云計算技術(shù)背景下實驗室的建設與管理實踐

吳偉娜，周會會，王文華

（1.廣東海洋大學 數(shù)學與計算機學院，廣東 湛江 524088；2.廣東海洋大學 電子與信息工程學院，廣東 湛江 524088）

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，教育已經(jīng)進入高度發(fā)達的信息化時代。當前的高等教育越來越重視實踐動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，不管是理科、工科還是文科的專業(yè)，計算機實驗室都將是高校的一些理論課程、實踐教育課程、校內(nèi)實習基地以及各種等級考試和培訓的必備場地[1-4]，而且，計算機實驗室的使用頻率高，對新時代的人才培養(yǎng)起著舉足輕重的作用。為了滿足人才培養(yǎng)的需要，很多高校都在不斷擴建計算機實驗室，原有計算機實驗室的軟硬件設備也需要不斷更新?lián)Q代，各種計算機實驗實踐教學對設備要求也越來越高，有些課程的個性化教學在目前的管理模式下得不到有效滿足，因此，實驗室管理人員的維護工作越來越繁重。為了提高資源利用能力和實驗室的管理效率，促進計算機實驗室的管理和資源配置在新時代人才培養(yǎng)質(zhì)量過程中發(fā)揮更加有效的作用，是當前計算機實驗室建設及其管理改革的重點方向之一[5]。

近年來，云計算技術(shù)的快速發(fā)展以及在各個領域的應用使得該技術(shù)愈發(fā)成熟，為計算機實驗室的建設與管理模式改革提供了很好的技術(shù)背景[5-9]。云計算技術(shù)相對于傳統(tǒng)計算機實驗室的軟件配置在數(shù)據(jù)存儲、配置資源的利用以及管理效率方面有很大優(yōu)勢，云存儲和虛擬桌面是當前高校計算機實驗室的管理與建設的兩個重要應用，能夠成為計算機實驗室管理和快速發(fā)展的有效途徑，有效提升計算機實驗室的功能和管理效率，滿足高校對計算機實驗的各種要求。本文針對云計算技術(shù)的服務模式和基于云計算技術(shù)的計算機實驗室管理模式展開討論，同時針對計算機實驗室的教學與平臺環(huán)境、日常的課程教學對環(huán)境的不同需求，在新建的計算機實驗室保留還原卡保護方式并且采用云存儲技術(shù)，提出了“舊機”本地操作系統(tǒng)+云存儲的教學環(huán)境改造方案，課程教學與實驗管理可以根據(jù)本地系統(tǒng)的性能和教學環(huán)境要求進行選擇，從而滿足實驗室日常的高效管理和教學活動的順利開展。

1 計算機實驗室云計算技術(shù)管理的必要性

為了能夠更好地滿足計算機相關(guān)的實驗教學順利進行，傳統(tǒng)的實驗室建設和管理逐漸顯現(xiàn)其弊端，主要表現(xiàn)在以下方面。

1.1 設備數(shù)量多，維護難度大

隨著教育培養(yǎng)模式改革的深化，高校越來越重視實踐動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，隨之而來的是不斷擴建計算機實驗室和相應的電腦設備，從而導致實驗室管理人員的工作量增加，而且，每學期的開學初或者某門課程開課前都面臨計算機系統(tǒng)升級、安裝新軟件或者升級原有軟件，以及各種病毒引起的系統(tǒng)崩潰重新安裝問題。雖然采用了還原卡等方式對實驗室設備進行管理，但是難免經(jīng)常出現(xiàn)還原卡故障的問題，導致系統(tǒng)安裝、軟件安裝和升級、系統(tǒng)對拷的操作變得繁瑣和復雜，工作量大大增加，甚至因為實驗室受到正常教學的限制而來不及解決相關(guān)的問題。

1.2 課堂存儲的數(shù)據(jù)量大且連續(xù)使用性強

為提高實踐動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，不少課程都增加了很多實驗課時，并且大量的實驗都以項目化的形式出現(xiàn)。項目化的實驗要求存儲的數(shù)據(jù)量大同時又要求在多個不同的上課時間段使用，從而導致學生上課時存儲數(shù)據(jù)的麻煩，與現(xiàn)有計算機實驗室管理的矛盾日益突出。另外，教師在進行實驗講解過程中同樣存在數(shù)據(jù)存儲以及調(diào)用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，或者調(diào)用之前保存的數(shù)據(jù)的問題，給正常的實驗教學帶來不便。

1.3 還原卡保護與數(shù)據(jù)存儲的矛盾

為了解決設備受病毒攻擊的問題，實驗室的電腦都安裝使用還原卡保護技術(shù)，然而為了解決上述課堂存儲的數(shù)據(jù)量大且連續(xù)使用性強的問題，實驗室管理人員通常為開放1~2個本地服務器的網(wǎng)絡驅(qū)動盤，同時開放USB接口權(quán)限。但是，有些學生在做實驗的過程中容易出現(xiàn)誤操作，從而將網(wǎng)絡驅(qū)動盤上別人的數(shù)據(jù)刪除或者修改了教師存放在網(wǎng)絡驅(qū)動盤上的重要文件。而且，USB接口權(quán)限的開放容易造成實驗室設備遭受病毒感染，從而導致課堂教學時故障頻現(xiàn)，阻礙教學的順利實施。另外，學生和教師時有忘帶U盤、或者把U盤遺忘在實驗室、或者U盤損壞的情況發(fā)生，給教學造成不便。

1.4 服務器無法滿足教學需求的發(fā)展

受到技術(shù)、價格和投入資金的影響，實驗室建設初期配備的服務器只能滿足未來幾年甚至是當時的教學要求，設備配置較低。隨著教學軟件的不斷增加，有時候服務器可能只能滿足某一款專業(yè)軟件的最低運行要求，無法體現(xiàn)軟件的良好性能，教學效果將打折扣。

1.5 滿足各種教學和考試服務提高了設備要求

計算機實驗室通常都是面對全校的計算機類公共基礎課或者各專業(yè)課的理論與實驗教學，滿足各位任課教師的教學需求，然而，每門課程甚至是同一門課程不同專業(yè)的教學對于軟件的信息和版本要求可能不完全一樣，針對這種情況，通常會分批次安裝多個教學環(huán)境從而確保各門課程的教學順利進行，甚至有的實驗室電腦安裝了好幾個操作系統(tǒng)以滿足不同教學的需要，這難免對設備提出了更高要求，且設備更換周期短、建設和維護成本高[10]。

目前，各種考試類目眾多，很多考試的流行方式都是機試，在眾多的考試當中，大部分考試環(huán)境是不能共享的，為了滿足各種類目的考試必須安裝多樣化的考試系統(tǒng)，有的考試系統(tǒng)對設備要求較高，因此，對設備和管理人員都提出了較高要求。

2 云計算技術(shù)的服務模式

云計算技術(shù)的服務模式包括以下三種。

（1）平臺即服務，簡稱為PaaS。提供各種應用軟件的管理服務，包括軟件的升級、日常使用過程中的病毒清除等，同時也為用戶提供所需要的服務器和其他硬件資源服務，用戶無需購買硬件和軟件就可以通過PaaS進行相關(guān)的程序開發(fā)并且和其他用戶共享，用戶也無需管理服務器、操作系統(tǒng)和存儲等，卻可以控制服務商云計算中心的應用程序。

（2）軟件即服務，簡稱為SaaS。是云計算服務商提供的軟件應用模式，采用先進的云計算技術(shù)實施高校教育的信息化途徑。云計算服務商將用戶可能需要的各種軟件存儲在集群服務器上，用戶可以在各種設備上通過界面訪問開展諸如實驗教學或其他實踐教學的時候借助于互聯(lián)網(wǎng)從服務商的云計算中心下載和使用，而用戶只需要量販式的支付資源使用費即可，從而降低用戶的成本[11]。

（3）基礎設施即服務，簡稱為IaaS。是云計算服務商向用戶提供的存儲設備和網(wǎng)絡設施等各種完善的資源。通過云計算技術(shù)將服務器資源進行整合，構(gòu)成性能優(yōu)異的虛擬資源供用戶使用。

PaaS、SaaS和IaaS三者云計算的關(guān)系見圖1。

圖1 云計算的PSI之間的關(guān)系

3 基于云計算的計算機實驗室管理

3.1 計算機實驗室管理的基本模式

互聯(lián)網(wǎng)是實驗室與服務商云計算中心的橋梁，云計算中心的主要作用是提供如前所述三種服務模式。所有的服務器、存儲等硬件設備和應用軟件的使用和管理都由服務商統(tǒng)一配置和管理，用戶通過接口向中心以量販式支付費用的方式提出所有數(shù)據(jù)的管理、操作和維護等請求。

3.2 實驗室管理的應用模式

實驗室管理人員首先將服務器的數(shù)據(jù)和內(nèi)容虛擬成n臺等同的傳統(tǒng)物理計算機，然后分配PaaS、SaaS和IaaS服務模式，根據(jù)不同用戶對操作系統(tǒng)、軟件開發(fā)平臺以及常用的各種開發(fā)工具和應用軟件等方面的不同需要提供相應的服務。云計算實驗室管理的應用模式見圖 2。這樣一來，每個用戶都可以通過虛擬化桌面登錄虛擬計算機，隨后根據(jù)需要配置自己的計算機而在本地不需要安裝任何軟件，所有訪問的數(shù)據(jù)或者產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都存儲在云計算中心。因此，管理人員的工作也就是管理服務器、配置服務器以滿足正常的教學需要，從而減輕了工作強度，也大大降低了教學需要的支出成本，表1是60臺“計算機”實驗室的云計算技術(shù)基礎上和傳統(tǒng) PC使用一年的管理費用對比數(shù)據(jù)[12]。從對比可以看出，采用云計算技術(shù)的管理模式，節(jié)約了大量成本。

圖2 云計算實驗室管理的應用模式

表1 60臺“計算機”實驗室的云計算技術(shù)和傳統(tǒng)PC一年的管理費用

3.3 實驗室管理的整體構(gòu)架

基于云計算技術(shù)的實驗室管理構(gòu)架可分為4個層次：接入層、桌面管理層、資源管理層和物理層，云計算實驗室管理模式的整體框架見圖3。

圖3 云計算實驗室管理模式的整體框架

（1）接入層：用戶可通過接入層客戶端的網(wǎng)絡瀏覽器便捷、快速地訪問云計算中心的資源。

（2）桌面管理層：用戶通過虛擬桌面提出的處理請求、用戶機在云計算中心的實驗數(shù)據(jù)和軟件資源的保存和維護由虛擬桌面管理層分配與處理。

（3）資源管理層：用戶發(fā)生的計算資源、存儲資源的管理動態(tài)調(diào)動由虛擬資源管理層完成。云計算的核心技術(shù)就是虛擬化的資源集中群。

（4）物理層：服務商或?qū)W校自身的終端計算機、服務器、交換機以及存儲設備構(gòu)成的網(wǎng)絡實體，具有強大的處理能力和豐富的資源。

4 本地操作系統(tǒng)+云存儲的實踐方案

新建實驗室的計算機配置較高，機器是 DELL Precision 3630 Tower 005 DELL P2419H工作站。其中，處理器是Intel Xeon系列，CPU四核心、四線程以上主頻3.3G Hz，動態(tài)加速頻率3.6 GHz，L3緩存8 M；硬盤是256 GB SATA的固態(tài)硬盤和1TB的SATA（7200 rpm）機械硬盤；內(nèi)存是2條16 GB DDR4，ECC內(nèi)存(2666 MHz)；顯卡是NVIDIA P600，2G 4mDP（384核心）。因此，我們保留了還原卡保護方式，采用本地操作系統(tǒng)+云存儲的改造方案實現(xiàn)本地系統(tǒng)和云存儲共存的教學環(huán)境，數(shù)據(jù)和結(jié)果可以存儲在云服務器，教師和學生在教學過程中可以隨時調(diào)用之前存儲在云服務器的數(shù)據(jù)和結(jié)果，滿足實驗室日常的高效管理和教學活動的順利開展。以“金融數(shù)學”的實驗課為例，需要存儲的數(shù)據(jù)量大，受還原卡保護的原因，在本地存儲數(shù)據(jù)不方便，所以實驗過程中的數(shù)據(jù)和結(jié)果可存儲在云服務器，供教師和學生在未來的任何時間讀取調(diào)用，云存儲時的操作只需要將實驗數(shù)據(jù)的存儲地址代碼localhost：8001置空即可，操作簡單易用，為實驗教學和實驗室的管理提供了極大的便利。云存儲方案實施前后的數(shù)據(jù)對比見表2。

表2 云存儲方案實施前后的對比

5 結(jié)語

隨著高校對實踐教學的重視，計算機實驗室的教學設施投入呈擴大趨勢，管理工作變得繁重而復雜，存儲的數(shù)據(jù)量巨大卻又受限于還原卡的保護。云計算技術(shù)的快速發(fā)展以及在各個領域的優(yōu)勢，是計算機實驗室管理模式的一個改革方向，能夠有效提升計算機實驗室的功能和管理效率，滿足對實驗的各種要求。本文針對實驗室較好的硬件資源，提出了“舊機”本地操作系統(tǒng)+云存儲的教學環(huán)境改造方案，解決了原有還原卡保護方式的繁瑣存儲管理問題，教師和學生又能夠隨時調(diào)用之前進行云存儲的數(shù)據(jù)和結(jié)果，滿足實驗室日常的高效管理和教學活動的順利開展，為計算機實驗教學根據(jù)本地系統(tǒng)的性能和教學環(huán)境要求進行選擇提供一種借鑒的方案，改善計算機實驗的教學環(huán)境。