基于云计算的实验平台设计

摘 要： 云计算是一种新型的计算模式，是下一代网络计算平台的核心技术。文章在介绍云计算概念的基础上，针对高校大学生群体设计一个基于云计算的实验平台，旨在改变传统实验教学封闭型弊端。该平台的应用已初显成效，通过整合实验室IT硬件资源，实现了实验教学的动态管理，并提供了多样化的教学方式，有效衔接教学管理系统的各个子系统，从而提高了实验课程的质量，推动了实验教学的创新。

关键词： 云计算； 实验平台； 实验模式； 设计

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：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

传统实验教学中存在着一些问题，如：每台PC机有一套独立的资源，缺乏共享，大量资源被浪费；计算机硬件与软件的更新速度快，实验室更新设备的建设成本高；实验室使用时间集中，课后很少开放，出现资源紧张与闲置并存的情况。云计算的出现，可以较好地解决这些问题。

云计算是一种新型的计算模型，是下一代网络计算平台的核心技术，它可以提供可靠安全的数据存储、方便快捷的互联网服务和强大的计算能力。在教育领域，云计算可以为学习者提供极其便利的环境和平台，并将积极影响学习者对个人网络学习环境的构建、网络资源的建设和教育信息系统的开发等。

1 云计算概述

云计算是在并行计算、网格计算、分布式计算和虚拟化技术的基础上发展起来的，是一种通过网络统一组织和灵活调用各种信息、通信和技术（简称ICT）资源，实现大规模计算的信息数据处理方式。维基百科中关于云计算的定义如下：

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.

英文其意即云计算是一种以服务方式提供给用户的计算机能力，允许用户在不了解提供服务的技术、没有相关知识及设备管理能力的情况下，通过因特网获取需要的服务。云计算逻辑图如图1所示。

云计算模式与传统的以PC机为中心的计算方式不同，它是一种按需调用的虚拟化的资源池，它将计算任务分布在资源池上，因而数据和程序不再运行和保存在个人计算机中，而是保存在互联网上的数据中心即“云数据”中[1]。客户端不需要传统桌面软件所需的磁盘空间和处理能力，用户只要能接入互联网，就可以在任何时间、任何地点访问“云端”，根据各自的需要而获得各种软件服务、计算能力和存储空间[2]。

因此，使用云计算模式，可以给传统的实验实带来如下诸多益处。

⑴ 提高资源利用率。例如：某学生安装应用程序时需要一台拥有一个CPU、4G内存、250G硬盘存储的服务器，如果按照以前的方式，需要给这个学生分配一立的物理服务器。现在在云平台的支持下，只需要利用云平台生成一台虚拟机，这台虚拟机拥有一个CPU、4G内存、250G硬盘存储，这既满足了学生的要求，也不会造成资源浪费。

⑵ 易于管理。管理员通过网页或者云平台客户端远程管理云平台上的所有资源，通过对平台上的虚拟机以合适的方式命名，就可以通过名字对平台上虚拟机的信息有初步的了解。

⑶ 安全。平台上的数据和应用时刻处于安全状态下。云平台通过安装了防火墙的交换机与外网连接，而且，平台上的虚拟机是通过VLAN技术来管理和通讯，这保证了平台上应用的安全。平台上的数据存放在底层的存储，且存储的数据是经过备份的，因此，平台上的数据是安全的。

⑷ 可靠、灵活。云平台上的所有应用都存在于存储设备上，在一台物理服务器出现故障的情况下，这台物理服务器上的所有虚拟服务器自动迁移到其他的物理服务器上，这保证了系统可靠性。可以在平台上预先生成虚拟机模板，当需要时，直接根据模板生成相应的虚拟机，这体现了平台的灵活性。

⑸ 可扩展性。在对云平台进行扩展时，将新的物理设备添加到云平台中，修改配置文件即可，这样就增加了整个云平台的性能。

方便、快捷、按需分配。当学生或老师需要虚拟机时，只需要在线申请，填写所需服务器的具体配置，管理员审核通过之后，平台就会自动生成相应的虚拟机，这方便了用户，也便利了管理员。

2 基于云计算的教学实验平台构建

2.1 教学实验平台设计思想

学校的公共机房，由于计算机和存储设备的交叉使用，导致了计算机病毒在校园网和学校机房泛滥。“云计算”将信息集中处理，可以保证高校师生信息的安全。而且云计算的出现，还可以为众多的高校提供类似一流大学才能配置的超级实验环境。从这个意义上来说，云计算既节省了开支，又打破了实验条件和环境的壁垒，让更多高校的科研人才和学生能够加入到复杂的实验和科研中去。

2.2 实验平台的专业功能

2.2.1 具有实用的教学功能

实用的教学功能应包含教师课程制作、资源上传、学生学习、作业管理、网络论坛、在线答疑，学生下载课程资源、在线测试、实训练习等基本功能。支持教师和学生在网络环境下的教和学的一切行为，使师生之间、学生之间及时交换信息，有效地进行学习[3]。

2.2.2 能够运用各种教学策略

通过网络论坛、在线答疑等模块实现协作学习策略，根据教师提供的课件、教学资源等，学生进行个性化学习，并进行学习效果的实训练习和在线测试等。该平台要能充分体现现代教育思想和教学理念，能在教学过程贯穿“自主学习与协作学习相结合”的理念，为教师的“教”与学生的“学”提供交流平台，成为以教师为主要创作者，学生自主学习的“双主”平台。

2.2.3 以学生为中心，简单实用

网络教学系统是以学生为中心的教学模式的体现，提供学生个性化学习的教学平台，其功能强大且简单实用，易操作。在线学习、在线测试及作业提交方便快捷。平台应具有使用方便、维护简单、界面简捷友好等特性，无论用户计算机知识如何，都能很容易使用本平台，不会让学生感觉操作繁琐等而望而却步。

2.2.4 应有很好的管理功能

平台应该具有课程管理、教师管理、学员管理、教务管理等功能。

2.3 云计算架构的实验平台的设计

2.3.1 虚拟化技术

虚拟化是云计算技术的一个重要分支，是实现云计算的一种可用技术。从虚拟化技术角度看，它是私有云计算平台建设比较成熟的方案。虚拟化是将所有可用的计算和存储资源组成一个资源池，然后用虚拟功能将这个资源池里的资源分别提供给用户，从而提升资源的利用效率。

虚拟化技术又是一种逻辑简化技术，实现物理层向逻辑层的变化，它实现了对物理层复杂性的屏蔽，使系统对外呈现出简单的逻辑状态。通过对物理资源的逻辑表示，降低物理资源不同层次之间的耦合程度，使系统所需资源不受物理资源的限制，从而获得高性能，高可扩展性等特性[4]。

虚拟化的基础是虚拟机。虚拟机是一种严密隔离的软件容器，它可以运行自己的操作系统和应用程序，就好像一台物理计算机一样。虚拟机的运行完全类似于一台物理计算机，它包含自己的虚拟（即基于软件实现的）CPU、RAM硬盘和网络接口卡（NIC）。操作系统运行在虚拟机上，虚拟机可以像不同的物理计算机一样，彼此之间完全隔离的共享一台计算机的物理资源。这样对于计算能力要求不高的操作系统，可以实现多个操作系统在一台物理服务器上运行而不会互相影响，显著降低了硬件的投资。

总之，虚拟化是实现物理资源复用、降低管理维护复杂度、提高设备利用率的关键，同时也为未来自动实现资源协调和配置打下基础。

2.3.2 云计算的服务类型

基于云计算的教学实验平台可以提供三个层次云计算服务：IaaS，PaaS和SaaS，正好可以满足在教学实验中对不同硬件、不同操作系统平台和不同软件应用的需求。

IaaS：把基础设施作为一种服务通过网络对外提供。在这种服务模型中，用户不用自己构建一个数据中心，不用自己购买物理硬件，而是通过租用的方式来使用包括服务器、存储和网络等基础设施服务，通过网络申请服务即可搭建自己的系统环境。由于要保证资源的动态分配和定制资源的分配粒度，因此在IaaS的平台实现中一般都需要使用各种虚拟化技术。

PaaS：是指将一个完整的应用程序运行平台作为一种服务提供给用户，用户只需要利用SaaS平台，就能够创建、测试和部署应用程序。

SaaS：指用户获取软件服务的一种形式，通过标准的Web浏览器来使用互联网上的软件服务。

云计算抽象了计算与存储资源并动态地分配给需要使用的用户，它是一个高伸缩性、高可靠性、底层透明、安全的架构，并且具有友好的监控与维护接口。

2.3.3 实验平台的构建

在构建教学实验平台的过程中，为充分利用现有软硬件资源，需要对其进行整合，整合思路主要是将原来围绕应用而随意堆叠的平台，向网络为核心的平台架构转移[5]。原来围绕应用服务器而连接的IT资源（服务器和存储器）则应搬到网络上去，网络可以连接各种各样的IT资源和基础性的服务功能。网络成为数据中心资源虚拟化以后的数据交换平台，可以为物理资源提供逻辑服务，为应用需求提供动态业务部署。基于云计算的实验平台构建系统如图2所示。

客户端：实验室计算机终端是基于云计算的实验系统客户端。

接口层：为方便不同用户使用云计算服务，用户接口层针对每个层次的云服务提供相应的访问接口，系统也将为不同用户提供不同的界面和功能。

表示层：用户和系统的交互，负责和用户的会话处理。

业务逻辑层：负责处理表示层的应用请求，对其进行业务处理的逻辑判断。如果通过分析和处理后发现业务需要进一步交由数据库访问层处理，那么业务逻辑层就会调用数据库访问层提供的服务，将业务交由数据库访问层进行处理，并通过进一步的分析与处理，将业务过程交给云计算平台。当业务不需要递交给数据库访问层进行处理时，业务逻辑层可以直接通过接口程序将业务递交给云计算平台，由云计算平台进行处理。

云计算平台：分散的资源集中到统一的平台才能合理地管理和使用，云计算平台为用户提供对资源层服务的封装，还可以提供监控管理、系统管理、报表管理等功能，方便管理层对所有的云内资源统一掌控，合理地规划。

2.4 教学实验平台的维护

基于云计算的教学实验平台是在现有机房的软硬件平台基础上构建。因此，必须对现有机房计算机和网络和存储设备进行定期维护。在实际使用中，机房的每台计算机虚拟化为两台虚拟机，其中一台虚拟机作为计算和存储资源组成云计算的资源池供教学实验平台使用和调度，可以称其为云端虚拟机，它占用该物理计算机的大部分资源，对上机用户来说是不可见的；而另一台虚拟机则作为教学实验平台的接入终端设备供上机用户使用，可以称其为客户端虚拟机，它采用典型的瘦客户终端模式，只占用该物理计算机的少部分资源，主要用来运行浏览器接入教学实验平台，是上机用户的交互结构。用户产生的任何数据只存储于云端，客户端虚拟机不保存用户的任何数据，也可以在客户端虚拟机中安装硬盘保护软件，确保其操作系统在用户使用后能够恢复原始状态，从而能够持续稳定运行。

3 结束语

本文对基于云计算的实验教学平台搭建研究，可以有效地管理和利用现有物理服务器等资源，极大地降低了实验平台硬件设备的成本，为教学提供更加高效、优质的网络环境和技术服务，为高校其他方面的信息化提供示范。

云计算的应用，目前还有很多问题需要研究，还没有统一的标准，而且由于用户、信息资源的高度集中，系统容易成为黑客攻击的目标。因此，在未来的研究中，数据的安全是不可忽视的问题，而数据的灾后恢复等问题，也期望能不断改进和完善。相信在不远的将来，随着云计算技术的发展，廉价、方便和安全性会逐步提高，将会使越来越多的学校把自己的各种应用系统迁移到“云”上。

参考文献（References）：

[1] 罗军舟，金嘉晖，宋爱波，东方.云计算：体系架构与关键技术[J].

通信学报，2011.7：7-25

[2] 张建勋，古志民，郑超.云计算研究进展综述[J].计算机应用研

究，2010.2：429-433

[3] 曾明星，周清平，王晓波，蔡国民，董坚峰.软件工程专业“翻转

课堂”云计算教学平台探讨[J].现代教育技术，2013.23（8）：26-31

[4] 工业和信息化部电信研究院.2012云计算白皮书[J].数据通

信，2012.4.

[5] 黎加厚主编.云计算辅助教学[M].上海教育出版社，2010.