高校實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)管理中云計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用探索

俞 潔

目前高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，實(shí)驗(yàn)用計(jì)算機(jī)數(shù)量大幅增加，同時(shí)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的需求也在逐漸增加。云計(jì)算技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)資源池化共享，讓每個(gè)使用高校計(jì)算機(jī)的師生都能快速通過智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入數(shù)據(jù)中心獲取服務(wù)，真正做到了資源按需分配。借助云計(jì)算技術(shù)，學(xué)生可以用配置較低的設(shè)備實(shí)現(xiàn)研究需求，有效降低了學(xué)校投入，為學(xué)術(shù)研究的正常進(jìn)行提供了必要保證。

一、云計(jì)算技術(shù)概述

（一）云計(jì)算的概念

云計(jì)算技術(shù)是基于網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)中心、分布式計(jì)算等技術(shù)發(fā)展而來的一種新型數(shù)字化技術(shù)。它按量付費(fèi)，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力共享、數(shù)據(jù)共享，讓普通用戶享受超級(jí)計(jì)算機(jī)的算力和海量的數(shù)據(jù)。人們經(jīng)常使用的百度、谷歌等搜索引擎，使用者只需輸入簡(jiǎn)單指令，通過云計(jì)算技術(shù)，即可完成大量數(shù)據(jù)的檢索和查找，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享[1]。

二、高校實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)管理存在的問題

（一）建設(shè)成本高，利用率較低

高校實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)通常根據(jù)需求點(diǎn)來進(jìn)行設(shè)置，在每個(gè)需求點(diǎn)最少要設(shè)置一臺(tái)以上的計(jì)算機(jī)，由于高校理化類專業(yè)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的需求屬于剛性需求，且很難在外部環(huán)境找到可以替代的設(shè)備，這也導(dǎo)致高校實(shí)驗(yàn)室對(duì)某些專業(yè)來說屬于稀缺資源。雖然近年來各大高校為滿足學(xué)術(shù)研究需求不斷對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行擴(kuò)建，然而隨著高校擴(kuò)招和學(xué)生數(shù)量的增加，對(duì)于部分熱門專業(yè)來說，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室用計(jì)算機(jī)依然無法滿足教學(xué)需求和研究需求。實(shí)驗(yàn)室對(duì)于計(jì)算機(jī)性能有一定要求，在使用的過程中，需要配合教研需求不斷加裝各類硬件設(shè)施和軟件設(shè)施，這導(dǎo)致部署計(jì)算機(jī)的成本逐漸提升[2]。

（二）管理難度大，設(shè)備更新慢

計(jì)算機(jī)設(shè)備本身具有一定的精密性，硬件設(shè)施需要定期涂抹硅脂和清灰處理，內(nèi)部環(huán)境需要定期做好木馬查殺和系統(tǒng)更新工作，為了避免錯(cuò)誤告警和文件誤刪情況的發(fā)生，需要具備專業(yè)技能的人員定期進(jìn)行維護(hù)，一旦清理出現(xiàn)問題，則很可能影響計(jì)算機(jī)的正常使用。由于電腦設(shè)備的更新?lián)Q代速度較快，同一個(gè)實(shí)驗(yàn)室中的計(jì)算機(jī)的型號(hào)和系統(tǒng)可能存在差異，這也給計(jì)算機(jī)的維護(hù)工作帶來了一定困難。

三、高校實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)管理中應(yīng)用云計(jì)算技術(shù)的策略

（一）應(yīng)用云計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)資源池設(shè)計(jì)

在建設(shè)高校實(shí)驗(yàn)室的過程中，除了計(jì)算機(jī)外，通常還需要架設(shè)服務(wù)器以儲(chǔ)存信息，并為多個(gè)用戶提供服務(wù)。在搭建資源池的時(shí)候，可以將多個(gè)服務(wù)器組成一個(gè)虛擬服務(wù)器池，將多臺(tái)服務(wù)器的功能集中在一起，集成為一臺(tái)超級(jí)服務(wù)器。超級(jí)服務(wù)器的功能性和穩(wěn)定性相比以往大幅增強(qiáng)，能夠有效提升單臺(tái)計(jì)算機(jī)的處理能力，均衡分配、調(diào)控計(jì)算功能，有效提高容錯(cuò)率，降低服務(wù)器波動(dòng)、重啟、崩潰的概率，保證服務(wù)質(zhì)量。資源池可以應(yīng)用于處理大量的數(shù)據(jù)和計(jì)算程序，保證計(jì)算機(jī)的計(jì)算流暢度，增加數(shù)據(jù)資源庫(kù)的有效存儲(chǔ)量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一有效管理。這種處理方式有效降低了購(gòu)置大容量服務(wù)器的成本投入，提高了使用率，計(jì)算機(jī)主機(jī)可根據(jù)自身需求使用，充分滿足了高校實(shí)驗(yàn)研究和教學(xué)的需求，降低了資源管理難度[3]。

以教學(xué)為例，在實(shí)驗(yàn)課程中應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行演示和教學(xué)時(shí)，涉及的學(xué)生數(shù)量較多。由于大量的用戶在同一時(shí)間使用網(wǎng)絡(luò)功能，很可能出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁堵的情況，影響學(xué)生的使用和學(xué)習(xí)。教師應(yīng)用云計(jì)算技術(shù)，可以建立一個(gè)將所有的計(jì)算機(jī)和學(xué)生信息都容納在一起的客戶端，給予他們進(jìn)入服務(wù)器以及自由提取數(shù)據(jù)資源的權(quán)限，并利用實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)提供具有一定規(guī)范性的接口，允許學(xué)生按照一定次序接入訪問，從而有效降低網(wǎng)絡(luò)擁擠可能帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

（二）云計(jì)算實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源的虛擬化管理，完善整體架構(gòu)

云計(jì)算技術(shù)可以將CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)空間等物理計(jì)算資源轉(zhuǎn)化為虛擬的邏輯資源，是云計(jì)算的重要應(yīng)用，它打破了實(shí)體障礙，實(shí)現(xiàn)資源的合理利用，有效實(shí)現(xiàn)資源的抽象計(jì)算。這種技術(shù)打破了原有資源在地域或是物理狀態(tài)上的限制，有效提升了服務(wù)器的性能，為教學(xué)和學(xué)術(shù)研究的開展提供了必要保證。

在應(yīng)用上，管理人員可以借助虛擬化管理，搭建全校實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)管理整體架構(gòu)，優(yōu)化各項(xiàng)操作流程，避免資源的不必要浪費(fèi)。架構(gòu)本身可分為四層，分別為終端接入層、計(jì)算設(shè)備硬件層、邏輯資源管理層和用戶應(yīng)用管理層。

終端接入層讓計(jì)算機(jī)以云計(jì)算技術(shù)為橋梁，實(shí)現(xiàn)終端計(jì)算資源共享，保證了計(jì)算資源的最大化利用。例如在建立實(shí)驗(yàn)室的過程中，可以將云客戶端程序安裝在實(shí)驗(yàn)室終端計(jì)算機(jī)上，直接將多個(gè)計(jì)算機(jī)的資源連接在一起，在不消耗資金進(jìn)行硬件升級(jí)的前提下，提升計(jì)算機(jī)的各項(xiàng)性能，滿足教學(xué)和研究需求，有效降低計(jì)算機(jī)硬件投入成本和后期維護(hù)成本。學(xué)生和教師通過手機(jī)等終端也能登錄系統(tǒng)進(jìn)行工作和學(xué)習(xí)，享受高性能計(jì)算機(jī)的功能[4]。

計(jì)算設(shè)備硬件層將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、計(jì)算資源設(shè)備和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存設(shè)備連接在一起，通過這種方式實(shí)現(xiàn)資源的有效管理，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)空間的最大化，提升操作處理的便捷性。

邏輯資源管理層承擔(dān)著將物理資源轉(zhuǎn)化為邏輯資源的重要功能，是降低管理難度、提升資源利用率、實(shí)現(xiàn)資源虛擬化的重要步驟之一，有助于實(shí)現(xiàn)資源的統(tǒng)一化管理。在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理過程中，如果單一數(shù)據(jù)所占空間資源較大，則必須將數(shù)據(jù)拆分后放入兩個(gè)不同的存儲(chǔ)空間當(dāng)中，在使用時(shí)則需要將二者重新組合在一起，整個(gè)應(yīng)用流程過于復(fù)雜煩瑣，而邏輯資源管理層將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備連接在一起后，使用者可以在不將兩組數(shù)據(jù)組成在一起的情況下正常進(jìn)行使用操作，有效降低了操作流程的復(fù)雜程度[5]。

用戶應(yīng)用管理層是高校師生操作計(jì)算機(jī)，使用虛擬資源的必要功能，能夠根據(jù)不同用戶的需求，發(fā)送各類工具軟件，滿足不同種類實(shí)驗(yàn)的需要，同時(shí)，還承擔(dān)對(duì)用戶身份和授權(quán)的管理功能。

（三）構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室云計(jì)算平臺(tái)，提高管理效率

構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室云計(jì)算平臺(tái)的目的在于方便學(xué)生的操作，利用云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部資源的合理利用，在降低學(xué)校更新計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備和租用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的資金開支的同時(shí)，保證服務(wù)質(zhì)量。云計(jì)算平臺(tái)建立后，高校可以通過云端服務(wù)器直接管理學(xué)生的計(jì)算機(jī)，控制軟件的使用和更新，完成軟件的升級(jí)和內(nèi)部服務(wù)系統(tǒng)的管理，增強(qiáng)管理便捷性，降低管理負(fù)擔(dān)。

在構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室云計(jì)算平臺(tái)的過程中，工作人員可以創(chuàng)設(shè)相應(yīng)客戶端，將客戶端與網(wǎng)絡(luò)瀏覽器連接在一起，學(xué)校師生可以通過實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)登錄云端，接入網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，在瀏覽器中直接查詢服務(wù)器中的數(shù)據(jù)資料，完成數(shù)據(jù)信息的快速瀏覽，降低操作難度，實(shí)現(xiàn)資源共享。除瀏覽器接入外，還可以在內(nèi)網(wǎng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)無線接入，讓所有在同一Wi-Fi環(huán)境下的智能手機(jī)、個(gè)人電腦、平板設(shè)備都能接入服務(wù)器，快速提取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)資源的共享。

在應(yīng)用云計(jì)算模型搭建云客戶端的過程中，可以結(jié)合高校實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行細(xì)致化管理，保證資源處理體系符合使用需求。考慮到計(jì)算機(jī)設(shè)備本身的性能有限，可以對(duì)桌面管理系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用虛擬化管理，保證安全性。部分學(xué)生利用計(jì)算機(jī)完成論文寫作和數(shù)據(jù)整理，在傳統(tǒng)情況下，如果服務(wù)器出現(xiàn)波動(dòng)，則很可能會(huì)強(qiáng)制中斷當(dāng)前用戶的操作，必須等待服務(wù)器恢復(fù)后，對(duì)計(jì)算機(jī)設(shè)備進(jìn)行重啟，計(jì)算機(jī)才能恢復(fù)正常，這也容易造成數(shù)據(jù)的損壞和文件崩潰。為了避免此類情況出現(xiàn)，保證操作穩(wěn)定性，可以在云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)當(dāng)中加入云桌面系統(tǒng)，即使節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，也不會(huì)影響正常的用戶操作，有效保證了學(xué)習(xí)或?qū)嶒?yàn)作業(yè)的連貫性和安全性。桌面云系統(tǒng)的建立可以將用戶的各類數(shù)據(jù)記錄到主存儲(chǔ)器當(dāng)中，在云系統(tǒng)中對(duì)資源進(jìn)行調(diào)用，可以有效避免網(wǎng)絡(luò)木馬和黑客攻擊給數(shù)據(jù)資源帶來的風(fēng)險(xiǎn)，避免數(shù)據(jù)資源被盜取或破壞。以硬盤為例，一旦硬盤出現(xiàn)故障，則很可能導(dǎo)致電腦數(shù)據(jù)丟失，而多盤存儲(chǔ)資源池建立后，如果單個(gè)硬盤出現(xiàn)問題，可以借助其他硬盤的資源對(duì)其進(jìn)行恢復(fù)，有效降低了維修成本，保證了使用連續(xù)性[6]。

（四）搭建實(shí)驗(yàn)室云計(jì)算管理體系，實(shí)現(xiàn)功能整合

實(shí)驗(yàn)室云計(jì)算管理體系主要應(yīng)用云計(jì)算技術(shù)對(duì)服務(wù)器進(jìn)行管理，整個(gè)技術(shù)結(jié)構(gòu)可分為基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用中心和用戶服務(wù)中心三個(gè)層面。基礎(chǔ)設(shè)施的底層結(jié)構(gòu)可以分為兩層設(shè)置，即由存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及服務(wù)器等組成的物理層提供HaaS（Hardwareasa service）服務(wù)，資源層IaaS（Infrastructure as a Service）負(fù)責(zé)基礎(chǔ)架構(gòu)，由資源池代替實(shí)際設(shè)備。這樣可以提升處理速度，為實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)提供虛擬硬件、API（Application Programming Interface）等服務(wù)功能。應(yīng)用中心主要負(fù)責(zé)提供業(yè)務(wù)創(chuàng)建應(yīng)用平臺(tái)。PaaS（Platformas a Service）平臺(tái)是基礎(chǔ)應(yīng)用設(shè)施，為系統(tǒng)運(yùn)行提供基礎(chǔ)設(shè)施資源，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，例如提供虛擬業(yè)務(wù)平臺(tái)、云端操作系統(tǒng)、管理平臺(tái)、應(yīng)用服務(wù)等。用戶服務(wù)中心主要負(fù)責(zé)提供軟件服務(wù)，包括提供各類應(yīng)用程序、管理系統(tǒng)、開發(fā)工具等。

（五）建設(shè)虛擬化桌面，提高資源利用率

桌面虛擬化技術(shù)以云計(jì)算技術(shù)為基礎(chǔ)，將數(shù)據(jù)的運(yùn)行存儲(chǔ)與操作桌面相互分離，并由數(shù)據(jù)中心對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理。由于所有的運(yùn)算過程在數(shù)據(jù)中心完成，計(jì)算機(jī)只起到顯示數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)操作的作用，對(duì)于計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)備的要求較低，同時(shí)管理人員可以通過自身權(quán)限對(duì)桌面功能和應(yīng)用進(jìn)行統(tǒng)一配置管理，優(yōu)化教學(xué)效果，降低管理工作量。高校計(jì)算機(jī)的教學(xué)研究涉及許多專業(yè)的軟件，部分軟件需要在特定的環(huán)境和系統(tǒng)中才能有效運(yùn)行，虛擬化桌面可以根據(jù)教師需求隨意更改內(nèi)容，保證內(nèi)容與需求相符合，因此這種管理方式尤其適用于高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室這種教研需求多樣化的環(huán)境。

由于計(jì)算機(jī)不再負(fù)擔(dān)計(jì)算需求，所起到的主要是顯示運(yùn)行結(jié)果圖像的作用，這也讓計(jì)算機(jī)的耗電量得到有效降低，電費(fèi)成本大大縮減。在管理方面，師生可以根據(jù)自身需求，使用隨身攜帶的終端設(shè)備訪問網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，打破傳統(tǒng)高校實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間和空間限制，提高教研互動(dòng)效率。

在虛擬桌面建設(shè)過程中，其核心技術(shù)在于服務(wù)器的虛擬化，需要根據(jù)虛擬桌面協(xié)議，將服務(wù)器的運(yùn)行操作結(jié)果以桌面環(huán)境的顯示狀態(tài)發(fā)送給終端設(shè)備。整個(gè)過程大致為：用戶終端設(shè)備發(fā)出指令，指令進(jìn)入交換機(jī)，交換機(jī)接收指令后將其發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，通過虛擬化資源池完成相應(yīng)操作指令。存儲(chǔ)單元在這期間負(fù)責(zé)提供數(shù)據(jù)，反饋操作結(jié)果，在操作完成后將信息結(jié)果以虛擬桌面的形式發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)當(dāng)中，經(jīng)由接入交換機(jī)回傳給用戶終端設(shè)備，完成虛擬化應(yīng)用服務(wù)。高校在計(jì)算機(jī)的采購(gòu)成本得到降低的同時(shí)，應(yīng)結(jié)合自身需求，適當(dāng)增加服務(wù)器的運(yùn)營(yíng)投入成本，通常情況下，一臺(tái)服務(wù)能夠滿足30臺(tái)左右的客戶端的服務(wù)需求，客戶端數(shù)量越多，服務(wù)體驗(yàn)就越差，學(xué)校應(yīng)根據(jù)需求數(shù)量，適當(dāng)增加服務(wù)器數(shù)量，滿足服務(wù)需求。

綜上所述，在高校實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)管理過程中應(yīng)用云計(jì)算技術(shù)，能夠有效提升計(jì)算機(jī)資源利用率，減少不必要的資源投入。在方便實(shí)驗(yàn)室管理的同時(shí)，做好實(shí)踐環(huán)境的配置工作，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)和科研活動(dòng)的開展打下良好基礎(chǔ)，打造一個(gè)充滿活力的科研教學(xué)環(huán)境，使學(xué)校的教研水平得到進(jìn)一步提升。