高校實驗室云平臺的建設(shè)研究

朱林+李香菊+謝修娟

摘 要：為了充分整合實驗室的軟硬件資源，切實提高高校實驗教學(xué)整體質(zhì)量，本文擬建立基于云計算的高校實驗室云平臺，并對研究內(nèi)容與解決方案做進一步的闡述，以建立一種功能齊全、高效實用的實驗室云平臺綜合服務(wù)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：實驗室；云平臺；軟硬件資源

實驗室是高校進行教學(xué)的主要場所之一，將云計算技術(shù)引入高校實驗室的建設(shè)并建立相應(yīng)的云平臺，可以充分整合實驗室的軟硬件資源，改進實驗室管理模式，提高管理效率，實現(xiàn)管理流程化，為教學(xué)與科研提供有力支撐。

一、研究背景

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，以及信息技術(shù)的飛速發(fā)展，云計算作為一種新興的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在眾多領(lǐng)域發(fā)揮著不可忽視的作用。在高校教育方面，國家對信息化教育的推進促進了高校教育的改革。高校作為培養(yǎng)現(xiàn)代化高素質(zhì)應(yīng)用型人才的基地，實驗室在學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中發(fā)揮著重要的作用。建立高校實驗室云平臺，可以為高校教學(xué)提供快捷高效的流程化管理。同時，借助移動互聯(lián)網(wǎng)，管理者可通過手機登錄平臺進行相應(yīng)的管理和審批工作。最后，通過系統(tǒng)對實驗室中的各種實驗和教學(xué)進行系統(tǒng)規(guī)劃和管控，提升高校實驗教學(xué)的整體質(zhì)量。

二、研究內(nèi)容

在傳統(tǒng)模式下，高校如果要建立自己的實驗室，不僅需要花費大量的金錢購買服務(wù)器、交換機、機箱和顯示器等硬件基礎(chǔ)設(shè)施；還需購買各種應(yīng)用軟件及其許可證，另外還要專門的技術(shù)人員進行維護。高校在建設(shè)實驗室的過程中，都是以院系為單位進行，不同的院系建立不同的實驗室，容易造成實驗室的重復(fù)建設(shè)、資源冗余、浪費資金。如何在有限的資金的基礎(chǔ)上建設(shè)管理高效、資源利用率高的實驗室，是高校實驗教學(xué)管理的重要內(nèi)容。云計算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的信息共享技術(shù)，采用并行、分布式計算等計算技術(shù)，使相關(guān)的系統(tǒng)根據(jù)需要獲取計算及存儲能力。

自云計算的概念被提出后，隨之衍生的技術(shù)產(chǎn)品眾多。先后出現(xiàn)了谷歌的APP Engine、亞馬孫的彈性云、百度云以及Apache VCL，VMware等。這些云計算技術(shù)都可以作為高校實驗室云平臺的建設(shè)技術(shù)，可以從以下幾個方面進行研究：

（1）以國內(nèi)高校實驗室為研究背景。通過對國內(nèi)各高校實驗室建設(shè)的現(xiàn)狀進行研究，對高校實驗室云平臺的體系、應(yīng)用技術(shù)進行分析。

（2）對云計算技術(shù)的應(yīng)用、工作原理以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行研究，并對其使用范疇進行說明。

（3）在以上研究的基礎(chǔ)上，對高校實驗室云平臺進行了架構(gòu)的設(shè)計研究，以及基本運作流程的分析說明。

三、存在問題及解決方案

1.存在問題

目前，高校的實驗室機房仍以傳統(tǒng)的一人一機的模式運行，大多時候硬件設(shè)備利用率不高。同時，設(shè)備之間獨立運行，大部分硬件在使用過程中僅僅充當(dāng)了一個簡單的角色，沒有充分利用起來。單單靠這些設(shè)備，遠遠不能滿足目前實踐教學(xué)的需求。

在計算機實驗室的實際建設(shè)過程中，也存在較多的問題：

（1）硬件資源利用率低

為滿足教學(xué)及科研需求，高校在實驗室的建設(shè)上往往要投入大量的人力物力資源。但電子產(chǎn)品更新?lián)Q代速度加快，通常師生的需求與現(xiàn)有的硬件資源不匹配，得不到滿足。另一方面，實驗室只在特定的時間內(nèi)對特定的人開放，大部分時間處于空閑狀態(tài)，資源因得不到充分的利用而造成嚴重的浪費。

（2）實驗室建設(shè)成本過高

目前，高校實驗室一般為傳統(tǒng)的個人計算機機房模式，規(guī)模等到限制，計算機軟件更新以及硬件的換代頻繁，在此過程中需專門的計算機技術(shù)人員參與，花費大量的精力以及財力。

（3）安全性和靈活性差

高校實驗室計算機作為學(xué)生進行實驗驗證的重要工具，在學(xué)生日常上機過程中，經(jīng)常伴隨著外來存儲設(shè)備的插拔，極易感染病毒而全面擴散導(dǎo)致整個實驗室局域網(wǎng)內(nèi)計算機的正常使用受到影響，嚴重的可能會造成巨大的損失。

2.解決方案

針對前面提到的實驗室管理現(xiàn)狀和設(shè)備現(xiàn)狀，高校可適當(dāng)購進一批設(shè)備如服務(wù)器、交換機等，構(gòu)成一個云；一般來說，只要不是所有的設(shè)備都處于負載飽和狀態(tài)，就不會出現(xiàn)服務(wù)器崩潰及與之配套的實驗無法開展的情況。

在功能需求方面，結(jié)合通過硬件設(shè)施組成的物理云可知，實驗室云平臺的建設(shè)需保證一定的功能可行性。由教師提出開設(shè)實驗環(huán)境的需求，云平臺管理中心根據(jù)這些需求，進行相關(guān)的服務(wù)配置，滿足用戶的需求。對于某些實驗，管理員可根據(jù)實際情況進行云平臺的開啟與關(guān)閉時間段的配置，使相關(guān)人員從煩瑣的日常工作中解放出來，提高工作效率。

在系統(tǒng)建設(shè)方面，系統(tǒng)主要包括實驗環(huán)境管理、實驗教學(xué)管理、實驗監(jiān)控管理、云平臺管理以及權(quán)限管理等功能模塊。系統(tǒng)可以采用軟件工程的一般過程，即需求、設(shè)計、開發(fā)、測試、上線運行、總結(jié)等環(huán)節(jié)，按照相關(guān)標準，采用典型的三層架構(gòu)模式開發(fā)技術(shù)，利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，并結(jié)合利用數(shù)據(jù)庫建模技術(shù)等，建成一套架構(gòu)穩(wěn)定、易于擴展且符合高校當(dāng)前實際的實驗室云平臺綜合服務(wù)系統(tǒng)。

系統(tǒng)各模塊功能介紹如下：

（1）實驗環(huán)境管理。實驗環(huán)境是在軟硬件設(shè)備的整體支持下，能對相關(guān)實驗進行操作的平臺。對于高校實驗室云平臺環(huán)境，實驗室管理員在進行實驗環(huán)境的初次配置時，需要對操作系統(tǒng)或軟件的初始環(huán)境進行設(shè)置，安裝與實驗相關(guān)的軟件及其腳本，另外還需要對教師提出的實驗環(huán)境的申請進行審核和創(chuàng)建等。

（2）實驗教學(xué)管理。實驗教學(xué)的管理包括實驗大綱管理、實驗安排管理、實驗任務(wù)管理、實驗監(jiān)控管理。管理員和教師通過該系統(tǒng)對每學(xué)期的實驗教學(xué)進行管理，可在每學(xué)期實驗課程開始之前對本學(xué)期的實驗課信息進行配置，包括學(xué)期的起止結(jié)束時間、本學(xué)期相關(guān)課程的實驗安排，實驗任務(wù)的預(yù)約、執(zhí)行等操作。

（3）權(quán)限管理。權(quán)限管理模塊的具體功能包括用戶管理、資源管理以及認證鑒權(quán)等認證功能。認證功能是學(xué)生或教師選擇相應(yīng)的身份，輸入與之對應(yīng)的密碼，經(jīng)系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)庫的匹配認證后進入系統(tǒng)；鑒權(quán)功能指管理員登錄系統(tǒng)，對教師、學(xué)生等用戶身份的信息進行操作；資源管理是指系統(tǒng)根據(jù)用戶的身份以及需求來分配角色及對應(yīng)的資源，如硬盤、內(nèi)存等硬件資源，當(dāng)用戶對系統(tǒng)進行注銷操作時，系統(tǒng)對其資源進行回收；授權(quán)功能是指系統(tǒng)對登陸的用戶擁有的資源進行檢查、分配，并對其在系統(tǒng)中的權(quán)限進行限制，如管理員可查看后臺數(shù)據(jù)，學(xué)生只能對系統(tǒng)中對學(xué)生提供的功能進行使用，教師可查看學(xué)生機所處的狀態(tài)而不能對系統(tǒng)的環(huán)境進行更改等。

四、總結(jié)

本論文就高校實驗室云平臺的建設(shè)展開相應(yīng)的研究，從云平臺的體系、應(yīng)用技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及運作流程方面展開研究內(nèi)容的論述，仔細分析在實際應(yīng)用中存在的問題并提出相應(yīng)的解決方案，切實提升高校實驗教學(xué)的整體質(zhì)量。

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作者簡介：朱林（1981— ），男，碩士，講師，研究方向：軟件工程、電子商務(wù)。