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标题 基于云计算的高校计算机实验室构建
范文 范振远

摘 要：利用云计算提供的基础架构即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS）可以很好地解决传统高校计算机实验室建设和管理中存在的资金投入大、使用周期短、软硬件维护量大和实验室使用受时间和地点限制的弊端。提出基于云计算的高校计算机实验室架构和实验室建设方案，利用虚拟化技术将服务器资源和存储资源虚拟为多套操作系统和应用，实现实验资源的合理分配和数据共享。
关键词：云计算；计算机实验室；构建方案
DOIDOI：10.11907/rjdk.151442
中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2015）007-0140-02
0 引言
高校计算机实验室是进行实验教学和科研的重要阵地，在应用型人才和创新技术人才培养中，对学生创新能力的培养发挥着重要作用。当前，大多高校计算机实验室建设还是沿着老思路、老方法，存在着以下问题：
（1）购置设备资金投入大，使用周期短。为满足专业教学和科研需要，高校在购置计算机设备时，一般都选择比较先进、主流的配置，资金投入大。由于各学院都有自己独立的专业计算机实验室，很多设备重复采购，利用率不高。此外，计算机设备一般4～5年后就会随着软件的更新而濒于淘汰，从而造成设备浪费[1]。
（2）计算机软件、硬件维护量大。由于主机数量大，其故障量也会随之增加，软硬件资源维护对于实验室维护人员来说任务繁重。在日常教学和科研中，不同专业师生对计算机运行的操作系统和应用软件需求不同，如有的专业需要Linux操作系统，有的专业需要运行3D Studio Max等，机房维护人员需要安装不同的操作系统和程序软件，维护工作量非常大。
（3）实验室使用受时间和地点限制。大部分计算机实验室的开关门时间是固定的，实验教学也都有统一的安排，学生只能在固定时段和实验室进行实验[2]。
以上问题在地方高校中相当普遍，而云计算的出现可以使这些问题迎刃而解，给实验室管理带来便利。
1 云计算概况
目前，学术界对云计算还没有统一的定义，普遍认为云计算是一种基于互联网的计算方式，就像电网给用户供电的方式一样，把网络中共享的计算机软件、存储空间和数据信息可以按需提供给用户和其它设备。云计算按需提供服务特征和自然界的云、水循环具有一定的相似性，因此，给这种计算方式一个相当贴切的比喻——云。根据美国国家标准和技术研究院的定义，云计算具有快速重新部署软硬件环境的灵活度；能随需应变，自助提供服务；随时随地使用任何网络设备访问资源；多人共享资源池；服务可被监控与量测。
云计算提供的服务方式有3种：基础架构即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS）。
（1）基础架构即服务（IaaS）。虽然客户并不能掌控云基础架构，但客户可以利用低成本的网络存储计算机资源，快速地创建和部署自己的业务。目前，此服务主要依靠虚拟技术来实现，可以将一台服务器虚拟出多台独立的虚拟机，每台虚拟机都有一套独立的操作系统，且相互之间是隔离的，这样减少了物理服务器的数量，节约了大量开销。利用存储虚拟化技术，可以将不同类型、不同厂商的存储设备抽象化后进行统一管理，这样节省了购买大量硬盘的开支。
（2）平台即服务（PaaS）。客户可以进行程序开发、运行和管理环境，但不能掌控操作系统、硬件或运作网络基础架构。通过虚拟技术，可为客户共享操作系统、数据库等价格昂贵的软件，为客户提供应用开发、运行和管理环境的平台层服务。
（3）软件即服务（SaaS）。它是一种软件服务模式，客户只需向软件服务供应商租赁软件使用权，而非购买软件，比较普遍的服务模式是向客户提供一组登录账号和密码。在提供平台层服务的基础上，可以为用户提供实验计算、数据处理等软件服务，如实验素材、数据处理、综合分析、报表生成等服务。
云计算主要分为3类：公有云、私有云和混合云。公有云即为所有企业提供公共的电子邮件、在线办公平台等应用，通常有专门的服务提供商提供，缺点是数据安全难以保障。私有云即服务于企业内部的云计算，部署在企业内部的服务器中，系统安全性大大提高。混合云即由两个或两个以上的云组成，虽然相互独立，但通过一定的技术绑定后，可以实现云之间的数据和应用程序的移植。
2 基于云计算实验室的优势
（1）合理配置资源，延长更新周期。由于所有数据都在服务器上运行，终端都是瘦客户机模式，不需要安装任何操作系统和软件，只要能连接上“云”即可，只需一个智能终端和一台显示器。因此云终端的寿命可相对延长，而且更新成本大大降低。
（2）降低实验室维护的工作量。由于采用瘦客户机模式，云终端硬件设备少，集成度高，其故障率大大降低，客户端不用安装任何软件，每学期不同专业所需的软件安装只需在服务器上配置即可，大大减少管理人员的数量和实验室维护工作量，降低维护成本。
（3）可以远程使用实验室资源。基于云计算的高校计算机实验室只要能连上网络就可以随时供师生使用，突破了时间和空间的限制，学生通过智能终端就可以随时随地使用实验室资源，为学生实践能力培养提供便利，同时也提高了计算机实验室的利用率。
（4）提高数据的安全性。由于学生接触到的都是虚拟机虚拟出来的操作系统，所以避免了传统实验室由于一台电脑感染病毒，通过局域网传染到其它电脑，甚至导致真个计算机实验室瘫痪的问题。
3 基于云计算的高校计算机实验室构建
3.1 实验室整体架构
基于云计算的计算机实验室建设可分为4个层次：基础硬件层、资源管理层、桌面软件层和云终端层，如图1所示。
图1 实验室软硬件配置示意图
（1）基础硬件层。以强大的数据运算处理、数据存储和交换功能为主，主要由计算机设备（服务器、工作站、小型机等）、网络交换设备（网络交换机、路由器等）、存储设备（磁带机、磁盘阵列等）组成，设备之间通过网络连通。
（2）资源管理层。主要负责将网络物理资源虚拟化，对外呈现简单逻辑形态，提高资源利用率，降低管理维护难度。统一管理计算机资源、存储资源、网络资源，按需部署和动态调度资源。
（3）桌面软件层。通过虚拟的云桌面管理软件层调度不同客户的虚拟桌面系统请求，对客户的身份获取授权认证，并对客户数据信息进行保存和维护；负责管理云数据中的实验数据、用户数据、软件数据等。
（4）云终端层。提供客户输入和输出所需的硬件设备，云终端设备的程序安装在终端计算机中，其对硬件要求不高，只要能登陆云端服务器，即可获得高性能的软件服务和存储空间，从而避免了频繁更新升级终端计算机，节约设备更新和维护成本。
3.2 实验室建设方案
利用云计算平台软件强大的虚拟技术和平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS）交付技术，对实验室进行统一部署，使服务器和多台终端电脑都能实现软件自动部署、方便管理维护。
基础设施的虚拟技术包含服务器虚拟化和存储虚拟化。服务器虚拟化技术可以将一台服务器虚化成多台虚拟机，每个虚拟机都有一套独立的操作系统，供不同的客户登录。用户登录虚拟服务器后，与使用物理服务器的效果一样。存储虚拟化技术通过虚拟数据管理引擎整合异构存储，将网络中的各种存储资源进行集中管理、使服务器可以直接使用。利用虚拟化软件VMware Server将服务器资源和存储资源虚拟为多套操作系统，按需分配给客户，实现实验资源的合理分配和数据共享[3-4]。同时，VMware Server可以将常用的虚拟机及其软件环境作为模板，在用户需要时可导入模板，快速配置用户所需的操作系统、软件环境等。管理员还可以通过VMware Server对资源使用情况进行监控，根据用户提出的增加资源申请，核实后进行资源优化配置。如果校外用户需要访问实验资源，也可以通过VPN拨号，利用加密隧道访问。
4 结语
随着计算机技术的发展，云计算技术逐步发展成熟，给计算机应用带来了新的变革。本文在讨论云计算应用技术的基础上，提出了基于云计算的实验室构建方案，可为高校实验室建设提供参考借鉴。
参考文献：
[1] 罗国玮，兰瑞乐.基于云计算的高校科研实验平台构建研究[J].实验技术与管理，2012（29）：115-117.
[2] 孔燚.云计算在高校计算机实验室建设管理中的应用[J].中国教育技术装备，2013（12）：28-31.
[3] 黄晨晖，林泳琴.基于云计算的虚拟计算机实验室的研究与实现[J].实验室研究与探索，2010（11）：178-180.
[4] 李素若.应用型本科院校云计算实验室建设探索与实现[J].软件导刊，2015，14（2）：13-15.
（责任编辑：陈福时）
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更新时间：2025/3/15 14:21:59