云计算技术在高校实验室中的应用研究

姜 涵

（西安石油大学 计算机学院，陕西 西安 710065）

1 高校云计算实验室建设背景

近几年，虽然高校的实验室的管理水平有了长足的进步，但是由于各高校资金配置的比重不同，很多设备老化严重，技术更新不及时，造成资源分配不均，实验室管理人员管理难度较大等问题，同时也给学生及老师造成了很大的不便。传统的教学模式是学生去机房完成上机实验，实验指导老师利用固定的计算机和相关设备完成实验指导，这种模式带来了极大的管理和维护难度，投入效率比也相当低下。迫切需要一种新技术来解决这些问题。云计算是当今信息技术发展的一个主要方向，一经提出就得到人们的追捧，其应用领域也得到了较快的发展，我国高等院校需要建设专业的云计算实验室，尤其是要满足当下学生需求的实训系统，是一个比较重要和紧迫的工作。

2 目前高校实验室存在的问题

2.1 硬件设备易损坏

实验室的计算机寿命一般在3～5年，但是由于使用频率高，再加上学生在做实验的过程中的一些不当操作，计算机的硬件设备很容易出现故障，必须逐个计算机进行更新和维护，这就给实验管理人员带来了很大麻烦，损耗了大量人力物力。

2.2 设备型号不统一

由于不同机型的计算机寿命不一样，有的机型过了年限仍在使用，有的机型已经更新换代，导致实验室同时存在好几种型号的计算机。由于目前实验室的计算机操作系统和教学软件采用的是网络同传方式，即在选择一台计算机作为母机，在其上安装教学所需的系统和软件，再通过局域网将母机的内容转发至各台计算机。但是由于不同厂家在生产计算机时配备的硬盘保护卡不一样，所以这种网络同传的方式只能在同一型号的计算机之间进行，实验管理人员需要进行多次同传才可以完成整个实验室计算机系统和软件的安装，工作量大，且维护效率低下。

2.3 安全性差

通常情况下，一个实验室的若干台计算机同属于一个局域网，学生上机实验有时会频繁插拔USB接口，有极大的概率将U盘里的病毒传染给电脑，再通过局域网传染给其他计算机和网络设备，经常出现死机蓝屏等问题，导致整个机房瘫痪，影响正常的实验教学任务。

2.4 利用率参差不齐

按照专业划分，目前计算机学院实验室分为网络与接口实验室，通信工程实验室，计算机工程实验室和数字媒体实验室。各实验室所需安装的教学系统和软件也不一样，比如通信工程实验室，大部分实验只需计算机安装有程序编译环境即可，利用率不高。而数字媒体实验室绝大部分实验所需的图像视频等处理软件动辄几个G的大小，运行起来也极占内存。

3 云计算的类型

云计算按照提供的服务类型大致可分为3种：基础设施即服务（Infrastructure as a Service，IaaS）、平台即服务（Platform as a Service，PaaS）、软件即服务（Software as a Service，SaaS）。其中IaaS应用范围最广，技术成熟度最高，适用于高校的实验室环境[1]。

IaaS作为云计算架构的最底层，利用虚拟化技术将硬件设备等基础资源封装成服务供用户使用，用户相当于在使用裸机，既可以让它运行Windows，也可以让它运行Linux，既可以做Web服务器[1]，也可以做数据库服务器。IaaS模式下，云服务提供者在服务器虚拟化的基础上，将计算资源、网络资源、存储资源以组织（或者虚拟数据中心）的方式向最终用户提供，最终用户可以根据实际需求申请资源。在使用过程中，还可以对资源进行动态调整。

4 云计算平台的优势

与传统的服务器相比，云平台可以将物理资源虚拟化为虚拟资源池，灵活调用软硬件资源，实现对用户的按需访问。而且在运行过程中根据用户并发量不同，实现迁移虚拟机资源，一方面保证提供高质量服务，另一方面最小化资源成本，提高CPU、内存利用率[2]。

选择实验室的美国国际商用机器公司（International Business Machines Corporation，IBM）刀片式服务器作为云计算管理服务器，其实现的功能主要功能有以下几点：云平台管理、用户管理、网络管理、资源管理、存储服务。每个节点的结构层次由底层到最上层分别是云引擎、虚拟化层、操作系统，如图1所示。通过服务器虚拟化，可以将一台服务器当作N台服务器使用，比如一台性能强大的物理服务器可以虚拟出多台虚拟服务器，这样对于计算能力要求不高的系统，可以实现多个系统在一台物理服务器上运行而不会相互影响，大大减少了硬件的投资。

云计算的相关技术为解决实验室建设及管理方面存在的问题提供了有效的解决方案，其具有以下优势。

4.1 可靠性高

云实验平台的稳定可靠是实验室正常运行的关键保证，在云实验设备设计中选用高可靠性产品，合理设计云实验平台架构，制定可靠的备份策略，保证云实验平台有故障自愈的能力，最大限度地支持系统的正常运行[3]。

图1 云计算管理服务器结构层次

4.2 标准开放性

支持国际上通用标准的云计算相关协议，有利于保证与其他云计算平台之间的平滑连接互通，以及将来的扩展。

4.3 灵活性及可扩展性

根据未来业务的增长和变化，实验平台可平滑地扩充和升级，最大限度地减少对现有实验平台的调整。现有设备可以在扩容过程中得到充分利用，从而减少实验室运行成本。

4.4 可管理性

对实验平台集中监测、分权管理，并统一分配资源管理选用先进的云计算管理平台，具有对实验室平台内的虚拟资源创建、监控、迁移等管理能力。

4.5 虚拟化技术

云计算是一种服务，虚拟化和分布式系统都是用来实现云计算的关键技术。目前所说的虚拟化常用的核心技术有两个：服务器虚拟化和应用虚拟化。分布式系统主要用到的核心技术也有两个：分布式存储和分布式计算。

服务器虚拟化就是在操作系统之间加入了一个中间层，通常叫作Hypervisor层，把操作系统和硬件从逻辑依赖关系上分离了，即所谓的“解耦合”，操作系统与Hypervisor层通信，Hypervisor层再与硬件进行通信，如图2所示。

图2 主机虚拟化示意

5 结语

随着高校计算机实验室使用频率不断提高和云桌面技术的不断发展，实验室云平台建设已经成为高校信息化建设的一个重要方向，虚拟化桌面组成的云平台很大程度上解决了设备利用率不高、管理繁杂等问题，实现了真正意义上的信息化管理和资源共享，这对以后高校实验技术的改进和教学模式的创新有着重要的意义。

[参考文献]

[1]梁浴文.高校计算机实验室云桌面平台的规划及构建[J].电脑知识与技术，2017（17）：128-129.

[2]袁梦雪，朱海燕，李永豪，等.基于OpenStack构建高校实验室云计算管理平台的实现[J].科技展望，2016（7）：14-15.

[3]陈昌兴.高校实验室信息化的云计算策略与方法[J].实验技术与管理，2014（1）：221-224.