基于云計(jì)算的實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

臧勁松

摘 要： 云計(jì)算是一種新型的計(jì)算模式，是下一代網(wǎng)絡(luò)計(jì)算平臺的核心技術(shù)。文章在介紹云計(jì)算概念的基礎(chǔ)上，針對高校大學(xué)生群體設(shè)計(jì)一個(gè)基于云計(jì)算的實(shí)驗(yàn)平臺，旨在改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)封閉型弊端。該平臺的應(yīng)用已初顯成效，通過整合實(shí)驗(yàn)室IT硬件資源，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的動態(tài)管理，并提供了多樣化的教學(xué)方式，有效銜接教學(xué)管理系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)，從而提高了實(shí)驗(yàn)課程的質(zhì)量，推動了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞： 云計(jì)算； 實(shí)驗(yàn)平臺； 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑?設(shè)計(jì)

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2015）11-28-04

Abstract： Cloud computing is a new computing mode， and is the core technology of the next generation network computing platform. On the basis of introducing of the concept of cloud computing， this paper designs an experiment platform based on cloud computing， which is designed to change the experiment teaching mode of traditional closed defects. The application of this platform has demonstrated the effects. Through the integration of hardware resources in the laboratory， the dynamic management of the experiment teaching is realized， a variety of teaching methods are provided， and all subsystems in the teaching management system are interfaced effectively， which has improved the quality of experiment courses， and promoted the innovation of experiment teaching.

Key words： cloud computing； experiment platform； experiment mode； design

0 引言

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在著一些問題，如：每臺PC機(jī)有一套獨(dú)立的資源，缺乏共享，大量資源被浪費(fèi)；計(jì)算機(jī)硬件與軟件的更新速度快，實(shí)驗(yàn)室更新設(shè)備的建設(shè)成本高；實(shí)驗(yàn)室使用時(shí)間集中，課后很少開放，出現(xiàn)資源緊張與閑置并存的情況。云計(jì)算的出現(xiàn)，可以較好地解決這些問題。

云計(jì)算是一種新型的計(jì)算模型，是下一代網(wǎng)絡(luò)計(jì)算平臺的核心技術(shù)，它可以提供可靠安全的數(shù)據(jù)存儲、方便快捷的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和強(qiáng)大的計(jì)算能力。在教育領(lǐng)域，云計(jì)算可以為學(xué)習(xí)者提供極其便利的環(huán)境和平臺，并將積極影響學(xué)習(xí)者對個(gè)人網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建、網(wǎng)絡(luò)資源的建設(shè)和教育信息系統(tǒng)的開發(fā)等。

1 云計(jì)算概述

云計(jì)算是在并行計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算、分布式計(jì)算和虛擬化技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是一種通過網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一組織和靈活調(diào)用各種信息、通信和技術(shù)（簡稱ICT）資源，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模計(jì)算的信息數(shù)據(jù)處理方式。維基百科中關(guān)于云計(jì)算的定義如下：

Cloud computing is the use of computing resources

（hardware and software） that are delivered as a service over a network （typically the Internet）. The name comes from the common use of a cloud-shaped symbol as an abstraction for the complex infrastructure it contains in system diagrams. Cloud computing entrusts remote services with a user's data， software and computation.

英文其意即云計(jì)算是一種以服務(wù)方式提供給用戶的計(jì)算機(jī)能力，允許用戶在不了解提供服務(wù)的技術(shù)、沒有相關(guān)知識及設(shè)備管理能力的情況下，通過因特網(wǎng)獲取需要的服務(wù)。云計(jì)算邏輯圖如圖1所示。

云計(jì)算模式與傳統(tǒng)的以PC機(jī)為中心的計(jì)算方式不同，它是一種按需調(diào)用的虛擬化的資源池，它將計(jì)算任務(wù)分布在資源池上，因而數(shù)據(jù)和程序不再運(yùn)行和保存在個(gè)人計(jì)算機(jī)中，而是保存在互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)中心即“云數(shù)據(jù)”中[1]?？蛻舳瞬恍枰獋鹘y(tǒng)桌面軟件所需的磁盤空間和處理能力，用戶只要能接入互聯(lián)網(wǎng)，就可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)訪問“云端”，根據(jù)各自的需要而獲得各種軟件服務(wù)、計(jì)算能力和存儲空間[2]。

因此，使用云計(jì)算模式，可以給傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)帶來如下諸多益處。

⑴ 提高資源利用率。例如：某學(xué)生安裝應(yīng)用程序時(shí)需要一臺擁有一個(gè)CPU、4G內(nèi)存、250G硬盤存儲的服務(wù)器，如果按照以前的方式，需要給這個(gè)學(xué)生分配一臺獨(dú)立的物理服務(wù)器?，F(xiàn)在在云平臺的支持下，只需要利用云平臺生成一臺虛擬機(jī)，這臺虛擬機(jī)擁有一個(gè)CPU、4G內(nèi)存、250G硬盤存儲，這既滿足了學(xué)生的要求，也不會造成資源浪費(fèi)。

⑵ 易于管理。管理員通過網(wǎng)頁或者云平臺客戶端遠(yuǎn)程管理云平臺上的所有資源，通過對平臺上的虛擬機(jī)以合適的方式命名，就可以通過名字對平臺上虛擬機(jī)的信息有初步的了解。

⑶ 安全。平臺上的數(shù)據(jù)和應(yīng)用時(shí)刻處于安全狀態(tài)下。云平臺通過安裝了防火墻的交換機(jī)與外網(wǎng)連接，而且，平臺上的虛擬機(jī)是通過VLAN技術(shù)來管理和通訊，這保證了平臺上應(yīng)用的安全。平臺上的數(shù)據(jù)存放在底層的存儲，且存儲的數(shù)據(jù)是經(jīng)過備份的，因此，平臺上的數(shù)據(jù)是安全的。

⑷ 可靠、靈活。云平臺上的所有應(yīng)用都存在于存儲設(shè)備上，在一臺物理服務(wù)器出現(xiàn)故障的情況下，這臺物理服務(wù)器上的所有虛擬服務(wù)器自動遷移到其他的物理服務(wù)器上，這保證了系統(tǒng)可靠性。可以在平臺上預(yù)先生成虛擬機(jī)模板，當(dāng)需要時(shí)，直接根據(jù)模板生成相應(yīng)的虛擬機(jī)，這體現(xiàn)了平臺的靈活性。

⑸ 可擴(kuò)展性。在對云平臺進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)，將新的物理設(shè)備添加到云平臺中，修改配置文件即可，這樣就增加了整個(gè)云平臺的性能。

方便、快捷、按需分配。當(dāng)學(xué)生或老師需要虛擬機(jī)時(shí)，只需要在線申請，填寫所需服務(wù)器的具體配置，管理員審核通過之后，平臺就會自動生成相應(yīng)的虛擬機(jī)，這方便了用戶，也便利了管理員。

2 基于云計(jì)算的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建

2.1 教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)思想

學(xué)校的公共機(jī)房，由于計(jì)算機(jī)和存儲設(shè)備的交叉使用，導(dǎo)致了計(jì)算機(jī)病毒在校園網(wǎng)和學(xué)校機(jī)房泛濫?！霸朴?jì)算”將信息集中處理，可以保證高校師生信息的安全。而且云計(jì)算的出現(xiàn)，還可以為眾多的高校提供類似一流大學(xué)才能配置的超級實(shí)驗(yàn)環(huán)境。從這個(gè)意義上來說，云計(jì)算既節(jié)省了開支，又打破了實(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境的壁壘，讓更多高校的科研人才和學(xué)生能夠加入到復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)和科研中去。

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺的專業(yè)功能

2.2.1 具有實(shí)用的教學(xué)功能

實(shí)用的教學(xué)功能應(yīng)包含教師課程制作、資源上傳、學(xué)生學(xué)習(xí)、作業(yè)管理、網(wǎng)絡(luò)論壇、在線答疑，學(xué)生下載課程資源、在線測試、實(shí)訓(xùn)練習(xí)等基本功能。支持教師和學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的教和學(xué)的一切行為，使師生之間、學(xué)生之間及時(shí)交換信息，有效地進(jìn)行學(xué)習(xí)[3]。

2.2.2 能夠運(yùn)用各種教學(xué)策略

通過網(wǎng)絡(luò)論壇、在線答疑等模塊實(shí)現(xiàn)協(xié)作學(xué)習(xí)策略，根據(jù)教師提供的課件、教學(xué)資源等，學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化學(xué)習(xí)，并進(jìn)行學(xué)習(xí)效果的實(shí)訓(xùn)練習(xí)和在線測試等。該平臺要能充分體現(xiàn)現(xiàn)代教育思想和教學(xué)理念，能在教學(xué)過程貫穿“自主學(xué)習(xí)與協(xié)作學(xué)習(xí)相結(jié)合”的理念，為教師的“教”與學(xué)生的“學(xué)”提供交流平臺，成為以教師為主要?jiǎng)?chuàng)作者，學(xué)生自主學(xué)習(xí)的“雙主”平臺。

2.2.3 以學(xué)生為中心，簡單實(shí)用

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)是以學(xué)生為中心的教學(xué)模式的體現(xiàn)，提供學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)的教學(xué)平臺，其功能強(qiáng)大且簡單實(shí)用，易操作。在線學(xué)習(xí)、在線測試及作業(yè)提交方便快捷。平臺應(yīng)具有使用方便、維護(hù)簡單、界面簡捷友好等特性，無論用戶計(jì)算機(jī)知識如何，都能很容易使用本平臺，不會讓學(xué)生感覺操作繁瑣等而望而卻步。

2.2.4 應(yīng)有很好的管理功能

平臺應(yīng)該具有課程管理、教師管理、學(xué)員管理、教務(wù)管理等功能。

2.3 云計(jì)算架構(gòu)的實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)

2.3.1 虛擬化技術(shù)

虛擬化是云計(jì)算技術(shù)的一個(gè)重要分支，是實(shí)現(xiàn)云計(jì)算的一種可用技術(shù)。從虛擬化技術(shù)角度看，它是私有云計(jì)算平臺建設(shè)比較成熟的方案。虛擬化是將所有可用的計(jì)算和存儲資源組成一個(gè)資源池，然后用虛擬功能將這個(gè)資源池里的資源分別提供給用戶，從而提升資源的利用效率。

虛擬化技術(shù)又是一種邏輯簡化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物理層向邏輯層的變化，它實(shí)現(xiàn)了對物理層復(fù)雜性的屏蔽，使系統(tǒng)對外呈現(xiàn)出簡單的邏輯狀態(tài)。通過對物理資源的邏輯表示，降低物理資源不同層次之間的耦合程度，使系統(tǒng)所需資源不受物理資源的限制，從而獲得高性能，高可擴(kuò)展性等特性[4]。

虛擬化的基礎(chǔ)是虛擬機(jī)。虛擬機(jī)是一種嚴(yán)密隔離的軟件容器，它可以運(yùn)行自己的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，就好像一臺物理計(jì)算機(jī)一樣。虛擬機(jī)的運(yùn)行完全類似于一臺物理計(jì)算機(jī)，它包含自己的虛擬（即基于軟件實(shí)現(xiàn)的）CPU、RAM硬盤和網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）。操作系統(tǒng)運(yùn)行在虛擬機(jī)上，虛擬機(jī)可以像不同的物理計(jì)算機(jī)一樣，彼此之間完全隔離的共享一臺計(jì)算機(jī)的物理資源。這樣對于計(jì)算能力要求不高的操作系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)操作系統(tǒng)在一臺物理服務(wù)器上運(yùn)行而不會互相影響，顯著降低了硬件的投資。

總之，虛擬化是實(shí)現(xiàn)物理資源復(fù)用、降低管理維護(hù)復(fù)雜度、提高設(shè)備利用率的關(guān)鍵，同時(shí)也為未來自動實(shí)現(xiàn)資源協(xié)調(diào)和配置打下基礎(chǔ)。

2.3.2 云計(jì)算的服務(wù)類型

基于云計(jì)算的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺可以提供三個(gè)層次云計(jì)算服務(wù)：IaaS，PaaS和SaaS，正好可以滿足在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中對不同硬件、不同操作系統(tǒng)平臺和不同軟件應(yīng)用的需求。

IaaS：把基礎(chǔ)設(shè)施作為一種服務(wù)通過網(wǎng)絡(luò)對外提供。在這種服務(wù)模型中，用戶不用自己構(gòu)建一個(gè)數(shù)據(jù)中心，不用自己購買物理硬件，而是通過租用的方式來使用包括服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，通過網(wǎng)絡(luò)申請服務(wù)即可搭建自己的系統(tǒng)環(huán)境。由于要保證資源的動態(tài)分配和定制資源的分配粒度，因此在IaaS的平臺實(shí)現(xiàn)中一般都需要使用各種虛擬化技術(shù)。

PaaS：是指將一個(gè)完整的應(yīng)用程序運(yùn)行平臺作為一種服務(wù)提供給用戶，用戶只需要利用SaaS平臺，就能夠創(chuàng)建、測試和部署應(yīng)用程序。

SaaS：指用戶獲取軟件服務(wù)的一種形式，通過標(biāo)準(zhǔn)的Web瀏覽器來使用互聯(lián)網(wǎng)上的軟件服務(wù)。

云計(jì)算抽象了計(jì)算與存儲資源并動態(tài)地分配給需要使用的用戶，它是一個(gè)高伸縮性、高可靠性、底層透明、安全的架構(gòu)，并且具有友好的監(jiān)控與維護(hù)接口。

2.3.3 實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建

在構(gòu)建教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺的過程中，為充分利用現(xiàn)有軟硬件資源，需要對其進(jìn)行整合，整合思路主要是將原來圍繞應(yīng)用而隨意堆疊的平臺，向網(wǎng)絡(luò)為核心的平臺架構(gòu)轉(zhuǎn)移[5]。原來圍繞應(yīng)用服務(wù)器而連接的IT資源（服務(wù)器和存儲器）則應(yīng)搬到網(wǎng)絡(luò)上去，網(wǎng)絡(luò)可以連接各種各樣的IT資源和基礎(chǔ)性的服務(wù)功能。網(wǎng)絡(luò)成為數(shù)據(jù)中心資源虛擬化以后的數(shù)據(jù)交換平臺，可以為物理資源提供邏輯服務(wù)，為應(yīng)用需求提供動態(tài)業(yè)務(wù)部署?；谠朴?jì)算的實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建系統(tǒng)如圖2所示。

客戶端：實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)終端是基于云計(jì)算的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)客戶端。

接口層：為方便不同用戶使用云計(jì)算服務(wù)，用戶接口層針對每個(gè)層次的云服務(wù)提供相應(yīng)的訪問接口，系統(tǒng)也將為不同用戶提供不同的界面和功能。

表示層：用戶和系統(tǒng)的交互，負(fù)責(zé)和用戶的會話處理。

業(yè)務(wù)邏輯層：負(fù)責(zé)處理表示層的應(yīng)用請求，對其進(jìn)行業(yè)務(wù)處理的邏輯判斷。如果通過分析和處理后發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)需要進(jìn)一步交由數(shù)據(jù)庫訪問層處理，那么業(yè)務(wù)邏輯層就會調(diào)用數(shù)據(jù)庫訪問層提供的服務(wù)，將業(yè)務(wù)交由數(shù)據(jù)庫訪問層進(jìn)行處理，并通過進(jìn)一步的分析與處理，將業(yè)務(wù)過程交給云計(jì)算平臺。當(dāng)業(yè)務(wù)不需要遞交給數(shù)據(jù)庫訪問層進(jìn)行處理時(shí)，業(yè)務(wù)邏輯層可以直接通過接口程序?qū)I(yè)務(wù)遞交給云計(jì)算平臺，由云計(jì)算平臺進(jìn)行處理。

云計(jì)算平臺：分散的資源集中到統(tǒng)一的平臺才能合理地管理和使用，云計(jì)算平臺為用戶提供對資源層服務(wù)的封裝，還可以提供監(jiān)控管理、系統(tǒng)管理、報(bào)表管理等功能，方便管理層對所有的云內(nèi)資源統(tǒng)一掌控，合理地規(guī)劃。

2.4 教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺的維護(hù)

基于云計(jì)算的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺是在現(xiàn)有機(jī)房的軟硬件平臺基礎(chǔ)上構(gòu)建。因此，必須對現(xiàn)有機(jī)房計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)和存儲設(shè)備進(jìn)行定期維護(hù)。在實(shí)際使用中，機(jī)房的每臺計(jì)算機(jī)虛擬化為兩臺虛擬機(jī)，其中一臺虛擬機(jī)作為計(jì)算和存儲資源組成云計(jì)算的資源池供教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺使用和調(diào)度，可以稱其為云端虛擬機(jī)，它占用該物理計(jì)算機(jī)的大部分資源，對上機(jī)用戶來說是不可見的；而另一臺虛擬機(jī)則作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺的接入終端設(shè)備供上機(jī)用戶使用，可以稱其為客戶端虛擬機(jī)，它采用典型的瘦客戶終端模式，只占用該物理計(jì)算機(jī)的少部分資源，主要用來運(yùn)行瀏覽器接入教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，是上機(jī)用戶的交互結(jié)構(gòu)。用戶產(chǎn)生的任何數(shù)據(jù)只存儲于云端，客戶端虛擬機(jī)不保存用戶的任何數(shù)據(jù)，也可以在客戶端虛擬機(jī)中安裝硬盤保護(hù)軟件，確保其操作系統(tǒng)在用戶使用后能夠恢復(fù)原始狀態(tài)，從而能夠持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)束語

本文對基于云計(jì)算的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺搭建研究，可以有效地管理和利用現(xiàn)有物理服務(wù)器等資源，極大地降低了實(shí)驗(yàn)平臺硬件設(shè)備的成本，為教學(xué)提供更加高效、優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和技術(shù)服務(wù)，為高校其他方面的信息化提供示范。

云計(jì)算的應(yīng)用，目前還有很多問題需要研究，還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而且由于用戶、信息資源的高度集中，系統(tǒng)容易成為黑客攻擊的目標(biāo)。因此，在未來的研究中，數(shù)據(jù)的安全是不可忽視的問題，而數(shù)據(jù)的災(zāi)后恢復(fù)等問題，也期望能不斷改進(jìn)和完善。相信在不遠(yuǎn)的將來，隨著云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，廉價(jià)、方便和安全性會逐步提高，將會使越來越多的學(xué)校把自己的各種應(yīng)用系統(tǒng)遷移到“云”上。

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