高校機房實驗室管理系統(tǒng)云計算技術(shù)應(yīng)用策略

錢俊 楊誼 喻德曠

摘要：為提高機房實驗室教學(xué)效益和資源利用率，提出一種智能、高效和集成的實驗室管理模式。在分析機房實驗室管理需求和問題基礎(chǔ)上，探討機房實驗室管理信息化發(fā)展模式。介紹了實驗室管理中應(yīng)用云計算技術(shù)的策略和實施方法。充分利用云計算技術(shù)，有效整合現(xiàn)有資源，實現(xiàn)資源的池化共享和按需使用，提升資源配置靈活度和利用率，降低維護難度和工作量，實現(xiàn)實驗室管理的信息化升級。

關(guān)鍵詞：高校實驗室;管理模式;云計算技術(shù);資源整合;虛擬化;系統(tǒng)架構(gòu)

Cloud Computing Technology and Strategy of Laboratory

Management System in University Laboratory

QIAN Jun，YANG Yi，YU De?kuang

（Southern Medical University?Biomedical Engineering School， Guangzhou 510515， China）

Abstract：In order to improve teaching efficiency and resource utilization ratio， an intelligent， efficient and integrated laboratory management mode was proposed in this paper. Based on analysis of the needs and problems of laboratory management， this paper discussed the development mode of the information technology of laboratory management， introduced the strategies and implementation methods of the application of cloud computing technology in the laboratory management， and made full use of the cloud computing technology to effectively integrate the existing resources and realize the pool sharing and the use of the resources， to improve the flexibility and utilization of resource allocation， reduce maintenance difficulty and workload， and achieve the target of information upgrading of laboratory management.

Key Words： management model laboratories in universities; cloud computing technology; resource integration; virtualization; system architecture

0?引言

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）對云計算（cloud computing）作出如下定義：一種按使用量付費的模式，提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡(luò)訪問，進入可配置的計算資源共享池，就能獲得網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲的數(shù)據(jù)以及應(yīng)用軟件的功能[1]。云計算經(jīng)過10多年的發(fā)展，已經(jīng)產(chǎn)生了越來越大的影響力，對產(chǎn)業(yè)、學(xué)術(shù)和教育領(lǐng)域帶來巨大改變。利用虛擬化技術(shù)構(gòu)建的云計算平臺， 能夠動態(tài)組織異構(gòu)化計算資源，實現(xiàn)軟硬件解耦，從而靈活構(gòu)建多種計算環(huán)境，滿足用戶的不同需求[2]。云計算技術(shù)的最大特點是資源池化共享和按需使用：大量的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)與軟件資源鏈接在一起，構(gòu)成大規(guī)模資源池，通過服務(wù)的形式向遠程用戶按需交付，用戶可通過電腦、筆記本、手機等多種方式靈活地接入數(shù)據(jù)中心獲取服務(wù)[3]。

隨著網(wǎng)絡(luò)和移動開發(fā)技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的迅速發(fā)展，高校相關(guān)專業(yè)增加了大量新的前沿課程，對于機房實驗室的技術(shù)配置、實驗環(huán)境和使用過程也有了更高的要求。將云計算技術(shù)與機房實驗室信息化管理相結(jié)合，能夠充分、有效地整合資源，提升機房實驗室基礎(chǔ)配置和管理水平，更好地為教學(xué)實驗、學(xué)生課外科研活動及拓展提供學(xué)習(xí)服務(wù)。文獻[4]介紹了我國大部分高校云計算技術(shù)應(yīng)用的3個層次以及各自的功能;文獻[5]介紹了利用Thin Puter OVD 搭建桌面云環(huán)境的建設(shè)方案;文獻[6]實現(xiàn)了基于資源優(yōu)化配置的實驗室管理系統(tǒng);文獻[7] 通過標(biāo)準(zhǔn)的Web瀏覽器提供應(yīng)用程序服務(wù)，介紹了實驗室云平臺的SaaS服務(wù);文獻[8] 設(shè)計了集成互聯(lián)網(wǎng)和云計算、圖像識別、遠程傳感、機器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)的實驗室管理系統(tǒng);文獻[9]介紹了云計算軟件在機房實驗室管理中的應(yīng)用;文獻[10] 分析了實驗室在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的問題;文獻[11]設(shè)計了遠程硬件實踐教學(xué)平臺，文獻[12?19] 分別提出利用特定的虛擬化技術(shù)XenServer、VMWare、Opanstack等建設(shè)虛擬實驗平臺;文獻[20?21] 針對信息安全的特殊需求，提出以私有云為基礎(chǔ)實現(xiàn)信息安全的方法。

已有研究從實驗室建設(shè)和管理角度出發(fā)，闡述了用云計算技術(shù)進行虛擬實驗室建設(shè)的原理，以及相應(yīng)的環(huán)境搭建技術(shù)。對高校實驗室管理現(xiàn)狀與發(fā)展要求進行分析發(fā)現(xiàn)，實踐教學(xué)是一個復(fù)雜的過程，除環(huán)境設(shè)置外，還包括內(nèi)容開發(fā)、教學(xué)過程實施、效果評估等環(huán)節(jié)，因此在借鑒相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)之上，本文總結(jié)出機房實驗室管理的云計算技術(shù)與策略，并介紹了管理平臺的設(shè)計方案、關(guān)鍵技術(shù)、部署實施和服務(wù)于實踐教學(xué)等功能，使之實用性和針對性更強。

1?高校實驗室管理現(xiàn)狀與發(fā)展要求

高校實驗教學(xué)課程種類和門數(shù)較多，機房實驗室使用頻率高，導(dǎo)致設(shè)備故障率較高，需要大量的日常維護和維修。以筆者學(xué)校為例，共有12個公共機房實驗室（每個機房機器數(shù)量為110臺）和23個專業(yè)機房實驗室（機器數(shù)量為20?100不等），設(shè)備類型較多，同一類型設(shè)備的配置也不盡相同，設(shè)備維護、軟件升級和硬件更新的工作量很大。另一方面，計算機、醫(yī)療儀器、實驗裝置等設(shè)備更新?lián)Q代很快，設(shè)備購置成本較高，大部分機房實驗室功能比較單一，只能提供特定的實驗條件，導(dǎo)致利用率不高。

目前許多高校都在加強機房實驗室管理能力，但往往局限于常規(guī)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與維護、單個機房的軟件批量升級，尚未形成資源的按需配置，也沒有實現(xiàn)機房實驗室之間的信息交互、數(shù)據(jù)共享以及工作任務(wù)的合理安排。

充分發(fā)揮高校機房實驗室在教學(xué)和科研上的功能，必須變革人工式的機房實驗室管理舊模式，引入以云計算和虛擬化為代表的新技術(shù)，實現(xiàn)管理自動化、信息化、科學(xué)化，充分發(fā)揮機房實驗室已有功能，在盡量減少設(shè)備更新替換、節(jié)約總開支的前提下，提升平臺水平，開展具有特色的實驗教學(xué)和探索性科學(xué)研究。

2?云計算技術(shù)與策略

2.1?設(shè)計思路

傳統(tǒng)的機房實驗室管理模式對設(shè)備信息等資源利用率低，管理和維護成本高，云計算為解決這些問題提供了一個有效途徑。云計算技術(shù)將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)保存到遠端的云存儲平臺上，處理數(shù)據(jù)的服務(wù)程序在遠程云計算平臺執(zhí)行，應(yīng)用系統(tǒng)建立在服務(wù)器集群上，通過基礎(chǔ)設(shè)施與上層應(yīng)用程序協(xié)同構(gòu)建，以達到最大效率利用硬件資源的目的[4]。遠程云服務(wù)器具有強大的計算和存儲能力，大大減輕了客戶端負(fù)擔(dān)。資源虛擬化技術(shù)將本地設(shè)備擴展成規(guī)模更大、類型更多的虛擬平臺，通過配置實現(xiàn)多種類型的虛擬實驗環(huán)境，增加了用戶使用的靈活度，使機房實驗室負(fù)載得以平衡。

機房實驗室管理中運用云計算技術(shù)主要包括資源池設(shè)計、虛擬化管理、數(shù)據(jù)存儲與共享3方面。

（1）資源池設(shè)計。服務(wù)器是一種具有特定功能的計算機程序，它以一臺計算機作為運行載體，通過網(wǎng)絡(luò)同時為多個用戶提供服務(wù)。單臺計算機的處理能力有限，硬件和軟件故障將直接導(dǎo)致服務(wù)器崩潰、服務(wù)中斷。池化從全新視角進行服務(wù)器資源的管理和分配，采用面向服務(wù)、面向需求的系統(tǒng)資源分配方法整合、改善和優(yōu)化服務(wù)器計算資源：一臺計算機可以提供多個服務(wù)，一個服務(wù)也可由多臺計算機提供;運行于不同計算機上的相同服務(wù)器組成一個虛擬服務(wù)器池，也就是把多臺單機集成為一臺超級服務(wù)器。通過對服務(wù)器池的統(tǒng)一管理和操作，最大限度地利用現(xiàn)有計算資源，實現(xiàn)計算資源的均衡、協(xié)調(diào)分配，具有強大的容錯機制，能提高整體服務(wù)質(zhì)量。實現(xiàn)策略是在服務(wù)器上安裝虛擬化軟件，將服務(wù)器池化。

（2）在資源池基礎(chǔ)上面向用戶終端虛擬化管理。將池化后的虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)、桌面、應(yīng)用等分別組成集群，在虛擬機上進行統(tǒng)一監(jiān)控和管理。利用虛擬桌面管理軟件，采用B/S 架構(gòu)對虛擬化桌面、應(yīng)用虛擬化和服務(wù)器虛擬化3個資源池統(tǒng)一管理，對硬件設(shè)備和虛擬資源集中管理，支持虛擬機的快速部署和策略調(diào)度。

（3）數(shù)據(jù)存儲與共享。數(shù)據(jù)存儲包括向虛擬桌面提供系統(tǒng)空間、數(shù)據(jù)空間和管理空間，各類數(shù)據(jù)（程序、文件、文檔、用戶信息、系統(tǒng)記錄等）都存儲在主存儲器上，在桌面云系統(tǒng)中對這些資源進行調(diào)用，對主存儲器進行安全防護，保證數(shù)據(jù)資源不被盜取或破壞。例如，硬盤是故障率最高的部件之一，在實現(xiàn)多盤存儲資源池后，當(dāng)單個硬盤出現(xiàn)故障時，可及時使用其它硬盤資源進行無損恢復(fù)，無需更換硬盤。數(shù)據(jù)共享則可通過網(wǎng)絡(luò)的各類通信機制，在完成權(quán)限認(rèn)證后進行傳遞、下載。

2.2?設(shè)計方案

機房實驗室管理的云計算技術(shù)體系結(jié)構(gòu)從底層到高層分為基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用平臺和用戶管理3層，它們之間的關(guān)系及與用戶終端的交互功能如表1所示。

該體系結(jié)構(gòu)底層由物理層（Hardware as a Service，HaaS）和資源層（Infrastructure as a Service， Iaas）構(gòu)成。物理層包括服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)及存儲，提供HaaS服務(wù)，基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)（IaaS）或基礎(chǔ)架構(gòu)云。實驗室平臺硬件底層設(shè)施經(jīng)過云化改造之后，由資源池代替實際設(shè)備，通過Web分配更多的存儲或處理容量，比直接在基礎(chǔ)環(huán)境中引入和安裝新硬件要快得多。資源服務(wù)層構(gòu)建在物理層之上，利用虛擬化技術(shù)將底層硬件設(shè)備轉(zhuǎn)化為資源池，由統(tǒng)一的平臺管理，使資源按需分配到虛擬機上。

中層提供業(yè)務(wù)創(chuàng)建應(yīng)用平臺。PaaS（Platform as a service）平臺即服務(wù)是云環(huán)境下的應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施，為部署和運行應(yīng)用系統(tǒng)提供基礎(chǔ)設(shè)施資源，應(yīng)用開發(fā)人員無需關(guān)心底層硬件，并且可根據(jù)應(yīng)用需求動態(tài)擴展應(yīng)用系統(tǒng)所需資源。實驗信息網(wǎng)用戶的信令、協(xié)議以及昂貴的部署平臺等問題都可通過云計算PaaS解決。

高層以軟件即服務(wù)SaaS（Software as a Service）的形式提供多樣化服務(wù)。用戶通過標(biāo)準(zhǔn)的Web瀏覽器使用云計算平臺上的軟件，不需手動管理和部署IT 環(huán)境，支持面向具體應(yīng)用的服務(wù)。數(shù)據(jù)存儲在Haas中，用戶能隨時從云端獲取開發(fā)資源，實現(xiàn)個性化服務(wù)整合和信息聚合。以移動應(yīng)用為例，服務(wù)器通過標(biāo)準(zhǔn)的Web瀏覽器向遠程客戶提供應(yīng)用程序服務(wù)，客戶端可以是普通電腦、手機、iPad等終端，復(fù)雜的功能都在網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)，用戶終端功能大大簡化，免于維護，安全性高。

2.3?關(guān)鍵技術(shù)

基于云計算的機房實驗管理系統(tǒng)涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)有：

（1）虛擬化技術(shù)。虛擬化是指計算機元件在虛擬的基礎(chǔ)上而不是真實的基礎(chǔ)上運行。虛擬化技術(shù)可以擴大硬件容量，簡化軟件重新配置過程。主要有服務(wù)器虛擬化、存儲虛擬化、應(yīng)用虛擬化和桌面虛擬化等[10]。實驗室管理利用云平臺提供的虛擬資源建立各類實驗環(huán)境，應(yīng)用程序在相互獨立的空間內(nèi)運行而互不影響。

（2）SOA（service?oriented architecture）。SOA是面向服務(wù)的架構(gòu)，將應(yīng)用程序的不同功能單元（稱為服務(wù)）通過這些服務(wù)之間定義良好的接口和契約聯(lián)系起來。接口采用中立的方式進行定義，獨立于實現(xiàn)服務(wù)的硬件平臺、操作系統(tǒng)和編程語言。實踐教學(xué)系統(tǒng)包含多個不同類型的服務(wù)，可以統(tǒng)一的方式交互。服務(wù)以SOA 方式組織，既能靈活擴展，又易于開發(fā)實現(xiàn)。

（3）大數(shù)據(jù)處理技術(shù)。大數(shù)據(jù)指體量和類別都十分龐大的數(shù)據(jù)集，例如實驗教學(xué)中產(chǎn)生的大量應(yīng)用數(shù)據(jù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)和行為數(shù)據(jù)，用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫工具管理較困難。云計算技術(shù)在獲取、存儲和處理海量數(shù)據(jù)方面有著獨特優(yōu)勢，一方面在于其聯(lián)網(wǎng)多臺計算機資源，另一方面得益于不斷發(fā)展的深度學(xué)習(xí)技術(shù)，對用戶數(shù)據(jù)的分析、發(fā)現(xiàn)可用于認(rèn)知過程的監(jiān)控和管理，提升學(xué)習(xí)水平、提供精準(zhǔn)輔導(dǎo)等。

（4）安全認(rèn)證。實踐教學(xué)系統(tǒng)要采用適當(dāng)?shù)陌踩夹g(shù)，如加密、認(rèn)證、冗余、備份、審計等，保證服務(wù)的正常提供、硬件設(shè)施的正常運行和云計算軟件系統(tǒng)、用戶數(shù)據(jù)的安全存儲。實踐教學(xué)活動的安全技術(shù)包括登錄、驗證、攻擊防范等。

2.4?構(gòu)建過程

（1）構(gòu)建虛擬化IT 架構(gòu)。利用云桌面技術(shù)為實驗室機房網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器共建若干個資源池，通過B/S 架構(gòu)統(tǒng)一管理，根據(jù)需要動態(tài)創(chuàng)建、刪除、備份虛擬機。

（2）建立管理平臺。后臺管理人員在平臺上對軟硬件環(huán)境進行修改和發(fā)布，就可實現(xiàn)實驗環(huán)境的配置批量更新，也支持單獨的個性化環(huán)境配置，為實踐教學(xué)提供日程安排、人員配置、設(shè)備報修和采購等功能。

（3）部署實驗教學(xué)服務(wù)，建立和維護實驗環(huán)境。利用云桌面根據(jù)不同專業(yè)和用戶需求制作虛擬系統(tǒng)映像。系統(tǒng)創(chuàng)建、發(fā)布或更新都是批量進行的，大大節(jié)約了時間和精力。采用統(tǒng)一的用戶管理界面，用戶通過瀏覽器即可訪問平臺，無需安裝客戶端。

各部分管理如下：教室管理。將客戶端劃分到不同機房或?qū)嶒炇抑校颗_客戶終端可擁有不同的虛擬云桌面，同一場地可開展多種實驗課程。

課表管理。管理者在系統(tǒng)中輸入課表安排，進行課程和場地的平衡安排，在需要調(diào)課時盡量減少對其它課程的干擾。

環(huán)境參數(shù)管理。通過云桌面可創(chuàng)建不同的環(huán)境參數(shù)，適應(yīng)于不同的教學(xué)活動，如課程實驗、課外科研、創(chuàng)新實驗、等級考試等。

安全保障設(shè)置。建議使用多臺服務(wù)器進行管理和數(shù)據(jù)存儲，平時定期做好數(shù)據(jù)庫備份和日志記錄，一旦某臺服務(wù)器失效系統(tǒng)立即將該服務(wù)器上的虛擬機整體遷移至其它正常服務(wù)器上，不會中斷用戶操作，避免了信息丟失。

效率與負(fù)載均衡。在大量用戶同時使用時，通過筆者研發(fā)的改進粒子群智能選擇算法，收集監(jiān)控各計算節(jié)點的動態(tài)信息，如CPU 占用率、內(nèi)存占用率和虛擬機個數(shù)、進程切換頻度等信息，在服務(wù)器之間進行負(fù)載調(diào)整，保證用戶操作具有良好的體驗。

4?結(jié)語

云計算是一種靈活的資源提供方式，充分了解和認(rèn)識云計算技術(shù)，構(gòu)建基于云計算的虛擬化實驗環(huán)境，能極大提高機房資源利用效率，方便實驗室管理。本文應(yīng)用云計算技術(shù)建立虛擬實驗室，在云平臺中開發(fā)、部署實踐教學(xué)服務(wù)。介紹了管理系統(tǒng)架構(gòu)，云計算技術(shù)與策略，管理平臺的設(shè)計方案、關(guān)鍵技術(shù)、部署實施和服務(wù)于實踐教學(xué)的功能，包括實踐環(huán)境的配置、數(shù)據(jù)存儲交互、日程安排，解決了傳統(tǒng)安裝配置的復(fù)雜性及低效率。在云計算技術(shù)支持下，機房實驗室管理平臺能更加靈活地提供實驗環(huán)境和資源，方便師生的實驗教學(xué)和科研活動。教師還可使用網(wǎng)絡(luò)積累的學(xué)生行為數(shù)據(jù)，做好過程管理與精準(zhǔn)輔導(dǎo)工作。

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