基于云计算的虚拟计算机实验室构建与研究

袁芬

摘 要： 云计算是一种基于网络的新型服务模式，是互联网中的研究热点。通过研究云计算的基础设施即服务（IaaS ）、平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS）三个服务层次，结合当前高校计算机实验室建设中存在的问题，把云计算引入到高校计算机实验室建设中，分析了建设基于云计算的高校计算机实验室的优点，并提出了基于云计算的高职院校虚拟计算机实验室模型构建与实现，可为高校计算机实验室的建设提供理论参考。

关键词： 云计算； 层次架构； 虚拟计算机实验室； 高职院校

中图分类号：TP393.02 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2014）03-64-03

0 引言

近年来，随着互联网的发展，我国高等教育信息化也得到了迅速的发展。高等院校中各专业都与计算机建立了紧密的联系，在计算机实验室中培养和锻炼学生的专业综合能力，成为高等院校日常教学中不可或缺的重要组成部分，计算机实验室的建设也因此成为高校的重要工作。但就目前高校计算机实验室的建设和管理方面都还存在许多问题，如何充分应用新技术成果，构建更为高效的计算机实验室及实验教学系统，已成为当务之急，而云计算时代的到来，为高校计算机实验室的建设和管理提供了新思路。本文就目前在云计算环境下如何构建高校虚拟计算机实验室进行研究与设计。

1 当前高等院校计算机实验室建设现状

目前，我国各高校计算机实验室建设已初见成效，在一定程度上改善了计算机实验的软硬件环境，也提升了计算机实验教学的质量。然而，通过分析我院计算机实验室的建设和管理，不难发现，高校计算机实验室建设中普遍存在不足。

首先，硬件设施建设和更新成本巨大，且更新换代较慢。计算机实验室在建设初期需要投入大量的资金购买硬件产品，很多情况下由于资金有限，计算机实验室的建设被搁置。另一方面，实验设备换代比较快，导致被淘汰的设备闲置，这是很大的浪费，而重新购入设备需要再次投入大量的资金，使得计算机实验室建设成本太高。

其次，软件维护与更新困难。高校的计算机实验室要满足各计算机相关专业学生的实验需求，对实验环境要求的多样性使得实验室对设备的维护和管理提出了巨大的挑战。通常，计算机实验室的每台学生机上都预安装了几个操作系统以适应不同科目对不同系统的需求，但是由于同一学生机上安装多个专业的实验软件，这往往导致软件冲突，系统反应缓慢。与此同时，各专业开设的实验课需要不同的教学软件，随着信息化的迅速发展，这些软件版本更新很快，使用较短时间之后又需要更新到新版本才能适应教学要求。尽管目前可以通过网络同传、增量拷贝等技术手段进行批处理，但学校实验设备一般都是分批招标购置的，系统品牌型号不一，操作各异，也因此使得计算机实验室软件维护与更新变得非常困难，往往不能满足教学要求。

再次，实验数据存储受限。目前，高校的计算机实验室为了保护计算机的稳定性和安全性，一般都采取安装硬件保护卡或还原软件的方法对用户使用后的计算机软件系统进行还原，以保护计算机系统不受病毒的侵害或人为破坏。这虽然在一定程度上保护了计算机的安全性，但是，学生的实验数据却无法得到长时间保存，打破了学生实验的连续性，很大程度上影响了学生实验的积极性和教师对实验的指导和评价。

上述问题制约着计算机实验教学的发展，作者认为，有必要建立一个统一、高效、灵活的高校计算机实验共享平台，对实验室资源进行最大程度的整合，而云计算技术的发展，为虚拟计算机实验室的建设提供了可能性。

2 云计算和虚拟计算机实验室

2.1 云计算概要

互联网的高速发展，计算机技术、网络通信技术的广泛使用，使得各个领域对于计算能力的要求与日俱增，作为分布式计算、网格计算以及并行计算的进一步发展趋势，云计算的概念孕育而生。当前云计算的服务主要分为三个层次：①基础设施即服务（Infrastructure as a Service，IaaS）；②平台即服务（Platform as a Serivec，PaaS）；③软件即服务（Software as a Service，SaaS）。这三个层次的云计算服务主要向网络用户提供计算、软件、数据访问和存储等服务。

⑴ 基础设施即服务（IaaS）

IaaS把由多台服务器组成的“云端”基础设施作为计量服务提供给客户，即提供了一个软件应用环境，包括提供用户需要的计算资源、存储资源、通信资源等。Iaas将计算能力、内存、I/0设备等整合成一个虚拟的资源池，为用户提供所需要的存储资源和虚拟化服务器等。这些基础设施的规模可以根据资源的需求情况动态分配，更精准地为用户提供服务。

⑵ 平台即服务（PaaS）

PaaS提供一个集成环境。厂商提供开发环境、服务器平台、硬件资源等服务给客户，并给用户提供研发的中间件平台，同时还提供应用程序开发、数据库、应用服务器、试验、托管及应用服务。用户只需在厂商提供平台的基础上开发自己的应用程序，并通过其服务器和互联网传递给其他客户。

⑶ 软件即服务（SaaS）

SaaS提供了一种应用框架。SaaS服务提供商将应用软件统一部署在自己的服务器上，由服务提供商维护和管理软件，并提供软件运行的硬件设施。用户根据个人需求访问所需要的服务，服务提供商根据客户所订软件的数量、时间的长短等因素收费。用户只需要支出一定的租赁服务费用，不再需要花费大量资金投资在硬件购买、软件安装与维护上。

2.2 云计算在高等院校虚拟计算机实验室建设中的优势

利用云计算中的虚拟化技术和SOA与Web服务，能有效地节约当前高等院校计算机实验室建设中的硬件投资成本，且改善更新速度慢，软件维护与更新困难，以及实验数据存储受限制的现状。云计算在高等院校虚拟计算机实验室建设中有以下优势。

⑴ 降低实验室建设中的软硬件投入成本

云计算系统对用户端的硬件设备要求很低，只要用户拥有一台可以上网的终端设备、一个浏览器以及一个能够接入Internet的接口，就可以接入到“云端”，像使用本地计算机的资源一样使用云计算系统提供的各种软硬件资源，且功能更强大，应用范围更广泛。各种资源都由“云”来提供，终端用户只需支付少量的使用费用即可使用“云”端的软硬件资源，这就降低了实验室建设中对各种软硬件资源的投入成本，也无需对终端设备和各种软件进行不停的更新换代，这将极大地降低各高校在计算机实验室建设中的投入成本。

⑵ 减轻实验室软硬件维护与更新的压力

云计算提供基础设施、平台及软件三方面的服务，基础设施的维护由云端提供，软件的更新也由云端提供，因而使得基于云计算的虚拟计算机实验室无须再对硬件进行维护和对软件进行无休止的更新，从而减轻实验室软硬件维护及更新的压力。

⑶ 实现实验数据的海量存储和自由访问

云计算系统能为用户提供海量的存储空间，这为计算机实验教学过程中学生的实验数据提供了存储空间，无论是实验的中间结果还是最终结果，学生都可以将实验数据永久存储在“云端”，以便在任何地方通过浏览器在“云”的另一端打开继续进行实验，不用担心机器上是否安装了应用软件，或担心不是最新的版本。

利用“云”的海量存储空间及数据的自由访问优势，能改变以往为了保护计算机而安装保护卡或还原软件而导致的学生实验数据无法在实验室中长期存储的问题，这将极大地提高学生实验的积极性和有效性。

3 基于云计算的高等院校虚拟计算机实验室的建设

3.1 构建思想

云计算是一种基于因特网的超级计算模式，它可以使客户方便地根据自己的需求在物理机的虚拟环境中进行资源定制。本文的研究是建立在云计算的软件即服务、平台即服务和基础设施即服务三层服务的基础上，结合当前高校计算机实验室建设现状，利用云计算中的虚拟化技术构建基于云计算的高等院校虚拟计算机实验室，快速部署云端的资源以获取服务，动态组织异构资源，构建不同的应用环境，将存储空间等资源共享，杜绝软硬件资源浪费，达到计算机实验室效益最大化。

3.2 基于云计算的虚拟计算机实验室模型构建

利用云计算技术，我们不必把软件、数据放在本地计算机中，而是把它们放在“云”中，由数据中心来为用户提供软件和数据存储等服务。对用户来说，只需要订制“云”中的服务，登录后就可使用此服务。总之，云计算的最终目的是向用户提供方便、快捷、易于获取的服务。基于云计算的三层服务层次，并结合高校计算机实验的特点，我们构建了基于云计算的高校计算机实验室建设模型，如图1所示。

⑴ 物理资源层

物理资源层主要指实实在在的物理机、存储器、通信线路等物理意义上的资源。这些资源通过网络联接，实现资源共享。云计算系统中资源共享包括计算资源，存储资源和网络资源的共享等。在高校计算机实验室建设中可以是PC机、服务器、工作站、交换机、存储设备等，这里主要使用的是高校局域网内部的设备，既可以是一个高校的设备，也可以是多个高校的设备，这些物理设备共同构成“云”。

⑵ 虚拟资源池

虚拟资源池是通过不同的技术将相同类型的资源构成同构或近似同构的虚拟资源池；可以屏蔽掉物理资源的复杂性，实现从物理资源向逻辑资源的转化。把物理资源整合成与位置和实物无关的方式进行调用，可提高资源的利用率，并降低维护管理的复杂度。比如：在两台服务器上分别利用虚拟软件虚拟出10台虚拟机，动态分配虚拟的CPU、内存、硬盘、I/0设备及网络资源，并分别在这些虚拟机上安装不同的操作系统及配置相应的应用程序，从而建立出来20台服务器建成的虚拟资源池的云计算环境。

⑶ 云管理层

云管理层的功能主要包括：云资源管理、云数据管理、云安全管理和用户管理。资源管理平台建设中间件主要对虚拟资源层的各种虚拟资源进行管理，包括增加、删除、修改、维护等，并对众多的资源建设管理进行负载均衡优化和调度，从而为上层应用提供安全的服务。云数据管理主要对用户及云平台上的数据进行保管和维护，保证用户实验数据、软件数据等资料的安全性。安全管理包括网络的安全管理、数据的安全管理、访问的安全管理及用户的身份确认和访问控制权限等。

⑷ 云客户端

云客户端主要通过应用技术将云计算能力封装成标准的Web Service服务，使任何一个用户按自己的需求对SaaS平台进行个性化配置而不影响其他用户的使用。云客户端为用户和云计算应用提供统一的接口规范。在高校计算机实验室建设模型中所说的云客户端主要是使用浏览器和应用程序接口，因而使用云客户端就可以快速便捷地访问云中的资源。云客户端通常安装在实验室的终端计算机中，对计算机的硬件要求不高，这样各高校可以不必投入很大资金到本地的终端上去，就可以使用云计算平台的大量信息资源，使用远超过终端性能上限的高强度计算工作和存储能力。

4 结束语

随着网络的发展，云计算技术不断成熟，云计算不再是高耸云端的高端理念，作为一种新型的服务模式，它必将为计算机应用带来新的变革。建设基于云计算的计算机实验室，可轻松实现不同设备间的数据共享，为用户提供无限的存储空间和计算性能，并保证数据的安全、可靠。云计算与高校计算机实验室建设的结合，可有效整合高校教学资源，提高资源的利用率，从而为高校实验室建设提供参考，也进一步拓展了云计算的应用领域。

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