云计算在高校实验室建设中的应用研究

程林滨 卫伟 崔德鹏

【摘要】长久以来高校传统实验室存在管理难度大、资源利用率低、维护成本高等痛点，并且一直没有有效的解决方案。这无论对学校还是机房管理都是迫切希望解决的问题，而对于教师和学生，实验室的设备和环境跟不上教学要求，使得教学和学习的效率太低，从而导致教学质量的水平降低。针对高校实验室存在的问题，高校云计算实验室解决方案利用云计算技术基于开源云计算平台Openstack进行，根据教师学生实际的应用场景进行定制化二次开发，使得平台在满足传统实验室教师上课、学生上机实验的功能之外，还把云计算实验室的计算资源实现共享，教师学生不需要到学校机房才能使用实验室的机器，只要有网用户随时随地都能使用机器进行实验和学习，为机房管理员降低了管理和维护成本，在校教师利用这些资源用于科研项目，使得实验室资源在教学与科研之间共存，达到资源利用的最大化。

【关键词】云计算 资源共享 高校实验室 云计算实验室OpenStack

一、研究的背景

随着科技快速发展，人们在生活和工作中对计算机的应用范围也越加广泛，因此要求也渐渐升高。为了跟上社会和科技的快速发展，实现现代化教育，學校方面也开设了相关的实验课程，但目前高校的计算机实验室因为设备老旧、配置过低、管理协调困难等原因，只能满足部分特定或少量的实验，很难满足现代化教学实验课程的需求。因此，一套好的解决方案对高校来讲是至关重要的。随着云计算的迅速发展和日渐成熟，通过云计算把传统实验室迁移到云端，构建云计算实验室将是解决这一问题的最好方案。

二、高校传统实验室面临的问题

（一）建设成本高，维护开销大

建设一个传统机房，不算上显示器、键盘鼠标、网络设施等必不可少的附带设备，光几十上百台主机机箱就已经价格不菲，当然也更不用说使用中的能耗和网络带宽等其他资源的必要开支。而且机器损耗大、淘汰快，每年都需要对坏掉的机器进行维修和替换，这对高校实验室的建设是非常大的一笔开销。

（二）管理困难，模式单一

传统机房中由于机器多，排线乱，人流量大，如果出现机器故障或者网络等问题，机房管理人员对机器的排查十分困难。当需要新装软件或对机器上的软件进行升级的时候，工作量更是非常之大。不同课程需要切换不同操作系统和实验环境，如果需要进行上机考试时还得切换到考试模式，部署特定的考试环境。这些都是机房管理人员的痛点。当面对有些高校需要将多个校区的所有机房集中管理的问题时，管理难度和管理成本会大大提升。

（三）资源利用率不高，空间和时间上受限

有的实验课程上课人数较少，机房很多机器不能被满额使用，多余的机器又不能被其他课程同时使用，在数量上就导致机器使用率不高。而对于大部分实验课程来讲，实验要求对机器的资源需求都不高，整个过程只需要机器小部分的资源，这又造成了机器资源的使用率很低的问题。对于摆在机房里面的机器，必须进入机房才能使用，而且只有白天甚至上课时间段才能被使用，在空间和时间都受到很大限制，这也导致机器资源被极大地浪费。（四）机器老旧，影响课程质量

有的机房由于建设时间早，机器配置不高，不仅满足不了高性能的实验，就连正常实验使用时都会出现卡顿、死机、蓝屏等情况，造成实验中断甚至需要重做实验。不仅浪费时间、影响教学进度，而且导致教学质量的下降。

（五）科研用机与教学用机不能共存

有的学校对于科研和教学的建设是分别投入的，各自拥有独立的资源，两者之间的资源往往不能共享。而有的高校又会让科研和教学共用一批资源，导致使用上存在冲突，一方面耽误教学进度，另一方面影响科研效率。

三、云计算在国内外研究现状

（一）云计算在国外高校的研究应用现状

从2004年开始到2009年，北卡罗来纳州立大学建立他们的虚拟计算实验室，并通过互联网有效地提供给超过30，000名学生和教师不同的计算资源2011年，沙特阿拉伯阿卜杜拉齐兹国王科学技术（KACST）计算机研究所（CRI）也提出了教育和学习服务（ELaaS），并在2012年提供了增强了有效性、弹性、效率，一致性和成本高效益的电子教学系统。2012年，日本国家信息学研究所GRACE中心开发了一个名为Edubase Cloud的开源教育软件平台。由200个节点组成的Edubase Cloud平台具有多云架构，Edubase云不仅用于学校的实验教学，还用于云讲座、云培训、基于项目的学习。2013年，Jobe提出在KCS开展面向云的大型在线电子学习课程。KCS所提供的解决方案解决了许多问题，例如学术材料的可访问性、学生的失败率、考试评估、电子学习管理。2013年，在印度被称为“协作教育管理系统”（CEMS）的基于云的解决方案被用于教育部门。CEMS使学生的学术记录和个人信息集中在一个机构的数据库中。2015年一份对巴基斯坦高等教育公共云采用的评估中指出，在巴基斯坦这样的发展中国家，缺乏讲堂、实验室、多媒体、熟练又有能力的教育者和基于ICT的财产，这些都妨碍了优质教育的分配，但在采用基于云计算的学习环境后这些问题就都被解决了。2015年，因为信息通信技术的进步，学生在家中使用的计算机环境与教师的计算机使用之间产生了差距。于是日本明治大学提出了建设一个支持在家自学的云教育环境，以支持学生的自主学习和跟踪他们的计算机使用情况。通过三门课程的学生实际行动的日志数据进行分析，证明了所提出的支持在家自学的云教育环境的有效性。在南非有许多大学和教育机构无法为学生提供课程所需的软件和应用程序，因此他们寻找替代方法来获取这些软件和应用程序。他们通过使用社区云来降低成本，使他们能共享资源。一些由谷歌提供的由Google邮件、日历、聊天、文档、网站和视频组成的软件和应用程序可免费提供给他们使用。南非的高校将云平台用于学生管理，如招生、注册、奖学金、毕业生和校友;用于管理系统，如人力资源（HR）、客户关系管理（CRM）、工资单和资产管理;还用于学习管理系统（LMS）、商业智能、报告工具、电子邮件和办公生产力工具（如word或excel）。

不止在高校里里有云计算服务提供，国外的企业同样运用云计算技术为教育提供着服务。如IBM于2009年成立的云学院，给人们提供了一个全球性的论坛平台。用来研究云计算、技能开发和实践分享。前期加入的教育机构有17家，其中美国本土学校包括：乔治梅森大学、北卡罗莱纳州立大学、GwinnettCounty PublicSchools、纽约大学、圣母学院、佐治亚州立大学、PikeCountySchools、Executive Leadership

FoundationsTechnologyTransfer项目（由传统黑人高等学校联合组成）、马里兰州大学（位于巴尔的摩县）;国际大学机构包括：北京工业大学、新加坡南洋理工大学、卡塔尔大学、土耳其Ozyegin大学、卡耐基梅隆大学卡塔尔分校、法国里昂高等师范学院、德州农工大学卡塔尔分校以及澳大利亚维多利亚大学。谷歌也与许多大学成立合作伙伴关系，为其提供建立学术云的技术支持。2008年1月，谷歌在台湾地区宣布激活“云计算学术计划”，与交通大学、台湾大学等学校合作，将这种先进的、大规模的、快速的计算技术推广到校园。

（二）云计算在国内高校的研究应用现状

我国云计算技术在教育应用刚起步，许多云服务理念的实现与发展都受到了一些因素的影响，比如区域经济水平、教育程度等。研究机构主要是高校，研究的内容也都集中在云计算技术的应用方面，云计算技术主要在高等教育和通用教育中应用。在国内，除了与谷歌进行合作的台湾大学、交通大学、清华大学以及加入IBM云学院计划的北京工业大学之外，不少大学也都加入了把云计算技术应用在教育领域的行列。2011年，上海师范大学的黎加厚教授在此方面取得了一定的成果，描述了云计算在教育教学中应用的前景，并提出了一个新概念：“云计算辅助教学”。2011年，台州广播电视大学的俞建华探讨了基于云计算的远程教学资源建设模式。提出了教育资源共建主体之间的沟通与融合，达到优势互补。还强调了在资源建设中教师学生的应用占核心地位，即远程教育资源的可用性是核心。2011年，金华职业技术学院试图打造一个高等职业教育教学资源云。其目的是可以供院校、企业、社会等共建、共享、共用，以满足师生和职工等人自主学习的需求。2014年，华东交通大学软件学院的测试实训平台以Hyper-V技术实现了资源虚拟化，用于解决学院机器老旧、利用率不高的问题。

云计算的前景很好，各个高校和很多专家学者都对此提出了好的方案和期望，以上只是列举了部分国内高校对云计算技术应用于高校教育的研究和想法。虽然方案和想法都非常的好，也很实用，但实际着手实现的却没有多少，以至于这些想法只能被期望。据了解，国内的一些企业也推出了一些相应的产品和方案，如噢易科技的噢易云桌面，锐捷的云课堂，蓝鸽的云网络教室等等，但这些产品基本都是与他们的硬件设备绑定进行销售。2016年在北京国际智慧教育展上，其中不少国内外的企业基于云计算技术开发的用于教育领域的产品都非常好，但这些绝大部分都针对K12，很少是用于高校的教育。因此，国内对于高校的云计算技术的应用还是有很大的欠缺，还需要大力推行和实现。

四、研究的意义

在云计算技术出现之前，不止是教育，很多行业也同样存在硬件计算资源的利用率不高和管理困难等困境。但随着云计算技术的出现和快速发展，给很多行业带来了希望。在企业里面引入云计算技术，搭建私有云平台，可以把公司的硬件利用率提高，不仅节省成本，而且提高工作效率。在科研机构，也因为云计算平台的引入，对大量数据的处理也提高了很大的效率，加快了科研的速度。同样，引入云计算技术对于高校实验室的改造也会带来很多好处。

（一）降低高校机房的投入和维护成本，提高机器利用率

搭建一套云平台最低只需要一台服务器，根据服务器配置和数量提供相对应的虚拟机，比同等价格的Pc机提供的计算能力强几倍至几十倍，而且每年投入的维护成本比普通机房省80%甚至更多。不仅如此，那些面临淘汰的机器也可以被利用起来，配置好的可以用来加入云计算平台集群或者搭建小型云计算环境，配置不高的可以用来作为客户端访问云平台使用。这样一来，老旧机器就可以正常使用，机器的利用率也可以达到最大化。

（二）提高管理水平，减少管理和维护负担

比起传统实验室里大量的主机和接线，云平台的基础设施只有少量的几台服务器和很少的接线，放在机房的一个机柜里面就可以了，而且不会经常出现故障和设备更新。对于服务器和云端虚拟机的管理也都全部移到控制界面上进行集中管理。这样不仅降低了机器故障的概率和排查维修、更新设备的麻烦，在管理上面也大大减少了机房管理人员的任务量。使用云计算实验室的模式，高校多校区的实验室都可以放在一个机房，统一管理和维护，每个校区都能正常访问他们的实验室。

（三）不限时间和地点的限制，使实验室更加开放

因为服务器平时基本上是不断电的，所以只要在校园内通过校园网访问的话，云端的机器是可以全天开机使用的。不会因为没到实验时间而不能进行实验，也不会因为机器存在机房里面不进入机房就不能使用。这样的模式使以前较封闭式的机房变得更加开放。

（四）使用模式切换方便快捷

对于不同课程需要不同实验环境和软件的问题，云计算实验室可以提供云平台现有的或者老师制作好的镜像。在短短几分钟之内就可以创建几十上百台环境完全相同的机器，快速适应各种课程。而且在实验结束之前，机器一直保存，随时可以继续实验。当需要考试时，只需做好一个特定的考试环境，然后批量创建一批考试机器就可以进行考试了，减少了传统机房需要花费大量时间和精力一台一台设置特定环境的麻烦。

（五）科研和教学资源共用

通过云计算技术，服务器的资源是可以共用的，所以在资源充足的时候科研和教学都可以同时进行，使用共同的资源但互不影响;甚至在需要进行大量计算的时候可以放到晚上进行，因为服务器的计算能力比普通Pc机强很多，不仅不需要额外临时添加计算设备，甚至还使计算效率大大提高。

（六）为开设云计算、大数据、人工智能等相关课程提供了實验环境

随着技术的不断创新和发展，愈来愈多的新技术可以供学生去学习和探索，高校也会走在技术的最前端，所以很多学校也都开设了云计算、大数据和人工智能等相关课程。但因为这些技术的学习和实践对硬件设备的需求较高，普通高校基本上很难满足这么大的需求量，所以大部分都只有理论的教学，在实际操作上有很大欠缺。通过引入云计算实验室，不再需要提供大量额外设备，直接从云平台上分配部分资源就可以进行相关学习。

五、总结与未来展望

当互联网已然成为一种基础设施，在“互联网+”的时代，云计算更是成为这个时代的一个标志，各行各业都逐渐开始使用云。在众多的云计算技术应用中，真正把云计算用于教育领域的却也不多，用于高校实验室的更是寥寥无几。

对于云计算实验室，如果只是完成传统实验室所能做的事，只能说达到了把传统实验室移到云端，并不能算一个真正意义上的云计算实验室。因此，后面还有更多的需求和功能需要完善，也可能有更好的模式还待探索。对于完全替代甚至超越高校传统实验室还需要进一步的努力和付出，一旦云计算实验室的正式推出，并将完美的解决高校传统实验室的问题，颠覆传统实验室的模式。