袁芬

摘 要： 云計(jì)算是一種基于網(wǎng)絡(luò)的新型服務(wù)模式，是互聯(lián)網(wǎng)中的研究熱點(diǎn)。通過研究云計(jì)算的基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS ）、平臺即服務(wù)（PaaS）和軟件即服務(wù)（SaaS）三個服務(wù)層次，結(jié)合當(dāng)前高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中存在的問題，把云計(jì)算引入到高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中，分析了建設(shè)基于云計(jì)算的高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)點(diǎn)，并提出了基于云計(jì)算的高職院校虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室模型構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)，可為高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)提供理論參考。

關(guān)鍵詞： 云計(jì)算； 層次架構(gòu)； 虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室； 高職院校

中圖分類號：TP393.02 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）03-64-03

0 引言

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，我國高等教育信息化也得到了迅速的發(fā)展。高等院校中各專業(yè)都與計(jì)算機(jī)建立了緊密的聯(lián)系，在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的專業(yè)綜合能力，成為高等院校日常教學(xué)中不可或缺的重要組成部分，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)也因此成為高校的重要工作。但就目前高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和管理方面都還存在許多問題，如何充分應(yīng)用新技術(shù)成果，構(gòu)建更為高效的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室及實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，已成為當(dāng)務(wù)之急，而云計(jì)算時代的到來，為高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和管理提供了新思路。本文就目前在云計(jì)算環(huán)境下如何構(gòu)建高校虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。

1 當(dāng)前高等院校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)現(xiàn)狀

目前，我國各高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)已初見成效，在一定程度上改善了計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)的軟硬件環(huán)境，也提升了計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。然而，通過分析我院計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和管理，不難發(fā)現(xiàn)，高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中普遍存在不足。

首先，硬件設(shè)施建設(shè)和更新成本巨大，且更新?lián)Q代較慢。計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室在建設(shè)初期需要投入大量的資金購買硬件產(chǎn)品，很多情況下由于資金有限，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)被擱置。另一方面，實(shí)驗(yàn)設(shè)備換代比較快，導(dǎo)致被淘汰的設(shè)備閑置，這是很大的浪費(fèi)，而重新購入設(shè)備需要再次投入大量的資金，使得計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本太高。

其次，軟件維護(hù)與更新困難。高校的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室要滿足各計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需求，對實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求的多樣性使得實(shí)驗(yàn)室對設(shè)備的維護(hù)和管理提出了巨大的挑戰(zhàn)。通常，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的每臺學(xué)生機(jī)上都預(yù)安裝了幾個操作系統(tǒng)以適應(yīng)不同科目對不同系統(tǒng)的需求，但是由于同一學(xué)生機(jī)上安裝多個專業(yè)的實(shí)驗(yàn)軟件，這往往導(dǎo)致軟件沖突，系統(tǒng)反應(yīng)緩慢。與此同時，各專業(yè)開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課需要不同的教學(xué)軟件，隨著信息化的迅速發(fā)展，這些軟件版本更新很快，使用較短時間之后又需要更新到新版本才能適應(yīng)教學(xué)要求。盡管目前可以通過網(wǎng)絡(luò)同傳、增量拷貝等技術(shù)手段進(jìn)行批處理，但學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備一般都是分批招標(biāo)購置的，系統(tǒng)品牌型號不一，操作各異，也因此使得計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室軟件維護(hù)與更新變得非常困難，往往不能滿足教學(xué)要求。

再次，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲受限。目前，高校的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室為了保護(hù)計(jì)算機(jī)的穩(wěn)定性和安全性，一般都采取安裝硬件保護(hù)卡或還原軟件的方法對用戶使用后的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行還原，以保護(hù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不受病毒的侵害或人為破壞。這雖然在一定程度上保護(hù)了計(jì)算機(jī)的安全性，但是，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)卻無法得到長時間保存，打破了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的連續(xù)性，很大程度上影響了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性和教師對實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)和評價。

上述問題制約著計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展，作者認(rèn)為，有必要建立一個統(tǒng)一、高效、靈活的高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)共享平臺，對實(shí)驗(yàn)室資源進(jìn)行最大程度的整合，而云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，為虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)提供了可能性。

2 云計(jì)算和虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室

2.1 云計(jì)算概要

互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的廣泛使用，使得各個領(lǐng)域?qū)τ谟?jì)算能力的要求與日俱增，作為分布式計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算以及并行計(jì)算的進(jìn)一步發(fā)展趨勢，云計(jì)算的概念孕育而生。當(dāng)前云計(jì)算的服務(wù)主要分為三個層次：①基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a Service，IaaS）；②平臺即服務(wù)（Platform as a Serivec，PaaS）；③軟件即服務(wù)（Software as a Service，SaaS）。這三個層次的云計(jì)算服務(wù)主要向網(wǎng)絡(luò)用戶提供計(jì)算、軟件、數(shù)據(jù)訪問和存儲等服務(wù)。

⑴ 基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）

IaaS把由多臺服務(wù)器組成的“云端”基礎(chǔ)設(shè)施作為計(jì)量服務(wù)提供給客戶，即提供了一個軟件應(yīng)用環(huán)境，包括提供用戶需要的計(jì)算資源、存儲資源、通信資源等。Iaas將計(jì)算能力、內(nèi)存、I/0設(shè)備等整合成一個虛擬的資源池，為用戶提供所需要的存儲資源和虛擬化服務(wù)器等。這些基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)模可以根據(jù)資源的需求情況動態(tài)分配，更精準(zhǔn)地為用戶提供服務(wù)。

⑵ 平臺即服務(wù)（PaaS）

PaaS提供一個集成環(huán)境。廠商提供開發(fā)環(huán)境、服務(wù)器平臺、硬件資源等服務(wù)給客戶，并給用戶提供研發(fā)的中間件平臺，同時還提供應(yīng)用程序開發(fā)、數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用服務(wù)器、試驗(yàn)、托管及應(yīng)用服務(wù)。用戶只需在廠商提供平臺的基礎(chǔ)上開發(fā)自己的應(yīng)用程序，并通過其服務(wù)器和互聯(lián)網(wǎng)傳遞給其他客戶。

⑶ 軟件即服務(wù)（SaaS）

SaaS提供了一種應(yīng)用框架。SaaS服務(wù)提供商將應(yīng)用軟件統(tǒng)一部署在自己的服務(wù)器上，由服務(wù)提供商維護(hù)和管理軟件，并提供軟件運(yùn)行的硬件設(shè)施。用戶根據(jù)個人需求訪問所需要的服務(wù)，服務(wù)提供商根據(jù)客戶所訂軟件的數(shù)量、時間的長短等因素收費(fèi)。用戶只需要支出一定的租賃服務(wù)費(fèi)用，不再需要花費(fèi)大量資金投資在硬件購買、軟件安裝與維護(hù)上。

2.2 云計(jì)算在高等院校虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中的優(yōu)勢

利用云計(jì)算中的虛擬化技術(shù)和SOA與Web服務(wù)，能有效地節(jié)約當(dāng)前高等院校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中的硬件投資成本，且改善更新速度慢，軟件維護(hù)與更新困難，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲受限制的現(xiàn)狀。云計(jì)算在高等院校虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中有以下優(yōu)勢。

⑴ 降低實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中的軟硬件投入成本

云計(jì)算系統(tǒng)對用戶端的硬件設(shè)備要求很低，只要用戶擁有一臺可以上網(wǎng)的終端設(shè)備、一個瀏覽器以及一個能夠接入Internet的接口，就可以接入到“云端”，像使用本地計(jì)算機(jī)的資源一樣使用云計(jì)算系統(tǒng)提供的各種軟硬件資源，且功能更強(qiáng)大，應(yīng)用范圍更廣泛。各種資源都由“云”來提供，終端用戶只需支付少量的使用費(fèi)用即可使用“云”端的軟硬件資源，這就降低了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中對各種軟硬件資源的投入成本，也無需對終端設(shè)備和各種軟件進(jìn)行不停的更新?lián)Q代，這將極大地降低各高校在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中的投入成本。

⑵ 減輕實(shí)驗(yàn)室軟硬件維護(hù)與更新的壓力

云計(jì)算提供基礎(chǔ)設(shè)施、平臺及軟件三方面的服務(wù)，基礎(chǔ)設(shè)施的維護(hù)由云端提供，軟件的更新也由云端提供，因而使得基于云計(jì)算的虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室無須再對硬件進(jìn)行維護(hù)和對軟件進(jìn)行無休止的更新，從而減輕實(shí)驗(yàn)室軟硬件維護(hù)及更新的壓力。

⑶ 實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的海量存儲和自由訪問

云計(jì)算系統(tǒng)能為用戶提供海量的存儲空間，這為計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供了存儲空間，無論是實(shí)驗(yàn)的中間結(jié)果還是最終結(jié)果，學(xué)生都可以將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)永久存儲在“云端”，以便在任何地方通過瀏覽器在“云”的另一端打開繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不用擔(dān)心機(jī)器上是否安裝了應(yīng)用軟件，或擔(dān)心不是最新的版本。

利用“云”的海量存儲空間及數(shù)據(jù)的自由訪問優(yōu)勢，能改變以往為了保護(hù)計(jì)算機(jī)而安裝保護(hù)卡或還原軟件而導(dǎo)致的學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無法在實(shí)驗(yàn)室中長期存儲的問題，這將極大地提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性和有效性。

3 基于云計(jì)算的高等院校虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)

3.1 構(gòu)建思想

云計(jì)算是一種基于因特網(wǎng)的超級計(jì)算模式，它可以使客戶方便地根據(jù)自己的需求在物理機(jī)的虛擬環(huán)境中進(jìn)行資源定制。本文的研究是建立在云計(jì)算的軟件即服務(wù)、平臺即服務(wù)和基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)三層服務(wù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)現(xiàn)狀，利用云計(jì)算中的虛擬化技術(shù)構(gòu)建基于云計(jì)算的高等院校虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，快速部署云端的資源以獲取服務(wù)，動態(tài)組織異構(gòu)資源，構(gòu)建不同的應(yīng)用環(huán)境，將存儲空間等資源共享，杜絕軟硬件資源浪費(fèi)，達(dá)到計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室效益最大化。

3.2 基于云計(jì)算的虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室模型構(gòu)建

利用云計(jì)算技術(shù)，我們不必把軟件、數(shù)據(jù)放在本地計(jì)算機(jī)中，而是把它們放在“云”中，由數(shù)據(jù)中心來為用戶提供軟件和數(shù)據(jù)存儲等服務(wù)。對用戶來說，只需要訂制“云”中的服務(wù)，登錄后就可使用此服務(wù)。總之，云計(jì)算的最終目的是向用戶提供方便、快捷、易于獲取的服務(wù)?；谠朴?jì)算的三層服務(wù)層次，并結(jié)合高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，我們構(gòu)建了基于云計(jì)算的高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)模型，如圖1所示。

⑴ 物理資源層

物理資源層主要指實(shí)實(shí)在在的物理機(jī)、存儲器、通信線路等物理意義上的資源。這些資源通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)資源共享。云計(jì)算系統(tǒng)中資源共享包括計(jì)算資源，存儲資源和網(wǎng)絡(luò)資源的共享等。在高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中可以是PC機(jī)、服務(wù)器、工作站、交換機(jī)、存儲設(shè)備等，這里主要使用的是高校局域網(wǎng)內(nèi)部的設(shè)備，既可以是一個高校的設(shè)備，也可以是多個高校的設(shè)備，這些物理設(shè)備共同構(gòu)成“云”。

⑵ 虛擬資源池

虛擬資源池是通過不同的技術(shù)將相同類型的資源構(gòu)成同構(gòu)或近似同構(gòu)的虛擬資源池；可以屏蔽掉物理資源的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)從物理資源向邏輯資源的轉(zhuǎn)化。把物理資源整合成與位置和實(shí)物無關(guān)的方式進(jìn)行調(diào)用，可提高資源的利用率，并降低維護(hù)管理的復(fù)雜度。比如：在兩臺服務(wù)器上分別利用虛擬軟件虛擬出10臺虛擬機(jī)，動態(tài)分配虛擬的CPU、內(nèi)存、硬盤、I/0設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)資源，并分別在這些虛擬機(jī)上安裝不同的操作系統(tǒng)及配置相應(yīng)的應(yīng)用程序，從而建立出來20臺服務(wù)器建成的虛擬資源池的云計(jì)算環(huán)境。

⑶ 云管理層

云管理層的功能主要包括：云資源管理、云數(shù)據(jù)管理、云安全管理和用戶管理。資源管理平臺建設(shè)中間件主要對虛擬資源層的各種虛擬資源進(jìn)行管理，包括增加、刪除、修改、維護(hù)等，并對眾多的資源建設(shè)管理進(jìn)行負(fù)載均衡優(yōu)化和調(diào)度，從而為上層應(yīng)用提供安全的服務(wù)。云數(shù)據(jù)管理主要對用戶及云平臺上的數(shù)據(jù)進(jìn)行保管和維護(hù)，保證用戶實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、軟件數(shù)據(jù)等資料的安全性。安全管理包括網(wǎng)絡(luò)的安全管理、數(shù)據(jù)的安全管理、訪問的安全管理及用戶的身份確認(rèn)和訪問控制權(quán)限等。

⑷ 云客戶端

云客戶端主要通過應(yīng)用技術(shù)將云計(jì)算能力封裝成標(biāo)準(zhǔn)的Web Service服務(wù)，使任何一個用戶按自己的需求對SaaS平臺進(jìn)行個性化配置而不影響其他用戶的使用。云客戶端為用戶和云計(jì)算應(yīng)用提供統(tǒng)一的接口規(guī)范。在高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)模型中所說的云客戶端主要是使用瀏覽器和應(yīng)用程序接口，因而使用云客戶端就可以快速便捷地訪問云中的資源。云客戶端通常安裝在實(shí)驗(yàn)室的終端計(jì)算機(jī)中，對計(jì)算機(jī)的硬件要求不高，這樣各高?？梢圆槐赝度牒艽筚Y金到本地的終端上去，就可以使用云計(jì)算平臺的大量信息資源，使用遠(yuǎn)超過終端性能上限的高強(qiáng)度計(jì)算工作和存儲能力。

4 結(jié)束語

隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，云計(jì)算技術(shù)不斷成熟，云計(jì)算不再是高聳云端的高端理念，作為一種新型的服務(wù)模式，它必將為計(jì)算機(jī)應(yīng)用帶來新的變革。建設(shè)基于云計(jì)算的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，可輕松實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備間的數(shù)據(jù)共享，為用戶提供無限的存儲空間和計(jì)算性能，并保證數(shù)據(jù)的安全、可靠。云計(jì)算與高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的結(jié)合，可有效整合高校教學(xué)資源，提高資源的利用率，從而為高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供參考，也進(jìn)一步拓展了云計(jì)算的應(yīng)用領(lǐng)域。

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