容器技术在高职信息类专业实训室组织与管理中的应用研究

2022-09-12

一、研究背景

信息技术的广泛应用, 导致人才需求市场中信息类人才缺口在不断扩大。但目前的信息类专业人才的供给结构不合理, 许多毕业生未具备企业所要求的专业技能, 在市场竞争中处于劣势, 因此信息类专业高技能人才依然紧缺。人才需求的不断变化, 高职院校也在调整专业建设和招生情况。各院校的有利政策纷纷向信息类专业倾斜, 信息类专业数量和学生规模在不断增大, 院校在规划与建设的过程中, 也不断增加信息类专业的实训室, 利用更先进的实训、实践场所, 培养更多符合社会需求的信息类高技能人才。但是, 随着新技术、新课程的出现, 许多院校在建设实训室的过程中, 未能充分调研, 未明确需求, 导致出现新增实训室的性能参数不达标、重复建设等问题。

当前, 随着新技术、“新业态”的出现, 高等职业教育发展也出现了新的变化, 传统的实训室管理模式不利于信息类专业课程的实践教学改革, 无法充分发挥实训室的作用。因此, 如何提高实训室的综合利用率, 已成为高职教育一个迫切需要解决的问题。

在高职院校中, 实训教学是最重要的教学环节之一, 实训室是进行实践、实训教学的重要场所, 实训教学为学生的技能培养、素质提高、能力锻炼提供了重要的保障, 随着新技术的出现和应用, 建设符合技术发展趋势的专业实训室则尤为重要。容器技术可以为信息类专业实训室的建设提供良好的解决途径, 改善实践教学条件、提高实训设备的利用率、优化实训教学环境。

二、研究意义

通过对Docker容器技术的研究及容器技术应用场景进行研究, 可以发现相关应用得到了国内外越来越多的关注度, 许多云计算企业都加大了研发力度, 积极推广应用。容器技术在国外已经形成了较成熟的社区技术交流、企业应用等生态圈;在国内, 阿里云等云计算ISP, 积极投入容器技术研发和应用推广, 发展势头迅猛, 前景良好。因此, 本课题研究主要有以下几点意义:

(1) 在“互联网+”的时代浪潮下, 利用信息技术, 对教学环境、教学方法、教学模式、教学科研等进行全方位的改革, 已成为顺应信息时代潮流进行教学改革和创新的迫切需要。容器技术作为当前轻量级虚拟化技术的应用热点, 可应用于提高软件项目开发效率, 简化服务配置、隔离应用, 整合服务器、快速部署等方面。在应用研究钟, 可尝试探索其他方面寻找新的突破, 并落实于具体的业务需求和应用场景。

(2) 随着云计算技术的深入应用, 在许多应用场景下, 当前基于VMware、KVM等产品的虚拟化技术存在物理服务器资源利用率偏低的问题。充分利用容器技术实现更细粒度的资源分配与调度管理, 提高资源利用率, 提高实训室的部署效率, 增强实训室的可用性。

(3) 利用容器技术轻量化的特点, 结合DevOps的理念设计自动化运维方案, 结合容器技术及我校实训室建设过程中的需求及应用场景, 设计更高效的解决方案, 为当前实训教学及机房管理提供更优化的解决方案。

(4) 在我校信息工程学院当前教学功能需求的基础上, 拓展广东省高职教育实训基地和省级公共实训中心“电子信息 (基于云计算的移动互联网+大数据) 公共实训中心”的应用, 充分利用该数据中心的服务器、存储等资源开展容器技术的研究。

(5) 针对目前实训室建设过程中, 主机资源利用率低, 部署和扩展复杂, 资源隔离无法动态调度等问题, 采用合适的方法, 对容器集群进行管理, 实现统一调度及更细粒度的资源分配, 实现可伸缩的动态服务, 以达到合理利用资源的目的。

基于Docker的容器技术是当前轻量级虚拟化技术应用的一个热门应用方向, 具有较高的研究价值, 较好的应用前景。结合我校的实际情况, 可落实于应用中, 推进“上云”的建设。

三、研究内容

(一) 充分调查与研究, 解决专业实训室在组织与管理中的问题

(1) 当前, 许多高职院校的实训室工作改革还较为单一, 虽然一定程度上促进了实训教学水平和质量的提高, 随着新技术、新应用的不断发展和出现, 信息类专业的课程改革较大, 相关专业学生无法接触和利用新技术、新手段、新环境的实践训练。

(2) 许多职业院校在实训室建设过程中, 因经费等因素的影响, 缺乏可持续性的建设, 功能设计较为单一, 能提供的实训内容较少, 可利用的周期短, 实训设备易淘汰。

(3) 在高职院校的信息类专业人才的培养过程中, 注重技术技能训练, 教学过程中强调实践动手能力的培养, 实践教学质量的好坏在很大程度上取决于实训室的建设水平。IT技术更新换代的速度较快, 随着新兴技术的出现, 实训室升级换代的需求也随之而来。利用Docker容器技术, 在不更换机房设备等情况下, 可利用Docker容器技术构建新技术课程所需的环境, 以达到节省成本的目的。

在实训室的建设组织与管理过程中, 应组建项目团队, 进行详细调研。首先, 紧跟市场需求, 充分调研信息类岗位的职业能力需求, 明确人才培养目标, 制定确实可行的人才培养方案。其次, 根据各专业人才培养目标及职业能力需求, 规划设计各专业的核心课程。最后, 根据授课环境的需求及学生实践训练的要求, 建设符合要求的专业实训室, 避免出现重复建设。

(4) 容器技术研究

在本课题研究过程中, 首先研究虚拟化技术的特点, 传统虚拟化技术与容器技术的运行结构如图1所示, 充分利用基于Docke容器的虚拟化技术的轻量级特点, 明确技术研究方向, 用于重新构建轻量级应用环境。

(5) 应用场景研究

在当前VMware、KVM等虚拟化应用场景下, 对场景进行分析, 重新设计, 充分考虑引入容器技术后是否会增加当前应用的复杂性。

目前容器技术的应用已趋于成熟, 阿里云等大公司已经加大了相关的研发及应用推广。逐渐形成了新的服务模式, CaaS (ContainerasaService, 容器即服务) 。通过相关开源的运行平台, 可实现运维自动化, 快速部署应用、弹性伸缩和动态调整应用环境资源, 提高研发运营效率。在国内外, 当前容器技术的应用热点, 主要包括:简化配置、代码流水线管理、提高开发效率、隔离应用、整合服务器、调试能力、多租户环境、快速部署, 如图2所示。结合我校的实际情况, 针对教学、管理及学校其他办公等方面的需求, 利用容器技术在自动化部署及DevOps等方面, 通过可行性分析及环境重构验证, 对当前业务环境进行重构优化。

(6) 基于容器技术的实训室建设方案设计

以运维人员的角度进行设计, 利用Docker技术, 先创建基本的Docker镜像模板, 提供核心的功能, 然后根据应用环境的要求, 从模板镜像创建新的容器, 通过提供额外的启动该参数, 对容器进行调整和配置, 让新生成的容器适应不同的应用场景。由于Docker具有较好的技术优势, 容器的创建过程非常简单和迅速, 而且可以根据不同的项目需求多次创建不同的容器文件, 容器文件之间完全隔离, 互不影响。

设计采用Web式的运维平台实现相应管理功能, 便于实训室中的管理员、授课教师等各类人员使用。Docker镜像与容器的运维方案如图3所示:

采用上述方案可具有以下优势:

(1) 当前通过VMware、KVM等虚拟化技术实现的环境, 存在资源利用率低, 启动速度慢及性能开销大等弊端。因此, 针对信息类专业适用的专业课程, 通过前期构建Dockerfile和自动化构建脚本, 优化网络通信与文件共享等问题, 从而提高实训室环境的部署效率, 以达到增强实训室可用性的目的, 保障实训室顺利开展实践教学。

(2) 随着课程门数增加, 课程间的授课环境差异较大, 需解决课程间, 班次间快速切换问题。在具体的某门课程中, 如何实现操作环境的再现, 保障课程实践训练的连贯性, 让每位学生达到课程训练的要求。学生规模增大, 导致实训室使用频率增高, 保障可用性。

(3) 利用Kubernetes平台等工具管理Docker容器集群, 实现自动化部署和管理, 降低使用Docker容器技术带来的额外管理开销。

四、研究计划

第一阶段:初期调研, 确定研究范围;深入学校内部及合作院校和单位, 进行调查和实地考察调研;进行资料整理与统计, 进行相关的分析, 研究实施方案。

第二阶段:利用Docker容器技术, 设计合适的建设方案, 对现有课程的教学环境进行重构设计;进行相应的测试于实践, 整合现有资源, 对实训室的改造和管理。

第三阶段:在计算机网络技术、软件技术等信息类专业课程的教学实践应用及相关实训室部署与管理中的实践应用。

第四阶段:根据课题研究与实践的成果, 做好资料整理和汇总工作, 并在学校内部及合作院校和企业间推广应用。

五、总结

在课题的实践应用过程中, 容器技术具有轻量化的特性, 且拥有较好的资源隔离与限制能力。没有传统虚拟化技术在管理程序方面的额外开销, 性能更加优良, 在同等条件下可以运行更多的应用实例, 可以更充分地利用系统资源。同时, 容器技术可提供更细粒度的资源调度策略, 可精确地对应用分配CPU、内存等资源, 保证了应用间不会相互影响, 因此可以构建合适的运维平台, 可以简化配置与部署, 实现“构建一次, 随处运行”, 为管理提供便利。

因此, 容器技术可以解决当前信息类专业实训室建设过程中, 资源利用率低, 部署和扩展复杂, 资源调度不合理等问题, 实现节省建设成本的目的, 并降低管理成本。

容器技术虚拟化技术已经成为一种被大家广泛认可的容器技术服务器资源共享方式, 容器技术可以在按需构建容器技术操作系统实例的过程当中为系统管理员提供极大的灵活性。由于hypervisor虚拟化技术仍然存在一些性能和资源使用效率方面的问题, 因此出现了一种称为容器技术 (Container) 的新型虚拟化技术来帮助解决这些问题。容器技术能够在同一台服务器上创建相比于之前两倍的虚拟机实例数量, 因此无疑将会降低系统总投入。但是必须认真进行规划, 因为双倍的实例数量同样意味着对于运行这些实例的服务器带来了双倍的I/O负载。据表明, 容器技术能够大大提升工作效率。

摘要：随着教育信息化的推进, 在“互联网+”的时代浪潮下, 利用信息技术, 对教学环境、教学方法、教学模式、教学科研等进行全方位的改革, 已经成为顺应信息时代潮流进行教学改革和创新的迫切需要。本文尝试利用容器技术的轻量化的优势, 探索在高职信息类专业实训室组织与管理中的应用, 以期在信息类专业实训室的组织与管理及相关课程建设方面取得进展, 并为院校的其他信息化建设方面提供借鉴。

关键词：Docker容器技术,实训教学,实训室组织与管理