一种服务于分布式实验教学环境的在线教育云平台制造技术

本发明专利技术涉及一种服务于分布式实验教学环境的在线教育云平台，包括实验管理层、云服务层和基础设施层；所述的实验管理层，提供以课程为中心的实验管理接口，用于对实验课程所涉及的实验人员、实验模板、实验主机以及实验资源进行过程化管理；所述的云服务层，用于对实验管理层任务请求的分类、调度和处理；所述的基础设施层，基于开源云计算平台和分布式存储系统构建，提供云计算和云存储的统一服务接口；使用分布式文件系统Ceph中的块存储设备RBD作为OpenStack中Glance、Nova和Cinder组件的存储后端，实现虚拟机镜像、磁盘文件和云硬盘的统一化存储。与现有技术相比，本发明专利技术具有资源利用效率高、可扩展性强、运维管理难度低等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种服务于分布式实验教学环境的在线教育云平台
本专利技术涉及云计算
，尤其是涉及一种服务于分布式实验教学环境的在线教育云平台。
技术介绍
随着人工智能、云计算、大数据等新一代信息技术的快速发展以及相关商业应用的快速推广，我国对新一代信息技术人才的需求越来越大。然而，目前高校计算机实验室仍是围绕以物理机房为中心的一人一机实验管理模式展开，而新一代信息技术学科的上机实践往往需要分布式集群实验环境。以大数据相关课程为例，为便于学生更好地理解分布式数据处理的优势以及集群中各层之间的相互协作关系，Hadoop数据处理与分析平台的实验教学环境至少需要一台主节点和两台从节点，传统的一人一机模式显然无法满足上述实验场景。如何利用现有实验设备，配合最新的信息科学技术，构建能够满足新一代信息技术学科实训需求的现代化计算机实验室，就成为开设“新兴”专业的高校亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种服务于分布式实验教学环境的在线教育云平台，具有实验模板按需调换、实验环境灵活接入、实验过程动态管控等优点。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：根据本专利技术的一个方面，提供了一种服务于分布式实验教学环境的在线教育云平台，包括实验管理层、云服务层和基础设施层；所述的实验管理层，提供以课程为中心的实验管理接口，用于对实验课程所涉及的实验人员、实验模板、实验主机以及实验资源进行过程化管理；所述的云服务层，用于对实验管理层任务请求的分类、调度和处理；所述的基础设施层，基于开源云计算平台和分布式存储系统构建，提供云计算和云存储的统一服务接口；使用分布式文件系统Ceph中的块存储设备RBD作为OpenStack中Glance、Nova和Cinder组件的存储后端，实现虚拟机镜像、磁盘文件和云硬盘的统一化存储。作为优选的技术方案，所述的实验管理层包括实验人员管理模块、实验主机管理模块和实验课程管理模块；所述的实验人员管理模块，一方面用于提供基于角色的权限管理，并根据不同角色用户所对应的权限构建不同功能；另一方面，用于对系统中用户按照学院、部门、专业、班级进行层次化信息管理；所述的实验主机管理模块，用于对实验主机进行申请、登录、终止、关机和重启控制；其中实验主机的申请包括：首先基于可启动卷的快照创建可启动卷，该可启动卷为带有可启动操作系统的磁盘文件，然后基于可启动卷创建一台实验主机；实验主机的登录基于Guacamole实现虚拟机的Web浏览器登录，其中，Windows操作系统采用RDP协议连接，Linux操作系统采用SSH协议连接；对于分布式集群中的不同实验主机通过浏览器的Tab标签灵活切换；所述的实验课程管理模块，用于提供课程信息、课程模板、课程学生、课堂上下课以及课程资源的管理。作为优选的技术方案，所述的实验课程管理模块中的课程信息管理单元，用于对课程的基本信息进行增、删、改、查，其中课程的基本信息包括课程名称、实验地点、课程类型以及课程起止时间；在新增课程时，可选择的课程类型包括普通型和创新型，这两种课程类型的区别在于：普通型课程在执行下课操作后，系统将释放学生实验主机所占用的计算资源，并删除实验主机的可启动卷；创新型课程在执行下课操作后，系统将释放学生实验主机的计算资源，但保留其实验主机的可启动卷，以实现学生实验状态的保存。作为优选的技术方案，所述的实验课程管理模块中的课程模板管理单元，一方面用于对课程实验模板的定制和删除；另一方面，按照课程实验对操作系统及集群数量的需求将所定制的模板与课程进行关联或解绑；其中实验模板以可启动卷快照的形式存储于云数据服务器，实验模板的定制首先基于系统上传可启动卷快照或已有的实验模板来创建一台实验主机，进而在该实验主机中安装或删除特定的软件，最终将部署有设定实验环境的实验主机云硬盘固化为一个快照，从而成为一个新的实验模板；所述的课程模板管理单元在执行实验模板定制操作时调用CephRBD(RADOSBLOCKDEVICE)模块的写时复制接口实现实验主机模板的秒级克隆。作为优选的技术方案，所述的实验课程管理模块中的课程学生管理单元，用于将选择该课程的学生与实验课程进行关联；其中关联方式包括：一种方式为连通教务系统自动导入学生信息，另一种方式为将学生信息存放在Excel表格中手动导入。作为优选的技术方案，所述的实验课程管理模块中的课堂上下课管理单元，用于对实验课程进行上、下课操作管理；其中上课操作是将该课程所关联的实验模板和学生信息发送至云服务层，进而为每个学生创建课程实验所需的分布式集群环境，并建立学生ID和分布式集群中实验主机ID的映射关系；下课操作是将学生信息发送至云服务层，对指定学生的实验主机进行批量终止操作；所述的课堂上下课管理单元，对于普通型课程，上课操作将基于课程的实验模板为每个学生创建一台全新的实验主机；下课操作将实验主机的计算和存储资源全部释放；对于创新型课程，第一次上课操作和普通型课程操作一致，下课操作时将学生实验主机的计算资源释放，保留学生ID和实验主机的磁盘文件映射关系；后续上课操作将基于学生上次上课所保留的可启动磁盘文件来创建实验主机。作为优选的技术方案，所述的实验课程管理模块中的课程资源管理单元，用于对该课程下的实验指导手册及实验报告查收、实验课件、脚本、以及实验数据集的上传和下载管理；所述的课程资源管理单元基于OpenStack的对象存储组件Swift实现文档、视频的上传与下载。作为优选的技术方案，所述的云服务层包括请求封装模块、任务调度模块和任务处理模块；所述的请求封装模块，用于将实验管理层发出的任务封装为系统约定的请求格式，包括时间戳、用户ID、请求类型、元数据和请求状态五个字段；所述的任务调度模块包括任务等待队列和线程池两个子模块，用于对不同类型的任务请求进行调度优化处理；所述的任务处理模块，用于调用基础设施层所提供的云计算和云存储接口来处理实验管理层任务请求。作为优选的技术方案，所述的请求类型分为资源创建型请求、资源回收型请求和资源管理型请求三类；其中，资源创建型请求包括教师实验主机申请、创新型学生实验主机申请、普通型学生主机申请和实验模板创建；资源回收型请求包括教师实验主机终止、创新型学生实验主机终止、普通型学生实验主机终止和实验模板的删除；资源管理型请求包括实验主机重启、关机，实验模板共享以及实验资源的上传与下载；所述的资源回收型请求包括两种回收模式，一种是针对普通型课程的主动资源回收，即普通型课程到达结课时间后，系统主动对该课程下的云主机进行资源回收；另一种是针对创新型课程的被动回收，即在创新型课程的两次实验之间，系统允许教师对该课程下的实验模板进行灵活调配。作为优选的技术方案，所述的任务调度模块，针对上、下课过程中学生云主机的批量和耗时特性，创新型学生和普通型学生实验主机的创建和终止请求，首先发送至等待队列，然后利用线程池中的空闲线程本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种服务于分布式实验教学环境的在线教育云平台，其特征在于，包括实验管理层、云服务层和基础设施层；/n所述的实验管理层，提供以课程为中心的实验管理接口，用于对实验课程所涉及的实验人员、实验模板、实验主机以及实验资源进行过程化管理；/n所述的云服务层，用于对实验管理层任务请求的分类、调度和处理；/n所述的基础设施层，基于开源云计算平台和分布式存储系统构建，提供云计算和云存储的统一服务接口；使用分布式文件系统Ceph中的块存储设备RBD作为OpenStack中Glance、Nova和Cinder组件的存储后端，实现虚拟机镜像、磁盘文件和云硬盘的统一化存储。/n

【技术特征摘要】
1.一种服务于分布式实验教学环境的在线教育云平台，其特征在于，包括实验管理层、云服务层和基础设施层；
所述的实验管理层，提供以课程为中心的实验管理接口，用于对实验课程所涉及的实验人员、实验模板、实验主机以及实验资源进行过程化管理；
所述的云服务层，用于对实验管理层任务请求的分类、调度和处理；
所述的基础设施层，基于开源云计算平台和分布式存储系统构建，提供云计算和云存储的统一服务接口；使用分布式文件系统Ceph中的块存储设备RBD作为OpenStack中Glance、Nova和Cinder组件的存储后端，实现虚拟机镜像、磁盘文件和云硬盘的统一化存储。


2.根据权利要求1所述的一种服务于分布式实验教学环境的在线教育云平台，其特征在于，所述的实验管理层包括实验人员管理模块、实验主机管理模块和实验课程管理模块；
所述的实验人员管理模块，一方面用于提供基于角色的权限管理，并根据不同角色用户所对应的权限构建不同功能；另一方面，用于对系统中用户按照学院、部门、专业、班级进行层次化信息管理；
所述的实验主机管理模块，用于对实验主机进行申请、登录、终止、关机和重启控制；其中实验主机的申请包括：首先基于可启动卷的快照创建可启动卷，该可启动卷为带有可启动操作系统的磁盘文件，然后基于可启动卷创建一台实验主机；实验主机的登录基于Guacamole实现虚拟机的Web浏览器登录，其中，Windows操作系统采用RDP协议连接，Linux操作系统采用SSH协议连接；对于分布式集群中的不同实验主机通过浏览器的Tab标签灵活切换；
所述的实验课程管理模块，用于提供课程信息、课程模板、课程学生、课堂上下课以及课程资源的管理。


3.根据权利要求2所述的一种服务于分布式实验教学环境的在线教育云平台，其特征在于，所述的实验课程管理模块中的课程信息管理单元，用于对课程的基本信息进行增、删、改、查，其中课程的基本信息包括课程名称、实验地点、课程类型以及课程起止时间；在新增课程时，可选择的课程类型包括普通型和创新型，这两种课程类型的区别在于：普通型课程在执行下课操作后，系统将释放学生实验主机所占用的计算资源，并删除实验主机的可启动卷；创新型课程在执行下课操作后，系统将释放学生实验主机的计算资源，但保留其实验主机的可启动卷，以实现学生实验状态的保存。


4.根据权利要求2所述的一种服务于分布式实验教学环境的在线教育云平台，其特征在于，所述的实验课程管理模块中的课程模板管理单元，一方面用于对课程实验模板的定制和删除；另一方面，按照课程实验对操作系统及集群数量的需求将所定制的模板与课程进行关联或解绑；
其中实验模板以可启动卷快照的形式存储于云数据服务器，实验模板的定制首先基于系统上传可启动卷快照或已有的实验模板来创建一台实验主机，进而在该实验主机中安装或删除特定的软件，最终将部署有设定实验环境的实验主机云硬盘固化为一个快照，从而成为一个新的实验模板；
所述的课程模板管理单元在执行实验模板定制操作时调用CephRBD模块的写时复制接口实现实验主机模板的秒级克隆。


5.根据权利要求2所述的一种服务于分布式实验教学环境的在线教育云平台，其特征在于，所述的实验课程管理模块中的课程学生管理单元，用于将选择该课程的学生与实验课程进行关联；
其中关联...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁炜超，罗飞，顾春华，李勇，杨泽平，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31