應(yīng)用型本科院校云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室建設(shè)探索與實(shí)現(xiàn)

摘要：應(yīng)用型本科院校在云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中，由于自身定位是培養(yǎng)應(yīng)用型人才，必然決定其云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室是私有云模式的經(jīng)典應(yīng)用之一。其主要應(yīng)用首先是為教師和學(xué)生提供在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，確保其在云環(huán)境中擁有自己獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，且不受時(shí)間和地點(diǎn)限制，從而最大限度地提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和效果，其次是為有科研能力的教師提供云計(jì)算科研平臺(tái)。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：應(yīng)用型本科院校；實(shí)驗(yàn)室建設(shè)；云計(jì)算；虛擬化技術(shù)

DOIDOI：10.11907/rjdk.143493

中圖分類號(hào)：TP301

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2015）002001303

基金項(xiàng)目基金項(xiàng)目：荊楚理工學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目（JX2013-10）

作者簡(jiǎn)介作者簡(jiǎn)介：李素若（1969-），男，湖北荊門人，碩士，荊楚理工學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、軟件工程。

0引言

云計(jì)算是一種在網(wǎng)絡(luò)上共享資源的新型服務(wù)模式。目前我國(guó)高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的主要問題是：硬件資源不足，已有設(shè)備配置低；客戶端軟件需要授權(quán)，每學(xué)期上課軟件需人工批量安裝，工作量大；計(jì)算機(jī)使用硬盤保護(hù)，學(xué)生不能存儲(chǔ)作業(yè)；實(shí)驗(yàn)室開發(fā)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)受限制[1]。云計(jì)算的相關(guān)技術(shù)為解決實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及管理方面存在的問題提供了較好的解決方案。

2013年荊楚理工學(xué)院“軟件技術(shù)及嵌入式應(yīng)用開發(fā)訓(xùn)練中心”項(xiàng)目計(jì)劃在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)訓(xùn)練中心基礎(chǔ)上新建7個(gè)實(shí)驗(yàn)室，其中包括云計(jì)算與信息服務(wù)實(shí)驗(yàn)室，加上原有的2個(gè)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室和4個(gè)計(jì)算機(jī)公共機(jī)房，項(xiàng)目建成以后共有專業(yè)實(shí)驗(yàn)室和公共機(jī)房13個(gè)。

1設(shè)計(jì)思路

1.1物理結(jié)構(gòu)圖

以云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)建設(shè)數(shù)據(jù)中心，將所有實(shí)驗(yàn)室（機(jī)房）納入云計(jì)算管理。物理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

其主要特點(diǎn)如下：①將所有服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備都放置在云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室（數(shù)據(jù)中心），便于硬件管理、維護(hù)和擴(kuò)充；②所有專業(yè)實(shí)驗(yàn)室和公共機(jī)房通過光纖接入到云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，其中聚合交換機(jī)和核心交換機(jī)放在云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室；③支持多種類型的終端設(shè)備，包括電腦、云終端、平板電腦或手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備訪問由云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的所有云資源[3]。

圖1基于云計(jì)算的計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室物理結(jié)構(gòu)

1.2云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)與組成

云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的主要出發(fā)點(diǎn)是：①提供基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)資源（計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)資源），同時(shí)結(jié)合學(xué)校實(shí)際教學(xué)過程，為教師和學(xué)生提供在線的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使其不受時(shí)間和地點(diǎn)限制，可隨時(shí)隨地在云環(huán)境中獲取自己獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，從而極大地提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和效果；②在大數(shù)據(jù)領(lǐng)域和云計(jì)算領(lǐng)域?yàn)榻處熖峁┛蒲衅脚_(tái)。

對(duì)于應(yīng)用型本科院校而言，主要需實(shí)現(xiàn)第一個(gè)目標(biāo)，第二目標(biāo)僅是在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中兼顧，其具體架構(gòu)和組成如圖2所示。

2云教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

2.1云教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)系統(tǒng)框架

云教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)基于云計(jì)算平臺(tái)和云存儲(chǔ)構(gòu)建，這二者為云教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)提供了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)和虛擬化服務(wù)。其系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖2云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)與組成

圖3云實(shí)訓(xùn)平臺(tái)系統(tǒng)框架

2.2云教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)主要特點(diǎn)

（1）基于瀏覽器的云開發(fā)環(huán)境。學(xué)生在實(shí)訓(xùn)時(shí)，所有實(shí)訓(xùn)環(huán)境（開發(fā)環(huán)境）都部署在云端，本地機(jī)器上無需安裝任何實(shí)訓(xùn)相關(guān)軟件，只需一個(gè)上網(wǎng)使用的瀏覽器即可。學(xué)生在實(shí)訓(xùn)時(shí)，打開瀏覽器并登錄到云實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，然后根據(jù)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的指導(dǎo)完成項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)任務(wù)。對(duì)于需要?jiǎng)邮植僮鞯娜蝿?wù)，學(xué)生只需在云實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的任務(wù)頁面，點(diǎn)擊“開始任務(wù)”按鈕，瀏覽器會(huì)自動(dòng)從云端加載相關(guān)開發(fā)環(huán)境并全屏顯示在瀏覽器中，此時(shí)學(xué)生已經(jīng)完全置身于云開發(fā)環(huán)境中，在開發(fā)體驗(yàn)上如同在自己機(jī)器上一樣。

（2）每個(gè)學(xué)生擁有獨(dú)立的項(xiàng)目云存儲(chǔ)空間。基于云計(jì)算的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，云實(shí)訓(xùn)平臺(tái)在創(chuàng)建初始會(huì)為每個(gè)學(xué)生創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)享的項(xiàng)目云存儲(chǔ)空間。學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過程中的所有工作成果都由云實(shí)訓(xùn)平臺(tái)自動(dòng)存儲(chǔ)在此空間并永久存儲(chǔ)歸檔，學(xué)生和教師任何時(shí)候都可以查看。

（3）可依據(jù)云實(shí)訓(xùn)環(huán)境要求彈性配置硬件資源。由于云實(shí)訓(xùn)開發(fā)（實(shí)驗(yàn)）環(huán)境是基于虛擬化技術(shù)的，以虛擬機(jī)形式提供計(jì)算資源。因此，可以通過動(dòng)態(tài)為虛擬機(jī)分配計(jì)算資源的方法實(shí)現(xiàn)為學(xué)生按需分配計(jì)算資源。

對(duì)于不同實(shí)訓(xùn)任務(wù)，可以為其分配必要的計(jì)算和存儲(chǔ)單元，從而有效解決實(shí)訓(xùn)過程中資源浪費(fèi)及資源不足的問題。例如，當(dāng)某學(xué)生要進(jìn)行一個(gè)復(fù)雜的任務(wù)，其中涉及數(shù)據(jù)庫、開發(fā)、編譯等操作，可能需要較高的計(jì)算和存儲(chǔ)資源時(shí)，云平臺(tái)會(huì)自動(dòng)為其選擇或分配一個(gè)性能較高的計(jì)算環(huán)境。

2.3平臺(tái)業(yè)務(wù)框架

參與云教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的業(yè)務(wù)角色有3種，分別是學(xué)員、教師和管理員。管理員主要負(fù)責(zé)課程發(fā)布及用戶管理，教師負(fù)責(zé)教學(xué)，學(xué)員負(fù)責(zé)完成實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

學(xué)員主要功能：登錄、實(shí)訓(xùn)報(bào)名、參與實(shí)訓(xùn)；查看能力報(bào)告、完成開發(fā)任務(wù)、查看標(biāo)準(zhǔn)成果、更正并模仿；提交成果、等待審核。

教師主要功能：發(fā)布教學(xué)計(jì)劃、定義里程碑、定義階段成果；項(xiàng)目啟動(dòng)講解、團(tuán)隊(duì)建設(shè)、重點(diǎn)講解、進(jìn)度監(jiān)控；成果評(píng)分、里程碑審核、發(fā)布成績(jī)。

管理員主要功能：課程管理、學(xué)習(xí)模板、模板內(nèi)容管理、定義學(xué)習(xí)流程；學(xué)院管理、導(dǎo)入學(xué)院、提交成果定義；創(chuàng)建用戶、權(quán)限管理。

2.4實(shí)訓(xùn)教學(xué)流程

云實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)完整流程如圖4所示，其中灰色部分是學(xué)生需完成的步驟，其它部分是教師需要完成的步驟。

圖4云實(shí)訓(xùn)流程

3虛擬化實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)

虛擬化實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)基于“云+端”模式構(gòu)建新一代的云計(jì)算模式機(jī)房架構(gòu)，其充分利用學(xué)?，F(xiàn)有資源，整合和優(yōu)化服務(wù)器的計(jì)算能力，讓高端計(jì)算資源可以通過端分享到桌面用戶，提供和PC一樣的計(jì)算能力，同時(shí)提供方便的集中維護(hù)?？晒芾淼能浖Y源模式，結(jié)合教學(xué)應(yīng)用能把彈性計(jì)算和存儲(chǔ)充分展現(xiàn)到終端。其次是知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題，通過虛擬化技術(shù)，可以有效避免版權(quán)問題帶來的風(fēng)險(xiǎn)[2]。

3.1虛擬化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)特點(diǎn)

（1）利用虛擬機(jī)，教師可不受地域限制，在辦公室或教室都可以方便地利用 PC 或終端設(shè)備連接到自己的資源，管理員管理教室計(jì)算機(jī)的工作量從而大幅度減少，同時(shí)能保證教學(xué)平臺(tái)的安全性。

（2）能夠?yàn)閷W(xué)生提供復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。平臺(tái)能夠?yàn)槊恳幻麑W(xué)生提供多臺(tái)不同配置（CPU核數(shù)、內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)卡等）的主機(jī)、多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜環(huán)境。學(xué)生通過系統(tǒng)提供的環(huán)境，能夠模擬真實(shí)的主機(jī)連接情況，完成各種復(fù)雜的實(shí)際應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，從而大大提升了學(xué)生的動(dòng)手能力和學(xué)習(xí)積極性。

（3）可以顯著改善目前高校普遍存在的資源浪費(fèi)情況，尤其是服務(wù)器資源?？梢园迅鞣N分散的系統(tǒng)整合起來，由平臺(tái)數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一管理并提供服務(wù)，從而大大減少了系統(tǒng)維護(hù)成本，且完全不用擔(dān)心服務(wù)器的更新?lián)Q代問題，提高了資源利用率。

3.2虛擬化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)管理

虛擬化實(shí)驗(yàn)管理平臺(tái)共有兩個(gè)用戶級(jí)別：管理員用戶和學(xué)生用戶。管理員主要功能包括：課程實(shí)驗(yàn)管理、虛擬機(jī)模板、虛擬機(jī)管理、用戶管理、集群管理、共享軟件資源管理；學(xué)生用戶主要功能包括：學(xué)生實(shí)驗(yàn)環(huán)境管理、學(xué)生個(gè)人資源管理。

（1）課程實(shí)驗(yàn)管理主要用于課程的創(chuàng)建、編輯、刪除和查看，查看功能可以查看每門課程下的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，也可以在實(shí)驗(yàn)環(huán)境列表中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)環(huán)境的創(chuàng)建、編輯和刪除。管理員創(chuàng)建完實(shí)驗(yàn)環(huán)境后，學(xué)生可以通過管理員創(chuàng)建的實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行虛擬機(jī)的啟動(dòng)、關(guān)閉、刪除等操作。

（2）虛擬機(jī)模板主要用于創(chuàng)建與實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)應(yīng)的虛擬機(jī)模板并顯示虛擬機(jī)模板信息。

（3）虛擬機(jī)管理主要用于管理員對(duì)學(xué)生啟動(dòng)的實(shí)驗(yàn)用機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一關(guān)閉，以防學(xué)生實(shí)驗(yàn)完畢后忘記關(guān)閉虛擬機(jī)，從而占用服務(wù)器資源。

（4）用戶管理主要用于學(xué)生班級(jí)的信息展示、創(chuàng)建、編輯和刪除，并能夠在學(xué)生列表中添加單個(gè)學(xué)生用戶、批量導(dǎo)入學(xué)生用戶和刪除學(xué)生用戶。

（5）集群管理實(shí)現(xiàn)的是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的管理與監(jiān)控功能，包括了機(jī)柜、物理機(jī)以及虛擬機(jī)等信息。

（6）共享資源管理主要可以讓管理員比較方便地管理學(xué)生實(shí)驗(yàn)比較常用的軟件和文檔。

（7）學(xué)生實(shí)驗(yàn)環(huán)境管理主要可以使學(xué)生對(duì)自己擁有的虛擬機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)、關(guān)閉和刪除操作。當(dāng)學(xué)生點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕后，如果此學(xué)生所擁有的虛擬機(jī)與當(dāng)前實(shí)驗(yàn)環(huán)境相匹配，則啟動(dòng)該虛擬機(jī)，如果沒有與當(dāng)前實(shí)驗(yàn)環(huán)境相匹配的虛擬機(jī)，則重新創(chuàng)建一臺(tái)新的虛擬機(jī)。

（8）學(xué)生個(gè)人資源管理可以使學(xué)生管理自己的個(gè)人資源。學(xué)生可以把自己的軟件和文檔上傳到個(gè)人盤中并且對(duì)這些資源進(jìn)行管理，例如新建文件夾、下載資源、刪除資源、重命名資源等，因此當(dāng)其啟動(dòng)一臺(tái)虛擬機(jī)后可以非常方便地查看這些資源。

4結(jié)語

高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室基于云計(jì)算進(jìn)行建設(shè)和管理已是必然的發(fā)展趨勢(shì)。近幾年，一方面很多高校已開始探索基于云計(jì)算模式的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的改造和新建，另一方面國(guó)內(nèi)很多211或985高校已經(jīng)建成云計(jì)算與大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)室，主要在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、高性能計(jì)算等方面開展科學(xué)研究。應(yīng)用型本科院校無論是構(gòu)建基于云計(jì)算的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，還是建設(shè)云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，主要需考慮兩點(diǎn)：一是采用已經(jīng)非常成熟的技術(shù)和產(chǎn)品完成實(shí)驗(yàn)室的改造或新建，二是定位于云計(jì)算服務(wù)的應(yīng)用，同時(shí)兼顧一定科研任務(wù)。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：黃健）