基于云計算技術的高校實驗室信息化應用研究

葉雪琳胡忠望

1.肇慶學院外國語學院 廣東肇慶 526061 2.肇慶學院計算機學院 廣東肇慶 526061

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基于云計算技術的高校實驗室信息化應用研究

葉雪琳1胡忠望2

1.肇慶學院外國語學院 廣東肇慶 526061 2.肇慶學院計算機學院 廣東肇慶 526061

摘 要：針對傳統實驗室存在的問題，引入云計算技術整合實驗室異構型資源及改革實驗教學模式。提出基于云計算技術的高校實驗室信息化平臺架構，并分析論述其整體性能。

關鍵詞：云計算；實驗室信息化；實驗云系統；IaaS；PaaS；SaaS

隨著信息技術的發展與實驗教學改革管理體制的深入，實驗室建設正走向網絡信息化時代。云計算技術的不斷成熟與發展改善了傳統實驗室教學管理模式的限制與束縛，為了能夠有效提高實驗室的資源優化配置和服務能力，提出了基于云計算技術構建高校實驗室信息化平臺的建設方案，其目的是有效整合資源，降低實驗室資金投入，使實驗室能夠全方位滿足師生開放性的教學需求，適應實驗教學改革的要求。

1　高校實驗室的現狀與問題

近年來，各高校實驗室建設已經具有一定規模，實驗的軟硬件環境得到了改善，實驗教學質量也相應提高了，然而，在實驗室建設和管理方面仍然存在不足。

1.1計算機硬件系統：型號、配置參差不齊，加大更新與維護成本及難度

實驗室建設初期，計算機的型號與配置相同，隨著時間的推移，使用過程中硬件不斷損耗，不同時間段的維護與更新會使用不同型號的組件。由于計算機硬件的飛速發展，更換組件難以找到原有的型號，使得維護后的計算機組件都較原有組件有所升級，勢必造成實驗室設備的實際配置逐漸拉大差距參差不齊。與此同時，高校擴招和教學體制的改革，促使實驗室規模不斷擴大，計算機數量需求激增，但由于經費等原因限制，實驗室建設只能分批次實現，分批購置和更換老舊設備，同樣造成了實驗室計算機軟硬件系統上的極大差距。由于實驗室的設備配置差異大，品牌種類繁多，在實驗教學使用過程中不斷升級更新，直接造成了實驗室計算機的運行維護成本升高和難度加大。

1.2計算機軟件系統：實驗室功能單一，信息資源共享性差，無法滿足快速發展的信息化教學需要

高校實驗室雖然計算機數量眾多，但屬于自建、自管、自用的狀態，資源利用率并不高。一般每種應用系統單獨配備一臺物理服務器，造成服務器資源浪費和能耗浪費。并且實驗室功能單一，信息資源分散，互聯互通不暢，優秀教學資源難以共享，無法滿足快速發展的信息化教學需要，成為當前實驗室信息化深層次推進和發展的瓶頸之一。

1.3系統安全性：人員流動性大，用戶水平參差不齊，病毒猖獗，增大安全隱患

實驗室承擔著各專業各層次的公共課、專業課、課程設計等多種教學任務，還承擔著多種不同類型的考試任務，同時U盤等移動存儲設備的大量使用與網絡上各種釣魚網站的出現，這些都導致計算機很容易受到病毒、木馬的攻擊；另一方面，用戶水平參差不齊，往往有意或無意去更改系統設置，甚至誤刪系統文件，造成計算機無法啟動；尤其少數用戶安全意識淡薄，從網絡下載與上傳娛樂軟件，更容易引起計算機感染病毒并漫延至整個實驗室，極大地增大了實驗室的安全隱患。

2　基于云計算技術的高校實驗室信息化平臺架構

云計算是一種利用互聯網實現隨時隨地、按需、便捷地訪問共享資源池（如計算設施、存儲設備、應用程序等）的計算模式［1］。云計算系統采用的是虛擬化的技術，所謂虛擬化技術指的是計算元件并不在真實的狀態下運行，所以它并不受硬件容量的限制，無形之中擴充了硬件的容量，能夠根據服務提供者和用戶事先商定好的服務等級協議動態地提供服務［2］。

云計算將計算、存儲、應用和服務都變成了資源，用戶通過云計算提供的訪問接口可以向云服務管理層提出申請資源服務。云計算的核心服務層［1］通常可以分為3層：一是基礎設施即服務（IaaS，Infrastructure as a Service），如IBM的Blue Cloud［3］；二是平臺即服務（PaaS，Platform as a Service），如Google 的App Engine；三是軟件即服務（SaaS，Software as a Service）如微軟的Salesforce.com。云計算環境［4］具有數據安全可靠、客戶端需求低、高靈活度、超大計算能力資源等特點。

結合本校網絡實驗教學的環境，以分層設計為理念，應用虛擬化技術，整合優質實驗教學資源，構建實驗室信息化平臺即實驗云系統。該系統架構分五層：基礎設施服務層、應用平臺服務層、軟件服務層、云終端用戶層、云系統管理層（如圖1所示）。

圖1　基于云計算技術的實驗室信息化體系架構

2.1基于云計算技術構建基礎設施服務層（IaaS）

應用云計算技術，校園局域網連接各實驗中現有的PC機、服務器、交換機、存儲設施等硬件基礎設施，組成實驗云系統的最底層即物理資源層，經過虛擬化技術將某一個或多個數據中心的計算與存儲資源轉化為一個高效靈活的資源池，成為整個實驗云系統的性能基礎。該層的物理資源可以是本校的硬件設備，也可以是通過Internet幾個學校共享的設備，或者從教育云、公有云提供商租用的設備［5］。這些物理資源構成的資源池是實驗云系統的基礎設施層，它提供的服務稱IaaS模式。

在虛擬化技術的支持下，IaaS為上層服務提供服務器、存儲與網絡等基本硬件資源，并通過實驗云系統的平臺［6］進行統一調度管理，為用戶提供彈性的動態服務，云用戶隨時隨地可以普適接入，使物理資源、網絡資源能夠像水、電一樣方便地廣泛共享［7］，實現按需分配。IaaS模式有利于改善資源分配，提高資源利用率。例如：1臺物理服務器應用虛擬技術虛擬出5臺虛擬工作站，動態分配虛擬資源池中的CPU、內存、硬盤、I/O設備和網絡資源，根據實驗需要分別在5臺虛擬工作站上安裝不同的OS并配置相應的應用程序后，將這些虛擬服務器連成一個局域網，從而可以建立5臺服務器連成的實驗云系統。

2.2基于云計算技術創建應用平臺服務層（PaaS）

實驗信息網的數據資源中心運行在網絡的服務器集群中，實驗中用戶調用數據資源的協調和部署平臺等都通過云計算技術的PaaS模式來提供，用戶端與服務器端可采用B/S結構的通信方式［8］。

PaaS模式作為核心服務的中間層［1］，既為上層應用提供簡單、可靠的分布式編程框架，又需要基于底層的資源信息調度作業、管理數據，屏蔽底層硬件系統品牌、型號的差異性。PaaS模式通過虛擬化技術提供的集成環境創建一個完整的虛擬應用平臺給用戶，包括虛擬硬件資源、數據庫、應用程序和服務器平臺等。如運維人員需要開發語言實驗環境，按照需要向實驗云系統提出申請，得到核準后，PaaS會自動創建用戶所需的各項應用服務的虛擬運行環境鏡像，用戶啟動應用服務時PaaS會自動裝載虛擬機鏡像文件生成相應的虛擬機。不同層次的實驗人員、開發人員和維護人員都可以運用這個虛擬應用平臺，進行定制、開發程序以及運行維護操作等。

2.3基于云計算技術提供軟件服務層（SaaS）

實驗云系統通過云計算技術給用戶提供基礎設施、應用平臺及軟件三方面的服務，實驗用戶根據個人需求訪問所需要的服務層，硬件資源服務由IaaS提供，應用平臺服務由PaaS提供，SaaS面向用戶直接提供軟件服務。

實驗用戶向云系統提出需求，通過Web瀏覽器等云終端統一接口，SaaS將實驗所需軟件包含其運行環境打包給用戶，在使用過程中軟件不需要用戶端安裝，而是通過網絡使用軟件。SaaS模式許可用戶只需要接入互聯網，便可以在任何時間、任何地點享受其提供的服務，突破了軟件安裝對用戶層機器性能的限制且兼容性好，與傳統實驗室的軟件服務模式相比，SaaS模式更簡單靈活、更實用、易于維護，真正實現了一點部署、多點服務的SaaS模式，使得實驗室的功能更強大，應用范圍更廣泛。

2.4基于云計算技術配置云終端用戶層

云終端為用戶和實驗云系統提供統一的訪問接口，主要通過云計算技術將各種應用平臺或軟件封裝成標準的Web Service模式，使云終端用戶層的各個用戶按需進行個性化配置且互不影響。云終端用戶層的特征是多樣性、低成本性、共享性和綠色性［9］。多樣性體現在云計算技術支持PC、筆記本、PDA、手機等多種終端。低成本性與共享性體現在它對硬件配置要求很低，用戶使用1臺瘦客戶端（顯示器、鼠標、鍵盤）就可以接入實驗云系統，用戶像使用本地計算機一樣來動態地調配實驗所需要的軟硬件資源，共享云計算技術帶來的海量信息數據。綠色性體現能耗低，各種軟件及數據資源安全可靠等。例如：傳統實驗室應用中用戶安裝應用程序時需要一臺擁有1個CPU、4 G內存、500 G硬盤存儲的計算機，在云計算技術的支持下，用戶只需要利用實驗室信息化平臺生成一臺擁有1個CPU、4 G內存、500 G硬盤存儲的虛擬機，既滿足了用戶的需求，又降低能耗節約了資源。

2.5基于云計算技術搭建云系統管理層

實驗云系統管理層具有承上啟下的作用，提供用戶管理、安全管理、資源管理、數據管理、服務質量管理等功能，協調實驗信息網絡的整個服務系統，如身份認證、用戶許可、使用管理、調度執行等。用戶管理對用戶提出的服務申請負責審核。安全管理負責網絡安全、數據安全、用戶使用安全等。資源管理主要對虛擬資源池進行管理，包括增刪、調用、修改、維護等，同時對各種虛擬資源進行負載均衡和調度，為上層服務進行自發調節與全局調節［10］以提供保障基礎。數據管理主要存儲和維護用戶以及實驗云系統中的數據，云系統將各種數據都通過網絡保存到遠端云存儲平臺上，減小了用戶對于數據管理的負擔。服務質量管理包括資源定制的時效性、按需服務的可用性及網絡性能的保障性等。云系統管理層還為管理員提供一個平臺，在實驗室的日常運行維護中可以方便地完成教學管理、資源配置和實驗部署等日常工作，還可以進行硬件資源的平滑擴展和軟件資源的升級與更新，以及在虛擬化資源上提供新型的定制實驗內容等非日常維護工作。

3　基于云計算技術的高校實驗室信息化整體性能分析

3.1降低硬件成本 這構建合理的資源共享空間

在傳統的高校實驗室建設中，硬件約占總投入的70%以上，并且實驗室的使用效率很大程度上受制

于計算機硬件水平的高低。基于云計算技術實現實驗室信息化后，各實驗室聯系構成一個實驗云系統。云系統對用戶端的硬件配置要求很低，用戶只需擁有鼠標、鍵盤就可以上網接入到云系統共享云計算技術提供的各種資源，使實驗室的功能更強大，應用范圍更廣泛。學校不再需要花費巨額資金購置大量高性能設備就可以滿足實驗用戶多層次的需求，極大地降低了實驗室建設中購置軟硬件設施及設備維護更新的成本，從而以較低的投入獲得高性能。

3.2簡化資源配置 構建高效的運行維護環境實驗云系統通過云計算技術給用戶提供基礎設施、應用平臺及軟件三方面的服務。基礎設施的運行維護由云系統提供，軟件的更新換代也由云系統提供，極大地提高了資源利用率，簡化了實驗室資源配置與管理，從而減輕了實驗軟硬件頻繁更新維護的壓力，用戶只需要運行瀏覽器就可以享受云計算技術帶來的便利。

3.3強化信息管理 構建安全的數據存儲空間

信息數據安全是實驗室安全的一個重要方面。為了滿足實驗教學和科研的需要，高校實驗室需要不斷購置、更新數據庫服務器來滿足日益增長的實驗信息數據存儲的需求。實驗室存在大量重要的信息資源和數據需要存儲、處理和使用，而猖獗的計算機病毒、網絡惡意攻擊等都對數據的存儲、處理構成嚴重的威脅。在實現實驗室信息化后，各種數據包括用戶數據都通過網絡實時保存到遠端的實驗云系統中，平臺上的數據和應用時刻處于安全狀態下，同時用于實驗教學與科研所需數據可以從實驗云系統安全下載，不僅杜絕了U盤、移動硬盤等的使用，而且實驗參數的實時保存能夠保證實驗系列的完整連續性，供后續檢查和分析研究之用。用戶的數據資源存儲在實驗云系統服務器上，進行專業管理，用戶通過嚴格的權限管理策略實現數據共享，用戶端突然斷電或死機不會對實驗云系統以及信息數據產生影響。用戶不必擔心數據損壞、病毒猖獗，有效地提高了實驗教學的質量，提高了實驗室的安全系數。算技術的應用給高校實驗教學帶來了機遇，加快了高校信息化進程。學生可以通過實驗室信息化平臺更好地自主學習，使實驗教學變成更能夠滿足個性化學習的信息化教學，極大地優化了教與學的環境，提高了管與用的效能。

3.4優化網絡資源 構建高效的資源服務體系

通過云計算技術的優化應用，實驗室的海量信息資源和服務可以隨時、便捷地提供給用戶共享，解決了軟硬件資源不足，分布不均的問題。例如：當用戶需要虛擬機時，只需要在線申請，填寫所需服務器的具體配置，管理員審核通過之后，平臺就會自動生成相應的虛擬機，既方便了用戶也方便了管理員。云計

4　結束語

本文在分析比較傳統實驗室建設與管理中存在的運維難度大、資源共享差、系統安全隱患大等問題的基礎上，整合實驗室現有硬件設備，運用云計算技術構建實驗室信息化平臺架構。闡述高校實驗室信息化構建了合理的資源共享和數據安全存儲的空間，構建了高效的運行維護環境和資源服務體系，為師生創造一個良好的科研與實驗教學環境。

參考文獻

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［10］ 張偉哲，張宏莉，張迪，程濤.云計算平臺中多虛擬機內存協同優化略研究［J］.計算機學報，2011，34（12）：2261-2277.

收稿日期：2015-12-03

作者簡介：葉雪琳，本科，實驗師。胡忠望，碩士，教授。基金項目：肇慶學院質量工程及教學改革項目（編號：zlgc 201522）。

Research on the Application of Information Technology in University Laboratory Based on Cloud Computing Technology

Ye Xuelin1， Hu Zhongwang2
1. College of foreign languages， Zhaoqing University， Zhaoqing， 526061， China 2. College of computer， Zhaoqing University， Zhaoqing， 526061， China

Abstract：Aiming at the existing problem of the traditional laboratory， the introduction of cloud computing technology integrating heterogeneous resources and reform the experimental teaching mode. Based on cloud computing technology laboratory of colleges and universities information platform architecture， and discusses its overall performance.

Key words：cloud computing；laboratory information；experimental cloud system；IaaS；PaaS；SaaS