高校实验室计算机管理中云计算技术的应用探索

俞 洁

目前高校实验室建设规模逐渐扩大，实验用计算机数量大幅增加，同时学生对计算机的需求也在逐渐增加。云计算技术能够实现资源池化共享，让每个使用高校计算机的师生都能快速通过智能网络设备接入数据中心获取服务，真正做到了资源按需分配。借助云计算技术，学生可以用配置较低的设备实现研究需求，有效降低了学校投入，为学术研究的正常进行提供了必要保证。

一、云计算技术概述

（一）云计算的概念

云计算技术是基于网络、服务中心、分布式计算等技术发展而来的一种新型数字化技术。它按量付费，可实现计算能力共享、数据共享，让普通用户享受超级计算机的算力和海量的数据。人们经常使用的百度、谷歌等搜索引擎，使用者只需输入简单指令，通过云计算技术，即可完成大量数据的检索和查找，实现数据共享[1]。

二、高校实验室计算机管理存在的问题

（一）建设成本高，利用率较低

高校实验室的计算机通常根据需求点来进行设置，在每个需求点最少要设置一台以上的计算机，由于高校理化类专业对实验室的需求属于刚性需求，且很难在外部环境找到可以替代的设备，这也导致高校实验室对某些专业来说属于稀缺资源。虽然近年来各大高校为满足学术研究需求不断对实验室进行扩建，然而随着高校扩招和学生数量的增加，对于部分热门专业来说，现有的实验室用计算机依然无法满足教学需求和研究需求。实验室对于计算机性能有一定要求，在使用的过程中，需要配合教研需求不断加装各类硬件设施和软件设施，这导致部署计算机的成本逐渐提升[2]。

（二）管理难度大，设备更新慢

计算机设备本身具有一定的精密性，硬件设施需要定期涂抹硅脂和清灰处理，内部环境需要定期做好木马查杀和系统更新工作，为了避免错误告警和文件误删情况的发生，需要具备专业技能的人员定期进行维护，一旦清理出现问题，则很可能影响计算机的正常使用。由于电脑设备的更新换代速度较快，同一个实验室中的计算机的型号和系统可能存在差异，这也给计算机的维护工作带来了一定困难。

三、高校实验室计算机管理中应用云计算技术的策略

（一）应用云计算技术，实现资源池设计

在建设高校实验室的过程中，除了计算机外，通常还需要架设服务器以储存信息，并为多个用户提供服务。在搭建资源池的时候，可以将多个服务器组成一个虚拟服务器池，将多台服务器的功能集中在一起，集成为一台超级服务器。超级服务器的功能性和稳定性相比以往大幅增强，能够有效提升单台计算机的处理能力，均衡分配、调控计算功能，有效提高容错率，降低服务器波动、重启、崩溃的概率，保证服务质量。资源池可以应用于处理大量的数据和计算程序，保证计算机的计算流畅度，增加数据资源库的有效存储量，实现数据的统一有效管理。这种处理方式有效降低了购置大容量服务器的成本投入，提高了使用率，计算机主机可根据自身需求使用，充分满足了高校实验研究和教学的需求，降低了资源管理难度[3]。

以教学为例，在实验课程中应用计算机进行演示和教学时，涉及的学生数量较多。由于大量的用户在同一时间使用网络功能，很可能出现网络拥堵的情况，影响学生的使用和学习。教师应用云计算技术，可以建立一个将所有的计算机和学生信息都容纳在一起的客户端，给予他们进入服务器以及自由提取数据资源的权限，并利用实验室的计算机提供具有一定规范性的接口，允许学生按照一定次序接入访问，从而有效降低网络拥挤可能带来的风险。

（二）云计算实现计算资源的虚拟化管理，完善整体架构

云计算技术可以将CPU、内存、存储空间等物理计算资源转化为虚拟的逻辑资源，是云计算的重要应用，它打破了实体障碍，实现资源的合理利用，有效实现资源的抽象计算。这种技术打破了原有资源在地域或是物理状态上的限制，有效提升了服务器的性能，为教学和学术研究的开展提供了必要保证。

在应用上，管理人员可以借助虚拟化管理，搭建全校实验室的计算机管理整体架构，优化各项操作流程，避免资源的不必要浪费。架构本身可分为四层，分别为终端接入层、计算设备硬件层、逻辑资源管理层和用户应用管理层。

终端接入层让计算机以云计算技术为桥梁，实现终端计算资源共享，保证了计算资源的最大化利用。例如在建立实验室的过程中，可以将云客户端程序安装在实验室终端计算机上，直接将多个计算机的资源连接在一起，在不消耗资金进行硬件升级的前提下，提升计算机的各项性能，满足教学和研究需求，有效降低计算机硬件投入成本和后期维护成本。学生和教师通过手机等终端也能登录系统进行工作和学习，享受高性能计算机的功能[4]。

计算设备硬件层将网络设备、计算资源设备和数据储存设备连接在一起，通过这种方式实现资源的有效管理，实现存储空间的最大化，提升操作处理的便捷性。

逻辑资源管理层承担着将物理资源转化为逻辑资源的重要功能，是降低管理难度、提升资源利用率、实现资源虚拟化的重要步骤之一，有助于实现资源的统一化管理。在传统数据管理过程中，如果单一数据所占空间资源较大，则必须将数据拆分后放入两个不同的存储空间当中，在使用时则需要将二者重新组合在一起，整个应用流程过于复杂烦琐，而逻辑资源管理层将数据存储设备连接在一起后，使用者可以在不将两组数据组成在一起的情况下正常进行使用操作，有效降低了操作流程的复杂程度[5]。

用户应用管理层是高校师生操作计算机，使用虚拟资源的必要功能，能够根据不同用户的需求，发送各类工具软件，满足不同种类实验的需要，同时，还承担对用户身份和授权的管理功能。

（三）构建实验室云计算平台，提高管理效率

构建实验室云计算平台的目的在于方便学生的操作，利用云计算技术实现内部资源的合理利用，在降低学校更新计算机硬件设备和租用网络服务器的资金开支的同时，保证服务质量。云计算平台建立后，高校可以通过云端服务器直接管理学生的计算机，控制软件的使用和更新，完成软件的升级和内部服务系统的管理，增强管理便捷性，降低管理负担。

在构建实验室云计算平台的过程中，工作人员可以创设相应客户端，将客户端与网络浏览器连接在一起，学校师生可以通过实验室的计算机登录云端，接入网络浏览器，在浏览器中直接查询服务器中的数据资料，完成数据信息的快速浏览，降低操作难度，实现资源共享。除浏览器接入外，还可以在内网环境下实现无线接入，让所有在同一Wi-Fi环境下的智能手机、个人电脑、平板设备都能接入服务器，快速提取数据，实现资源的共享。

在应用云计算模型搭建云客户端的过程中，可以结合高校实验室计算机的特点进行细致化管理，保证资源处理体系符合使用需求。考虑到计算机设备本身的性能有限，可以对桌面管理系统进行应用虚拟化管理，保证安全性。部分学生利用计算机完成论文写作和数据整理，在传统情况下，如果服务器出现波动，则很可能会强制中断当前用户的操作，必须等待服务器恢复后，对计算机设备进行重启，计算机才能恢复正常，这也容易造成数据的损坏和文件崩溃。为了避免此类情况出现，保证操作稳定性，可以在云计算实验室的计算机当中加入云桌面系统，即使节点网络出现故障，也不会影响正常的用户操作，有效保证了学习或实验作业的连贯性和安全性。桌面云系统的建立可以将用户的各类数据记录到主存储器当中，在云系统中对资源进行调用，可以有效避免网络木马和黑客攻击给数据资源带来的风险，避免数据资源被盗取或破坏。以硬盘为例，一旦硬盘出现故障，则很可能导致电脑数据丢失，而多盘存储资源池建立后，如果单个硬盘出现问题，可以借助其他硬盘的资源对其进行恢复，有效降低了维修成本，保证了使用连续性[6]。

（四）搭建实验室云计算管理体系，实现功能整合

实验室云计算管理体系主要应用云计算技术对服务器进行管理，整个技术结构可分为基础设施、应用中心和用户服务中心三个层面。基础设施的底层结构可以分为两层设置，即由存储设备、网络设备及服务器等组成的物理层提供HaaS（Hardwareasa service）服务，资源层IaaS（Infrastructure as a Service）负责基础架构，由资源池代替实际设备。这样可以提升处理速度，为实验室计算机提供虚拟硬件、API（Application Programming Interface）等服务功能。应用中心主要负责提供业务创建应用平台。PaaS（Platformas a Service）平台是基础应用设施，为系统运行提供基础设施资源，保证系统正常运行，例如提供虚拟业务平台、云端操作系统、管理平台、应用服务等。用户服务中心主要负责提供软件服务，包括提供各类应用程序、管理系统、开发工具等。

（五）建设虚拟化桌面，提高资源利用率

桌面虚拟化技术以云计算技术为基础，将数据的运行存储与操作桌面相互分离，并由数据中心对相关数据进行统一管理。由于所有的运算过程在数据中心完成，计算机只起到显示数据和实现操作的作用，对于计算机的硬件设备的要求较低，同时管理人员可以通过自身权限对桌面功能和应用进行统一配置管理，优化教学效果，降低管理工作量。高校计算机的教学研究涉及许多专业的软件，部分软件需要在特定的环境和系统中才能有效运行，虚拟化桌面可以根据教师需求随意更改内容，保证内容与需求相符合，因此这种管理方式尤其适用于高校计算机实验室这种教研需求多样化的环境。

由于计算机不再负担计算需求，所起到的主要是显示运行结果图像的作用，这也让计算机的耗电量得到有效降低，电费成本大大缩减。在管理方面，师生可以根据自身需求，使用随身携带的终端设备访问网络，进行实验研究，打破传统高校实验室的时间和空间限制，提高教研互动效率。

在虚拟桌面建设过程中，其核心技术在于服务器的虚拟化，需要根据虚拟桌面协议，将服务器的运行操作结果以桌面环境的显示状态发送给终端设备。整个过程大致为：用户终端设备发出指令，指令进入交换机，交换机接收指令后将其发送给网络交换机，通过虚拟化资源池完成相应操作指令。存储单元在这期间负责提供数据，反馈操作结果，在操作完成后将信息结果以虚拟桌面的形式发送到网络交换机当中，经由接入交换机回传给用户终端设备，完成虚拟化应用服务。高校在计算机的采购成本得到降低的同时，应结合自身需求，适当增加服务器的运营投入成本，通常情况下，一台服务能够满足30台左右的客户端的服务需求，客户端数量越多，服务体验就越差，学校应根据需求数量，适当增加服务器数量，满足服务需求。

综上所述，在高校实验室的计算机管理过程中应用云计算技术，能够有效提升计算机资源利用率，减少不必要的资源投入。在方便实验室管理的同时，做好实践环境的配置工作，为实验教学活动和科研活动的开展打下良好基础，打造一个充满活力的科研教学环境，使学校的教研水平得到进一步提升。