云服务在高校实验教学系统建设中的应用

2017-03-31吕思思焦金金祁建松付岩

软件导刊 2016年8期

吕思思+焦金金+祁建松+付岩

摘要：高校在建设和升级实验教学系统过程中，应用云技术以及基于云技术的相关服务，能有效增强系统的服务效能，显著降低成本，符合信息技术的发展趋势。通过分析各种云服务模式特点，从经济性、风险和安全性等方面，探讨了高校如何针对自身需求和实际情况，在利用云技术建设实验教学系统过程中选择适合的云服务方案。

关键词关键词：实验教学系统；云服务；公有云；私有云；混合云

DOIDOI：10.11907/rjdk.161490

中图分类号：G434

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2016）008-0197-04

1 高校实验教学系统现状

实验教学系统是指利用网络为学生提供相关实验教学资源，支持在实验教学活动中的教学行为及管理行为的个性化服务系统[1]，随着信息技术的发展，高校实验与教学实现了信息化，实验教学系统作为与高校主要业务关联最为紧密的信息化产品，其建设和应用水平直接影响高校的实验教学质量。

高校实验教学系统一般采用Browser/Server （B/S）模式。在此模式下，信息系统集中部署在服务器或服务器集群上，用户以网络作为媒介、以浏览器作为展现工具，基于服务端分配的权限使用系统。与Client/Server（C/S）模式相比，B/S模式具有两个特点：①系统集中部署与升级都在服务器端完成，对客户端的干预最小化，有效降低了维护与升级成本和风险；②系统通过浏览器提供服务，将不同客户端的运行环境差异带来的影响降到最低，更容易实现跨平台服务。但基于B/S架构的实验教学系统也它的局限性：①所有信息都在服务器端处理，负荷较重，一旦负荷超过服务器端的承载上限，整个服务将会瘫痪；②基于B/S架构的系统往往通过广域网提供服务，无法像C/S架构的系统那样通过控制客户端程序分发达到对用户群体的限制，因此对用户身份和行为的控制较弱，从而面临相应的安全风险；③在提供类似服务的前提下，B/S架构往往比C/S架构拥有更大的数据吞吐量。因此，基于B/S架构的可靠性和性能更依赖于网络带宽[2]。

为解决以上问题，基于B/S架构的实验教学系统在服务器性能、带宽以及安全方面需要投入大量的资金和人力，系统运行期间，也需要投入大量的资金和人力进行维护和升级。因此，引入云服务后，高校实验教学系统的服务能力将得到显著提升，可靠性大大提高，运营成本也会明显降低。

2 云计算及其服务模式

云计算是应用于互联网的一种计算模式，能够将动态伸缩的虚拟资源提供给用户，用户可以了解如何管理云计算的基础设施[3]。Cloud camp的创始者 Reuven Cohen认为：云计算是一种基于 Web 的让用户只为自己需要的功能付费的服务，改变了传统软件在硬件、软件和专业技能等方面的投资[4]。IBM公司科技策略與革新部副总裁 Irving Wladawsky-Berger 认为：云计算通过互联网，提供给用户大量软硬件投资以及专业技术应用服务[5]。

2.1 云服务模式

云服务即通过网络向用户提供计算资源、存储资源以及基于以上资源的各种信息技术资源的服务。云服务提供商将服务器连结成集群并整合为庞大的计算资源和存储资源，构成一个资源池，通过虚拟化技术按照用户需求提供弹性的计算资源、存储资源以及基于资源的应用服务。云服务从范围上分为3种：公有云、私有云、混合云。

从服务层级上分为3层：基础架构即服务Infrastructure as a Service （IaaS）模式；平台即服务 Platform as a Service（PaaS）模式；软件即服务Software as a Service （SaaS）模式[6]。

2.2 基础架构即服务（IaaS）模式

基础架构层作为云的基础，由服务器、网络设备以及存储设备等物理设施组成。在IaaS服务中用户并没有实际管理底层基础架构，而是在现成的基础架构上进行操作系统、网络组件设置数据和应用软件使用及维护[7]。

基础架构即服务（IaaS）提供商通过集中化的大规模基础架构，按照用户需求以较低的成本为用户提供更为可靠的基础设施资源，能够根据用户需求灵活地进行扩容或者减容。目前著名的IaaS服务提供商有亚马逊、微软、Rackspace等。

2.3 平台即服务（PaaS）模式

平台即服务（PaaS）向用户提供对操作系统和相关服务的访问。在PaaS模式下，用户能够将应用系统部署到云平台上，无需将精力投入在底层基础架构，用户能够在一定程度上对PaaS平台提供的运行环境进行配置[7]。目前著名的PaaS服务包括Google App Engine、微软Azure等。

2.4 软件即服务（SaaS）模式

软件即服务（SaaS）模式能够为用户提供从设施、平台到应用的一整套解决方案，在SaaS模式中，用户只需选择符合自身业务需求的应用系统，而不需考虑部署系统所需的平台及设施。典型的SaaS服务有基于云端的人力资源管理系统SuccessFactors、基于云端的客户关系管理系统SalesForce CRM及基于云端的文件同步工具Dropbox等。

2.5 公有云

公有云即第三方云资源供应商通过互联网直接向广大用户提供的云服务，用户将应用系统和数据完全托管到第三方提供的云端，云服务商负责保证系统和数据的可用性、安全性和可扩展性。公有云是云服务的主要形式。

2.6 私有云

私有云即为某一特定用户部署的云服务，用户可以根据自身业务情况选择云服务的规模。用户对私有云具有完全的所有权。与公有云相比，私有云在保证用户内部资源共享的前提下，与外界保持一定的隔离，因此私有云用户能够更有力地保障云端应用系统和数据的安全，而非依赖于第三方云服务提供商。

2.7 混合云

混合云即公有云和私有云的混合。混合云用户可以根据自身业务情况和安全需求，将信息服务分别部署在公有云和私有云上，以实现经济性和安全性的最优方案。混合云综合公有云和私有云的特点，获得有足够弹性的服务特性以支撑瞬息万变的业务需求。例如，可以通过共有云服务来应对某一时间的服务需求高峰。由于公有云和私有云的物理设备往往部署在不同的地理位置，因此二者可以同时用于异地灾备方案 [8]。

3 云服务模式特点分析

3.1 公有云、私有云和混合云特点对比

公有云能提供成本最低的云服务，能够根据用户的需求灵活改变服务范围，满足用户业务增长。因为公有云用户将服务和数据完全托付给云服务商，因此某些拥有机密和敏感数据的用户可能会因此承受风险。

私有云往往受用户数量限制，无法通过规模效应控制成本，并且其扩展性也受到限制。由于用户对私有云上的服务和数据完全负责，因此可以通过与外网隔离或者足够可靠的安全策略将高价值的机密数据保护起来。

混合云通过公有云和私有云的组合，兼具公有云和私有云的特点。因此混合云能通过公有云服务降低成本，并将高价值的敏感信息保护在私有云中[9]。

3.2 IaaS、PaaS和SaaS特点对比

IaaS模式为用户提供了基础设施资源服务，用户可以根据自身需求自行在平台上部署开发环境及运行环境，在平台上自行开发信息系统，或者寻找第三方开发服务商提供定制开发服务。因此IaaS需要用户具有一定的信息系统研发能力或一定的项目管理能力。

PaaS 模式为用户提供开发环境和运行环境，便于用户协同开发。PaaS模式对用户的应用系统开发能力有一定要求，此模式不利于应用系统跨平台移植。

SaaS 模式为用户提供了现成的应用系统，对用户开发能力要求很低，所以项目风险最小。然而也因此有最低的定制化程度，无法保证100%满足用户的特殊业务需求[10]。

4 高校实验教学系统云服务模式选择

基于以上分析，根据部分企业案例，列出高校实验教学系统可选模式如表1所示。

混合云模式根据解决方案与第三方合作模式，其成本、风险、定制性、安全性及扩展性等会有很大差别，需要结合解决方案具体分析。

5 利用云技术建设高校实验教学系统案例

某高校计划升级信息系统，此次升级计划利用云技术实现服务范围和承载力的全面提升，并为今后升级扩容做好准备。

目前高校各信息系统部署在本地服务器中，属于典型的传统B/S架构信息服务，性能已经不能满足师生工作学习需求。而在不引入虚拟化技术的前提下，通过购买服务器等设施来提高系统性能投入很高，收效未必能与投入成正比。

建设项目中，无论选择何种云方案，信息系统开发费用和数据库授权费都是相对固定的投入，不在本文讨论范围之内。

5.1 方案1：建設基于私有云的高校实验教学系统

根据高校业务规模与发展前景进行需求分析，明确了云平台的基础设施架构与规模。出于高可用性要求，平台中的应用服务器、资源服务器和数据服务器均为双机热备，并且配备边界防火墙，如表2所示。

根据方案设计，应用服务器、资源服务器皆为虚拟服务器，出于高性能需求，数据服务器为物理服务器。由此得出所需物理计算资源，如表3所示。

基础设施和设备费用包括计算、存储、网络资源的成本。另外还需考虑机房托管费用和电费[10]。根据以上需求和市场行情，得出设备估算报价，见表4。

其它费用：机房托管费和100M带宽费50万元/年，假设服务费用固定，3年总费用为150万元，由此得出私有云建设方案云平台建设总投入约为397万元。根据资产折旧率每年20%，3年后折旧为158.8万元，5年后资产折旧为零，3年后可能会有设备升级需求[11]。

5.2 方案2：建设基于公有云的高校实验教学系统

云服务估算报价见表5。

公有云服务方案，信息系统设备投入费用约为187.9万元。公有云服务属于租用，不存在资产折旧问题。

其它费用：公有云服务无需支付机房托管费用，没有额外的带宽租用费用[12]。

5.3 公有云与私有云方案对比

以3年时间计算，在获得同等设备资源的前提下，采用共有云服务产生的费用为187.9万元，只有私有云方案（397万元）的一半。公有云方案不仅节省了可观的资金投入，还明显缩短了系统平台的部署调试时间，系统运行平台的稳定性风险由公有云提供商负责。

（1）选择私有云方案优势。

私有云方案中，系统数据保存在高校私有存储设备中并受到防火墙的有效保护，私有云用户完全掌握系统数据。在必要的情况下，私有云可以实现与互联网的物理隔离以实现更高级别的安全等级。

（2）选择私有云方案的弊端。

与公有云服务相比，在获得相同的云服务资源前提下，高校需承担私有云建设带来的更高的资金投入，同时可能会面临延期或超支等问题，为整个实验教学系统带来不可估量的风险。

（3）选择公有云优势。

公有云服务能够为高校节省可观的资金投入，因为公有云服务具有规模成本优势，公有云服务还能够提供弹性服务模式，高校可根据自身业务情况，依据服务高峰期和低谷期的访问量变化及时调整服务规模。服务器等设备更新换代速度快，选择公有云服务能将设备更新换代的压力转嫁给服务提供商，还能够有效避平台建设过程中的延期和超支等问题。

（4）选择公有云的弊端。

公有云服务提供商能够有效保证用户云资源及建设在云端的系统和数据安全，通过多种安全防护措施保证用户的系统和数据免受DDoS攻击、木马攻击、暴力破解及其它威胁。然而存储在云端的数据资源对于云服务提供商来说是单向透明的，尽管云服务提供商承诺用户的数据隐私安全，并且公有云服务商往往不具备窥探用户数据的动机，但是服务商获取用户数据的行为在技术上是可行的，因此对于拥有敏感信息的客户来说依然存在巨大的风险[13]。

6 结语

对比公有云和私有云两种模式的云服务建设方案，可知私有云能够保证用户对系统和数据的掌控性，并在一定程度上比传统的信息系统建设方案具有更高的扩展性和资源利用率；而公有云在建设成本和扩展性方面比私有云有更明显的优势。高校在建设或升级实验教学系统及其它信息系统过程中引入云技术，顺应了信息技术发展趋势，优化了高校的投入产出比。

在公有云和私有云的選择中，需要考虑高校自身业务中是否存在高价值的敏感信息。高校普遍存在自主开发能力和资金投入有限，风险承受能力不足等问题，实验教学系统不存在高度敏感信息，因此，高校适合选择公有云服务作为实验教学系统的建设平台。部分高校或者高校中的特殊专业可能存在高度机密信息，这种情况适合自主建设私有云平台或者通过招标邀请第三方供应商提供私有云平台，实施系统迁移服务[15]。另一方面，高校也可以选择混合云作为折衷方案，既能够最大程度地保护数据安全，也能够最大程度地利用公有云的成本优势，兼顾费用与风险考量。

参考文献：

[1]庄科君，贺宝勋.基于云计算的高校计算机实验教学系统设计研究[J].电脑知识与技术，2013（2）：306-309.

[2]许晏.C/S与B/S结构的比较[J].计算机光盘软件与应用， 2014（21）：63-64.

[3]蒋永生，彭俊杰，张武.云计算及云计算实施标准：综述与探索[J].上海大学学报：自然科学版，2013，19（1）：5-13.

[4]李维冬.基于 Linux 平台的局域网云监控系统分析与实现[D].武汉：华中科技大学，2011.

[5]李育林.云计算的局限性与解决方案[J].黄冈师范学院学报，2011（6）：26-28.

[6]马明，李发海，曹霞.高校实验教学中的云服务模式探讨[J].电脑知识与技术，2015，11（12）：139-140.

[7]GRACE WALKER，IBM DEVELOPER WORKS.云计算基础[EB/OL].[2011-02-21].http：//www.ibm.com/developerworks/cn/cloud/library/cl-cloudintro/index.html.

[8]陈冬林，付敏，陈玲.基于混合云的高校实验教学平台建设模式研究[J].实验技术与管理，2013，30（5）：63-66.

[9]赵学敏，任翔，田生湖.混合云计算模式下高校信息化建设新思路初探[J].中国教育信息化，2012（1）：7-9.

[10]MG MARA SALAS-ZRATE，MG LUIS COLOMBO-MENDOZA.Cloud computing：a review of PaaS，IaaS，Saas services and providers[J].Lámpsakos，2012（7）：47-57.

[11]杨晓雁.设备折旧计算方法[J].信息技术，2011（7）：189-191.