云計(jì)算技術(shù)背景下實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與管理實(shí)踐

吳偉娜，周會(huì)會(huì)，王文華

（1.廣東海洋大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 湛江 524088；2.廣東海洋大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，廣東 湛江 524088）

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，教育已經(jīng)進(jìn)入高度發(fā)達(dá)的信息化時(shí)代。當(dāng)前的高等教育越來越重視實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，不管是理科、工科還是文科的專業(yè)，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室都將是高校的一些理論課程、實(shí)踐教育課程、校內(nèi)實(shí)習(xí)基地以及各種等級(jí)考試和培訓(xùn)的必備場(chǎng)地[1-4]，而且，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的使用頻率高，對(duì)新時(shí)代的人才培養(yǎng)起著舉足輕重的作用。為了滿足人才培養(yǎng)的需要，很多高校都在不斷擴(kuò)建計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，原有計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的軟硬件設(shè)備也需要不斷更新?lián)Q代，各種計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)對(duì)設(shè)備要求也越來越高，有些課程的個(gè)性化教學(xué)在目前的管理模式下得不到有效滿足，因此，實(shí)驗(yàn)室管理人員的維護(hù)工作越來越繁重。為了提高資源利用能力和實(shí)驗(yàn)室的管理效率，促進(jìn)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的管理和資源配置在新時(shí)代人才培養(yǎng)質(zhì)量過程中發(fā)揮更加有效的作用，是當(dāng)前計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及其管理改革的重點(diǎn)方向之一[5]。

近年來，云計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展以及在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用使得該技術(shù)愈發(fā)成熟，為計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與管理模式改革提供了很好的技術(shù)背景[5-9]。云計(jì)算技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的軟件配置在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、配置資源的利用以及管理效率方面有很大優(yōu)勢(shì)，云存儲(chǔ)和虛擬桌面是當(dāng)前高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的管理與建設(shè)的兩個(gè)重要應(yīng)用，能夠成為計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理和快速發(fā)展的有效途徑，有效提升計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的功能和管理效率，滿足高校對(duì)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)的各種要求。本文針對(duì)云計(jì)算技術(shù)的服務(wù)模式和基于云計(jì)算技術(shù)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理模式展開討論，同時(shí)針對(duì)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)與平臺(tái)環(huán)境、日常的課程教學(xué)對(duì)環(huán)境的不同需求，在新建的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室保留還原卡保護(hù)方式并且采用云存儲(chǔ)技術(shù)，提出了“舊機(jī)”本地操作系統(tǒng)+云存儲(chǔ)的教學(xué)環(huán)境改造方案，課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)管理可以根據(jù)本地系統(tǒng)的性能和教學(xué)環(huán)境要求進(jìn)行選擇，從而滿足實(shí)驗(yàn)室日常的高效管理和教學(xué)活動(dòng)的順利開展。

1 計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室云計(jì)算技術(shù)管理的必要性

為了能夠更好地滿足計(jì)算機(jī)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)順利進(jìn)行，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和管理逐漸顯現(xiàn)其弊端，主要表現(xiàn)在以下方面。

1.1 設(shè)備數(shù)量多，維護(hù)難度大

隨著教育培養(yǎng)模式改革的深化，高校越來越重視實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，隨之而來的是不斷擴(kuò)建計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室和相應(yīng)的電腦設(shè)備，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室管理人員的工作量增加，而且，每學(xué)期的開學(xué)初或者某門課程開課前都面臨計(jì)算機(jī)系統(tǒng)升級(jí)、安裝新軟件或者升級(jí)原有軟件，以及各種病毒引起的系統(tǒng)崩潰重新安裝問題。雖然采用了還原卡等方式對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行管理，但是難免經(jīng)常出現(xiàn)還原卡故障的問題，導(dǎo)致系統(tǒng)安裝、軟件安裝和升級(jí)、系統(tǒng)對(duì)拷的操作變得繁瑣和復(fù)雜，工作量大大增加，甚至因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室受到正常教學(xué)的限制而來不及解決相關(guān)的問題。

1.2 課堂存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量大且連續(xù)使用性強(qiáng)

為提高實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，不少課程都增加了很多實(shí)驗(yàn)課時(shí)，并且大量的實(shí)驗(yàn)都以項(xiàng)目化的形式出現(xiàn)。項(xiàng)目化的實(shí)驗(yàn)要求存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量大同時(shí)又要求在多個(gè)不同的上課時(shí)間段使用，從而導(dǎo)致學(xué)生上課時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的麻煩，與現(xiàn)有計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理的矛盾日益突出。另外，教師在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)講解過程中同樣存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及調(diào)用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，或者調(diào)用之前保存的數(shù)據(jù)的問題，給正常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來不便。

1.3 還原卡保護(hù)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的矛盾

為了解決設(shè)備受病毒攻擊的問題，實(shí)驗(yàn)室的電腦都安裝使用還原卡保護(hù)技術(shù)，然而為了解決上述課堂存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量大且連續(xù)使用性強(qiáng)的問題，實(shí)驗(yàn)室管理人員通常為開放1~2個(gè)本地服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)盤，同時(shí)開放USB接口權(quán)限。但是，有些學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)的過程中容易出現(xiàn)誤操作，從而將網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)盤上別人的數(shù)據(jù)刪除或者修改了教師存放在網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)盤上的重要文件。而且，USB接口權(quán)限的開放容易造成實(shí)驗(yàn)室設(shè)備遭受病毒感染，從而導(dǎo)致課堂教學(xué)時(shí)故障頻現(xiàn)，阻礙教學(xué)的順利實(shí)施。另外，學(xué)生和教師時(shí)有忘帶U盤、或者把U盤遺忘在實(shí)驗(yàn)室、或者U盤損壞的情況發(fā)生，給教學(xué)造成不便。

1.4 服務(wù)器無法滿足教學(xué)需求的發(fā)展

受到技術(shù)、價(jià)格和投入資金的影響，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)初期配備的服務(wù)器只能滿足未來幾年甚至是當(dāng)時(shí)的教學(xué)要求，設(shè)備配置較低。隨著教學(xué)軟件的不斷增加，有時(shí)候服務(wù)器可能只能滿足某一款專業(yè)軟件的最低運(yùn)行要求，無法體現(xiàn)軟件的良好性能，教學(xué)效果將打折扣。

1.5 滿足各種教學(xué)和考試服務(wù)提高了設(shè)備要求

計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室通常都是面對(duì)全校的計(jì)算機(jī)類公共基礎(chǔ)課或者各專業(yè)課的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)，滿足各位任課教師的教學(xué)需求，然而，每門課程甚至是同一門課程不同專業(yè)的教學(xué)對(duì)于軟件的信息和版本要求可能不完全一樣，針對(duì)這種情況，通常會(huì)分批次安裝多個(gè)教學(xué)環(huán)境從而確保各門課程的教學(xué)順利進(jìn)行，甚至有的實(shí)驗(yàn)室電腦安裝了好幾個(gè)操作系統(tǒng)以滿足不同教學(xué)的需要，這難免對(duì)設(shè)備提出了更高要求，且設(shè)備更換周期短、建設(shè)和維護(hù)成本高[10]。

目前，各種考試類目眾多，很多考試的流行方式都是機(jī)試，在眾多的考試當(dāng)中，大部分考試環(huán)境是不能共享的，為了滿足各種類目的考試必須安裝多樣化的考試系統(tǒng)，有的考試系統(tǒng)對(duì)設(shè)備要求較高，因此，對(duì)設(shè)備和管理人員都提出了較高要求。

2 云計(jì)算技術(shù)的服務(wù)模式

云計(jì)算技術(shù)的服務(wù)模式包括以下三種。

（1）平臺(tái)即服務(wù)，簡(jiǎn)稱為PaaS。提供各種應(yīng)用軟件的管理服務(wù)，包括軟件的升級(jí)、日常使用過程中的病毒清除等，同時(shí)也為用戶提供所需要的服務(wù)器和其他硬件資源服務(wù)，用戶無需購(gòu)買硬件和軟件就可以通過PaaS進(jìn)行相關(guān)的程序開發(fā)并且和其他用戶共享，用戶也無需管理服務(wù)器、操作系統(tǒng)和存儲(chǔ)等，卻可以控制服務(wù)商云計(jì)算中心的應(yīng)用程序。

（2）軟件即服務(wù)，簡(jiǎn)稱為SaaS。是云計(jì)算服務(wù)商提供的軟件應(yīng)用模式，采用先進(jìn)的云計(jì)算技術(shù)實(shí)施高校教育的信息化途徑。云計(jì)算服務(wù)商將用戶可能需要的各種軟件存儲(chǔ)在集群服務(wù)器上，用戶可以在各種設(shè)備上通過界面訪問開展諸如實(shí)驗(yàn)教學(xué)或其他實(shí)踐教學(xué)的時(shí)候借助于互聯(lián)網(wǎng)從服務(wù)商的云計(jì)算中心下載和使用，而用戶只需要量販?zhǔn)降闹Ц顿Y源使用費(fèi)即可，從而降低用戶的成本[11]。

（3）基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)，簡(jiǎn)稱為IaaS。是云計(jì)算服務(wù)商向用戶提供的存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施等各種完善的資源。通過云計(jì)算技術(shù)將服務(wù)器資源進(jìn)行整合，構(gòu)成性能優(yōu)異的虛擬資源供用戶使用。

PaaS、SaaS和IaaS三者云計(jì)算的關(guān)系見圖1。

圖1 云計(jì)算的PSI之間的關(guān)系

3 基于云計(jì)算的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理

3.1 計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理的基本模式

互聯(lián)網(wǎng)是實(shí)驗(yàn)室與服務(wù)商云計(jì)算中心的橋梁，云計(jì)算中心的主要作用是提供如前所述三種服務(wù)模式。所有的服務(wù)器、存儲(chǔ)等硬件設(shè)備和應(yīng)用軟件的使用和管理都由服務(wù)商統(tǒng)一配置和管理，用戶通過接口向中心以量販?zhǔn)街Ц顿M(fèi)用的方式提出所有數(shù)據(jù)的管理、操作和維護(hù)等請(qǐng)求。

3.2 實(shí)驗(yàn)室管理的應(yīng)用模式

實(shí)驗(yàn)室管理人員首先將服務(wù)器的數(shù)據(jù)和內(nèi)容虛擬成n臺(tái)等同的傳統(tǒng)物理計(jì)算機(jī)，然后分配PaaS、SaaS和IaaS服務(wù)模式，根據(jù)不同用戶對(duì)操作系統(tǒng)、軟件開發(fā)平臺(tái)以及常用的各種開發(fā)工具和應(yīng)用軟件等方面的不同需要提供相應(yīng)的服務(wù)。云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室管理的應(yīng)用模式見圖 2。這樣一來，每個(gè)用戶都可以通過虛擬化桌面登錄虛擬計(jì)算機(jī)，隨后根據(jù)需要配置自己的計(jì)算機(jī)而在本地不需要安裝任何軟件，所有訪問的數(shù)據(jù)或者產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在云計(jì)算中心。因此，管理人員的工作也就是管理服務(wù)器、配置服務(wù)器以滿足正常的教學(xué)需要，從而減輕了工作強(qiáng)度，也大大降低了教學(xué)需要的支出成本，表1是60臺(tái)“計(jì)算機(jī)”實(shí)驗(yàn)室的云計(jì)算技術(shù)基礎(chǔ)上和傳統(tǒng) PC使用一年的管理費(fèi)用對(duì)比數(shù)據(jù)[12]。從對(duì)比可以看出，采用云計(jì)算技術(shù)的管理模式，節(jié)約了大量成本。

圖2 云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室管理的應(yīng)用模式

表1 60臺(tái)“計(jì)算機(jī)”實(shí)驗(yàn)室的云計(jì)算技術(shù)和傳統(tǒng)PC一年的管理費(fèi)用

3.3 實(shí)驗(yàn)室管理的整體構(gòu)架

基于云計(jì)算技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室管理構(gòu)架可分為4個(gè)層次：接入層、桌面管理層、資源管理層和物理層，云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室管理模式的整體框架見圖3。

圖3 云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室管理模式的整體框架

（1）接入層：用戶可通過接入層客戶端的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器便捷、快速地訪問云計(jì)算中心的資源。

（2）桌面管理層：用戶通過虛擬桌面提出的處理請(qǐng)求、用戶機(jī)在云計(jì)算中心的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和軟件資源的保存和維護(hù)由虛擬桌面管理層分配與處理。

（3）資源管理層：用戶發(fā)生的計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源的管理動(dòng)態(tài)調(diào)動(dòng)由虛擬資源管理層完成。云計(jì)算的核心技術(shù)就是虛擬化的資源集中群。

（4）物理層：服務(wù)商或?qū)W校自身的終端計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、交換機(jī)以及存儲(chǔ)設(shè)備構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體，具有強(qiáng)大的處理能力和豐富的資源。

4 本地操作系統(tǒng)+云存儲(chǔ)的實(shí)踐方案

新建實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)配置較高，機(jī)器是 DELL Precision 3630 Tower 005 DELL P2419H工作站。其中，處理器是Intel Xeon系列，CPU四核心、四線程以上主頻3.3G Hz，動(dòng)態(tài)加速頻率3.6 GHz，L3緩存8 M；硬盤是256 GB SATA的固態(tài)硬盤和1TB的SATA（7200 rpm）機(jī)械硬盤；內(nèi)存是2條16 GB DDR4，ECC內(nèi)存(2666 MHz)；顯卡是NVIDIA P600，2G 4mDP（384核心）。因此，我們保留了還原卡保護(hù)方式，采用本地操作系統(tǒng)+云存儲(chǔ)的改造方案實(shí)現(xiàn)本地系統(tǒng)和云存儲(chǔ)共存的教學(xué)環(huán)境，數(shù)據(jù)和結(jié)果可以存儲(chǔ)在云服務(wù)器，教師和學(xué)生在教學(xué)過程中可以隨時(shí)調(diào)用之前存儲(chǔ)在云服務(wù)器的數(shù)據(jù)和結(jié)果，滿足實(shí)驗(yàn)室日常的高效管理和教學(xué)活動(dòng)的順利開展。以“金融數(shù)學(xué)”的實(shí)驗(yàn)課為例，需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量大，受還原卡保護(hù)的原因，在本地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)不方便，所以實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)和結(jié)果可存儲(chǔ)在云服務(wù)器，供教師和學(xué)生在未來的任何時(shí)間讀取調(diào)用，云存儲(chǔ)時(shí)的操作只需要將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址代碼localhost：8001置空即可，操作簡(jiǎn)單易用，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室的管理提供了極大的便利。云存儲(chǔ)方案實(shí)施前后的數(shù)據(jù)對(duì)比見表2。

表2 云存儲(chǔ)方案實(shí)施前后的對(duì)比

5 結(jié)語

隨著高校對(duì)實(shí)踐教學(xué)的重視，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)設(shè)施投入呈擴(kuò)大趨勢(shì)，管理工作變得繁重而復(fù)雜，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量巨大卻又受限于還原卡的保護(hù)。云計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展以及在各個(gè)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，是計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理模式的一個(gè)改革方向，能夠有效提升計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的功能和管理效率，滿足對(duì)實(shí)驗(yàn)的各種要求。本文針對(duì)實(shí)驗(yàn)室較好的硬件資源，提出了“舊機(jī)”本地操作系統(tǒng)+云存儲(chǔ)的教學(xué)環(huán)境改造方案，解決了原有還原卡保護(hù)方式的繁瑣存儲(chǔ)管理問題，教師和學(xué)生又能夠隨時(shí)調(diào)用之前進(jìn)行云存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)和結(jié)果，滿足實(shí)驗(yàn)室日常的高效管理和教學(xué)活動(dòng)的順利開展，為計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)根據(jù)本地系統(tǒng)的性能和教學(xué)環(huán)境要求進(jìn)行選擇提供一種借鑒的方案，改善計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)環(huán)境。