基于SAAS模式的高校实验云平台设计

王智慧 贾利敏 乔德军

摘要：高校实验云平台是基于SAAS模式设计，采用分布式计算集成了计算机类专业教学虚拟实验环境，支持网络教学资源的共享与调用，实现校园网内服务。平台具有开放性、即时性和易操作性，能为师生提供在线虚拟仿真实验服务，并具备完成教学资源云调用的能力。该平台的建立实现了高校实验室优质教学资源的校内共享，为探索计算机网络专业实验室的未来发展做有益的尝试。

关键词：SAAS；云计算；虚拟仿真

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）07-0023-02

1 概述

随着地方本科应用型大学的建设和发展需求，专业实践教学和学生实践能力的培养也越来越受到学校重视。一般高校专业的实验课程设计多基于传统的实验场地限制，实验内容依赖于实验设备，课程建设和实验室建设只满足个别专业或者个别课程的需求，设备的利用率远远没有达到建设要求。

SAAS（Software-as-a-Service软件即服务）是在 21 世纪开始兴起的一种完全创新的软件应用模式。随着SAAS模式的兴起，实验环境建设的灵活性以及数字化的建设模式也逐渐受到更多高校的青睐。高校教学资源云平台的开发是实现了实验环境搭建从单任务系统向多终端虚拟仿真系统发展的技术进化，实现以IT在线实训为核心，通过完整的虚拟环境搭建，系统的技术课程，让学生在真实的环境中进行学习与实践。通过计算、通信与物理系统的一体化设计，可提供校内实验资源的云共享，系统设计可靠、高效，结合专业建设、实验实训室、实习就业等线下教学模块，构建以人为本的O2O实践教学新模式，为应用型人才培养的探索与改革，做出了有益的尝试。

基于SaaS模式的实验平台的设计目的是为专业教学而服务，实现线上线下有机融合的三位一体教育解决方案，有效地解决地方本科院校在培养创新型、应用型、复合型人才的瓶颈问题。实验平台的建设实现以IT在线实训为核心，通过完整的虚拟环境搭建，系统的技术课程，让学生在真实的环境中进行学习与实践。

2 平台的设计模式及系统架构

Saas是通过Internet提供软件的模式，服务商将应用软件统一部署在自己的服务器上，客户可以根据自己实际需求，通过互联网络向服务商定购所需的应用软件服务，并通过网络获得服务商所提供的运营和维护服务。用户不需购买软件，改向服务商租用基于Web的定制软件，既能保证日常业务需求，且无需对软件进行日常维护。

开放实验云平台的使用是培养学生动手能力不可缺少的一个重要环节，也是提高学生综合素质与能力的重要方面。用户对它进行的操作是通过应用程序进行访问和使用其资源，开放实验云平台不仅能为用户提供共享实验环境与资源，还可以降低用户费用，给用户提供多方面的实验内容，高效快捷。开放实验云平台是通过网络设备通信链路的传输调用实际设备的运行，所有数据都是在真实设备运行情况下得到的，实现效果真实可靠。开放实验云平台资源的使用还可以解决普通实验室使用时间与地点方面受限的冲突，以及环境相互干扰造成的实验数据的不准确问题。

平台采用C/S （即Client/Server结构）的两层结构，第一层是在客户机系统上结合了表示与业务逻辑，第二层是通过网络结合了数据库服务器。此结构可充分利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配到Client端和Server端来实现，降低了系统的通信。Client程序的任务是在Web页面上调用输入数据，并向Server程序发出请求；Server程序接收到客户程序提出的服务请求后，进行相应的处理；再将Server程序根据预定的规则作出应答，通过通信链路以特定的形式显示给用户。

依据SaaS的模式理念，借鉴市场主流公司SaaS软件成熟度的思想，设计并完成了开放实验云平台，通过云平台的使用，使高校学生能在专业实验课程等学习方面更为实用方便，实现校园内的教学资源共享。

网络服务的传输层利用SOAP协议，通过Web Service技术，在XML的支持下，保证信息的准确解析和传递。通过服务数据的封装调度，根据高校的具体情况，高校用户可通过参数传递应用、自定制的控件和连接器技术，对应用程序进行扩展，集成个性化需求服务，形成满足各角色用户需求的应用服务；对SaaS应用系统的多用户同时在线运行，进行负载均衡，满足及时响应用户的要求。同时对所有用户的用户界面（User Interface）和应用数据通过授权等方式进行隔离，以保证平台使用的安全度和满意度。

技术服务层，通过对用户服务的描述、发现、谈判、传输、合成等功能的调用，将高校资源云平台所提供的SaaS模式，与校内用户紧密联系起来。

平台采用的任务部署，与动态服务器页面的软件服务部署方式有所不同，SaaS模式下的软件服务可安装在ISP（网络服务商）的位于Internet上的服务器，也可在校内的服务器上，通过Web Service和应用程序编程接口与服务技术层相连接。

数据及服务管理层，采用共享数据库，隔离数据架构的方式，即所有用户的数据分别存储在同一套数据库中的不同的数据表集中，每个用户拥有不同的数据模型，保证用户数据安全。对平台的管理采用与动态服务器页面相类是的集中管理系统，对整个高校实验云平臺进行管理。

3 平台实现的关键技术

本设计是基于KVM虚拟化的实验云平台设计与实现，平台建设主要分为两个模块，即Web前端页面模块和实验服务器模块。Web前端模块包括实验的分类，名称，操作教程，主要是通过使用HBuilder实现html5对教学平台的UI设计；实验服务器模块主要在虚拟的实验环境搭建，根据教学的具体实验情况、实验内容，借助于Vmware Workstation和noVnc完成云平的实验服务器部署。在两个主要模块完成后，实现教学资源在云平台上的建设和基于Web的调用，从而达到平台设计目的。

KVM 交换机通过直接连接键盘、视频和鼠标 （KVM） 端口，使用户能够访问和控制计算机。KVM 技术无需目标服务器修改软件，可以在 Windows 的 BIOS 环境下，随时访问目标计算机，而且KVM所能 提供的是主板级别访问，支持多平台服务器和串行设备。KVM 技术目前可以从kvm 客户端管理软件轻松的直接访问位于多个远程位置的服务器和设备，其中KVM over IP 解决方案具备完善的多地点故障转移功能、符合新服务器管理标准 （IPMI） 的直接界面，能够实现本地存储媒体映射至远程位置的功能。

平台设施前期需要将实验所需的环境集成到远端服务器上，即搭建一个虚拟的实验环境。用户通过web浏览器在前端模块中实现对实验服务器的访问和控制，可以在实际教学过程中提高教学资源的利用率，减少较为繁琐的实验前准备，可高效完成相关的教学实验项目。访问平台的系统需要在计算机端装有浏览器即可，计算机内存至少为2G，学校教学使用的电脑或个人笔记本一般都可以满足要求。对于软件技术要求，现在的程序设计语言已非常成熟，要运用HTML样式，图形图像制作工具来制作网页，而且Vmware Workstation的功能已经非常的强大，完全满足系统设计的要求。

NoVNC 是基于 HTML5 VNC的 客户端，采用 HTML 5 WebSockets， Canvas 和 JavaScript 实现，noVNC 被普遍用在各个云计算、虚拟机控制面板中。 noVNC 采用 WebSockets 实现，如VNC 服务器不支持 WebSockets，可以设置代理完成WebSockets 和 TCP sockets 之间的转换，代理的设置在 noVNC 的目录里，名称为 websockify。通过websockify的设置，可解决 noVNC不能直接连接 VNC 服务器的问题。

云平台的服务由ISP通过Web，7*24全天候高校用户提供软件服务和技术指导，可及时根据用户的反馈信息，对SaaS应用服务情况进行升级，满足绝大多数用户的需求。这种方法可解决高校信息化建设资金、技术不足的问题，能够为进一步推进地方高校教育信息化建设开拓思路。在将来的平台建设过程中，用户也可根据实际使用情况，灵活启用和暂停SaaS服务，服务的收费方式风险较小。

云平台的使用与传统实验室对比，有以下几个优势：

1）节省成本

在教学过程中，由于设备、场地、经费等硬件的限制，许多实验可能无法实际开展，比如大规模组网实验，利用开放的实验云平台，可以克服这些条件限制，学生足不出户就能做相应的实验，得到与真实实验一样的结果。将平台大数据的工作负载移到云中，仅在需要做实验时，才会调用教学资源，进行资源配置。通过实验云平台的部署，既能保证教学效果，在基础物理设施和系统管理方面也能够节约更多的成本。

2）规避风险

有些实验，比如《网络与信息安全》中的攻防实验，如果真实实验或操作往往会带来预想不到的宕机或不可逆的结果，在云平台上进行虚拟实验，学生在实验平台环境中，可以放心地去做危险实验、极端场景的实验，可以降低风险与损失。利用实验云平台实现对大规模综合型、危险、不可逆类型实验的开发和管理。

3）打破空间、时间的限制

云平台也可以解决普通实验室使用时间与地点方面的冲突，以及对环境相互隔离避免實验数据的不准确问题，实现实验的大规模共享以及实验的大数据分析。利用开放实验云平台可以打破时间与空间的部分限制。

4 结束语

SaaS模式的应用，在传统软件市场上使用的较多，而在高校的教学使用中还不多见。基于SaaS的高校实验平台，可以有效利用高校的优质资源，为教师和学生提供了自由的、灵活的、开放的实验教学资源平台，拓展了高等教育的时间和空间，为促进应用型地方本科专业设置和专业学科建设情况提供了物理基础。平台的使用也促进了师生教学相长，提高了实验教学的管理效率，并大大降低了教学成本。高校信息化建设过程中，开放实验工作也逐渐转移到网络云资源建设等方面， 通过完整的虚拟环境搭建，系统的教学课程设计，让学生在真实的环境中进行学习与实践，对地方高校进一步提升专业实践型人才培养做出有益的尝试。

参考文献：

[1] 史建焘，李秀坤，张兆新.基于CloudSack的网络攻防虚拟实验云平台[J].实验室研究与探索，2017（5）：75-78.

[2] 凯维斯（Kavis，M.J.美国）.让云落地云计算服务模式（SaaS、PaaS和IaaS）设计决策[M].陈志伟，辛敏，译.北京：电子工业出版社，2016.