云计算在高校实验室建设中的应用研究

蔡向东等

摘要：云计算在全世界范围内已成为IT技术中的一大热点，其虚拟化、分布式计算等技术可以应用于高校实验室建设。本文分析了云计算技术在高校实验室中的应用架构，提供了一种可行的高校云计算实验室建设方案，经论证，具有较高的可行性。

关键词：云计算技术；云计算架构；实验室建设；云计算解决方案

引言

实验室是高校教学的主要场所之一，但传统的实验室建设和管理模式普遍存在以下问题：①硬件投入大、更新快。②软件安装频繁、更新快，使用成本高。③机房安全性问题突出。④装备更新慢，难以支撑教学科研。

为解决上述问题，我们将云计算的理念引入高校实验室建设中，利用其海量数据分布存储、分布式计算模式和云技术平台管理技术的优势，将实验室所需的计算资源、教学资源，以及教学过程中所需的硬件使用资源等汇总于云系统中，达到资源的充分共享和有效利用。

云计算关键技术

1.虚拟化技术

云计算主要是通过虚拟化技术来实现的。虚拟化技术包括网络虚拟化和服务器虚拟化，它的原理是由多台物理设备组成集群，整合所有资源，模拟形成一个巨大逻辑资源池，按需分配资源，用户只需申请相关资源，而无需过多考虑具体的设施、配置等因素的细节。

虚拟化包括两个方向：一方面是1：N的虚拟化，即在服务器上采用虚拟化软件，可模拟运行多台虚拟机（VM---Virtual Machine），形成多台可任意使用的PC机资源，以提升物理资源利用效率；另一方面，将多台物理服务器整合起来，对外提供更为强大的处理性能（如负载均衡集群），可视为N：1的虚拟化。

2.网络虚拟化技术

网络虚拟化技术也有两种体现，在一套物理网络上采用VPN或VRF技术划分出多个相互隔离的逻辑网络，是1：N的虚拟化；将多个物理网络设备整合成一台逻辑设备，简化网络架构，是N：1虚拟化。

3.VMware虚拟桌面技术

VMware View是桌面虚拟化解决方案，旨在将桌面以托管服务的形式交付。此方案可以将操作系统、应用程序和用户角色彼此独立地进行管理。搭载VMware vSphere集成，提供唯一针对桌面工作负载进行调整和优化的虚拟化平台，能够同时启动数千个桌面而不会造成任何性能下降。

4.VMware服务器虚拟化技术

VMware vSphere是业界首款云计算操作系统，它利用虚拟化的强大能力将数据中心转换为显著简化的云计算基础架构，使IT组织能够利用内部和外部资源，安全和低风险地提供新一代灵活可靠的IT服务。

高校云计算实验室设计模型

高校云计算实验室的设计参考模型，一般包括该模型的基础设施层、云管理层和云客户端[1]，但具体实现方案可以有多种选择。[2-4]

1.云计算实验室的基本架构

（1）云计算中心平台

云计算中心平台主要是构建云计算环境，由集群服务器来完成计算处理，包括用户需要的应用环境，频繁存取、执行、更新的数据，同步并且跨时间、空间的操作，以及教师和学生进行资源的访问、操作和共享，各类教学、办公资源的集中管理，系统安全性和可靠性等，从而改变现有信息化的使用模式。主要由云计算服务器集群解决承载大量用户同时在线操作；NAS存储解决统一存放系统资源及大量用户的个人素材、不同的实验资源和环境；SAM数据存储解决系统内频繁交互的各用户使用的系统资源及相关数据交换使用的存储。

（2）实验平台

实验平台为学生提供全面、灵活、可定制的信息化实验平台和教学资源平台。通过云计算平台统一管理所有相关实验资源，学生可按照不同年级、课程、学习内容获得不同的实验资源和环境。同一个机房，可以实现灵活调度分发实验平台资源，满足不同实验需求。同时，根据教学要求和管理需求，学生可以通过云平台获得教师桌面，使用授课和科研相关应用资源，完成科研、教学、管理等事务。

实验平台可以实现用低端配置的计算机完成原来需要高配置计算机所做的教学功能，此点对于要求较高的设计类专业尤其重要，可以大大降低终端设备的购置成本。

（3）应用平台

为教师提供日常办公所需的应用，为学生提供项目申报、信息查询、课程答疑、问题答辩等方法和手段。教师和学生可以在任何地方通过云计算平台访问这些资源，并且不用担心病毒问题。

云计算通过海量存储技术和虚拟化管理的方式来汇总来自不同方面的信息资源供大家随时调用，节约了时间，并可随时进行沟通。另外，对于高校科研所需的大任务、大容量的超级计算，云计算通过分布式计算模式提供服务，应用人员只需进行简单的编程，将计算任务交付给大型服务器来进行，这样既提高了计算效率，也节约了普及高级计算设备的成本损耗。

2.云计算实验室资源配置

实验室云计算系统方案包括实验数据管理中心和实验室实体两部分。实验数据管理中心的主要构架为硬件（服务器、存储设备和网络资源）及管理软件组成；实验室实体主要有“瘦客户端”为主的终端设备组成。实验数据库管理大量可供调用的软件和实验项目，相关实验室可以通过网络访问实验数据中心，可租用“虚拟机”平台调用实验资源，利用虚拟化和云系统资源来提高其信息化集成度和综合能力，以获取服务的方式来共享实验资源。

高校云计算实验室案例分析

随着云计算技术的发展，部分高校已经建立了自己的云计算平台，用于实验教学取得了初步成效。[2-5]

在此，我们提出了一种高校实验室云计算系统解决方案，该系统包括前端桌面虚拟化和后端动态、高效的数据中心以及云资源集中统一的管理，分为物理资源区（实验资源）、云计算服务核心、虚拟化应用环境、虚拟化终端桌面四个部分。

1.云计算系统基本组成endprint

物理资源区包括服务器群、存储设备以及网络交换设备、实验资源等。云计算服务核心主要配置VMware软件，依靠VMware vSphere和VMware View等实现资源池管理、用户管理、资源部署等。虚拟化应用环境，由虚拟机软件提供虚拟服务器、存储、网络等虚拟实验环境。用户通过虚拟化桌面，可以采用独立PC或瘦客户（Thin Client）终端的方式，访问云计算平台资源。

数据中心对整个云资源进行集中管理，包括用户管理、基础网络、计算资源、存储资源等。管理员可根据对应某一用户需求快速部署应用环境，用户可以在园区内或者外部（互联网）调用云平台资源。

2.虚拟化资源配置当量

配置当量（按实际物理资源与产生虚拟桌面资源的比例）为：①每个物理CPU可以带3～4个VM（Virtual Machine虚拟机）。②每个虚拟桌面需分配1000MB左右内存。③每个虚拟桌面20GB存储空间。④存储和服务器之间采用FC SAN架构，实验数据和信息均需要海量存储。⑤每个虚拟桌面需占用200～250KB/S连接带宽。

按照以上的配置当量，1台服务器：配置为双路6核CPU（2GHz以上），96G内存，2HDD，4～8个千兆网口，2口HBA卡的物理性能。即可拖动30～50个虚拟终端桌面，即供50个用户同时使用。

3.云计算资源配置估算

我们对总计有600个终端用户的园区，考虑N+1的冗余设计，采用如上页表1的配置。

经过估算，云计算基础架构服务器总计需要约5TB的空间，设计为每个虚拟桌面需要分配3G存储用于存放缓存文件，总计缓存需求约为1.8TB。从安全冗余方面考虑，将用户数据全部存放于数据中心，每个用户预留20GB空间，用户数据存储总计需要规划12TB。在不考虑存储数量的情况下，存储及存储网络配置、服务支撑软件配置分别如表2、表3。

按照以上硬件、软件、存储和网络的配置，即可实现同时支持600个终端用户的云计算实验资源平台。此方案为私有云应用范畴，可为高校校园内部提供较好的实验条件。

结束语

云计算的出现为高校实验室建设提供了新的建设思路，云计算实验室能有效解决传统实验室建设中存在的大部分问题[5]，而云计算技术应用过程中存在的一些问题，将会在未来技术发展过程中得到解决。

参考文献：

[1]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，2011，1（4）：72-75.

[2]张红，陶然.东华大学实验室管理云计算平台[J].计算机系统应用，2012，21（10）：14-17.

[3]张趁香，朱旦晨.基于云计算的高校计算机实验室建设方案优化[J].淮阴工学院学报，2013，22（5）：28-32.

[4]黄晨晖，林泳琴.基于云计算的虚拟计算机实验室的研究与实现[J].实验室研究与探索，2010，29（11）：178-181.

[5]夏春琴.基于云计算模式的高校机房实验室建设的应用研究[J].电子技术与软件工程，2013，（19）：205-206.endprint