云計算技術(shù)在高校實驗室中的應(yīng)用研究

姜 涵

（西安石油大學(xué) 計算機學(xué)院，陜西 西安 710065）

1 高校云計算實驗室建設(shè)背景

近幾年，雖然高校的實驗室的管理水平有了長足的進步，但是由于各高校資金配置的比重不同，很多設(shè)備老化嚴(yán)重，技術(shù)更新不及時，造成資源分配不均，實驗室管理人員管理難度較大等問題，同時也給學(xué)生及老師造成了很大的不便。傳統(tǒng)的教學(xué)模式是學(xué)生去機房完成上機實驗，實驗指導(dǎo)老師利用固定的計算機和相關(guān)設(shè)備完成實驗指導(dǎo)，這種模式帶來了極大的管理和維護難度，投入效率比也相當(dāng)?shù)拖?。迫切需要一種新技術(shù)來解決這些問題。云計算是當(dāng)今信息技術(shù)發(fā)展的一個主要方向，一經(jīng)提出就得到人們的追捧，其應(yīng)用領(lǐng)域也得到了較快的發(fā)展，我國高等院校需要建設(shè)專業(yè)的云計算實驗室，尤其是要滿足當(dāng)下學(xué)生需求的實訓(xùn)系統(tǒng)，是一個比較重要和緊迫的工作。

2 目前高校實驗室存在的問題

2.1 硬件設(shè)備易損壞

實驗室的計算機壽命一般在3～5年，但是由于使用頻率高，再加上學(xué)生在做實驗的過程中的一些不當(dāng)操作，計算機的硬件設(shè)備很容易出現(xiàn)故障，必須逐個計算機進行更新和維護，這就給實驗管理人員帶來了很大麻煩，損耗了大量人力物力。

2.2 設(shè)備型號不統(tǒng)一

由于不同機型的計算機壽命不一樣，有的機型過了年限仍在使用，有的機型已經(jīng)更新?lián)Q代，導(dǎo)致實驗室同時存在好幾種型號的計算機。由于目前實驗室的計算機操作系統(tǒng)和教學(xué)軟件采用的是網(wǎng)絡(luò)同傳方式，即在選擇一臺計算機作為母機，在其上安裝教學(xué)所需的系統(tǒng)和軟件，再通過局域網(wǎng)將母機的內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)至各臺計算機。但是由于不同廠家在生產(chǎn)計算機時配備的硬盤保護卡不一樣，所以這種網(wǎng)絡(luò)同傳的方式只能在同一型號的計算機之間進行，實驗管理人員需要進行多次同傳才可以完成整個實驗室計算機系統(tǒng)和軟件的安裝，工作量大，且維護效率低下。

2.3 安全性差

通常情況下，一個實驗室的若干臺計算機同屬于一個局域網(wǎng)，學(xué)生上機實驗有時會頻繁插拔USB接口，有極大的概率將U盤里的病毒傳染給電腦，再通過局域網(wǎng)傳染給其他計算機和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，經(jīng)常出現(xiàn)死機藍屏等問題，導(dǎo)致整個機房癱瘓，影響正常的實驗教學(xué)任務(wù)。

2.4 利用率參差不齊

按照專業(yè)劃分，目前計算機學(xué)院實驗室分為網(wǎng)絡(luò)與接口實驗室，通信工程實驗室，計算機工程實驗室和數(shù)字媒體實驗室。各實驗室所需安裝的教學(xué)系統(tǒng)和軟件也不一樣，比如通信工程實驗室，大部分實驗只需計算機安裝有程序編譯環(huán)境即可，利用率不高。而數(shù)字媒體實驗室絕大部分實驗所需的圖像視頻等處理軟件動輒幾個G的大小，運行起來也極占內(nèi)存。

3 云計算的類型

云計算按照提供的服務(wù)類型大致可分為3種：基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a Service，IaaS）、平臺即服務(wù)（Platform as a Service，PaaS）、軟件即服務(wù)（Software as a Service，SaaS）。其中IaaS應(yīng)用范圍最廣，技術(shù)成熟度最高，適用于高校的實驗室環(huán)境[1]。

IaaS作為云計算架構(gòu)的最底層，利用虛擬化技術(shù)將硬件設(shè)備等基礎(chǔ)資源封裝成服務(wù)供用戶使用，用戶相當(dāng)于在使用裸機，既可以讓它運行Windows，也可以讓它運行Linux，既可以做Web服務(wù)器[1]，也可以做數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。IaaS模式下，云服務(wù)提供者在服務(wù)器虛擬化的基礎(chǔ)上，將計算資源、網(wǎng)絡(luò)資源、存儲資源以組織（或者虛擬數(shù)據(jù)中心）的方式向最終用戶提供，最終用戶可以根據(jù)實際需求申請資源。在使用過程中，還可以對資源進行動態(tài)調(diào)整。

4 云計算平臺的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的服務(wù)器相比，云平臺可以將物理資源虛擬化為虛擬資源池，靈活調(diào)用軟硬件資源，實現(xiàn)對用戶的按需訪問。而且在運行過程中根據(jù)用戶并發(fā)量不同，實現(xiàn)遷移虛擬機資源，一方面保證提供高質(zhì)量服務(wù)，另一方面最小化資源成本，提高CPU、內(nèi)存利用率[2]。

選擇實驗室的美國國際商用機器公司（International Business Machines Corporation，IBM）刀片式服務(wù)器作為云計算管理服務(wù)器，其實現(xiàn)的功能主要功能有以下幾點：云平臺管理、用戶管理、網(wǎng)絡(luò)管理、資源管理、存儲服務(wù)。每個節(jié)點的結(jié)構(gòu)層次由底層到最上層分別是云引擎、虛擬化層、操作系統(tǒng)，如圖1所示。通過服務(wù)器虛擬化，可以將一臺服務(wù)器當(dāng)作N臺服務(wù)器使用，比如一臺性能強大的物理服務(wù)器可以虛擬出多臺虛擬服務(wù)器，這樣對于計算能力要求不高的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)多個系統(tǒng)在一臺物理服務(wù)器上運行而不會相互影響，大大減少了硬件的投資。

云計算的相關(guān)技術(shù)為解決實驗室建設(shè)及管理方面存在的問題提供了有效的解決方案，其具有以下優(yōu)勢。

4.1 可靠性高

云實驗平臺的穩(wěn)定可靠是實驗室正常運行的關(guān)鍵保證，在云實驗設(shè)備設(shè)計中選用高可靠性產(chǎn)品，合理設(shè)計云實驗平臺架構(gòu)，制定可靠的備份策略，保證云實驗平臺有故障自愈的能力，最大限度地支持系統(tǒng)的正常運行[3]。

圖1 云計算管理服務(wù)器結(jié)構(gòu)層次

4.2 標(biāo)準(zhǔn)開放性

支持國際上通用標(biāo)準(zhǔn)的云計算相關(guān)協(xié)議，有利于保證與其他云計算平臺之間的平滑連接互通，以及將來的擴展。

4.3 靈活性及可擴展性

根據(jù)未來業(yè)務(wù)的增長和變化，實驗平臺可平滑地擴充和升級，最大限度地減少對現(xiàn)有實驗平臺的調(diào)整?，F(xiàn)有設(shè)備可以在擴容過程中得到充分利用，從而減少實驗室運行成本。

4.4 可管理性

對實驗平臺集中監(jiān)測、分權(quán)管理，并統(tǒng)一分配資源管理選用先進的云計算管理平臺，具有對實驗室平臺內(nèi)的虛擬資源創(chuàng)建、監(jiān)控、遷移等管理能力。

4.5 虛擬化技術(shù)

云計算是一種服務(wù)，虛擬化和分布式系統(tǒng)都是用來實現(xiàn)云計算的關(guān)鍵技術(shù)。目前所說的虛擬化常用的核心技術(shù)有兩個：服務(wù)器虛擬化和應(yīng)用虛擬化。分布式系統(tǒng)主要用到的核心技術(shù)也有兩個：分布式存儲和分布式計算。

服務(wù)器虛擬化就是在操作系統(tǒng)之間加入了一個中間層，通常叫作Hypervisor層，把操作系統(tǒng)和硬件從邏輯依賴關(guān)系上分離了，即所謂的“解耦合”，操作系統(tǒng)與Hypervisor層通信，Hypervisor層再與硬件進行通信，如圖2所示。

圖2 主機虛擬化示意

5 結(jié)語

隨著高校計算機實驗室使用頻率不斷提高和云桌面技術(shù)的不斷發(fā)展，實驗室云平臺建設(shè)已經(jīng)成為高校信息化建設(shè)的一個重要方向，虛擬化桌面組成的云平臺很大程度上解決了設(shè)備利用率不高、管理繁雜等問題，實現(xiàn)了真正意義上的信息化管理和資源共享，這對以后高校實驗技術(shù)的改進和教學(xué)模式的創(chuàng)新有著重要的意義。

[參考文獻]

[1]梁浴文.高校計算機實驗室云桌面平臺的規(guī)劃及構(gòu)建[J].電腦知識與技術(shù)，2017（17）：128-129.

[2]袁夢雪，朱海燕，李永豪，等.基于OpenStack構(gòu)建高校實驗室云計算管理平臺的實現(xiàn)[J].科技展望，2016（7）：14-15.

[3]陳昌興.高校實驗室信息化的云計算策略與方法[J].實驗技術(shù)與管理，2014（1）：221-224.