基于 “互聯(lián)網(wǎng)＋”的實驗室建設模式研究

洪文圳，藍新波

(廣東農(nóng)工商職業(yè)技術學院 計算機系，廣東 廣州 510507)

在2012年11月第五屆移動互聯(lián)網(wǎng)博覽會上“互聯(lián)網(wǎng)＋”的概念被首次提出，簡單地說，“互聯(lián)網(wǎng)＋”是指利用移動互聯(lián)技術、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等信息通信技術與各種傳統(tǒng)的行業(yè)進行深度融合，為各個行業(yè)的改革、創(chuàng)新和發(fā)展提供廣闊的網(wǎng)絡平臺[1]。通過互聯(lián)網(wǎng)平臺和多種新技術的應用，為高校的計算機實驗室建設與管理帶來新的思考，“互聯(lián)網(wǎng)＋”的有關技術和平臺對實驗室的建設與管理有著極大的幫助，為實驗室的建設模式和管理方法的創(chuàng)新帶來了啟發(fā)。研究如何將 “互聯(lián)網(wǎng)＋”與實驗室建設相結合，解決長期以來實驗室建設中存在的問題，促進實驗室的建設與發(fā)展是當前高校實驗室建設研究領域中的一項重要課題[2－3]。

1 實驗室建設現(xiàn)狀分析

1.1 實驗資源的使用受場地限制

目前高校實驗課程需要的IT資源都是在學校實驗室里獲得，在實驗室以外進行的實驗教學卻難以得到所需的全部IT資源。一些課程和部分課程的實驗或?qū)嶒灢僮鞑糠中枰趯W校實驗室以外的環(huán)境進行，并借助校內(nèi)的IT資源才能較好地完成。如一些農(nóng)作物的課程、工廠車間操作和戶外綜合布線等，由于IT資源無法移動使用，老師和學生使用的個人計算機難以與實驗提供的計算服務連接，影響了實驗效果或阻礙了部分實驗項目的開發(fā)實現(xiàn)。

1.2 實驗結果難以保存

當前的實驗室計算機系統(tǒng)管理存在3種方式。第一種是完全開放，用戶獲得管理員權限，可以任意添加刪除數(shù)據(jù)、更改系統(tǒng)參數(shù)和存儲數(shù)據(jù)。第二種是使用保護軟件或保護卡完全保護計算機系統(tǒng)，計算機一旦重新啟動，所有數(shù)據(jù)及操作結果都被清零。這兩種方式都難以保存實驗數(shù)據(jù)和操作結果。第三種是采用前面兩種相結合的方法，采取保護系統(tǒng)分區(qū)開放數(shù)據(jù)存放分區(qū)。第一種方式過于開放，每個用戶都能對系統(tǒng)和軟件進行操作，容易使計算機系統(tǒng)感染病毒或因誤操作而刪除數(shù)據(jù)、破壞實驗結果。第二種方式過于保護，雖然能夠有效保護計算機系統(tǒng)和軟件，但是無法存儲實驗數(shù)據(jù)和結果。第三種方式雖然考慮了系統(tǒng)的保護和用戶數(shù)據(jù)的保存，但是由于計算機是公用的，數(shù)據(jù)分區(qū)非常容易受到病毒的感染，造成實驗數(shù)據(jù)和結果的丟失或損壞。實驗結果難以保存造成了綜合型、多學時的實驗項目難以開展，或使后續(xù)的實驗課程需要進行重復的數(shù)據(jù)積累和重復操作。

1.3 用戶需求與設備更新的矛盾加大

隨著IT技術的快速發(fā)展，現(xiàn)在的軟件開發(fā)更新?lián)Q代周期大大縮短，造成了高校用戶需要的應用軟件和操作系統(tǒng)版本更新過快。新軟件對計算機的性能要求也越來越高，現(xiàn)有實驗室的計算機和服務器等硬件難以適應。實驗室的計算機設備使用2～3年就會出現(xiàn)被淘汰的現(xiàn)象，硬件性能達不到新版本軟件的要求，但是設備的報廢周期卻還沒有達到。這種情況造成大量的設備閑置，卻又難以滿足實驗教學的需要，嚴重影響實驗、教學和科研等活動的開展。隨著實驗教學改革和發(fā)展，這種用戶需求與設備更新的矛盾將日益加大。

1.4 實驗室重復建設，難以資源共享

目前的高校實驗室管理模式不管是采用集中式管理，或是集中—分散式管理，還是分散式管理都會出現(xiàn)實驗室重復建設的現(xiàn)象[4－7]。如在校級管理下建設的計算機類專業(yè)、教研室管理下建設的計算機類專業(yè)、與計算機相關的專業(yè)建設、需要計算機設備輔助的專業(yè)建設，這些建設都有一個共同的特點就是需要購置大量的新設備和軟件，投入大量的資金建設功能相似或相同的實驗室。由于現(xiàn)有的管理模式導致這些軟硬件資源只會被自己的專業(yè)或院系使用，不同專業(yè)和院系間難以實現(xiàn)共享，出現(xiàn)了不同部門建設相同類型的實驗室，造成了重復建設和資源浪費的現(xiàn)象。

1.5 設備利用率低，管理維護量大

高校每年花費在實驗室的計算機設備更新的費用多達數(shù)十萬，實驗室的建設數(shù)量正在不斷增加，然而這些實驗室卻只用于某個專業(yè)或是某些課程，造成實驗室使用率低，設備利用率低。同時，隨著課程的增加，授課模式的改變，理實一體化的教學力度加大，這些為實驗室的管理維護帶來了巨大挑戰(zhàn)。隨著實驗室數(shù)量增加，需要更多的人員去管理維護，在人手不足的情況下顯得工作壓力越來越大。需要的軟件和平臺也不同，安全管理的難度日益增大，如防范病毒、系統(tǒng)更新和數(shù)據(jù)保護等，實驗員疲于各種系統(tǒng)和軟件的安裝與維護，工作量大且效率低。

2 基于 “互聯(lián)網(wǎng)＋”的實驗室建設方案

通過以上的實驗室建設現(xiàn)狀分析，結合了參考文獻[8－9]中提出的移動式學習系統(tǒng)的設計，參考文獻[10]提出的基于云計算為核心的實驗室建設思想和參考文獻[11－12]提出的基于Android的實驗室管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)進行研究。在原有的實驗室建設基礎上，本文提出了一個基于 “互聯(lián)網(wǎng)＋”的實驗室管理平臺的建設方案，幫助實驗室進行升級改造，以促進實驗室的現(xiàn)代化建設。方案的具體設計和開發(fā)如下。

2.1 實驗室管理平臺架構設計

基于 “互聯(lián)網(wǎng)＋”的實驗室管理平臺的建設方案設計如圖1所示，整個實驗室的建設框架結構采用三層結構設計。

圖1 基于 “互聯(lián)網(wǎng)＋”的實驗室管理平臺架構設計

第一層為系統(tǒng)平臺，這一層主要是采用云計算產(chǎn)品搭建一個實驗實訓中心的私有云環(huán)境。針對目前主流的云產(chǎn)品如 VMware、Eucalyptus、OpenStack等性價比考慮，結合實驗室建設投入資金的預算選擇購買或利用開源云進行二次開發(fā)。

第二層為系統(tǒng)資源，這一層主要是在系統(tǒng)平臺的基礎上部署虛擬桌面、服務器虛擬化和Web-Service。虛擬桌面主要用于每間實驗室的網(wǎng)絡終端或計算機使用，根據(jù)實驗的要求、實驗教學的需要和管理工作的需要進行桌面系統(tǒng)和應用軟件的安裝，為老師、學生和實驗員提供工作桌面環(huán)境和計算服務[13]。服務器虛擬化是根據(jù)實驗室管理系統(tǒng)集成的需要對服務器進行虛擬化，如實驗室排課系統(tǒng)、固定資產(chǎn)管理、實驗室開放服務系統(tǒng)、科研管理系統(tǒng)等管理軟件安裝部署需要的服務器虛擬化，存儲管理各種系統(tǒng)的交互界面和后臺數(shù)據(jù)庫。利用虛擬的服務器進行WebService服務發(fā)布、注冊和管理。WebService是組建各種自主開發(fā)或二次開發(fā)的實驗室管理系統(tǒng)的功能組件，用于實現(xiàn)各個系統(tǒng)的業(yè)務邏輯功能。

第三層是用戶連接平臺的訪問接口，這層提供了Web、VNC、遠程桌面連接和Android多種客戶端連接程序，便于用戶登錄訪問。用戶不管是在實驗室、機房的計算機設備上，還是在互聯(lián)網(wǎng)終端設備上，都可通過VNC、遠程桌面和Web等工具連接到管理平臺的虛擬桌面和虛擬服務器，獲取所需的計算服務、實驗教學和管理系統(tǒng)。實驗員可以利用移動客戶端連接實驗管理平臺開展實驗室的日常管理工作和機房維護。

2.2 實驗室管理平臺開發(fā)

從節(jié)約研發(fā)經(jīng)費的角度出發(fā)，本文采用開源的Eucalyptus系統(tǒng)、KVM虛擬化技術、WebService和移動互聯(lián)技術相結合進行實驗室管理平臺開發(fā)，具體步驟如下。

1)云平臺搭建。對已有的實驗室服務器進行重新規(guī)劃設計，利用Eucalyptus系統(tǒng)的單集群多節(jié)點的架構模式進行云平臺的安裝部署[14]。核心服務器需要安裝云控制器、Walrus模塊、cluster controller模塊、strorage controller模塊和EC2 API and AMI管理工具。在接入點服務器上安裝Node節(jié)點、bridge－util、 kvm 和 openssh－server等軟件包。在云中心創(chuàng)建用戶訪問需要的秘鑰，配置登錄系統(tǒng)的安全證書和啟用安全認證服務。利用KVM技術在Eucalyptus系統(tǒng)上創(chuàng)建虛擬鏡像文件并上傳到系統(tǒng)，上傳成功后啟動虛擬實例，如圖2所示。虛擬機的創(chuàng)建可以根據(jù)課程實驗的要求和實驗室用戶工作的需要進行批量部署和應用?？梢愿鶕?jù)需要為用戶分別創(chuàng)建部署虛擬桌面和虛擬服務器，利用虛擬服務器安裝實驗室管理軟件，配置云存儲器等。

圖2 Eucalyptus云虛擬實例運行情況

2)網(wǎng)絡終端部署。為了節(jié)約網(wǎng)絡終端的硬件開發(fā)成本，利用目前實驗室已有的計算機作為終端設備接入實驗室管理平臺。每臺終端的計算機上需要安裝MobaXterm軟件，并通過VNC程序設置連接到虛擬實例 (即虛擬桌面或虛擬服務器)的IP地址和端口號等參數(shù)。用戶啟動遠程桌面程序，使用實驗室云平臺分配的賬號和密碼登錄自己虛擬的實例，如圖3所示。用戶通過云平臺的安全認證后可以登錄自己的虛擬桌面，實現(xiàn)對IT資源的獲取。

圖3 連接虛擬服務器

3)實驗室管理系統(tǒng)開發(fā)。系統(tǒng)采用面向服務架構理念和面向?qū)ο笤O計思想相結合，根據(jù)實驗室日常管理的業(yè)務內(nèi)容進行抽象化設計[15]。利用VS.NET工具將實驗室開放預約服務、實驗室排課服務和實驗員工作日志管理服務等業(yè)務邏輯進行開發(fā)，并封裝成多個WebServices類，并發(fā)布到虛擬服務器上組建實驗室管理系統(tǒng)。

4)利用移動互聯(lián)的Android技術開發(fā)實驗室管理系統(tǒng)的移動客戶端軟件，客戶端程序通過訪問虛擬服務器，并調(diào)用實驗室管理的各種業(yè)務邏輯的WebServices服務，實現(xiàn)了課表查詢、工作日志管理、實驗室開放預約審核和設備檢查等業(yè)務操作，如圖4所示。客戶端軟件實現(xiàn)實驗員通過手機或平板電腦設備可以隨時訪問實驗室管理系統(tǒng)，能夠移動式地使用實驗室管理系統(tǒng)完成各項日常業(yè)務。

圖4 實驗室管理系統(tǒng)的移動客戶端

3 基于 “互聯(lián)網(wǎng)＋”的實驗室建設意義

3.1 降低實驗室的建設與維護費用

每年實驗室在電腦設備更新和維護方面需要花費大量的經(jīng)費，費用多達數(shù)十萬，投入成本高。由于實驗室計算機數(shù)量眾多，計算機使用周期縮短，總體的更新費用非常巨大，且舊機器基本不能再使用，只能報廢淘汰，形成浪費。采用 “互聯(lián)網(wǎng)＋”的虛擬化技術和Android技術將使得實驗教學的設備“瘦”起來，只需要使用顯示屏、鼠標和鍵盤等輸入輸出設備，主要的計算在服務器端完成。實驗室終端設備對性能的要求極低，實驗室升級或改造無需不斷更新終端設備，將節(jié)約大量經(jīng)費。在實驗室建設方面只需考慮接入的終端設備的投入費用，避免購買大批的整機設備造成重復建設。

3.2 提升實驗室的管理水平

“互聯(lián)網(wǎng)＋”的Android移動互聯(lián)技術和Web開發(fā)技術讓傳統(tǒng)的管理方式變得更加靈活方便，將原來的工作環(huán)境移植到手機或平板電腦等移動設備上，使實驗員的管理工作變得更加方便快捷，可隨時隨地處理日常業(yè)務。在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，教師、學生和實驗員可利用這個平臺開展實驗室教學、學習和科研等活動。應用 “互聯(lián)網(wǎng)＋”技術實現(xiàn)的面向服務的實驗室管理系統(tǒng)可適應實驗室管理中不斷變化的業(yè)務需求，方便系統(tǒng)升級維護，有助于提升實驗室的信息化建設程度和解決信息孤島問題。

3.3 有利于實現(xiàn)移動實驗實訓教學

基于 “互聯(lián)網(wǎng)＋”的云計算技術，教師、學生和工作人員等用戶通過移動設備的瀏覽器和遠程桌面程序來向云計算中心端獲取所需的IT資源和計算工具。因此，所開設的實驗課程不會受到場地的約束而難以使用所需的IT資源。通過無線網(wǎng)絡、蜂窩數(shù)據(jù)等網(wǎng)絡連接方式連接到實驗中心，可將實驗內(nèi)容放到生產(chǎn)車間和田間地頭。這不僅有助于提高實驗教學效果，還將大大改變現(xiàn)有的學習模式。

3.4 實現(xiàn)實驗教學的可持續(xù)性

在 “互聯(lián)網(wǎng)＋”平臺，用戶的桌面工作環(huán)境是具有個性化和開放性的，可以根據(jù)需求，隨時對自己的系統(tǒng)和應用軟件進行添加、修改、更新和刪除，并且能夠存儲實驗結果和實驗環(huán)境，保障實驗教學的可持續(xù)性。一旦發(fā)生用戶的實驗室系統(tǒng)崩潰，可以利用原有虛擬鏡像文件快速重建系統(tǒng)和應用軟件，并從存儲服務器上重新讀取已經(jīng)保存的實驗數(shù)據(jù)，及時解決實驗中出現(xiàn)的故障。

3.5 提高資源的利用率和設備的兼容性

利用 “互聯(lián)網(wǎng)＋”的云計算虛擬化技術可將不同類型和型號的計算機和服務器進行虛擬化，并將其加入到虛擬池中一起工作，實現(xiàn)良好的兼容性，延長已有設備的使用期限和提高利用率。對于軟件，通過鏡像實例的方式保存在云端，將有效地降低升級、打補丁等工作的費用和時間。對于多個實驗室計算機的批量安裝問題，利用云計算虛擬化技術的軟硬分離特點，可提高實驗室計算機軟件批量安裝的效率，解決按型號分批安裝的麻煩，克服軟硬件的兼容問題。

3.6 實現(xiàn)資源共享和提供決策數(shù)據(jù)

利用 “互聯(lián)網(wǎng)＋”的云計算、虛擬化技術建設的實驗云平臺可實現(xiàn)不同院系間的計算資源共享，對不同院系間使用相同的教學軟件或系統(tǒng)時可利用同一個虛擬鏡像文件進行部署實例化，避免了重復購買計算機設備和重復安裝軟件系統(tǒng)，節(jié)約了人力物力。利用云平臺的大數(shù)據(jù)處理，可以為示范院校建設、專業(yè)建設、專業(yè)評比和課程建設提供大量的、多種多樣的支撐數(shù)據(jù)，服務高校的建設發(fā)展。

4 結束語

本文對 “互聯(lián)網(wǎng)＋”的概念及其組合公式進行學習和研究，分析了目前高校實驗室建設中存在的問題，將 “互聯(lián)網(wǎng)＋”的模式與高校實驗室的建設與管理進行了聯(lián)系。利用開源軟件開發(fā)了一套基于 “互聯(lián)網(wǎng)＋”的實驗室管理平臺，并進行了部署測試。在實驗測試中體驗到 “互聯(lián)網(wǎng)＋”的各種技術與實驗室的建設和管理相結合的優(yōu)勢，能有效幫助實驗室解決傳統(tǒng)管理模式中存在的一系列問題和實驗教學中存在的一些難題。目前只是采用部分課程、實驗室和實驗室管理軟件模塊進行模擬的、初步的和小范圍的實驗測試，今后將通過購置升級服務器設備、存儲設備和優(yōu)化網(wǎng)絡結構逐步完善基于 “互聯(lián)網(wǎng)＋”的實驗室管理平臺，實現(xiàn) “互聯(lián)網(wǎng)＋”與實驗室建設的完全融合，促進實驗教學的改革和發(fā)展。

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