何海祝，刁宇峰

（內(nèi)蒙古民族大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028043）

0 引言

當(dāng)前，高校 “雙一流” 建設(shè)背景下，我國(guó)眾多高校都在逐步加大打造新型實(shí)驗(yàn)室的力度，各種新技術(shù)、新方案被應(yīng)用到高校實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)當(dāng)中，旨在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力和科研能力。云計(jì)算是當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，其應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了商業(yè)、政府、教育等眾多行業(yè)，對(duì)經(jīng)濟(jì)、科技、管理和安全具有重大的影響，并對(duì)一些行業(yè)產(chǎn)生了根本性的改變。高校新型實(shí)驗(yàn)室建設(shè)將合理利用云計(jì)算技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，合理利用云計(jì)算的虛擬資源池技術(shù)，將實(shí)驗(yàn)室物理內(nèi)存、CPU、硬盤等設(shè)備資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)再分配；合理利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和分布式技術(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和網(wǎng)絡(luò)資源的共享；合理利用云客戶端統(tǒng)一接口，實(shí)現(xiàn)用戶便捷地訪問 “云” 中資源；合理利用云管理層功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、虛擬資源管理、負(fù)載均衡管理及安全管理。將云計(jì)算技術(shù)引入高校，對(duì)構(gòu)建新型、綠色、節(jié)能和安全的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室將發(fā)揮重要作用，有效助推 “雙一流” 學(xué)科專業(yè)建設(shè)下高校創(chuàng)新性人才培養(yǎng)需求。

1 基于云計(jì)算技術(shù)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的必要性

1．1 設(shè)備數(shù)量多，難于維護(hù)與管理 目前，大部分高校一個(gè)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室學(xué)生可用電腦數(shù)量約為100臺(tái)，每學(xué)期約承擔(dān)5～6門實(shí)驗(yàn)課，實(shí)驗(yàn)室電腦使用頻率較高。從硬件方面來看，電腦硬件易受溫度、灰塵、靜電等環(huán)境影響而損壞，因此，高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室中硬件故障率一般比較高。從軟件方面來看，由于計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室使用人員復(fù)雜、軟件環(huán)境頻繁更換、學(xué)生使用U盤等都會(huì)給計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)帶來很大的風(fēng)險(xiǎn)，每隔一段時(shí)間就會(huì)重裝系統(tǒng)，大大加重了實(shí)驗(yàn)管理員的工作量。雖然，實(shí)驗(yàn)室采用了還原卡，主板設(shè)置密碼，屏蔽控制面板等一些防護(hù)措施，但在維護(hù)數(shù)量眾多的電腦時(shí)難免出現(xiàn)一些短時(shí)間內(nèi)無法解除的故障，特別是大量電腦出現(xiàn)故障的時(shí)候，短時(shí)間內(nèi)難以恢復(fù)，從而影響高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的正常開展。

1．2 高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備落后，資源分配不合理 大多數(shù)高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室采用一次性申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)建設(shè)，后續(xù)升級(jí)改造經(jīng)費(fèi)申請(qǐng)困難，加之計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代速度較快，從而直接導(dǎo)致計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室在3～5年得不到硬件升級(jí)，硬件設(shè)備無法滿足快速發(fā)展的軟件的需求，部分實(shí)驗(yàn)課程無法有效地進(jìn)行。同時(shí)，高校普遍存在老舊計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室只能承擔(dān)軟硬件要求較低的實(shí)驗(yàn)課程的開展，新建設(shè)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室則承擔(dān)了大部分實(shí)驗(yàn)課程，形成了老舊實(shí)驗(yàn)室無人愿意使用，新建實(shí)驗(yàn)室爭(zhēng)相搶用的資源分配不合理情況。

1．3 資源共享度低，不利于實(shí)驗(yàn)以 “項(xiàng)目式” 開展 在大部分高校中，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室大多分為硬件實(shí)驗(yàn)室、軟件實(shí)驗(yàn)室、網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室，公共實(shí)驗(yàn)室等形式，每類實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)某項(xiàng)教學(xué)任務(wù)或某項(xiàng)課題研究。（1）傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)多采用局域網(wǎng)組網(wǎng)形式，每個(gè)實(shí)驗(yàn)室單獨(dú)組網(wǎng)，封閉式管理，大部分軟件和硬件資源無法有效共享，造成了實(shí)驗(yàn)室設(shè)備僅用于課堂教學(xué)，很少用于學(xué)生的課外實(shí)驗(yàn)研究工作。（2）傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室通常采用還原卡類的保護(hù)方式，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無法保存，難于實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)連續(xù)性、系統(tǒng)性地開展，更不能實(shí)現(xiàn)科研小組開展的實(shí)驗(yàn)以 “項(xiàng)目式” 推進(jìn)。

1．4 無法滿足實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目私有化環(huán)境 傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室軟件安裝通常為每個(gè)學(xué)期初，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室所承擔(dān)課程，進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)軟件的安裝，例如：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程需要安裝VC 6.0軟件、VS 2019等軟件開發(fā)環(huán)境，通常為了讓電腦運(yùn)行更為流暢，實(shí)驗(yàn)室管理員只會(huì)安裝其中一個(gè)軟件，學(xué)生在使用的過程中也只能使用機(jī)器上現(xiàn)有的軟件。由于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)硬件性能限制及保護(hù)要求，不便于實(shí)驗(yàn)環(huán)境頻繁更換：一方面，電腦設(shè)有還原保護(hù)措施，當(dāng)電腦重啟后，系統(tǒng)被還原，造成實(shí)驗(yàn)環(huán)境丟失；另一方面，搭建的私有實(shí)驗(yàn)環(huán)境，容易被其他使用此電腦的學(xué)生破壞，難于實(shí)現(xiàn) “專機(jī)專用” 。

2 基于云計(jì)算技術(shù)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室優(yōu)勢(shì)

當(dāng)前，在 “雙一流” 學(xué)科建設(shè)背景下，高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室都面臨著向信息化的方向發(fā)展，從而進(jìn)一步提升實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)實(shí)踐作用，充分發(fā)揮其理論教學(xué)的輔助功能，為完成高校培養(yǎng)優(yōu)秀的畢業(yè)生總體目標(biāo)，不斷地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)化與改革。在眾多的方案中，基于云計(jì)算技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)具備提高效率、安全可靠、節(jié)省成本等諸多方面的優(yōu)勢(shì)。

2．1 降低維護(hù)和管理成本 基于云計(jì)算技術(shù)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室的軟硬件資源統(tǒng)一管理，有效降低實(shí)驗(yàn)室的維護(hù)成本和管理成本。（1）節(jié)省部署時(shí)間，管理人員在服務(wù)器上進(jìn)行統(tǒng)一操作，不需要逐臺(tái)電腦進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)，減少機(jī)房管理人員的工作量。（2）降低維護(hù)成本，通過云平臺(tái)管理軟件，管理人員與實(shí)驗(yàn)室是1∶N的關(guān)系，真正實(shí)現(xiàn)一人管理維護(hù)多個(gè)實(shí)驗(yàn)室，降低機(jī)房管理成本。（3）實(shí)現(xiàn)教育教學(xué)資源的云端管理，管理員通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)教育教學(xué)資源的遠(yuǎn)程管理，便于師生訪問資源的同時(shí)，也提升了資源管理效率。

2．2 促進(jìn)師生信息交互，提升教與學(xué)的效果 基于云計(jì)算技術(shù)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，利用云計(jì)算技術(shù)提供新的軟件資源開發(fā)模式，通過云服務(wù)來搭建師生之間溝通的橋梁，實(shí)現(xiàn)在線答疑、即時(shí)通信和電子郵件服務(wù)等。學(xué)生通過個(gè)人賬號(hào)密碼隨時(shí)隨地登陸云計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行各類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開展，教師可以隨時(shí)隨地查看學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及回答學(xué)生提出的疑問，從而促進(jìn)師生之間的信息交流，提升教學(xué)成效。

2．3 加強(qiáng)資源共享，統(tǒng)一教學(xué)資源 充分利用云計(jì)算的信息與資源共享功能，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)共享，教學(xué)資源共享。教師可以通過云技術(shù)在線編輯和修改云平臺(tái)上的教學(xué)資源，將結(jié)果直接存儲(chǔ)和公布在云平臺(tái)上，學(xué)生則可以通過網(wǎng)絡(luò)鏈接到云平臺(tái)，獲取所需要的學(xué)習(xí)資源和服務(wù)［1］。利用云計(jì)算技術(shù)開放的接口功能，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科類實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開放共享，促進(jìn)相關(guān)學(xué)科實(shí)驗(yàn)混合式開展。

2．4 便于信息存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境獨(dú)立性和數(shù)據(jù)延續(xù)性 利用云計(jì)算虛擬化技術(shù)，實(shí)驗(yàn)人員根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，搭建獨(dú)有的、統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，有效避免傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中 “一機(jī)多用” 的局面，避免與其他實(shí)驗(yàn)人員因共用實(shí)驗(yàn)環(huán)境，造成實(shí)驗(yàn)無法有效開展。利用云計(jì)算的數(shù)據(jù)云端存儲(chǔ)技術(shù)，便于實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存及再使用，每次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)皆可以保存在云端。在下一次開展實(shí)驗(yàn)時(shí)，及時(shí)方便地獲取到前面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，便于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析、對(duì)比及匯總整理，有效提升實(shí)驗(yàn)實(shí)際效果。

2．5 以WEB形式開展實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)使用 將計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室接入校園網(wǎng)，師生通過客戶端登錄云端，即可享受到云計(jì)算服務(wù)端提供的虛擬桌面及軟件環(huán)境。從學(xué)生角度，學(xué)生可將在課堂上未完成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果存儲(chǔ)到云端，利用課余時(shí)間登陸云端，完成未結(jié)束的實(shí)驗(yàn)。從教師角度，教師通過Internet登錄云端，隨時(shí)隨地使用實(shí)驗(yàn)室資源進(jìn)行備課或科研。同時(shí)，基于云計(jì)算的實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器具有較高的靈活性：服務(wù)端可以安裝Windows、Linux等各種操作系統(tǒng)，基于操作系統(tǒng)搭建實(shí)驗(yàn)相關(guān)程序，通過web實(shí)現(xiàn)訪問、開展實(shí)驗(yàn)，無時(shí)間和地點(diǎn)限制。

3 基于云計(jì)算技術(shù)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展與成熟，讓高校改造建設(shè)基于云計(jì)算技術(shù)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室具有可行性?，F(xiàn)今，部分高校已經(jīng)建立了基于云計(jì)算技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室，利用云計(jì)算的優(yōu)勢(shì)結(jié)合高校具體情況，逐步建設(shè)各具特色的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，以推動(dòng)高校教學(xué)和科研向更高質(zhì)量的發(fā)展。

3．1 整體架構(gòu) 基于云計(jì)算技術(shù)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，包含云計(jì)算服務(wù)集群、云安全、云存儲(chǔ)等。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過對(duì)底層服務(wù)器硬件、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和存儲(chǔ)資源實(shí)現(xiàn)虛擬化部署，實(shí)現(xiàn)云計(jì)算中基礎(chǔ)設(shè)施（Laas部分）的資源監(jiān)控、服務(wù)器管理、虛擬機(jī)管理、存儲(chǔ)管理、網(wǎng)絡(luò)管理等眾多功能；在Paas層實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬實(shí)驗(yàn)發(fā)布、身份認(rèn)證、通用服務(wù)等功能；在Saas層實(shí)現(xiàn)：交互課堂、在線課程庫(kù)、系統(tǒng)部署、實(shí)驗(yàn)管理、設(shè)備管理等功能。整個(gè)系統(tǒng)的搭建將具有較高自適應(yīng)性和良好的擴(kuò)展性，見圖1。

圖1 基于云計(jì)算技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)架構(gòu)Fig.1 Laboratory platform architecture based on cloud computing technology

3．2 具體構(gòu)建設(shè)計(jì) 以云計(jì)算的虛擬化技術(shù)為基礎(chǔ)，云端建設(shè)多種虛擬機(jī)，對(duì)硬件資源、軟件資源實(shí)現(xiàn)虛擬化劃分，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)使用終端與虛擬機(jī)之間操作與管理，見圖2。

圖2 基于云計(jì)算技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Laboratory system architecture based on cloud computing technology

硬件系統(tǒng)層：該層主要實(shí)現(xiàn)環(huán)境搭建和虛擬機(jī)構(gòu)建，為虛擬系統(tǒng)層提供硬件方面支持。通常1個(gè)實(shí)驗(yàn)室，硬件系統(tǒng)層共有服務(wù)器8 臺(tái)，千兆路由器1 臺(tái)，千兆交換機(jī)3 臺(tái)，90 臺(tái)實(shí)驗(yàn)室終端設(shè)備（含鼠標(biāo)鍵盤），30臺(tái)云終端組成。

虛擬系統(tǒng)層：根據(jù)不同課程實(shí)驗(yàn)需求，動(dòng)態(tài)分配CPU、內(nèi)存、硬盤等資源，并在虛擬機(jī)上安裝相應(yīng)的操作系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)軟件。虛擬機(jī)可以采用動(dòng)態(tài)資源分配，機(jī)房終端開啟后，所有虛擬機(jī)采用統(tǒng)一配置，滿足實(shí)驗(yàn)室課程需求；虛擬機(jī)也可以采用靜態(tài)資源分配，管理員未收回資源的前提下，虛擬機(jī)一直在線，用戶可以隨時(shí)隨地使用，師生可以通過賬號(hào)和密碼登錄自己的專有虛擬機(jī)［2-3］。

4 基于云計(jì)算技術(shù)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室管理

4．1 實(shí)驗(yàn)室管理基本模式 基于云計(jì)算技術(shù)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室充分利用了云計(jì)算具有的全新網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的概念，以互聯(lián)網(wǎng)為中心，提供快速且安全的云計(jì)算服務(wù)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)［4］。所有的計(jì)算資源、網(wǎng)絡(luò)資源及軟件資源由實(shí)驗(yàn)室管理員統(tǒng)一維護(hù)管理，實(shí)驗(yàn)人員都可以通過網(wǎng)絡(luò)使用實(shí)驗(yàn)室計(jì)算資源與數(shù)據(jù)資源，擺脫傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室管理過程中實(shí)驗(yàn)室人員容量限制和資源封閉限制，實(shí)現(xiàn) “線上” 管理、 “線上” 實(shí)驗(yàn)、 “線上” 交流的新型實(shí)驗(yàn)室管理模式。

4．2 打造 “開放型” 實(shí)驗(yàn)室管理模式 基于云技術(shù)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室充分利用云計(jì)算的開放性和共享性特點(diǎn)。技術(shù)上實(shí)現(xiàn)管理端統(tǒng)一管理，客戶端隨時(shí)訪問的物理架構(gòu)，管理人員通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器遠(yuǎn)程配置。通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，客戶端實(shí)現(xiàn)師生隨時(shí)訪問，獲取資源不受時(shí)間和空間的限制，師生即可以到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，也可以通過網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地進(jìn)行自己設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)［5］。

思想上形成以學(xué)生和教師為主體，以管理者為輔助的管理思維。在學(xué)生方面，通過開放的實(shí)驗(yàn)室管理模式，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ慕Y(jié)合，培養(yǎng)具有扎實(shí)專業(yè)知識(shí)和較強(qiáng)創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才；在教師方面，打造一支專業(yè)技術(shù)豐富、層次分明、結(jié)構(gòu)合理的實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍，教師通過云平臺(tái)，設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)課題和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)與學(xué)生充分溝通，合理性的評(píng)價(jià)學(xué)生實(shí)驗(yàn)成果，有效地提升學(xué)生的創(chuàng)新能力與動(dòng)手能力；從管理員方面，打造一支高水平的實(shí)驗(yàn)室管理隊(duì)伍，以技術(shù)推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室管理隊(duì)伍建設(shè)，形成一支既有技術(shù)能力又有管理水平的管理員隊(duì)伍。

4．3 打造 “實(shí)驗(yàn)” + “科研” 實(shí)驗(yàn)室管理模式 基于云計(jì)算技術(shù)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室充分發(fā)揮云計(jì)算具有的高靈活性、可擴(kuò)展性和高性價(jià)比等特點(diǎn)，打造 “實(shí)驗(yàn)” + “科研” 實(shí)驗(yàn)室管理模式。實(shí)驗(yàn)室在承擔(dān)傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的同時(shí)，也可以承擔(dān)如 “挑戰(zhàn)杯” 等競(jìng)賽或課外科技小發(fā)明等難度較高的設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過基于教學(xué)實(shí)驗(yàn)和競(jìng)賽創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的交叉開展，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科研基本技能，掌握科研的基本方法，訓(xùn)練學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，也有利于自我管理能力提升和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)，為學(xué)生提供了自由發(fā)展的空間?？蒲泄ぷ鬟^程中，學(xué)生通過文獻(xiàn)檢索、立項(xiàng)、課題設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)實(shí)施、資料整理和分析、論文撰寫和發(fā)表等一系列科研訓(xùn)練，培養(yǎng)自我管理、自我約束和團(tuán)體協(xié)作能力，有利于促進(jìn)學(xué)生積極學(xué)習(xí)的熱情，使學(xué)生以更好的態(tài)度對(duì)待學(xué)習(xí)和科研。

5 結(jié)語

隨著云計(jì)算、霧計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)不斷發(fā)展，建設(shè)云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室將成為未來計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方向。云計(jì)算與計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的結(jié)合，有效地規(guī)避傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的弊端，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與發(fā)展思路，一方面，利于整合高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，統(tǒng)一存儲(chǔ)，保證數(shù)據(jù)安全；另一方面，提升資源利用率，均衡計(jì)算性能，合理分配系統(tǒng)資源?；谠朴?jì)算技術(shù)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，將給各高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)帶來全新的改變，有助于推動(dòng)高校的教學(xué)和科研事業(yè)發(fā)展［6］。