基于“云”的信息管理实验室建设分析与思考

2015-05-03王梅源郑双怡张劲松李超锋

实验技术与管理 2015年11期

王梅源，郑双怡，张劲松，杨单，李超锋，杨健

（中南民族大学管理学院，湖北武汉 430074）

传统的信息管理专业实验室“胖客户端”架构普遍存在建设投入大、资源不能共享、数据存储不安全、教学管理凌乱、实践效果不理想等问题。随着信息技术的快速发展，在高性能服务器、带宽、网速等都不成技术阻碍的情况下，云计算技术应运而生。云计算（cloud computing）是一种新兴的商业计算模型，它将计算任务分布在大量服务器构成的资源池上，使各种应用系统能够根据需要获取计算能力、存储空间和各种软件服务［1］。云计算被看作是继个人计算机变革、互联网变革之后的第三次IT浪潮。一个现代化大学实验室的任务不仅仅是进行知识的传授，更重要的是进行知识的创新［2］。

1 云计算技术及特点

云计算具有超大规模、虚拟化、高可靠性、通用性、高可扩展性、按需服务、极其廉价等优点，是一种按使用量付费的模式。这种模式能够提供可用的、便捷的、按需的网络访问，能够进入可配置的计算资源共享池（资源包括网络，服务器，存储，应用软件，服务），只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互，就能够快速提供这些资源。

云计算是一种基于因特网的超级计算模式［3］。主要通过虚拟化技术来实现各种应用。虚拟化技术是指把一个物理单元虚拟成多个逻辑单元［4］，供多个应用一起使用，被虚拟的实体是各种各样的IT资源，包括内存虚拟化、存储虚拟化、硬件虚拟化、软件虚拟化、系统虚拟化等。虚拟化技术打破了固有的物理硬件之间的隔离，将网络中所有设备统一管理，形成共享资源池，通过管理程序将这些资源当成一个实体来管理，可以根据不同的负载动态重新配置软硬件资源，从而实现资源分享、资源定制和按需服务［5］。

当前云技术存在最大的障碍在于：一是重要数据还是需要备份，如果全部数据存放在云端而没有移动存储设备进行备份，有数据丢失的风险［6］；二是对网络带宽的要求比较高，实验中所有终端所需的计算需求、数据存储等都是通过网络与云端频繁交互而实现的；三是目前云平台种类繁多，鱼龙混杂，没有统一标准［1］，因此，如何选择一个合适的安全的标准平台是“云”实验室建设中需要特别注意的问题。

2 传统实验室与“云”实验室的比较

2.1 计算机系统配置架构不同

传统信息管理实验室中的计算机系统配置采用客户端/服务器（C/S）架构，如图1所示。其中，每个客户端都由主机＋显示器组成，服务器端由1台或多台服务器组成，每台服务器具有不同用途并独立存在。

图1 传统信息管理实验室的C/S架构

实验时，学生根据实验需要从服务器上下载实验指导文件，然后进入客户端所需软件进行实验，并把实验结果存放在客户端机器或者U盘等存储设备上，也有学生将实验结果存放在服务器上，但要指定并牢记存储路径。

早期服务器的性能较低，软件在设计时从功能上进行了划分，一大部分具有可以共性计算的内容安装到服务器上，一小部分具有个性计算的内容需要安装到客户端。系统安装时，必须在服务器和客户机上都进行安装，并同时在客户端与服务器端进行相应配置，一是为了减轻服务器端的负载，将部分计算功能分配到客户端本地机上；二是为了满足用户个性化，但在服务器端不容易统一实现的计算需要。这样一来，一套系统需要在服务器端和客户端都安装才能运行，不仅加大了实验室系统维护工作量，而且也提高了对客户端主机配置的要求。随着软件性能越来越高，对主机性能的要求也越来越高，因此，客户端逐渐成为名副其实的“胖终端”。

“云”实验室中的计算机系统配置采用分布式架构，如图2所示。其中，“云”端的物理资源池由高性能服务器、数据存储设备、网络交换设备等组成，虚拟资源池由各类软件、云计算管理平台和云桌面系统组成［1］；客户端由云客户端＋显示器组成，用户通过浏览器或者相关应用程序接口（如云虚拟桌面等），可以快速便捷地访问“云”中资源。云客户端可以是手机、平板等智能终端设备，也可以是普通的PC机，还可以是不需要硬盘、内存、CPU等器件的简单终端设备［7］。实验时，学生根据需要，在云客户端上提出实验请求后，在云端运行软件、处理数据、存储数据，并完成实验。因此，云客户端不需要太强的运算能力，不需要复杂配置，只需具备简单的输入、输出、显示功能，是一种超级“瘦终端”模式。

图2 “云”实验室的分布式架构

2.2 计算服务方式不同

传统信息管理实验室C/S架构提供的是一种集中式计算服务，实验软件的服务器端安装在指定的服务器上，大批学生在同一时间进行同一实验时，需要同时运行该服务器上的服务器端软件，单个服务器计算需求压力很大，常常出现计算能力不够、运行速度慢、蓝屏、等待、不能进入系统等问题。但在没有实验安排的时间，该服务器就处于闲置状态，无论其他服务器或实验室多忙都帮不上忙，机器忙闲不均、功能利用率低，资源闲置浪费严重。

“云”实验室分布式架构提供的是一种分布式计算服务，云端有一系列服务器/操作系统和存储设备，形成资源池，通过云计算管理平台，可以将计算任务合理分配到各种资源上。当“云”接到实验指令后，无论是单个任务，还是批量任务，都可以根据任务量的大小提供所需的计算能力、存储空间和各种软件服务，这种协同工作能力从根本上化解了机器工作任务忙闲不均、计算能力大小不一的问题。

2.3 存取数据的透明性不同

传统信息管理实验室C/S架构提供的是一种透明式数据存取模式，使用者需要知道实验软件存放在什么地方、实验数据通过什么路径进行存取，一旦用户忘记存取路径或管理人员重新整理了相关文件，就有可能产生数据丢失或存储混乱等问题。

“云”实验室分布式架构提供的是一种非透明式数据存取模式，使用者只需提出实验需求，在云桌面系统上直接进行实验操作或数据存储即可，至于实验软件如何存放、实验数据通过何种路径存取，都由“云”统一安排和布置，方便了用户，提高了实验效率。

2.4 实践教学模式不同

传统信息管理实验室由于工作时间有限，计算机设备位置固定，学生只能以指定的方式，在指定的实验室、在规定的时间内完成实验任务，有些软件在购买时还会有用户数限制。常常出现指定实验室太忙安排不过来、实验设备不够用、课上实验完不成课下不能补上、学生有空闲时间但实验室已经下班等问题，使得多数实验室利用效率不高，学生实验过程不连贯、不方便，降低了学生做实验的积极性。

“云”实验室的特点是所有数据都在云端运行，不同设备间的数据和应用可以共享，只要有网络，而且只需要使用浏览器或者安装简单云应用软件，学生就能做实验。学生可以在任何时间、通过任何终端设备、在任何地方做实验［1］，打破课上课下、校内校外、有线无线界限，大大提高了实验过程的连续性和实验室的利用率，并便于学生交流经验分享学习成果。

2.5 实验室建设投入不同

计算机硬件的发展速度常常落后于软件，硬件的淘汰速度是平均3～5年，软件几乎每年都推出新版本，而且新版本对硬件配置有更高的要求。为了避免盗版软件存在的安全漏洞和法律风险，常常需要花费高额的费用购置正版软件和进行后续升级维护。

传统信息管理实验室硬件配置的特点是“胖”客户端＋“瘦”服务器。由于要跟上软件发展的步伐，要求客户端的主机性能不断提高，不断升级换代。同时，各院系常常根据自己的需求提出软硬件配置计划，重复采购和重复配置现象严重，不仅增加成本，更造成严重的资源浪费。

“云”实验室硬件配置的特点是“发达”的云端、“苗条”的客户端。云端配置高性能服务器和数据存储设备，由于分布计算能力，软件发展所带来的硬件升级需求并不十分明显。客户端配置一般的PC机，并不需要经常更新换代。同时，云端软硬件都是经过统一论证、统一配置的，杜绝了重复建设的问题，大大提高资源共享水平。而且，虽然“云”实验室的云端高性能服务器较贵，但数量少，相对于传统实验室所配置的大量高性能客户端来说，实验室建设投入相对较低。

2.6 实验设备维护工作量不同

传统信息管理实验室主要依赖众多高性能计算机，但购机批次不同、配置不同、性能不同，出故障概率大、硬件维护的工作量大。同时，不同的实验需要不同的操作系统或应用软件，有的版本低，有的版本高，临时性的软件变更、系统补丁更新、杀毒软件升级，以及硬件与软件之间、软件与软件之间不同的兼容性使得实验室软件更新和维护工作量很大。

“云”实验室设备的维护主要在云端，只需对云端的硬件、软件更新与维护等工作进行统一管理，就可以快速配置相应的服务，不仅能够节省系统配置部署时间、减轻管理人员的维护工作量［8］、降低维护和管理成本，而且能够提高实验室更新维护的能力和水平。

2.7 实验设备安全保障能力不同

传统信息管理实验室为防病毒，通常采用给终端计算机安装还原卡的方式［9］，在这种方式下，硬盘被保护后不能存储实验数据和文件，学生必须用U盘、移动硬盘存储数据或文件，不仅不方便，而且移动存储设备是病毒传播的最大隐患。另一种方式是将数据上传至服务器，但因为实验多、人员多、文件多，常常会受到服务器容量或存储有效性的限制，另外权限管理的复杂性也会导致文件被他人浏览、误操作或删除等。

“云”实验室采用多管齐下的方式保证实践系统安全：一是安装“云安全”防病毒服务软件，以“团结协作、共同御敌”的理念，加强实验室系统对病毒的防杀能力；二是配备专业的管理团队，统一管理和保障信息、数据库、硬件、软件的安全；三是通过“云”架构为实验室提供最安全、可靠的数据存储中心，中心采用数据多副本容错、不同数据隔离、计算节点同构可互换等措施来保障云端应用和数据的可持续、灵活、高效和安全性，确保数据的隐秘性和不被破坏。

3 基于“云”的信息管理实验室建设规划

基于“云”的信息管理实验室建设规划是在深入思考信息管理专业人才培养目标、使命责任、学科定位与教学特点，结合信息技术发展的特点，并在与相关单位进行广泛沟通与论证的基础上形成。

3.1 实验室建设目标

基于“云”的信息管理实验室（简称“云”信管实验室）由云端和客户端组成，以云平台为架构，从基础支持、信息管理、信息系统、管理决策4个层面上实现信息技术对信息系统的支持、信息系统服务于企业信息的管理、企业信息管理对企业管理决策的支持，以及基础设施对整个实验室系统的支持。

作为经济管理实验教学示范中心的重要组成部分，“云”信管实验室既是实验环境，也是讨论与研究区域，是相关课程上机实验的重要平台，是信管专业进行专业综合训练和毕业设计的重要场所，是大学生科研创新的重要实践基地。

3.2 云架构模型

“云”架构是“云”信管实验室的重要技术基础，分为云服务与云管理两大部分［10］，如图3所示。

图3 “云”架构模型

“云服务”指云端能够提供给用户端基于云计算的各种服务，分3个层次，第一层是SaaS（software as a service），软件即服务，云端可以向用户提供统一布置在资源池中的各种应用软件服务，包括计算能力和数据存储，提供软件运行所需的硬件设施，并对软件进行维护和管理，用户只需根据个人需求通过客户端访问云端运行软件即可。第二层是PaaS（platform as a service），平台即服务，云端可以向用户提供统一布置在资源池中的各种软件开发环境，以及用于研发的中间件平台，同时还提供应用程序开发、数据库、应用服务器、实验、托管及应用服务，用户只需通过网络在客户端的云平台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即可。开发人员是这个云平台的直接用户，还可借助云平台提供的高层次集成环境，对用户需求的应用进行测试和配置。第三层是IaaS（infrastructure as a service），基础设施即服务，云端可以将计算能力、内存、I/O设备等整合成一个虚拟的资源池，向用户提供所需要的计算资源、存储资源、通信资源等基础设施服务，这些基础设施的规模可以根据资源的需求情况动态分配，从而更精准地为用户提供服务［11］。

“云管理”的功能是确保云计算中心各软硬件系统能够准确、安全、稳定地运行，通过云计算管理平台、云桌面系统实现各项管理工作，包括云资源管理、云数据管理、云安全管理、虚拟化管理、教学管理、用户管理，以及监控和容灾管理等。

对信管专业来说，主要通过“云”实验室的SaaS、PaaS两个平台完成实验任务，在SaaS平台上完成需要依靠应用软件进行的实验，如ERP、SCM、CRM等，在PaaS平台上完成不同程度的软件开发类实验及专业综合训练。

“云”信管实验室的云端可以有不同形式的建设方式：条件不成熟时可单独建立，但资源有效利用程度不高；建立经管实践教学“云”平台，挂在学校信息管理“云”平台之下。无论以何种方式建立云端，前提都是最大限度地发挥“云”对资源有效利用的巨大作用。

3.3 实验室逻辑模型

“云”信管实验室设计理念基于信息管理人才培养体系架构，承载用信息技术的手段解决管理问题的宗旨。因此，实验室并不专门面向某门课程或某个实践环节，而是为信管及其他相关专业提供有关信息管理与信息系统教学实践的环境。实验室总体逻辑结构分为4个层次，如图4所示。

（1）基础支持层。主要由云计算平台和教学辅助平台组成，实现对实验室所有层次的实践、技术和管理的基础支持。

（2）信息管理层。通过相关实验设备和应用软件实验系统，从信息管理的生命周期出发，提供信息识别与采集、信息提取与变换、信息传输、信息存储、信息安全、信息加工以及信息维护与利用的实验环境。

（3）信息系统层。包括两大部分：一是企业信息管理平台，主要由ERP、CRM、SCM等在内的企业信息管理系统组成，由SaaS平台提供，实现对企业运作流程的认知与管理；二是信息系统开发平台，由PaaS平台提供，通过基础软件平台、统一建模平台、系统仿真及应用开发工具等，实现对各类管理信息系统的设计与开发。

（4）管理决策层。该层次对应管理决策需求，主要由决策实验场景和各类决策仿真专用软件构成，如复杂系统仿真软件Anylogic等。针对企业信息处理的核心关键问题，尤其是那些当前炙手可热的研究热点，提供就信息安全、大数据处理、物联网、云计算、服务计算、决策支持、商务智能，以及专家群决策等研究热点进行讨论和决策的实验环境。

图4 基于“云”的信息管理实验室逻辑模型

3.4 实验室实践教学体系

据不完全统计，“云”信管实验室可覆盖信管专业大部分实践环节。针对信管专业特点，依托本实验室的实践教学体系有3条主线：基本技能线［12］、应用提高线和开放创新线。

（1）基本技能线指教学计划内，面向全体学生的各项实践教学任务，包括课程实验、实习实践、课程设计、专业综合训练、毕业设计等，目标是培养学生基本实践和动手能力。

（2）应用提高线指教学计划外，面向高年级学生的各类科研训练任务，包括各类科研项目、创新创业训练项目、“挑战杯”项目、社会实践调研项目等，目标是加强理论与实践相结合，培养学生初步的科研能力。

（3）开放创新线指向院内各专业、校内各院系甚至校外相关单位开放的实践任务，特别是一些校内跨专业综合项目、校企合作项目、实习基地项目等，让高年级学生在教师带领下，通过“走出去、引进来”的方式，参与真实项目的锻炼，培养创新精神、合作意识、动手能力和独立科研能力，从而尽可能缩小学校与社会“最后一公里”的差距。

实验室3条线的有效运行需要建立科学合理的运行维护机制，最大限度挖掘与运用“云”技术资源共享的能力，原则上应首先保证基础技能线的平稳运行，不断挖掘应用提高线的服务潜力，努力扩大开放创新线的社会影响。

4 “云”实验室综合保障体系

4.1 师资队伍建设

实验室师资力量包括教学和管理2个方面。在教学上主要依托信管系师资力量。目前我校信管系多数教师在本科到博士阶段具有2～3个学科领域学习背景，如管理科学与工程、计算机及其应用技术、科技情报、工商管理等，能够满足实践教学需要。

信管专业是个实践性非常强的专业，因此，信管系非常重视该实验室建设，并希望能够最大限度地发挥该实验室在实践教学、学科建设、社会服务等方面的作用。实验室在管理上主要依托经管实验中心力量，由各级专职管理人员对各项实践计划、仪器设备、实验室管理制度等进行统一管理。另外，参与“云”实验室规划的软件和硬件提供商相关技术人员，可以为本实验室建设提供整体的专业性指导和技术支持。

4.2 教学协作互动平台

“云”实验室在国内实验室建设上属于新兴方向，开创国内领先水平。将云计算技术引入实验室建设中，能够实现教学资源云在线、教学软件云端化、教学终端智能化、教学知识微课化、教学互动开放化等多方位实践教学目标。

（1）系统开发实践教学方式。设定统一的企业背景及企业个性化需求，让学生组成不同的项目开发团队，各个小组采用竞争对抗方式进行教学，使学生通过项目演练竞赛的方式掌握需求分析、设计、编码、测试等技能，提高系统开发与管理能力。

（2）实践教学资源。在教学实践中不断配套完善实践教学资源，包括实验教程、视频、课件、项目等。

（3）“云之家”实践教学协作互动模式。“云之家”教学协作互动平台是“云”实验室的特色之一，它能够实现各项发布功能，如实践项目、项目需求、竞赛规则、项目成绩、心得体会的发布等，还能够实现实践教学项目过程协作，如组建团队、角色选举、过程设计、小组讨论、成果提交，以及成果共享等，如图5所示。通过该平台，“云”实验室的实践教学活动能够真正实现课内课外、线上线下，学生、团队、教师、企业之间的全面互动与连通，从而让学生真正体验到自主学习的快乐，真正达到提高学生实践动手能力的目的。

图5 “云之家”实践教学协作互动平台

4.3 实验室运行管理

“云”实验室运行重点突出本科实践教学的仿真特色，并拓展信管专业实践教学与科研服务能力，实现实践教学项目从立项、设计、开发到转化、应用、创新等各个环节的机制体系与品牌建设。

（1）建立健全各项实验室管理制度，包括“实验室运行管理制度”、“实验室仪器设备管理制度”、“实验室安全卫生管理制度”、“实验室对外开放管理制度”、“学生实验守则”等［13］。

（2）建立基于“云”的信管专业实践教学体系，包括教学大纲、实验内容、配套实验教程等，全面开拓学生专业视野、提升知识技能、培养综合创新能力。

（3）建立系统开发团队，紧跟IT热点，与合作企业一起共同提出并开发反映学科前沿的或满足实际需要的信息系统，提高学生理论与实际相结合，用信息技术解决管理问题的能力。

（4）以实验室为基地，促进教学科研结合，加强实验室社会服务能力，支持各类创新研究成果的输出。

4.4 “财富库”建设

“财富库”指对实验室运行期间使用和产生的所有知识、技术和成果进行统一管理的系统，包括实验库、案例库、测试用例库、试题库、中间件库等。对各项实践环节，特别是综合型或创新型实验的设计可以采取分步建设、逐级递进、不断积累的方式，先易后难，先单项、多项，再综合、创新，逐级开发实验项目，逐步完善实践体系，使“财富库”真正能够实现“财富”创造、“财富”积累、“财富”更新、“财富”利用，从而最大限度地发挥综合实验室的“财富”效应。