摘要：云計算是計算機技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展融合的產(chǎn)物，根據(jù)方式與服務(wù)對象的不同可以分為公有云、私有云和混合云，包括3個層次的服務(wù)：Iaas、Paas、Saas。結(jié)合云平臺的特點和高校實驗教學現(xiàn)狀，提出在校園網(wǎng)基礎(chǔ)平臺上架構(gòu)私有實驗云平臺的設(shè)想，給出了私有實驗云平臺的架構(gòu)模型及具體問題的解決思路。

關(guān)鍵詞：云計算；私有云；實驗教學

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）13-3023-03

1 概述

云計算服務(wù)現(xiàn)已深入到我們社會中的許多領(lǐng)域并給人們的工作、生活、學習帶來了前所未有的便利，越來越多的高校、教育機構(gòu)和個人把信息處理及科研遷移到“云”上[1]。

云計算是指由幾十萬甚至上百萬臺廉價的服務(wù)器所組成的網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供需要的計算機服務(wù)，這是近年來計算機科學領(lǐng)域中的分布式處理 （Distributed Computing）、并行處理（Parallel Computing）和網(wǎng)格計算（Grid Computing）的新發(fā)展。云計算將大規(guī)模的計算機陣列連接成一個向全球用戶提供計算機服務(wù)的社會化機構(gòu)，用戶只需要一個能夠上網(wǎng)的設(shè)備，比如一 臺筆記本或者手機，就可以獲得自己需要的一切計算機服務(wù)。云計算服務(wù)提供的方式主要有3種IssA（基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）、PaaS（平臺即服務(wù)）和SaaS（軟件即服務(wù)）[2]。

云分為公有云、私有云和混合云三種。私有云（Private Clouds）是為一個客戶群單獨使用而構(gòu)建的，因而提供對數(shù)據(jù)、安全性和服務(wù)質(zhì)量的最有效控制。可利充分用單位現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，在此基礎(chǔ)設(shè)施上部署應(yīng)用程序。私有云可部署在單位數(shù)據(jù)中心的防火墻內(nèi)，向特定區(qū)域提供共享資源，包括網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、儲存、應(yīng)用和服務(wù)。該技術(shù)的出現(xiàn)為高校實驗室建設(shè)提出了新的建設(shè)方案。

2 構(gòu)建高校私有實驗云的意義

目前高校實驗室基本都存在這樣的問題：

1） 實驗室硬件設(shè)備落后。由于電子設(shè)備更新太快，雖然學校投入大量資金，但大量硬件設(shè)備往往3～5年即被淘汰，即使學校不斷注入資金也存在資源浪費等問題。

2） 實驗室管理工作繁重。不同的專業(yè)實驗室要搭建不同的軟、硬件環(huán)境，安裝軟件過程繁瑣，如網(wǎng)絡(luò)環(huán)境管理實驗，往往需要服務(wù)器、多臺客戶端，配置一個真實環(huán)境需要大量時間，可行性較差，使用虛擬軟件又存在快照文件的保存問題（計算機實驗室一般都安裝有硬盤保護系統(tǒng)）。

3） 數(shù)據(jù)存儲問題。學生的實驗數(shù)據(jù)及資料不能存儲在本地，而開放實驗室的存儲設(shè)備又會帶來許多安全問題，如病毒、個人科研資料安全等。

4） 受地理位置限制。學生只能在實驗室內(nèi)進行實驗操作，許多昂貴設(shè)備經(jīng)常處于“閑置”狀態(tài)。

在高?，F(xiàn)有的校園網(wǎng)基礎(chǔ)上，引入云計算技術(shù)，能提供一個成本較低、能彈性分配資源、用戶不受地理位置的實驗環(huán)境；能利用虛擬化技術(shù)構(gòu)建虛擬化資源池，快速布署云端資源以獲取服務(wù)，動態(tài)組織異構(gòu)資源，構(gòu)建不同的應(yīng)用環(huán)境；能夠?qū)⒏咝，F(xiàn)有的分布式的實驗室架構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐子诠芾砭S護和提供高效服務(wù)的集中式架構(gòu)。這種方案也是云計算時代里私有云的一種典型應(yīng)用。

3 私有實驗云的構(gòu)建模型

3.1 實驗云基礎(chǔ)設(shè)施層

實驗云基礎(chǔ)設(shè)施層包含物理硬件設(shè)備層和虛擬資源池。物理硬件設(shè)備層指的是現(xiàn)有校園網(wǎng)內(nèi)的物理計算機、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備及存儲設(shè)備。根據(jù)高校實驗室的計算機性能進行分類，并確定在該物理主機上創(chuàng)建虛擬化計算機的數(shù)量與虛擬計算機的性能。在物理計算機上安裝虛擬機操作系統(tǒng)VMware，虛擬化出多臺計算機并根據(jù)需要安裝不同的操作系統(tǒng)和實驗系統(tǒng)平臺軟件，構(gòu)建成一個虛擬機集群，集群之間通過現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備高速互聯(lián)。

利用不同的虛擬化技術(shù)如：VMware私有云解決方案、惠普StorageWorks技術(shù)等，將同類型的資源構(gòu)成同構(gòu)或近似同構(gòu)的虛擬資源池，實現(xiàn)從物理資源向邏輯資源的轉(zhuǎn)化。原來校園網(wǎng)中的物理資源就能夠得到快速分配或重新配置，可支持實驗教學及科研的應(yīng)用需求，以及云計算和高性能計算應(yīng)用。

3.2 實驗云管理層

實驗云管理層主要包括數(shù)據(jù)庫管理、安全管理、資源管理、實驗管理和用戶管理。數(shù)據(jù)庫管理主要功能對實驗云平臺上的數(shù)據(jù)進行存儲和維護，保證實驗數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)的安全性與快速調(diào)用。安全管理主要負責云平臺上系統(tǒng)安全的管理：網(wǎng)絡(luò)安全管理、用戶身份確認及訪問權(quán)限等。資源管理主要對虛擬資源層的各種資源進行管理，并對眾多的云資源節(jié)點上的負載進行均衡管理，如：負載均衡策略管理、流量監(jiān)控、用戶登錄導向管理、進程遷移、用戶服務(wù)調(diào)度管理等。實驗管理主要負責對實驗云平臺上實驗過程的管理，如：實驗環(huán)境管理、實驗項目管理、實驗數(shù)據(jù)結(jié)果管理等。用戶管理主要包括帳戶管理和用戶環(huán)境配置。

3.3 實驗云客戶端

云客戶端通過應(yīng)用技術(shù)將計算能力封裝成標準的Web Service服務(wù)，使“云”中任何一個用戶在輸入用戶帳號、登錄驗證通過后按實驗需求進入不同的實驗應(yīng)用平臺。用戶選擇本次進入的實驗課程與項目及相關(guān)操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件后，系統(tǒng)根據(jù)實驗云中各個虛擬機集群資源上的負載情況，為其分配合適的實驗資源。云客戶端通常安裝在實驗室的終端計算機上，對計算機的硬件要求不高，這樣高?？梢圆挥猛度氪罅抠Y金到本地的終端上去，就可以使用云計算平臺的大量信息資源，從而使用遠超過終端性能上限的高強度計算工作和存儲能力[3]。

4 實驗平臺搭建具體問題解決思路

采用虛擬化技術(shù)打造校園私有云，可以徹底解決各類存儲設(shè)備的整合及容災(zāi)備份、數(shù)據(jù)安全穩(wěn)定性保障等問題，同時將物理硬件資源集中在一起形成一個共享虛擬資源池，實現(xiàn)服務(wù)器虛擬化和“云桌面”。但具體到不同的實驗課程環(huán)境，還應(yīng)考慮到以下問題：

4.1 實驗環(huán)境復雜、搭建繁瑣的情況

對于工科綜合類的實踐及課程設(shè)計，需要搭建不同的操作系統(tǒng)環(huán)境，安裝大量的應(yīng)用軟件，應(yīng)用環(huán)境搭建較復雜而繁瑣。實驗應(yīng)用平臺的設(shè)計讓學生根據(jù)實驗項目的不同選擇包含操作系統(tǒng)與應(yīng)用軟件的鏡像文件或平臺即服務(wù)軟件， 在任何位置任何時候重現(xiàn)該應(yīng)用環(huán)境， 而不需要觸及與系統(tǒng)緊密結(jié)合的應(yīng)用的相關(guān)代碼。這不僅減少學生每次實驗安裝環(huán)境所花費的時間， 而且使得學生更集中精力開發(fā)、部署和測試應(yīng)用程序[4]。

4.2 對單臺服務(wù)器配置要求高的情況。

對于部分課程如多核編程技術(shù)課程實驗環(huán)境對處理器要求較高。實驗應(yīng)用平臺應(yīng)能夠提供不同類型的VM（ CPU、內(nèi)存、硬盤容量配置各不相同） ，如CPU 有單核、多核， 內(nèi)存也大小不等。學生可以選擇和所需環(huán)境相近的鏡像文件來搭建實驗環(huán)境，然后通過系統(tǒng)申請以擴充相應(yīng)配置項。

4.3 服務(wù)器數(shù)量龐大情形。

如網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)課程實驗環(huán)境，需要每個學生有3- 4 臺服務(wù)器，構(gòu)建不同的服務(wù)器角色，實驗平臺的架構(gòu)應(yīng)基于開源云平臺并可以同時運行多臺服務(wù)器。學生進入具體的實驗項目后，每個學生可以申請多臺VM 同時運行，然后在每臺VM 上選擇和修改相近的鏡像文件以搭建實驗環(huán)境。另外并行程序設(shè)計課程實驗不僅門檻較高，即需要學生有豐富的并行編程經(jīng)驗，而且所開發(fā)程序需要多臺服務(wù)器以驗證和調(diào)試。實踐中學生通過選擇相應(yīng)的操作系統(tǒng)與Hadoop鏡像文件，使并行編程變得容易，然后通過申請3- 4 臺VM 以驗證所開發(fā)程序的正確性。

總之，實驗應(yīng)用平臺的設(shè)計應(yīng)本著適用的原則，切實圍繞現(xiàn)有條件，盡量整合現(xiàn)有資源解決實際問題。對于可行性較差，并不適合納入云環(huán)境的專業(yè)性非常強、面對用戶群較小的情況，仍可考慮采用原始的實驗方法。

5 結(jié)束語

云計算為高校教育信息化的建設(shè)和發(fā)展提供了新的模式[5]。高校的規(guī)模和組織形式?jīng)Q定了其比較適合私有云，不同的學?？筛鶕?jù)自身的具體需求來建設(shè)不同規(guī)模的私有云。該文針對高校實驗教學的現(xiàn)狀，提出了面向云計算的私有實驗云的構(gòu)建思想，并對具體問題作出了分析。后期的工作主要是對私有實驗云平臺的具體實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)進行研究，建立一個適用、可行性強、效能高的多元化實驗課程環(huán)境。

參考文獻：

[1] 黎加厚.走向教育技術(shù)“云”服務(wù)[J].遠程教育雜志，2008（3）：79.

[2] 林瑜華.云計算環(huán)境下高校實驗教學模式的創(chuàng)新與實踐[J].實驗室研究與探索，2011（8）：271-274.

[3] 孟慶偉，劉婷.基于云計算的計算機實驗室建設(shè)模型研究[J].智能計算機與應(yīng)用，2011（12）：72-73.

[4] 黃曉玲， 趙生慧.面向云計算的實驗教學平臺的研究和設(shè)計[J]. 滁州學院學報，2011（4）：90-92.

[5] 唐紅，徐光俠.云計算研究與發(fā)展綜述[J].數(shù)字通信，2010（3）：23-28.