基于SAAS模式的高校實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)設(shè)計(jì)

王智慧 賈利敏 喬德軍

摘要：高校實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)是基于SAAS模式設(shè)計(jì)，采用分布式計(jì)算集成了計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，支持網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的共享與調(diào)用，實(shí)現(xiàn)校園網(wǎng)內(nèi)服務(wù)。平臺(tái)具有開(kāi)放性、即時(shí)性和易操作性，能為師生提供在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)服務(wù)，并具備完成教學(xué)資源云調(diào)用的能力。該平臺(tái)的建立實(shí)現(xiàn)了高校實(shí)驗(yàn)室優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的校內(nèi)共享，為探索計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室的未來(lái)發(fā)展做有益的嘗試。

關(guān)鍵詞：SAAS；云計(jì)算；虛擬仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）07-0023-02

1 概述

隨著地方本科應(yīng)用型大學(xué)的建設(shè)和發(fā)展需求，專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)和學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)也越來(lái)越受到學(xué)校重視。一般高校專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)多基于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地限制，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容依賴(lài)于實(shí)驗(yàn)設(shè)備，課程建設(shè)和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)只滿足個(gè)別專(zhuān)業(yè)或者個(gè)別課程的需求，設(shè)備的利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到建設(shè)要求。

SAAS（Software-as-a-Service軟件即服務(wù)）是在 21 世紀(jì)開(kāi)始興起的一種完全創(chuàng)新的軟件應(yīng)用模式。隨著SAAS模式的興起，實(shí)驗(yàn)環(huán)境建設(shè)的靈活性以及數(shù)字化的建設(shè)模式也逐漸受到更多高校的青睞。高校教學(xué)資源云平臺(tái)的開(kāi)發(fā)是實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建從單任務(wù)系統(tǒng)向多終端虛擬仿真系統(tǒng)發(fā)展的技術(shù)進(jìn)化，實(shí)現(xiàn)以IT在線實(shí)訓(xùn)為核心，通過(guò)完整的虛擬環(huán)境搭建，系統(tǒng)的技術(shù)課程，讓學(xué)生在真實(shí)的環(huán)境中進(jìn)行學(xué)習(xí)與實(shí)踐。通過(guò)計(jì)算、通信與物理系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)，可提供校內(nèi)實(shí)驗(yàn)資源的云共享，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠、高效，結(jié)合專(zhuān)業(yè)建設(shè)、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室、實(shí)習(xí)就業(yè)等線下教學(xué)模塊，構(gòu)建以人為本的O2O實(shí)踐教學(xué)新模式，為應(yīng)用型人才培養(yǎng)的探索與改革，做出了有益的嘗試。

基于SaaS模式的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)目的是為專(zhuān)業(yè)教學(xué)而服務(wù)，實(shí)現(xiàn)線上線下有機(jī)融合的三位一體教育解決方案，有效地解決地方本科院校在培養(yǎng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型、復(fù)合型人才的瓶頸問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)實(shí)現(xiàn)以IT在線實(shí)訓(xùn)為核心，通過(guò)完整的虛擬環(huán)境搭建，系統(tǒng)的技術(shù)課程，讓學(xué)生在真實(shí)的環(huán)境中進(jìn)行學(xué)習(xí)與實(shí)踐。

2 平臺(tái)的設(shè)計(jì)模式及系統(tǒng)架構(gòu)

Saas是通過(guò)Internet提供軟件的模式，服務(wù)商將應(yīng)用軟件統(tǒng)一部署在自己的服務(wù)器上，客戶可以根據(jù)自己實(shí)際需求，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)商定購(gòu)所需的應(yīng)用軟件服務(wù)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲得服務(wù)商所提供的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)服務(wù)。用戶不需購(gòu)買(mǎi)軟件，改向服務(wù)商租用基于Web的定制軟件，既能保證日常業(yè)務(wù)需求，且無(wú)需對(duì)軟件進(jìn)行日常維護(hù)。

開(kāi)放實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)的使用是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力不可缺少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是提高學(xué)生綜合素質(zhì)與能力的重要方面。用戶對(duì)它進(jìn)行的操作是通過(guò)應(yīng)用程序進(jìn)行訪問(wèn)和使用其資源，開(kāi)放實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)不僅能為用戶提供共享實(shí)驗(yàn)環(huán)境與資源，還可以降低用戶費(fèi)用，給用戶提供多方面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，高效快捷。開(kāi)放實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通信鏈路的傳輸調(diào)用實(shí)際設(shè)備的運(yùn)行，所有數(shù)據(jù)都是在真實(shí)設(shè)備運(yùn)行情況下得到的，實(shí)現(xiàn)效果真實(shí)可靠。開(kāi)放實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)資源的使用還可以解決普通實(shí)驗(yàn)室使用時(shí)間與地點(diǎn)方面受限的沖突，以及環(huán)境相互干擾造成的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確問(wèn)題。

平臺(tái)采用C/S （即Client/Server結(jié)構(gòu)）的兩層結(jié)構(gòu)，第一層是在客戶機(jī)系統(tǒng)上結(jié)合了表示與業(yè)務(wù)邏輯，第二層是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。此結(jié)構(gòu)可充分利用兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，將任務(wù)合理分配到Client端和Server端來(lái)實(shí)現(xiàn)，降低了系統(tǒng)的通信。Client程序的任務(wù)是在Web頁(yè)面上調(diào)用輸入數(shù)據(jù)，并向Server程序發(fā)出請(qǐng)求；Server程序接收到客戶程序提出的服務(wù)請(qǐng)求后，進(jìn)行相應(yīng)的處理；再將Server程序根據(jù)預(yù)定的規(guī)則作出應(yīng)答，通過(guò)通信鏈路以特定的形式顯示給用戶。

依據(jù)SaaS的模式理念，借鑒市場(chǎng)主流公司SaaS軟件成熟度的思想，設(shè)計(jì)并完成了開(kāi)放實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)，通過(guò)云平臺(tái)的使用，使高校學(xué)生能在專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程等學(xué)習(xí)方面更為實(shí)用方便，實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)的教學(xué)資源共享。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的傳輸層利用SOAP協(xié)議，通過(guò)Web Service技術(shù)，在XML的支持下，保證信息的準(zhǔn)確解析和傳遞。通過(guò)服務(wù)數(shù)據(jù)的封裝調(diào)度，根據(jù)高校的具體情況，高校用戶可通過(guò)參數(shù)傳遞應(yīng)用、自定制的控件和連接器技術(shù)，對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行擴(kuò)展，集成個(gè)性化需求服務(wù)，形成滿足各角色用戶需求的應(yīng)用服務(wù)；對(duì)SaaS應(yīng)用系統(tǒng)的多用戶同時(shí)在線運(yùn)行，進(jìn)行負(fù)載均衡，滿足及時(shí)響應(yīng)用戶的要求。同時(shí)對(duì)所有用戶的用戶界面（User Interface）和應(yīng)用數(shù)據(jù)通過(guò)授權(quán)等方式進(jìn)行隔離，以保證平臺(tái)使用的安全度和滿意度。

技術(shù)服務(wù)層，通過(guò)對(duì)用戶服務(wù)的描述、發(fā)現(xiàn)、談判、傳輸、合成等功能的調(diào)用，將高校資源云平臺(tái)所提供的SaaS模式，與校內(nèi)用戶緊密聯(lián)系起來(lái)。

平臺(tái)采用的任務(wù)部署，與動(dòng)態(tài)服務(wù)器頁(yè)面的軟件服務(wù)部署方式有所不同，SaaS模式下的軟件服務(wù)可安裝在ISP（網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商）的位于Internet上的服務(wù)器，也可在校內(nèi)的服務(wù)器上，通過(guò)Web Service和應(yīng)用程序編程接口與服務(wù)技術(shù)層相連接。

數(shù)據(jù)及服務(wù)管理層，采用共享數(shù)據(jù)庫(kù)，隔離數(shù)據(jù)架構(gòu)的方式，即所有用戶的數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)在同一套數(shù)據(jù)庫(kù)中的不同的數(shù)據(jù)表集中，每個(gè)用戶擁有不同的數(shù)據(jù)模型，保證用戶數(shù)據(jù)安全。對(duì)平臺(tái)的管理采用與動(dòng)態(tài)服務(wù)器頁(yè)面相類(lèi)是的集中管理系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)高校實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)進(jìn)行管理。

3 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

本設(shè)計(jì)是基于KVM虛擬化的實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，平臺(tái)建設(shè)主要分為兩個(gè)模塊，即Web前端頁(yè)面模塊和實(shí)驗(yàn)服務(wù)器模塊。Web前端模塊包括實(shí)驗(yàn)的分類(lèi)，名稱(chēng)，操作教程，主要是通過(guò)使用HBuilder實(shí)現(xiàn)html5對(duì)教學(xué)平臺(tái)的UI設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)服務(wù)器模塊主要在虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建，根據(jù)教學(xué)的具體實(shí)驗(yàn)情況、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，借助于Vmware Workstation和noVnc完成云平的實(shí)驗(yàn)服務(wù)器部署。在兩個(gè)主要模塊完成后，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源在云平臺(tái)上的建設(shè)和基于Web的調(diào)用，從而達(dá)到平臺(tái)設(shè)計(jì)目的。

KVM 交換機(jī)通過(guò)直接連接鍵盤(pán)、視頻和鼠標(biāo) （KVM） 端口，使用戶能夠訪問(wèn)和控制計(jì)算機(jī)。KVM 技術(shù)無(wú)需目標(biāo)服務(wù)器修改軟件，可以在 Windows 的 BIOS 環(huán)境下，隨時(shí)訪問(wèn)目標(biāo)計(jì)算機(jī)，而且KVM所能 提供的是主板級(jí)別訪問(wèn)，支持多平臺(tái)服務(wù)器和串行設(shè)備。KVM 技術(shù)目前可以從kvm 客戶端管理軟件輕松的直接訪問(wèn)位于多個(gè)遠(yuǎn)程位置的服務(wù)器和設(shè)備，其中KVM over IP 解決方案具備完善的多地點(diǎn)故障轉(zhuǎn)移功能、符合新服務(wù)器管理標(biāo)準(zhǔn) （IPMI） 的直接界面，能夠?qū)崿F(xiàn)本地存儲(chǔ)媒體映射至遠(yuǎn)程位置的功能。

平臺(tái)設(shè)施前期需要將實(shí)驗(yàn)所需的環(huán)境集成到遠(yuǎn)端服務(wù)器上，即搭建一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。用戶通過(guò)web瀏覽器在前端模塊中實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)服務(wù)器的訪問(wèn)和控制，可以在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中提高教學(xué)資源的利用率，減少較為繁瑣的實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備，可高效完成相關(guān)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。訪問(wèn)平臺(tái)的系統(tǒng)需要在計(jì)算機(jī)端裝有瀏覽器即可，計(jì)算機(jī)內(nèi)存至少為2G，學(xué)校教學(xué)使用的電腦或個(gè)人筆記本一般都可以滿足要求。對(duì)于軟件技術(shù)要求，現(xiàn)在的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言已非常成熟，要運(yùn)用HTML樣式，圖形圖像制作工具來(lái)制作網(wǎng)頁(yè)，而且Vmware Workstation的功能已經(jīng)非常的強(qiáng)大，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

NoVNC 是基于 HTML5 VNC的 客戶端，采用 HTML 5 WebSockets， Canvas 和 JavaScript 實(shí)現(xiàn)，noVNC 被普遍用在各個(gè)云計(jì)算、虛擬機(jī)控制面板中。 noVNC 采用 WebSockets 實(shí)現(xiàn)，如VNC 服務(wù)器不支持 WebSockets，可以設(shè)置代理完成WebSockets 和 TCP sockets 之間的轉(zhuǎn)換，代理的設(shè)置在 noVNC 的目錄里，名稱(chēng)為 websockify。通過(guò)websockify的設(shè)置，可解決 noVNC不能直接連接 VNC 服務(wù)器的問(wèn)題。

云平臺(tái)的服務(wù)由ISP通過(guò)Web，7*24全天候高校用戶提供軟件服務(wù)和技術(shù)指導(dǎo)，可及時(shí)根據(jù)用戶的反饋信息，對(duì)SaaS應(yīng)用服務(wù)情況進(jìn)行升級(jí)，滿足絕大多數(shù)用戶的需求。這種方法可解決高校信息化建設(shè)資金、技術(shù)不足的問(wèn)題，能夠?yàn)檫M(jìn)一步推進(jìn)地方高校教育信息化建設(shè)開(kāi)拓思路。在將來(lái)的平臺(tái)建設(shè)過(guò)程中，用戶也可根據(jù)實(shí)際使用情況，靈活啟用和暫停SaaS服務(wù)，服務(wù)的收費(fèi)方式風(fēng)險(xiǎn)較小。

云平臺(tái)的使用與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室對(duì)比，有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：

1）節(jié)省成本

在教學(xué)過(guò)程中，由于設(shè)備、場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)等硬件的限制，許多實(shí)驗(yàn)可能無(wú)法實(shí)際開(kāi)展，比如大規(guī)模組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，利用開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)，可以克服這些條件限制，學(xué)生足不出戶就能做相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，得到與真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣的結(jié)果。將平臺(tái)大數(shù)據(jù)的工作負(fù)載移到云中，僅在需要做實(shí)驗(yàn)時(shí)，才會(huì)調(diào)用教學(xué)資源，進(jìn)行資源配置。通過(guò)實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)的部署，既能保證教學(xué)效果，在基礎(chǔ)物理設(shè)施和系統(tǒng)管理方面也能夠節(jié)約更多的成本。

2）規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)

有些實(shí)驗(yàn)，比如《網(wǎng)絡(luò)與信息安全》中的攻防實(shí)驗(yàn)，如果真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作往往會(huì)帶來(lái)預(yù)想不到的宕機(jī)或不可逆的結(jié)果，在云平臺(tái)上進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)環(huán)境中，可以放心地去做危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)、極端場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)，可以降低風(fēng)險(xiǎn)與損失。利用實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模綜合型、危險(xiǎn)、不可逆類(lèi)型實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)和管理。

3）打破空間、時(shí)間的限制

云平臺(tái)也可以解決普通實(shí)驗(yàn)室使用時(shí)間與地點(diǎn)方面的沖突，以及對(duì)環(huán)境相互隔離避免實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的大規(guī)模共享以及實(shí)驗(yàn)的大數(shù)據(jù)分析。利用開(kāi)放實(shí)驗(yàn)云平臺(tái)可以打破時(shí)間與空間的部分限制。

4 結(jié)束語(yǔ)

SaaS模式的應(yīng)用，在傳統(tǒng)軟件市場(chǎng)上使用的較多，而在高校的教學(xué)使用中還不多見(jiàn)?；赟aaS的高校實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以有效利用高校的優(yōu)質(zhì)資源，為教師和學(xué)生提供了自由的、靈活的、開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源平臺(tái)，拓展了高等教育的時(shí)間和空間，為促進(jìn)應(yīng)用型地方本科專(zhuān)業(yè)設(shè)置和專(zhuān)業(yè)學(xué)科建設(shè)情況提供了物理基礎(chǔ)。平臺(tái)的使用也促進(jìn)了師生教學(xué)相長(zhǎng)，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理效率，并大大降低了教學(xué)成本。高校信息化建設(shè)過(guò)程中，開(kāi)放實(shí)驗(yàn)工作也逐漸轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)云資源建設(shè)等方面， 通過(guò)完整的虛擬環(huán)境搭建，系統(tǒng)的教學(xué)課程設(shè)計(jì)，讓學(xué)生在真實(shí)的環(huán)境中進(jìn)行學(xué)習(xí)與實(shí)踐，對(duì)地方高校進(jìn)一步提升專(zhuān)業(yè)實(shí)踐型人才培養(yǎng)做出有益的嘗試。

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