面向多校區的計算機學科實驗云平臺建設研究

葉娜，董麗麗，張維琪，邊根慶，何箐

（西安建筑科技大學信息與控制工程學院，西安 710055）

面向多校區的計算機學科實驗云平臺建設研究

葉娜，董麗麗，張維琪，邊根慶，何箐

（西安建筑科技大學信息與控制工程學院，西安 710055）

0　引言

實踐教學是高校培養提高學生學習理論知識的積極性，培養學生發現、分析、解決問題能力的重要環節。然而，由于下述三方面原因，計算機學科的很多課程實驗不能方便、高效地開展。首先，現在很多高校都有分布在不同地方的多個校區，對于同一門課程的實驗或者使用相同軟件平臺的實驗，教師只能在多個校區分別開設，對于一些需要安裝大型軟件的實驗課程，由于實驗設備配置有限，每一級學生都需要在多個校區進行安裝，不能實現開發平臺的共享，占用了部分實驗時間；其次，目前計算機實驗中心硬件設備配置低，跟不上計算機軟硬件技術的發展，很多高版本的軟件在現有計算機上不能安裝使用。最后，不同課程實驗要求的軟硬件配置不同，機房管理日常維護工作量很大，但仍不能滿足個性化的服務與管理需求［1］。

基于以上原因，本文探索了基于云計算技術的計算機學科實驗云的建設，設計并構建了面向多校區的計算機學科實驗云平臺。

1　云計算技術及其應用

云計算是一種基于互聯網的計算方式，它由一系列可以動態升級和被虛擬化的資源組成，這些資源可以被所有云計算用戶共享并且可以方便地通過網絡訪問。

按服務類型來分，云計算包括下面三個層次的服務：基礎設施即服務（IaaS），平臺即服務（PaaS）和軟件即服務（SaaS）。IaaS提供給消費者的服務是對所有設施的利用，包括處理、存儲、網絡和其他基本的計算資源，用戶能夠部署和運行各種軟件。PaaS是指將軟件研發平臺作為一種服務，以SaaS的模式提交給用戶；平臺通常包括操作系統、編程語言、運行環境、數據庫等。SaaS是一種通過Internet提供軟件的模式，提供給用戶的服務是運行在云基礎設施上的應用程序，用戶可以在各種設備上通過客戶端界面訪問，而不需要管理或控制任何云基礎設施［2］。

目前，云計算技術已在眾多領域展開應用，包括電信［3］、電子政務［4］、圖書館［5］、電力行業［6］等。在教育領域，云計算也得到了國內外高校與研究機構的重視，例如為了滿足學生需求及削減支出，美國華盛頓州立大學電氣工程和計算機科學學院選擇云平臺vSphere4支持云計算，英國部分院校則采用了Google云服務；非洲以及中東地區也利用云計算技術來解決資源共享與共建問題［7］。在我國，國家《教育信息化十年發展規劃（2011-2020）》提出“建立國家教育云服務模式”，要充分整合現有資源，采用云計算技術，形成資源配置與服務的集約化發展途徑，構建穩定可靠、低成本的國家教育云服務模式［8］；我國各地區的高校及企業也正在展開對云計算在教育領域的應用研究［8-9］。

2　計算機學科實驗云平臺

2.1實驗去平臺架構

針對我校計算機系學生分布在三個校區，在充分利用現有計算機資源的基礎上，設計并搭建了如圖1所示的計算機學科私有實驗云平臺。

在IaaS層面上，該平臺采用曙光DS600-G10專業存儲體系結構，配置了兩個存儲控制器，通過冗余設計，可以支持在線更換控制器；該存儲結構最大可擴展到112塊硬盤，支持分層存儲軟件模塊，在線實現數據分層，通過分層實現熱點數據管理，同時具有完全在線、無需停機的擴充能力；與該存儲結構配套的系統管理軟件支持集中式GUI管理，并在同一界面上實現監控，提供冗余和負載均衡管理。在服務器配置上，采用了曙光I840r-G專業服務器，CPU為兩顆Intel Xeon E7 4820v2 2.0G的八核處理器；與其配套的管理軟件標配了增強監控系統，支持遠程開關機，采用遠程IP登陸方式進行系統管理，可以實現強大的遠程IKVM功能，從而在保證用戶能夠對系統進行有效管理的同時，也保障了系統安全性。在云終端瘦客戶機上安裝有教學專用ST1000云終端，能夠同時支持Windows和Linux虛擬桌面。該層將內存、I/O、存儲及計算能力整合成一個虛擬資源池，為各門實驗課及SaaS層面的其他服務提供了所需存儲及計算能力。

由于各門課程實驗所基于的操作系統、數據庫、運行環境及開發環境都各有不同，例如數據庫實驗需要在 Windows操作系統下基于 SQL Server數據庫在VC++6.0下開發應用；操作系統實驗基于Linux操作系統；Java程序設計實驗需要MySQL數據庫和Eclipse開發環境等。為了滿足不同課程實驗的需求，在PaaS層面上，該實驗云平臺根據需要，事先安裝好所需操作系統、數據庫、運行環境及開發環境平臺，解決了所需軟件重復安裝、升級困難的問題。此外，該實驗云平臺還提供了專門的GW-v2教學軟件開發平臺服務，利用該服務，教師可以根據課程教學需要，創建出多樣化的教學軟件。該實驗云平臺除了可以支持多校區學生多門課程的實驗外，在該層上還提供了TRNSYS17教育科研瞬時系統模擬軟件，為科研工作的開展提供強有力的硬件與軟件支持。

圖1　計算機學科實驗云平臺架構

在SaaS層面上，該實驗云平臺提供了課程教學資源管理服務，教師可以將課程及實驗相關的學習資料上傳到云端，學生可以從云端下載所需資源。另外，還提供了郵件服務及其他常用應用軟件服務。通過使用PaaS層的教學軟件開發平臺，教師可以開發所需的教學軟件，例如仿真實驗軟件、教學游戲等，并可以將這些軟件部署到云上為學生提供教學軟件服務。

2.2實驗去平臺的優點

基于云計算技術設計構建的計算機學科實驗云平臺能夠從以下方面帶來好處：

（1）彌補實驗室基礎設施的陳舊與不足，提高現有資源的利用率。實驗室計算機硬件配置的更新速度不能滿足課程實驗所需軟件的安裝要求，通過云計算虛擬化技術，可以在不增加新設備的同時，充分利用現有設備，將其作為云平臺基礎設施，從而提高實驗室硬件設備的利用率，降低經濟成本。

（2）資源的靈活分配與共享。借助云計算技術，可以實現按需分配與調度計算資源，實現資源的靈活分配；同時，各門實驗使用同一套云基礎設施，還可以將優秀教學資源及軟件發布到云端，供所有云用戶使用，從而實現硬件與軟件兩方面的資源共享。

（3）資源的統一管理與維護。由于云平臺實現了對實驗所需硬件與軟件資源的全方面整合，當需要對硬件或軟件進行更新與維護時，能夠統一進行。

3　結語

云計算技術實現了在現有互聯網基礎上對所有硬件與軟件的結合，充分利用各種現有資源，為用戶提供了不同層次與不同需求的服務。本文針對多校區學生在進行課程實驗時存在的實驗平臺不能重復使用、硬件配置低難以符合實驗軟件安裝要求的問題，基于云計算技術，設計并構建了計算機學科實驗云平臺。該實驗云平臺從基礎設施層、平臺層及應用層為教師及學生提供了硬件及軟件方面的服務，不僅能夠提高現有計算機資源的利用率，而且能夠實現資源共享與統一管理，具有良好的應用前景。

［1］崔貫勛.基于云計算技術的計算機實驗教學平臺.實驗室研究與探索，2013，10，32（10）.

［2］云計算.搜狗百科.http：//baike.sogou.com/v5259.htm［2015-08-09］.

［3］劉國紅，蘇郁.電信運營商的云計算應用研究.移動通信，2009，5（10）.

［4］王妮喃.云計算在電子政務系統中的應用研究.中國新通信，2015，6（12）.

［5］韓普，沈思，路高飛.云計算在國內外數字圖書館中的應用及進展.現代情報，第32卷第5期，2012.5.

［6］朱征，顧中堅，吳金龍等.云計算在電力系統數據災備業務中的應用研究.電網技術，2012-9，36（9）.

［7］黃明燕，蔡祖銳.云計算教育應用研究綜述.軟件導刊（教育技術），2014，1（1）.

［8］計世資訊.中國教育行業云計算應用白皮書.http：//www.ccwresearch.com.cn/white_book_detail.htm？id=17［2015-09-03］.

［9］袁磊，程美，劉丹等.我國云計算教育應用的現狀與發展趨勢.現代遠程教育研究，2011（6）.

Cloud Computing；Experiment Platform Construction；Education Informationization

Research on the Construction of Computer Experiment Cloud Platform for Multi-Campus

YE Na，DONG Li-li，ZHANG Wei-qi，BIAN Gen-qing，HE Qing
（School of Information and Control Engineering，Xi'an University of Architecture and Technology，Xi'an 710055）

1007-1423（2015）31-0038-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.31.010

葉娜（1979-），女，陜西西安人，博士，副教授，研究方向為用戶建模、Web服務、大數據集成

董麗麗（1960-），女，陜西西安人，本科，教授，研究方向為分布式系統、云計算

張維琪（1969-），男，陜西富平人，碩士，副教授，研究方向為計算機系統結構、并行計算

邊根慶（1968-），男，浙江浦江人，博士研究生，副教授，研究方向為云計算、大數據、網絡存儲安全

何箐（1978-），女，湖南醴陵人，博士研究生，講師，研究方向為大數據、軟件演化

2015-10-15

2015-10-26

針對當前部分高校計算機學科學生在多校區分布、不能有效開展實驗以及計算機學科實驗室設備配置更新跟不上實驗教學需求的問題，設計并實現一個實際可用的基于云計算技術的多校區計算機學科實驗云平臺。

云計算；實驗平臺建設；教育信息化

西安建筑科技大學高等教育科學研究項目 （No.GJ120217）、西安建筑科技大學教育教學改革研究項目（No.JG021214）、（No.JG021216）、工程應用型計算機人才校企聯合培養模式研究與實踐（No.JG021117）、西安建筑科技大學課程建設項目（No.1608800279）

Aiming at the problems that students in computer science of some universities are distributed in multiple campuses and cannot carry out the experiments effectively and the update of the devices in computer laboratories cannot meet the requirement of the experiments，presents and constructs a practical computer experiment cloud platform for multi-campus.