计算作为一种新兴技术，彻底剥离了计算机软件和硬件之间不可分离的关系，用户仅仅利用一个瘦终端接入至网络中就可以进行软件操作[6-7]。这种方式能够极大节约运行和维护的成本，提升系统平台运行的安全性。基于云计算的标准化教学平台设计，能够提升教学管理水平，实现学院的全面信息化，改变传统教学管理机制落后的情况。本研究提出一种可以应用于该平台的核心算法，并以此为基础，基于云计算技术构建出一个可以应用于实际教学管理的标准化教学平台。
考虑到高校教学平台中数据处理的效率要求，因而选取CRP (Customizable Route Planning)算法来处理教学平台中的数据资源，实现负载均衡。CRP算法能够根据不同的用户等级来实现加权资源分配，这样可以将资源分配给对应需求更高的用户，该算法的步骤主要有三步：第一步，收集不同权限等级用户节点信息，动态获取宽带、硬盘、CPU等基本信息。第二步，标准化节点信息，将这些节点信息进行量化处理。第三步，轮询各节点用户列表，从空闲资源列表中选取空闲节点加入至节点队列中。
传统CRP算法最大的优点就是可以根据不同的用户数据需求来分配资源，但是若节点性能接近下边缘时，则可能出现用户云请求溢出的情况，导致更高等级用于云请求质量无法得到保障。基于云计算的高校教学平台是将标准化教学平台创建云服务子节点，传统的CRP算法难以保障教学平台的教学资源请求，因而考虑引入模糊化处理的思路来对CRP算法进行优化改进，改进后的CRP算法步骤如图1所示。
首先，对所有的节点信息进行模糊量化，设系统CPU的未利用率为Wc，内存的未利用率为Wm，其他未利用率用Wi表示，对节点信息的量化标准公式为：
(1)
图1 改进CRP算法流程图
在式(1)中，h表示影响参数的数量，C,M两个参数的取值范围均为[0,1]，三个未利用率的关系为：
(2)
对于不同的云计算节点而言，它们的需求差异也很大，因而需要给参数C,M赋予不同的值。在此以五量纲分法将云计算节点性能划分为超低档、低档、中档、高档、超高档，对应表示为LL,L,M,H,HH，由此可以得到节点性能标识的模糊集公式：
FS={LL,L,M,H,HH}
(3)
为了优化算法性能，对模糊边界进行定义，构建出对应的规则，只有当HH节点全部不可用时，节点列表才不可用。构建出计算节点列表如表1所示，其中R代表节点性能等级，A指的是节点性能，最后将数量较少且等级偏低的空余节点删除。
表1 云计算节点列表及模糊边界范围
2.1 平台总体设计
基于云计算环境的标准化教学平台设计，在网络环境中按照客户层和云环境下的虚拟桌面层、管理层，为了保证这三个部分之间的安全性，需要在这三层之间设置防火墙的同时将部分端口进行关闭[8]。如此可以在实现网络层之间的数据安全传输，还可以很好地将服务器保护起来，确保高校教学的数据安全。基于这个理念，该教学平台的整体架构设计如图2所示。
图2 基于云计算的标准化教学平台整体架构设计
该教学平台的设计，需要将高校中的所有软件和硬件资源组合利用起来，从而搭建一个能够顺利实现云计算的平台环境。根据需要，可以将系统分为网络、存储和服务器三个部分，虚拟桌面可以使用X86系列。系统的软件主要包括了虚拟桌面的监控软件、配置管理软件、备份软件、恢复软件以及虚拟化套件等，如此能够满足教学平台的存储、资源分配等各项功能。
云环境下的虚拟桌面平台功能如图3所示，系统通过各个接口将各类组件整合在一起，将所有的原子操作组合成为成套的业务动作，最后在用户界面中展现给管理员和用户。在系统的运行过程中，用户及管理人员会经过身份认证进入到系统平台中，实现对授权资源的监控及操作。管理人员能够利用虚拟桌面实现对云教学资源的管理，对这些教学资源进行复制、上传、变更、删除等操作。虚拟桌面也会对运行的教学平台进行实时的监督，保证虚拟服务器能够保持一个正常工作运行的状态。
图3 系统功能设计
基于云计算技术的标准化教学系统平台安全管理，要保证系统平台中所有项目的安全性，确保所有项目是隔离开的，但是又不能够影响用户对系统各项资源的申请、访问，能够保证一个畅通的访问渠道。用户的登录是通过Web界面实现的，教学系统的所有安全管理也是通过虚拟机的访问来完成。
2.2 系统功能实现
云计算环境下，需要构建虚拟桌面来实现云环境下的教学平台的各项功能，其中非常重要的是资源池的创建[9]。虚拟桌面管理系统首先会提出获取虚拟桌面的需求，在生成ID组信息后虚拟桌面管理中心会对该请求进行回应。桌面池创建请求发送到管理中心后，虚拟桌面管理中心将消息发送到虚拟机管理中心，然后返回虚拟ID到管理中心，最后返回Web管理界面，用户创建桌面虚拟池进行桌面申请的流程如图4所示。
图4 用户虚拟桌面申请流程
用户要进入到云计算平台中，第一步要登录虚拟桌面系统，根据自己的账号密码登录到系统中，通过虚拟桌面系统鉴权。通过认证的虚拟桌面系统客户端对客户端的申请访问的申请需求进行判断，若虚拟桌面平台判断自己不能够满足申请需求，就自行安装相关插件，如果满足就返回用户的认证鉴权信息，最后将登陆桌面请求发送到虚拟系统。
系统的页面信息具体包含如下七个：地区信息表、大楼信息表、系部信息表、工作性指标、资源池信息表、城市信息表、用户信息表。云计算环境下的虚拟教学平台将云计算网络划分为核心部分和出口部分两个部分。云计算教学平台的网络采取的是双核心设计方案，需要将核心网作为网络链接基础，为了保证系统的数据安全，在核心交换机之间以特殊协议进行双方的备份。为了能够满足学校后续的网络升级，因而在核心层和汇聚层之间选取千兆以上的设备，由此实现教学平台能够平滑过渡至骨干网。在骨干网络层设计的时候，需要充分考虑冗余设计，要利用云技术实现核心交换机间的高速链接，因而需要满足如下三个需求：(1)要能够对业务类型QOS进行良好控制；
(2)保证双出口间可以灵活切换以保证云计算网络的安全；
(3)要求网络出口设备能够支持策略路由。
3.1 仿真环境设置
为了验证云计算环境下的标准化教学平台各项性能，通过对核心算法和系统功能的仿真测试，分析此次设计的教学平台的可用性。该标准化教学平台的核心组件是VM XenCenter Server，作为整个教学平台的调度中心，能够根据需要将应用配置、OS等组成完整服务器。服务器启动后，就可以不需要经过本地磁盘，直接通过VDisk引导启动。在服务端中划分出部分空间作为虚拟磁盘，用以储存桌面资源，对各种账号信息匹配对应的密码进行账号管理。在账号信息设置完成后，需要将其映射至客户端电脑上，最后构建虚拟桌面模板。
每一个虚拟桌面都会占用一部分的网络及服务器资源，测试客户端配置为8 G内存，能够支持10个左右的虚拟桌面流畅运行。由于此次设计的软件平台存在一定的限制，因而最多也只能够生成10个虚拟桌面。系统所使用的硬件配置如表2中所示。
表2 云计算环境下的标准化教学平台硬件配置
3.2 系统性能仿真分析
对比分析系统所使用核心算法的效率，选取100个并发客户量，其对比分析的结果如图5所示。
用户并发数/人图5 改进RCP算法的运行效率对比分析
通过图5可以看出，改进后的RCP算法相对于传统的RCP算法，其运行效率更高，相同用户并发数时，其耗时更短。随着用户并发数量的增加，RCP算法及改进后的RCP算法所需耗时都会逐渐增加，在10～100的用户并发数量下，相较于传统RCP算法，改进后RCP算法效率最高提升了21.88%，当用户并发数量为100时，改进后的RCP算法效率提升了16.48%。
进一步验证分配不同节点数量下，改进RCP算法和传统RCP算法的运行效率，其对比分析结果如图6所示。
节点分配数量/个图6 不同节点分配数量下的算法运行效率对比分析
通过图6可以看出，在分配不同云服务节点下的两种算法中，改进RCP算法运行效率更高，耗时更短，运行效率有显著提升，在云服务环境下有着更大的优势。具体分析可以看出，当分配的云节点数量达到100时，改进后的RCP算法相较于传统RCP算法提升了30.60%。
3.3 系统功能测试
为了验证该系统的各项功能能够顺利实现，通过已经配置的系统和用户账号进行该系统的功能测试，主要测试的功能有用户登录、桌面统一管理、病毒防护、用户漫游配置、教学软件测试，测试结果如表3所示。
表3 系统主要功能测试
通过系统功能测试可以看出，该系统的各项功能都能够顺利实现，在系统运行时，也会出现一些隐藏的BUG，例如学生的重复恶意登录，会增加并发用户数量而导致系统崩溃等，对此可以考虑后续设计为单IP只能申请一个的限制。
为了解决不同用户对于系统资源需求可能产生的冲突，引入CRP算法来实现资源任务派发的最优控制，解决用户优先等级冲突的问题。通过仿真分析也可以看出，引入模糊控制改进的CRP算法有着更好的运行效率，在相同用户并发数量和云节点数量的情况下，改进后的CRP算法性能更为优异。而基于该核心算法的标准化教学平台各项功能能够顺利实现，可以满足院校的教学使用要求。但是该系统还存在一定的不足，在面对访问用户过多的时候可能会存在系统崩溃的情况，其安全性能也需要进一步提升。
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