面向多校區(qū)的計(jì)算機(jī)學(xué)科實(shí)驗(yàn)云平臺建設(shè)研究

葉娜，董麗麗，張維琪，邊根慶，何箐

（西安建筑科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，西安 710055）

面向多校區(qū)的計(jì)算機(jī)學(xué)科實(shí)驗(yàn)云平臺建設(shè)研究

葉娜，董麗麗，張維琪，邊根慶，何箐

（西安建筑科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，西安 710055）

0　引言

實(shí)踐教學(xué)是高校培養(yǎng)提高學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識的積極性，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題能力的重要環(huán)節(jié)。然而，由于下述三方面原因，計(jì)算機(jī)學(xué)科的很多課程實(shí)驗(yàn)不能方便、高效地開展。首先，現(xiàn)在很多高校都有分布在不同地方的多個(gè)校區(qū)，對于同一門課程的實(shí)驗(yàn)或者使用相同軟件平臺的實(shí)驗(yàn)，教師只能在多個(gè)校區(qū)分別開設(shè)，對于一些需要安裝大型軟件的實(shí)驗(yàn)課程，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備配置有限，每一級學(xué)生都需要在多個(gè)校區(qū)進(jìn)行安裝，不能實(shí)現(xiàn)開發(fā)平臺的共享，占用了部分實(shí)驗(yàn)時(shí)間；其次，目前計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)中心硬件設(shè)備配置低，跟不上計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，很多高版本的軟件在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)上不能安裝使用。最后，不同課程實(shí)驗(yàn)要求的軟硬件配置不同，機(jī)房管理日常維護(hù)工作量很大，但仍不能滿足個(gè)性化的服務(wù)與管理需求［1］。

基于以上原因，本文探索了基于云計(jì)算技術(shù)的計(jì)算機(jī)學(xué)科實(shí)驗(yàn)云的建設(shè)，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了面向多校區(qū)的計(jì)算機(jī)學(xué)科實(shí)驗(yàn)云平臺。

1　云計(jì)算技術(shù)及其應(yīng)用

云計(jì)算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算方式，它由一系列可以動態(tài)升級和被虛擬化的資源組成，這些資源可以被所有云計(jì)算用戶共享并且可以方便地通過網(wǎng)絡(luò)訪問。

按服務(wù)類型來分，云計(jì)算包括下面三個(gè)層次的服務(wù)：基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS），平臺即服務(wù)（PaaS）和軟件即服務(wù)（SaaS）。IaaS提供給消費(fèi)者的服務(wù)是對所有設(shè)施的利用，包括處理、存儲、網(wǎng)絡(luò)和其他基本的計(jì)算資源，用戶能夠部署和運(yùn)行各種軟件。PaaS是指將軟件研發(fā)平臺作為一種服務(wù)，以SaaS的模式提交給用戶；平臺通常包括操作系統(tǒng)、編程語言、運(yùn)行環(huán)境、數(shù)據(jù)庫等。SaaS是一種通過Internet提供軟件的模式，提供給用戶的服務(wù)是運(yùn)行在云基礎(chǔ)設(shè)施上的應(yīng)用程序，用戶可以在各種設(shè)備上通過客戶端界面訪問，而不需要管理或控制任何云基礎(chǔ)設(shè)施［2］。

目前，云計(jì)算技術(shù)已在眾多領(lǐng)域展開應(yīng)用，包括電信［3］、電子政務(wù)［4］、圖書館［5］、電力行業(yè)［6］等。在教育領(lǐng)域，云計(jì)算也得到了國內(nèi)外高校與研究機(jī)構(gòu)的重視，例如為了滿足學(xué)生需求及削減支出，美國華盛頓州立大學(xué)電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院選擇云平臺vSphere4支持云計(jì)算，英國部分院校則采用了Google云服務(wù)；非洲以及中東地區(qū)也利用云計(jì)算技術(shù)來解決資源共享與共建問題［7］。在我國，國家《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020）》提出“建立國家教育云服務(wù)模式”，要充分整合現(xiàn)有資源，采用云計(jì)算技術(shù)，形成資源配置與服務(wù)的集約化發(fā)展途徑，構(gòu)建穩(wěn)定可靠、低成本的國家教育云服務(wù)模式［8］；我國各地區(qū)的高校及企業(yè)也正在展開對云計(jì)算在教育領(lǐng)域的應(yīng)用研究［8-9］。

2　計(jì)算機(jī)學(xué)科實(shí)驗(yàn)云平臺

2.1實(shí)驗(yàn)去平臺架構(gòu)

針對我校計(jì)算機(jī)系學(xué)生分布在三個(gè)校區(qū)，在充分利用現(xiàn)有計(jì)算機(jī)資源的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并搭建了如圖1所示的計(jì)算機(jī)學(xué)科私有實(shí)驗(yàn)云平臺。

在IaaS層面上，該平臺采用曙光DS600-G10專業(yè)存儲體系結(jié)構(gòu)，配置了兩個(gè)存儲控制器，通過冗余設(shè)計(jì)，可以支持在線更換控制器；該存儲結(jié)構(gòu)最大可擴(kuò)展到112塊硬盤，支持分層存儲軟件模塊，在線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分層，通過分層實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)數(shù)據(jù)管理，同時(shí)具有完全在線、無需停機(jī)的擴(kuò)充能力；與該存儲結(jié)構(gòu)配套的系統(tǒng)管理軟件支持集中式GUI管理，并在同一界面上實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，提供冗余和負(fù)載均衡管理。在服務(wù)器配置上，采用了曙光I840r-G專業(yè)服務(wù)器，CPU為兩顆Intel Xeon E7 4820v2 2.0G的八核處理器；與其配套的管理軟件標(biāo)配了增強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)，支持遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)，采用遠(yuǎn)程IP登陸方式進(jìn)行系統(tǒng)管理，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的遠(yuǎn)程IKVM功能，從而在保證用戶能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行有效管理的同時(shí)，也保障了系統(tǒng)安全性。在云終端瘦客戶機(jī)上安裝有教學(xué)專用ST1000云終端，能夠同時(shí)支持Windows和Linux虛擬桌面。該層將內(nèi)存、I/O、存儲及計(jì)算能力整合成一個(gè)虛擬資源池，為各門實(shí)驗(yàn)課及SaaS層面的其他服務(wù)提供了所需存儲及計(jì)算能力。

由于各門課程實(shí)驗(yàn)所基于的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、運(yùn)行環(huán)境及開發(fā)環(huán)境都各有不同，例如數(shù)據(jù)庫實(shí)驗(yàn)需要在 Windows操作系統(tǒng)下基于 SQL Server數(shù)據(jù)庫在VC++6.0下開發(fā)應(yīng)用；操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)基于Linux操作系統(tǒng)；Java程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)需要MySQL數(shù)據(jù)庫和Eclipse開發(fā)環(huán)境等。為了滿足不同課程實(shí)驗(yàn)的需求，在PaaS層面上，該實(shí)驗(yàn)云平臺根據(jù)需要，事先安裝好所需操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、運(yùn)行環(huán)境及開發(fā)環(huán)境平臺，解決了所需軟件重復(fù)安裝、升級困難的問題。此外，該實(shí)驗(yàn)云平臺還提供了專門的GW-v2教學(xué)軟件開發(fā)平臺服務(wù)，利用該服務(wù)，教師可以根據(jù)課程教學(xué)需要，創(chuàng)建出多樣化的教學(xué)軟件。該實(shí)驗(yàn)云平臺除了可以支持多校區(qū)學(xué)生多門課程的實(shí)驗(yàn)外，在該層上還提供了TRNSYS17教育科研瞬時(shí)系統(tǒng)模擬軟件，為科研工作的開展提供強(qiáng)有力的硬件與軟件支持。

圖1　計(jì)算機(jī)學(xué)科實(shí)驗(yàn)云平臺架構(gòu)

在SaaS層面上，該實(shí)驗(yàn)云平臺提供了課程教學(xué)資源管理服務(wù)，教師可以將課程及實(shí)驗(yàn)相關(guān)的學(xué)習(xí)資料上傳到云端，學(xué)生可以從云端下載所需資源。另外，還提供了郵件服務(wù)及其他常用應(yīng)用軟件服務(wù)。通過使用PaaS層的教學(xué)軟件開發(fā)平臺，教師可以開發(fā)所需的教學(xué)軟件，例如仿真實(shí)驗(yàn)軟件、教學(xué)游戲等，并可以將這些軟件部署到云上為學(xué)生提供教學(xué)軟件服務(wù)。

2.2實(shí)驗(yàn)去平臺的優(yōu)點(diǎn)

基于云計(jì)算技術(shù)設(shè)計(jì)構(gòu)建的計(jì)算機(jī)學(xué)科實(shí)驗(yàn)云平臺能夠從以下方面帶來好處：

（1）彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施的陳舊與不足，提高現(xiàn)有資源的利用率。實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)硬件配置的更新速度不能滿足課程實(shí)驗(yàn)所需軟件的安裝要求，通過云計(jì)算虛擬化技術(shù)，可以在不增加新設(shè)備的同時(shí)，充分利用現(xiàn)有設(shè)備，將其作為云平臺基礎(chǔ)設(shè)施，從而提高實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備的利用率，降低經(jīng)濟(jì)成本。

（2）資源的靈活分配與共享。借助云計(jì)算技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)按需分配與調(diào)度計(jì)算資源，實(shí)現(xiàn)資源的靈活分配；同時(shí)，各門實(shí)驗(yàn)使用同一套云基礎(chǔ)設(shè)施，還可以將優(yōu)秀教學(xué)資源及軟件發(fā)布到云端，供所有云用戶使用，從而實(shí)現(xiàn)硬件與軟件兩方面的資源共享。

（3）資源的統(tǒng)一管理與維護(hù)。由于云平臺實(shí)現(xiàn)了對實(shí)驗(yàn)所需硬件與軟件資源的全方面整合，當(dāng)需要對硬件或軟件進(jìn)行更新與維護(hù)時(shí)，能夠統(tǒng)一進(jìn)行。

3　結(jié)語

云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上對所有硬件與軟件的結(jié)合，充分利用各種現(xiàn)有資源，為用戶提供了不同層次與不同需求的服務(wù)。本文針對多校區(qū)學(xué)生在進(jìn)行課程實(shí)驗(yàn)時(shí)存在的實(shí)驗(yàn)平臺不能重復(fù)使用、硬件配置低難以符合實(shí)驗(yàn)軟件安裝要求的問題，基于云計(jì)算技術(shù)，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了計(jì)算機(jī)學(xué)科實(shí)驗(yàn)云平臺。該實(shí)驗(yàn)云平臺從基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺層及應(yīng)用層為教師及學(xué)生提供了硬件及軟件方面的服務(wù)，不僅能夠提高現(xiàn)有計(jì)算機(jī)資源的利用率，而且能夠?qū)崿F(xiàn)資源共享與統(tǒng)一管理，具有良好的應(yīng)用前景。

［1］崔貫勛.基于云計(jì)算技術(shù)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，10，32（10）.

［2］云計(jì)算.搜狗百科.http：//baike.sogou.com/v5259.htm［2015-08-09］.

［3］劉國紅，蘇郁.電信運(yùn)營商的云計(jì)算應(yīng)用研究.移動通信，2009，5（10）.

［4］王妮喃.云計(jì)算在電子政務(wù)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究.中國新通信，2015，6（12）.

［5］韓普，沈思，路高飛.云計(jì)算在國內(nèi)外數(shù)字圖書館中的應(yīng)用及進(jìn)展.現(xiàn)代情報(bào)，第32卷第5期，2012.5.

［6］朱征，顧中堅(jiān)，吳金龍等.云計(jì)算在電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)災(zāi)備業(yè)務(wù)中的應(yīng)用研究.電網(wǎng)技術(shù)，2012-9，36（9）.

［7］黃明燕，蔡祖銳.云計(jì)算教育應(yīng)用研究綜述.軟件導(dǎo)刊（教育技術(shù)），2014，1（1）.

［8］計(jì)世資訊.中國教育行業(yè)云計(jì)算應(yīng)用白皮書.http：//www.ccwresearch.com.cn/white_book_detail.htm？id=17［2015-09-03］.

［9］袁磊，程美，劉丹等.我國云計(jì)算教育應(yīng)用的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究，2011（6）.

Cloud Computing；Experiment Platform Construction；Education Informationization

Research on the Construction of Computer Experiment Cloud Platform for Multi-Campus

YE Na，DONG Li-li，ZHANG Wei-qi，BIAN Gen-qing，HE Qing
（School of Information and Control Engineering，Xi'an University of Architecture and Technology，Xi'an 710055）

1007-1423（2015）31-0038-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.31.010

葉娜（1979-），女，陜西西安人，博士，副教授，研究方向?yàn)橛脩艚?、Web服務(wù)、大數(shù)據(jù)集成

董麗麗（1960-），女，陜西西安人，本科，教授，研究方向?yàn)榉植际较到y(tǒng)、云計(jì)算

張維琪（1969-），男，陜西富平人，碩士，副教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、并行計(jì)算

邊根慶（1968-），男，浙江浦江人，博士研究生，副教授，研究方向?yàn)樵朴?jì)算、大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)存儲安全

何箐（1978-），女，湖南醴陵人，博士研究生，講師，研究方向?yàn)榇髷?shù)據(jù)、軟件演化

2015-10-15

2015-10-26

針對當(dāng)前部分高校計(jì)算機(jī)學(xué)科學(xué)生在多校區(qū)分布、不能有效開展實(shí)驗(yàn)以及計(jì)算機(jī)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室設(shè)備配置更新跟不上實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求的問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)際可用的基于云計(jì)算技術(shù)的多校區(qū)計(jì)算機(jī)學(xué)科實(shí)驗(yàn)云平臺。

云計(jì)算；實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)；教育信息化

西安建筑科技大學(xué)高等教育科學(xué)研究項(xiàng)目 （No.GJ120217）、西安建筑科技大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（No.JG021214）、（No.JG021216）、工程應(yīng)用型計(jì)算機(jī)人才校企聯(lián)合培養(yǎng)模式研究與實(shí)踐（No.JG021117）、西安建筑科技大學(xué)課程建設(shè)項(xiàng)目（No.1608800279）

Aiming at the problems that students in computer science of some universities are distributed in multiple campuses and cannot carry out the experiments effectively and the update of the devices in computer laboratories cannot meet the requirement of the experiments，presents and constructs a practical computer experiment cloud platform for multi-campus.