云計算在高校實驗室建設中的應用研究

蔡向東等

摘要：云計算在全世界范圍內已成為IT技術中的一大熱點，其虛擬化、分布式計算等技術可以應用于高校實驗室建設。本文分析了云計算技術在高校實驗室中的應用架構，提供了一種可行的高校云計算實驗室建設方案，經論證，具有較高的可行性。

關鍵詞：云計算技術；云計算架構；實驗室建設；云計算解決方案

引言

實驗室是高校教學的主要場所之一，但傳統的實驗室建設和管理模式普遍存在以下問題：①硬件投入大、更新快。②軟件安裝頻繁、更新快，使用成本高。③機房安全性問題突出。④裝備更新慢，難以支撐教學科研。

為解決上述問題，我們將云計算的理念引入高校實驗室建設中，利用其海量數據分布存儲、分布式計算模式和云技術平臺管理技術的優勢，將實驗室所需的計算資源、教學資源，以及教學過程中所需的硬件使用資源等匯總于云系統中，達到資源的充分共享和有效利用。

云計算關鍵技術

1.虛擬化技術

云計算主要是通過虛擬化技術來實現的。虛擬化技術包括網絡虛擬化和服務器虛擬化，它的原理是由多臺物理設備組成集群，整合所有資源，模擬形成一個巨大邏輯資源池，按需分配資源，用戶只需申請相關資源，而無需過多考慮具體的設施、配置等因素的細節。

虛擬化包括兩個方向：一方面是1：N的虛擬化，即在服務器上采用虛擬化軟件，可模擬運行多臺虛擬機（VM---Virtual Machine），形成多臺可任意使用的PC機資源，以提升物理資源利用效率；另一方面，將多臺物理服務器整合起來，對外提供更為強大的處理性能（如負載均衡集群），可視為N：1的虛擬化。

2.網絡虛擬化技術

網絡虛擬化技術也有兩種體現，在一套物理網絡上采用VPN或VRF技術劃分出多個相互隔離的邏輯網絡，是1：N的虛擬化；將多個物理網絡設備整合成一臺邏輯設備，簡化網絡架構，是N：1虛擬化。

3.VMware虛擬桌面技術

VMware View是桌面虛擬化解決方案，旨在將桌面以托管服務的形式交付。此方案可以將操作系統、應用程序和用戶角色彼此獨立地進行管理。搭載VMware vSphere集成，提供唯一針對桌面工作負載進行調整和優化的虛擬化平臺，能夠同時啟動數千個桌面而不會造成任何性能下降。

4.VMware服務器虛擬化技術

VMware vSphere是業界首款云計算操作系統，它利用虛擬化的強大能力將數據中心轉換為顯著簡化的云計算基礎架構，使IT組織能夠利用內部和外部資源，安全和低風險地提供新一代靈活可靠的IT服務。

高校云計算實驗室設計模型

高校云計算實驗室的設計參考模型，一般包括該模型的基礎設施層、云管理層和云客戶端[1]，但具體實現方案可以有多種選擇。[2-4]

1.云計算實驗室的基本架構

（1）云計算中心平臺

云計算中心平臺主要是構建云計算環境，由集群服務器來完成計算處理，包括用戶需要的應用環境，頻繁存取、執行、更新的數據，同步并且跨時間、空間的操作，以及教師和學生進行資源的訪問、操作和共享，各類教學、辦公資源的集中管理，系統安全性和可靠性等，從而改變現有信息化的使用模式。主要由云計算服務器集群解決承載大量用戶同時在線操作；NAS存儲解決統一存放系統資源及大量用戶的個人素材、不同的實驗資源和環境；SAM數據存儲解決系統內頻繁交互的各用戶使用的系統資源及相關數據交換使用的存儲。

（2）實驗平臺

實驗平臺為學生提供全面、靈活、可定制的信息化實驗平臺和教學資源平臺。通過云計算平臺統一管理所有相關實驗資源，學生可按照不同年級、課程、學習內容獲得不同的實驗資源和環境。同一個機房，可以實現靈活調度分發實驗平臺資源，滿足不同實驗需求。同時，根據教學要求和管理需求，學生可以通過云平臺獲得教師桌面，使用授課和科研相關應用資源，完成科研、教學、管理等事務。

實驗平臺可以實現用低端配置的計算機完成原來需要高配置計算機所做的教學功能，此點對于要求較高的設計類專業尤其重要，可以大大降低終端設備的購置成本。

（3）應用平臺

為教師提供日常辦公所需的應用，為學生提供項目申報、信息查詢、課程答疑、問題答辯等方法和手段。教師和學生可以在任何地方通過云計算平臺訪問這些資源，并且不用擔心病毒問題。

云計算通過海量存儲技術和虛擬化管理的方式來匯總來自不同方面的信息資源供大家隨時調用，節約了時間，并可隨時進行溝通。另外，對于高校科研所需的大任務、大容量的超級計算，云計算通過分布式計算模式提供服務，應用人員只需進行簡單的編程，將計算任務交付給大型服務器來進行，這樣既提高了計算效率，也節約了普及高級計算設備的成本損耗。

2.云計算實驗室資源配置

實驗室云計算系統方案包括實驗數據管理中心和實驗室實體兩部分。實驗數據管理中心的主要構架為硬件（服務器、存儲設備和網絡資源）及管理軟件組成；實驗室實體主要有“瘦客戶端”為主的終端設備組成。實驗數據庫管理大量可供調用的軟件和實驗項目，相關實驗室可以通過網絡訪問實驗數據中心，可租用“虛擬機”平臺調用實驗資源，利用虛擬化和云系統資源來提高其信息化集成度和綜合能力，以獲取服務的方式來共享實驗資源。

高校云計算實驗室案例分析

隨著云計算技術的發展，部分高校已經建立了自己的云計算平臺，用于實驗教學取得了初步成效。[2-5]

在此，我們提出了一種高校實驗室云計算系統解決方案，該系統包括前端桌面虛擬化和后端動態、高效的數據中心以及云資源集中統一的管理，分為物理資源區（實驗資源）、云計算服務核心、虛擬化應用環境、虛擬化終端桌面四個部分。

1.云計算系統基本組成endprint

物理資源區包括服務器群、存儲設備以及網絡交換設備、實驗資源等。云計算服務核心主要配置VMware軟件，依靠VMware vSphere和VMware View等實現資源池管理、用戶管理、資源部署等。虛擬化應用環境，由虛擬機軟件提供虛擬服務器、存儲、網絡等虛擬實驗環境。用戶通過虛擬化桌面，可以采用獨立PC或瘦客戶（Thin Client）終端的方式，訪問云計算平臺資源。

數據中心對整個云資源進行集中管理，包括用戶管理、基礎網絡、計算資源、存儲資源等。管理員可根據對應某一用戶需求快速部署應用環境，用戶可以在園區內或者外部（互聯網）調用云平臺資源。

2.虛擬化資源配置當量

配置當量（按實際物理資源與產生虛擬桌面資源的比例）為：①每個物理CPU可以帶3～4個VM（Virtual Machine虛擬機）。②每個虛擬桌面需分配1000MB左右內存。③每個虛擬桌面20GB存儲空間。④存儲和服務器之間采用FC SAN架構，實驗數據和信息均需要海量存儲。⑤每個虛擬桌面需占用200～250KB/S連接帶寬。

按照以上的配置當量，1臺服務器：配置為雙路6核CPU（2GHz以上），96G內存，2HDD，4～8個千兆網口，2口HBA卡的物理性能。即可拖動30～50個虛擬終端桌面，即供50個用戶同時使用。

3.云計算資源配置估算

我們對總計有600個終端用戶的園區，考慮N+1的冗余設計，采用如上頁表1的配置。

經過估算，云計算基礎架構服務器總計需要約5TB的空間，設計為每個虛擬桌面需要分配3G存儲用于存放緩存文件，總計緩存需求約為1.8TB。從安全冗余方面考慮，將用戶數據全部存放于數據中心，每個用戶預留20GB空間，用戶數據存儲總計需要規劃12TB。在不考慮存儲數量的情況下，存儲及存儲網絡配置、服務支撐軟件配置分別如表2、表3。

按照以上硬件、軟件、存儲和網絡的配置，即可實現同時支持600個終端用戶的云計算實驗資源平臺。此方案為私有云應用范疇，可為高校校園內部提供較好的實驗條件。

結束語

云計算的出現為高校實驗室建設提供了新的建設思路，云計算實驗室能有效解決傳統實驗室建設中存在的大部分問題[5]，而云計算技術應用過程中存在的一些問題，將會在未來技術發展過程中得到解決。

參考文獻：

[1]孟慶偉，劉婷.基于云計算的計算機實驗室建設模型研究[J].智能計算機與應用，2011，1（4）：72-75.

[2]張紅，陶然.東華大學實驗室管理云計算平臺[J].計算機系統應用，2012，21（10）：14-17.

[3]張趁香，朱旦晨.基于云計算的高校計算機實驗室建設方案優化[J].淮陰工學院學報，2013，22（5）：28-32.

[4]黃晨暉，林泳琴.基于云計算的虛擬計算機實驗室的研究與實現[J].實驗室研究與探索，2010，29（11）：178-181.

[5]夏春琴.基于云計算模式的高校機房實驗室建設的應用研究[J].電子技術與軟件工程，2013，（19）：205-206.endprint