基于云计算技术的高校实验室信息化应用研究

叶雪琳胡忠望

1.肇庆学院外国语学院 广东肇庆 526061 2.肇庆学院计算机学院 广东肇庆 526061



基于云计算技术的高校实验室信息化应用研究

叶雪琳1胡忠望2

1.肇庆学院外国语学院 广东肇庆 526061 2.肇庆学院计算机学院 广东肇庆 526061

摘 要：针对传统实验室存在的问题，引入云计算技术整合实验室异构型资源及改革实验教学模式。提出基于云计算技术的高校实验室信息化平台架构，并分析论述其整体性能。

关键词：云计算；实验室信息化；实验云系统；IaaS；PaaS；SaaS

随着信息技术的发展与实验教学改革管理体制的深入，实验室建设正走向网络信息化时代。云计算技术的不断成熟与发展改善了传统实验室教学管理模式的限制与束缚，为了能够有效提高实验室的资源优化配置和服务能力，提出了基于云计算技术构建高校实验室信息化平台的建设方案，其目的是有效整合资源，降低实验室资金投入，使实验室能够全方位满足师生开放性的教学需求，适应实验教学改革的要求。

1　高校实验室的现状与问题

近年来，各高校实验室建设已经具有一定规模，实验的软硬件环境得到了改善，实验教学质量也相应提高了，然而，在实验室建设和管理方面仍然存在不足。

1.1计算机硬件系统：型号、配置参差不齐，加大更新与维护成本及难度

实验室建设初期，计算机的型号与配置相同，随着时间的推移，使用过程中硬件不断损耗，不同时间段的维护与更新会使用不同型号的组件。由于计算机硬件的飞速发展，更换组件难以找到原有的型号，使得维护后的计算机组件都较原有组件有所升级，势必造成实验室设备的实际配置逐渐拉大差距参差不齐。与此同时，高校扩招和教学体制的改革，促使实验室规模不断扩大，计算机数量需求激增，但由于经费等原因限制，实验室建设只能分批次实现，分批购置和更换老旧设备，同样造成了实验室计算机软硬件系统上的极大差距。由于实验室的设备配置差异大，品牌种类繁多，在实验教学使用过程中不断升级更新，直接造成了实验室计算机的运行维护成本升高和难度加大。

1.2计算机软件系统：实验室功能单一，信息资源共享性差，无法满足快速发展的信息化教学需要

高校实验室虽然计算机数量众多，但属于自建、自管、自用的状态，资源利用率并不高。一般每种应用系统单独配备一台物理服务器，造成服务器资源浪费和能耗浪费。并且实验室功能单一，信息资源分散，互联互通不畅，优秀教学资源难以共享，无法满足快速发展的信息化教学需要，成为当前实验室信息化深层次推进和发展的瓶颈之一。

1.3系统安全性：人员流动性大，用户水平参差不齐，病毒猖獗，增大安全隐患

实验室承担着各专业各层次的公共课、专业课、课程设计等多种教学任务，还承担着多种不同类型的考试任务，同时U盘等移动存储设备的大量使用与网络上各种钓鱼网站的出现，这些都导致计算机很容易受到病毒、木马的攻击；另一方面，用户水平参差不齐，往往有意或无意去更改系统设置，甚至误删系统文件，造成计算机无法启动；尤其少数用户安全意识淡薄，从网络下载与上传娱乐软件，更容易引起计算机感染病毒并漫延至整个实验室，极大地增大了实验室的安全隐患。

2　基于云计算技术的高校实验室信息化平台架构

云计算是一种利用互联网实现随时随地、按需、便捷地访问共享资源池（如计算设施、存储设备、应用程序等）的计算模式［1］。云计算系统采用的是虚拟化的技术，所谓虚拟化技术指的是计算元件并不在真实的状态下运行，所以它并不受硬件容量的限制，无形之中扩充了硬件的容量，能够根据服务提供者和用户事先商定好的服务等级协议动态地提供服务［2］。

云计算将计算、存储、应用和服务都变成了资源，用户通过云计算提供的访问接口可以向云服务管理层提出申请资源服务。云计算的核心服务层［1］通常可以分为3层：一是基础设施即服务（IaaS，Infrastructure as a Service），如IBM的Blue Cloud［3］；二是平台即服务（PaaS，Platform as a Service），如Google 的App Engine；三是软件即服务（SaaS，Software as a Service）如微软的Salesforce.com。云计算环境［4］具有数据安全可靠、客户端需求低、高灵活度、超大计算能力资源等特点。

结合本校网络实验教学的环境，以分层设计为理念，应用虚拟化技术，整合优质实验教学资源，构建实验室信息化平台即实验云系统。该系统架构分五层：基础设施服务层、应用平台服务层、软件服务层、云终端用户层、云系统管理层（如图1所示）。

图1　基于云计算技术的实验室信息化体系架构

2.1基于云计算技术构建基础设施服务层（IaaS）

应用云计算技术，校园局域网连接各实验中现有的PC机、服务器、交换机、存储设施等硬件基础设施，组成实验云系统的最底层即物理资源层，经过虚拟化技术将某一个或多个数据中心的计算与存储资源转化为一个高效灵活的资源池，成为整个实验云系统的性能基础。该层的物理资源可以是本校的硬件设备，也可以是通过Internet几个学校共享的设备，或者从教育云、公有云提供商租用的设备［5］。这些物理资源构成的资源池是实验云系统的基础设施层，它提供的服务称IaaS模式。

在虚拟化技术的支持下，IaaS为上层服务提供服务器、存储与网络等基本硬件资源，并通过实验云系统的平台［6］进行统一调度管理，为用户提供弹性的动态服务，云用户随时随地可以普适接入，使物理资源、网络资源能够像水、电一样方便地广泛共享［7］，实现按需分配。IaaS模式有利于改善资源分配，提高资源利用率。例如：1台物理服务器应用虚拟技术虚拟出5台虚拟工作站，动态分配虚拟资源池中的CPU、内存、硬盘、I/O设备和网络资源，根据实验需要分别在5台虚拟工作站上安装不同的OS并配置相应的应用程序后，将这些虚拟服务器连成一个局域网，从而可以建立5台服务器连成的实验云系统。

2.2基于云计算技术创建应用平台服务层（PaaS）

实验信息网的数据资源中心运行在网络的服务器集群中，实验中用户调用数据资源的协调和部署平台等都通过云计算技术的PaaS模式来提供，用户端与服务器端可采用B/S结构的通信方式［8］。

PaaS模式作为核心服务的中间层［1］，既为上层应用提供简单、可靠的分布式编程框架，又需要基于底层的资源信息调度作业、管理数据，屏蔽底层硬件系统品牌、型号的差异性。PaaS模式通过虚拟化技术提供的集成环境创建一个完整的虚拟应用平台给用户，包括虚拟硬件资源、数据库、应用程序和服务器平台等。如运维人员需要开发语言实验环境，按照需要向实验云系统提出申请，得到核准后，PaaS会自动创建用户所需的各项应用服务的虚拟运行环境镜像，用户启动应用服务时PaaS会自动装载虚拟机镜像文件生成相应的虚拟机。不同层次的实验人员、开发人员和维护人员都可以运用这个虚拟应用平台，进行定制、开发程序以及运行维护操作等。

2.3基于云计算技术提供软件服务层（SaaS）

实验云系统通过云计算技术给用户提供基础设施、应用平台及软件三方面的服务，实验用户根据个人需求访问所需要的服务层，硬件资源服务由IaaS提供，应用平台服务由PaaS提供，SaaS面向用户直接提供软件服务。

实验用户向云系统提出需求，通过Web浏览器等云终端统一接口，SaaS将实验所需软件包含其运行环境打包给用户，在使用过程中软件不需要用户端安装，而是通过网络使用软件。SaaS模式许可用户只需要接入互联网，便可以在任何时间、任何地点享受其提供的服务，突破了软件安装对用户层机器性能的限制且兼容性好，与传统实验室的软件服务模式相比，SaaS模式更简单灵活、更实用、易于维护，真正实现了一点部署、多点服务的SaaS模式，使得实验室的功能更强大，应用范围更广泛。

2.4基于云计算技术配置云终端用户层

云终端为用户和实验云系统提供统一的访问接口，主要通过云计算技术将各种应用平台或软件封装成标准的Web Service模式，使云终端用户层的各个用户按需进行个性化配置且互不影响。云终端用户层的特征是多样性、低成本性、共享性和绿色性［9］。多样性体现在云计算技术支持PC、笔记本、PDA、手机等多种终端。低成本性与共享性体现在它对硬件配置要求很低，用户使用1台瘦客户端（显示器、鼠标、键盘）就可以接入实验云系统，用户像使用本地计算机一样来动态地调配实验所需要的软硬件资源，共享云计算技术带来的海量信息数据。绿色性体现能耗低，各种软件及数据资源安全可靠等。例如：传统实验室应用中用户安装应用程序时需要一台拥有1个CPU、4 G内存、500 G硬盘存储的计算机，在云计算技术的支持下，用户只需要利用实验室信息化平台生成一台拥有1个CPU、4 G内存、500 G硬盘存储的虚拟机，既满足了用户的需求，又降低能耗节约了资源。

2.5基于云计算技术搭建云系统管理层

实验云系统管理层具有承上启下的作用，提供用户管理、安全管理、资源管理、数据管理、服务质量管理等功能，协调实验信息网络的整个服务系统，如身份认证、用户许可、使用管理、调度执行等。用户管理对用户提出的服务申请负责审核。安全管理负责网络安全、数据安全、用户使用安全等。资源管理主要对虚拟资源池进行管理，包括增删、调用、修改、维护等，同时对各种虚拟资源进行负载均衡和调度，为上层服务进行自发调节与全局调节［10］以提供保障基础。数据管理主要存储和维护用户以及实验云系统中的数据，云系统将各种数据都通过网络保存到远端云存储平台上，减小了用户对于数据管理的负担。服务质量管理包括资源定制的时效性、按需服务的可用性及网络性能的保障性等。云系统管理层还为管理员提供一个平台，在实验室的日常运行维护中可以方便地完成教学管理、资源配置和实验部署等日常工作，还可以进行硬件资源的平滑扩展和软件资源的升级与更新，以及在虚拟化资源上提供新型的定制实验内容等非日常维护工作。

3　基于云计算技术的高校实验室信息化整体性能分析

3.1降低硬件成本 这构建合理的资源共享空间

在传统的高校实验室建设中，硬件约占总投入的70%以上，并且实验室的使用效率很大程度上受制

于计算机硬件水平的高低。基于云计算技术实现实验室信息化后，各实验室联系构成一个实验云系统。云系统对用户端的硬件配置要求很低，用户只需拥有鼠标、键盘就可以上网接入到云系统共享云计算技术提供的各种资源，使实验室的功能更强大，应用范围更广泛。学校不再需要花费巨额资金购置大量高性能设备就可以满足实验用户多层次的需求，极大地降低了实验室建设中购置软硬件设施及设备维护更新的成本，从而以较低的投入获得高性能。

3.2简化资源配置 构建高效的运行维护环境实验云系统通过云计算技术给用户提供基础设施、应用平台及软件三方面的服务。基础设施的运行维护由云系统提供，软件的更新换代也由云系统提供，极大地提高了资源利用率，简化了实验室资源配置与管理，从而减轻了实验软硬件频繁更新维护的压力，用户只需要运行浏览器就可以享受云计算技术带来的便利。

3.3强化信息管理 构建安全的数据存储空间

信息数据安全是实验室安全的一个重要方面。为了满足实验教学和科研的需要，高校实验室需要不断购置、更新数据库服务器来满足日益增长的实验信息数据存储的需求。实验室存在大量重要的信息资源和数据需要存储、处理和使用，而猖獗的计算机病毒、网络恶意攻击等都对数据的存储、处理构成严重的威胁。在实现实验室信息化后，各种数据包括用户数据都通过网络实时保存到远端的实验云系统中，平台上的数据和应用时刻处于安全状态下，同时用于实验教学与科研所需数据可以从实验云系统安全下载，不仅杜绝了U盘、移动硬盘等的使用，而且实验参数的实时保存能够保证实验系列的完整连续性，供后续检查和分析研究之用。用户的数据资源存储在实验云系统服务器上，进行专业管理，用户通过严格的权限管理策略实现数据共享，用户端突然断电或死机不会对实验云系统以及信息数据产生影响。用户不必担心数据损坏、病毒猖獗，有效地提高了实验教学的质量，提高了实验室的安全系数。算技术的应用给高校实验教学带来了机遇，加快了高校信息化进程。学生可以通过实验室信息化平台更好地自主学习，使实验教学变成更能够满足个性化学习的信息化教学，极大地优化了教与学的环境，提高了管与用的效能。

3.4优化网络资源 构建高效的资源服务体系

通过云计算技术的优化应用，实验室的海量信息资源和服务可以随时、便捷地提供给用户共享，解决了软硬件资源不足，分布不均的问题。例如：当用户需要虚拟机时，只需要在线申请，填写所需服务器的具体配置，管理员审核通过之后，平台就会自动生成相应的虚拟机，既方便了用户也方便了管理员。云计

4　结束语

本文在分析比较传统实验室建设与管理中存在的运维难度大、资源共享差、系统安全隐患大等问题的基础上，整合实验室现有硬件设备，运用云计算技术构建实验室信息化平台架构。阐述高校实验室信息化构建了合理的资源共享和数据安全存储的空间，构建了高效的运行维护环境和资源服务体系，为师生创造一个良好的科研与实验教学环境。

参考文献

［1］ 罗军舟，金嘉晖，宋爱波，东方.云计算：体系架构与关键技术［J］.通信学报，2011，32（7）：3-21.

［2］ 范焱，庞芳梅，邵刚.云计算和云数据管理技术［J］.硅谷，2013，24：36-37.

［3］ 陈康，郑纬民.云计算：系统实例与研究现状［J］.软件学报，2009，20（5）：1337-1348.

［4］ 杨娴，陈麟.云计算环境下的应用虚拟化的研究［J］.软件，2012，33（4）：74-77.

［5］ 孙红云.云计算在高校计算机实验室建设中的应用研究［J］.计算机光盘软件与应用，2014（13）：241-242.

［6］ 杨龙军，陆洪毅.基于云计算平台的计算机硬件远程实验室实现［J］.华中科技大学学报：自然科学版，2013（41）：72-76.

［7］ 祝智庭，杨志和.云技术给中国教育信息化带来的机遇与挑战［J］.中国电化教育，2012（309）：1-6.

［8］ 郭培源，冯博.基于云计算平台的虚拟实验室设计与实验［J］.软件，2012，33（10）：106-109，115.

［9］ 张家贵，罗龙涛.基于云计算理念构建数字化教学资源平台［J］.现代教育技术，2011，21（3）：100-102.

［10］ 张伟哲，张宏莉，张迪，程涛.云计算平台中多虚拟机内存协同优化略研究［J］.计算机学报，2011，34（12）：2261-2277.

收稿日期：2015-12-03

作者简介：叶雪琳，本科，实验师。胡忠望，硕士，教授。基金项目：肇庆学院质量工程及教学改革项目（编号：zlgc 201522）。

Research on the Application of Information Technology in University Laboratory Based on Cloud Computing Technology

Ye Xuelin1， Hu Zhongwang2
1. College of foreign languages， Zhaoqing University， Zhaoqing， 526061， China 2. College of computer， Zhaoqing University， Zhaoqing， 526061， China

Abstract：Aiming at the existing problem of the traditional laboratory， the introduction of cloud computing technology integrating heterogeneous resources and reform the experimental teaching mode. Based on cloud computing technology laboratory of colleges and universities information platform architecture， and discusses its overall performance.

Key words：cloud computing；laboratory information；experimental cloud system；IaaS；PaaS；SaaS