基于云计算的高校私有实验云的研究

摘要：云计算是计算机技术与网络技术发展融合的产物，根据方式与服务对象的不同可以分为公有云、私有云和混合云，包括3个层次的服务：Iaas、Paas、Saas。结合云平台的特点和高校实验教学现状，提出在校园网基础平台上架构私有实验云平台的设想，给出了私有实验云平台的架构模型及具体问题的解决思路。

关键词：云计算；私有云；实验教学

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）13-3023-03

1 概述

云计算服务现已深入到我们社会中的许多领域并给人们的工作、生活、学习带来了前所未有的便利，越来越多的高校、教育机构和个人把信息处理及科研迁移到“云”上[1]。

云计算是指由几十万甚至上百万台廉价的服务器所组成的网络，为用户提供需要的计算机服务，这是近年来计算机科学领域中的分布式处理 （Distributed Computing）、并行处理（Parallel Computing）和网格计算（Grid Computing）的新发展。云计算将大规模的计算机阵列连接成一个向全球用户提供计算机服务的社会化机构，用户只需要一个能够上网的设备，比如一 台笔记本或者手机，就可以获得自己需要的一切计算机服务。云计算服务提供的方式主要有3种IssA（基础设施即服务）、PaaS（平台即服务）和SaaS（软件即服务）[2]。

云分为公有云、私有云和混合云三种。私有云（Private Clouds）是为一个客户群单独使用而构建的，因而提供对数据、安全性和服务质量的最有效控制。可利充分用单位现有的网络基础设施，在此基础设施上部署应用程序。私有云可部署在单位数据中心的防火墙内，向特定区域提供共享资源，包括网络、服务器、储存、应用和服务。该技术的出现为高校实验室建设提出了新的建设方案。

2 构建高校私有实验云的意义

目前高校实验室基本都存在这样的问题：

1） 实验室硬件设备落后。由于电子设备更新太快，虽然学校投入大量资金，但大量硬件设备往往3～5年即被淘汰，即使学校不断注入资金也存在资源浪费等问题。

2） 实验室管理工作繁重。不同的专业实验室要搭建不同的软、硬件环境，安装软件过程繁琐，如网络环境管理实验，往往需要服务器、多台客户端，配置一个真实环境需要大量时间，可行性较差，使用虚拟软件又存在快照文件的保存问题（计算机实验室一般都安装有硬盘保护系统）。

3） 数据存储问题。学生的实验数据及资料不能存储在本地，而开放实验室的存储设备又会带来许多安全问题，如病毒、个人科研资料安全等。

4） 受地理位置限制。学生只能在实验室内进行实验操作，许多昂贵设备经常处于“闲置”状态。

在高校现有的校园网基础上，引入云计算技术，能提供一个成本较低、能弹性分配资源、用户不受地理位置的实验环境；能利用虚拟化技术构建虚拟化资源池，快速布署云端资源以获取服务，动态组织异构资源，构建不同的应用环境；能够将高校现有的分布式的实验室架构转变为易于管理维护和提供高效服务的集中式架构。这种方案也是云计算时代里私有云的一种典型应用。

3 私有实验云的构建模型

3.1 实验云基础设施层

实验云基础设施层包含物理硬件设备层和虚拟资源池。物理硬件设备层指的是现有校园网内的物理计算机、网络交换设备及存储设备。根据高校实验室的计算机性能进行分类，并确定在该物理主机上创建虚拟化计算机的数量与虚拟计算机的性能。在物理计算机上安装虚拟机操作系统VMware，虚拟化出多台计算机并根据需要安装不同的操作系统和实验系统平台软件，构建成一个虚拟机集群，集群之间通过现有网络交换设备高速互联。

利用不同的虚拟化技术如：VMware私有云解决方案、惠普StorageWorks技术等，将同类型的资源构成同构或近似同构的虚拟资源池，实现从物理资源向逻辑资源的转化。原来校园网中的物理资源就能够得到快速分配或重新配置，可支持实验教学及科研的应用需求，以及云计算和高性能计算应用。

3.2 实验云管理层

实验云管理层主要包括数据库管理、安全管理、资源管理、实验管理和用户管理。数据库管理主要功能对实验云平台上的数据进行存储和维护，保证实验数据、用户数据的安全性与快速调用。安全管理主要负责云平台上系统安全的管理：网络安全管理、用户身份确认及访问权限等。资源管理主要对虚拟资源层的各种资源进行管理，并对众多的云资源节点上的负载进行均衡管理，如：负载均衡策略管理、流量监控、用户登录导向管理、进程迁移、用户服务调度管理等。实验管理主要负责对实验云平台上实验过程的管理，如：实验环境管理、实验项目管理、实验数据结果管理等。用户管理主要包括帐户管理和用户环境配置。

3.3 实验云客户端

云客户端通过应用技术将计算能力封装成标准的Web Service服务，使“云”中任何一个用户在输入用户帐号、登录验证通过后按实验需求进入不同的实验应用平台。用户选择本次进入的实验课程与项目及相关操作系统和应用软件后，系统根据实验云中各个虚拟机集群资源上的负载情况，为其分配合适的实验资源。云客户端通常安装在实验室的终端计算机上，对计算机的硬件要求不高，这样高校可以不用投入大量资金到本地的终端上去，就可以使用云计算平台的大量信息资源，从而使用远超过终端性能上限的高强度计算工作和存储能力[3]。

4 实验平台搭建具体问题解决思路

采用虚拟化技术打造校园私有云，可以彻底解决各类存储设备的整合及容灾备份、数据安全稳定性保障等问题，同时将物理硬件资源集中在一起形成一个共享虚拟资源池，实现服务器虚拟化和“云桌面”。但具体到不同的实验课程环境，还应考虑到以下问题：

4.1 实验环境复杂、搭建繁琐的情况

对于工科综合类的实践及课程设计，需要搭建不同的操作系统环境，安装大量的应用软件，应用环境搭建较复杂而繁琐。实验应用平台的设计让学生根据实验项目的不同选择包含操作系统与应用软件的镜像文件或平台即服务软件， 在任何位置任何时候重现该应用环境， 而不需要触及与系统紧密结合的应用的相关代码。这不仅减少学生每次实验安装环境所花费的时间， 而且使得学生更集中精力开发、部署和测试应用程序[4]。

4.2 对单台服务器配置要求高的情况。

对于部分课程如多核编程技术课程实验环境对处理器要求较高。实验应用平台应能够提供不同类型的VM（ CPU、内存、硬盘容量配置各不相同） ，如CPU 有单核、多核， 内存也大小不等。学生可以选择和所需环境相近的镜像文件来搭建实验环境，然后通过系统申请以扩充相应配置项。

4.3 服务器数量庞大情形。

如网络信息系统课程实验环境，需要每个学生有3- 4 台服务器，构建不同的服务器角色，实验平台的架构应基于开源云平台并可以同时运行多台服务器。学生进入具体的实验项目后，每个学生可以申请多台VM 同时运行，然后在每台VM 上选择和修改相近的镜像文件以搭建实验环境。另外并行程序设计课程实验不仅门槛较高，即需要学生有丰富的并行编程经验，而且所开发程序需要多台服务器以验证和调试。实践中学生通过选择相应的操作系统与Hadoop镜像文件，使并行编程变得容易，然后通过申请3- 4 台VM 以验证所开发程序的正确性。

总之，实验应用平台的设计应本着适用的原则，切实围绕现有条件，尽量整合现有资源解决实际问题。对于可行性较差，并不适合纳入云环境的专业性非常强、面对用户群较小的情况，仍可考虑采用原始的实验方法。

5 结束语

云计算为高校教育信息化的建设和发展提供了新的模式[5]。高校的规模和组织形式决定了其比较适合私有云，不同的学校可根据自身的具体需求来建设不同规模的私有云。该文针对高校实验教学的现状，提出了面向云计算的私有实验云的构建思想，并对具体问题作出了分析。后期的工作主要是对私有实验云平台的具体实现关键技术进行研究，建立一个适用、可行性强、效能高的多元化实验课程环境。

参考文献：

[1] 黎加厚.走向教育技术“云”服务[J].远程教育杂志，2008（3）：79.

[2] 林瑜华.云计算环境下高校实验教学模式的创新与实践[J].实验室研究与探索，2011（8）：271-274.

[3] 孟庆伟，刘婷.基于云计算的计算机实验室建设模型研究[J].智能计算机与应用，2011（12）：72-73.

[4] 黄晓玲， 赵生慧.面向云计算的实验教学平台的研究和设计[J]. 滁州学院学报，2011（4）：90-92.

[5] 唐红，徐光侠.云计算研究与发展综述[J].数字通信，2010（3）：23-28.