数控机床职业技能数字化培训服务云平台架构设计与研究

孟海斌 蔡金苹

引言

目前，我国数控机床职业教育与培训存在诸多问题，如教育平台资源匮乏、培训教育资金不足等。本文从上述问题出发，提出构建了一个统一、开放的数控机床公共教育云平台。云平台系统架构采用双层虚拟网络架构：系统顶层业务层主要基于虚拟机集群实现，系统底层是支撑层，基于硬件设备集群实现虚拟机载体。支撑层不直接对外提供服务，仅为业务层的运行提供硬件支撑，所有任务全部由业务层实现。平台在双层架构的基础上实现了大数据并行计算、数据的统计分析以及数据的分布式存储等核心技术。我国的教育信息化体系盘大，特点突出，现行的信息化云计算通用性和实用性不适用于教育环节的基本需求。针对学生培训需要结合每个学生不同的特点，因材施教，而教育云概念的提出却可以有效解决这个关键性问题。从有效性、适用性和安全性三个角度出发，本课题提出的基于数控机床职业技能数字化培训服务云平台系统框架设计，系统设计着眼于分布式并行计算、大数据统计分析、资源智能调度以及动态概率预测等多个方面，具有不可估量的社会价值和学术价值。

1、总体架构设计

系统架构设计主要涉及5个方面：1）采用基于业务层/支撑层的双层虚拟网络，支撑层提供底层硬件设备支持，业务层由虚拟机构成，完成服务请求;2）在逻辑上，支撑层与外部网络完全隔离，其仅为业务层提供虚拟机运行的硬件资源，间接对外提供云计算服务，增强系统安全性;3）业务层确保与外部网络的通信，外部网络的智能终端能够访问到上层的虚拟机集群，并提供的相应的云计算服务;4）通过虚拟机所提供外部接口，业务层口实现了与其他外部系统的数据交互，完成平台内部与外部之间的数据流通;5）支撑层支持业务层虚拟机的迁移与复制以及计算资源分配。通过虚拟机集群的形式，业务层实现了计算资源的重新组合与分配。

2、虚拟网络分层架构设计

平台沿用虚拟化网络基于业务层/支撑层的双层架构，双层架构设计沿用了虚拟化计算通用框架，其优点是逻辑上，将提供服务的虚拟机独立划分为一个层次，与支撑层的物理设备完全分离，增强系统的兼容性。确保系统的硬件设备无缝升级，且不会影响到虚拟机层的业务处理。

3、外部接口设计

各地区系统的数据采集数据必须进行分析、统计和汇总，最后形成教育资源调度与推送的指标参数。平台框架设计在业务层采用中央核心数据库，并在外围匹配加上分布式接口数据库的设计模式。本研究为确保数据资源的灵活性和适用性，在通用的数据库接口的基础上，允许客户端的用户对存储管理模式以及数据格式进行自定义操作。平台的外部数据完整性和完备性由外部系统统一实现。本平台真正用来运作的数据库是中央数据库，其用途涵盖了业务运行、数学模型分析与计算、内容推送、数据的统计和报表生成等。各个接口数据库的交互数据通过系统的分析、汇总、统计后由服务器组的进行一体化加工，格式统一后存储到中央数据库。同时，平台运行过程中得到的数据资源有匹配性地从中央数据库分配给各个接口数据库，供外部服务调用。

4、支撑层架构设计

4.1支撑层架构

支撑层通过平台的虚拟机接口和网络存储接口，为业务层的虚拟机运行提供计算资源、存储资源和网络传输资源。1）在逻辑上与外部网络隔离，可以间接对外提供服务。其仅为业务层的虚拟机运行提供各种硬件支持;2）硬件异构系统能够支持各种不同的硬件设备，确保系统的兼容性。通过平台统一的内部接口为业务层的虚拟机提供硬件支撑;3）支持业务层的虚拟机控制和调度硬件资源的分时使用以及资源过度预分配。

4.2网络存储接口

支撑层为虚拟机软件提供网络存储接口，一般不直接向业务层的虚拟机提供数据接口。借助虚拟机软件可以实现各种虚拟机磁盘映像的存取操作。业务层虚拟机在对自身磁盘访问的过程中本质上间接调用了支撑层的网络存储模块。支撑层的网络存储接口极具特点：1）訪问接口的虚拟化;2）分布式存储本身的虚拟化;3）存储接口的统一化。

4.3虚拟机磁盘映像池

为保存业务层各虚拟机的虚拟磁盘映像，支撑层的虚拟机磁盘映像池通过分布式存储的方式实现。磁盘映像池对外提供四种磁盘映像，共两大类，其性能特征也不尽相同。磁盘映像包括只读映像、差分映像、动态映像和准静态映像四类。

4.4数据存储池

业务层的虚拟机由支撑层的虚拟机磁盘映像池统一提供数据盘和系统盘。当多个虚拟机组成集群时，必须对各个虚拟机的数据的存储区域进行共享，“共享”区域由支撑层的数据存储池负责分配。

4.5虚拟机接口

虚拟机软件是实现本平台的双层虚拟网络架构的关键所在。支撑层的各种硬件设备资源通过虚拟机接口统一分配、统一调度，划分给多个虚拟机动态使用。

4.6计算资源池

计算资源池对支撑层的GPU和CPU等硬件计算资源进行整合，给业务层的虚拟机提供分布式并行计算能力。尤其针对高密集度的统计分析计算，通过相应的开放标准接口，虚拟机第一时间获取到所需要的硬件资源。

5、业务层架构设计

业务层基于虚拟机集群模式实现，这确保了硬件资源调整和配置的灵活性。根据各地区的不同实际情况，业务层的具体的应用可以制订个性化方案，平台的包容性和兼容性得到保障。中央数据库使整个平台的数据、信息有效统一起来，避免与各系统的数据分割。

6、总结

云计算是教育信息化平台的未来发展趋势，而数控机床职业技能数字化教育云有着特殊要求，目前，较为通用的云平台并不十分适用。针对教育领域的个性化需求，本文提出了系统架构设计的总体方案。平台系统采用双层虚拟网络架构，在扩展性、灵活性、安全性、高效性等方面具有优势，具备教育云所需要的各种大数据处理能力。由于篇幅原因本文仅仅提出了云教育平台的总体设计方案，在今后的研究中可以针对此方案进行系统设计和实现。