高校實驗室計算機管理中云計算技術的應用探索

俞 潔

目前高校實驗室建設規模逐漸擴大，實驗用計算機數量大幅增加，同時學生對計算機的需求也在逐漸增加。云計算技術能夠實現資源池化共享，讓每個使用高校計算機的師生都能快速通過智能網絡設備接入數據中心獲取服務，真正做到了資源按需分配。借助云計算技術，學生可以用配置較低的設備實現研究需求，有效降低了學校投入，為學術研究的正常進行提供了必要保證。

一、云計算技術概述

（一）云計算的概念

云計算技術是基于網絡、服務中心、分布式計算等技術發展而來的一種新型數字化技術。它按量付費，可實現計算能力共享、數據共享，讓普通用戶享受超級計算機的算力和海量的數據。人們經常使用的百度、谷歌等搜索引擎，使用者只需輸入簡單指令，通過云計算技術，即可完成大量數據的檢索和查找，實現數據共享[1]。

二、高校實驗室計算機管理存在的問題

（一）建設成本高，利用率較低

高校實驗室的計算機通常根據需求點來進行設置，在每個需求點最少要設置一臺以上的計算機，由于高校理化類專業對實驗室的需求屬于剛性需求，且很難在外部環境找到可以替代的設備，這也導致高校實驗室對某些專業來說屬于稀缺資源。雖然近年來各大高校為滿足學術研究需求不斷對實驗室進行擴建，然而隨著高校擴招和學生數量的增加，對于部分熱門專業來說，現有的實驗室用計算機依然無法滿足教學需求和研究需求。實驗室對于計算機性能有一定要求，在使用的過程中，需要配合教研需求不斷加裝各類硬件設施和軟件設施，這導致部署計算機的成本逐漸提升[2]。

（二）管理難度大，設備更新慢

計算機設備本身具有一定的精密性，硬件設施需要定期涂抹硅脂和清灰處理，內部環境需要定期做好木馬查殺和系統更新工作，為了避免錯誤告警和文件誤刪情況的發生，需要具備專業技能的人員定期進行維護，一旦清理出現問題，則很可能影響計算機的正常使用。由于電腦設備的更新換代速度較快，同一個實驗室中的計算機的型號和系統可能存在差異，這也給計算機的維護工作帶來了一定困難。

三、高校實驗室計算機管理中應用云計算技術的策略

（一）應用云計算技術，實現資源池設計

在建設高校實驗室的過程中，除了計算機外，通常還需要架設服務器以儲存信息，并為多個用戶提供服務。在搭建資源池的時候，可以將多個服務器組成一個虛擬服務器池，將多臺服務器的功能集中在一起，集成為一臺超級服務器。超級服務器的功能性和穩定性相比以往大幅增強，能夠有效提升單臺計算機的處理能力，均衡分配、調控計算功能，有效提高容錯率，降低服務器波動、重啟、崩潰的概率，保證服務質量。資源池可以應用于處理大量的數據和計算程序，保證計算機的計算流暢度，增加數據資源庫的有效存儲量，實現數據的統一有效管理。這種處理方式有效降低了購置大容量服務器的成本投入，提高了使用率，計算機主機可根據自身需求使用，充分滿足了高校實驗研究和教學的需求，降低了資源管理難度[3]。

以教學為例，在實驗課程中應用計算機進行演示和教學時，涉及的學生數量較多。由于大量的用戶在同一時間使用網絡功能，很可能出現網絡擁堵的情況，影響學生的使用和學習。教師應用云計算技術，可以建立一個將所有的計算機和學生信息都容納在一起的客戶端，給予他們進入服務器以及自由提取數據資源的權限，并利用實驗室的計算機提供具有一定規范性的接口，允許學生按照一定次序接入訪問，從而有效降低網絡擁擠可能帶來的風險。

（二）云計算實現計算資源的虛擬化管理，完善整體架構

云計算技術可以將CPU、內存、存儲空間等物理計算資源轉化為虛擬的邏輯資源，是云計算的重要應用，它打破了實體障礙，實現資源的合理利用，有效實現資源的抽象計算。這種技術打破了原有資源在地域或是物理狀態上的限制，有效提升了服務器的性能，為教學和學術研究的開展提供了必要保證。

在應用上，管理人員可以借助虛擬化管理，搭建全校實驗室的計算機管理整體架構，優化各項操作流程，避免資源的不必要浪費。架構本身可分為四層，分別為終端接入層、計算設備硬件層、邏輯資源管理層和用戶應用管理層。

終端接入層讓計算機以云計算技術為橋梁，實現終端計算資源共享，保證了計算資源的最大化利用。例如在建立實驗室的過程中，可以將云客戶端程序安裝在實驗室終端計算機上，直接將多個計算機的資源連接在一起，在不消耗資金進行硬件升級的前提下，提升計算機的各項性能，滿足教學和研究需求，有效降低計算機硬件投入成本和后期維護成本。學生和教師通過手機等終端也能登錄系統進行工作和學習，享受高性能計算機的功能[4]。

計算設備硬件層將網絡設備、計算資源設備和數據儲存設備連接在一起，通過這種方式實現資源的有效管理，實現存儲空間的最大化，提升操作處理的便捷性。

邏輯資源管理層承擔著將物理資源轉化為邏輯資源的重要功能，是降低管理難度、提升資源利用率、實現資源虛擬化的重要步驟之一，有助于實現資源的統一化管理。在傳統數據管理過程中，如果單一數據所占空間資源較大，則必須將數據拆分后放入兩個不同的存儲空間當中，在使用時則需要將二者重新組合在一起，整個應用流程過于復雜煩瑣，而邏輯資源管理層將數據存儲設備連接在一起后，使用者可以在不將兩組數據組成在一起的情況下正常進行使用操作，有效降低了操作流程的復雜程度[5]。

用戶應用管理層是高校師生操作計算機，使用虛擬資源的必要功能，能夠根據不同用戶的需求，發送各類工具軟件，滿足不同種類實驗的需要，同時，還承擔對用戶身份和授權的管理功能。

（三）構建實驗室云計算平臺，提高管理效率

構建實驗室云計算平臺的目的在于方便學生的操作，利用云計算技術實現內部資源的合理利用，在降低學校更新計算機硬件設備和租用網絡服務器的資金開支的同時，保證服務質量。云計算平臺建立后，高校可以通過云端服務器直接管理學生的計算機，控制軟件的使用和更新，完成軟件的升級和內部服務系統的管理，增強管理便捷性，降低管理負擔。

在構建實驗室云計算平臺的過程中，工作人員可以創設相應客戶端，將客戶端與網絡瀏覽器連接在一起，學校師生可以通過實驗室的計算機登錄云端，接入網絡瀏覽器，在瀏覽器中直接查詢服務器中的數據資料，完成數據信息的快速瀏覽，降低操作難度，實現資源共享。除瀏覽器接入外，還可以在內網環境下實現無線接入，讓所有在同一Wi-Fi環境下的智能手機、個人電腦、平板設備都能接入服務器，快速提取數據，實現資源的共享。

在應用云計算模型搭建云客戶端的過程中，可以結合高校實驗室計算機的特點進行細致化管理，保證資源處理體系符合使用需求。考慮到計算機設備本身的性能有限，可以對桌面管理系統進行應用虛擬化管理，保證安全性。部分學生利用計算機完成論文寫作和數據整理，在傳統情況下，如果服務器出現波動，則很可能會強制中斷當前用戶的操作，必須等待服務器恢復后，對計算機設備進行重啟，計算機才能恢復正常，這也容易造成數據的損壞和文件崩潰。為了避免此類情況出現，保證操作穩定性，可以在云計算實驗室的計算機當中加入云桌面系統，即使節點網絡出現故障，也不會影響正常的用戶操作，有效保證了學習或實驗作業的連貫性和安全性。桌面云系統的建立可以將用戶的各類數據記錄到主存儲器當中，在云系統中對資源進行調用，可以有效避免網絡木馬和黑客攻擊給數據資源帶來的風險，避免數據資源被盜取或破壞。以硬盤為例，一旦硬盤出現故障，則很可能導致電腦數據丟失，而多盤存儲資源池建立后，如果單個硬盤出現問題，可以借助其他硬盤的資源對其進行恢復，有效降低了維修成本，保證了使用連續性[6]。

（四）搭建實驗室云計算管理體系，實現功能整合

實驗室云計算管理體系主要應用云計算技術對服務器進行管理，整個技術結構可分為基礎設施、應用中心和用戶服務中心三個層面。基礎設施的底層結構可以分為兩層設置，即由存儲設備、網絡設備及服務器等組成的物理層提供HaaS（Hardwareasa service）服務，資源層IaaS（Infrastructure as a Service）負責基礎架構，由資源池代替實際設備。這樣可以提升處理速度，為實驗室計算機提供虛擬硬件、API（Application Programming Interface）等服務功能。應用中心主要負責提供業務創建應用平臺。PaaS（Platformas a Service）平臺是基礎應用設施，為系統運行提供基礎設施資源，保證系統正常運行，例如提供虛擬業務平臺、云端操作系統、管理平臺、應用服務等。用戶服務中心主要負責提供軟件服務，包括提供各類應用程序、管理系統、開發工具等。

（五）建設虛擬化桌面，提高資源利用率

桌面虛擬化技術以云計算技術為基礎，將數據的運行存儲與操作桌面相互分離，并由數據中心對相關數據進行統一管理。由于所有的運算過程在數據中心完成，計算機只起到顯示數據和實現操作的作用，對于計算機的硬件設備的要求較低，同時管理人員可以通過自身權限對桌面功能和應用進行統一配置管理，優化教學效果，降低管理工作量。高校計算機的教學研究涉及許多專業的軟件，部分軟件需要在特定的環境和系統中才能有效運行，虛擬化桌面可以根據教師需求隨意更改內容，保證內容與需求相符合，因此這種管理方式尤其適用于高校計算機實驗室這種教研需求多樣化的環境。

由于計算機不再負擔計算需求，所起到的主要是顯示運行結果圖像的作用，這也讓計算機的耗電量得到有效降低，電費成本大大縮減。在管理方面，師生可以根據自身需求，使用隨身攜帶的終端設備訪問網絡，進行實驗研究，打破傳統高校實驗室的時間和空間限制，提高教研互動效率。

在虛擬桌面建設過程中，其核心技術在于服務器的虛擬化，需要根據虛擬桌面協議，將服務器的運行操作結果以桌面環境的顯示狀態發送給終端設備。整個過程大致為：用戶終端設備發出指令，指令進入交換機，交換機接收指令后將其發送給網絡交換機，通過虛擬化資源池完成相應操作指令。存儲單元在這期間負責提供數據，反饋操作結果，在操作完成后將信息結果以虛擬桌面的形式發送到網絡交換機當中，經由接入交換機回傳給用戶終端設備，完成虛擬化應用服務。高校在計算機的采購成本得到降低的同時，應結合自身需求，適當增加服務器的運營投入成本，通常情況下，一臺服務能夠滿足30臺左右的客戶端的服務需求，客戶端數量越多，服務體驗就越差，學校應根據需求數量，適當增加服務器數量，滿足服務需求。

綜上所述，在高校實驗室的計算機管理過程中應用云計算技術，能夠有效提升計算機資源利用率，減少不必要的資源投入。在方便實驗室管理的同時，做好實踐環境的配置工作，為實驗教學活動和科研活動的開展打下良好基礎，打造一個充滿活力的科研教學環境，使學校的教研水平得到進一步提升。