高校機房實驗室管理系統云計算技術應用策略

錢俊 楊誼 喻德曠

摘要：為提高機房實驗室教學效益和資源利用率，提出一種智能、高效和集成的實驗室管理模式。在分析機房實驗室管理需求和問題基礎上，探討機房實驗室管理信息化發展模式。介紹了實驗室管理中應用云計算技術的策略和實施方法。充分利用云計算技術，有效整合現有資源，實現資源的池化共享和按需使用，提升資源配置靈活度和利用率，降低維護難度和工作量，實現實驗室管理的信息化升級。

關鍵詞：高校實驗室;管理模式;云計算技術;資源整合;虛擬化;系統架構

Cloud Computing Technology and Strategy of Laboratory

Management System in University Laboratory

QIAN Jun，YANG Yi，YU De?kuang

（Southern Medical University?Biomedical Engineering School， Guangzhou 510515， China）

Abstract：In order to improve teaching efficiency and resource utilization ratio， an intelligent， efficient and integrated laboratory management mode was proposed in this paper. Based on analysis of the needs and problems of laboratory management， this paper discussed the development mode of the information technology of laboratory management， introduced the strategies and implementation methods of the application of cloud computing technology in the laboratory management， and made full use of the cloud computing technology to effectively integrate the existing resources and realize the pool sharing and the use of the resources， to improve the flexibility and utilization of resource allocation， reduce maintenance difficulty and workload， and achieve the target of information upgrading of laboratory management.

Key Words： management model laboratories in universities; cloud computing technology; resource integration; virtualization; system architecture

0?引言

美國國家標準與技術研究院（NIST）對云計算（cloud computing）作出如下定義：一種按使用量付費的模式，提供可用的、便捷的、按需的網絡訪問，進入可配置的計算資源共享池，就能獲得網絡、服務器、存儲的數據以及應用軟件的功能[1]。云計算經過10多年的發展，已經產生了越來越大的影響力，對產業、學術和教育領域帶來巨大改變。利用虛擬化技術構建的云計算平臺， 能夠動態組織異構化計算資源，實現軟硬件解耦，從而靈活構建多種計算環境，滿足用戶的不同需求[2]。云計算技術的最大特點是資源池化共享和按需使用：大量的計算、存儲、網絡與軟件資源鏈接在一起，構成大規模資源池，通過服務的形式向遠程用戶按需交付，用戶可通過電腦、筆記本、手機等多種方式靈活地接入數據中心獲取服務[3]。

隨著網絡和移動開發技術、人工智能、大數據分析技術的迅速發展，高校相關專業增加了大量新的前沿課程，對于機房實驗室的技術配置、實驗環境和使用過程也有了更高的要求。將云計算技術與機房實驗室信息化管理相結合，能夠充分、有效地整合資源，提升機房實驗室基礎配置和管理水平，更好地為教學實驗、學生課外科研活動及拓展提供學習服務。文獻[4]介紹了我國大部分高校云計算技術應用的3個層次以及各自的功能;文獻[5]介紹了利用Thin Puter OVD 搭建桌面云環境的建設方案;文獻[6]實現了基于資源優化配置的實驗室管理系統;文獻[7] 通過標準的Web瀏覽器提供應用程序服務，介紹了實驗室云平臺的SaaS服務;文獻[8] 設計了集成互聯網和云計算、圖像識別、遠程傳感、機器學習等人工智能技術的實驗室管理系統;文獻[9]介紹了云計算軟件在機房實驗室管理中的應用;文獻[10] 分析了實驗室在基礎設施建設中的問題;文獻[11]設計了遠程硬件實踐教學平臺，文獻[12?19] 分別提出利用特定的虛擬化技術XenServer、VMWare、Opanstack等建設虛擬實驗平臺;文獻[20?21] 針對信息安全的特殊需求，提出以私有云為基礎實現信息安全的方法。

已有研究從實驗室建設和管理角度出發，闡述了用云計算技術進行虛擬實驗室建設的原理，以及相應的環境搭建技術。對高校實驗室管理現狀與發展要求進行分析發現，實踐教學是一個復雜的過程，除環境設置外，還包括內容開發、教學過程實施、效果評估等環節，因此在借鑒相關技術基礎之上，本文總結出機房實驗室管理的云計算技術與策略，并介紹了管理平臺的設計方案、關鍵技術、部署實施和服務于實踐教學等功能，使之實用性和針對性更強。

1?高校實驗室管理現狀與發展要求

高校實驗教學課程種類和門數較多，機房實驗室使用頻率高，導致設備故障率較高，需要大量的日常維護和維修。以筆者學校為例，共有12個公共機房實驗室（每個機房機器數量為110臺）和23個專業機房實驗室（機器數量為20?100不等），設備類型較多，同一類型設備的配置也不盡相同，設備維護、軟件升級和硬件更新的工作量很大。另一方面，計算機、醫療儀器、實驗裝置等設備更新換代很快，設備購置成本較高，大部分機房實驗室功能比較單一，只能提供特定的實驗條件，導致利用率不高。

目前許多高校都在加強機房實驗室管理能力，但往往局限于常規的網絡建設與維護、單個機房的軟件批量升級，尚未形成資源的按需配置，也沒有實現機房實驗室之間的信息交互、數據共享以及工作任務的合理安排。

充分發揮高校機房實驗室在教學和科研上的功能，必須變革人工式的機房實驗室管理舊模式，引入以云計算和虛擬化為代表的新技術，實現管理自動化、信息化、科學化，充分發揮機房實驗室已有功能，在盡量減少設備更新替換、節約總開支的前提下，提升平臺水平，開展具有特色的實驗教學和探索性科學研究。

2?云計算技術與策略

2.1?設計思路

傳統的機房實驗室管理模式對設備信息等資源利用率低，管理和維護成本高，云計算為解決這些問題提供了一個有效途徑。云計算技術將數據通過網絡保存到遠端的云存儲平臺上，處理數據的服務程序在遠程云計算平臺執行，應用系統建立在服務器集群上，通過基礎設施與上層應用程序協同構建，以達到最大效率利用硬件資源的目的[4]。遠程云服務器具有強大的計算和存儲能力，大大減輕了客戶端負擔。資源虛擬化技術將本地設備擴展成規模更大、類型更多的虛擬平臺，通過配置實現多種類型的虛擬實驗環境，增加了用戶使用的靈活度，使機房實驗室負載得以平衡。

機房實驗室管理中運用云計算技術主要包括資源池設計、虛擬化管理、數據存儲與共享3方面。

（1）資源池設計。服務器是一種具有特定功能的計算機程序，它以一臺計算機作為運行載體，通過網絡同時為多個用戶提供服務。單臺計算機的處理能力有限，硬件和軟件故障將直接導致服務器崩潰、服務中斷。池化從全新視角進行服務器資源的管理和分配，采用面向服務、面向需求的系統資源分配方法整合、改善和優化服務器計算資源：一臺計算機可以提供多個服務，一個服務也可由多臺計算機提供;運行于不同計算機上的相同服務器組成一個虛擬服務器池，也就是把多臺單機集成為一臺超級服務器。通過對服務器池的統一管理和操作，最大限度地利用現有計算資源，實現計算資源的均衡、協調分配，具有強大的容錯機制，能提高整體服務質量。實現策略是在服務器上安裝虛擬化軟件，將服務器池化。

（2）在資源池基礎上面向用戶終端虛擬化管理。將池化后的虛擬桌面基礎架構、桌面、應用等分別組成集群，在虛擬機上進行統一監控和管理。利用虛擬桌面管理軟件，采用B/S 架構對虛擬化桌面、應用虛擬化和服務器虛擬化3個資源池統一管理，對硬件設備和虛擬資源集中管理，支持虛擬機的快速部署和策略調度。

（3）數據存儲與共享。數據存儲包括向虛擬桌面提供系統空間、數據空間和管理空間，各類數據（程序、文件、文檔、用戶信息、系統記錄等）都存儲在主存儲器上，在桌面云系統中對這些資源進行調用，對主存儲器進行安全防護，保證數據資源不被盜取或破壞。例如，硬盤是故障率最高的部件之一，在實現多盤存儲資源池后，當單個硬盤出現故障時，可及時使用其它硬盤資源進行無損恢復，無需更換硬盤。數據共享則可通過網絡的各類通信機制，在完成權限認證后進行傳遞、下載。

2.2?設計方案

機房實驗室管理的云計算技術體系結構從底層到高層分為基礎設施、應用平臺和用戶管理3層，它們之間的關系及與用戶終端的交互功能如表1所示。

該體系結構底層由物理層（Hardware as a Service，HaaS）和資源層（Infrastructure as a Service， Iaas）構成。物理層包括服務器、網絡及存儲，提供HaaS服務，基礎架構即服務（IaaS）或基礎架構云。實驗室平臺硬件底層設施經過云化改造之后，由資源池代替實際設備，通過Web分配更多的存儲或處理容量，比直接在基礎環境中引入和安裝新硬件要快得多。資源服務層構建在物理層之上，利用虛擬化技術將底層硬件設備轉化為資源池，由統一的平臺管理，使資源按需分配到虛擬機上。

中層提供業務創建應用平臺。PaaS（Platform as a service）平臺即服務是云環境下的應用基礎設施，為部署和運行應用系統提供基礎設施資源，應用開發人員無需關心底層硬件，并且可根據應用需求動態擴展應用系統所需資源。實驗信息網用戶的信令、協議以及昂貴的部署平臺等問題都可通過云計算PaaS解決。

高層以軟件即服務SaaS（Software as a Service）的形式提供多樣化服務。用戶通過標準的Web瀏覽器使用云計算平臺上的軟件，不需手動管理和部署IT 環境，支持面向具體應用的服務。數據存儲在Haas中，用戶能隨時從云端獲取開發資源，實現個性化服務整合和信息聚合。以移動應用為例，服務器通過標準的Web瀏覽器向遠程客戶提供應用程序服務，客戶端可以是普通電腦、手機、iPad等終端，復雜的功能都在網絡上實現，用戶終端功能大大簡化，免于維護，安全性高。

2.3?關鍵技術

基于云計算的機房實驗管理系統涉及的主要關鍵技術有：

（1）虛擬化技術。虛擬化是指計算機元件在虛擬的基礎上而不是真實的基礎上運行。虛擬化技術可以擴大硬件容量，簡化軟件重新配置過程。主要有服務器虛擬化、存儲虛擬化、應用虛擬化和桌面虛擬化等[10]。實驗室管理利用云平臺提供的虛擬資源建立各類實驗環境，應用程序在相互獨立的空間內運行而互不影響。

（2）SOA（service?oriented architecture）。SOA是面向服務的架構，將應用程序的不同功能單元（稱為服務）通過這些服務之間定義良好的接口和契約聯系起來。接口采用中立的方式進行定義，獨立于實現服務的硬件平臺、操作系統和編程語言。實踐教學系統包含多個不同類型的服務，可以統一的方式交互。服務以SOA 方式組織，既能靈活擴展，又易于開發實現。

（3）大數據處理技術。大數據指體量和類別都十分龐大的數據集，例如實驗教學中產生的大量應用數據、系統數據和行為數據，用傳統數據庫工具管理較困難。云計算技術在獲取、存儲和處理海量數據方面有著獨特優勢，一方面在于其聯網多臺計算機資源，另一方面得益于不斷發展的深度學習技術，對用戶數據的分析、發現可用于認知過程的監控和管理，提升學習水平、提供精準輔導等。

（4）安全認證。實踐教學系統要采用適當的安全技術，如加密、認證、冗余、備份、審計等，保證服務的正常提供、硬件設施的正常運行和云計算軟件系統、用戶數據的安全存儲。實踐教學活動的安全技術包括登錄、驗證、攻擊防范等。

2.4?構建過程

（1）構建虛擬化IT 架構。利用云桌面技術為實驗室機房網絡和服務器共建若干個資源池，通過B/S 架構統一管理，根據需要動態創建、刪除、備份虛擬機。

（2）建立管理平臺。后臺管理人員在平臺上對軟硬件環境進行修改和發布，就可實現實驗環境的配置批量更新，也支持單獨的個性化環境配置，為實踐教學提供日程安排、人員配置、設備報修和采購等功能。

（3）部署實驗教學服務，建立和維護實驗環境。利用云桌面根據不同專業和用戶需求制作虛擬系統映像。系統創建、發布或更新都是批量進行的，大大節約了時間和精力。采用統一的用戶管理界面，用戶通過瀏覽器即可訪問平臺，無需安裝客戶端。

各部分管理如下：教室管理。將客戶端劃分到不同機房或實驗室中，每臺客戶終端可擁有不同的虛擬云桌面，同一場地可開展多種實驗課程。

課表管理。管理者在系統中輸入課表安排，進行課程和場地的平衡安排，在需要調課時盡量減少對其它課程的干擾。

環境參數管理。通過云桌面可創建不同的環境參數，適應于不同的教學活動，如課程實驗、課外科研、創新實驗、等級考試等。

安全保障設置。建議使用多臺服務器進行管理和數據存儲，平時定期做好數據庫備份和日志記錄，一旦某臺服務器失效系統立即將該服務器上的虛擬機整體遷移至其它正常服務器上，不會中斷用戶操作，避免了信息丟失。

效率與負載均衡。在大量用戶同時使用時，通過筆者研發的改進粒子群智能選擇算法，收集監控各計算節點的動態信息，如CPU 占用率、內存占用率和虛擬機個數、進程切換頻度等信息，在服務器之間進行負載調整，保證用戶操作具有良好的體驗。

4?結語

云計算是一種靈活的資源提供方式，充分了解和認識云計算技術，構建基于云計算的虛擬化實驗環境，能極大提高機房資源利用效率，方便實驗室管理。本文應用云計算技術建立虛擬實驗室，在云平臺中開發、部署實踐教學服務。介紹了管理系統架構，云計算技術與策略，管理平臺的設計方案、關鍵技術、部署實施和服務于實踐教學的功能，包括實踐環境的配置、數據存儲交互、日程安排，解決了傳統安裝配置的復雜性及低效率。在云計算技術支持下，機房實驗室管理平臺能更加靈活地提供實驗環境和資源，方便師生的實驗教學和科研活動。教師還可使用網絡積累的學生行為數據，做好過程管理與精準輔導工作。

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