基于“云”的信息管理實驗室建設分析與思考

王梅源，鄭雙怡，張勁松，楊 單，李超鋒，楊 健

（中南民族大學 管理學院，湖北 武漢 430074）

傳統的信息管理專業實驗室“胖客戶端”架構普遍存在建設投入大、資源不能共享、數據存儲不安全、教學管理凌亂、實踐效果不理想等問題。隨著信息技術的快速發展，在高性能服務器、帶寬、網速等都不成技術阻礙的情況下，云計算技術應運而生。云計算（cloud computing）是一種新興的商業計算模型，它將計算任務分布在大量服務器構成的資源池上，使各種應用系統能夠根據需要獲取計算能力、存儲空間和各種軟件服務［1］。云計算被看作是繼個人計算機變革、互聯網變革之后的第三次IT浪潮。一個現代化大學實驗室的任務不僅僅是進行知識的傳授，更重要的是進行知識的創新［2］。

1 云計算技術及特點

云計算具有超大規模、虛擬化、高可靠性、通用性、高可擴展性、按需服務、極其廉價等優點，是一種按使用量付費的模式。這種模式能夠提供可用的、便捷的、按需的網絡訪問，能夠進入可配置的計算資源共享池（資源包括網絡，服務器，存儲，應用軟件，服務），只需投入很少的管理工作，或與服務供應商進行很少的交互，就能夠快速提供這些資源。

云計算是一種基于因特網的超級計算模式［3］。主要通過虛擬化技術來實現各種應用。虛擬化技術是指把一個物理單元虛擬成多個邏輯單元［4］，供多個應用一起使用，被虛擬的實體是各種各樣的IT資源，包括內存虛擬化、存儲虛擬化、硬件虛擬化、軟件虛擬化、系統虛擬化等。虛擬化技術打破了固有的物理硬件之間的隔離，將網絡中所有設備統一管理，形成共享資源池，通過管理程序將這些資源當成一個實體來管理，可以根據不同的負載動態重新配置軟硬件資源，從而實現資源分享、資源定制和按需服務［5］。

當前云技術存在最大的障礙在于：一是重要數據還是需要備份，如果全部數據存放在云端而沒有移動存儲設備進行備份，有數據丟失的風險［6］；二是對網絡帶寬的要求比較高，實驗中所有終端所需的計算需求、數據存儲等都是通過網絡與云端頻繁交互而實現的；三是目前云平臺種類繁多，魚龍混雜，沒有統一標準［1］，因此，如何選擇一個合適的安全的標準平臺是“云”實驗室建設中需要特別注意的問題。

2 傳統實驗室與“云”實驗室的比較

2.1 計算機系統配置架構不同

傳統信息管理實驗室中的計算機系統配置采用客戶端/服務器（C/S）架構，如圖1所示。其中，每個客戶端都由主機＋顯示器組成，服務器端由1臺或多臺服務器組成，每臺服務器具有不同用途并獨立存在。

圖1 傳統信息管理實驗室的C/S架構

實驗時，學生根據實驗需要從服務器上下載實驗指導文件，然后進入客戶端所需軟件進行實驗，并把實驗結果存放在客戶端機器或者U盤等存儲設備上，也有學生將實驗結果存放在服務器上，但要指定并牢記存儲路徑。

早期服務器的性能較低，軟件在設計時從功能上進行了劃分，一大部分具有可以共性計算的內容安裝到服務器上，一小部分具有個性計算的內容需要安裝到客戶端。系統安裝時，必須在服務器和客戶機上都進行安裝，并同時在客戶端與服務器端進行相應配置，一是為了減輕服務器端的負載，將部分計算功能分配到客戶端本地機上；二是為了滿足用戶個性化，但在服務器端不容易統一實現的計算需要。這樣一來，一套系統需要在服務器端和客戶端都安裝才能運行，不僅加大了實驗室系統維護工作量，而且也提高了對客戶端主機配置的要求。隨著軟件性能越來越高，對主機性能的要求也越來越高，因此，客戶端逐漸成為名副其實的“胖終端”。

“云”實驗室中的計算機系統配置采用分布式架構，如圖2所示。其中，“云”端的物理資源池由高性能服務器、數據存儲設備、網絡交換設備等組成，虛擬資源池由各類軟件、云計算管理平臺和云桌面系統組成［1］；客戶端由云客戶端＋顯示器組成，用戶通過瀏覽器或者相關應用程序接口（如云虛擬桌面等），可以快速便捷地訪問“云”中資源。云客戶端可以是手機、平板等智能終端設備，也可以是普通的PC機，還可以是不需要硬盤、內存、CPU等器件的簡單終端設備［7］。實驗時，學生根據需要，在云客戶端上提出實驗請求后，在云端運行軟件、處理數據、存儲數據，并完成實驗。因此，云客戶端不需要太強的運算能力，不需要復雜配置，只需具備簡單的輸入、輸出、顯示功能，是一種超級“瘦終端”模式。

圖2 “云”實驗室的分布式架構

2.2 計算服務方式不同

傳統信息管理實驗室C/S架構提供的是一種集中式計算服務，實驗軟件的服務器端安裝在指定的服務器上，大批學生在同一時間進行同一實驗時，需要同時運行該服務器上的服務器端軟件，單個服務器計算需求壓力很大，常常出現計算能力不夠、運行速度慢、藍屏、等待、不能進入系統等問題。但在沒有實驗安排的時間，該服務器就處于閑置狀態，無論其他服務器或實驗室多忙都幫不上忙，機器忙閑不均、功能利用率低，資源閑置浪費嚴重。

“云”實驗室分布式架構提供的是一種分布式計算服務，云端有一系列服務器/操作系統和存儲設備，形成資源池，通過云計算管理平臺，可以將計算任務合理分配到各種資源上。當“云”接到實驗指令后，無論是單個任務，還是批量任務，都可以根據任務量的大小提供所需的計算能力、存儲空間和各種軟件服務，這種協同工作能力從根本上化解了機器工作任務忙閑不均、計算能力大小不一的問題。

2.3 存取數據的透明性不同

傳統信息管理實驗室C/S架構提供的是一種透明式數據存取模式，使用者需要知道實驗軟件存放在什么地方、實驗數據通過什么路徑進行存取，一旦用戶忘記存取路徑或管理人員重新整理了相關文件，就有可能產生數據丟失或存儲混亂等問題。

“云”實驗室分布式架構提供的是一種非透明式數據存取模式，使用者只需提出實驗需求，在云桌面系統上直接進行實驗操作或數據存儲即可，至于實驗軟件如何存放、實驗數據通過何種路徑存取，都由“云”統一安排和布置，方便了用戶，提高了實驗效率。

2.4 實踐教學模式不同

傳統信息管理實驗室由于工作時間有限，計算機設備位置固定，學生只能以指定的方式，在指定的實驗室、在規定的時間內完成實驗任務，有些軟件在購買時還會有用戶數限制。常常出現指定實驗室太忙安排不過來、實驗設備不夠用、課上實驗完不成課下不能補上、學生有空閑時間但實驗室已經下班等問題，使得多數實驗室利用效率不高，學生實驗過程不連貫、不方便，降低了學生做實驗的積極性。

“云”實驗室的特點是所有數據都在云端運行，不同設備間的數據和應用可以共享，只要有網絡，而且只需要使用瀏覽器或者安裝簡單云應用軟件，學生就能做實驗。學生可以在任何時間、通過任何終端設備、在任何地方做實驗［1］，打破課上課下、校內校外、有線無線界限，大大提高了實驗過程的連續性和實驗室的利用率，并便于學生交流經驗分享學習成果。

2.5 實驗室建設投入不同

計算機硬件的發展速度常常落后于軟件，硬件的淘汰速度是平均3～5年，軟件幾乎每年都推出新版本，而且新版本對硬件配置有更高的要求。為了避免盜版軟件存在的安全漏洞和法律風險，常常需要花費高額的費用購置正版軟件和進行后續升級維護。

傳統信息管理實驗室硬件配置的特點是“胖”客戶端＋“瘦”服務器。由于要跟上軟件發展的步伐，要求客戶端的主機性能不斷提高，不斷升級換代。同時，各院系常常根據自己的需求提出軟硬件配置計劃，重復采購和重復配置現象嚴重，不僅增加成本，更造成嚴重的資源浪費。

“云”實驗室硬件配置的特點是“發達”的云端、“苗條”的客戶端。云端配置高性能服務器和數據存儲設備，由于分布計算能力，軟件發展所帶來的硬件升級需求并不十分明顯。客戶端配置一般的PC機，并不需要經常更新換代。同時，云端軟硬件都是經過統一論證、統一配置的，杜絕了重復建設的問題，大大提高資源共享水平。而且，雖然“云”實驗室的云端高性能服務器較貴，但數量少，相對于傳統實驗室所配置的大量高性能客戶端來說，實驗室建設投入相對較低。

2.6 實驗設備維護工作量不同

傳統信息管理實驗室主要依賴眾多高性能計算機，但購機批次不同、配置不同、性能不同，出故障概率大、硬件維護的工作量大。同時，不同的實驗需要不同的操作系統或應用軟件，有的版本低，有的版本高，臨時性的軟件變更、系統補丁更新、殺毒軟件升級，以及硬件與軟件之間、軟件與軟件之間不同的兼容性使得實驗室軟件更新和維護工作量很大。

“云”實驗室設備的維護主要在云端，只需對云端的硬件、軟件更新與維護等工作進行統一管理，就可以快速配置相應的服務，不僅能夠節省系統配置部署時間、減輕管理人員的維護工作量［8］、降低維護和管理成本，而且能夠提高實驗室更新維護的能力和水平。

2.7 實驗設備安全保障能力不同

傳統信息管理實驗室為防病毒，通常采用給終端計算機安裝還原卡的方式［9］，在這種方式下，硬盤被保護后不能存儲實驗數據和文件，學生必須用U盤、移動硬盤存儲數據或文件，不僅不方便，而且移動存儲設備是病毒傳播的最大隱患。另一種方式是將數據上傳至服務器，但因為實驗多、人員多、文件多，常常會受到服務器容量或存儲有效性的限制，另外權限管理的復雜性也會導致文件被他人瀏覽、誤操作或刪除等。

“云”實驗室采用多管齊下的方式保證實踐系統安全：一是安裝“云安全”防病毒服務軟件，以“團結協作、共同御敵”的理念，加強實驗室系統對病毒的防殺能力；二是配備專業的管理團隊，統一管理和保障信息、數據庫、硬件、軟件的安全；三是通過“云”架構為實驗室提供最安全、可靠的數據存儲中心，中心采用數據多副本容錯、不同數據隔離、計算節點同構可互換等措施來保障云端應用和數據的可持續、靈活、高效和安全性，確保數據的隱秘性和不被破壞。

3 基于“云”的信息管理實驗室建設規劃

基于“云”的信息管理實驗室建設規劃是在深入思考信息管理專業人才培養目標、使命責任、學科定位與教學特點，結合信息技術發展的特點，并在與相關單位進行廣泛溝通與論證的基礎上形成。

3.1 實驗室建設目標

基于“云”的信息管理實驗室（簡稱“云”信管實驗室）由云端和客戶端組成，以云平臺為架構，從基礎支持、信息管理、信息系統、管理決策4個層面上實現信息技術對信息系統的支持、信息系統服務于企業信息的管理、企業信息管理對企業管理決策的支持，以及基礎設施對整個實驗室系統的支持。

作為經濟管理實驗教學示范中心的重要組成部分，“云”信管實驗室既是實驗環境，也是討論與研究區域，是相關課程上機實驗的重要平臺，是信管專業進行專業綜合訓練和畢業設計的重要場所，是大學生科研創新的重要實踐基地。

3.2 云架構模型

“云”架構是“云”信管實驗室的重要技術基礎，分為云服務與云管理兩大部分［10］，如圖3所示。

圖3 “云”架構模型

“云服務”指云端能夠提供給用戶端基于云計算的各種服務，分3個層次，第一層是SaaS（software as a service），軟件即服務，云端可以向用戶提供統一布置在資源池中的各種應用軟件服務，包括計算能力和數據存儲，提供軟件運行所需的硬件設施，并對軟件進行維護和管理，用戶只需根據個人需求通過客戶端訪問云端運行軟件即可。第二層是PaaS（platform as a service），平臺即服務，云端可以向用戶提供統一布置在資源池中的各種軟件開發環境，以及用于研發的中間件平臺，同時還提供應用程序開發、數據庫、應用服務器、實驗、托管及應用服務，用戶只需通過網絡在客戶端的云平臺上開發自己的應用程序，并通過其服務器和互聯網傳遞給其他客戶即可。開發人員是這個云平臺的直接用戶，還可借助云平臺提供的高層次集成環境，對用戶需求的應用進行測試和配置。第三層是IaaS（infrastructure as a service），基礎設施即服務，云端可以將計算能力、內存、I/O設備等整合成一個虛擬的資源池，向用戶提供所需要的計算資源、存儲資源、通信資源等基礎設施服務，這些基礎設施的規模可以根據資源的需求情況動態分配，從而更精準地為用戶提供服務［11］。

“云管理”的功能是確保云計算中心各軟硬件系統能夠準確、安全、穩定地運行，通過云計算管理平臺、云桌面系統實現各項管理工作，包括云資源管理、云數據管理、云安全管理、虛擬化管理、教學管理、用戶管理，以及監控和容災管理等。

對信管專業來說，主要通過“云”實驗室的SaaS、PaaS兩個平臺完成實驗任務，在SaaS平臺上完成需要依靠應用軟件進行的實驗，如ERP、SCM、CRM等，在PaaS平臺上完成不同程度的軟件開發類實驗及專業綜合訓練。

“云”信管實驗室的云端可以有不同形式的建設方式：條件不成熟時可單獨建立，但資源有效利用程度不高；建立經管實踐教學“云”平臺，掛在學校信息管理“云”平臺之下。無論以何種方式建立云端，前提都是最大限度地發揮“云”對資源有效利用的巨大作用。

3.3 實驗室邏輯模型

“云”信管實驗室設計理念基于信息管理人才培養體系架構，承載用信息技術的手段解決管理問題的宗旨。因此，實驗室并不專門面向某門課程或某個實踐環節，而是為信管及其他相關專業提供有關信息管理與信息系統教學實踐的環境。實驗室總體邏輯結構分為4個層次，如圖4所示。

（1）基礎支持層。主要由云計算平臺和教學輔助平臺組成，實現對實驗室所有層次的實踐、技術和管理的基礎支持。

（2）信息管理層。通過相關實驗設備和應用軟件實驗系統，從信息管理的生命周期出發，提供信息識別與采集、信息提取與變換、信息傳輸、信息存儲、信息安全、信息加工以及信息維護與利用的實驗環境。

（3）信息系統層。包括兩大部分：一是企業信息管理平臺，主要由ERP、CRM、SCM等在內的企業信息管理系統組成，由SaaS平臺提供，實現對企業運作流程的認知與管理；二是信息系統開發平臺，由PaaS平臺提供，通過基礎軟件平臺、統一建模平臺、系統仿真及應用開發工具等，實現對各類管理信息系統的設計與開發。

（4）管理決策層。該層次對應管理決策需求，主要由決策實驗場景和各類決策仿真專用軟件構成，如復雜系統仿真軟件Anylogic等。針對企業信息處理的核心關鍵問題，尤其是那些當前炙手可熱的研究熱點，提供就信息安全、大數據處理、物聯網、云計算、服務計算、決策支持、商務智能，以及專家群決策等研究熱點進行討論和決策的實驗環境。

圖4 基于“云”的信息管理實驗室邏輯模型

3.4 實驗室實踐教學體系

據不完全統計，“云”信管實驗室可覆蓋信管專業大部分實踐環節。針對信管專業特點，依托本實驗室的實踐教學體系有3條主線：基本技能線［12］、應用提高線和開放創新線。

（1）基本技能線指教學計劃內，面向全體學生的各項實踐教學任務，包括課程實驗、實習實踐、課程設計、專業綜合訓練、畢業設計等，目標是培養學生基本實踐和動手能力。

（2）應用提高線指教學計劃外，面向高年級學生的各類科研訓練任務，包括各類科研項目、創新創業訓練項目、“挑戰杯”項目、社會實踐調研項目等，目標是加強理論與實踐相結合，培養學生初步的科研能力。

（3）開放創新線指向院內各專業、校內各院系甚至校外相關單位開放的實踐任務，特別是一些校內跨專業綜合項目、校企合作項目、實習基地項目等，讓高年級學生在教師帶領下，通過“走出去、引進來”的方式，參與真實項目的鍛煉，培養創新精神、合作意識、動手能力和獨立科研能力，從而盡可能縮小學校與社會“最后一公里”的差距。

實驗室3條線的有效運行需要建立科學合理的運行維護機制，最大限度挖掘與運用“云”技術資源共享的能力，原則上應首先保證基礎技能線的平穩運行，不斷挖掘應用提高線的服務潛力，努力擴大開放創新線的社會影響。

4 “云”實驗室綜合保障體系

4.1 師資隊伍建設

實驗室師資力量包括教學和管理2個方面。在教學上主要依托信管系師資力量。目前我校信管系多數教師在本科到博士階段具有2～3個學科領域學習背景，如管理科學與工程、計算機及其應用技術、科技情報、工商管理等，能夠滿足實踐教學需要。

信管專業是個實踐性非常強的專業，因此，信管系非常重視該實驗室建設，并希望能夠最大限度地發揮該實驗室在實踐教學、學科建設、社會服務等方面的作用。實驗室在管理上主要依托經管實驗中心力量，由各級專職管理人員對各項實踐計劃、儀器設備、實驗室管理制度等進行統一管理。另外，參與“云”實驗室規劃的軟件和硬件提供商相關技術人員，可以為本實驗室建設提供整體的專業性指導和技術支持。

4.2 教學協作互動平臺

“云”實驗室在國內實驗室建設上屬于新興方向，開創國內領先水平。將云計算技術引入實驗室建設中，能夠實現教學資源云在線、教學軟件云端化、教學終端智能化、教學知識微課化、教學互動開放化等多方位實踐教學目標。

（1）系統開發實踐教學方式。設定統一的企業背景及企業個性化需求，讓學生組成不同的項目開發團隊，各個小組采用競爭對抗方式進行教學，使學生通過項目演練競賽的方式掌握需求分析、設計、編碼、測試等技能，提高系統開發與管理能力。

（2）實踐教學資源。在教學實踐中不斷配套完善實踐教學資源，包括實驗教程、視頻、課件、項目等。

（3）“云之家”實踐教學協作互動模式。“云之家”教學協作互動平臺是“云”實驗室的特色之一，它能夠實現各項發布功能，如實踐項目、項目需求、競賽規則、項目成績、心得體會的發布等，還能夠實現實踐教學項目過程協作，如組建團隊、角色選舉、過程設計、小組討論、成果提交，以及成果共享等，如圖5所示。通過該平臺，“云”實驗室的實踐教學活動能夠真正實現課內課外、線上線下，學生、團隊、教師、企業之間的全面互動與連通，從而讓學生真正體驗到自主學習的快樂，真正達到提高學生實踐動手能力的目的。

圖5 “云之家”實踐教學協作互動平臺

4.3 實驗室運行管理

“云”實驗室運行重點突出本科實踐教學的仿真特色，并拓展信管專業實踐教學與科研服務能力，實現實踐教學項目從立項、設計、開發到轉化、應用、創新等各個環節的機制體系與品牌建設。

（1）建立健全各項實驗室管理制度，包括“實驗室運行管理制度”、“實驗室儀器設備管理制度”、“實驗室安全衛生管理制度”、“實驗室對外開放管理制度”、“學生實驗守則”等［13］。

（2）建立基于“云”的信管專業實踐教學體系，包括教學大綱、實驗內容、配套實驗教程等，全面開拓學生專業視野、提升知識技能、培養綜合創新能力。

（3）建立系統開發團隊，緊跟IT熱點，與合作企業一起共同提出并開發反映學科前沿的或滿足實際需要的信息系統，提高學生理論與實際相結合，用信息技術解決管理問題的能力。

（4）以實驗室為基地，促進教學科研結合，加強實驗室社會服務能力，支持各類創新研究成果的輸出。

4.4 “財富庫”建設

“財富庫”指對實驗室運行期間使用和產生的所有知識、技術和成果進行統一管理的系統，包括實驗庫、案例庫、測試用例庫、試題庫、中間件庫等。對各項實踐環節，特別是綜合型或創新型實驗的設計可以采取分步建設、逐級遞進、不斷積累的方式，先易后難，先單項、多項，再綜合、創新，逐級開發實驗項目，逐步完善實踐體系，使“財富庫”真正能夠實現“財富”創造、“財富”積累、“財富”更新、“財富”利用，從而最大限度地發揮綜合實驗室的“財富”效應。

5 結束語

云技術能夠解決實驗室建設投入大、資源不能共享、數據存儲不安全、教學管理凌亂、實踐效果差等問題。隨著網絡技術的發展及云計算技術的成熟，“云”實驗室在各高校實現的可能性越來越大，建設基于“云”的信息管理實驗室，有效實現各種資源的數據共享，對建設低成本高水平的實驗室具有重要的現實意義。

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