基于云计算技术的高校实验室信息管理系统设计

文/张珍

1 系统设计支撑性技术概述

1.1 Hadoop

Hadoop 是云计算的核心技术，其内涵为一个分布式系统基础架构，基于Hadoop 技术人员在单一或数千个节点上布置服务器集群，并实现这些服务器集群的大容量型存储和计算。研发Hadoop 的原因在于：传统计算机存储技术读写数据的速率较低，尽管随着集成技术的飞速发展，主流硬盘的容量增长了数千倍，但由于数据存储读写技术没有实质性提升，技术人员实际从硬盘上读写程序的速度只增长了数十倍。而Hadoop 能够通过构建并行数据读写体系，采用冗余读写的方式解决计算机数据存储读写速率提升问题。此外，Hadoop 内含MapReduce 编程模型，能够实现计算机磁盘数据抽象化读写，将待读写数据转为数据集，提升数据读写的效率。

1.2 HDFS

HDFS 是分布式文件系统的简称，是云计算技术中负责存储海量数据的关键技术。它采用块单位方式对计算机数据进行操作，HDFS 最少能够操作64MB 大小的系统数据，其优势为：能够对海量数据文件进行操作，并可存储PB 级别的数据，因此它成为了海量计算机数据存储操作的“代名词”。实际操作时，HDFS 采用两种节点方式运行，分别为NameNode 和DataNode。首先，NameNode，即名称节点，是HDFS 中心服务管理者，负责对整个文件系统命名空间、内部存储磁盘数据大小、访问权限和路径等信息的管理；其次，DataNode，即数据节点，是HDFS 文件系统操作者，负责系统数据的存储、调用定位操作、保存文件块及发送存储块列表。

2 系统设计需求和主要架构

2.1 系统功能架构设计

本系统以云计算分层思维为原则，采用分布式存储及服务器虚拟化理念将云计算技术与常规高校实验室管理软硬件资源体系有机整合，构建高速的实验室管理云平台架构。具体来说，本系统的核心架构由三部分组成，分别为：基础设施层、管理通讯层和应用交互层，如图1所示。

（1）基础设施层。以云计算虚拟技术为核心构建，应用Linux 操作系统设计实验室虚拟化基础设施服务器群，并基于Windows 搭建设施层访问界面，对系统中的各类软硬件设施进行管理。

图1：实验室管理系统架构图

（2）管理通讯层。应用Hadoop 搭建云环境，并运用HDFS 设计文件、信息和数据访问分布式系统，大大提升实验室管理信息的访问吞吐量和速率，此外本层中每个Hadoop 组件中均配置了独立的JAVA 虚拟机，用于进行数字通信。

（3）应用交互层。基于Hadoop 云环境下搭建应用交互层实现了实验室管理信息的云端共享，为提升管理员和师生的应用体验，采用Web 浏览器设计访问界面，简便易操作。

2.2 系统功能概述

本系统主要负责对实验室的日常运行状况进行数字网络化管理，由计算机硬件和配套的管理软件构成。传统模式下高校实验室管理系统通常基于B/S 架构设计，大多仅能实现局域网范围内管理效果，且数据存储读取速度较慢，随着国内各高校实验室规模不断扩大，待管理实验室数据及项目也越来越多，传统实验室管理系统难以适应新形势下多元化管理需求。基于此探究基于云计算技术的高校实验室管理系统，可大大提升管理的效率及管理数据存储调用的速率。本系统的设计正是基于上述功能需求，以国内某高校计算机专业实验室管理系统为例，在实现系统用户信息管理、实验室课程信息管理、学科建设管理和实验项目管理等功能基础上，引入云计算中Hadoop 和HDFS 技术，以提升系统管理信息管理的速率和文件存储容量。

3 系统云存储管理功能的设计与实现

3.1 系统功能设计

图2：系统读写数据测试速度对比图

本系统具备用户信息管理、实验室课程信息管理、学科建设管理和实验项目管理四大功能。首先，用户信息管理。为实验室管理员和使用师生提供登录信息管理功能，包括：个人信息管理、个人密码管理、用户信息修改设置管理等。其次，实验室课程信息管理。实现实验室课程信息的远程云端管理，包含：远程云端选课、增加修改课程信息、请销假等。再次，学科建设管理。实现了实验室实践课程项目化建设管理，包含：学科建设发展管理、实验论文管理、实验学科会议管理等。最后，实验室项目管理。是实验室软硬件和各类日常事务项目管理的主要模块，包含：实验室仪器管理、服务器管理、数据库管理及文件管理应用Hadoop 和HDFS 技术构建分布式文件管理系统，具体管理功能设计方案包含实验室信息读、写及存储两个方面：

3.1.1 读管理功能设计

在基于分布式文件管理系统的基础上，通 过HDFS 中 系 统 文 件 的open（）函数打开预读取的管理信息，进一步调用DistributedFileSystem 中 的NameNode 获 取 管理信息中的数据块及相应的读节点地址，之后通过调用FSDataInputStream 将数据块反馈给客户端，完成管理信息的读操作。

3.1.2 写管理功能设计

写管理用于向实验室管理系统中写入信息，例如：用户的个人信息、实验室课程信息、实验室仪器存放信息等，具体操作时首先需调用HDFS 中的create（）函数创建元数据节点，之后继续调用DistributedFileSystem 打开读数据通道，并进一步调用DFSOutputStream将待写入的源数据分解为若干数据节点，通过dataqueue 功能写入数据。上述读写数据的操作均基于HDFS 分布式系统实现，在Hadoop构建的架构下形成了针对实验室各项管理数据的快速高效读写操作，相较于传统的实验室管理系统而言，读写的效率能够提升数百倍。

3.2 系统实现

基于云计算技术设计的高校实验室管理系统相较于传统实验室管理系统的最大优势在于：对大容量数据的读写速率更快，且存储吞吐量更大。为检验所设计系统的性能，特进行了针对性的实验室数据上传下载测试，得出如图2所示测试图。

如图2所示，应用本系统读写实验室管理数据信息时，当数据容量<2GB 时，单一和集群数据的读写速率并无太大区别，但随着数据容量的递增，本系统对集群大容量数据的读写速率更快，而单一数据的读写速率更慢，说明基于云计算技术设计的实验室信息存储管理系统针对海量数据的读写存储更具速率优势。

4 结语

应用云计算设计高校实验室信息存储管理系统，在数据存储和读写上相较于传统系统更具优势，本文详细阐述了应用云计算技术设计高校实验室信息存储管理系统的方案，并对系统测试结果进行了分析，希望能够为国内各高校的实践应用提供一些思路。