基于云計算的虛擬計算機實驗室構建與研究

袁芬

摘 要： 云計算是一種基于網(wǎng)絡的新型服務模式，是互聯(lián)網(wǎng)中的研究熱點。通過研究云計算的基礎設施即服務（IaaS ）、平臺即服務（PaaS）和軟件即服務（SaaS）三個服務層次，結合當前高校計算機實驗室建設中存在的問題，把云計算引入到高校計算機實驗室建設中，分析了建設基于云計算的高校計算機實驗室的優(yōu)點，并提出了基于云計算的高職院校虛擬計算機實驗室模型構建與實現(xiàn)，可為高校計算機實驗室的建設提供理論參考。

關鍵詞： 云計算； 層次架構； 虛擬計算機實驗室； 高職院校

中圖分類號：TP393.02 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）03-64-03

0 引言

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，我國高等教育信息化也得到了迅速的發(fā)展。高等院校中各專業(yè)都與計算機建立了緊密的聯(lián)系，在計算機實驗室中培養(yǎng)和鍛煉學生的專業(yè)綜合能力，成為高等院校日常教學中不可或缺的重要組成部分，計算機實驗室的建設也因此成為高校的重要工作。但就目前高校計算機實驗室的建設和管理方面都還存在許多問題，如何充分應用新技術成果，構建更為高效的計算機實驗室及實驗教學系統(tǒng)，已成為當務之急，而云計算時代的到來，為高校計算機實驗室的建設和管理提供了新思路。本文就目前在云計算環(huán)境下如何構建高校虛擬計算機實驗室進行研究與設計。

1 當前高等院校計算機實驗室建設現(xiàn)狀

目前，我國各高校計算機實驗室建設已初見成效，在一定程度上改善了計算機實驗的軟硬件環(huán)境，也提升了計算機實驗教學的質(zhì)量。然而，通過分析我院計算機實驗室的建設和管理，不難發(fā)現(xiàn)，高校計算機實驗室建設中普遍存在不足。

首先，硬件設施建設和更新成本巨大，且更新?lián)Q代較慢。計算機實驗室在建設初期需要投入大量的資金購買硬件產(chǎn)品，很多情況下由于資金有限，計算機實驗室的建設被擱置。另一方面，實驗設備換代比較快，導致被淘汰的設備閑置，這是很大的浪費，而重新購入設備需要再次投入大量的資金，使得計算機實驗室建設成本太高。

其次，軟件維護與更新困難。高校的計算機實驗室要滿足各計算機相關專業(yè)學生的實驗需求，對實驗環(huán)境要求的多樣性使得實驗室對設備的維護和管理提出了巨大的挑戰(zhàn)。通常，計算機實驗室的每臺學生機上都預安裝了幾個操作系統(tǒng)以適應不同科目對不同系統(tǒng)的需求，但是由于同一學生機上安裝多個專業(yè)的實驗軟件，這往往導致軟件沖突，系統(tǒng)反應緩慢。與此同時，各專業(yè)開設的實驗課需要不同的教學軟件，隨著信息化的迅速發(fā)展，這些軟件版本更新很快，使用較短時間之后又需要更新到新版本才能適應教學要求。盡管目前可以通過網(wǎng)絡同傳、增量拷貝等技術手段進行批處理，但學校實驗設備一般都是分批招標購置的，系統(tǒng)品牌型號不一，操作各異，也因此使得計算機實驗室軟件維護與更新變得非常困難，往往不能滿足教學要求。

再次，實驗數(shù)據(jù)存儲受限。目前，高校的計算機實驗室為了保護計算機的穩(wěn)定性和安全性，一般都采取安裝硬件保護卡或還原軟件的方法對用戶使用后的計算機軟件系統(tǒng)進行還原，以保護計算機系統(tǒng)不受病毒的侵害或人為破壞。這雖然在一定程度上保護了計算機的安全性，但是，學生的實驗數(shù)據(jù)卻無法得到長時間保存，打破了學生實驗的連續(xù)性，很大程度上影響了學生實驗的積極性和教師對實驗的指導和評價。

上述問題制約著計算機實驗教學的發(fā)展，作者認為，有必要建立一個統(tǒng)一、高效、靈活的高校計算機實驗共享平臺，對實驗室資源進行最大程度的整合，而云計算技術的發(fā)展，為虛擬計算機實驗室的建設提供了可能性。

2 云計算和虛擬計算機實驗室

2.1 云計算概要

互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，計算機技術、網(wǎng)絡通信技術的廣泛使用，使得各個領域?qū)τ谟嬎隳芰Φ囊笈c日俱增，作為分布式計算、網(wǎng)格計算以及并行計算的進一步發(fā)展趨勢，云計算的概念孕育而生。當前云計算的服務主要分為三個層次：①基礎設施即服務（Infrastructure as a Service，IaaS）；②平臺即服務（Platform as a Serivec，PaaS）；③軟件即服務（Software as a Service，SaaS）。這三個層次的云計算服務主要向網(wǎng)絡用戶提供計算、軟件、數(shù)據(jù)訪問和存儲等服務。

⑴ 基礎設施即服務（IaaS）

IaaS把由多臺服務器組成的“云端”基礎設施作為計量服務提供給客戶，即提供了一個軟件應用環(huán)境，包括提供用戶需要的計算資源、存儲資源、通信資源等。Iaas將計算能力、內(nèi)存、I/0設備等整合成一個虛擬的資源池，為用戶提供所需要的存儲資源和虛擬化服務器等。這些基礎設施的規(guī)模可以根據(jù)資源的需求情況動態(tài)分配，更精準地為用戶提供服務。

⑵ 平臺即服務（PaaS）

PaaS提供一個集成環(huán)境。廠商提供開發(fā)環(huán)境、服務器平臺、硬件資源等服務給客戶，并給用戶提供研發(fā)的中間件平臺，同時還提供應用程序開發(fā)、數(shù)據(jù)庫、應用服務器、試驗、托管及應用服務。用戶只需在廠商提供平臺的基礎上開發(fā)自己的應用程序，并通過其服務器和互聯(lián)網(wǎng)傳遞給其他客戶。

⑶ 軟件即服務（SaaS）

SaaS提供了一種應用框架。SaaS服務提供商將應用軟件統(tǒng)一部署在自己的服務器上，由服務提供商維護和管理軟件，并提供軟件運行的硬件設施。用戶根據(jù)個人需求訪問所需要的服務，服務提供商根據(jù)客戶所訂軟件的數(shù)量、時間的長短等因素收費。用戶只需要支出一定的租賃服務費用，不再需要花費大量資金投資在硬件購買、軟件安裝與維護上。

2.2 云計算在高等院校虛擬計算機實驗室建設中的優(yōu)勢

利用云計算中的虛擬化技術和SOA與Web服務，能有效地節(jié)約當前高等院校計算機實驗室建設中的硬件投資成本，且改善更新速度慢，軟件維護與更新困難，以及實驗數(shù)據(jù)存儲受限制的現(xiàn)狀。云計算在高等院校虛擬計算機實驗室建設中有以下優(yōu)勢。

⑴ 降低實驗室建設中的軟硬件投入成本

云計算系統(tǒng)對用戶端的硬件設備要求很低，只要用戶擁有一臺可以上網(wǎng)的終端設備、一個瀏覽器以及一個能夠接入Internet的接口，就可以接入到“云端”，像使用本地計算機的資源一樣使用云計算系統(tǒng)提供的各種軟硬件資源，且功能更強大，應用范圍更廣泛。各種資源都由“云”來提供，終端用戶只需支付少量的使用費用即可使用“云”端的軟硬件資源，這就降低了實驗室建設中對各種軟硬件資源的投入成本，也無需對終端設備和各種軟件進行不停的更新?lián)Q代，這將極大地降低各高校在計算機實驗室建設中的投入成本。

⑵ 減輕實驗室軟硬件維護與更新的壓力

云計算提供基礎設施、平臺及軟件三方面的服務，基礎設施的維護由云端提供，軟件的更新也由云端提供，因而使得基于云計算的虛擬計算機實驗室無須再對硬件進行維護和對軟件進行無休止的更新，從而減輕實驗室軟硬件維護及更新的壓力。

⑶ 實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的海量存儲和自由訪問

云計算系統(tǒng)能為用戶提供海量的存儲空間，這為計算機實驗教學過程中學生的實驗數(shù)據(jù)提供了存儲空間，無論是實驗的中間結果還是最終結果，學生都可以將實驗數(shù)據(jù)永久存儲在“云端”，以便在任何地方通過瀏覽器在“云”的另一端打開繼續(xù)進行實驗，不用擔心機器上是否安裝了應用軟件，或擔心不是最新的版本。

利用“云”的海量存儲空間及數(shù)據(jù)的自由訪問優(yōu)勢，能改變以往為了保護計算機而安裝保護卡或還原軟件而導致的學生實驗數(shù)據(jù)無法在實驗室中長期存儲的問題，這將極大地提高學生實驗的積極性和有效性。

3 基于云計算的高等院校虛擬計算機實驗室的建設

3.1 構建思想

云計算是一種基于因特網(wǎng)的超級計算模式，它可以使客戶方便地根據(jù)自己的需求在物理機的虛擬環(huán)境中進行資源定制。本文的研究是建立在云計算的軟件即服務、平臺即服務和基礎設施即服務三層服務的基礎上，結合當前高校計算機實驗室建設現(xiàn)狀，利用云計算中的虛擬化技術構建基于云計算的高等院校虛擬計算機實驗室，快速部署云端的資源以獲取服務，動態(tài)組織異構資源，構建不同的應用環(huán)境，將存儲空間等資源共享，杜絕軟硬件資源浪費，達到計算機實驗室效益最大化。

3.2 基于云計算的虛擬計算機實驗室模型構建

利用云計算技術，我們不必把軟件、數(shù)據(jù)放在本地計算機中，而是把它們放在“云”中，由數(shù)據(jù)中心來為用戶提供軟件和數(shù)據(jù)存儲等服務。對用戶來說，只需要訂制“云”中的服務，登錄后就可使用此服務。總之，云計算的最終目的是向用戶提供方便、快捷、易于獲取的服務。基于云計算的三層服務層次，并結合高校計算機實驗的特點，我們構建了基于云計算的高校計算機實驗室建設模型，如圖1所示。

⑴ 物理資源層

物理資源層主要指實實在在的物理機、存儲器、通信線路等物理意義上的資源。這些資源通過網(wǎng)絡聯(lián)接，實現(xiàn)資源共享。云計算系統(tǒng)中資源共享包括計算資源，存儲資源和網(wǎng)絡資源的共享等。在高校計算機實驗室建設中可以是PC機、服務器、工作站、交換機、存儲設備等，這里主要使用的是高校局域網(wǎng)內(nèi)部的設備，既可以是一個高校的設備，也可以是多個高校的設備，這些物理設備共同構成“云”。

⑵ 虛擬資源池

虛擬資源池是通過不同的技術將相同類型的資源構成同構或近似同構的虛擬資源池；可以屏蔽掉物理資源的復雜性，實現(xiàn)從物理資源向邏輯資源的轉(zhuǎn)化。把物理資源整合成與位置和實物無關的方式進行調(diào)用，可提高資源的利用率，并降低維護管理的復雜度。比如：在兩臺服務器上分別利用虛擬軟件虛擬出10臺虛擬機，動態(tài)分配虛擬的CPU、內(nèi)存、硬盤、I/0設備及網(wǎng)絡資源，并分別在這些虛擬機上安裝不同的操作系統(tǒng)及配置相應的應用程序，從而建立出來20臺服務器建成的虛擬資源池的云計算環(huán)境。

⑶ 云管理層

云管理層的功能主要包括：云資源管理、云數(shù)據(jù)管理、云安全管理和用戶管理。資源管理平臺建設中間件主要對虛擬資源層的各種虛擬資源進行管理，包括增加、刪除、修改、維護等，并對眾多的資源建設管理進行負載均衡優(yōu)化和調(diào)度，從而為上層應用提供安全的服務。云數(shù)據(jù)管理主要對用戶及云平臺上的數(shù)據(jù)進行保管和維護，保證用戶實驗數(shù)據(jù)、軟件數(shù)據(jù)等資料的安全性。安全管理包括網(wǎng)絡的安全管理、數(shù)據(jù)的安全管理、訪問的安全管理及用戶的身份確認和訪問控制權限等。

⑷ 云客戶端

云客戶端主要通過應用技術將云計算能力封裝成標準的Web Service服務，使任何一個用戶按自己的需求對SaaS平臺進行個性化配置而不影響其他用戶的使用。云客戶端為用戶和云計算應用提供統(tǒng)一的接口規(guī)范。在高校計算機實驗室建設模型中所說的云客戶端主要是使用瀏覽器和應用程序接口，因而使用云客戶端就可以快速便捷地訪問云中的資源。云客戶端通常安裝在實驗室的終端計算機中，對計算機的硬件要求不高，這樣各高校可以不必投入很大資金到本地的終端上去，就可以使用云計算平臺的大量信息資源，使用遠超過終端性能上限的高強度計算工作和存儲能力。

4 結束語

隨著網(wǎng)絡的發(fā)展，云計算技術不斷成熟，云計算不再是高聳云端的高端理念，作為一種新型的服務模式，它必將為計算機應用帶來新的變革。建設基于云計算的計算機實驗室，可輕松實現(xiàn)不同設備間的數(shù)據(jù)共享，為用戶提供無限的存儲空間和計算性能，并保證數(shù)據(jù)的安全、可靠。云計算與高校計算機實驗室建設的結合，可有效整合高校教學資源，提高資源的利用率，從而為高校實驗室建設提供參考，也進一步拓展了云計算的應用領域。

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