基于云技術的經管類實驗室建設與管理

令狐新榮

（貴州財經大學 貴州 貴陽 550025）

0 引言

云技術是一種基于云計算業務模型的網絡技術、信息技術、集成技術、管理平臺技術、應用技術等的總稱。用戶利用手機接入云端技術的資訊平臺存取資料時，無須安裝程序或進行資料的下載與傳送，可以直接查看所需的信息資源，并實現資源共享。本文通過實施以云計算為基礎的經管類實驗室的建設和管理，可以建立一個符合學校特點和要求的實驗室，使學生都能進行經管類實驗。

1 云技術的基本特征

云技術是將一系列的硬件、軟件和因特網等資源集合到一起，形成一個資源庫，實現數據計算、處理、存儲和共享的綜合管理。利用云計算技術，使用者的數據運算能力將不受本地信息網絡的限制，通過電腦網絡將資料傳送給服務端，并由服務端完成所需的運算及處理，以達到按需付費、靈活、方便的自助服務[1]。

從“云技術”的角度來說，“云”就是互聯網、計算機網絡等信息技術資源的具體化，每一個用戶就是“云端”，無論在何種條件下，都能得到信息技術的應用。云計算技術包括：網絡技術、信息技術、系統集成技術、管理平臺技術、應用技術開發等。虛擬化技術、分布式并行計算技術、分布式數據存儲技術是其關鍵技術，并結合容器技術、微服務技術、聲明式 API技術等，實現信息資源的組池化、快速部署和可擴展[2]。

1.1 資源池化

“云”是信息技術資源的匯集，集中資源、主動管理、按需要調整是其核心理念。所以要做到“云化”，必須要把散亂的數據加以集中、整理和重組，形成合理的數據庫。資源池的關鍵是把大量散亂的、沒有充分發揮的計算應用功能資源加以集中，并整合在擁有更大承載運算量的主機上，以便進行對整個網絡的資源統籌調配。而虛擬化技術則是將數據抽象，把軟件應用、硬件設備等數據資源分開，打破了軟件配置、硬件配置等方面的限制，形成了一個靈活的 ICT資源系統，實現了虛擬和現實之間的動態分配。在安裝和移植使用的環境中，一般的虛擬化方法都太過煩瑣了，而集裝箱技術則是一個輕量級的、高可移植性的“集裝箱”，“打包”所有的代碼和底層的操作系統，有效地沉淀和重用底層的基礎架構，并靈活地遷移和重構上層的應用，提高了資源的利用率和效率[3]。如圖1所示。

圖1 虛擬化技術應用架構示例

1.2 快速部署

云計算技術的快速發展，雖然使云計算服務用戶數量和規模在短時間內呈現爆炸式增長，但是大量的應用同時接入，使單一的應用軟件難以實現實時、靈活服務。分布式并行技術、分布式信息存儲技術是當今云計算技術發展的主流方向。在分布式并行計算中，它把大量工作時產生的數據分成若干部分，按順序對各計算機進行工作，或對各工作區域進行組合運算，通過分布式存儲技術，把大量的信息散布在多種數據服務器上（見圖2），以便實現對存儲資源的共享以及對大量數據的提取。同時為保證數據的訪問、安全與可用性，還引入了ICT的抽象功能與虛擬化等方式，從而實現了數據的異構。利用分布式并行計算和數據儲藏等方法，可以滿足對ICT數據資源的大量需求，包括運算、數據處理、儲存、網絡等[4]。

圖2 分布式數據儲存技術應用示例

1.3 彈性伸縮

在數字化時代，大規模、多用戶已經成為云計算技術中IT服務的基礎特征，而云計算技術具有動態的靈活性，能夠有效地進行資源的調度，并能夠滿足用戶的實時需求。云計算技術的靈活性可以削弱各個級別的資源依賴，并根據當前的用戶資源和任務要求，自動調整服務策略，從而達到對整個系統的吞吐和自我管理。實現彈性擴展能力依賴虛擬化技術在基礎架構上的分享與復用，也依賴于分布式數據儲存技術和云技術的強大支持。云原生技術（參見圖3）是一個具有代表性的技術系統，包括微服務，服務網格，聲明 API，以及過程、方法和系統集合。云技術通過構建低耦合、高內聚的架構，減少了需求變動導致的系統迭代費，使異構資源具有規范化、靈活性、可擴充性，以充分適應新的商業模式下業務的多樣化、敏捷性和智能化需求?！霸笔侵改軌蛟谠骗h境進行局部開發和運行的基于云計算的技術系統，具有比虛擬技術更大的靈活性。云計算是未來的新一代云計算技術的中心[5]。

圖3 云原生技術應用示例

2 傳統經管類實驗室與應用云技術實驗室的對比

2.1 計算機系統架構不同

傳統的管理實驗室采用的是客戶端服務器的架構，每個服務器都連接著多個計算機，而實驗室服務器卻是單獨的，因此，所有的數據都比較單一。學院的師生在申請的時候，必須在相應的服務器上下載有關信息并保存。由于采用的是管理型實驗室，數據采集的數量也在不斷增長，而服務器本身又是一個獨立的系統，因此不能進行統一的數據處理，這不但增加了工作量，還浪費了大量的時間，從而降低了管理實驗室的工作效率。在云技術的支撐下，管理類實驗室的計算機使用了一種高性能的服務器，可以將所有的計算機都連接到手機上，然后通過云計算進行分類存儲。在數據收集上，師生可以使用任意一款手機登錄云端平臺，利用云端技術進行數據分析、處理，使實驗工作擺脫了傳統的數據管理模式[6]。

2.2 運用數據的方式不同

在傳統的經管類實驗室中，采用人工方式進行數據訪問，操作者必須了解目前實驗所需軟件資源以及所處位置，并在實驗完成后對所保存的實驗數據進行記錄。由于實驗資料、軟件數量的增多，用戶很容易出現資料模糊、遺忘存放地點、資料整理錯誤等問題，造成資料查找困難，工作效率低。經管類實驗室采用云技術對數據進行非透明管理，而云技術則是將所有數據都進行自動歸類和儲存，用戶在進行數據轉移時，只要提交實驗要求，云計算就能自動生成用戶所需的實驗數據和軟件。在存儲試驗后，云計算還可以將試驗項目和數據自動存儲起來。在數據的利用與存儲上，采用云技術可將試驗的效率最大化。

2.3 實驗室維護成本不同

由于傳統的經管類實驗室都要用到大量的電腦，而由于實際操作的特殊性，對電腦的性能有很高的要求。隨著實驗室的不斷投入，計算機的更新速度越來越快，將會造成不同的實驗室設備配置、性能的差異。隨著實驗活動的增加，電腦軟件的裝入數量也逐漸增加，但由于電腦配置的差異，電腦必須進行軟件更新，導致了電腦維護工作的繁重，增加了實驗室的運營成本。采用云計算技術，實驗室的主要功能依賴于云計算，因此僅需對其軟硬件進行統一的升級，從而降低了實驗室的升級、維護費用，同時也可以提高實驗室的更新和維修水平[7]。

3 關鍵技術

3.1 虛擬化技術

虛擬化系統是一種能夠擴展硬件生產能力、簡化應用軟件配置流程、降低虛擬化成本、增加操作系統性能的虛擬化計算單位。通過虛擬化，可以把軟件應用與下層的硬件分開，把一個單獨的資源分為幾個虛擬資源。計算虛擬化主要包括系統級虛擬化、應用級虛擬化、臺式化虛擬化。在“云”平臺上進行的所有業務和應用，都是基于虛擬化的。虛擬化技術在CPU、操作系統、服務器等領域得到了廣泛的應用，是實現高質量服務的最好方法。

3.2 分布式海量數據存儲

因為在云計算系統中有大量的服務器，為海量的應用進行服務，使得其以相對離散的方法完成大量數據的儲存，以冗余的方法（集群計算、冗余和分布）來保證大數據的安全性。冗余化的主要方式是利用任務的分散和集群性，以較低配置的機器發揮遠超微機的高性能，這樣實現了分布式數據處理的高可用性、高可靠性及經濟性，在相同的數據中能夠同時存儲多種拷貝。在云計算系統中，最大量使用的數據存放系統是GFS的公開源代碼HDFS，由谷歌GFS公司與美國Hadoop小組聯合開發。

3.3 海量數據管理技術

云數據處理技術要求對海量數據進行高效的管理。它是由谷歌BigTable數據管理技術與HBase技術，Hadoop團隊共同研發。由于云數據的管理有別于傳統的RDBMS，因此如何在海量的云數據中發現具體的數據，是當前云計算技術面臨的一個重要問題。為此開發了一種基于Hadoap的HBase、Hive等RDBMS與SQL接口，通過Hadoop技術，實現海量數據的管理。云計算中對信息處理、存儲和檢索等方面都提出了較高要求。在云環境下，可以利用虛擬化技術來提高運行效率并降低成本：例如采用嵌入式網絡結構或模塊化架構；使用分布中心服務器進行物理層與應用服務平臺之間數據傳輸等等，從而實現基于Hadoop的海量信息管理功能和處理方式。此外，在云計算的管理中，如何確保數據的安全和訪問的效率也是一個重要的課題。

3.4 云計算平臺管理技術

云計算需要大量的資源和服務器，同時需要數百種不同的應用軟件，因此，如何對這些軟件進行有效的管理，并確保其能夠繼續提供服務，是一項很大的挑戰。云計算平臺的管理技術可以實現多個服務器之間的協作、靈活的部署、開放的服務、迅速地發現和解決問題，并以自動化、智能化的方式保證大型系統的安全性。云計算平臺管理技術有兩種，一是基于分布式的服務器管理系統，二是基于網絡的虛擬化系統。在實際運行中由于各種原因，不同類型、不同層次和功能模塊之間需要實現有效連接。因此在進行資源分配時必須考慮到各個方面因素對整個軟件體系產生影響并確保其穩定、高效地運轉；對于一個大型項目要想滿足用戶使用需求就一定會增加服務器數量以及容量等硬件設備上，這也是云計算平臺管理技術的主要內容之一。

3.5 編程方式

云計算為分布式計算提供了一種新的計算方式，這就需要在一定程度上實現分布式的程序設計。云計算使用了一個Map-Reduce，它是一個具有清晰概念的分布式并行程序的模式。Map-Reduce是一種編程和任務計劃的模型.它主要應用于并行操作和并行作業調度。在此模型中，用戶僅需編寫 Map函數和 Reduce函數，就可以實現并行運算。在此基礎上，Map函數定義了每個節點上的區塊數據，而 Reduce函數則給出了保存中間結果和總結的方法。在云環境下，系統能夠實現從虛擬到現實的交互和擴展，用戶可以通過Reuse、goves等方法對所存儲的信息進行操作。

4 云計算對教育的重要意義

4.1 教育的創新

云計算給了每個人一個改變的機會。老師能把學生連接到不同的工程和應用中，使他們能有創意的表現。學生們可以把自己的作品上傳到網上，或者把自己的作品和別人分享。云計算讓學生能夠運用自己的聲音和選擇來展現自己的知識，并能夠運用多種科技來達到這個目的。利用云技術，老師和學生可以根據不同的需要，自定義家庭作業。21世紀的教室在設計和布置方面更加靈活，利用云計算的優勢可對教室的組織和形式進行革新，比如混合教室或者翻轉教室等[8]。

4.2 基于云計算的協作

與別人合作的能力是非常關鍵的。云計算使得所有的使用者都能夠在不同的平臺上方便地獲取資源，同學們可以一起做功課，并能得到教師的實時反饋。這有助于學生達成目的。云計算也使教育工作者之間的合作變得更加容易，有了云計算，老師和管理人員可以分享課程安排，還可以隨時隨地進行教學。通過訊息應用程式或其他形式，不同的學校與區域能夠突破彼此間的障礙，從而建立起一個全球性的教育團體。

5 結語

綜上所述，本文通過基于云技術搭建實驗教學管理平臺，能使學生在實驗中的操作技能和整體能力得到有效提升，同時也為滿足社會需求提供了一種全新化利用資源庫形式。我們應大力引進并采用先進可靠的信息化手段，提高學校管理水平以及教學質量。