程林濱 衛(wèi)偉 崔德鵬

【摘要】長(zhǎng)久以來(lái)高校傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室存在管理難度大、資源利用率低、維護(hù)成本高等痛點(diǎn)，并且一直沒(méi)有有效的解決方案。這無(wú)論對(duì)學(xué)校還是機(jī)房管理都是迫切希望解決的問(wèn)題，而對(duì)于教師和學(xué)生，實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備和環(huán)境跟不上教學(xué)要求，使得教學(xué)和學(xué)習(xí)的效率太低，從而導(dǎo)致教學(xué)質(zhì)量的水平降低。針對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室存在的問(wèn)題，高校云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室解決方案利用云計(jì)算技術(shù)基于開(kāi)源云計(jì)算平臺(tái)Openstack進(jìn)行，根據(jù)教師學(xué)生實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行定制化二次開(kāi)發(fā)，使得平臺(tái)在滿足傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教師上課、學(xué)生上機(jī)實(shí)驗(yàn)的功能之外，還把云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算資源實(shí)現(xiàn)共享，教師學(xué)生不需要到學(xué)校機(jī)房才能使用實(shí)驗(yàn)室的機(jī)器，只要有網(wǎng)用戶隨時(shí)隨地都能使用機(jī)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)，為機(jī)房管理員降低了管理和維護(hù)成本，在校教師利用這些資源用于科研項(xiàng)目，使得實(shí)驗(yàn)室資源在教學(xué)與科研之間共存，達(dá)到資源利用的最大化。

【關(guān)鍵詞】云計(jì)算 資源共享 高校實(shí)驗(yàn)室 云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室OpenStack

一、研究的背景

隨著科技快速發(fā)展，人們?cè)谏詈凸ぷ髦袑?duì)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍也越加廣泛，因此要求也漸漸升高。為了跟上社會(huì)和科技的快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化教育，學(xué)校方面也開(kāi)設(shè)了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程，但目前高校的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室因?yàn)樵O(shè)備老舊、配置過(guò)低、管理協(xié)調(diào)困難等原因，只能滿足部分特定或少量的實(shí)驗(yàn)，很難滿足現(xiàn)代化教學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的需求。因此，一套好的解決方案對(duì)高校來(lái)講是至關(guān)重要的。隨著云計(jì)算的迅速發(fā)展和日漸成熟，通過(guò)云計(jì)算把傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室遷移到云端，構(gòu)建云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室將是解決這一問(wèn)題的最好方案。

二、高校傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室面臨的問(wèn)題

（一）建設(shè)成本高，維護(hù)開(kāi)銷大

建設(shè)一個(gè)傳統(tǒng)機(jī)房，不算上顯示器、鍵盤(pán)鼠標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施等必不可少的附帶設(shè)備，光幾十上百臺(tái)主機(jī)機(jī)箱就已經(jīng)價(jià)格不菲，當(dāng)然也更不用說(shuō)使用中的能耗和網(wǎng)絡(luò)帶寬等其他資源的必要開(kāi)支。而且機(jī)器損耗大、淘汰快，每年都需要對(duì)壞掉的機(jī)器進(jìn)行維修和替換，這對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)是非常大的一筆開(kāi)銷。

（二）管理困難，模式單一

傳統(tǒng)機(jī)房中由于機(jī)器多，排線亂，人流量大，如果出現(xiàn)機(jī)器故障或者網(wǎng)絡(luò)等問(wèn)題，機(jī)房管理人員對(duì)機(jī)器的排查十分困難。當(dāng)需要新裝軟件或?qū)C(jī)器上的軟件進(jìn)行升級(jí)的時(shí)候，工作量更是非常之大。不同課程需要切換不同操作系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，如果需要進(jìn)行上機(jī)考試時(shí)還得切換到考試模式，部署特定的考試環(huán)境。這些都是機(jī)房管理人員的痛點(diǎn)。當(dāng)面對(duì)有些高校需要將多個(gè)校區(qū)的所有機(jī)房集中管理的問(wèn)題時(shí)，管理難度和管理成本會(huì)大大提升。

（三）資源利用率不高，空間和時(shí)間上受限

有的實(shí)驗(yàn)課程上課人數(shù)較少，機(jī)房很多機(jī)器不能被滿額使用，多余的機(jī)器又不能被其他課程同時(shí)使用，在數(shù)量上就導(dǎo)致機(jī)器使用率不高。而對(duì)于大部分實(shí)驗(yàn)課程來(lái)講，實(shí)驗(yàn)要求對(duì)機(jī)器的資源需求都不高，整個(gè)過(guò)程只需要機(jī)器小部分的資源，這又造成了機(jī)器資源的使用率很低的問(wèn)題。對(duì)于擺在機(jī)房里面的機(jī)器，必須進(jìn)入機(jī)房才能使用，而且只有白天甚至上課時(shí)間段才能被使用，在空間和時(shí)間都受到很大限制，這也導(dǎo)致機(jī)器資源被極大地浪費(fèi)。（四）機(jī)器老舊，影響課程質(zhì)量

有的機(jī)房由于建設(shè)時(shí)間早，機(jī)器配置不高，不僅滿足不了高性能的實(shí)驗(yàn)，就連正常實(shí)驗(yàn)使用時(shí)都會(huì)出現(xiàn)卡頓、死機(jī)、藍(lán)屏等情況，造成實(shí)驗(yàn)中斷甚至需要重做實(shí)驗(yàn)。不僅浪費(fèi)時(shí)間、影響教學(xué)進(jìn)度，而且導(dǎo)致教學(xué)質(zhì)量的下降。

（五）科研用機(jī)與教學(xué)用機(jī)不能共存

有的學(xué)校對(duì)于科研和教學(xué)的建設(shè)是分別投入的，各自擁有獨(dú)立的資源，兩者之間的資源往往不能共享。而有的高校又會(huì)讓科研和教學(xué)共用一批資源，導(dǎo)致使用上存在沖突，一方面耽誤教學(xué)進(jìn)度，另一方面影響科研效率。

三、云計(jì)算在國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

（一）云計(jì)算在國(guó)外高校的研究應(yīng)用現(xiàn)狀

從2004年開(kāi)始到2009年，北卡羅來(lái)納州立大學(xué)建立他們的虛擬計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)有效地提供給超過(guò)30，000名學(xué)生和教師不同的計(jì)算資源2011年，沙特阿拉伯阿卜杜拉齊茲國(guó)王科學(xué)技術(shù)（KACST）計(jì)算機(jī)研究所（CRI）也提出了教育和學(xué)習(xí)服務(wù)（ELaaS），并在2012年提供了增強(qiáng)了有效性、彈性、效率，一致性和成本高效益的電子教學(xué)系統(tǒng)。2012年，日本國(guó)家信息學(xué)研究所GRACE中心開(kāi)發(fā)了一個(gè)名為Edubase Cloud的開(kāi)源教育軟件平臺(tái)。由200個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的Edubase Cloud平臺(tái)具有多云架構(gòu)，Edubase云不僅用于學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還用于云講座、云培訓(xùn)、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)。2013年，Jobe提出在KCS開(kāi)展面向云的大型在線電子學(xué)習(xí)課程。KCS所提供的解決方案解決了許多問(wèn)題，例如學(xué)術(shù)材料的可訪問(wèn)性、學(xué)生的失敗率、考試評(píng)估、電子學(xué)習(xí)管理。2013年，在印度被稱為“協(xié)作教育管理系統(tǒng)”（CEMS）的基于云的解決方案被用于教育部門(mén)。CEMS使學(xué)生的學(xué)術(shù)記錄和個(gè)人信息集中在一個(gè)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。2015年一份對(duì)巴基斯坦高等教育公共云采用的評(píng)估中指出，在巴基斯坦這樣的發(fā)展中國(guó)家，缺乏講堂、實(shí)驗(yàn)室、多媒體、熟練又有能力的教育者和基于ICT的財(cái)產(chǎn)，這些都妨礙了優(yōu)質(zhì)教育的分配，但在采用基于云計(jì)算的學(xué)習(xí)環(huán)境后這些問(wèn)題就都被解決了。2015年，因?yàn)樾畔⑼ㄐ偶夹g(shù)的進(jìn)步，學(xué)生在家中使用的計(jì)算機(jī)環(huán)境與教師的計(jì)算機(jī)使用之間產(chǎn)生了差距。于是日本明治大學(xué)提出了建設(shè)一個(gè)支持在家自學(xué)的云教育環(huán)境，以支持學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和跟蹤他們的計(jì)算機(jī)使用情況。通過(guò)三門(mén)課程的學(xué)生實(shí)際行動(dòng)的日志數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，證明了所提出的支持在家自學(xué)的云教育環(huán)境的有效性。在南非有許多大學(xué)和教育機(jī)構(gòu)無(wú)法為學(xué)生提供課程所需的軟件和應(yīng)用程序，因此他們尋找替代方法來(lái)獲取這些軟件和應(yīng)用程序。他們通過(guò)使用社區(qū)云來(lái)降低成本，使他們能共享資源。一些由谷歌提供的由Google郵件、日歷、聊天、文檔、網(wǎng)站和視頻組成的軟件和應(yīng)用程序可免費(fèi)提供給他們使用。南非的高校將云平臺(tái)用于學(xué)生管理，如招生、注冊(cè)、獎(jiǎng)學(xué)金、畢業(yè)生和校友;用于管理系統(tǒng)，如人力資源（HR）、客戶關(guān)系管理（CRM）、工資單和資產(chǎn)管理;還用于學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)（LMS）、商業(yè)智能、報(bào)告工具、電子郵件和辦公生產(chǎn)力工具（如word或excel）。

不止在高校里里有云計(jì)算服務(wù)提供，國(guó)外的企業(yè)同樣運(yùn)用云計(jì)算技術(shù)為教育提供著服務(wù)。如IBM于2009年成立的云學(xué)院，給人們提供了一個(gè)全球性的論壇平臺(tái)。用來(lái)研究云計(jì)算、技能開(kāi)發(fā)和實(shí)踐分享。前期加入的教育機(jī)構(gòu)有17家，其中美國(guó)本土學(xué)校包括：?jiǎn)讨蚊飞髮W(xué)、北卡羅萊納州立大學(xué)、GwinnettCounty PublicSchools、紐約大學(xué)、圣母學(xué)院、佐治亞州立大學(xué)、PikeCountySchools、Executive Leadership

FoundationsTechnologyTransfer項(xiàng)目（由傳統(tǒng)黑人高等學(xué)校聯(lián)合組成）、馬里蘭州大學(xué)（位于巴爾的摩縣）;國(guó)際大學(xué)機(jī)構(gòu)包括：北京工業(yè)大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)、卡塔爾大學(xué)、土耳其Ozyegin大學(xué)、卡耐基梅隆大學(xué)卡塔爾分校、法國(guó)里昂高等師范學(xué)院、德州農(nóng)工大學(xué)卡塔爾分校以及澳大利亞維多利亞大學(xué)。谷歌也與許多大學(xué)成立合作伙伴關(guān)系，為其提供建立學(xué)術(shù)云的技術(shù)支持。2008年1月，谷歌在臺(tái)灣地區(qū)宣布激活“云計(jì)算學(xué)術(shù)計(jì)劃”，與交通大學(xué)、臺(tái)灣大學(xué)等學(xué)校合作，將這種先進(jìn)的、大規(guī)模的、快速的計(jì)算技術(shù)推廣到校園。

（二）云計(jì)算在國(guó)內(nèi)高校的研究應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)云計(jì)算技術(shù)在教育應(yīng)用剛起步，許多云服務(wù)理念的實(shí)現(xiàn)與發(fā)展都受到了一些因素的影響，比如區(qū)域經(jīng)濟(jì)水平、教育程度等。研究機(jī)構(gòu)主要是高校，研究的內(nèi)容也都集中在云計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用方面，云計(jì)算技術(shù)主要在高等教育和通用教育中應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)，除了與谷歌進(jìn)行合作的臺(tái)灣大學(xué)、交通大學(xué)、清華大學(xué)以及加入IBM云學(xué)院計(jì)劃的北京工業(yè)大學(xué)之外，不少大學(xué)也都加入了把云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用在教育領(lǐng)域的行列。2011年，上海師范大學(xué)的黎加厚教授在此方面取得了一定的成果，描述了云計(jì)算在教育教學(xué)中應(yīng)用的前景，并提出了一個(gè)新概念：“云計(jì)算輔助教學(xué)”。2011年，臺(tái)州廣播電視大學(xué)的俞建華探討了基于云計(jì)算的遠(yuǎn)程教學(xué)資源建設(shè)模式。提出了教育資源共建主體之間的溝通與融合，達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。還強(qiáng)調(diào)了在資源建設(shè)中教師學(xué)生的應(yīng)用占核心地位，即遠(yuǎn)程教育資源的可用性是核心。2011年，金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院試圖打造一個(gè)高等職業(yè)教育教學(xué)資源云。其目的是可以供院校、企業(yè)、社會(huì)等共建、共享、共用，以滿足師生和職工等人自主學(xué)習(xí)的需求。2014年，華東交通大學(xué)軟件學(xué)院的測(cè)試實(shí)訓(xùn)平臺(tái)以Hyper-V技術(shù)實(shí)現(xiàn)了資源虛擬化，用于解決學(xué)院機(jī)器老舊、利用率不高的問(wèn)題。

云計(jì)算的前景很好，各個(gè)高校和很多專家學(xué)者都對(duì)此提出了好的方案和期望，以上只是列舉了部分國(guó)內(nèi)高校對(duì)云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于高校教育的研究和想法。雖然方案和想法都非常的好，也很實(shí)用，但實(shí)際著手實(shí)現(xiàn)的卻沒(méi)有多少，以至于這些想法只能被期望。據(jù)了解，國(guó)內(nèi)的一些企業(yè)也推出了一些相應(yīng)的產(chǎn)品和方案，如噢易科技的噢易云桌面，銳捷的云課堂，藍(lán)鴿的云網(wǎng)絡(luò)教室等等，但這些產(chǎn)品基本都是與他們的硬件設(shè)備綁定進(jìn)行銷售。2016年在北京國(guó)際智慧教育展上，其中不少國(guó)內(nèi)外的企業(yè)基于云計(jì)算技術(shù)開(kāi)發(fā)的用于教育領(lǐng)域的產(chǎn)品都非常好，但這些絕大部分都針對(duì)K12，很少是用于高校的教育。因此，國(guó)內(nèi)對(duì)于高校的云計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用還是有很大的欠缺，還需要大力推行和實(shí)現(xiàn)。

四、研究的意義

在云計(jì)算技術(shù)出現(xiàn)之前，不止是教育，很多行業(yè)也同樣存在硬件計(jì)算資源的利用率不高和管理困難等困境。但隨著云計(jì)算技術(shù)的出現(xiàn)和快速發(fā)展，給很多行業(yè)帶來(lái)了希望。在企業(yè)里面引入云計(jì)算技術(shù)，搭建私有云平臺(tái)，可以把公司的硬件利用率提高，不僅節(jié)省成本，而且提高工作效率。在科研機(jī)構(gòu)，也因?yàn)樵朴?jì)算平臺(tái)的引入，對(duì)大量數(shù)據(jù)的處理也提高了很大的效率，加快了科研的速度。同樣，引入云計(jì)算技術(shù)對(duì)于高校實(shí)驗(yàn)室的改造也會(huì)帶來(lái)很多好處。

（一）降低高校機(jī)房的投入和維護(hù)成本，提高機(jī)器利用率

搭建一套云平臺(tái)最低只需要一臺(tái)服務(wù)器，根據(jù)服務(wù)器配置和數(shù)量提供相對(duì)應(yīng)的虛擬機(jī)，比同等價(jià)格的Pc機(jī)提供的計(jì)算能力強(qiáng)幾倍至幾十倍，而且每年投入的維護(hù)成本比普通機(jī)房省80%甚至更多。不僅如此，那些面臨淘汰的機(jī)器也可以被利用起來(lái)，配置好的可以用來(lái)加入云計(jì)算平臺(tái)集群或者搭建小型云計(jì)算環(huán)境，配置不高的可以用來(lái)作為客戶端訪問(wèn)云平臺(tái)使用。這樣一來(lái)，老舊機(jī)器就可以正常使用，機(jī)器的利用率也可以達(dá)到最大化。

（二）提高管理水平，減少管理和維護(hù)負(fù)擔(dān)

比起傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室里大量的主機(jī)和接線，云平臺(tái)的基礎(chǔ)設(shè)施只有少量的幾臺(tái)服務(wù)器和很少的接線，放在機(jī)房的一個(gè)機(jī)柜里面就可以了，而且不會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)故障和設(shè)備更新。對(duì)于服務(wù)器和云端虛擬機(jī)的管理也都全部移到控制界面上進(jìn)行集中管理。這樣不僅降低了機(jī)器故障的概率和排查維修、更新設(shè)備的麻煩，在管理上面也大大減少了機(jī)房管理人員的任務(wù)量。使用云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室的模式，高校多校區(qū)的實(shí)驗(yàn)室都可以放在一個(gè)機(jī)房，統(tǒng)一管理和維護(hù)，每個(gè)校區(qū)都能正常訪問(wèn)他們的實(shí)驗(yàn)室。

（三）不限時(shí)間和地點(diǎn)的限制，使實(shí)驗(yàn)室更加開(kāi)放

因?yàn)榉?wù)器平時(shí)基本上是不斷電的，所以只要在校園內(nèi)通過(guò)校園網(wǎng)訪問(wèn)的話，云端的機(jī)器是可以全天開(kāi)機(jī)使用的。不會(huì)因?yàn)闆](méi)到實(shí)驗(yàn)時(shí)間而不能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也不會(huì)因?yàn)闄C(jī)器存在機(jī)房里面不進(jìn)入機(jī)房就不能使用。這樣的模式使以前較封閉式的機(jī)房變得更加開(kāi)放。

（四）使用模式切換方便快捷

對(duì)于不同課程需要不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境和軟件的問(wèn)題，云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室可以提供云平臺(tái)現(xiàn)有的或者老師制作好的鏡像。在短短幾分鐘之內(nèi)就可以創(chuàng)建幾十上百臺(tái)環(huán)境完全相同的機(jī)器，快速適應(yīng)各種課程。而且在實(shí)驗(yàn)結(jié)束之前，機(jī)器一直保存，隨時(shí)可以繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)需要考試時(shí)，只需做好一個(gè)特定的考試環(huán)境，然后批量創(chuàng)建一批考試機(jī)器就可以進(jìn)行考試了，減少了傳統(tǒng)機(jī)房需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力一臺(tái)一臺(tái)設(shè)置特定環(huán)境的麻煩。

（五）科研和教學(xué)資源共用

通過(guò)云計(jì)算技術(shù)，服務(wù)器的資源是可以共用的，所以在資源充足的時(shí)候科研和教學(xué)都可以同時(shí)進(jìn)行，使用共同的資源但互不影響;甚至在需要進(jìn)行大量計(jì)算的時(shí)候可以放到晚上進(jìn)行，因?yàn)榉?wù)器的計(jì)算能力比普通Pc機(jī)強(qiáng)很多，不僅不需要額外臨時(shí)添加計(jì)算設(shè)備，甚至還使計(jì)算效率大大提高。

（六）為開(kāi)設(shè)云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等相關(guān)課程提供了實(shí)驗(yàn)環(huán)境

隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，愈來(lái)愈多的新技術(shù)可以供學(xué)生去學(xué)習(xí)和探索，高校也會(huì)走在技術(shù)的最前端，所以很多學(xué)校也都開(kāi)設(shè)了云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能等相關(guān)課程。但因?yàn)檫@些技術(shù)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐對(duì)硬件設(shè)備的需求較高，普通高?；旧虾茈y滿足這么大的需求量，所以大部分都只有理論的教學(xué)，在實(shí)際操作上有很大欠缺。通過(guò)引入云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，不再需要提供大量額外設(shè)備，直接從云平臺(tái)上分配部分資源就可以進(jìn)行相關(guān)學(xué)習(xí)。

五、總結(jié)與未來(lái)展望

當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)已然成為一種基礎(chǔ)設(shè)施，在“互聯(lián)網(wǎng)+”的時(shí)代，云計(jì)算更是成為這個(gè)時(shí)代的一個(gè)標(biāo)志，各行各業(yè)都逐漸開(kāi)始使用云。在眾多的云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用中，真正把云計(jì)算用于教育領(lǐng)域的卻也不多，用于高校實(shí)驗(yàn)室的更是寥寥無(wú)幾。

對(duì)于云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，如果只是完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室所能做的事，只能說(shuō)達(dá)到了把傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室移到云端，并不能算一個(gè)真正意義上的云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室。因此，后面還有更多的需求和功能需要完善，也可能有更好的模式還待探索。對(duì)于完全替代甚至超越高校傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室還需要進(jìn)一步的努力和付出，一旦云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室的正式推出，并將完美的解決高校傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的問(wèn)題，顛覆傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的模式。