臧勁松

摘 要： 云計(jì)算是一種新型的計(jì)算模式，是下一代網(wǎng)絡(luò)計(jì)算平臺(tái)的核心技術(shù)。文章在介紹云計(jì)算概念的基礎(chǔ)上，針對(duì)高校大學(xué)生群體設(shè)計(jì)一個(gè)基于云計(jì)算的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，旨在改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)封閉型弊端。該平臺(tái)的應(yīng)用已初顯成效，通過(guò)整合實(shí)驗(yàn)室IT硬件資源，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的動(dòng)態(tài)管理，并提供了多樣化的教學(xué)方式，有效銜接教學(xué)管理系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)，從而提高了實(shí)驗(yàn)課程的質(zhì)量，推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞： 云計(jì)算； 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)； 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑?設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在著一些問題，如：每臺(tái)PC機(jī)有一套獨(dú)立的資源，缺乏共享，大量資源被浪費(fèi)；計(jì)算機(jī)硬件與軟件的更新速度快，實(shí)驗(yàn)室更新設(shè)備的建設(shè)成本高；實(shí)驗(yàn)室使用時(shí)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(jì)算的出現(xiàn)，可以較好地解決這些問題。

云計(jì)算是一種新型的計(jì)算模型，是下一代網(wǎng)絡(luò)計(jì)算平臺(tái)的核心技術(shù)，它可以提供可靠安全的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、方便快捷的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和強(qiáng)大的計(jì)算能力。在教育領(lǐng)域，云計(jì)算可以為學(xué)習(xí)者提供極其便利的環(huán)境和平臺(tái)，并將積極影響學(xué)習(xí)者對(duì)個(gè)人網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建、網(wǎng)絡(luò)資源的建設(shè)和教育信息系統(tǒng)的開發(fā)等。

1 云計(jì)算概述

云計(jì)算是在并行計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算、分布式計(jì)算和虛擬化技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是一種通過(guò)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一組織和靈活調(diào)用各種信息、通信和技術(shù)（簡(jiǎn)稱ICT）資源，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模計(jì)算的信息數(shù)據(jù)處理方式。維基百科中關(guān)于云計(jì)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(jì)算是一種以服務(wù)方式提供給用戶的計(jì)算機(jī)能力，允許用戶在不了解提供服務(wù)的技術(shù)、沒有相關(guān)知識(shí)及設(shè)備管理能力的情況下，通過(guò)因特網(wǎng)獲取需要的服務(wù)。云計(jì)算邏輯圖如圖1所示。

云計(jì)算模式與傳統(tǒng)的以PC機(jī)為中心的計(jì)算方式不同，它是一種按需調(diào)用的虛擬化的資源池，它將計(jì)算任務(wù)分布在資源池上，因而數(shù)據(jù)和程序不再運(yùn)行和保存在個(gè)人計(jì)算機(jī)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]?？蛻舳瞬恍枰獋鹘y(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(shí)間、任何地點(diǎn)訪問“云端”，根據(jù)各自的需要而獲得各種軟件服務(wù)、計(jì)算能力和存儲(chǔ)空間[2]。

因此，使用云計(jì)算模式，可以給傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)帶來(lái)如下諸多益處。

⑴ 提高資源利用率。例如：某學(xué)生安裝應(yīng)用程序時(shí)需要一臺(tái)擁有一個(gè)CPU、4G內(nèi)存、250G硬盤存儲(chǔ)的服務(wù)器，如果按照以前的方式，需要給這個(gè)學(xué)生分配一臺(tái)獨(dú)立的物理服務(wù)器?，F(xiàn)在在云平臺(tái)的支持下，只需要利用云平臺(tái)生成一臺(tái)虛擬機(jī)，這臺(tái)虛擬機(jī)擁有一個(gè)CPU、4G內(nèi)存、250G硬盤存儲(chǔ)，這既滿足了學(xué)生的要求，也不會(huì)造成資源浪費(fèi)。

⑵ 易于管理。管理員通過(guò)網(wǎng)頁(yè)或者云平臺(tái)客戶端遠(yuǎn)程管理云平臺(tái)上的所有資源，通過(guò)對(duì)平臺(tái)上的虛擬機(jī)以合適的方式命名，就可以通過(guò)名字對(duì)平臺(tái)上虛擬機(jī)的信息有初步的了解。

⑶ 安全。平臺(tái)上的數(shù)據(jù)和應(yīng)用時(shí)刻處于安全狀態(tài)下。云平臺(tái)通過(guò)安裝了防火墻的交換機(jī)與外網(wǎng)連接，而且，平臺(tái)上的虛擬機(jī)是通過(guò)VLAN技術(shù)來(lái)管理和通訊，這保證了平臺(tái)上應(yīng)用的安全。平臺(tái)上的數(shù)據(jù)存放在底層的存儲(chǔ)，且存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)備份的，因此，平臺(tái)上的數(shù)據(jù)是安全的。

⑷ 可靠、靈活。云平臺(tái)上的所有應(yīng)用都存在于存儲(chǔ)設(shè)備上，在一臺(tái)物理服務(wù)器出現(xiàn)故障的情況下，這臺(tái)物理服務(wù)器上的所有虛擬服務(wù)器自動(dòng)遷移到其他的物理服務(wù)器上，這保證了系統(tǒng)可靠性。可以在平臺(tái)上預(yù)先生成虛擬機(jī)模板，當(dāng)需要時(shí)，直接根據(jù)模板生成相應(yīng)的虛擬機(jī)，這體現(xiàn)了平臺(tái)的靈活性。

⑸ 可擴(kuò)展性。在對(duì)云平臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)，將新的物理設(shè)備添加到云平臺(tái)中，修改配置文件即可，這樣就增加了整個(gè)云平臺(tái)的性能。

方便、快捷、按需分配。當(dāng)學(xué)生或老師需要虛擬機(jī)時(shí)，只需要在線申請(qǐng)，填寫所需服務(wù)器的具體配置，管理員審核通過(guò)之后，平臺(tái)就會(huì)自動(dòng)生成相應(yīng)的虛擬機(jī)，這方便了用戶，也便利了管理員。

2 基于云計(jì)算的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

2.1 教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)思想

學(xué)校的公共機(jī)房，由于計(jì)算機(jī)和存儲(chǔ)設(shè)備的交叉使用，導(dǎo)致了計(jì)算機(jī)病毒在校園網(wǎng)和學(xué)校機(jī)房泛濫?！霸朴?jì)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(jì)算的出現(xiàn)，還可以為眾多的高校提供類似一流大學(xué)才能配置的超級(jí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，云計(jì)算既節(jié)省了開支，又打破了實(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境的壁壘，讓更多高校的科研人才和學(xué)生能夠加入到復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)和科研中去。

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的專業(yè)功能

2.2.1 具有實(shí)用的教學(xué)功能

實(shí)用的教學(xué)功能應(yīng)包含教師課程制作、資源上傳、學(xué)生學(xué)習(xí)、作業(yè)管理、網(wǎng)絡(luò)論壇、在線答疑，學(xué)生下載課程資源、在線測(cè)試、實(shí)訓(xùn)練習(xí)等基本功能。支持教師和學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的教和學(xué)的一切行為，使師生之間、學(xué)生之間及時(shí)交換信息，有效地進(jìn)行學(xué)習(xí)[3]。

2.2.2 能夠運(yùn)用各種教學(xué)策略

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)論壇、在線答疑等模塊實(shí)現(xiàn)協(xié)作學(xué)習(xí)策略，根據(jù)教師提供的課件、教學(xué)資源等，學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化學(xué)習(xí)，并進(jìn)行學(xué)習(xí)效果的實(shí)訓(xùn)練習(xí)和在線測(cè)試等。該平臺(tái)要能充分體現(xiàn)現(xiàn)代教育思想和教學(xué)理念，能在教學(xué)過(guò)程貫穿“自主學(xué)習(xí)與協(xié)作學(xué)習(xí)相結(jié)合”的理念，為教師的“教”與學(xué)生的“學(xué)”提供交流平臺(tái)，成為以教師為主要?jiǎng)?chuàng)作者，學(xué)生自主學(xué)習(xí)的“雙主”平臺(tái)。

2.2.3 以學(xué)生為中心，簡(jiǎn)單實(shí)用

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)是以學(xué)生為中心的教學(xué)模式的體現(xiàn)，提供學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)的教學(xué)平臺(tái)，其功能強(qiáng)大且簡(jiǎn)單實(shí)用，易操作。在線學(xué)習(xí)、在線測(cè)試及作業(yè)提交方便快捷。平臺(tái)應(yīng)具有使用方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、界面簡(jiǎn)捷友好等特性，無(wú)論用戶計(jì)算機(jī)知識(shí)如何，都能很容易使用本平臺(tái)，不會(huì)讓學(xué)生感覺操作繁瑣等而望而卻步。

2.2.4 應(yīng)有很好的管理功能

平臺(tái)應(yīng)該具有課程管理、教師管理、學(xué)員管理、教務(wù)管理等功能。

2.3 云計(jì)算架構(gòu)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

2.3.1 虛擬化技術(shù)

虛擬化是云計(jì)算技術(shù)的一個(gè)重要分支，是實(shí)現(xiàn)云計(jì)算的一種可用技術(shù)。從虛擬化技術(shù)角度看，它是私有云計(jì)算平臺(tái)建設(shè)比較成熟的方案。虛擬化是將所有可用的計(jì)算和存儲(chǔ)資源組成一個(gè)資源池，然后用虛擬功能將這個(gè)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(shù)又是一種邏輯簡(jiǎn)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物理層向邏輯層的變化，它實(shí)現(xiàn)了對(duì)物理層復(fù)雜性的屏蔽，使系統(tǒng)對(duì)外呈現(xiàn)出簡(jiǎn)單的邏輯狀態(tài)。通過(guò)對(duì)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(kuò)展性等特性[4]。

虛擬化的基礎(chǔ)是虛擬機(jī)。虛擬機(jī)是一種嚴(yán)密隔離的軟件容器，它可以運(yùn)行自己的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，就好像一臺(tái)物理計(jì)算機(jī)一樣。虛擬機(jī)的運(yùn)行完全類似于一臺(tái)物理計(jì)算機(jī)，它包含自己的虛擬（即基于軟件實(shí)現(xiàn)的）CPU、RAM硬盤和網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）。操作系統(tǒng)運(yùn)行在虛擬機(jī)上，虛擬機(jī)可以像不同的物理計(jì)算機(jī)一樣，彼此之間完全隔離的共享一臺(tái)計(jì)算機(jī)的物理資源。這樣對(duì)于計(jì)算能力要求不高的操作系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)操作系統(tǒng)在一臺(tái)物理服務(wù)器上運(yùn)行而不會(huì)互相影響，顯著降低了硬件的投資。

總之，虛擬化是實(shí)現(xiàn)物理資源復(fù)用、降低管理維護(hù)復(fù)雜度、提高設(shè)備利用率的關(guān)鍵，同時(shí)也為未來(lái)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)資源協(xié)調(diào)和配置打下基礎(chǔ)。

2.3.2 云計(jì)算的服務(wù)類型

基于云計(jì)算的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以提供三個(gè)層次云計(jì)算服務(wù)：IaaS，PaaS和SaaS，正好可以滿足在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中對(duì)不同硬件、不同操作系統(tǒng)平臺(tái)和不同軟件應(yīng)用的需求。

IaaS：把基礎(chǔ)設(shè)施作為一種服務(wù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)外提供。在這種服務(wù)模型中，用戶不用自己構(gòu)建一個(gè)數(shù)據(jù)中心，不用自己購(gòu)買物理硬件，而是通過(guò)租用的方式來(lái)使用包括服務(wù)器、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)申請(qǐng)服務(wù)即可搭建自己的系統(tǒng)環(huán)境。由于要保證資源的動(dòng)態(tài)分配和定制資源的分配粒度，因此在IaaS的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)中一般都需要使用各種虛擬化技術(shù)。

PaaS：是指將一個(gè)完整的應(yīng)用程序運(yùn)行平臺(tái)作為一種服務(wù)提供給用戶，用戶只需要利用SaaS平臺(tái)，就能夠創(chuàng)建、測(cè)試和部署應(yīng)用程序。

SaaS：指用戶獲取軟件服務(wù)的一種形式，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的Web瀏覽器來(lái)使用互聯(lián)網(wǎng)上的軟件服務(wù)。

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

2.3.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

在構(gòu)建教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的過(guò)程中，為充分利用現(xiàn)有軟硬件資源，需要對(duì)其進(jìn)行整合，整合思路主要是將原來(lái)圍繞應(yīng)用而隨意堆疊的平臺(tái)，向網(wǎng)絡(luò)為核心的平臺(tái)架構(gòu)轉(zhuǎn)移[5]。原來(lái)圍繞應(yīng)用服務(wù)器而連接的IT資源（服務(wù)器和存儲(chǔ)器）則應(yīng)搬到網(wǎng)絡(luò)上去，網(wǎng)絡(luò)可以連接各種各樣的IT資源和基礎(chǔ)性的服務(wù)功能。網(wǎng)絡(luò)成為數(shù)據(jù)中心資源虛擬化以后的數(shù)據(jù)交換平臺(tái)，可以為物理資源提供邏輯服務(wù)，為應(yīng)用需求提供動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)部署?；谠朴?jì)算的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建系統(tǒng)如圖2所示。

客戶端：實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)終端是基于云計(jì)算的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)客戶端。

接口層：為方便不同用戶使用云計(jì)算服務(wù)，用戶接口層針對(duì)每個(gè)層次的云服務(wù)提供相應(yīng)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(fù)責(zé)和用戶的會(huì)話處理。

業(yè)務(wù)邏輯層：負(fù)責(zé)處理表示層的應(yīng)用請(qǐng)求，對(duì)其進(jìn)行業(yè)務(wù)處理的邏輯判斷。如果通過(guò)分析和處理后發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)需要進(jìn)一步交由數(shù)據(jù)庫(kù)訪問層處理，那么業(yè)務(wù)邏輯層就會(huì)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)訪問層提供的服務(wù)，將業(yè)務(wù)交由數(shù)據(jù)庫(kù)訪問層進(jìn)行處理，并通過(guò)進(jìn)一步的分析與處理，將業(yè)務(wù)過(guò)程交給云計(jì)算平臺(tái)。當(dāng)業(yè)務(wù)不需要遞交給數(shù)據(jù)庫(kù)訪問層進(jìn)行處理時(shí)，業(yè)務(wù)邏輯層可以直接通過(guò)接口程序?qū)I(yè)務(wù)遞交給云計(jì)算平臺(tái)，由云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行處理。

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

2.4 教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的維護(hù)

基于云計(jì)算的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是在現(xiàn)有機(jī)房的軟硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上構(gòu)建。因此，必須對(duì)現(xiàn)有機(jī)房計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行定期維護(hù)。在實(shí)際使用中，機(jī)房的每臺(tái)計(jì)算機(jī)虛擬化為兩臺(tái)虛擬機(jī)，其中一臺(tái)虛擬機(jī)作為計(jì)算和存儲(chǔ)資源組成云計(jì)算的資源池供教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用和調(diào)度，可以稱其為云端虛擬機(jī)，它占用該物理計(jì)算機(jī)的大部分資源，對(duì)上機(jī)用戶來(lái)說(shuō)是不可見的；而另一臺(tái)虛擬機(jī)則作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的接入終端設(shè)備供上機(jī)用戶使用，可以稱其為客戶端虛擬機(jī)，它采用典型的瘦客戶終端模式，只占用該物理計(jì)算機(jī)的少部分資源，主要用來(lái)運(yùn)行瀏覽器接入教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，是上機(jī)用戶的交互結(jié)構(gòu)。用戶產(chǎn)生的任何數(shù)據(jù)只存儲(chǔ)于云端，客戶端虛擬機(jī)不保存用戶的任何數(shù)據(jù)，也可以在客戶端虛擬機(jī)中安裝硬盤保護(hù)軟件，確保其操作系統(tǒng)在用戶使用后能夠恢復(fù)原始狀態(tài)，從而能夠持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)基于云計(jì)算的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)搭建研究，可以有效地管理和利用現(xiàn)有物理服務(wù)器等資源，極大地降低了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件設(shè)備的成本，為教學(xué)提供更加高效、優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和技術(shù)服務(wù)，為高校其他方面的信息化提供示范。

云計(jì)算的應(yīng)用，目前還有很多問題需要研究，還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)。因此，在未來(lái)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(zāi)后恢復(fù)等問題，也期望能不斷改進(jìn)和完善。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，隨著云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，廉價(jià)、方便和安全性會(huì)逐步提高，將會(huì)使越來(lái)越多的學(xué)校把自己的各種應(yīng)用系統(tǒng)遷移到“云”上。

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