李季明　高猛猛

摘? 要：當前，經(jīng)管類實驗室存在著使用時間有限定、資源環(huán)境不足、桌面環(huán)境固定、交付桌面與面向社會所接觸到的環(huán)境匹配存在差異等瓶頸。結(jié)合當前實驗室現(xiàn)狀，深入分析和探討了經(jīng)管類實驗室智慧云服務(wù)平臺建設(shè)的必要性、可行性、架構(gòu)、可實現(xiàn)的功能及效益。結(jié)合實驗室建設(shè)實踐結(jié)果分析表明，平臺建成后可以最大化利用有限的資源環(huán)境，實現(xiàn)桌面資源的分時復(fù)用，有效提高資源利用率，改善教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)院的教育信息化建設(shè)水平。

關(guān)鍵詞：云服務(wù)平臺;實驗室管理;云計算

中圖分類號：TP31? ? ?文獻標識碼：A

Smart Cloud Service Platform Construction Analysis of

Economic and Management Majors Laboratory

LI Jiming， GAO Mengmeng

（Business School， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

usstsnow@usst.edu.cn; mmgao@usst.edu.cn

Abstract： At present， there are bottlenecks in economic and management laboratories， such as limited use time， insufficient resource environment， fixed desktop environment， and difference between the delivery desktop and social environment. Based on the current status of laboratories， this paper proposes to deeply analyze and discuss the necessity， feasibility， architecture， possible functions and benefits of constructing a smart cloud service platform for economic and management laboratories. Practice results of laboratory construction show that the completed platform can maximize the use of limited resources and environment and realize the time-sharing reuse of desktop resources， and effectively improve the utilization rate of resources and teaching quality， so to improve the level of educational information construction in colleges.

Keywords： cloud service platform; laboratory management; cloud computing

1? ?引言（Introduction）

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)的不斷發(fā)展，高校越來越重視學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。計算機實驗室是高校理論課程、實踐教育課程、校內(nèi)實習(xí)基地以及各種等級考試和培訓(xùn)的必備場地[1-4]。

智慧云服務(wù)平臺是基于虛擬化和云計算技術(shù)，實現(xiàn)教學(xué)環(huán)境的“云端化”，教師和學(xué)生不受空間、時間和設(shè)備的限制訪問云資源[5-8]。通過智慧云平臺的使用，可提高師生使用的便捷性，為學(xué)生自主實驗操作，教師科學(xué)研究以及人才的創(chuàng)新實踐提供了基礎(chǔ)性環(huán)境支撐，實現(xiàn)了教學(xué)、實驗和科研資源的統(tǒng)一調(diào)度，將以往IT資源8 小時使用提升到24 小時，提高了資源的使用時長，一定程度上減少了信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本，有助于信息化管理水平的提高。該方式更好地適應(yīng)了創(chuàng)新人才培養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容、課程體系、教學(xué)方法、教學(xué)手段，打破“以教材、課堂、教師為中心”的傳統(tǒng)教學(xué)模式，建立“以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)，以網(wǎng)絡(luò)為場所”的現(xiàn)代教學(xué)模式，因此建設(shè)智慧云服務(wù)平臺已迫在眉睫。

作為管理學(xué)院，從教學(xué)角度出發(fā)，學(xué)院雖為學(xué)生上課提供了實驗室，卻存在三大瓶頸：一是使用時間有限定，本科生實驗室開放時間為工作日早上8 點至下午5 點;二是桌面環(huán)境固定，師生僅能夠在實驗室內(nèi)進行教學(xué)，桌面環(huán)境無法帶到課外;三是交付給學(xué)生的還是以桌面為主，與面向社會所接觸到的環(huán)境匹配存在差異。目前情況下，交付給學(xué)生的應(yīng)該是基于實踐場景的一整套完整的實訓(xùn)環(huán)境，而非僅僅一個桌面，從而讓學(xué)生的教學(xué)環(huán)境與工作環(huán)境貼合得更緊密。從科研角度出發(fā)，學(xué)院雖為研究生提供了科研學(xué)習(xí)用實驗室，但由于研究生人數(shù)過多、機位較少、學(xué)生喜歡占座等原因造成科研資源緊張。超過六成的研究生認為，影響他們積極參與科研的主要因素是學(xué)校提供的機會和支持不足。以往單純的桌面虛擬已經(jīng)無法解決這些問題，因此需要有效解決這些問題的方法。

2? 智慧云服務(wù)平臺建設(shè)的必要性分析（Necessity analysis of smart cloud service platform construction）

2.1? ?實驗教學(xué)環(huán)境面臨挑戰(zhàn)

隨著實驗室桌面虛擬化技術(shù)在高等教育實驗室建設(shè)中不斷推廣應(yīng)用，其應(yīng)用場景逐漸覆蓋了公共計算機房、專業(yè)計算機房、多媒體教室、教師辦公室等多個場景，技術(shù)的不斷推廣和成熟，使得建設(shè)模式從單純的基于場景的項目建設(shè)向更高層次的頂層方案設(shè)計、復(fù)雜性場景、多期建設(shè)等模式發(fā)展[9-11]。

桌面虛擬化技術(shù)能夠根據(jù)場景特點和現(xiàn)場情況選擇融合架構(gòu)桌面，對資源集中管理、系統(tǒng)監(jiān)控和操作、靈活的部署和操作模式以及后續(xù)擴展提出了更高的要求。然而，融合架構(gòu)的云桌面構(gòu)建也帶來了新的挑戰(zhàn)，如缺乏實驗時間，難以適應(yīng)學(xué)生的實驗環(huán)境，無法共享昂貴的資源，缺乏教學(xué)過程數(shù)據(jù)，缺乏科學(xué)研究資源等[12-13]。

2.2? ?新時代、新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)推動實驗教學(xué)環(huán)境變革

現(xiàn)階段各個高校轉(zhuǎn)型發(fā)展速度不斷加快，人才培養(yǎng)方式不斷優(yōu)化，創(chuàng)新人才特別是拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)不斷深化，應(yīng)用型、復(fù)合型、技術(shù)技能型人才培養(yǎng)比重不斷增加。從政策上來看，國家已發(fā)布《教育信息化2.0》《中國教育現(xiàn)代化2035》《新工科》等政策，這些新的政策都帶來了學(xué)校改變?nèi)瞬排囵B(yǎng)方式的思路;從技術(shù)上來看，虛擬化技術(shù)、云計算技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能移動互聯(lián)網(wǎng)、5G這些新的技術(shù)的出現(xiàn)，驅(qū)使著學(xué)校培養(yǎng)符合時代、符合當今技術(shù)的人才[7-9];從需求上來看，學(xué)生從填鴨式被動教學(xué)到主動參與探究，課堂教學(xué)延續(xù)到課外實訓(xùn)，間接地要求學(xué)校從單純地提供操作系統(tǒng)到需要提供一套實驗環(huán)境和資源，能讓學(xué)生隨時隨地連接資源和訪問服務(wù)，提升自我動手能力;從產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向上來看，產(chǎn)教融合、校企合作、產(chǎn)學(xué)合作、協(xié)同育人、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等新產(chǎn)業(yè)環(huán)境，也驅(qū)使著學(xué)校不斷地創(chuàng)新培養(yǎng)人才的方式。

2.3? ?應(yīng)對外部不確定的因素，保證教學(xué)科研順利進行

新型冠狀肺炎病毒的出現(xiàn)，對各國人民的工作、學(xué)習(xí)、生活都造成了巨大沖擊，例如，中小學(xué)生只能通過遠程的方式進行學(xué)習(xí);大部分大學(xué)生都處于無事可做的狀態(tài)，想要進行實驗、學(xué)習(xí)，卻沒有一套完整的環(huán)境。通過建設(shè)智慧云服務(wù)平臺，可以協(xié)助實驗室管理者提前做好實驗室的建設(shè)規(guī)劃和管理，能夠應(yīng)對日后各種類似突發(fā)狀況，緩解學(xué)生無法進行實驗的窘境。管理者可以通過平臺WEB端遠程設(shè)置相應(yīng)的實驗環(huán)境課程，學(xué)生在門戶網(wǎng)站上直接申請相應(yīng)的操作系統(tǒng)，下載相應(yīng)的課件，在家運用自己的終端設(shè)備進行學(xué)習(xí)，實現(xiàn)“停課不停教，停課不停學(xué)”的模式。

3? 智慧云服務(wù)平臺建設(shè)的可行性分析（Feasibility analysis of smart cloud service platform construction）

3.1? ?設(shè)計規(guī)劃合理可行

為了保證智慧云服務(wù)平臺方案具有科學(xué)性、前瞻性和可行性，學(xué)院專門成立了調(diào)研小組，通過調(diào)研及結(jié)合學(xué)院實際情況具體分析需求，擬定了智慧云服務(wù)平臺的功能需求和軟硬件建設(shè)標準。

3.2? ?項目功能可靠可行

一是智慧云服務(wù)平臺硬件布局，依托學(xué)院實驗中心現(xiàn)有硬件設(shè)施，搭建一套能夠容納500 個終端點位同時并發(fā)需求的云桌面資源池，基于桌面虛擬化技術(shù)為實驗室教學(xué)提供快速部署、集中管理、教學(xué)管控和輕松運維的基礎(chǔ)運行環(huán)境;二是構(gòu)建智慧云服務(wù)管理平臺，該平臺主要是管理員進行使用，主要的職責(zé)是對服務(wù)資源、服務(wù)對象、服務(wù)內(nèi)容、服務(wù)計劃負責(zé)，管理平臺基于WEB界面，可以有效提高辦公的移動性和辦公效率;三是構(gòu)建智慧云門戶網(wǎng)站，該門戶網(wǎng)站可以讓師生隨時隨地申請與查看實驗桌面并完成相關(guān)的學(xué)科實驗，以及查看最新通知和審批結(jié)果。

3.3? ?建設(shè)過程、技術(shù)保障可靠可行

第一，為響應(yīng)國家創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)政策，提高學(xué)院實驗室管理水平，本著“安全、可靠、經(jīng)濟、易擴展、易維護和高性價比”的原則，利用云計算、虛擬化等技術(shù)，基于學(xué)院現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實現(xiàn)學(xué)院實驗中心實驗室的升級改造，促進學(xué)院實驗實訓(xùn)環(huán)境的信息化推進。第二，系統(tǒng)軟硬件的操作、顯示界面簡單易用，利于管理人員操作與使用。硬件設(shè)備基于目前的硬件設(shè)施進行拓展升級，且管理軟件兼容性強，可與其他相關(guān)設(shè)備進行控制和聯(lián)動。第三，系統(tǒng)的設(shè)計方案、系統(tǒng)的構(gòu)成和設(shè)備配置、施工、安裝、測試等規(guī)范化程度高。第四，系統(tǒng)具有集成功能，其管理、分析、通訊接口都符合統(tǒng)一的互聯(lián)標準及技術(shù)協(xié)議的要求。第五，系統(tǒng)堅持以人為本的原則，滿足技術(shù)的先進性、設(shè)備的標準化、網(wǎng)絡(luò)的開放性、系統(tǒng)的可擴展性和可靠性等要求。

4? ?智慧云服務(wù)平臺架構(gòu)分析（Architectural analysis of smart cloud service platform）

智慧云服務(wù)平臺整體上可以劃分為三層，從下往上分別是硬件基礎(chǔ)設(shè)施層、資源池層、服務(wù)層，不同的用戶依據(jù)不同的使用性質(zhì)具有不同的權(quán)限，如圖1所示。具體到使用層面可以分成三大功能模塊，分別是管理平臺、服務(wù)管理端、門戶網(wǎng)站。

4.1? ?智慧云服務(wù)平臺——管理平臺

將所有的基礎(chǔ)環(huán)境、IT配套設(shè)置準備完成后，就需要建設(shè)存儲資源池和計算資源池，方便學(xué)生和教師能夠隨時隨地訪問和利用虛擬桌面。管理平臺的底層基于KVM技術(shù)，嚴格來說底層采用KVM-QEME技術(shù)，KVM只是提供訪問CPU、內(nèi)存的一個接口，而QEME負責(zé)調(diào)用KVM中的設(shè)備文件、模擬IO設(shè)備、虛擬設(shè)備的創(chuàng)建等。管理平臺的上層采用的是OpenStack技術(shù)，可以為用戶單獨創(chuàng)建虛擬機，為用戶提供虛擬服務(wù)，同時可以對虛擬機進行管理，可進行虛擬機的創(chuàng)建、開機、關(guān)機、掛起、暫停、調(diào)整、遷移、重啟、銷毀等操作。

4.2? ?智慧云服務(wù)平臺——服務(wù)管理端

服務(wù)管理端平臺主要是供管理員使用，其主要職責(zé)是對服務(wù)資源、服務(wù)對象、服務(wù)內(nèi)容、服務(wù)計劃負責(zé)。而學(xué)生則可以直接在門戶網(wǎng)站進行相關(guān)（想申請的桌面、想要的操作系統(tǒng)、想要的軟件、申請的時間）申請，由管理員進行統(tǒng)一管理。服務(wù)管理端平臺基于WEB界面，不會局限于教師只能在某一地點才能進行設(shè)置管理，提高了辦公的移動性和辦公效率。

4.3? ?智慧云服務(wù)平臺——門戶網(wǎng)站

門戶網(wǎng)站主要面對的是學(xué)生和想要利用虛擬桌面進行研發(fā)的教師。教師和學(xué)生可以在網(wǎng)站上查看服務(wù)桌面的數(shù)量、可預(yù)約的數(shù)量、可使用的數(shù)量、Windows與Linux操作系統(tǒng)的數(shù)量，實現(xiàn)服務(wù)桌面的使用、預(yù)約、取消預(yù)約，作業(yè)的發(fā)布、提交，以及課程資料的上傳、課程資源的下載、教學(xué)云盤的使用等功能模塊，使學(xué)生即使在家里也可遠程收到教師布置的作業(yè)，完成相關(guān)的學(xué)科實驗。

5? 可實現(xiàn)功能及效益分析（Analysis of possible functions and benefits）

5.1? ?可實現(xiàn)功能

（1）統(tǒng)一桌面服務(wù)門戶：針對管理員、教師、學(xué)生等不同權(quán)限用戶，提供統(tǒng)一的門戶入口，不同角色登錄后，均可進入桌面服務(wù)中心，使用自己權(quán)限范圍內(nèi)的功能模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)桌面預(yù)約的管理和使用，針對不同的實驗環(huán)境自動回收策略，按需獲取作業(yè)空間及學(xué)習(xí)網(wǎng)盤服務(wù)。

（2）終端接入訪問不受時間地點限制：第一，師生可通過任意PC或者筆記本終端隨時隨地訪問服務(wù)桌面;第二，通過云端服務(wù)器提供實驗桌面環(huán)境，解決終端設(shè)備差異的兼容性問題;第三，交付的桌面環(huán)境可獲得高性能體驗。

（3）根據(jù)不同教學(xué)科研的需求定制云桌面服務(wù)計劃，從“量”和“時”兩個維度出發(fā)進行桌面服務(wù)的定制：一方面，從資源使用量需求出發(fā)，針對服務(wù)桌面的使用人數(shù)、并發(fā)使用量、資源配額要求、云桌面用途來定制資源整體用量;另一方面，從資源使用時間出發(fā)，定制云桌面服務(wù)時間計劃，針對不同實驗環(huán)境、科研環(huán)境設(shè)定使用時長、使用時間段和周期。

（4）交付一整套桌面環(huán)境：可以針對每個學(xué)生用戶交付定制化獨立的桌面環(huán)境，也可以針對不同專業(yè)或多個班級（跨專業(yè)融合課）交付一致的桌面環(huán)境。

（5）服務(wù)桌面自動發(fā)布：任課教師根據(jù)設(shè)置的服務(wù)時間計劃，自動觸發(fā)發(fā)布桌面，在服務(wù)時間計劃內(nèi)，桌面可以被預(yù)約使用，學(xué)生可以預(yù)約多個時間段，可以查看預(yù)約總時長、剩余時長，根據(jù)自己課外的時間合理安排實驗時間，實現(xiàn)教師工作減負，學(xué)生使用更靈活。

（6）角色分層，權(quán)限隔離：根據(jù)交付用戶的特性，通過平臺設(shè)置多種角色，角色大類包括管理角色（任課教師、學(xué)生管理員）、運維角色（機房管理人員）、用戶角色（學(xué)生、科研人員）。按照內(nèi)容管理角色分層分級，權(quán)限分離，實現(xiàn)精細化管理，用戶統(tǒng)一身份認證，所有角色的資源互相獨立，訪問安全隔離。

（7）基礎(chǔ)架構(gòu)混合集成：底層基礎(chǔ)架構(gòu)采用混合模式，支持E-VDI和eDaaS混合部署模式，按需對外提供服務(wù)桌面基礎(chǔ)設(shè)施資源混合集成和資源集中構(gòu)建（資源池、服務(wù)模板、鏡像等），能夠集中管理與運維。一套硬件資源可以保證日常教學(xué)、實驗、科研同時使用，在課堂內(nèi)資源優(yōu)先保證教學(xué)業(yè)務(wù)，在課外資源可以靈活調(diào)度提供實驗實訓(xùn)、科研等活動。

（8）服務(wù)數(shù)據(jù)可視化多維度呈現(xiàn)：根據(jù)底層基礎(chǔ)架構(gòu)融合，實現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫調(diào)度與運維，能夠按照不同維度提供BI展示。針對管理運維BI：展現(xiàn)軟硬件服務(wù)資源總量、資源使用情況、服務(wù)對象、數(shù)據(jù)對比;針對教師用戶BI：提供任課教師教學(xué)過程數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，使教師掌握學(xué)生的實驗和作業(yè)情況;針對學(xué)生用戶BI：提供學(xué)生歷史預(yù)約記錄、使用記錄數(shù)據(jù)BI展示。

（9）平臺服務(wù)規(guī)模自由擴展：根據(jù)不同組織的資源訴求，彈性調(diào)整組織配額，可以靈活控制資源負載上限，保護資源合理分配使用，減少占用浪費;根據(jù)平臺資源使用率可視化分析，合理規(guī)劃擴展資源，不影響現(xiàn)有服務(wù)使用。

5.2? ?經(jīng)濟及社會效益

（1）提升效率：采用先進的技術(shù)提升管理效率，解決了工作量大的問題，同時符合教育信息化管理的發(fā)展方向;實現(xiàn)了課堂實驗教學(xué)環(huán)境“延續(xù)”到課外，隨時隨地實驗和訓(xùn)練。

（2）改善性能：通過引入一些新的技術(shù)解決了現(xiàn)有傳統(tǒng)臺式計算機硬件配置固定無法調(diào)整的局限性，從而使得每個實驗室按需分配，性能最大程度地滿足教學(xué)的需要;各類資源（硬件、軟件）的有效整合利用，構(gòu)建了“教、學(xué)、訓(xùn)、研”數(shù)字化桌面空間。

（3）提升安全性：改變分散式的管理模式，降低終端病毒侵入、系統(tǒng)軟件故障的發(fā)生概率，從而提升信息化教學(xué)的管理安全性。

（4）提升擴展性：考慮到將來整個實驗中心內(nèi)部運行管理模式的提升，通過數(shù)據(jù)沉淀（基礎(chǔ)資源數(shù)據(jù)、實驗教學(xué)數(shù)據(jù)、

學(xué)生過程數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)等）、數(shù)據(jù)分析和可視化呈現(xiàn)，支撐教學(xué)改革和決策規(guī)劃。

6? ?結(jié)論（Conclusion）

本文主要分析了如何建設(shè)智慧云服務(wù)平臺，為師生提供一個開放的、靈活的、可靠的私有云實驗環(huán)境，結(jié)合多媒體教學(xué)、監(jiān)控系統(tǒng)、錄播、實訓(xùn)教程、資源課程，形成學(xué)院內(nèi)部的IT資源服務(wù)中心，面向教師、學(xué)生、科研團隊提供“自助式桌面云服務(wù)平臺”，由傳統(tǒng)的5×8 h學(xué)習(xí)延伸為7×24 h的自助式學(xué)習(xí)，突破學(xué)生只能在實驗室學(xué)習(xí)的局限。在不影響正常教學(xué)的前提下，將閑置的物理資源回收并以課程服務(wù)桌面的形式按需交付給學(xué)生、教師、科研團隊，使教學(xué)、實驗?zāi)軌颉把永m(xù)”到課外，最大化利用有限的資源環(huán)境，實現(xiàn)桌面資源的分時復(fù)用，提高教與學(xué)的質(zhì)量，推動學(xué)院的教育信息化建設(shè)邁上一個新的臺階。

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作者簡介：

李季明（1980-），男，碩士，實驗師.研究領(lǐng)域：實驗室管理，計算機應(yīng)用，物流管理，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò).

高猛猛（1994-），男，碩士，助理實驗師.研究領(lǐng)域：實驗室管理，物流管理，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò).