基于云計算技術(shù)的計算機(jī)實驗平臺架構(gòu)設(shè)計

鄭文娟

摘要：經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展、信息技術(shù)水平的提升為現(xiàn)代化教育發(fā)展提供了新的契機(jī)，在素質(zhì)教育教學(xué)背景下，計算機(jī)實驗平臺架構(gòu)的設(shè)計和研究，對提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力具有積極作用。云計算技術(shù)的有效應(yīng)用，能夠提高計算機(jī)實驗平臺的整體架構(gòu)水平，順應(yīng)時代發(fā)展潮流，滿足教師和學(xué)生的個性化需求。文章從云計算技術(shù)下計算機(jī)實驗平臺的優(yōu)勢出發(fā)，分析了云技術(shù)架構(gòu)的主要管理模式，探究云計算技術(shù)的計算機(jī)實驗平臺架構(gòu)的主要設(shè)計內(nèi)容，旨在為相關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：云計算；計算機(jī)實驗平臺；平臺架構(gòu)設(shè)計

中圖分類號：TP39? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

現(xiàn)階段，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的有效應(yīng)用，為云計算技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，云計算技術(shù)已廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)中。素質(zhì)教育的發(fā)展，離不開云計算技術(shù)的支持，尤其在計算機(jī)實驗平臺的架構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)用云計算技術(shù)能夠保證虛擬資源的動態(tài)化、全過程跟蹤，實現(xiàn)資源的科學(xué)配置，提高數(shù)據(jù)處理的彈性和教育資源的利用效率。而保障實驗室計算機(jī)的安裝和管理，可以降低后期維護(hù)所需要的成本，實現(xiàn)教育教學(xué)體系的改革和發(fā)展，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。

1 云計算技術(shù)下計算機(jī)實驗平臺的優(yōu)勢

以云計算技術(shù)為基礎(chǔ)的計算機(jī)實驗平臺的安全系數(shù)相對較高，有利于信息數(shù)據(jù)的保存和分享，避免受到網(wǎng)絡(luò)黑客的攻擊。該實驗平臺能夠?qū)崿F(xiàn)方便快捷的遠(yuǎn)程維護(hù)與問題診斷，保障計算機(jī)實驗平臺的可持續(xù)使用。云計算技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效解決計算機(jī)掉電問題，避免計算機(jī)系統(tǒng)因無法啟動而影響正常運行。一旦出現(xiàn)軟件沖突和病毒侵害，可迅速恢復(fù)為正常狀態(tài)。實驗平臺在設(shè)計過程中應(yīng)用云計算技術(shù)主要是為了驅(qū)動沖突智能處理設(shè)備，確保計算機(jī)硬件不會受到客戶端計算機(jī)品牌等外界因素的約束，以電腦主板的方式進(jìn)行即插即用，有效解決驅(qū)動較多的問題，當(dāng)計算機(jī)發(fā)生損壞時，可在更換硬件的同時，保證還原卡能夠正常使用。與此同時，在云計算技術(shù)的支持下，計算機(jī)實驗平臺能夠有效應(yīng)對各類復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。對于計算機(jī)而言，其采購的目的在于滿足教學(xué)需求，因而多數(shù)需要一次性采購?fù)耆S著計算機(jī)系統(tǒng)的升級與發(fā)展，初期的計算機(jī)往往無法適應(yīng)現(xiàn)代化的教學(xué)需求。因此，需要對其進(jìn)行升級與更新，云計算技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)一臺客戶端升級完成后，剩余計算機(jī)也可同步升級，極大節(jié)省了安裝升級時間［1］。

2 云技術(shù)架構(gòu)管理模式分析

2.1 軟件模式

軟件服務(wù)模式主要是指能夠?qū)⒂嬎銠C(jī)實驗軟件有效部署于專門的服務(wù)器中，滿足用戶個性化軟件需求，依據(jù)軟件應(yīng)用時間向用戶收取相應(yīng)的費用，還能夠?qū)崿F(xiàn)以瀏覽器的方式向用戶提供軟件平臺。軟件服務(wù)模式一般存在于軟件服務(wù)器中，用戶不受空間、時間限制可隨時訪問軟件平臺。因而，在用戶需求不同的基礎(chǔ)上依然能夠?qū)崿F(xiàn)專業(yè)化管理，終端訪問軟件無需進(jìn)行設(shè)置與更新，極大降低了軟件的維護(hù)成本。

2.2 平臺模式

平臺模式是以開發(fā)環(huán)境當(dāng)作服務(wù)目的，進(jìn)而實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)分布式服務(wù)。平臺模式主要是向用戶提供服務(wù)器、硬件資源等信息，用戶在平臺中指定開發(fā)相應(yīng)的程序?qū)崿F(xiàn)交互。該模式也可以中間件的方式提供數(shù)據(jù)庫和實驗教學(xué)。

2.3 基礎(chǔ)架構(gòu)模式

計算機(jī)實驗平臺架構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用基礎(chǔ)架構(gòu)模式，主要能夠?qū)崿F(xiàn)以基礎(chǔ)架構(gòu)為核心，利用操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序進(jìn)而最大程度滿足用戶訪問的實際需要，通過設(shè)置存儲空間等方式達(dá)到應(yīng)用效果。在此過程中，用戶無需進(jìn)行云基礎(chǔ)設(shè)置和管理，僅需要以托管的方式便能實現(xiàn)交互［2］。

3 優(yōu)化云計算技術(shù)的計算機(jī)實驗平臺設(shè)計途徑

3.1 明確實驗平臺架構(gòu)

計算機(jī)實驗平臺架構(gòu)的設(shè)計，主要是指將主控服務(wù)器和多終端作為基礎(chǔ)，依據(jù)實際教學(xué)需要進(jìn)行平臺服務(wù)的延伸。網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器是利用操作系統(tǒng)達(dá)到互聯(lián)與互通的目的。強化虛擬服務(wù)器對數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的影響力，最終實現(xiàn)多終端的互聯(lián)、互通。在系統(tǒng)的安全配置方面，則需要積極引入防火墻等設(shè)備，提高系統(tǒng)的安全性。云控制節(jié)點是以實驗云平臺為搭載主體，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)控制、調(diào)度管理、身份認(rèn)證等目的。通過設(shè)置備用云控制節(jié)點確保主控制器節(jié)點和備份節(jié)點的一致性，進(jìn)而提高系統(tǒng)的可靠性和有效性。計算機(jī)終端節(jié)點的布置主要以PC機(jī)為主，通過部署各項服務(wù)器的方式，最終達(dá)到計算節(jié)點能夠為云平臺提供動態(tài)化、全過程服務(wù)的目的。

3.1.1 實施步驟

云計算教學(xué)模式是通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息的使用與交互，利用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)動態(tài)化、智能化的資源延伸與擴(kuò)展。云計算技術(shù)能夠提供科學(xué)、合理的網(wǎng)絡(luò)訪問平臺，當(dāng)用戶進(jìn)入到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、應(yīng)用軟件以及資源共享庫時，能夠迅速得到所需的各類資源信息。云計算技術(shù)背景下的計算機(jī)實驗平臺主要分為服務(wù)、管理兩類。其中，服務(wù)主要指能夠向用戶提供海量的云計算服務(wù)，比如基礎(chǔ)設(shè)施即時服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)平臺即時服務(wù)等。網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施即時服務(wù)能夠借助互聯(lián)網(wǎng)及時向用戶提供存儲空間、網(wǎng)絡(luò)連接以及防火墻等基本的信息資源，用戶能夠依據(jù)自身需求實現(xiàn)應(yīng)用軟件的部署和運營。而網(wǎng)絡(luò)平臺即時服務(wù)則主要是依據(jù)軟件開發(fā)，以應(yīng)用軟件即時服務(wù)的方式傳輸給互聯(lián)網(wǎng)用戶。計算機(jī)實驗平臺則主要包括計算機(jī)操作系統(tǒng)、編程運營以及編程數(shù)據(jù)庫等，用戶可實現(xiàn)平臺的自由操作和切換。用戶首次使用計算機(jī)時，服務(wù)器能夠?qū)τ脩粜畔⑦M(jìn)行及時上傳并保存到相應(yīng)的硬盤中，與此同時，由于硬盤中還會存儲部分臨時文件，因而達(dá)到高速緩存數(shù)據(jù)的目的。用戶在使用過程中需要越多的數(shù)據(jù)，云計算技術(shù)可直接將所存儲的數(shù)據(jù)及時推送到用戶的硬盤中。當(dāng)用戶將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記后，可實現(xiàn)計算機(jī)的自動存儲和緩存。電腦再次啟動后，服務(wù)器能夠自動減少相應(yīng)的讀寫數(shù)據(jù)信息，與原有高速緩存數(shù)據(jù)相融合，達(dá)到數(shù)據(jù)的動態(tài)化保存的目的，豐富用戶體驗。應(yīng)用云計算技術(shù)，計算機(jī)實驗平臺能夠識別到用戶的主要操作方式，并自動地為其匹配需要的操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序。通常情況下，云計算技術(shù)的實驗平臺設(shè)計以模擬服務(wù)器鏡像管理方式為主，一旦用戶啟動客戶端，服務(wù)器可自動登錄到系統(tǒng)賬戶中，為用戶提供相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)與桌面管理，提高服務(wù)器的服務(wù)效率［3］。

3.1.2 功能模塊

計算機(jī)的主要運行方式以后端為前端提供服務(wù)的方式為主，利用云計算技術(shù)，計算機(jī)實驗操作平臺能夠?qū)崿F(xiàn)計算機(jī)前端的有效分析。在云計算技術(shù)的支持下，利用集中部署的方式，實現(xiàn)只需在計算機(jī)服務(wù)器中安裝應(yīng)用程序而無需在客戶端安裝應(yīng)用程序的目的，有效減少安裝費用和安裝時間，能夠以最快的速度將應(yīng)用程序安裝在實驗室的計算機(jī)中。對于用戶而言，無需進(jìn)行客戶端的升級與維修，專業(yè)人員只需對服務(wù)端進(jìn)行操作即可完成應(yīng)用程序的升級與更新，而客戶端則無需進(jìn)行應(yīng)用程序的安裝，對客戶端計算機(jī)的性能要求較低，進(jìn)一步提高計算機(jī)實驗平臺的實際運行效率。云計算技術(shù)的應(yīng)用，不僅對電腦硬件設(shè)備具有積極的作用，還能為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、操作系統(tǒng)提供相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)虛擬技術(shù)，保證計算機(jī)實驗平臺的可視化，進(jìn)而實現(xiàn)后期的定制化實驗教學(xué)。在隔離模式下，云計算技術(shù)實驗平臺能夠?qū)崿F(xiàn)項目的獨立化運行。而計算機(jī)實驗平臺的前端功能則由用戶界面、課程庫以及管理接口等共同構(gòu)成，同時也能細(xì)分為學(xué)生業(yè)務(wù)、教師工作業(yè)務(wù)以及程序員業(yè)務(wù)等模塊，不同模塊具有不同的針對性，幫助教師和學(xué)生靈活操作，為計算機(jī)實驗平臺的有效應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

3.2 構(gòu)建資源虛擬化平臺的有效措施

3.2.1 架構(gòu)設(shè)計

計算機(jī)實驗平臺的架構(gòu)設(shè)計過程中，需要注重資源虛擬化的處理，以標(biāo)準(zhǔn)開放、功能完備為根本，滿足云計算基礎(chǔ)架構(gòu)形式，其硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。因此，需要與虛擬化技術(shù)要求相結(jié)合，進(jìn)而滿足云存儲、高性能等服務(wù)集群化需求，利用云計算基礎(chǔ)架構(gòu)對各類軟件進(jìn)行管理，保證網(wǎng)絡(luò)資源的協(xié)同性管理，提高網(wǎng)絡(luò)的存儲與計算能力，提高資源的動態(tài)化配置，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的正常備份與恢復(fù)［4］。

3.2.2 規(guī)劃部署

計算機(jī)實驗平臺的設(shè)計內(nèi)容主要包括教學(xué)實驗、課程實訓(xùn)、自助服務(wù)以及實驗管理等。在進(jìn)行實驗教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計時，應(yīng)將主體內(nèi)容設(shè)置為實驗課程；而課程實訓(xùn)的內(nèi)容則需要滿足學(xué)生對計算機(jī)的實踐操作需要，自助系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)以提供云儲存服務(wù)為主，實驗教學(xué)管理需要滿足實驗教學(xué)動態(tài)管理要求，以數(shù)據(jù)格式為基礎(chǔ)提供相應(yīng)的訪問接口。所以，計算機(jī)實驗平臺的構(gòu)建應(yīng)將設(shè)計重點放在課程結(jié)構(gòu)和實驗教學(xué)資源的整合方面，方便教師以案例教學(xué)的方式，增強學(xué)生的實踐和動手操作能力，通過科學(xué)的管理方式逐步提高實驗教學(xué)管理質(zhì)量和水平。實驗平臺的應(yīng)用主體為學(xué)生，因此，可借助私有云模式，從應(yīng)用實際出發(fā)構(gòu)建相應(yīng)的云平臺系統(tǒng)硬件。例如，以千兆企業(yè)交換機(jī)為基礎(chǔ)，提高存儲、生產(chǎn)以及管理網(wǎng)絡(luò)的運行效率，與此同時，利用硬件防火墻可實現(xiàn)云平臺網(wǎng)絡(luò)安全，以科學(xué)設(shè)計和規(guī)劃方式，可以實現(xiàn)預(yù)期的計算機(jī)實驗平臺設(shè)計目標(biāo)，實現(xiàn)計算機(jī)實驗平臺的優(yōu)化與升級，為教學(xué)改革提供助力和支持。

3.2.3 虛擬化平臺功能

資源虛擬化平臺建設(shè)的過程中涉及的內(nèi)容主要包括虛擬機(jī)形式管理、底層虛擬資源、用戶權(quán)限管理以及資源分配等。因此，應(yīng)立足云平臺自身特點，通過對用戶的實際資源申請情況進(jìn)行詳細(xì)分析，對服務(wù)功能進(jìn)行自動化管理和開通，將相關(guān)信息告知用戶。而對于用戶來說，則能夠利用鏡像、快照管理等方式，實現(xiàn)保存和恢復(fù)，其內(nèi)容主要包括開發(fā)的總體環(huán)境、運行狀態(tài)以及操作系統(tǒng)等。除此之外，在虛擬化平臺中還應(yīng)涉及監(jiān)控與管理功能，主要包括內(nèi)存與處理器等資源，尤其在運行管理與監(jiān)控處理方面，需要利用圖表和圖形等方式進(jìn)行日志的記錄，進(jìn)而提高計算機(jī)實驗平臺的實訓(xùn)水平，滿足實際需求。只有充分利用資源虛擬化平臺，發(fā)揮其積極的作用，才能保證平臺能夠滿足現(xiàn)代化教育教學(xué)需求。

3.3 搭建虛擬化實驗平臺

3.3.1 平臺特點

一方面，借助虛擬技術(shù)、云計算技術(shù)可進(jìn)一步提高計算機(jī)實驗平臺的技術(shù)水平，通過依據(jù)實際需求獲得資源的仿真實驗，得到高性能的數(shù)據(jù)處理方式，進(jìn)而實現(xiàn)資源的整合。另一方面，通過與基礎(chǔ)設(shè)施的實際情況相結(jié)合，提高協(xié)同建設(shè)能力，確保互聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)、硬件以及應(yīng)用程序能夠得到有效的分離，促進(jìn)課程的科學(xué)化部署和優(yōu)化實訓(xùn)環(huán)境，改善實訓(xùn)環(huán)境，為創(chuàng)建相關(guān)程序提供便利條件。在虛擬實驗平臺建設(shè)過程中主要的設(shè)計內(nèi)容有：第一，提高訪問方式的靈活性和有效性，依據(jù)WebB/S模式以及遠(yuǎn)程桌面等方式來實現(xiàn)虛擬實驗平臺的日常登錄和管理，進(jìn)而最大程度提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，提升學(xué)習(xí)積極性和熱情。第二，與實際需求相結(jié)合，不斷優(yōu)化和改善配置實驗空間。由于實驗空間的開放性，因而能夠滿足現(xiàn)階段的教學(xué)要求和教學(xué)目標(biāo)，推動教學(xué)工作的實施。第三，實現(xiàn)教學(xué)資源的全過程跟蹤，與學(xué)生的實際情況相結(jié)合，對精品課程以及資源采取線上管理和教學(xué)的方式，通過設(shè)置相應(yīng)的討論區(qū)、評論區(qū)，實現(xiàn)學(xué)生的全過程、動態(tài)化管理，提高學(xué)生的實驗水平。

3.3.2 平臺功能

計算機(jī)實驗平臺中展現(xiàn)的實驗資源一般由電商實訓(xùn)、網(wǎng)絡(luò)課程和其他課程為主。計算機(jī)理論與實踐的課程融合，可以實現(xiàn)教學(xué)資源的最大化共享。以Java，Android，C/C++等課程為例，通過計算機(jī)實驗平臺的合理優(yōu)化和部署，有利于豐富教學(xué)軟件資源的同時以更方便的形式為教師、學(xué)生的教學(xué)和學(xué)習(xí)提供支持。除此之外，在進(jìn)行部署教學(xué)資源庫時，為保證理論性資源的優(yōu)化與升級，需要將實訓(xùn)課程與理論基礎(chǔ)相分離，可通過將知識點和技術(shù)進(jìn)行有效連接進(jìn)而最大程度地滿足實際教學(xué)的方式。與服務(wù)云計算平臺相結(jié)合，確保能夠從虛擬資源庫中獲得網(wǎng)絡(luò)、計算等信息資源，滿足虛擬實驗環(huán)境的要求。對于底層資源的利用和開發(fā)，以增加開發(fā)環(huán)境組件、操作系統(tǒng)以及云計算操作平臺的方式，達(dá)到實驗仿真的目的?，F(xiàn)階段，計算機(jī)實驗平臺的搭建需要從實際出發(fā)，應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容需要包括以下4個方面：其一，搭建專業(yè)化的實驗平臺，對不同的基礎(chǔ)課程進(jìn)行優(yōu)化和完善，滿足用戶的個性化要求，改善實驗環(huán)境。確保學(xué)生能夠依據(jù)客戶端等方式實現(xiàn)虛擬課堂、虛擬實驗課堂空間的體驗，并依據(jù)個人的實際數(shù)據(jù)信息，達(dá)到仿真、學(xué)習(xí)的目的。其二，搭建教學(xué)實驗資源平臺，利用云計算技術(shù)為教師提供全面、多樣化的計算類課程資源，滿足教師在線教學(xué)的需求。其三，積極構(gòu)建具有高性能的實驗平臺，該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)大數(shù)據(jù)的處理和分析，以系統(tǒng)化的方式達(dá)到高性能仿真開發(fā)的目的。其四，積極創(chuàng)建學(xué)科競賽活動，為教師和學(xué)生提供平臺，引導(dǎo)學(xué)生積極參與相關(guān)的學(xué)科競賽活動，增強自主創(chuàng)新能力，為學(xué)科能力水平的提升奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

在現(xiàn)代化信息技術(shù)背景下，云計算技術(shù)在各領(lǐng)域、各行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。對于高校而言，在搭建計算機(jī)實驗平臺的過程中，更需要注重云計算技術(shù)的有效應(yīng)用，實現(xiàn)個性化的課程教學(xué)，滿足學(xué)生和教師的多樣化需求。通過計算機(jī)實驗平臺，有效提升學(xué)生在線學(xué)習(xí)水平，激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，同時也為教師教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。而上述目標(biāo)的實現(xiàn)，都離不開云計算技術(shù)的有效應(yīng)用。因此，應(yīng)積極發(fā)揮云計算技術(shù)的作用，為計算機(jī)實驗平臺的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

［1］康玉虎，閆鋒.基于模糊綜合評判法的云桌面計算機(jī)實驗平臺部署模式研究［J］.自動化應(yīng)用，2020（12）：72-73，76.

［2］劉虹.基于虛擬技術(shù)的計算機(jī)實驗平臺構(gòu)建［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2020（23）：40-41.

［3］劉文艷，王珂，沙飛，等.基于虛擬化技術(shù)的VMware Workstation實驗平臺在高校計算機(jī)實驗課程中的應(yīng)用［J］.中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2020（4）：476-479.

［4］劉定智.虛擬化技術(shù)在計算機(jī)實驗技術(shù)平臺構(gòu)建中的運用分析［J］.產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究，2019（11）：41，135.

（編輯 沈 強）

Architecture design of computer experiment platform based on cloud computing technology

Zheng? Wenjuan

（Shanxi Vocational University of Engineering Science and Technology， Jinzhong 030619， China）

Abstract： The development of economy and society and the improvement of information technology have provided new opportunities for the modernization of education. Under the teaching background of quality education， the design and research of computer experiment platform architecture plays a positive role in improving students autonomous learning ability. The effective application of cloud computing technology can improve the architecture level of computer experiment platform， conform to the development trend of the times， and meet the personalized needs of teachers and students. Therefore， starting from the advantages of the computer experiment platform under cloud computing technology， this paper analyzes the main management modes of the cloud technology architecture， and explores the main design contents of the computer experiment platform architecture of cloud computing technology， in order to provide reference for relevant personnel.

Key words： cloud computing; computer experiment platform; platform architecture design