云计算技术背景下实验室的建设与管理实践

吴伟娜，周会会，王文华

（1.广东海洋大学 数学与计算机学院，广东 湛江 524088；2.广东海洋大学 电子与信息工程学院，广东 湛江 524088）

随着信息技术的发展，教育已经进入高度发达的信息化时代。当前的高等教育越来越重视实践动手能力和创新能力的培养，不管是理科、工科还是文科的专业，计算机实验室都将是高校的一些理论课程、实践教育课程、校内实习基地以及各种等级考试和培训的必备场地[1-4]，而且，计算机实验室的使用频率高，对新时代的人才培养起着举足轻重的作用。为了满足人才培养的需要，很多高校都在不断扩建计算机实验室，原有计算机实验室的软硬件设备也需要不断更新换代，各种计算机实验实践教学对设备要求也越来越高，有些课程的个性化教学在目前的管理模式下得不到有效满足，因此，实验室管理人员的维护工作越来越繁重。为了提高资源利用能力和实验室的管理效率，促进计算机实验室的管理和资源配置在新时代人才培养质量过程中发挥更加有效的作用，是当前计算机实验室建设及其管理改革的重点方向之一[5]。

近年来，云计算技术的快速发展以及在各个领域的应用使得该技术愈发成熟，为计算机实验室的建设与管理模式改革提供了很好的技术背景[5-9]。云计算技术相对于传统计算机实验室的软件配置在数据存储、配置资源的利用以及管理效率方面有很大优势，云存储和虚拟桌面是当前高校计算机实验室的管理与建设的两个重要应用，能够成为计算机实验室管理和快速发展的有效途径，有效提升计算机实验室的功能和管理效率，满足高校对计算机实验的各种要求。本文针对云计算技术的服务模式和基于云计算技术的计算机实验室管理模式展开讨论，同时针对计算机实验室的教学与平台环境、日常的课程教学对环境的不同需求，在新建的计算机实验室保留还原卡保护方式并且采用云存储技术，提出了“旧机”本地操作系统+云存储的教学环境改造方案，课程教学与实验管理可以根据本地系统的性能和教学环境要求进行选择，从而满足实验室日常的高效管理和教学活动的顺利开展。

1 计算机实验室云计算技术管理的必要性

为了能够更好地满足计算机相关的实验教学顺利进行，传统的实验室建设和管理逐渐显现其弊端，主要表现在以下方面。

1.1 设备数量多，维护难度大

随着教育培养模式改革的深化，高校越来越重视实践动手能力和创新能力的培养，随之而来的是不断扩建计算机实验室和相应的电脑设备，从而导致实验室管理人员的工作量增加，而且，每学期的开学初或者某门课程开课前都面临计算机系统升级、安装新软件或者升级原有软件，以及各种病毒引起的系统崩溃重新安装问题。虽然采用了还原卡等方式对实验室设备进行管理，但是难免经常出现还原卡故障的问题，导致系统安装、软件安装和升级、系统对拷的操作变得繁琐和复杂，工作量大大增加，甚至因为实验室受到正常教学的限制而来不及解决相关的问题。

1.2 课堂存储的数据量大且连续使用性强

为提高实践动手能力和创新能力的培养，不少课程都增加了很多实验课时，并且大量的实验都以项目化的形式出现。项目化的实验要求存储的数据量大同时又要求在多个不同的上课时间段使用，从而导致学生上课时存储数据的麻烦，与现有计算机实验室管理的矛盾日益突出。另外，教师在进行实验讲解过程中同样存在数据存储以及调用现有的数据，或者调用之前保存的数据的问题，给正常的实验教学带来不便。

1.3 还原卡保护与数据存储的矛盾

为了解决设备受病毒攻击的问题，实验室的电脑都安装使用还原卡保护技术，然而为了解决上述课堂存储的数据量大且连续使用性强的问题，实验室管理人员通常为开放1~2个本地服务器的网络驱动盘，同时开放USB接口权限。但是，有些学生在做实验的过程中容易出现误操作，从而将网络驱动盘上别人的数据删除或者修改了教师存放在网络驱动盘上的重要文件。而且，USB接口权限的开放容易造成实验室设备遭受病毒感染，从而导致课堂教学时故障频现，阻碍教学的顺利实施。另外，学生和教师时有忘带U盘、或者把U盘遗忘在实验室、或者U盘损坏的情况发生，给教学造成不便。

1.4 服务器无法满足教学需求的发展

受到技术、价格和投入资金的影响，实验室建设初期配备的服务器只能满足未来几年甚至是当时的教学要求，设备配置较低。随着教学软件的不断增加，有时候服务器可能只能满足某一款专业软件的最低运行要求，无法体现软件的良好性能，教学效果将打折扣。

1.5 满足各种教学和考试服务提高了设备要求

计算机实验室通常都是面对全校的计算机类公共基础课或者各专业课的理论与实验教学，满足各位任课教师的教学需求，然而，每门课程甚至是同一门课程不同专业的教学对于软件的信息和版本要求可能不完全一样，针对这种情况，通常会分批次安装多个教学环境从而确保各门课程的教学顺利进行，甚至有的实验室电脑安装了好几个操作系统以满足不同教学的需要，这难免对设备提出了更高要求，且设备更换周期短、建设和维护成本高[10]。

目前，各种考试类目众多，很多考试的流行方式都是机试，在众多的考试当中，大部分考试环境是不能共享的，为了满足各种类目的考试必须安装多样化的考试系统，有的考试系统对设备要求较高，因此，对设备和管理人员都提出了较高要求。

2 云计算技术的服务模式

云计算技术的服务模式包括以下三种。

（1）平台即服务，简称为PaaS。提供各种应用软件的管理服务，包括软件的升级、日常使用过程中的病毒清除等，同时也为用户提供所需要的服务器和其他硬件资源服务，用户无需购买硬件和软件就可以通过PaaS进行相关的程序开发并且和其他用户共享，用户也无需管理服务器、操作系统和存储等，却可以控制服务商云计算中心的应用程序。

（2）软件即服务，简称为SaaS。是云计算服务商提供的软件应用模式，采用先进的云计算技术实施高校教育的信息化途径。云计算服务商将用户可能需要的各种软件存储在集群服务器上，用户可以在各种设备上通过界面访问开展诸如实验教学或其他实践教学的时候借助于互联网从服务商的云计算中心下载和使用，而用户只需要量贩式的支付资源使用费即可，从而降低用户的成本[11]。

（3）基础设施即服务，简称为IaaS。是云计算服务商向用户提供的存储设备和网络设施等各种完善的资源。通过云计算技术将服务器资源进行整合，构成性能优异的虚拟资源供用户使用。

PaaS、SaaS和IaaS三者云计算的关系见图1。

图1 云计算的PSI之间的关系

3 基于云计算的计算机实验室管理

3.1 计算机实验室管理的基本模式

互联网是实验室与服务商云计算中心的桥梁，云计算中心的主要作用是提供如前所述三种服务模式。所有的服务器、存储等硬件设备和应用软件的使用和管理都由服务商统一配置和管理，用户通过接口向中心以量贩式支付费用的方式提出所有数据的管理、操作和维护等请求。

3.2 实验室管理的应用模式

实验室管理人员首先将服务器的数据和内容虚拟成n台等同的传统物理计算机，然后分配PaaS、SaaS和IaaS服务模式，根据不同用户对操作系统、软件开发平台以及常用的各种开发工具和应用软件等方面的不同需要提供相应的服务。云计算实验室管理的应用模式见图 2。这样一来，每个用户都可以通过虚拟化桌面登录虚拟计算机，随后根据需要配置自己的计算机而在本地不需要安装任何软件，所有访问的数据或者产生的数据都存储在云计算中心。因此，管理人员的工作也就是管理服务器、配置服务器以满足正常的教学需要，从而减轻了工作强度，也大大降低了教学需要的支出成本，表1是60台“计算机”实验室的云计算技术基础上和传统 PC使用一年的管理费用对比数据[12]。从对比可以看出，采用云计算技术的管理模式，节约了大量成本。

图2 云计算实验室管理的应用模式

表1 60台“计算机”实验室的云计算技术和传统PC一年的管理费用

3.3 实验室管理的整体构架

基于云计算技术的实验室管理构架可分为4个层次：接入层、桌面管理层、资源管理层和物理层，云计算实验室管理模式的整体框架见图3。

图3 云计算实验室管理模式的整体框架

（1）接入层：用户可通过接入层客户端的网络浏览器便捷、快速地访问云计算中心的资源。

（2）桌面管理层：用户通过虚拟桌面提出的处理请求、用户机在云计算中心的实验数据和软件资源的保存和维护由虚拟桌面管理层分配与处理。

（3）资源管理层：用户发生的计算资源、存储资源的管理动态调动由虚拟资源管理层完成。云计算的核心技术就是虚拟化的资源集中群。

（4）物理层：服务商或学校自身的终端计算机、服务器、交换机以及存储设备构成的网络实体，具有强大的处理能力和丰富的资源。

4 本地操作系统+云存储的实践方案

新建实验室的计算机配置较高，机器是 DELL Precision 3630 Tower 005 DELL P2419H工作站。其中，处理器是Intel Xeon系列，CPU四核心、四线程以上主频3.3G Hz，动态加速频率3.6 GHz，L3缓存8 M；硬盘是256 GB SATA的固态硬盘和1TB的SATA（7200 rpm）机械硬盘；内存是2条16 GB DDR4，ECC内存(2666 MHz)；显卡是NVIDIA P600，2G 4mDP（384核心）。因此，我们保留了还原卡保护方式，采用本地操作系统+云存储的改造方案实现本地系统和云存储共存的教学环境，数据和结果可以存储在云服务器，教师和学生在教学过程中可以随时调用之前存储在云服务器的数据和结果，满足实验室日常的高效管理和教学活动的顺利开展。以“金融数学”的实验课为例，需要存储的数据量大，受还原卡保护的原因，在本地存储数据不方便，所以实验过程中的数据和结果可存储在云服务器，供教师和学生在未来的任何时间读取调用，云存储时的操作只需要将实验数据的存储地址代码localhost：8001置空即可，操作简单易用，为实验教学和实验室的管理提供了极大的便利。云存储方案实施前后的数据对比见表2。

表2 云存储方案实施前后的对比

5 结语

随着高校对实践教学的重视，计算机实验室的教学设施投入呈扩大趋势，管理工作变得繁重而复杂，存储的数据量巨大却又受限于还原卡的保护。云计算技术的快速发展以及在各个领域的优势，是计算机实验室管理模式的一个改革方向，能够有效提升计算机实验室的功能和管理效率，满足对实验的各种要求。本文针对实验室较好的硬件资源，提出了“旧机”本地操作系统+云存储的教学环境改造方案，解决了原有还原卡保护方式的繁琐存储管理问题，教师和学生又能够随时调用之前进行云存储的数据和结果，满足实验室日常的高效管理和教学活动的顺利开展，为计算机实验教学根据本地系统的性能和教学环境要求进行选择提供一种借鉴的方案，改善计算机实验的教学环境。