1 高校计算机实验室的重要性

高校计算机实验室是高等院校的重要组成部分，它在培养人才、科学研究、科技开发和社会服务及学校建设中具有重要的地位与作用。

1.1 在专业学科建设中的地位与作用

计算机实验室除了担负普及计算机基础知识的责任外，还在其它学科发挥着越来越重要的作用。计算机知识已渗透到各个学科，每门学科几乎都离不开计算机，各学校都把计算机技术在各学科的应用作为一项十分重要的工作来抓。随着多媒体教学的进一步开展，计算实验室可以协同其它学科开展教学组件的开发与应用，为教学手段的改革铺路搭桥。

1.2 在实验教学中的地位与作用

计算机实验室的实验教学是教学计划的重要组成部分。随着学校规模的不断扩大，新专业新课程层出不穷，需要上机的新课程层出不穷，计算实验室为学生提供较好的上机实验环境，加学生上机实践环节，以便有效地提高学生的计算机操作能力与应用水平，培养高素质的复合型人才。

1.3 在科技开发和社会服务中的地位与作用

高校计算机实验室为科技开发和社会服务提供了坚实的物质基础，可以在完成教学任务的前提下，对学校师生进行开放，以便满足教师的科研需求和提高学生的操作能力，还可根据各部门的特点开发一些应用软件；进一步推广，承揽社会上一些开发项目。

2 高校计算机实验室面临的挑战

目前高校计算机实验室均为传统PC 机房模式，随着计算机实验室规模的不断扩大，计算机数量大幅提高，传统计算机实验室在实践教学、科研和管理过程中面临着巨大的挑战。具体包括以下几个方面：

2.1 实践教学过程受限

传统的实验室模式下，实践教学过程只能在特定的时间段和地点进行。由于实验资源的不固定性，学生未完成的实验过程在下次实验中无法得到延续，实验环境的变化造成学生实验效果和教学效果大打折扣。由于实验资源的数量限制，无法满足老师和学生个人使用多机集群的需求。

2.2 资源使用率低

为了满足学生实验需求，学校投入了大量财力物力，建设规模庞大的实验室环境。但是一直以来实验室电脑设备更新太快，总是不能满足需求。另一方面，学生只能在实验室开放时才能使用，其它时间实验室又处于空闲状态，造成了实验室使用率过低的情况。

2.3 空间限制

传统实验室占用空间很大，建造200 台机器的实验室需占用400 多平方米的面积。现在，传统实验室已经不能满足不同课程同时实验的要求，加之学校的教学空间资源十分有限，大规模建设新的传统实验室又不可避地造成非实验时间教学空间的浪费，因此一直以来实验室资源都很紧张，实验室面积不够用。

2.4 管理成本增加

传统实验室环境中的实验机少则几十台，多则上百台，大型软件的不断出现及更新使得实验机性能无法满足要求，而升级实验机配置又是一项庞大的工程。不管是实验机的物理故障（如显卡松动、网卡松动、硬盘损坏等），还是人为的无意破坏（如电源松动、网络不通等），都需要人工排查，效率非常低下，需要的实验室管理人员数量也会增加，实验室维护非常困难，占用了庞大的工作时间。

2.5 建设成本越来越高

传统实验室的建设成本很高。以一个200 台实验机的实验室为例，仅硬件设备的投入就需要120 万元以上，还不包括占用的物理空间成本、工程建设成本和管理软件成本。由于硬件升级换代速度非常快，传统实验室的计算机每3 年就要全部更新换代一次，更新换代的成本相当于重新进行了一次实验室建设。

3 “云实验室”解决方案

“云实验室”是透明为学校量身定制的云端教学、实验、科研一体化综合应用、管理平台。“云实验室”将彻底改变传统的实践教学模式，不必建造大规模实验室即可做到学生一人一机，保证教学实验和科学研究的持续性和效果。相比传统PC 机房模式，“云实验室”可以带来如下好处：

3.1 革新实践教学模式

“云实验室”采用了先进的云桌面技术实现虚拟实验室，为教师和学生提供新的实践教学模式，老师和学生只需要低成本的设备、WEB 浏览器、校园宽带、无线网等就可接入“云实验室”，在任何时间和地点均可以学习任意课程及进行实验，并能满足老师和学生个人使用多机集群的需求；促进学生从被动接受式学习向主动探索式学习转变，有利于学生从仅由书本获取知识向利用先进技术全方位获取知识转变。

3.2 提高资源使用率

“云实验室”利用云技术实现虚拟实验室，集中管理并按需动态分配软硬件资源，满足教学和科学研究的需要。云实验室将软硬件资源构建为一个资源池，把其中的资源以服务的方式提供给师生使用，有效提高了软硬件资源的利用率和扩展性。

3.3 降低空间占用

“云实验室”将物理上的实验中心转变为逻辑上的虚拟实验中心，学生做实验不需要在固定时间和固定地点集中上机，而是可以随时随地通过网络接入“云实验室”，根据自己的需要自主选择实验项目和实验时间。“云实验室”改变了传统的固定实验室实验模式，为师生提供移动、开放的实验环境，弹性时间的实验、科研、教学指导和更好更完善的教学、实验和科研服务，高效地实现了教学空间和实验空间的复用。

3.4 简化升级维护，降低管理成本

“云实验室”提供了完善的虚拟机管理及监控功能，管理员通过统一的管理界面就可以实时对虚拟实验机的配置进行升级，并能通过监控功能实时了解各个虚拟实验机的状态。由于虚拟实验机没有硬件故障，管理员只需管理少量的物理服务器即可，维护起来非常方便。

3.5 节约建设、更新成本

“云实验室”采用先进的虚拟化技术和本地优先云存储技术，建设一个200 台实验机的云实验室，硬件成本相较传统实验室可节约50%以上，还能节约大量的物理空间资源。云实验室中实验机的升级全部由管理软件实现，又节省了实验室更新的成本。云实验室所采用的服务器的更新换代周期一般低在5 年以上，远长于传统实验室采用的PC 机，实验环境的升级成本显著降低。

4 透明“云实验室”特性解读

4.1 资源池化管理

“云实验室”把CPU、内存、磁盘等软硬件资源构建为一个资源池，通过云任务系统和云分析系统对云上资源进行动态核算、动态调整，大限度地提高软、硬件资源利用率和扩展性。

集群级的全局瘦供给（Thin Provison）能允许用户分配出大于当前存储系统空间的存储盘。存储盘只有被真正使用的时候才算作被消耗的存储资源。

4.2 高性能层次存储

“云实验室” 实现了智能 SSD（Solid State Drives，固态硬盘）分层存储，并通过大量优化来提升虚拟机的I/O性能。整个集群系统拥有 TA（Serial Advanced Technology Attachment，串行高级技术附件）磁盘的大容量和低成本，却实现了接近SSD的性能。

采用两级LRU（Least Recently Used，近期少使用算法）队列实现SSD智能缓存，将经常访问的热数据提升到SSD里，将不常访问的冷数据交换到TA上。同时，为写操作做了专门优化，通过将随机的小I/O写请求合并成一个大I/O写请求，然后顺序写入SSD日志中，从而大大提升了I/O吞吐量。支持创建全SSD存储池，全闪存里创建的虚拟盘上数据不会被替换到 TA盘上， 拥有更高 QoS（Quality of Service，服务质量）保障。可以将核心业务部署在全SSD存储池中的虚拟盘上，获得媲美昂贵的全闪存阵列方案。同时，系统还可以自动调度VM到离数据近的节点，减少远程IO的访问。

4.3 弹性水平扩展

“云实验室”实现了存储容量和性能都可以弹性水平扩展，而且扩展后的容量和性能是可预估的，所以大帮助企业IT 选择合适的软硬件解决方案。日后只需要简单添置节点来扩容就能满足业务增长的需求。

自动负载均衡。扩展节点后，旧数据会自动迁移到新节点。以此达整个系统的负载均衡，避单点过热的情况出现。

4.4 数据安全可靠

“云实验室”采用高性能、高可靠和可动态扩展的云存储系统，不仅能对数据进行主动保护，而且还会对丢失的数据进行自动修复。在真实环境下，硬件是无法达到100%可靠的，磁盘可能损坏，服务器可能宕机。为处理这些不可预期的硬件错误，保证数据的完整，业务的连续性，在软件层面构建了许多“冗余”。每个虚拟机数据可以有多个副本，会分布到不同的物理节点，即便一个节点损坏也不会影响数据的可用性和可靠性。同时，还会对每个数据块做校验，防止数据损坏，并提供了一组外围工具，可将数据备份到外部的存储，比如HDFS、S3等。

4.5 速部署

“云实验室”采用深度定制的 OS，简化运维，从部署、日常管理出错处都力争做到自动化。“云实验室”的安装部署非常简单迅速，只需配置IP地址和服务器角色等信息就能在1小时内完成安装部署；当硬盘损坏，数据可靠性降低时，会触发自动修复将数据制到健康的节点，整个过程无需人工参与。可以采集和分析当前系统的多维指标，并设置预警，时间通知管理员。

4.6 网络安全控制

“云实验室”网络控制系统采用先进的软件定义网络（SDN）技术，将网络的控制及防火墙功能通过分布式虚拟交换机来实现，用户只需简单的操作即可完成对网络的安全访问控制。

网络分区在分布式系统里是常见的错误，这类错误会导致分布式存储暂时不可用，“云实验室”支持虚拟机重连的机制，使得虚拟机I/O不会受短暂网络错误影响。

4.7 可视化管理

“云实验室”采用CLI（command-line interface，命令行界面）/Web架构的云管理系统。CLI为系统管理员常用的管理方式，编写自动化脚本的基础。Web提供可视化管理和丰富的分析功能，让操作变得简介直观，通过简单点击鼠标，即可实现复杂的实验室管理工作，有效提升管理效率。系统提供RESTful （Representational State Transfer，表述性状态转移）和Python访问接口，对开发者友好，可快速和已有平台进行集成。

4.8 资源实时监控

通过“云实验室”的监控平台，可以实现物理资源和虚拟资源的实时监控、检测和报警，让管理员能够随时掌握云实验室的运行情况。丰富的多维度、多指标监控，自定义集群预警事件，方便系统管理员运维。大的性能和日志分析工具，帮助管理员快速定位问题。虚拟机热迁移允许在不关闭虚拟机的情况下，将其转移到另一台物理服务器上运行，提升虚拟机高可用性。

4.9 硬件要求

只需若干台X86服务器和1台万兆交换机即可组建一个“云实验室”。

4.9.1 服务器配置要求

4.9.2 交换机配置要求

5 成功案例

6.1建设目标

重点建设实验室资源，实现教学资源共享，学生可随时随地的服务器资源，促进教学质量的提高

在云平台中构建软件开发测试环境，承担师生在教学和科研中所产生的工作负载

集中管理软硬件资源，并针对需求动态地分配资源，满足教学和科学研究的需求

加实现平台和资源建设，提供开放式的实验环境和更好更完善的教学和科研需需求

6.2建设原则

性价比高

系统性能高，满足正常教学科研需求

软硬件购置成本低，系统扩容方便 

安全可控 

数据安全性高，可方便控制对资源的访问 

易于维护

降低管理员的工作度，简化硬件维护工作 

6.3建设内容 

云平台建设 

私有云模式：高可控性，易于整合，服务质量可控，安全可控。

实验平台建设 

云+端模式，建设计算机应用与编程、面向对象与交互式应用开发、数据结构与算法等专业课程的综合实践实训平台。设计每门课程的实验内容，并将实验教学目标、实验内容、电子教案、实验指导书、实验资源、优秀学生作品等内容，转化形成数字化资源，将传统的实验教学转化为云计算平台的一种服务，使学生通过网络即可随时随地做实验。 

实验质量保障体系建设

开放式实验中心建立两级责任制：中心运行实行中心主任负责制；实验教学课程实行课程负责人制度，负责实验课程建设和课程教学质量。 

对实验教学人员建立实验教学的有效评价机制，通过竞聘上岗，制订评选优秀实验中心管理人员、理论课与实验课教师的教学工作同等对待等管理制度，激励高水平的教师从事实验教学，更新实验体系与内容。对于指导学生参加学科竞赛、承担教学改革项目、发表教学论文、出版教材等教师，将奖励其教学工作量，并纳入教学业绩考核。竞争上岗，实验课与理论课教师都需要接受学生对教风和教学质量评价。中心每学期综合评价实验教学人员的教学业绩和教学效果，评价为差者将取消其下学期申请上岗的资格。

6.4建设概况

云实验教学示范中心的逻辑架构如下图：

云实验教学示范中心的硬件配置情况如下：

云实验教学示范中心的硬件部署情况如下：

6.5三种实际使用模式

利旧模式（采用原有旧的终端设备）

瘦客户端模式

瘦客户端模式

无线WIFI接入模式

6.6实施效果

使用效果分析

原实验室教学示范中心的使用率很低，学生只能在上课时间使用，随着技术的发展，血红色呢个需要多台计算机来搭建各种分布式系统（如分布式储存，大数据分析等）并学习之，造成对新技术的学习效果较差。

“云实验室”投入使用后，可以支持2000个学生同时上机实验，学生可以通过校园网随时随地接入“云实验室”，对云实验机的使用率达到100%，云实验机的在线率超过90%，在“云实验室”中，学生可以申请多台云实验机搭建分布式系统进行学习，使用完之后由管理老师统一回收，回收后这些云实验机资源还可以按需分配给其他需要的学生。

建设成本分析

  原实验教学示范中心为了满足软件学院学生们的上机实验需求，并购买PC机180台，桌椅180套，机柜1个，交换机5台。

  建设 “云实验室”时，共购买HP DL38 Gen80P服务器8台，空调1台，机柜1个，交换机1台，“云实验室”软件1套，建设成本降低40%以上。

占用空间分析

  原实验室教学示范中心为了满足软件学院学生们的上机实验需求，共建设了4个计算机房（共计425㎡）。

   建设“云实验室”后，4个计算机房已经全部取消，其中1个用于软件工程技术研究室，1个用于数字媒体综合实验室，1个用作校企合作联合实验室，1个用作学生实训教室。“云实验室”只占1个机柜的的面积（月1.5㎡），加上空调总共占用面积不到10㎡，节约 95%以上。

电能消耗分析

原实验室教学示范中心共有10台空调（2KW/台），180台PC（350W/台），5台交换机（600W/台），共计83300W。

云实验室共有1台空调（2KW/台），HP DL38 Gen80P服务器8台（750W/台），1台交换机（60W/台），共计8060W，节约90%以上。

原实验室教学示范中心，管理员老师准备一次上机实验环境需要1小时以上，由于实验机是公用的，每次上机实验前都需要重新准备实验环境。此外，管理员老师需要处理180台PC的各种软硬件故障（如系统中毒、误删除文件、电源松动、网卡松动等等），工作量非常巨大。

使用“云实验室”后，管理员老师准备一次上机实验环境时间缩短到10分钟以内，由于每位同学都有独立的云实验机，一学期只需准备一次实验环境即可。管理员老师管理的服务器输了为8台，云实验机没有硬件故障，其软件故障只需管理员老师在管理平台进行操作便可以解决，这大大的降低了管理老师的工作量。

6.7其他案例