智慧云實驗室平臺的設計與應用研究

楊潔

關鍵詞：智慧云；實驗管理；云計算

0引言

隨著高校學生對實驗環節的重視和移動學習的到來，信息技術實驗的需求越來越多。信息技術領域進行實驗需要大量的硬件資源，傳統的線下實驗室的方式越來越難以滿足高校師生對信息技術實驗的需求。基于智慧云計算技術的虛擬實驗能夠借助虛擬現實技術、移動通信技術以及多媒體技術等構建全新的實驗環節，借助虛擬化技術管理各種硬件資源，實現資源的按需分配，比傳統的真實線下實驗方式具有成本低、時空限制小等優勢。

1云計算和高校實驗的融合

傳統的計算機實驗過程中，往往會受到服務器、計算資源、存儲資源等各種物理資源的制約，而且會存在諸如多用戶共享問題、跨平臺兼容性問題等[1]。在云計算技術出現之前，只能通過增加硬件資源的方式解決上述問題。

云計算技術為智慧云實驗室提供了技術支撐，利用大量的廉價硬件設備組成一種動態的、可擴展的資源池，實現計算、存儲資源的按需分配。云存儲是智慧云實驗室的核心技術之一，將其引入高校實驗管理后，學生能夠在云實驗室中運行耗時較長的實驗程序，并在云實驗室中存放相關的實驗數據，而不用擔心存儲資源不足的問題。云實驗室中強大的計算能力可以助力高復雜度的數據分析和挖掘程序，提高數據分析的效率，這是線下普通雙核服務器難以滿足的。

2智慧云實驗室設計

智慧云實驗室用于高校實驗使用時，面臨的主要需求包括[2]：1）開放實驗室。高校中信息科技領域的實驗通常會進行長時間的壓測及運行，因此需要滿足不同人員在任何時間、任何地點都可以訪問，即智慧云實驗室要具備一定的開放性。2）交互實驗室。信息技術領域各學科的實驗都離不開人的參與，這樣才能實現更智能的程序或產品，因此智慧云實驗室需要和用戶進行交互。3）資源的動態分配。不同實驗對資源的需求不同，計算型實驗需要的CPU資源較多，而在線事務處理型實驗對內存的需要較高，大數據、數據分析等實驗又需要較多的存儲資源，而且對資源的需求并不是實驗開始就要全部分配的，因此可以根據實驗的進度安排需要的資源，提高云平臺資源的利用率。

2.1系統架構設計

本研究設計了一個包含應用層、平臺層和資源層三層結構的智慧云實驗平臺：應用服務層：該層直接針對高校師生用戶，主要服務于教師、學生以及系統管理員等不同角色[3]；平臺層：這是整個智慧實驗室平臺的核心，負責實現云實驗室的主要功能；資源層：該層將云端的物理資源整合，為智慧云實驗室平臺的用戶提供按需分配的計算、存儲、服務器等資源。整體的智慧云實驗室平臺架構設計如圖1所示。

資源層是智慧云實驗室平臺的基礎，主要包括計算資源、存儲資源、集群資源以及服務器等。資源層對各種資源進行統一、規范的管理，根據需要及時為用戶提供所需的資源，并提供相應的接口，方便對資源進行擴展及升級。資源層中的各種資源按照管理模式可以分為物理資源和虛擬資源兩類。物理資源可以作為一個整體分配給對性能要求較高的實驗環境，多適用于在線事務處理、數據分析等場景；虛擬資源是CPU、內存、存儲等虛擬化后的虛擬資源，可以根據實際需要按需分配，以提高資源的利用率。

平臺層主要對資源層的各類資源進行調度，為不同的實驗任務分配各類資源并進行統一管理，包括實驗任務管理、資源管理及資源調度等[4]。另外，還為用戶提供管理及交互接口，方便用戶通過接口實現對實驗任務的管理和調度。

2.2功能模塊設計

智慧云實驗室平臺的功能模塊主要包括系統管理、課程管理、實驗管理以及資源管理。

系統管理模塊主要完成智慧實驗室平臺的后臺管理，包括用戶、院系、權限等。其他功能模塊都是建立在系統管理基礎上的。智慧云實驗室平臺的賬號分為不同的角色，管理員賬號是在智慧云實驗室平臺運行前就建好的，院系相對固定，一般由管理員直接寫入數據庫，普通用戶沒有權限操作。系統管理模塊中的角色管理功能可以新建、修改、刪除角色，并對角色的權限進行設置，比如實驗、課程是否對角色顯示，以及角色是否擁有對實驗、課程的修改權限等；權限可以細化到控制用戶的每個操作及對每個頁面的訪問[5]，從而提高了智慧云實驗平臺的安全性。

系統管理員會審核教師提交的實驗資源申請，如果申請的資源在規定的時間內能夠滿足，系統管理員就標記為實驗審核通過，否則標記為審核不通過。系統會自動判斷當前資源池中的資源是否滿足要求，如果不滿足會向系統管理員展示實驗資源準備界面。

課程管理模塊對課程信息、課程評價、課程筆記以及相關的課程資源進行管理。課程信息頁面主要展示課程的名稱、描述、實驗大綱、主要目的等基本信息。此外，該模塊還可以動態記錄用戶在訪問課程下相關實驗的行為，如啟動云虛機、記錄課程筆記、訪問課程學習資源等。這些動態信息對所有用戶可見，方便學生了解學習流程、汲取他人的經驗。課程模塊中的資源包括普通文本、圖片、實驗視頻、PPT教材等，并以列表的方式在相關課程后進行展示，方便學生在學習課程時直接點擊對應實驗資源即可觀看。課程管理模塊僅對系統管理員以及課程設計角色的用戶開放。這些用戶可以設計新的課程、對已有的課程進行修改、編輯課程相關的實驗等。實驗室管理模塊的功能設計如圖3所示。

實驗管理是智慧云實驗室平臺的核心功能模塊，主要功能包括新建實驗、編輯實驗、修改實驗說明指導書、實驗評價、資源展示以及實驗管理等[6]。實驗說明指導書是進行實驗的大綱，實驗需要根據指導書完成，因此在新建實驗前需要先編寫指導書，對實驗目的、環境、步驟、實驗的資源需求以及實驗報告等進行說明。用戶可以對實驗進行評價，以便實驗設計者根據評價進行修改，以提高高校實驗管理的效果。用戶在做實驗過程中可以記錄下實驗環節中需要注意的問題和知識點，系統會以筆記的格式展示在頁面內；如果在實驗過程中遇到問題，還可以通過提問的方式發起線上討論，實驗教師及其他學生都可以進行回答，優秀的問題及解答會顯示在問答界面。

資源管理對智慧云實驗平臺的資源進行分析、劃分。對于物理資源可以直接分配給用戶使用，也可以先進行虛擬化后再分配。為提高資源使用效率需要有專門的資源調度，對實驗執行及需要的資源進行匹配映射，并完成資源的全生命周期管理[7]。實驗用的虛擬機是實驗管理的基礎，需要管理員根據需要的CPU、內存以及磁盤資源在云平臺上創建，啟動虛擬機后用戶可以定制需要安裝的各種應用軟件，在實驗完畢后關閉并注銷虛擬機即可釋放占用的CPU、內存、磁盤等各種資源，真正實現按需分配。

3智慧云實驗室實現

通過登錄界面可以登錄到智慧云實驗室平臺，登錄界面除了提供基本的登錄功能外，為了提高安全性及使用的方便性，還額外提供了短信登錄和人臉登錄。

功能系統登錄功能在實現時需要考慮登錄的便利性和安全性：便利性是指用戶輸入較少內容即可快速登錄，安全性是指防止網絡爬蟲等的攻擊。另外，為了驗證登錄功能是否滿足設計要求，可以進行角色登錄訪問測試，在登錄過程中輸入代表不同角色的用戶名及結果，檢驗不同角色用戶是否可以進入對應的系統功能界面。

登錄后點擊“實驗管理”標簽，會自動跳轉到全部實驗列表界面，可以從此頁面中選擇感興趣的實驗，閱讀其實驗指導書，學習相關的資源；如果實驗列表中沒有相關實驗則可以新建實驗，新建的實驗會自動出現在實驗列表中，用戶可以對其進行修改或刪除操作。

學生可以在實驗管理界面中單擊“點擊查詢”查看實驗。如果想要進行實驗，可以進行實驗預約。預約通過后，學生可以在連接的實驗機中打開所需的實驗軟件進行操作。實驗完成后，學生須上傳實驗數據、報告及相關程序。若實驗未完成，學生可保存實驗數據及程序。

為測試預約功能的可用性，須設計相應的功能測試用例。如表1所示。

由功能測試結果可以看出，智慧云實驗室平臺實驗管理的功能滿足設計需求。對于已完成和未完成的實驗，該平臺均能提供有效管理。實驗完成后，學生可以上傳實驗數據、報告及相關程序；對于未完成的實驗，則可保存實驗數據及程序，方便后續繼續進行實驗[8]。

4總結

智慧云實驗室提供的實驗平臺為高校師生創造了一個便利、智能的實驗環境。在充分利用云平臺的計算、存儲資源基礎上，可以有效融合操作系統、數據庫、編程語言等信息技術學科，對提高高校實驗管理水平具有重要的現實意義。