关键词：私有云；教学；科研
一、引言
云计算（cloud computing）概念来源于北卡莱罗纳州立大学的工程学院和IBM的一次协作，这个协作的目标是解决该大学日益增长的计算需求和用户需求，协作开发的结果是可以在任何时间、任何地点为用户提供需要的服务[1]。伴随着网络技术的发展，云计算正在给计算机领域带来一场重大变革[2]，宣告了使用较低的硬件成本来提供超量计算时代的到来。云计算中，“云”就是基于网络的拥有大量分布式计算机的计算机群，用户将所有的数据和计算交给远程端的计算机群来完成[3]。
传统机房采用集中采购若干数量的计算机和服务器的方案，这种方案在电力资源消耗、环境污染和空间需求等方面暴露出的问题越来越明显。面对科研和教学不断增长的需求，机房不得不陆续升级软硬件来满足对海量数据和高计算能力的需求。
本文将私有云的概念引入到高校建设中，提出了教学科研私有云的方案，整合机房的计算资源，为教学提供灵活的实验环境部署方式，并为科研活动提供最大性能的计算能力。
二、教学与科研存在的问题和需求
高校机房一般都肩负着教学和科研的任务，存在以下突出的问题：
（一）软硬件基础设施建设
机房一般采用服务器和计算机松散耦合的方式，系统之间缺乏集成[4]，服务器充当域控制器，共享磁盘和邮件服务器等应用角色；单个的计算机作为相对独立的计算资源，在结构上集成度不高。
1、软件版权问题。机房的科研成果涉及到知识产权问题，为避免产生产权纠纷，不提倡使用盗版操作系统和盗版软件。机房中一般拥有几十到一百多台服务器和计算机，每个计算机上都安装有操作系统和各种应用软件。在科研领域，各种应用软件的版权费用很高，如果为每一台计算机都安装应用软件，软件的版权费将超过计算机硬件设备的几十倍。
2、机房承担多项教学任务，每个学期的教学任务均不相同。需要在实验用计算机上部署不同的软件。在几十台计算机上部署相同的软件，是一项繁琐而且容易出错的过程。传统机房面临着软件更新不便的问题。
3、科研领域需要大量的计算能力，世界上很多高性能计算机服务于各科研机构，有财力的单位会购置小型机、中型机甚至大型机，但是有些单位预算不足，没有能力购买上述高性能计算设备；而机房中的计算机相对独立，不能协同形成整合的计算资源，造成了计算资源的浪费。
4、电力消耗和散热是计算机密集型机房首先要解决的问题。以Google的数据中心为例，其近一半的运营成本是用在电力和散热上，传统机房的独立计算机在很多情况下CPU使用率都不高，计算机的性能功耗比很低，浪费了大量的电力资源。
（二）机房管理
管理体制和方式是影响机房建设和实验教学质量的一个关键因素，传统机房管理方面存在的问题主要是管理信息系统集成度不高。实验教学过程的管理涉及教学过程中教员和学生之间的沟通和协调，主要存在以下问题：
1、机房开放时间。由于教学任务的特点，机房一般都是定期定时开放，学生不用机房时，大量的计算机计算资源闲置浪费，不能为科研任务服务。
2、实验平台受限制。不同的实验或科研任务，需要在传统机房的独立计算机上安装不同的操作系统平台或开发平台，平台之间的切换给机房管理带来了很多不便和潜在的问题。
3、管理成本高。教师在对机房进行管理过程中，最担心的是肆虐的病毒导致整个机房的瘫痪，需要不断地对每台计算机升级病毒防护软件，有时还采取必要的硬件防护措施，增加了管理成本。
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三、机房私有云方案
科研院校是个特殊的学术群体，在进行建设时需要充分考虑其特殊要求，从安全角度考虑[4]，科研院校往往不使用商用云，为利用云计算带来的技术革新，可以在学院和机房范围内部署私有云。
（一）私有云基础设施建设
把整个机房设计成一种web服务，构建成一个“私有云”，让使用机房计算资源的学生和教员在云中享用服务。在实践过程中，通过以下方式构建云基础设施：
1、购置云计算基础平台。购置云计算服务商的系统产品，例如浪潮smart_cloud云计算集装箱，在机房建造初期部署私有云系统。
2、利用现有的基础设施。已建成的机房一般都拥有一定数量的计算机设备，可以把这些设备在软件层改建为机房私有云，这种方式的私有云架构在现有的廉价服务器集群，特别是x86 架构的服务器之上，并将原有的存储设备集中在特定的少数计算机上形成云存储节点。这种做法与上述第一种方式比，可以节约资金，并充分利用现有设备，而且可以在后续的投资中通过购买新设备不断提升云中心的计算和存储能力。
利用VMware虚拟化等技术建构出虚拟服务器，结合存储区域网络、网络设备、防火墙和其他安全设备，建成一个机房私有云。
（二）私有云使用和维护
教师主要是在办公室，学生在机房机房中，利用瘦客户机或机房现有的计算机加入到云，利用云中的计算资源进行工作和科研，数据存放在云中，避免了数据存储在个人计算机上管理不力造成的安全隐患。私有云为学生和教师提供以下服务[6]：
1、基础设施即服务（Infrastructure as a Service, IaaS）
IaaS就是指以服务的形式提供计算机基础设施。这种方式把计算功能和基本存储作为网络上的标准服务，在云计算中心，利用虚拟化技术[5]，将数量足够多的服务器和PC等廉价计算设备与存储设备根据需要集成，并再次分割成按需定制且能够动态调整的计算资源和存储资源，供教员和学生进行科研工作，可以获得与昂贵的大型机相应的计算能力。云计算平台可以根据需要动态提供和重新配置服务器，学生上机实验和教员的科研任务同时在云计算中心进行，动态分配资源。
2、平台即服务（Platform as a Service, PaaS）
主要用于机房的教学活动。这种服务可以提供一个包含所有必需的特定于用户的应用程序的VM映像——集成了操作系统、中间件和应用程序软件的一个平台[2]，以一个封装好的界面呈现给学生。学生不需要在计算机上安装任何特定的操作软件或者数据库。云计算中心为学生提供了映像，学生通过这个平台与云进行交互，云执行客户端的计算请求，从而给学生提供服务。
3、软件即服务（Software as a Service, SaaS）
这种服务最佳例子是google apps，它通过一个标准的web浏览器提供了多个企业应用程序[3,5]。机房利用云服务提供应用软件，其他客户端计算机既不用不断购买应用软件，也无需担负软件升级的费用，更不用对其进行维护，而机房得到的却是最新的应用软件，大大减少了软件投入、升级和维护的成本。
四、总结
本文讨论了私有云技术的应用，提出了在机房建造私有云平台的方案,重点从私有云的基础架构建设方面入手，分析了两种不同的基础架构实现方式，提出并讨论了利用私有云平衡高校教学和科研需求的方案。云计算平台的构建是实现云计算的前提，随着云计算应用越来越普及，商业领域和各科研机构对云计算基础架构的研究将成为一个热点。
参考文献
[1] 陈 康, 郑纬民. 云计算:系统实例与研究现状[J]. 软件学报,2009 (5):1337-1348.
[2] 鲍陈, 王海涛, 汪千松等. 基于vSphere私有云的高校数据中心构建模式[J]. 计算机技术与发展, 2019(05):188-192.
[3] 郭广丰. 高校私有云数据中心建设研究——以包头师范学院为例[J]. 阴山学刊(自然科学版), 2014(3).
[4] 沈凤仙. 关于云计算安全的架构、机制与模型评价[J]. 信息系统工程, 2019(01):72.
[5] John Rittinghouse, James Ransome. "Cloud Computing: Implementation, Management, and Security"[M], 2009 March.
[6] 李冀东, 张进猛, 苏健. 基于云平台的教学系统的设计与实现[J]. 实验技术与管理2019(6):176-180.
论文作者:苏光伟
论文发表刊物:《教育学文摘》2019年10期
论文发表时间:2019/11/22
标签：机房论文; 计算机论文; 科研论文; 平台论文; 资源论文; 软件论文; 需求论文; 《教育学文摘》2019年10期论文;