现代商科实验室信息化平台环境的构建与效用

2019-01-30刘海宁王晓磊楚丹琪何翔欣

实验技术与管理 2019年1期

刘海宁, 王晓磊, 楚丹琪, 何翔欣

(1. 上海大学实验设备处, 上海 200444； 2. 上海大学经济数据实验中心, 上海 200444)

在“互联网+”时代,传统的高校商科实验室教学理念和管理方法亟待转变[1]。其中最重的一点就是需要在充分利用实验室现有资源的同时,与现代新技术实现融合,从而进一步加强现代商科实验室信息化平台的建设,为实验教学和学生能力的培养提供支撑和保证,以融合新技术的智能化、共享化信息平台实现商科实验室管理的转型升级[2]。

现代商科实验室信息化平台使实验室的建设与管理在时间和空间上得到延展,在加强实验室的业务调度、资源整合、开放共享的同时,使实验室成为管理制度化、科学化、现代化的实验室,从而提高实验教学效果,推动素质教育水平的提高。

本文主要分析虚拟化技术和云计算技术这两种现代商科实验室信息化平台环境构造技术的特点与优势。虚拟化技术和云计算技术,为高校商科实验室提供了能积极推进实验室信息化平台发展所需要的解决方案,有效地实现资源整合、开拓创新,满足创新型社会对现代商科高等教育的要求[3-5]。

1 基于虚拟化技术的现代商科实验室信息化平台环境

1.1 虚拟化技术概述

虚拟化技术是将各种计算资源和存储资源进行集中整合和利用的资源管理关键技术,是将计算机的各种实体资源[6],比如服务器、网络、内存等,予以抽象、转换后呈现出来,打破实体结构间不可切割的障碍,使用户能够以比原本组态更好的方式来应用这些资源。同时,虚拟化的资源不再受原有架设方式、地域或物理组态所限制。

在现代商科实验室信息化建设与管理过程中,利用虚拟化技术对实验室信息系统进行平台环境的构建,使用最多的技术是服务器虚拟化和桌面虚拟化。

服务器虚拟化就是把一个物理服务器虚拟成若干个虚拟服务器进行使用。利用服务器虚拟化技术可以实现在有限的硬件服务器环境下部署更多的虚拟服务器资源,以达到降低硬件建设成本、提高资源使用效率和动态调度资源的效果。服务器虚拟化架构如图1所示。

图1 服务器虚拟化架构图

桌面操作系统虚拟化也叫虚拟桌面技术,是一种利用基于服务器的计算模型来实现桌面系统远程动态访问和数据中心统一托管的技术。虚拟桌面技术借用了传统的瘦客户端模型,让管理员能够将所有桌面虚拟机在数据中心进行托管并统一管理,同时让用户通过本地计算机客户终端能够获得完整的计算机桌面系统使用体验。简单来说,可以利用虚拟桌面技术通过任何设备、在任何地点、任何时间在网络上访问属于个人的桌面系统。

1.2 基于虚拟化技术的平台环境构建

利用服务器虚拟化、桌面虚拟化等技术,对现代商科实验室信息化平台环境进行技术框架构建,主要通过实现硬件设备与应用系统的分离,将服务器、桌面系统等物理资源抽象成逻辑资源,CPU、内存等硬件资源因此也就变成可以动态管理的资源池,构建C/S技术架构。

通过服务器虚拟化,能够将一台物理服务器虚拟成多台虚拟服务器,可以同时运行多个不同的操作系统,各个虚拟服务器根据实际需求进行资源的动态分配,从而使服务器的利用率得到提高,也能够更灵活地适应实验教学的变化。采用远程托管的专用虚拟桌面技术,配合服务器虚拟化,构建统一的虚拟化环境平台,可以保证每个用户在服务器上拥有一套属于自己的独立虚拟桌面系统,与其他用户仅共享服务器硬件资源,而不共享文件目录和应用程序,实现用户之间的资源隔离,也提高了平台中数据信息资源的安全性。

现代商科实验室信息化平台环境主要采用服务器虚拟化和桌面虚拟化技术来构建,技术架构如图2所示。通过服务器虚拟化技术,可以对实验室所有安装虚拟仿真教学软件、专业数据库软件、计量统计软件的服务器进行有机整合、统一管理。通过桌面虚拟化,能够将所有终端桌面和应用程序集中到实验室的服务器中,支持各种计算机瘦客户端、平板电脑、笔记本等跨平台设备访问虚拟桌面。管理人员在实验室的服务器上就可以对所有桌面进行集中管理和监控。统一的虚拟化环境平台不仅能够提高服务器资源的利用率,同时也可以提升实验室的整体管理效率和运维能力。

图2 现代商科实验室信息化平台环境的虚拟化技术架构图

1.3 应用虚拟化技术的现代商科实验室信息化平台环境特点

(1) 统一管理、提升效率、降低成本。采用统一的虚拟化环境平台的现代商科实验室能够将相对分散的实验室计算机终端进行统一管理,所有数据和应用软件的配置、存储均集中在远程的虚拟化服务器内,突出实验室计算机终端的应用功能,降低其配置要求压力。而通过建立在服务器虚拟化平台上的虚拟桌面管理器,可以实现对商科实验室计算机终端的统一配置和维护,提升了管理效率,同时也降低了计算机配置成本和运行维护成本。

(2) 共享资源、提高利用率。采用统一虚拟化环境平台的现代商科实验室可以按照不同应用软件的配置要求对应配备在不同的服务器上,高配置的软件安置在高配置的服务器,低配置的软件安置在低配置的服务器,这样可以提升服务器的资源利用率。此外,实验室的软硬件不再是固定在单个实验室中,而是通过虚拟化技术开放在平台环境内,通过给学生和教师分配相应的访问权限，即可实现商科实验室资源的开放共享。

(3) 灵活部署个性化平台环境。现代商科实验室在虚拟化环境平台下,通过对虚拟桌面的灵活部署与管理,可以满足教师和学生定制个性化实验教学和实验研究环境的需求。在实验室虚拟化环境平台中,师生可以配置个性化的虚拟桌面,在实验教学和研究过程中调用不同的实验工具。

(4) 提升系统安全性。由于传统的商科实验室信息系统属于本地环境部署,往往部署环境较多、操作复杂,并且容易在日常运行过程中受到病毒入侵。而采用统一的虚拟化环境平台的现代商科实验室,由于本地系统和虚拟化平台从物理上是分离的,所以能够更有效地隔离病毒威胁,提升了系统的安全性。

2 基于云计算技术的现代商科实验室信息化平台环境

2.1 云计算技术概述

云计算技术是对大量的用网络连接的计算资源进行统一管理和部署,从而构成计算资源池并向用户提供基于网络的交互式服务的技术[7-10]。云计算技术是集分布式数据文件管理、分布式网络存储、虚拟集群化硬件管理于一体的新型信息交互技术。

从技术角度来看,云计算技术将硬件资源、数据库资源“云”化,并进行集群管理,与虚拟化技术非常相似,但是云计算技术的分层模式要更复杂。云计算技术主要有三个基本技术层,分别是基础设施层(IAAS,infrastructure as a service)、管理平台层(PAAS,Platform as a service)和应用服务层(SAAS,software as a service)。在云计算中,每一个技术层都可以当作服务层,即理论上系统访问设备可以做到对每一个技术层的交互服务访问。

2.2 基于云计算技术的平台环境构建

利用云计算技术通过建立基础设施层、管理平台层和应用服务层三个基本技术层面搭建完整的云平台架构,从而实现对现代商科实验室信息化平台环境技术框架的构建,技术架构如图3所示。基于云计算技术的平台环境通常采用B/S技术架构,这是因为在B/S架构中,技术架构结合浏览器的Script语言和ActiveX技术,业务逻辑极少在系统前端实现,绝大多数业务逻辑在服务器端执行,所以B/S技术架构更符合云平台的构建理念。

图3 现代商科实验室信息化平台环境的云计算技术架构图

基于云计算的现代商科实验室信息化平台环境主要采用分层设计理念来构建,将平台系统功能有序地分层,应用程序功能位于上层,平台管理功能位于中层,环境配置部署功能位于底层。多层设计使各个业务逻辑互相独立,某一技术层的变化不会影响其他技术层的运行,能够使整个平台以较为松散的方式耦合,从而便于维护。

(1) 基础设施层(IAAS)的构建。基础设施层的构建原则是动态化、集约化、共享化。通过对资源的抽象部署和治理,充分整合计算机硬件资源和数据库资源,实现计算机资源和存储资源的共享,形成云计算资源池并动态管理业务数据库,按需分配给应用层,降低管理复杂性。与此同时,对于一些跨校区的现代商科实验室,或者部分财经类高校分散在各学院的商科实验室群,在云计算技术下可以利用高速网络光缆在平台基础设施层打通不同校区或不同学院实验室之间的资源,实现硬件资源、数据库资源的计算、存储和交互共享。

(2) 管理平台层(PAAS)的构建。管理平台层的构建是为了保证上层应用与底层资源之间的联系,通过API数据调用接口来解决数据互联互通的问题,实现资源整合和共享。管理平台层的构建能够灵活应对应用服务层遇到的各种需求,并根据需求变化,在底层资源整合的基础上快速开发和建设丰富的应用接口,同时保证这些应用接口在平台上的有机统一和集成创新。通过管理平台层可以实现规范统一的管理部署、保障数据安全管理,同时能够嵌入式配置用户认证和访问权限管理,为应用服务层的正常运行奠定技术基础。

(3) 应用服务层(SAAS)的构建。应用服务层的构建是对整个基于云计算技术的平台环境的信息展现。利用B/S技术架构可以很好地将基于云计算技术的现代商科实验室信息系统嵌入网页浏览器界面,实现系统展现和人际交互,并在业务操作过程中通过管理平台层完成应用数据调用和反馈,执行业务逻辑。由于能够很好地融入B/S技术架构,因此对于应用服务层的系统访问也是非常友好和兼容的,用户可以通过台式计算机、笔记本电脑、手机、平板电脑等设备进行平台系统的访问和操作。

3 应用云计算技术的现代商科实验室信息化平台环境特点

(1) 资源统一管理，提高兼容性。采用云计算环境平台的现代商科实验室能够将相对分散的实验室信息资源、教学资源、科研资源和管理资源进行有效整合和统一管理。同时借助云计算技术的平台利用B/S架构,能够很好地提供业务访问与操作的兼容。教师和学生在不同的操作系统、不同的网页浏览器下均可以实现对云平台的访问和对应用程序的操作。

(2) 优化实验环境，共享实验资源。云计算平台环境构建的是一个科学合理、开放互联的应用服务平台,它不仅是一个即时互动、资源共建的协同界面,也是一个资源共享的网络平台。通过应用接口,可以实现资源深度整合和网络化存储管理。同时,由于平台兼容性高,能够很好地与高校其他信息系统进行对接,实现跨平台管理。

(3) 便于未来升级发展。云计算是下一代因特网技术的核心,所以采用云计算技术构建现代商科实验室信息系统的平台环境，能够有效解决信息化建设与发展的瓶颈问题,创新商科实验室的教学、研究与管理模式。

3 虚拟化与云计算技术对现代商科实验室信息化平台环境的效用分析

3.1 虚拟化与云计算的差异性分析

不论是虚拟化技术，还是云计算技术都是搭建现代商科实验室信息化管理和信息管理系统的应用层环境的重要平台技术,但两者也有所不同。基于虚拟化技术和基于云计算技术的平台环境构建本质的区别在于,基于虚拟化技术的平台环境更有利于构建C/S架构,即客户端/服务器的技术架构,强调实验室本地计算机具有客户终端；而基于云计算技术的平台环境则更有利于构建B/S架构,即浏览器/服务器的技术架构,强调实验室网络“云”平台的建设。同时,虚拟化技术可以扩大本地计算资源的容量,简化软件配置的过程,允许多个平台或系统在相对独立的存储空间中运行,极大提高了现代商科实验室信息化的构建和管理效率,不过,虚拟化技术不能将所有计算过程转移到远程执行,仍然需要依赖本地计算资源,而云计算技术则不存在这个问题。云计算技术全部采用实时远程网络计算资源,通过网络通信进行资源的实时输送,摆脱了本地计算资源对于计算技术和计算能力的束缚。总的来说,虚拟化技术在构建现代商科实验室信息化平台的过程中需要依赖一定的本地计算资源,而云计算技术在构建现代商科实验室信息化平台的过程中则极其依赖高质量的网络通信,因此,在采用不同技术构建现代商科实验室信息化平台和分析其效用的过程中,也应当关注相应的配套资源和技术。

3.2 虚拟化与云计算的融合发展

虚拟化与云计算的相互融合是互联网技术领域的一次拓展。在虚拟云计算环境中,云计算平台可以实现硬件及软件的虚拟化,支持传统方式和云计算方式混合部署,将软件直接复制到对应物理节点上；硬件设备可以适应实验室的计算要求和实验课程教学变化的需要,能够以较低成本更好地满足资源需求，从而减轻实验室需要对硬件设施不断进行更新，而建设资金不足的问题。