云計算技術在高校實驗室中的應用研究

姜 涵

（西安石油大學 計算機學院，陜西 西安 710065）

1 高校云計算實驗室建設背景

近幾年，雖然高校的實驗室的管理水平有了長足的進步，但是由于各高校資金配置的比重不同，很多設備老化嚴重，技術更新不及時，造成資源分配不均，實驗室管理人員管理難度較大等問題，同時也給學生及老師造成了很大的不便。傳統的教學模式是學生去機房完成上機實驗，實驗指導老師利用固定的計算機和相關設備完成實驗指導，這種模式帶來了極大的管理和維護難度，投入效率比也相當低下。迫切需要一種新技術來解決這些問題。云計算是當今信息技術發展的一個主要方向，一經提出就得到人們的追捧，其應用領域也得到了較快的發展，我國高等院校需要建設專業的云計算實驗室，尤其是要滿足當下學生需求的實訓系統，是一個比較重要和緊迫的工作。

2 目前高校實驗室存在的問題

2.1 硬件設備易損壞

實驗室的計算機壽命一般在3～5年，但是由于使用頻率高，再加上學生在做實驗的過程中的一些不當操作，計算機的硬件設備很容易出現故障，必須逐個計算機進行更新和維護，這就給實驗管理人員帶來了很大麻煩，損耗了大量人力物力。

2.2 設備型號不統一

由于不同機型的計算機壽命不一樣，有的機型過了年限仍在使用，有的機型已經更新換代，導致實驗室同時存在好幾種型號的計算機。由于目前實驗室的計算機操作系統和教學軟件采用的是網絡同傳方式，即在選擇一臺計算機作為母機，在其上安裝教學所需的系統和軟件，再通過局域網將母機的內容轉發至各臺計算機。但是由于不同廠家在生產計算機時配備的硬盤保護卡不一樣，所以這種網絡同傳的方式只能在同一型號的計算機之間進行，實驗管理人員需要進行多次同傳才可以完成整個實驗室計算機系統和軟件的安裝，工作量大，且維護效率低下。

2.3 安全性差

通常情況下，一個實驗室的若干臺計算機同屬于一個局域網，學生上機實驗有時會頻繁插拔USB接口，有極大的概率將U盤里的病毒傳染給電腦，再通過局域網傳染給其他計算機和網絡設備，經常出現死機藍屏等問題，導致整個機房癱瘓，影響正常的實驗教學任務。

2.4 利用率參差不齊

按照專業劃分，目前計算機學院實驗室分為網絡與接口實驗室，通信工程實驗室，計算機工程實驗室和數字媒體實驗室。各實驗室所需安裝的教學系統和軟件也不一樣，比如通信工程實驗室，大部分實驗只需計算機安裝有程序編譯環境即可，利用率不高。而數字媒體實驗室絕大部分實驗所需的圖像視頻等處理軟件動輒幾個G的大小，運行起來也極占內存。

3 云計算的類型

云計算按照提供的服務類型大致可分為3種：基礎設施即服務（Infrastructure as a Service，IaaS）、平臺即服務（Platform as a Service，PaaS）、軟件即服務（Software as a Service，SaaS）。其中IaaS應用范圍最廣，技術成熟度最高，適用于高校的實驗室環境[1]。

IaaS作為云計算架構的最底層，利用虛擬化技術將硬件設備等基礎資源封裝成服務供用戶使用，用戶相當于在使用裸機，既可以讓它運行Windows，也可以讓它運行Linux，既可以做Web服務器[1]，也可以做數據庫服務器。IaaS模式下，云服務提供者在服務器虛擬化的基礎上，將計算資源、網絡資源、存儲資源以組織（或者虛擬數據中心）的方式向最終用戶提供，最終用戶可以根據實際需求申請資源。在使用過程中，還可以對資源進行動態調整。

4 云計算平臺的優勢

與傳統的服務器相比，云平臺可以將物理資源虛擬化為虛擬資源池，靈活調用軟硬件資源，實現對用戶的按需訪問。而且在運行過程中根據用戶并發量不同，實現遷移虛擬機資源，一方面保證提供高質量服務，另一方面最小化資源成本，提高CPU、內存利用率[2]。

選擇實驗室的美國國際商用機器公司（International Business Machines Corporation，IBM）刀片式服務器作為云計算管理服務器，其實現的功能主要功能有以下幾點：云平臺管理、用戶管理、網絡管理、資源管理、存儲服務。每個節點的結構層次由底層到最上層分別是云引擎、虛擬化層、操作系統，如圖1所示。通過服務器虛擬化，可以將一臺服務器當作N臺服務器使用，比如一臺性能強大的物理服務器可以虛擬出多臺虛擬服務器，這樣對于計算能力要求不高的系統，可以實現多個系統在一臺物理服務器上運行而不會相互影響，大大減少了硬件的投資。

云計算的相關技術為解決實驗室建設及管理方面存在的問題提供了有效的解決方案，其具有以下優勢。

4.1 可靠性高

云實驗平臺的穩定可靠是實驗室正常運行的關鍵保證，在云實驗設備設計中選用高可靠性產品，合理設計云實驗平臺架構，制定可靠的備份策略，保證云實驗平臺有故障自愈的能力，最大限度地支持系統的正常運行[3]。

圖1 云計算管理服務器結構層次

4.2 標準開放性

支持國際上通用標準的云計算相關協議，有利于保證與其他云計算平臺之間的平滑連接互通，以及將來的擴展。

4.3 靈活性及可擴展性

根據未來業務的增長和變化，實驗平臺可平滑地擴充和升級，最大限度地減少對現有實驗平臺的調整。現有設備可以在擴容過程中得到充分利用，從而減少實驗室運行成本。

4.4 可管理性

對實驗平臺集中監測、分權管理，并統一分配資源管理選用先進的云計算管理平臺，具有對實驗室平臺內的虛擬資源創建、監控、遷移等管理能力。

4.5 虛擬化技術

云計算是一種服務，虛擬化和分布式系統都是用來實現云計算的關鍵技術。目前所說的虛擬化常用的核心技術有兩個：服務器虛擬化和應用虛擬化。分布式系統主要用到的核心技術也有兩個：分布式存儲和分布式計算。

服務器虛擬化就是在操作系統之間加入了一個中間層，通常叫作Hypervisor層，把操作系統和硬件從邏輯依賴關系上分離了，即所謂的“解耦合”，操作系統與Hypervisor層通信，Hypervisor層再與硬件進行通信，如圖2所示。

圖2 主機虛擬化示意

5 結語

隨著高校計算機實驗室使用頻率不斷提高和云桌面技術的不斷發展，實驗室云平臺建設已經成為高校信息化建設的一個重要方向，虛擬化桌面組成的云平臺很大程度上解決了設備利用率不高、管理繁雜等問題，實現了真正意義上的信息化管理和資源共享，這對以后高校實驗技術的改進和教學模式的創新有著重要的意義。

[參考文獻]

[1]梁浴文.高校計算機實驗室云桌面平臺的規劃及構建[J].電腦知識與技術，2017（17）：128-129.

[2]袁夢雪，朱海燕，李永豪，等.基于OpenStack構建高校實驗室云計算管理平臺的實現[J].科技展望，2016（7）：14-15.

[3]陳昌興.高校實驗室信息化的云計算策略與方法[J].實驗技術與管理，2014（1）：221-224.