曾宇胸 马维旻 闫丽华

北京师范大学珠海分校信息技术学院 广东珠海 519087

计算机实验资源是保证高等学校实验教学、科研工作的重要物质基础，它主要包括PC机房、服务器、网络、存储等基础设施。由于信息技术发展非常迅速，为了顺应这一趋势，高校每年都要投入大量资金对计算机实验资源进行建设或更新换代。能否对现有资源建设和管理模式进行改革，使其得到更加有效的利用，从而更好地为教学、科研服务，笔者针对这一问题进行了一些思考。

1 计算机实验资源的现状

目前高校计算机实验资源的建设和管理主要是分散式的：学校有公共机房，下属院系也有自己的专业教学机房、服务器，教师另有用于科研的服务器。但随着高校对实践教学质量要求的不断提高，这种传统的管理模式暴露出了诸多弊端：

1.1 不便于学生课后使用实验教学资源

实验教学过程中经常出现学生不能当堂完成实验任务的情况，对于这种情况，通常教师是让学生课后使用个人计算机继续完成。但是由于客观条件限制，学生要在个人计算机上搭建与实验室相同的实验环境很困难，有时是不可能的，学生很难在课后继续完成实验课上未完成的任务，教师也很难布置复杂、综合性的大实验。

1.2 实验室环境建立及维护工作烦琐、费时

传统计算机实验室目前最有效的维护方法是先把教学软件在一台样机上安装好，再通过局域网广播复制到其他计算机上。广播时间由硬盘容量和网络速度决定，在计算机、网络都正常工作的情况下，通常需要8～24小时。如果任课教师在教学过程中想对教学软件做一些修改，就必须将所有机器重新广播一遍，这对于排课量大的实验室而言是很困难的。

1.3 实验资源不能有效分配

不同的课程对计算机配置要求存在很大差别，如计算机文化基础、汇编语言、C程序设计等课程对计算机的配置要求较低，而影视制作、3D动画、虚拟现实等课程对计算机配置的要求相对较高。高校计算机实验室由于建设的时间不同，计算机的配置差异较大，而在实际使用中很难做到完全针对课程按需匹配。

1.4 机器淘汰周期短，浪费大

由于信息技术发展迅速，软件升级换代非常频繁，这对计算机系统配置的要求也不断提高。实验室中很多计算机往往在使用5年左右，即使还能正常工作，但由于配置已经不能满足要求，也将被淘汰、报废。

2 基于私有云的计算机实验资源中心

2.1 系统架构

改变传统计算机实验资源分散式建设和管理的模式，采用云计算和虚拟化的技术，搭建一个基于私有云的实验教学平台，对平台中的资源进行集中管理和调配。系统架构如图1所示。

图1 计算机实验资源中心系统架构

底层的计算机实验资源(包括计算、存储、网络等)通过云操作系统(如Openstack或Cloudstack)抽象成资源池，资源池包括CPU、内存、GPU、网络、存储等资源，这样面向用户的上层操作系统与最底层的硬件实现了解耦。用户所需要的资源均统一从资源池中获取，使得资源可以按需灵活分配，因此极大地提高了资源的利用率。

计算机实验资源的用途主要分成两大类：(1)用于教学的机房。(2)用于教学与科研的服务器。在教学机房学生可以使用配置较低的计算机，或者瘦终端，通过虚拟桌面的方式连接到资源中心中定制的计算机实验教学环境。虚拟桌面通过使用高效的桌面传输协议，可获得与本地PC机相同的使用体验。而服务器则可以在资源中心通过虚拟专用服务器(VPS)的方式为教师教学与科研以及学生课外活动等提供服务器资源。虚拟服务器除了具备实体服务器绝大部分的功能外，还具备随时升级、迁移等实体服务器不具有的功能。

2.2 优势

新架构的资源中心从根本上解决了传统计算机实验资源使用过程中存在的弊端，可为学生和教师使用实验资源提供更方便、更灵活的服务，突出的优势有：

(1)资源使用方便：师生可以在校园中(甚至校园外)任何一个可以接入校园网的地方使用专门为其定制的、可以全天开放的计算机实验环境或者服务器资源，所使用的设备可以是一台低配置的计算机、廉价的终端、平板电脑甚至智能手机。师生上课无需使用U盘或移动硬盘等存储设备，不仅方便，而且减少了感染病毒的几率。

(2)资源可定制：计算机实验环境可以针对不同的专业、课程甚至个人的需要实现高度可定制化，而虚拟服务器的CPU、内存等硬件配置也可灵活地进行变化。

(3)绿色环保：机房中使用的计算机可逐步替换成云终端，云终端基于ARM构架，无硬盘，具有功耗低、廉价的优点。目前教学机房用的计算机主机的平均价格为4000元，平均功率是250 W；而一台云终端的平均价格不超过1000元，平均功率只有30 W。因此采用云终端将大大减少机房的前期投入和使用中的能源消耗。

(4)提高管理效率：由于实验环境的维护工作绝大部分集中于资源中心，因此维护效率将大大提高，实验教学环境可以以模板的形式快速地在虚拟机内部复制，避免了以往的网络或者主机故障，因此可实现实验室教学环境的快速部署。而机房如果使用了云终端，由于主机内部没有机械部件，性能稳定，日常的维护工作也会大量减少。

(5)升级方便：资源升级只需在资源中心进行，主要就是增加服务器或网络设备，而教学机房中的终端设备无需变动。

2.3 实际部署中需注意的问题

2.3.1 高可用性

资源中心的基础设施是整个系统的核心，一旦出现问题将导致整个系统瘫痪，因此在部署时必需充分考虑如何保证系统的高可用性。

2.3.2 高带宽

基于云的资源中心的应用对网络带宽要求很高，并且会随着应用规模及类型的增加而增加。因此必需为其提供高速接入带宽(千兆甚至万兆)，以保证资源中心的正常使用和可扩展性。

2.3.3 规模效应

云资源中心的应用具有明显的规模效应，应用的规模越大，优势越突出。换言之，当计算机实验教学资源需求总量较小时，采用这种基于云的架构与传统的方式相比，没有什么优势。

3 结束语

云计算技术是当前信息技术发展的热点和趋势，在我国正处于快速发展阶段，将此具有巨大优势的新技术运用于高校计算机实验资源的建设，无疑是势在必行的。基于私有云的计算机实验教学资源中心，不仅能更有效地分配资源，还能提高管理效率，同时大大降低了资源的投入和维护成本，因此必将更好地服务于实验教学和科研。

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