云計算在高校實驗室建設(shè)中的應用研究

程林濱 衛(wèi)偉 崔德鵬

【摘要】長久以來高校傳統(tǒng)實驗室存在管理難度大、資源利用率低、維護成本高等痛點，并且一直沒有有效的解決方案。這無論對學校還是機房管理都是迫切希望解決的問題，而對于教師和學生，實驗室的設(shè)備和環(huán)境跟不上教學要求，使得教學和學習的效率太低，從而導致教學質(zhì)量的水平降低。針對高校實驗室存在的問題，高校云計算實驗室解決方案利用云計算技術(shù)基于開源云計算平臺Openstack進行，根據(jù)教師學生實際的應用場景進行定制化二次開發(fā)，使得平臺在滿足傳統(tǒng)實驗室教師上課、學生上機實驗的功能之外，還把云計算實驗室的計算資源實現(xiàn)共享，教師學生不需要到學校機房才能使用實驗室的機器，只要有網(wǎng)用戶隨時隨地都能使用機器進行實驗和學習，為機房管理員降低了管理和維護成本，在校教師利用這些資源用于科研項目，使得實驗室資源在教學與科研之間共存，達到資源利用的最大化。

【關(guān)鍵詞】云計算 資源共享 高校實驗室 云計算實驗室OpenStack

一、研究的背景

隨著科技快速發(fā)展，人們在生活和工作中對計算機的應用范圍也越加廣泛，因此要求也漸漸升高。為了跟上社會和科技的快速發(fā)展，實現(xiàn)現(xiàn)代化教育，學校方面也開設(shè)了相關(guān)的實驗課程，但目前高校的計算機實驗室因為設(shè)備老舊、配置過低、管理協(xié)調(diào)困難等原因，只能滿足部分特定或少量的實驗，很難滿足現(xiàn)代化教學實驗課程的需求。因此，一套好的解決方案對高校來講是至關(guān)重要的。隨著云計算的迅速發(fā)展和日漸成熟，通過云計算把傳統(tǒng)實驗室遷移到云端，構(gòu)建云計算實驗室將是解決這一問題的最好方案。

二、高校傳統(tǒng)實驗室面臨的問題

（一）建設(shè)成本高，維護開銷大

建設(shè)一個傳統(tǒng)機房，不算上顯示器、鍵盤鼠標、網(wǎng)絡設(shè)施等必不可少的附帶設(shè)備，光幾十上百臺主機機箱就已經(jīng)價格不菲，當然也更不用說使用中的能耗和網(wǎng)絡帶寬等其他資源的必要開支。而且機器損耗大、淘汰快，每年都需要對壞掉的機器進行維修和替換，這對高校實驗室的建設(shè)是非常大的一筆開銷。

（二）管理困難，模式單一

傳統(tǒng)機房中由于機器多，排線亂，人流量大，如果出現(xiàn)機器故障或者網(wǎng)絡等問題，機房管理人員對機器的排查十分困難。當需要新裝軟件或?qū)C器上的軟件進行升級的時候，工作量更是非常之大。不同課程需要切換不同操作系統(tǒng)和實驗環(huán)境，如果需要進行上機考試時還得切換到考試模式，部署特定的考試環(huán)境。這些都是機房管理人員的痛點。當面對有些高校需要將多個校區(qū)的所有機房集中管理的問題時，管理難度和管理成本會大大提升。

（三）資源利用率不高，空間和時間上受限

有的實驗課程上課人數(shù)較少，機房很多機器不能被滿額使用，多余的機器又不能被其他課程同時使用，在數(shù)量上就導致機器使用率不高。而對于大部分實驗課程來講，實驗要求對機器的資源需求都不高，整個過程只需要機器小部分的資源，這又造成了機器資源的使用率很低的問題。對于擺在機房里面的機器，必須進入機房才能使用，而且只有白天甚至上課時間段才能被使用，在空間和時間都受到很大限制，這也導致機器資源被極大地浪費。（四）機器老舊，影響課程質(zhì)量

有的機房由于建設(shè)時間早，機器配置不高，不僅滿足不了高性能的實驗，就連正常實驗使用時都會出現(xiàn)卡頓、死機、藍屏等情況，造成實驗中斷甚至需要重做實驗。不僅浪費時間、影響教學進度，而且導致教學質(zhì)量的下降。

（五）科研用機與教學用機不能共存

有的學校對于科研和教學的建設(shè)是分別投入的，各自擁有獨立的資源，兩者之間的資源往往不能共享。而有的高校又會讓科研和教學共用一批資源，導致使用上存在沖突，一方面耽誤教學進度，另一方面影響科研效率。

三、云計算在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

（一）云計算在國外高校的研究應用現(xiàn)狀

從2004年開始到2009年，北卡羅來納州立大學建立他們的虛擬計算實驗室，并通過互聯(lián)網(wǎng)有效地提供給超過30，000名學生和教師不同的計算資源2011年，沙特阿拉伯阿卜杜拉齊茲國王科學技術(shù)（KACST）計算機研究所（CRI）也提出了教育和學習服務（ELaaS），并在2012年提供了增強了有效性、彈性、效率，一致性和成本高效益的電子教學系統(tǒng)。2012年，日本國家信息學研究所GRACE中心開發(fā)了一個名為Edubase Cloud的開源教育軟件平臺。由200個節(jié)點組成的Edubase Cloud平臺具有多云架構(gòu)，Edubase云不僅用于學校的實驗教學，還用于云講座、云培訓、基于項目的學習。2013年，Jobe提出在KCS開展面向云的大型在線電子學習課程。KCS所提供的解決方案解決了許多問題，例如學術(shù)材料的可訪問性、學生的失敗率、考試評估、電子學習管理。2013年，在印度被稱為“協(xié)作教育管理系統(tǒng)”（CEMS）的基于云的解決方案被用于教育部門。CEMS使學生的學術(shù)記錄和個人信息集中在一個機構(gòu)的數(shù)據(jù)庫中。2015年一份對巴基斯坦高等教育公共云采用的評估中指出，在巴基斯坦這樣的發(fā)展中國家，缺乏講堂、實驗室、多媒體、熟練又有能力的教育者和基于ICT的財產(chǎn)，這些都妨礙了優(yōu)質(zhì)教育的分配，但在采用基于云計算的學習環(huán)境后這些問題就都被解決了。2015年，因為信息通信技術(shù)的進步，學生在家中使用的計算機環(huán)境與教師的計算機使用之間產(chǎn)生了差距。于是日本明治大學提出了建設(shè)一個支持在家自學的云教育環(huán)境，以支持學生的自主學習和跟蹤他們的計算機使用情況。通過三門課程的學生實際行動的日志數(shù)據(jù)進行分析，證明了所提出的支持在家自學的云教育環(huán)境的有效性。在南非有許多大學和教育機構(gòu)無法為學生提供課程所需的軟件和應用程序，因此他們尋找替代方法來獲取這些軟件和應用程序。他們通過使用社區(qū)云來降低成本，使他們能共享資源。一些由谷歌提供的由Google郵件、日歷、聊天、文檔、網(wǎng)站和視頻組成的軟件和應用程序可免費提供給他們使用。南非的高校將云平臺用于學生管理，如招生、注冊、獎學金、畢業(yè)生和校友;用于管理系統(tǒng)，如人力資源（HR）、客戶關(guān)系管理（CRM）、工資單和資產(chǎn)管理;還用于學習管理系統(tǒng)（LMS）、商業(yè)智能、報告工具、電子郵件和辦公生產(chǎn)力工具（如word或excel）。

不止在高校里里有云計算服務提供，國外的企業(yè)同樣運用云計算技術(shù)為教育提供著服務。如IBM于2009年成立的云學院，給人們提供了一個全球性的論壇平臺。用來研究云計算、技能開發(fā)和實踐分享。前期加入的教育機構(gòu)有17家，其中美國本土學校包括：喬治梅森大學、北卡羅萊納州立大學、GwinnettCounty PublicSchools、紐約大學、圣母學院、佐治亞州立大學、PikeCountySchools、Executive Leadership

FoundationsTechnologyTransfer項目（由傳統(tǒng)黑人高等學校聯(lián)合組成）、馬里蘭州大學（位于巴爾的摩縣）;國際大學機構(gòu)包括：北京工業(yè)大學、新加坡南洋理工大學、卡塔爾大學、土耳其Ozyegin大學、卡耐基梅隆大學卡塔爾分校、法國里昂高等師范學院、德州農(nóng)工大學卡塔爾分校以及澳大利亞維多利亞大學。谷歌也與許多大學成立合作伙伴關(guān)系，為其提供建立學術(shù)云的技術(shù)支持。2008年1月，谷歌在臺灣地區(qū)宣布激活“云計算學術(shù)計劃”，與交通大學、臺灣大學等學校合作，將這種先進的、大規(guī)模的、快速的計算技術(shù)推廣到校園。

（二）云計算在國內(nèi)高校的研究應用現(xiàn)狀

我國云計算技術(shù)在教育應用剛起步，許多云服務理念的實現(xiàn)與發(fā)展都受到了一些因素的影響，比如區(qū)域經(jīng)濟水平、教育程度等。研究機構(gòu)主要是高校，研究的內(nèi)容也都集中在云計算技術(shù)的應用方面，云計算技術(shù)主要在高等教育和通用教育中應用。在國內(nèi)，除了與谷歌進行合作的臺灣大學、交通大學、清華大學以及加入IBM云學院計劃的北京工業(yè)大學之外，不少大學也都加入了把云計算技術(shù)應用在教育領(lǐng)域的行列。2011年，上海師范大學的黎加厚教授在此方面取得了一定的成果，描述了云計算在教育教學中應用的前景，并提出了一個新概念：“云計算輔助教學”。2011年，臺州廣播電視大學的俞建華探討了基于云計算的遠程教學資源建設(shè)模式。提出了教育資源共建主體之間的溝通與融合，達到優(yōu)勢互補。還強調(diào)了在資源建設(shè)中教師學生的應用占核心地位，即遠程教育資源的可用性是核心。2011年，金華職業(yè)技術(shù)學院試圖打造一個高等職業(yè)教育教學資源云。其目的是可以供院校、企業(yè)、社會等共建、共享、共用，以滿足師生和職工等人自主學習的需求。2014年，華東交通大學軟件學院的測試實訓平臺以Hyper-V技術(shù)實現(xiàn)了資源虛擬化，用于解決學院機器老舊、利用率不高的問題。

云計算的前景很好，各個高校和很多專家學者都對此提出了好的方案和期望，以上只是列舉了部分國內(nèi)高校對云計算技術(shù)應用于高校教育的研究和想法。雖然方案和想法都非常的好，也很實用，但實際著手實現(xiàn)的卻沒有多少，以至于這些想法只能被期望。據(jù)了解，國內(nèi)的一些企業(yè)也推出了一些相應的產(chǎn)品和方案，如噢易科技的噢易云桌面，銳捷的云課堂，藍鴿的云網(wǎng)絡教室等等，但這些產(chǎn)品基本都是與他們的硬件設(shè)備綁定進行銷售。2016年在北京國際智慧教育展上，其中不少國內(nèi)外的企業(yè)基于云計算技術(shù)開發(fā)的用于教育領(lǐng)域的產(chǎn)品都非常好，但這些絕大部分都針對K12，很少是用于高校的教育。因此，國內(nèi)對于高校的云計算技術(shù)的應用還是有很大的欠缺，還需要大力推行和實現(xiàn)。

四、研究的意義

在云計算技術(shù)出現(xiàn)之前，不止是教育，很多行業(yè)也同樣存在硬件計算資源的利用率不高和管理困難等困境。但隨著云計算技術(shù)的出現(xiàn)和快速發(fā)展，給很多行業(yè)帶來了希望。在企業(yè)里面引入云計算技術(shù)，搭建私有云平臺，可以把公司的硬件利用率提高，不僅節(jié)省成本，而且提高工作效率。在科研機構(gòu)，也因為云計算平臺的引入，對大量數(shù)據(jù)的處理也提高了很大的效率，加快了科研的速度。同樣，引入云計算技術(shù)對于高校實驗室的改造也會帶來很多好處。

（一）降低高校機房的投入和維護成本，提高機器利用率

搭建一套云平臺最低只需要一臺服務器，根據(jù)服務器配置和數(shù)量提供相對應的虛擬機，比同等價格的Pc機提供的計算能力強幾倍至幾十倍，而且每年投入的維護成本比普通機房省80%甚至更多。不僅如此，那些面臨淘汰的機器也可以被利用起來，配置好的可以用來加入云計算平臺集群或者搭建小型云計算環(huán)境，配置不高的可以用來作為客戶端訪問云平臺使用。這樣一來，老舊機器就可以正常使用，機器的利用率也可以達到最大化。

（二）提高管理水平，減少管理和維護負擔

比起傳統(tǒng)實驗室里大量的主機和接線，云平臺的基礎(chǔ)設(shè)施只有少量的幾臺服務器和很少的接線，放在機房的一個機柜里面就可以了，而且不會經(jīng)常出現(xiàn)故障和設(shè)備更新。對于服務器和云端虛擬機的管理也都全部移到控制界面上進行集中管理。這樣不僅降低了機器故障的概率和排查維修、更新設(shè)備的麻煩，在管理上面也大大減少了機房管理人員的任務量。使用云計算實驗室的模式，高校多校區(qū)的實驗室都可以放在一個機房，統(tǒng)一管理和維護，每個校區(qū)都能正常訪問他們的實驗室。

（三）不限時間和地點的限制，使實驗室更加開放

因為服務器平時基本上是不斷電的，所以只要在校園內(nèi)通過校園網(wǎng)訪問的話，云端的機器是可以全天開機使用的。不會因為沒到實驗時間而不能進行實驗，也不會因為機器存在機房里面不進入機房就不能使用。這樣的模式使以前較封閉式的機房變得更加開放。

（四）使用模式切換方便快捷

對于不同課程需要不同實驗環(huán)境和軟件的問題，云計算實驗室可以提供云平臺現(xiàn)有的或者老師制作好的鏡像。在短短幾分鐘之內(nèi)就可以創(chuàng)建幾十上百臺環(huán)境完全相同的機器，快速適應各種課程。而且在實驗結(jié)束之前，機器一直保存，隨時可以繼續(xù)實驗。當需要考試時，只需做好一個特定的考試環(huán)境，然后批量創(chuàng)建一批考試機器就可以進行考試了，減少了傳統(tǒng)機房需要花費大量時間和精力一臺一臺設(shè)置特定環(huán)境的麻煩。

（五）科研和教學資源共用

通過云計算技術(shù)，服務器的資源是可以共用的，所以在資源充足的時候科研和教學都可以同時進行，使用共同的資源但互不影響;甚至在需要進行大量計算的時候可以放到晚上進行，因為服務器的計算能力比普通Pc機強很多，不僅不需要額外臨時添加計算設(shè)備，甚至還使計算效率大大提高。

（六）為開設(shè)云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等相關(guān)課程提供了實驗環(huán)境

隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，愈來愈多的新技術(shù)可以供學生去學習和探索，高校也會走在技術(shù)的最前端，所以很多學校也都開設(shè)了云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能等相關(guān)課程。但因為這些技術(shù)的學習和實踐對硬件設(shè)備的需求較高，普通高?；旧虾茈y滿足這么大的需求量，所以大部分都只有理論的教學，在實際操作上有很大欠缺。通過引入云計算實驗室，不再需要提供大量額外設(shè)備，直接從云平臺上分配部分資源就可以進行相關(guān)學習。

五、總結(jié)與未來展望

當互聯(lián)網(wǎng)已然成為一種基礎(chǔ)設(shè)施，在“互聯(lián)網(wǎng)+”的時代，云計算更是成為這個時代的一個標志，各行各業(yè)都逐漸開始使用云。在眾多的云計算技術(shù)應用中，真正把云計算用于教育領(lǐng)域的卻也不多，用于高校實驗室的更是寥寥無幾。

對于云計算實驗室，如果只是完成傳統(tǒng)實驗室所能做的事，只能說達到了把傳統(tǒng)實驗室移到云端，并不能算一個真正意義上的云計算實驗室。因此，后面還有更多的需求和功能需要完善，也可能有更好的模式還待探索。對于完全替代甚至超越高校傳統(tǒng)實驗室還需要進一步的努力和付出，一旦云計算實驗室的正式推出，并將完美的解決高校傳統(tǒng)實驗室的問題，顛覆傳統(tǒng)實驗室的模式。