現代商科實驗室信息化平臺環境的構建與效用

劉海寧, 王曉磊, 楚丹琪, 何翔欣

(1. 上海大學 實驗設備處, 上海 200444； 2. 上海大學 經濟數據實驗中心, 上海 200444)

在“互聯網+”時代,傳統的高校商科實驗室教學理念和管理方法亟待轉變[1]。其中最重的一點就是需要在充分利用實驗室現有資源的同時,與現代新技術實現融合,從而進一步加強現代商科實驗室信息化平臺的建設,為實驗教學和學生能力的培養提供支撐和保證,以融合新技術的智能化、共享化信息平臺實現商科實驗室管理的轉型升級[2]。

現代商科實驗室信息化平臺使實驗室的建設與管理在時間和空間上得到延展,在加強實驗室的業務調度、資源整合、開放共享的同時,使實驗室成為管理制度化、科學化、現代化的實驗室,從而提高實驗教學效果,推動素質教育水平的提高。

本文主要分析虛擬化技術和云計算技術這兩種現代商科實驗室信息化平臺環境構造技術的特點與優勢。虛擬化技術和云計算技術,為高校商科實驗室提供了能積極推進實驗室信息化平臺發展所需要的解決方案,有效地實現資源整合、開拓創新,滿足創新型社會對現代商科高等教育的要求[3-5]。

1 基于虛擬化技術的現代商科實驗室信息化平臺環境

1.1 虛擬化技術概述

虛擬化技術是將各種計算資源和存儲資源進行集中整合和利用的資源管理關鍵技術,是將計算機的各種實體資源[6],比如服務器、網絡、內存等,予以抽象、轉換后呈現出來,打破實體結構間不可切割的障礙,使用戶能夠以比原本組態更好的方式來應用這些資源。同時,虛擬化的資源不再受原有架設方式、地域或物理組態所限制。

在現代商科實驗室信息化建設與管理過程中,利用虛擬化技術對實驗室信息系統進行平臺環境的構建,使用最多的技術是服務器虛擬化和桌面虛擬化。

服務器虛擬化就是把一個物理服務器虛擬成若干個虛擬服務器進行使用。利用服務器虛擬化技術可以實現在有限的硬件服務器環境下部署更多的虛擬服務器資源,以達到降低硬件建設成本、提高資源使用效率和動態調度資源的效果。服務器虛擬化架構如圖1所示。

圖1 服務器虛擬化架構圖

桌面操作系統虛擬化也叫虛擬桌面技術,是一種利用基于服務器的計算模型來實現桌面系統遠程動態訪問和數據中心統一托管的技術。虛擬桌面技術借用了傳統的瘦客戶端模型,讓管理員能夠將所有桌面虛擬機在數據中心進行托管并統一管理,同時讓用戶通過本地計算機客戶終端能夠獲得完整的計算機桌面系統使用體驗。簡單來說,可以利用虛擬桌面技術通過任何設備、在任何地點、任何時間在網絡上訪問屬于個人的桌面系統。

1.2 基于虛擬化技術的平臺環境構建

利用服務器虛擬化、桌面虛擬化等技術,對現代商科實驗室信息化平臺環境進行技術框架構建,主要通過實現硬件設備與應用系統的分離,將服務器、桌面系統等物理資源抽象成邏輯資源,CPU、內存等硬件資源因此也就變成可以動態管理的資源池,構建C/S技術架構。

通過服務器虛擬化,能夠將一臺物理服務器虛擬成多臺虛擬服務器,可以同時運行多個不同的操作系統,各個虛擬服務器根據實際需求進行資源的動態分配,從而使服務器的利用率得到提高,也能夠更靈活地適應實驗教學的變化。采用遠程托管的專用虛擬桌面技術,配合服務器虛擬化,構建統一的虛擬化環境平臺,可以保證每個用戶在服務器上擁有一套屬于自己的獨立虛擬桌面系統,與其他用戶僅共享服務器硬件資源,而不共享文件目錄和應用程序,實現用戶之間的資源隔離,也提高了平臺中數據信息資源的安全性。

現代商科實驗室信息化平臺環境主要采用服務器虛擬化和桌面虛擬化技術來構建,技術架構如圖2所示。通過服務器虛擬化技術,可以對實驗室所有安裝虛擬仿真教學軟件、專業數據庫軟件、計量統計軟件的服務器進行有機整合、統一管理。通過桌面虛擬化,能夠將所有終端桌面和應用程序集中到實驗室的服務器中,支持各種計算機瘦客戶端、平板電腦、筆記本等跨平臺設備訪問虛擬桌面。管理人員在實驗室的服務器上就可以對所有桌面進行集中管理和監控。統一的虛擬化環境平臺不僅能夠提高服務器資源的利用率,同時也可以提升實驗室的整體管理效率和運維能力。

圖2 現代商科實驗室信息化平臺環境的虛擬化技術架構圖

1.3 應用虛擬化技術的現代商科實驗室信息化平臺環境特點

(1) 統一管理、提升效率、降低成本。采用統一的虛擬化環境平臺的現代商科實驗室能夠將相對分散的實驗室計算機終端進行統一管理,所有數據和應用軟件的配置、存儲均集中在遠程的虛擬化服務器內,突出實驗室計算機終端的應用功能,降低其配置要求壓力。而通過建立在服務器虛擬化平臺上的虛擬桌面管理器,可以實現對商科實驗室計算機終端的統一配置和維護,提升了管理效率,同時也降低了計算機配置成本和運行維護成本。

(2) 共享資源、提高利用率。采用統一虛擬化環境平臺的現代商科實驗室可以按照不同應用軟件的配置要求對應配備在不同的服務器上,高配置的軟件安置在高配置的服務器,低配置的軟件安置在低配置的服務器,這樣可以提升服務器的資源利用率。此外,實驗室的軟硬件不再是固定在單個實驗室中,而是通過虛擬化技術開放在平臺環境內,通過給學生和教師分配相應的訪問權限，即可實現商科實驗室資源的開放共享。

(3) 靈活部署個性化平臺環境?，F代商科實驗室在虛擬化環境平臺下,通過對虛擬桌面的靈活部署與管理,可以滿足教師和學生定制個性化實驗教學和實驗研究環境的需求。在實驗室虛擬化環境平臺中,師生可以配置個性化的虛擬桌面,在實驗教學和研究過程中調用不同的實驗工具。

(4) 提升系統安全性。由于傳統的商科實驗室信息系統屬于本地環境部署,往往部署環境較多、操作復雜,并且容易在日常運行過程中受到病毒入侵。而采用統一的虛擬化環境平臺的現代商科實驗室,由于本地系統和虛擬化平臺從物理上是分離的,所以能夠更有效地隔離病毒威脅,提升了系統的安全性。

2 基于云計算技術的現代商科實驗室信息化平臺環境

2.1 云計算技術概述

云計算技術是對大量的用網絡連接的計算資源進行統一管理和部署,從而構成計算資源池并向用戶提供基于網絡的交互式服務的技術[7-10]。云計算技術是集分布式數據文件管理、分布式網絡存儲、虛擬集群化硬件管理于一體的新型信息交互技術。

從技術角度來看,云計算技術將硬件資源、數據庫資源“云”化,并進行集群管理,與虛擬化技術非常相似,但是云計算技術的分層模式要更復雜。云計算技術主要有三個基本技術層,分別是基礎設施層(IAAS,infrastructure as a service)、管理平臺層(PAAS,Platform as a service)和應用服務層(SAAS,software as a service)。在云計算中,每一個技術層都可以當作服務層,即理論上系統訪問設備可以做到對每一個技術層的交互服務訪問。

2.2 基于云計算技術的平臺環境構建

利用云計算技術通過建立基礎設施層、管理平臺層和應用服務層三個基本技術層面搭建完整的云平臺架構,從而實現對現代商科實驗室信息化平臺環境技術框架的構建,技術架構如圖3所示?；谠朴嬎慵夹g的平臺環境通常采用B/S技術架構,這是因為在B/S架構中,技術架構結合瀏覽器的Script語言和ActiveX技術,業務邏輯極少在系統前端實現,絕大多數業務邏輯在服務器端執行,所以B/S技術架構更符合云平臺的構建理念。

圖3 現代商科實驗室信息化平臺環境的云計算技術架構圖

基于云計算的現代商科實驗室信息化平臺環境主要采用分層設計理念來構建,將平臺系統功能有序地分層,應用程序功能位于上層,平臺管理功能位于中層,環境配置部署功能位于底層。多層設計使各個業務邏輯互相獨立,某一技術層的變化不會影響其他技術層的運行,能夠使整個平臺以較為松散的方式耦合,從而便于維護。

(1) 基礎設施層(IAAS)的構建?；A設施層的構建原則是動態化、集約化、共享化。通過對資源的抽象部署和治理,充分整合計算機硬件資源和數據庫資源,實現計算機資源和存儲資源的共享,形成云計算資源池并動態管理業務數據庫,按需分配給應用層,降低管理復雜性。與此同時,對于一些跨校區的現代商科實驗室,或者部分財經類高校分散在各學院的商科實驗室群,在云計算技術下可以利用高速網絡光纜在平臺基礎設施層打通不同校區或不同學院實驗室之間的資源,實現硬件資源、數據庫資源的計算、存儲和交互共享。

(2) 管理平臺層(PAAS)的構建。管理平臺層的構建是為了保證上層應用與底層資源之間的聯系,通過API數據調用接口來解決數據互聯互通的問題,實現資源整合和共享。管理平臺層的構建能夠靈活應對應用服務層遇到的各種需求,并根據需求變化,在底層資源整合的基礎上快速開發和建設豐富的應用接口,同時保證這些應用接口在平臺上的有機統一和集成創新。通過管理平臺層可以實現規范統一的管理部署、保障數據安全管理,同時能夠嵌入式配置用戶認證和訪問權限管理,為應用服務層的正常運行奠定技術基礎。

(3) 應用服務層(SAAS)的構建。應用服務層的構建是對整個基于云計算技術的平臺環境的信息展現。利用B/S技術架構可以很好地將基于云計算技術的現代商科實驗室信息系統嵌入網頁瀏覽器界面,實現系統展現和人際交互,并在業務操作過程中通過管理平臺層完成應用數據調用和反饋,執行業務邏輯。由于能夠很好地融入B/S技術架構,因此對于應用服務層的系統訪問也是非常友好和兼容的,用戶可以通過臺式計算機、筆記本電腦、手機、平板電腦等設備進行平臺系統的訪問和操作。

3 應用云計算技術的現代商科實驗室信息化平臺環境特點

(1) 資源統一管理，提高兼容性。采用云計算環境平臺的現代商科實驗室能夠將相對分散的實驗室信息資源、教學資源、科研資源和管理資源進行有效整合和統一管理。同時借助云計算技術的平臺利用B/S架構,能夠很好地提供業務訪問與操作的兼容。教師和學生在不同的操作系統、不同的網頁瀏覽器下均可以實現對云平臺的訪問和對應用程序的操作。

(2) 優化實驗環境，共享實驗資源。云計算平臺環境構建的是一個科學合理、開放互聯的應用服務平臺,它不僅是一個即時互動、資源共建的協同界面,也是一個資源共享的網絡平臺。通過應用接口,可以實現資源深度整合和網絡化存儲管理。同時,由于平臺兼容性高,能夠很好地與高校其他信息系統進行對接,實現跨平臺管理。

(3) 便于未來升級發展。云計算是下一代因特網技術的核心,所以采用云計算技術構建現代商科實驗室信息系統的平臺環境，能夠有效解決信息化建設與發展的瓶頸問題,創新商科實驗室的教學、研究與管理模式。

3 虛擬化與云計算技術對現代商科實驗室信息化平臺環境的效用分析

3.1 虛擬化與云計算的差異性分析

不論是虛擬化技術，還是云計算技術都是搭建現代商科實驗室信息化管理和信息管理系統的應用層環境的重要平臺技術,但兩者也有所不同?；谔摂M化技術和基于云計算技術的平臺環境構建本質的區別在于,基于虛擬化技術的平臺環境更有利于構建C/S架構,即客戶端/服務器的技術架構,強調實驗室本地計算機具有客戶終端；而基于云計算技術的平臺環境則更有利于構建B/S架構,即瀏覽器/服務器的技術架構,強調實驗室網絡“云”平臺的建設。同時,虛擬化技術可以擴大本地計算資源的容量,簡化軟件配置的過程,允許多個平臺或系統在相對獨立的存儲空間中運行,極大提高了現代商科實驗室信息化的構建和管理效率,不過,虛擬化技術不能將所有計算過程轉移到遠程執行,仍然需要依賴本地計算資源,而云計算技術則不存在這個問題。云計算技術全部采用實時遠程網絡計算資源,通過網絡通信進行資源的實時輸送,擺脫了本地計算資源對于計算技術和計算能力的束縛?？偟膩碚f,虛擬化技術在構建現代商科實驗室信息化平臺的過程中需要依賴一定的本地計算資源,而云計算技術在構建現代商科實驗室信息化平臺的過程中則極其依賴高質量的網絡通信,因此,在采用不同技術構建現代商科實驗室信息化平臺和分析其效用的過程中,也應當關注相應的配套資源和技術。

3.2 虛擬化與云計算的融合發展

虛擬化與云計算的相互融合是互聯網技術領域的一次拓展。在虛擬云計算環境中,云計算平臺可以實現硬件及軟件的虛擬化,支持傳統方式和云計算方式混合部署,將軟件直接復制到對應物理節點上；硬件設備可以適應實驗室的計算要求和實驗課程教學變化的需要,能夠以較低成本更好地滿足資源需求，從而減輕實驗室需要對硬件設施不斷進行更新，而建設資金不足的問題。

4 結語

現代商科實驗室借助虛擬化與云計算,實現信息化平臺的建設。在充分滿足實驗室對實驗教學、科學研究支撐的基礎上,實現信息化管理,對高校實驗教學、科學研究和實驗技術的改進與創新上,都具有更重要的意義。