云计算实验室申报书

1、北京工业职业技术学院云计算实训室申报书一 背景现状和必要性（一） 背景云计算作为信息技术领域的一种创新应用模式，近年来被看作是新一代信息技术变革的核心，具有广阔的发展前景。国务院通过的“十二五”国家战略性新兴产业发展规划中对节能环保、新一代信息技术等七大战略性新兴产业，在“十二五”期间的发展作出总体部署，其中促进云计算产业研发和示范应用，被看作是新一代信息技术发展的重要内容之一。（二） 现状（三） 项目必要性1. 产业人才需求随着我国云计算产业规模的高速增长，对满足产业发展的人才需求将呈现空前增长的态势，尤其是对优质产业人才的需求将不断扩大。据工信部统计预测，未来 3年将是我国云计 算产业人才

2、需求相对集中的时期， 每年将呈现数十万的云计算产业人才缺口。2. 云计算人才培养模式的单一高校云计算相关专业人才培养主要采用理论加实践 的形式，但由于高校实践周期短、缺乏对实践环境，使得高校培养的云计算后备专业人才缺 乏实际操作的能力，难以满足企业的用人需要通过云计算实训室的建立可以为云计算专业人才建立良好的实验环境， 脱离目前课堂教 学的单一模式， 将课堂中学习的云计算理论知识在实践环境中进行验证， 同时可以进行 云计算及大数据相关环境的搭建与使用， 加深学生对云计算技术的深入了解， 提升学生的动手能力。3. 新的教学体系的建立云计算实训室的建立可以构建完备的云计算实验教学体系，提高学生自主

3、学习的机会和能力，优化普遍性统一教学，节约师资力量，促使教师根据不同学生定制个性化学习方案，同时，实验教学体系涵盖验证型、基础型、实战型等不同层次的实验内容，循序渐进的逐步提升学生对云计算及大数据技术的掌握能力，最终培养出具有扎实基础的综合型专业人才。 4. 云计算技术研究的主要环境云计算实训室为高校针对云计算技术深入研究提供了环境，通过实训室的硬件集群环境及实验云平台等云基础环境，可以在此基础上进行云计算基础环境构建、云计算应用服务提供、云计算资源分配等云计算技术以及云计算安全技术的创新型研究。二 需求分析（一） 业务需求多年来，我院在信息技术专业方向以通信技术专业为龙头，带动电子信息技术、

4、电子测量与仪器、计算机网络技术、计算机应用技术等专业协调发展，并取得了较好的教学成绩。在此基础上，根据“十二五”规划纲要，新一代信息技术产业重点发展新一代移动通信、下一代互联网、三网融合、物联网、云计算、集成电路、新型显示、高端软件、高端服务器和信息服务。 我院对信息专业进行拓展，开设了云计算，云存储，云安全有关的专业性学习课程，包括：openstack系统应用，linux操作系统应用，asp.net应用开发，hadoop分布式云系统应用，oracle数据库应用，数据存储与容灾技术，大型数据库应用开发实训等，并规划了云计算资源分配，应用部署，云安全技术创新等一系列的科研方案。旨在为国家，为北京

5、培养出更多理论与实际操作结合，更适应云计算技术产业发展需求的综合型素质人才。针对教学课程与科研方案，我院需要建立一个可提供云计算系统的部署、调试和开发，可配合云计算相关专业学习的综合性实训室。云计算系统的部署、调试和开发充分锻炼学生的动手能力和编程水平，通过训练，学生将具备云计算系统设计、平台搭建、安装、调试、二次开发的必备能力。为社会提供具备云计算系统设计规划、实施、软硬件测试、技术支持、云计算应用开发等专业技能过硬的高素质人才。（二） 功能需求为了满足云计算有关专业课程的实验要求，配合师生的自主学习交流，实训室的功能实现项目包括：建立服务器、网络、操作系统，部署与使用虚拟化网络、虚拟化服务

6、器、数据分布存储等相关软件、数据库部署与管理技术、云计算平台部署与管理技术、云服务软件开发等。同时，实训室还具备3个方面的特色功能：科学性的部署：实训课程遵循“大型开放式网络课程”（简称mooc）的学习管理模式，完全基于云计算的课程环境部署，具有工具资源多元化，课程易于使用，受众面广，参与自主性的特点，培养学生独立思考，敢于面对问题，进行自主化学习，实验，最终解决问题的能力。专业性的学习：所部署的云计算课程环境可由学生进行编程开发，将从虚拟桌面、云存储、办公和业务、资源共享、电子商务、科研及教育等进行选择，提供云计算系统应用，asp.net应用开发，分布式云系统，大型数据库应用，android

7、应用开发等实训项目，虚拟桌面可同时兼容微软windows 、linux、freebsd各个平台版本等主流操作系统。同时，为了保证每位学生的学习效果，不同的实训内容，将会由系统进行自动评分记录，实时性反馈给老师。高效性的授课：实训室极高的学生-教师比例，为学院节省了大量的师资力量，教师可以将更多的精力放在教案研究，对学生的实训成绩进行科学分析，为不同学生做出定制化的学习实验方案。围绕实现某云计算项目为目标，完成某云服务为驱动，教师不但要“言传”，还要“身做”，与学生积极互动，实训的同时将促进教师动手实践，掌握云计算技术的应用，提高教学水平。可以说云计算实训室的建立，将打破中国高校以往教学中存在的

8、单一性，统一性，理论性的特点，从追求学生个性化发展，重视学生的综合素质培养，同时体现云计算学科的开放性，高效性、科学性、趣味性、专业性的教学实验特色。（三） 数据需求云计算实训室需容纳50名专业学生同时进行课程实训，每位学生完成总共800学时左右的实训课程。学期学习领域课程名称课程代码必修课程学分考核方式理论课或者理实一体课程实训课程课内总学时其中实践学时整周实训(周)计算机网络基础4考试6432程序设计基础（c语言）4考试6432数据库基础4考试6432第二学期云计算基础及应用4考查6432java程序设计4考试6432信息安全技术与实施4考查6432windows配置与管理2考查3232路

9、由交换实训2第三学期openstack系统应用4考查6432linux操作系统应用5考查8040asp.net应用开发6考查9242openstack综合应用实训2第四学期信息安全产品配置与应用6考查9646hadoop分布式云系统应用6考查9646oralce数据库应用6考试9646hadoop云系统综合应用实训2考查2第五学期数据存储与容灾技术5考查80403android应用开发5考查802大型数据库应用开发实训2考查2（四） 性能需求云计算实训室提供采用云计算架构，所以对终端性能要求较低，但对服务器、存储以及存储网络的性能要求很高。高可靠1. 最大支持16个6gb/s 2.5”sata

10、热拔插硬盘。2. 每个子系统集成2个千兆数据网口，具有负载均衡、故障恢复和边带支持特性，有效减少网络延迟。3. 高效的冷却子系统易插拔设计，有效降低故障率；全屏蔽防电磁辐射，抗干扰，防静电(emi)设计。 4 支持英特尔可信执行技术为虚拟和云环境提供更高的安全性。 5. （94%）1+1的安全冗余供电方式，为服务器运行安全提供更高的安全保障。低功耗根据热关键器件温度综合调节风扇转速，节能的同时降低噪音并提高风扇的可靠性。易操作可热插拔，模块化设计，免工具维护。灵活部署管理按需配置，根据用户的实际需求，提供最佳的配置选择，以便于我们的客户在性能和性价比上拥有更多地选择，帮助客户开拓出更大更宽广的

11、应用业务。可实现远程ikvm，所有用户不同的管理需求。用户可根据自己需求定制需要任务管理模块。采用基于平台的硬件和固件解决方案，可利用带外（oob）通讯方式对服务器进行访问。（五） 安全需求gb4943信息技术设备的安全标准gb9254 信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法 gb17625.1电磁兼容限值谐波电流发射限值(设备每相输入电流16a)标准jgj16-2008民用建筑电气设计规范三 建设目标（一） 业务目标紧密结合新一代信息产业发展对云计算高级应用型人才的需求，通过实训，考察专业学生的的云计算系统设计、初级、中级应用开发、部署、现场问题的分析、处理、团队组织及协作能力。通过云计算系

12、统应用，asp.net应用开发，分布式云系统，大型数据库应用，android应用开发等带动计算机网络、电子信息、通信技术、计算机应用等专业建设与人才培养，促进教产互动、校企融合，增强高职学校学生的新技术学习能力和就业竞争力。同时，建立校级教学科研的示范实训室，实现不同应用的集成和交流通畅，平滑过渡到新一代技术。为信息工程系的专业学生云计算的学习与云计算，云安全类竞赛提供平台，为教师进行相关的科研工作提供平台，为西部地区及石景山高新技术科技园区从事云计算和云安全技术的相关企业提供人员培训和技术服务支持。使云计算实训室的总体水平达到国内一流，满足教学、科研和管理工作的需要。（二） 技术目标建成完整

13、统一、技术先进、项目齐全、应用深入、高效稳定、安全可靠的云计算实训室，满足云计算相关专业50名学生同时上课、满足专业中openstack系统应用，linux操作系统应用，asp.net应用开发等11门课程的教学实训需要，学生在云计算方面的创新设计，云安全技能大赛等实际应用需求。实现同时50台虚机、存储空间不低于100tb能够完成年500课时的教学工作量和100学时的科研工作量，同时满足视频教学资料的播放，为教学科研提供更好的服务，满足高性能计算的科研要求，提高管理水平和系统运行的安全性。可开设的实训课程项目主要为：openstack系统应用 ，linux操作系统应用，asp.net应用开发，信

14、息安全产品配置与应用，hadoop分布式云系统应用，oralce数据库应用，数据存储与容灾技术，云计算基础及应用，java程序设计，信息安全技术与实施，windows配置与管理。四 建设方案（一） 建设原则实训室建设的各个环节相互关联，必须进行统一规划，在建设的过程中，根据系统的软件和硬件安装、部署和实施的特点，制定合理的分步实施规划，有计划、有步骤地实施。云计算实训室在建设过程中将遵循以下原则：1、先进性：采用先进的思想、成熟的技术与设计方法，符合当前潮流与未来发展趋势，以便跟上信息技术的发展，具有较强的生命力，具有长期使用价值。2、实用性：核心目的就是“应用”，须坚持实用的设计原则，紧紧围

15、绕学校的实际需求。以尽可能以少的投入，取得尽可能大的效益。3、稳定性：必须具备良好的稳定性与快速响应能力，可靠性高，保证持续运行时间长、故障间隔大、无故障时间长。4、可扩展性：必须具有良好的可扩展性，能够通过简单的软硬件扩容即可快速适应变化、满足需求。5、易维护性：必须坚持易维护的建设原则，确保结构清晰、操作简便、维护方便。（二） 设计依据该工程按机房使用要求进行设计,并遵守以下规范和要求。 (gb2887-89) (gb9361-88) (gb50174-94) (gb50222-95) (gb50052-92) (gb50057-94)机房施工要求遵守规范: (st/t30003-93)

16、(jgj73-91) (gb50243-97) (gb50303-2002)（三） 总体框架云计算基础架构分为三个方面：虚拟数据中心架构、网络架构和存储架构，总体架构图如下图所示。图3 云计算总体架构下面就这三个方面进行一番简要的介绍。虚拟数据中心架构：实训室中云平台系统虚拟化整个基础架构（包括服务器、存储器和网络），并聚合这些资源，在虚拟环境中提供一组统一的元素。系统提供查看、配置和管理这些重要元素的功能，这些元素包括：第一是计算资源（主机、群集）和内存资源（资源池）主机是用来运行底层虚拟的物理机。所谓底层虚拟物理机是一个在物理服务器上运行的虚拟层，它将处理器、内存、存储器和资源虚拟化为多个

17、虚拟机。当一个或多个物理机组合在一起并作为一个整体来工作和进行管理时，聚合在一起的计算和内存资源就形成群集。物理机可以动态添加或从群集移除。从主机和群集获得的计算和内存资源能够被精细地划分成资源池的层次结构。第二是存储资源（数据存储）。数据存储是数据中心内基础物理存储资源组合的虚拟表示。这些物理存储资源可能来自服务器的本地scsi、sas或sata磁盘，光纤通道磁盘阵列，iscsi磁盘阵列或者网络附加存储 (nas) 阵列。第三是网络资源。虚拟环境中的网络将虚拟机相互连接或将虚拟机连接到虚拟数据中心外部的物理网络。第四是虚拟主机。在创建虚拟机时，虚拟机被指定到特定的主机、群集或资源池以及数据存

18、储。启动后，虚拟机随着工作负载的增加而动态地消耗资源或随着工作负载的减少而动态地归还资源。置备虚拟机比置备物理机更加快捷简便，创建新的虚拟机在几秒钟内即可完成。置备虚拟机时，在虚拟机上安装相应的操作系统和应用程序来处理特定的工作负载，与在物理机上的操作一样，甚至可以在已经安装和配置操作系统和应用程序之后置备虚拟机。可根据拥有资源的系统管理员设置的策略为虚拟机置备资源。如果启动虚拟机会违反资源分配策略，那么虚拟机将无法启动，从而避免消耗资源。网络架构：系统有一组虚拟网络元素，该组元素可以让数据中心中的虚拟机像物理环境一样联网。虚拟环境提供了与物理环境类似的网络元素，这些元素包括：第一是虚拟网络接

19、口卡(vnic)。与物理机一样，每个虚拟机都有一个或多个vnic。客户机操作系统和应用程序通过常用的设备驱动程序或系统用于虚拟环境优化的设备驱动程序与vnic进行通信。无论哪种情况，客户机操作系统中的通信就像与物理设备通信一样。第二是虚拟网络的虚拟交换机。下图显示了虚拟交换机虚拟环境内部和外部网络之间的关系。图4 虚拟网络和相应的交换机虚拟交换机可在虚拟机之间进行内部流量路由或通过连接物理以太网适配器链接外部网络。第三是虚拟网络分布式交换机，它在所有关联主机之间作为单个虚拟交换机使用。这使得虚拟机可在跨多个主机进行迁移时确保其网络配置保持一致。与虚拟交换机一样，每个分布式交换机都是一种可供虚拟

20、机使用的网络集线器。第四是端口组，端口组是虚拟环境特有的概念，也是一种策略设置机制，这些策略用于管理与端口组相连的网络。虚拟机不是将其vnic连接到虚拟交换机上的特定端口，而是连接到端口组。一个虚拟交换机可以有多个端口组。与同一端口组相连的所有虚拟机均属于虚拟环境内的同一网络，即使它们属于不同的物理服务器也是如此。可将端口组配置为执行策略，以提供增强的网络安全、网络分段、更佳的性能、高可用性以及流量管理。存储架构：存储架构由各种抽象层组成，这些抽象层隐藏并管理物理存储子系统之间的复杂性和差异。实训室中的云计算平台还提供分布式服务，分布式服务可自动有效地管理资源，并实现虚拟机的高可用性。其功能包

21、括：第一是虚拟监视：虚拟监视可将正在运行的虚拟机从一台物理服务器迁移到另一台物理服务器，而无需中断服务。图5 通过虚拟监视进行系统迁移使用虚拟监视，可将资源重新动态分配至物理服务器上的虚拟机。第二是存储监视：存储监视可以在数据存储之间迁移虚拟机而无需中断服务。这使得管理员可以将虚拟机负载从一个存储阵列迁移到另一阵列，以便执行维护、重新配置lun、解决空间不足问题和升级虚机文卷。通过无缝迁移虚拟机磁盘，管理员还可以使用存储监视优化存储环境来提高性能。第三是分布资源规划：分布资源规划可将物理主机的群集作为单个计算资源进行管理：将虚拟机分配到群集，分布资源规划会找到运行该虚拟机的相应主机。分布资源规

22、划放置虚拟机的方式可确保群集中的负载保持平衡，并强制执行群集范围内的资源分配策略（例如，预留、优先级和限制）。启动虚拟机时，分布资源规划在主机上执行虚拟机的初始放置。当群集条件更改（例如，负载和可用资源）时，分布资源规划可根据需要将虚拟机迁移（使用虚拟监视）到其他主机。当需要向群集添加新的物理服务器时，借助分布资源规划，虚拟机能够立即自动利用新资源，因为它负责分发运行的虚拟机。第四是高可用性：如果主机出现故障，系统高可用性能快速地在群集内的其他物理服务器上自动重启虚拟机。通过应用程序群集，虚拟机内的所有应用程序都拥有了高可用性。使用系统高可用性不是单一故障点。高可用性可进行集中配置；但是配置完

23、成后，它将在每个基础虚机上以分布式方式连续运作，不再涉及管理系统。即使管理系统发生故障，高可用性仍然可以成功进行故障切换。第五是容错能力。基础虚机通过使用在单独主机上以虚拟锁步方式运行的卷影副本（辅助虚拟机）来保护虚拟机（主虚拟机），从而提供连续可用性。云计算实训室的总体框架需完全满足我院相关专业的云计算，云存储，云安全等服务应用开发的相关教学活动，包括实验实训，创新设计，相关电子竞赛，教师科研活动等，并可以为西部地区及石景山高新技术科技园区从云计算技术的相关企业提供人员培训和技术服务支持。（四） 技术方案云计算实训室的技术架构为国际标准的，主流云计算厂商、服务商所采纳的云计算基础架构(iaa

24、s)、云计算平台架构(paas)、云计算软件和服务（saas）三层架构，每一层所实现的组件都遵循标准的技术规范，iaas支持管理主流的虚拟化hypervisors，如kvm，xenserver，vmware，oracle vm，xen等虚拟化技术，paas平台，可在上面构建、测试、部署和运行应用程序，支持java, ruby, node.js, python, php, perl 等众多语言环境和开发框架，并且支持 mysql, postgresql, mongodb 等数据库服务。搭建部署云计算基础架构(iaas)、云计算平台架构(paas)、云计算软件和服务（saas）三个管理平台及应用服

25、务软件。特点功能iaas平台管理平台具备高可用性、扩展性的云计算基础架构平台。l 具高可用性、扩展性，技术通用的云计算平台。l 支持管理大部分主流的hypervisors，如kvm，xenserver，vmware，oracle vm，xen等。l 可以加速高伸缩性的公共和私有云（iaas）的部署、管理、配置。l 可以快速方便的通过现存基础架构创建云服务。l 可以让用户快速和方便地在现有的架构上建立自己的云服务。可以帮助用户更好地协调服务器、存储、网络资源，从而构建一个iaas平台。虚拟机支持x86 硬件平台的全功能虚拟化解决方案。l 使用linux自身的调度器进行管理，所以相对于xen，其核

26、心源码很少。l 虚拟化需要硬件支持（如intel vt技术或者amd v技术)。是基于硬件的完全虚拟化。l 支持linux 和 windows ，每个虚拟机有私有的硬件，包括网卡、磁盘以及图形适配卡等。paas平台paas管理平台 可在上面构建、测试、部署和运行应用程序，它支持 java, ruby, node.js, python, php, perl 等众多语言环境和开发框架，并且支持 mysql, postgresql, mongodb 等数据库服务。l 实现应用生命周期管理：编码、构建、部署和管理。l 部署要求低：笔记本、pc、服务器都可以。l 支持java、php、python主流的

27、开发语言。l 支持mysqlmongodb主流开源结构化数据库和非结构化数据库。l 支持tomcat、jboss、origin等主流web服务中间件。l 支持应用弹性扩展，应用监控。l 支持用户管理、应用管理（创建、部署、删除）、存储管理、数据库管理、应用的监控、系统的备份。结构化数据库关系型数据库管理系统，满足中小型企业应用需求，成本低l mysql是一个关系型数据库管理系统，支持标准的sql。l 对于中小型企业来说，mysql提供的功能已经足够，而且由于mysql是开放源码软件，因此可以降低总体拥有成本。l 开源，大公司可以基于mysql进行变种开发自己的db。l 支持linux、wind

28、ow、unix各种部署平台。l 提供javapythonphpc+等各种开发原因。l 支持集群，支持多种存储引擎。非结构化数据库mongodb服务器非结构化数据库l mongodb是非关系数据库。由c+语言编写。旨在为web应用提供可扩展的高性能数据存储解决方案。l 高性能、易部署、易使用，存储数据非常方便。l 它的特点是高性能、易部署、易使用，存储数据非常方便。l 面向集合存储，易存储对象类型的数据。l 模式自由。支持动态查询。支持完全索引，包含内部对象。l 支持复制和故障恢复。l 使用高效的二进制数据存储，包括大型对象（如视频等）。l 自动处理碎片，以支持云计算层次的扩展性。l 支持rub

29、y，python，java，c+，php,c#等多种语言。l 文件存储格式为bson（一种json的扩展）。分布式文件系统hadoop大数据处理数据库和工具l 高可靠性。hadoop按位存储和处理数据的能力值得人们信赖。l 高扩展性。hadoop是在可用的计算机集簇间分配数据并完成计算任务的，这些集簇可以方便地扩展到数以千计的节点中。l 高效性。hadoop能够在节点之间动态地移动数据，并保证各个节点的动态平衡，因此处理速度非常快。l 高容错性。hadoop能够自动保存数据的多个副本，并且能够自动将失败的任务重新分配。l java开源，成本低。hadoop带有用 java 语言编写的框架，因此运行在 linux 生产平台上是非常理想的。hadoop 上的应用程序也可以使用其他语言编写，比如 c+。web服务器apache tomcatjboss应用服务器，主流的web