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淺析高校實驗室信息化平臺在云計算技術(shù)下的構(gòu)建論文
隨著信息技術(shù)的發(fā)展與實驗教學(xué)改革管理體制的深入，實驗室建設(shè)正走向網(wǎng)絡(luò)信息化時代。云計算技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展改善了傳統(tǒng)實驗室教學(xué)管理模式的限制與束縛，為了能夠有效提高實驗室的資源優(yōu)化配置和服務(wù)能力，提出了基于云計算技術(shù)構(gòu)建高校實驗室信息化平臺的建設(shè)方案，其目的是有效整合資源，降低實驗室資金投入，使實驗室能夠全方位滿足師生開放性的教學(xué)需求，適應(yīng)實驗教學(xué)改革的要求。
1.高校實驗室的現(xiàn)狀與問題
近年來，各高校實驗室建設(shè)己經(jīng)具有一定規(guī)模，實驗的軟硬件環(huán)境得到了改善，實驗教學(xué)質(zhì)量也相應(yīng)提高了，然而，在實驗室建設(shè)和管理方面仍然存在不足。
1.1 計算機(jī)硬件系統(tǒng)：型號、配置參差不齊，加大更新與維護(hù)成本及難度
實驗室建設(shè)初期，計算機(jī)的型號與配置相同，隨著時間的推移，使用過程中硬件不斷損耗，不同時間段的維護(hù)與更新會使用不同型號的組件。由于計算機(jī)硬件的飛速發(fā)展，更換組件難以找到原有的型號，使得維護(hù)后的計算機(jī)組件都較原有組件有所升級，勢必造成實驗室設(shè)備的實際配置逐漸拉大差距參差不齊。與此同時，高校擴(kuò)招和教學(xué)體制的改革，促使實驗室規(guī)模不斷擴(kuò)大，計算機(jī)數(shù)量需求激增，但由于經(jīng)費等原因限制，實驗室建設(shè)只能分批次實現(xiàn)，分批購置和更換老舊設(shè)備，同樣造成了實驗室計算機(jī)軟硬件系統(tǒng)上的極大差距。由于實驗室的設(shè)備配置差異大，品牌種類繁多，在實驗教學(xué)使用過程中不斷升級更新，直接造成了實驗室計算機(jī)的運(yùn)行維護(hù)成本升高和難度加大。
1.2 計算機(jī)軟件系統(tǒng)：實驗室功能單一，信息資源共享性差，無法滿足快速發(fā)展的信息化教學(xué)需要
高校實驗室雖然計算機(jī)數(shù)量眾多，但屬于自建、自管、自用的狀態(tài)，資源利用率并不高。一般每種應(yīng)用系統(tǒng)單獨配備一臺物理服務(wù)器，造成服務(wù)器資源浪費和能耗浪費。并且實驗室功能單一，信息資源分散，互聯(lián)互通不暢，優(yōu)秀教學(xué)資源難以共享，無法滿足快速發(fā)展的信息化教學(xué)需要，成為當(dāng)前實驗室信息化深層次推進(jìn)和發(fā)展的瓶頸之一。
1.3 系統(tǒng)安全性：人員流動性大，用戶水平參差不齊，病毒猖獗，増大安全隱患
實驗室承擔(dān)著各專業(yè)各層次的公共課、專業(yè)課、課程設(shè)計等多種教學(xué)任務(wù)，還承擔(dān)著多種不同類型的考試任務(wù)，同時U盤等移動存儲設(shè)備的大量使用與網(wǎng)絡(luò)上各種釣魚網(wǎng)站的出現(xiàn)，這些都導(dǎo)致計算機(jī)很容易受到病毒、木馬的攻擊；另一方面，用戶水平參差不齊，往往有意或無意去更改系統(tǒng)設(shè)置，甚至誤刪系統(tǒng)文件，造成計算機(jī)無法啟動；尤其少數(shù)用戶安全意識淡薄，從網(wǎng)絡(luò)下載與上傳娛樂軟件，更容易引起計算機(jī)感染病毒并漫延至整個實驗室，極大地增大了實驗室的安全隱患。
2.基于云計算技術(shù)的高校實驗室信息化平臺架構(gòu)
云計算是一種利用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)隨時隨地、按需、便捷地訪問共享資源池(如計算設(shè)施、存儲設(shè)備、應(yīng)用程序等)的計算模式。云計算系統(tǒng)采用的是虛擬化的技術(shù)，所謂虛擬化技術(shù)指的是計算元件并不在真實的狀態(tài)下運(yùn)行，所以它并不受硬件容量的限制，無形之中擴(kuò)充了硬件的容量，能夠根據(jù)服務(wù)提供者和用戶事先商定好的服務(wù)等級協(xié)議動態(tài)地提供服務(wù)。
云計算將計算、存儲、應(yīng)用和服務(wù)都變成了資源，用戶通過云計算提供的訪問接口可以向云服務(wù)管理層提出申請資源服務(wù)。云計算的核心服務(wù)層通�？梢苑譃�3層：一是基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS，InfrastructureasaService)，如IBM的BlueCloud：二是平臺即服務(wù)(PaaS，PlatformasaService)，如Google的AppEngine；三是軟件即服務(wù)(SaaS，SoftwareasaService)如微軟的Salesforce.com。云計算環(huán)境具有數(shù)據(jù)安全可靠、客戶端需求低、高靈活度、超大計算能力資源等特點。
結(jié)合本校網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)的環(huán)境，以分層設(shè)計為理念，應(yīng)用虛擬化技術(shù)，整合優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源，構(gòu)建實驗室信息化平臺即實驗云系統(tǒng)。該系統(tǒng)架構(gòu)分五層：基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層、應(yīng)用平臺服務(wù)層、軟件服務(wù)層、云終端用戶層、云系統(tǒng)管理層。
2.1 基于云計算技術(shù)構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層
應(yīng)用云計算技術(shù)，校園局域網(wǎng)連接各實驗中現(xiàn)有的PC機(jī)、服務(wù)器、交換機(jī)、存儲設(shè)施等硬件基礎(chǔ)設(shè)施，組成實驗云系統(tǒng)的最底層即物理資源層，經(jīng)過虛擬化技術(shù)將某一個或多個數(shù)據(jù)中心的計算與存儲資源轉(zhuǎn)化為一個高效靈活的資源池，成為整個實驗云系統(tǒng)的性能基礎(chǔ)。該層的物理資源可以是本校的硬件設(shè)備，也可以是通過Internet幾個學(xué)校共享的設(shè)備，或者從教育云、公有云提供商租用的設(shè)備。這些物理資源構(gòu)成的資源池是實驗云系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施層，它提供的服務(wù)稱IaaS模式。
在虛擬化技術(shù)的支持下，laaS為上層服務(wù)提供服務(wù)器、存儲與網(wǎng)絡(luò)等基本硬件資源，并通過實驗云系統(tǒng)的平臺進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度管理，為用戶提供彈性的動態(tài)服務(wù)，云用戶隨時隨地可以普適接入，使物理資源、網(wǎng)絡(luò)資源能夠像水、電一樣方便地廣泛共享，實現(xiàn)按需分配。IaaS模式有利于改善資源分配，提高資源利用率。例如：1臺物理服務(wù)器應(yīng)用虛擬技術(shù)虛擬出5臺虛擬工作站，動態(tài)分配虛擬資源池中的CPU、內(nèi)存、硬盤、I/O設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)資源，根據(jù)實驗需要分別在5臺虛擬工作站上安裝不同的OS并配置相應(yīng)的應(yīng)用程序后，將這些虛擬服務(wù)器連成一個局域網(wǎng)，從而可以建立5臺服務(wù)器連成的實驗云系統(tǒng)。
2.2 基于云計算技術(shù)創(chuàng)建應(yīng)用平臺服務(wù)層
實驗信息網(wǎng)的數(shù)據(jù)資源中心運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器集群中，實驗中用戶調(diào)用數(shù)據(jù)資源的協(xié)調(diào)和部署平臺等都通過云計算技術(shù)的PaaS模式來提供，用戶端與服務(wù)器端可采用B/S結(jié)構(gòu)的通信方式。
PaaS模式作為核心服務(wù)的中間層，既為上層應(yīng)用提供簡單、可靠的分布式編程框架，又需要基于底層的資源信息調(diào)度作業(yè)、管理數(shù)據(jù)，屏蔽底層硬件系統(tǒng)品牌、型號的差異性。PaaS模式通過虛擬化技術(shù)提供的集成環(huán)境創(chuàng)建一個完整的虛擬應(yīng)用平臺給用戶，包括虛擬硬件資源、數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用程序和服務(wù)器平臺等。如運(yùn)維人員需要開發(fā)語言實驗環(huán)境，按照需要向?qū)嶒炘葡到y(tǒng)提出申請，得到核準(zhǔn)后，PaaS會自動創(chuàng)建用戶所需的各項應(yīng)用服務(wù)的虛擬運(yùn)行環(huán)境鏡像，用戶啟動應(yīng)用服務(wù)時PaaS會自動裝載虛擬機(jī)鏡像文件生成相應(yīng)的虛擬機(jī)。不同層次的實驗人員、開發(fā)人員和維護(hù)人員都可以運(yùn)用這個虛擬應(yīng)用平臺，進(jìn)行定制、開發(fā)程序以及運(yùn)行維護(hù)操作等。
2.3 基于云計算技術(shù)提供軟件服務(wù)層
實驗云系統(tǒng)通過云計算技術(shù)給用戶提供基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用平臺及軟件三方面的服務(wù)，實驗用戶根據(jù)個人需求訪問所需要的服務(wù)層，硬件資源服務(wù)由IaaS提供，應(yīng)用平臺服務(wù)由PaaS提供，SaaS面向用戶直接提供軟件服務(wù)。
實驗用戶向云系統(tǒng)提出需求，通過Web瀏覽器等云終端統(tǒng)一接口，SaaS將實驗所需軟件包含其運(yùn)行環(huán)境打包給用戶，在使用過程中軟件不需要用戶端安裝，而是通過網(wǎng)絡(luò)使用軟件。SaaS模式許可用戶只需要接入互聯(lián)網(wǎng)，便可以在任何時間、任何地點享受其提供的服務(wù)，突破了軟件安裝對用戶層機(jī)器性能的限制且兼容性好，與傳統(tǒng)實驗室的軟件服務(wù)模式相比，SaaS模式更簡單靈活、更實用、易于維護(hù)，真正實現(xiàn)了一點部署、多點服務(wù)的SaaS模式，使得實驗室的功能更強(qiáng)大，應(yīng)用范圍更廣泛。
2.4 基于云計算技術(shù)配置云終端用戶層
云終端為用戶和實驗云系統(tǒng)提供統(tǒng)一的訪問接口，主要通過云計算技術(shù)將各種應(yīng)用平臺或軟件封裝成標(biāo)準(zhǔn)的WebService模式，使云終端用戶層的各個用戶按需進(jìn)行個性化配置且互不影響。云終端用戶層的特征是多樣性、低成本性、共享性和綠色性。多樣性體現(xiàn)在云計算技術(shù)支持PC、筆記本、PDA、手機(jī)等多種終端。低成本性與共享性體現(xiàn)在它對硬件配置要求很低，用戶使用1臺瘦客戶端(顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤)就可以接入實驗云系統(tǒng)，用戶像使用本地計算機(jī)一樣來動態(tài)地調(diào)配實驗所需要的軟硬件資源，共享云計算技術(shù)帶來的海量信息數(shù)據(jù)。綠色性體現(xiàn)能耗低，各種軟件及數(shù)據(jù)資源安全可靠等。例如：傳統(tǒng)實驗室應(yīng)用中用戶安裝應(yīng)用程序時需要一臺擁有1個CPU、4G內(nèi)存、500G硬盤存儲的計算機(jī)，在云計算技術(shù)的支持下，用戶只需要利用實驗室信息化平臺生成一臺擁有1個CPU、4G內(nèi)存、500G硬盤存儲的虛擬機(jī)，既滿足了用戶的需求，又降低能耗節(jié)約了資源。
2.5 基于云計算技術(shù)搭建云系統(tǒng)管理層
實驗云系統(tǒng)管理層具有承上啟下的作用，提供用戶管理、安全管理、資源管理、數(shù)據(jù)管理、服務(wù)質(zhì)量管理等功能，協(xié)調(diào)實驗信息網(wǎng)絡(luò)的整個服務(wù)系統(tǒng)，如身份認(rèn)證、用戶許可、使用管理、調(diào)度執(zhí)行等。用戶管理對用戶提出的服務(wù)申請負(fù)責(zé)審核。安全管理負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全、用戶使用安全等。資源管理主要對虛擬資源池進(jìn)行管理，包括增刪、調(diào)用、修改、維護(hù)等，同時對各種虛擬資源進(jìn)行負(fù)載均衡和調(diào)度，為上層服務(wù)進(jìn)行自發(fā)調(diào)節(jié)與全局調(diào)節(jié)以提供保障基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)管理主要存儲和維護(hù)用戶以及實驗云系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，云系統(tǒng)將各種數(shù)據(jù)都通過網(wǎng)絡(luò)保存到遠(yuǎn)端云存儲平臺上，減小了用戶對于數(shù)據(jù)管理的負(fù)擔(dān)。服務(wù)質(zhì)量管理包括資源定制的時效性、按需服務(wù)的可用性及網(wǎng)絡(luò)性能的保障性等。云系統(tǒng)管理層還為管理員提供一個平臺，在實驗室的日常運(yùn)行維護(hù)中可以方便地完成教學(xué)管理、資源配置和實驗部署等日常工作，還可以進(jìn)行硬件資源的平滑擴(kuò)展和軟件資源的升級與更新，以及在虛擬化資源上提供新型的定制實驗內(nèi)容等非曰常維護(hù)工作。
3.基于云計算技術(shù)的高校實驗室信息化整體性能分析
3.1 降低硬件成本這構(gòu)建合理的資源共享空間
在傳統(tǒng)的高校實驗室建設(shè)中，硬件約占總投入的70%以上，并且實驗室的使用效率很大程度上受制于計算機(jī)硬件水平的高低�；谠朴嬎慵夹g(shù)實現(xiàn)實驗室信息化后，各實驗室聯(lián)系構(gòu)成一個實驗云系統(tǒng)。云系統(tǒng)對用戶端的硬件配置要求很低，用戶只需擁有鼠標(biāo)、鍵盤就可以上網(wǎng)接入到云系統(tǒng)共享云計算技術(shù)提供的各種資源，使實驗室的功能更強(qiáng)大，應(yīng)用范圍更廣泛。學(xué)校不再需要花費巨額資金購置大量高性能設(shè)備就可以滿足實驗用戶多層次的需求，極大地降低了實驗室建設(shè)中購置軟硬件設(shè)施及設(shè)備維護(hù)更新的成本，從而以較低的投入獲得高性能。
3.2 簡化資源配置構(gòu)建高效的運(yùn)行維護(hù)環(huán)境
實驗云系統(tǒng)通過云計算技術(shù)給用戶提供基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用平臺及軟件三方面的服務(wù)�；A(chǔ)設(shè)施的運(yùn)行維護(hù)由云系統(tǒng)提供，軟件的更新?lián)Q代也由云系統(tǒng)提供，極大地提高了資源利用率，簡化了實驗室資源配置與管理，從而減輕了實驗軟硬件頻繁更新維護(hù)的壓力，用戶只需要運(yùn)行瀏覽器就可以享受云計算技術(shù)帶來的便利。
3.3 強(qiáng)化信息管理構(gòu)建安全的數(shù)據(jù)存儲空間
信息數(shù)據(jù)安全是實驗室安全的一個重要方面。為了滿足實驗教學(xué)和科研的需要，高校實驗室需要不斷購置、更新數(shù)據(jù)庫服務(wù)器來滿足日益增長的實驗信息數(shù)據(jù)存儲的需求。實驗室存在大量重要的信息資源和數(shù)據(jù)需要存儲、處理和使用，而猖厥的計算機(jī)病毒、網(wǎng)絡(luò)惡意攻擊等都對數(shù)據(jù)的存儲、處理構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。在實現(xiàn)實驗室信息化后，各種數(shù)據(jù)包括用戶數(shù)據(jù)都通過網(wǎng)絡(luò)實時保存到遠(yuǎn)端的實驗云系統(tǒng)中，平臺上的數(shù)據(jù)和應(yīng)用時刻處于安全狀態(tài)下，同時用于實驗教學(xué)與科研所需數(shù)據(jù)可以從實驗云系統(tǒng)安全下載，不僅杜絕了U盤、移動硬盤等的使用，而且實驗參數(shù)的實時保存能夠保證實驗系列的完整連續(xù)性，供后續(xù)檢查和分析研宄之用。用戶的數(shù)據(jù)資源存儲在實驗云系統(tǒng)服務(wù)器上，進(jìn)行專業(yè)管理，用戶通過嚴(yán)格的權(quán)限管理策略實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，用戶端突然斷電或死機(jī)不會對實驗云系統(tǒng)以及信息數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。用戶不必?fù)?dān)心數(shù)據(jù)損壞、病毒猖獗，有效地提高了實驗教學(xué)的質(zhì)量，提高了實驗室的安全系數(shù)。
3.4 優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源構(gòu)建高效的資源服務(wù)體系
通過云計算技術(shù)的優(yōu)化應(yīng)用，實驗室的海量信息資源和服務(wù)可以隨時、便捷地提供給用戶共享，解決了軟硬件資源不足，分布不均的問題。例如：當(dāng)用戶需要虛擬機(jī)時，只需要在線申請，填寫所需服務(wù)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(yīng)的虛擬機(jī)，既方便了用戶也方便了管理員。云計算技術(shù)的應(yīng)用給高校實驗教學(xué)帶來了機(jī)遇，加快了高校信息化進(jìn)程。學(xué)生可以通過實驗室信息化平臺更好地自主學(xué)習(xí)，使實驗教學(xué)變成更能夠滿足個性化學(xué)習(xí)的信息化教學(xué)，極大地優(yōu)化了教與學(xué)的環(huán)境，提高了管與用的效能。
4.結(jié)束語
本文在分析比較傳統(tǒng)實驗室建設(shè)與管理中存在的運(yùn)維難度大、資源共享差、系統(tǒng)安全隱患大等問題的基礎(chǔ)上，整合實驗室現(xiàn)有硬件設(shè)備，運(yùn)用云計算技術(shù)構(gòu)建實驗室信息化平臺架構(gòu)。闡述高校實驗室信息化構(gòu)建了合理的資源共享和數(shù)據(jù)安全存儲的空間，構(gòu)建了高效的運(yùn)行維護(hù)環(huán)境和資源服務(wù)體系，為師生創(chuàng)造一個良好的科研與實驗教學(xué)環(huán)境。
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