臧勁松

摘 要： 云計算是一種新型的計算模式，是下一代網(wǎng)絡計算平臺的核心技術。文章在介紹云計算概念的基礎上，針對高校大學生群體設計一個基于云計算的實驗平臺，旨在改變傳統(tǒng)實驗教學封閉型弊端。該平臺的應用已初顯成效，通過整合實驗室IT硬件資源，實現(xiàn)了實驗教學的動態(tài)管理，并提供了多樣化的教學方式，有效銜接教學管理系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)，從而提高了實驗課程的質量，推動了實驗教學的創(chuàng)新。

關鍵詞： 云計算； 實驗平臺； 實驗模式； 設計

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2015）11-28-04

Abstract： Cloud computing is a new computing mode， and is the core technology of the next generation network computing platform. On the basis of introducing of the concept of cloud computing， this paper designs an experiment platform based on cloud computing， which is designed to change the experiment teaching mode of traditional closed defects. The application of this platform has demonstrated the effects. Through the integration of hardware resources in the laboratory， the dynamic management of the experiment teaching is realized， a variety of teaching methods are provided， and all subsystems in the teaching management system are interfaced effectively， which has improved the quality of experiment courses， and promoted the innovation of experiment teaching.

Key words： cloud computing； experiment platform； experiment mode； design

0 引言

傳統(tǒng)實驗教學中存在著一些問題，如：每臺PC機有一套獨立的資源，缺乏共享，大量資源被浪費；計算機硬件與軟件的更新速度快，實驗室更新設備的建設成本高；實驗室使用時間集中，課后很少開放，出現(xiàn)資源緊張與閑置并存的情況。云計算的出現(xiàn)，可以較好地解決這些問題。

云計算是一種新型的計算模型，是下一代網(wǎng)絡計算平臺的核心技術，它可以提供可靠安全的數(shù)據(jù)存儲、方便快捷的互聯(lián)網(wǎng)服務和強大的計算能力。在教育領域，云計算可以為學習者提供極其便利的環(huán)境和平臺，并將積極影響學習者對個人網(wǎng)絡學習環(huán)境的構建、網(wǎng)絡資源的建設和教育信息系統(tǒng)的開發(fā)等。

1 云計算概述

云計算是在并行計算、網(wǎng)格計算、分布式計算和虛擬化技術的基礎上發(fā)展起來的，是一種通過網(wǎng)絡統(tǒng)一組織和靈活調用各種信息、通信和技術（簡稱ICT）資源，實現(xiàn)大規(guī)模計算的信息數(shù)據(jù)處理方式。維基百科中關于云計算的定義如下：

Cloud computing is the use of computing resources

（hardware and software） that are delivered as a service over a network （typically the Internet）. The name comes from the common use of a cloud-shaped symbol as an abstraction for the complex infrastructure it contains in system diagrams. Cloud computing entrusts remote services with a user's data， software and computation.

英文其意即云計算是一種以服務方式提供給用戶的計算機能力，允許用戶在不了解提供服務的技術、沒有相關知識及設備管理能力的情況下，通過因特網(wǎng)獲取需要的服務。云計算邏輯圖如圖1所示。

云計算模式與傳統(tǒng)的以PC機為中心的計算方式不同，它是一種按需調用的虛擬化的資源池，它將計算任務分布在資源池上，因而數(shù)據(jù)和程序不再運行和保存在個人計算機中，而是保存在互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)中心即“云數(shù)據(jù)”中[1]。客戶端不需要傳統(tǒng)桌面軟件所需的磁盤空間和處理能力，用戶只要能接入互聯(lián)網(wǎng)，就可以在任何時間、任何地點訪問“云端”，根據(jù)各自的需要而獲得各種軟件服務、計算能力和存儲空間[2]。

因此，使用云計算模式，可以給傳統(tǒng)的實驗實帶來如下諸多益處。

⑴ 提高資源利用率。例如：某學生安裝應用程序時需要一臺擁有一個CPU、4G內存、250G硬盤存儲的服務器，如果按照以前的方式，需要給這個學生分配一臺獨立的物理服務器?，F(xiàn)在在云平臺的支持下，只需要利用云平臺生成一臺虛擬機，這臺虛擬機擁有一個CPU、4G內存、250G硬盤存儲，這既滿足了學生的要求，也不會造成資源浪費。

⑵ 易于管理。管理員通過網(wǎng)頁或者云平臺客戶端遠程管理云平臺上的所有資源，通過對平臺上的虛擬機以合適的方式命名，就可以通過名字對平臺上虛擬機的信息有初步的了解。

⑶ 安全。平臺上的數(shù)據(jù)和應用時刻處于安全狀態(tài)下。云平臺通過安裝了防火墻的交換機與外網(wǎng)連接，而且，平臺上的虛擬機是通過VLAN技術來管理和通訊，這保證了平臺上應用的安全。平臺上的數(shù)據(jù)存放在底層的存儲，且存儲的數(shù)據(jù)是經(jīng)過備份的，因此，平臺上的數(shù)據(jù)是安全的。

⑷ 可靠、靈活。云平臺上的所有應用都存在于存儲設備上，在一臺物理服務器出現(xiàn)故障的情況下，這臺物理服務器上的所有虛擬服務器自動遷移到其他的物理服務器上，這保證了系統(tǒng)可靠性。可以在平臺上預先生成虛擬機模板，當需要時，直接根據(jù)模板生成相應的虛擬機，這體現(xiàn)了平臺的靈活性。

⑸ 可擴展性。在對云平臺進行擴展時，將新的物理設備添加到云平臺中，修改配置文件即可，這樣就增加了整個云平臺的性能。

方便、快捷、按需分配。當學生或老師需要虛擬機時，只需要在線申請，填寫所需服務器的具體配置，管理員審核通過之后，平臺就會自動生成相應的虛擬機，這方便了用戶，也便利了管理員。

2 基于云計算的教學實驗平臺構建

2.1 教學實驗平臺設計思想

學校的公共機房，由于計算機和存儲設備的交叉使用，導致了計算機病毒在校園網(wǎng)和學校機房泛濫。“云計算”將信息集中處理，可以保證高校師生信息的安全。而且云計算的出現(xiàn)，還可以為眾多的高校提供類似一流大學才能配置的超級實驗環(huán)境。從這個意義上來說，云計算既節(jié)省了開支，又打破了實驗條件和環(huán)境的壁壘，讓更多高校的科研人才和學生能夠加入到復雜的實驗和科研中去。

2.2 實驗平臺的專業(yè)功能

2.2.1 具有實用的教學功能

實用的教學功能應包含教師課程制作、資源上傳、學生學習、作業(yè)管理、網(wǎng)絡論壇、在線答疑，學生下載課程資源、在線測試、實訓練習等基本功能。支持教師和學生在網(wǎng)絡環(huán)境下的教和學的一切行為，使師生之間、學生之間及時交換信息，有效地進行學習[3]。

2.2.2 能夠運用各種教學策略

通過網(wǎng)絡論壇、在線答疑等模塊實現(xiàn)協(xié)作學習策略，根據(jù)教師提供的課件、教學資源等，學生進行個性化學習，并進行學習效果的實訓練習和在線測試等。該平臺要能充分體現(xiàn)現(xiàn)代教育思想和教學理念，能在教學過程貫穿“自主學習與協(xié)作學習相結合”的理念，為教師的“教”與學生的“學”提供交流平臺，成為以教師為主要創(chuàng)作者，學生自主學習的“雙主”平臺。

2.2.3 以學生為中心，簡單實用

網(wǎng)絡教學系統(tǒng)是以學生為中心的教學模式的體現(xiàn)，提供學生個性化學習的教學平臺，其功能強大且簡單實用，易操作。在線學習、在線測試及作業(yè)提交方便快捷。平臺應具有使用方便、維護簡單、界面簡捷友好等特性，無論用戶計算機知識如何，都能很容易使用本平臺，不會讓學生感覺操作繁瑣等而望而卻步。

2.2.4 應有很好的管理功能

平臺應該具有課程管理、教師管理、學員管理、教務管理等功能。

2.3 云計算架構的實驗平臺的設計

2.3.1 虛擬化技術

虛擬化是云計算技術的一個重要分支，是實現(xiàn)云計算的一種可用技術。從虛擬化技術角度看，它是私有云計算平臺建設比較成熟的方案。虛擬化是將所有可用的計算和存儲資源組成一個資源池，然后用虛擬功能將這個資源池里的資源分別提供給用戶，從而提升資源的利用效率。

虛擬化技術又是一種邏輯簡化技術，實現(xiàn)物理層向邏輯層的變化，它實現(xiàn)了對物理層復雜性的屏蔽，使系統(tǒng)對外呈現(xiàn)出簡單的邏輯狀態(tài)。通過對物理資源的邏輯表示，降低物理資源不同層次之間的耦合程度，使系統(tǒng)所需資源不受物理資源的限制，從而獲得高性能，高可擴展性等特性[4]。

虛擬化的基礎是虛擬機。虛擬機是一種嚴密隔離的軟件容器，它可以運行自己的操作系統(tǒng)和應用程序，就好像一臺物理計算機一樣。虛擬機的運行完全類似于一臺物理計算機，它包含自己的虛擬（即基于軟件實現(xiàn)的）CPU、RAM硬盤和網(wǎng)絡接口卡（NIC）。操作系統(tǒng)運行在虛擬機上，虛擬機可以像不同的物理計算機一樣，彼此之間完全隔離的共享一臺計算機的物理資源。這樣對于計算能力要求不高的操作系統(tǒng)，可以實現(xiàn)多個操作系統(tǒng)在一臺物理服務器上運行而不會互相影響，顯著降低了硬件的投資。

總之，虛擬化是實現(xiàn)物理資源復用、降低管理維護復雜度、提高設備利用率的關鍵，同時也為未來自動實現(xiàn)資源協(xié)調和配置打下基礎。

2.3.2 云計算的服務類型

基于云計算的教學實驗平臺可以提供三個層次云計算服務：IaaS，PaaS和SaaS，正好可以滿足在教學實驗中對不同硬件、不同操作系統(tǒng)平臺和不同軟件應用的需求。

IaaS：把基礎設施作為一種服務通過網(wǎng)絡對外提供。在這種服務模型中，用戶不用自己構建一個數(shù)據(jù)中心，不用自己購買物理硬件，而是通過租用的方式來使用包括服務器、存儲和網(wǎng)絡等基礎設施服務，通過網(wǎng)絡申請服務即可搭建自己的系統(tǒng)環(huán)境。由于要保證資源的動態(tài)分配和定制資源的分配粒度，因此在IaaS的平臺實現(xiàn)中一般都需要使用各種虛擬化技術。

PaaS：是指將一個完整的應用程序運行平臺作為一種服務提供給用戶，用戶只需要利用SaaS平臺，就能夠創(chuàng)建、測試和部署應用程序。

SaaS：指用戶獲取軟件服務的一種形式，通過標準的Web瀏覽器來使用互聯(lián)網(wǎng)上的軟件服務。

云計算抽象了計算與存儲資源并動態(tài)地分配給需要使用的用戶，它是一個高伸縮性、高可靠性、底層透明、安全的架構，并且具有友好的監(jiān)控與維護接口。

2.3.3 實驗平臺的構建

在構建教學實驗平臺的過程中，為充分利用現(xiàn)有軟硬件資源，需要對其進行整合，整合思路主要是將原來圍繞應用而隨意堆疊的平臺，向網(wǎng)絡為核心的平臺架構轉移[5]。原來圍繞應用服務器而連接的IT資源（服務器和存儲器）則應搬到網(wǎng)絡上去，網(wǎng)絡可以連接各種各樣的IT資源和基礎性的服務功能。網(wǎng)絡成為數(shù)據(jù)中心資源虛擬化以后的數(shù)據(jù)交換平臺，可以為物理資源提供邏輯服務，為應用需求提供動態(tài)業(yè)務部署?；谠朴嬎愕膶嶒炂脚_構建系統(tǒng)如圖2所示。

客戶端：實驗室計算機終端是基于云計算的實驗系統(tǒng)客戶端。

接口層：為方便不同用戶使用云計算服務，用戶接口層針對每個層次的云服務提供相應的訪問接口，系統(tǒng)也將為不同用戶提供不同的界面和功能。

表示層：用戶和系統(tǒng)的交互，負責和用戶的會話處理。

業(yè)務邏輯層：負責處理表示層的應用請求，對其進行業(yè)務處理的邏輯判斷。如果通過分析和處理后發(fā)現(xiàn)業(yè)務需要進一步交由數(shù)據(jù)庫訪問層處理，那么業(yè)務邏輯層就會調用數(shù)據(jù)庫訪問層提供的服務，將業(yè)務交由數(shù)據(jù)庫訪問層進行處理，并通過進一步的分析與處理，將業(yè)務過程交給云計算平臺。當業(yè)務不需要遞交給數(shù)據(jù)庫訪問層進行處理時，業(yè)務邏輯層可以直接通過接口程序將業(yè)務遞交給云計算平臺，由云計算平臺進行處理。

云計算平臺：分散的資源集中到統(tǒng)一的平臺才能合理地管理和使用，云計算平臺為用戶提供對資源層服務的封裝，還可以提供監(jiān)控管理、系統(tǒng)管理、報表管理等功能，方便管理層對所有的云內資源統(tǒng)一掌控，合理地規(guī)劃。

2.4 教學實驗平臺的維護

基于云計算的教學實驗平臺是在現(xiàn)有機房的軟硬件平臺基礎上構建。因此，必須對現(xiàn)有機房計算機和網(wǎng)絡和存儲設備進行定期維護。在實際使用中，機房的每臺計算機虛擬化為兩臺虛擬機，其中一臺虛擬機作為計算和存儲資源組成云計算的資源池供教學實驗平臺使用和調度，可以稱其為云端虛擬機，它占用該物理計算機的大部分資源，對上機用戶來說是不可見的；而另一臺虛擬機則作為教學實驗平臺的接入終端設備供上機用戶使用，可以稱其為客戶端虛擬機，它采用典型的瘦客戶終端模式，只占用該物理計算機的少部分資源，主要用來運行瀏覽器接入教學實驗平臺，是上機用戶的交互結構。用戶產生的任何數(shù)據(jù)只存儲于云端，客戶端虛擬機不保存用戶的任何數(shù)據(jù)，也可以在客戶端虛擬機中安裝硬盤保護軟件，確保其操作系統(tǒng)在用戶使用后能夠恢復原始狀態(tài)，從而能夠持續(xù)穩(wěn)定運行。

3 結束語

本文對基于云計算的實驗教學平臺搭建研究，可以有效地管理和利用現(xiàn)有物理服務器等資源，極大地降低了實驗平臺硬件設備的成本，為教學提供更加高效、優(yōu)質的網(wǎng)絡環(huán)境和技術服務，為高校其他方面的信息化提供示范。

云計算的應用，目前還有很多問題需要研究，還沒有統(tǒng)一的標準，而且由于用戶、信息資源的高度集中，系統(tǒng)容易成為黑客攻擊的目標。因此，在未來的研究中，數(shù)據(jù)的安全是不可忽視的問題，而數(shù)據(jù)的災后恢復等問題，也期望能不斷改進和完善。相信在不遠的將來，隨著云計算技術的發(fā)展，廉價、方便和安全性會逐步提高，將會使越來越多的學校把自己的各種應用系統(tǒng)遷移到“云”上。

參考文獻（References）：

[1] 羅軍舟，金嘉暉，宋愛波，東方.云計算：體系架構與關鍵技術[J].

通信學報，2011.7：7-25

[2] 張建勛，古志民，鄭超.云計算研究進展綜述[J].計算機應用研

究，2010.2：429-433

[3] 曾明星，周清平，王曉波，蔡國民，董堅峰.軟件工程專業(yè)“翻轉

課堂”云計算教學平臺探討[J].現(xiàn)代教育技術，2013.23（8）：26-31

[4] 工業(yè)和信息化部電信研究院.2012云計算白皮書[J].數(shù)據(jù)通

信，2012.4.

[5] 黎加厚主編.云計算輔助教學[M].上海教育出版社，2010.