云服務(wù)在高校實驗教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)中的應(yīng)用

呂思思+焦金金+祁建松+付巖

摘 要：高校在建設(shè)和升級實驗教學(xué)系統(tǒng)過程中，應(yīng)用云技術(shù)以及基于云技術(shù)的相關(guān)服務(wù)，能有效增強系統(tǒng)的服務(wù)效能，顯著降低成本，符合信息技術(shù)的發(fā)展趨勢。通過分析各種云服務(wù)模式特點，從經(jīng)濟性、風(fēng)險和安全性等方面，探討了高校如何針對自身需求和實際情況，在利用云技術(shù)建設(shè)實驗教學(xué)系統(tǒng)過程中選擇適合的云服務(wù)方案。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)系統(tǒng)；云服務(wù)；公有云；私有云；混合云

DOIDOI：10.11907/rjdk.161490

中圖分類號：G434

文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2016）008-0197-04

1 高校實驗教學(xué)系統(tǒng)現(xiàn)狀

實驗教學(xué)系統(tǒng)是指利用網(wǎng)絡(luò)為學(xué)生提供相關(guān)實驗教學(xué)資源，支持在實驗教學(xué)活動中的教學(xué)行為及管理行為的個性化服務(wù)系統(tǒng)[1]，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，高校實驗與教學(xué)實現(xiàn)了信息化，實驗教學(xué)系統(tǒng)作為與高校主要業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)最為緊密的信息化產(chǎn)品，其建設(shè)和應(yīng)用水平直接影響高校的實驗教學(xué)質(zhì)量。

高校實驗教學(xué)系統(tǒng)一般采用Browser/Server （B/S）模式。在此模式下，信息系統(tǒng)集中部署在服務(wù)器或服務(wù)器集群上，用戶以網(wǎng)絡(luò)作為媒介、以瀏覽器作為展現(xiàn)工具，基于服務(wù)端分配的權(quán)限使用系統(tǒng)。與Client/Server（C/S）模式相比，B/S模式具有兩個特點：①系統(tǒng)集中部署與升級都在服務(wù)器端完成，對客戶端的干預(yù)最小化，有效降低了維護與升級成本和風(fēng)險；②系統(tǒng)通過瀏覽器提供服務(wù)，將不同客戶端的運行環(huán)境差異帶來的影響降到最低，更容易實現(xiàn)跨平臺服務(wù)。但基于B/S架構(gòu)的實驗教學(xué)系統(tǒng)也它的局限性：①所有信息都在服務(wù)器端處理，負(fù)荷較重，一旦負(fù)荷超過服務(wù)器端的承載上限，整個服務(wù)將會癱瘓；②基于B/S架構(gòu)的系統(tǒng)往往通過廣域網(wǎng)提供服務(wù)，無法像C/S架構(gòu)的系統(tǒng)那樣通過控制客戶端程序分發(fā)達到對用戶群體的限制，因此對用戶身份和行為的控制較弱，從而面臨相應(yīng)的安全風(fēng)險；③在提供類似服務(wù)的前提下，B/S架構(gòu)往往比C/S架構(gòu)擁有更大的數(shù)據(jù)吞吐量。因此，基于B/S架構(gòu)的可靠性和性能更依賴于網(wǎng)絡(luò)帶寬[2]。

為解決以上問題，基于B/S架構(gòu)的實驗教學(xué)系統(tǒng)在服務(wù)器性能、帶寬以及安全方面需要投入大量的資金和人力，系統(tǒng)運行期間，也需要投入大量的資金和人力進行維護和升級。因此，引入云服務(wù)后，高校實驗教學(xué)系統(tǒng)的服務(wù)能力將得到顯著提升，可靠性大大提高，運營成本也會明顯降低。

2 云計算及其服務(wù)模式

云計算是應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)的一種計算模式，能夠?qū)討B(tài)伸縮的虛擬資源提供給用戶，用戶可以了解如何管理云計算的基礎(chǔ)設(shè)施[3]。Cloud camp的創(chuàng)始者 Reuven Cohen認(rèn)為：云計算是一種基于 Web 的讓用戶只為自己需要的功能付費的服務(wù)，改變了傳統(tǒng)軟件在硬件、軟件和專業(yè)技能等方面的投資[4]。IBM公司科技策略與革新部副總裁 Irving Wladawsky-Berger 認(rèn)為：云計算通過互聯(lián)網(wǎng)，提供給用戶大量軟硬件投資以及專業(yè)技術(shù)應(yīng)用服務(wù)[5]。

2.1 云服務(wù)模式

云服務(wù)即通過網(wǎng)絡(luò)向用戶提供計算資源、存儲資源以及基于以上資源的各種信息技術(shù)資源的服務(wù)。云服務(wù)提供商將服務(wù)器連結(jié)成集群并整合為龐大的計算資源和存儲資源，構(gòu)成一個資源池，通過虛擬化技術(shù)按照用戶需求提供彈性的計算資源、存儲資源以及基于資源的應(yīng)用服務(wù)。云服務(wù)從范圍上分為3種：公有云、私有云、混合云。

從服務(wù)層級上分為3層：基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)Infrastructure as a Service （IaaS）模式；平臺即服務(wù) Platform as a Service（PaaS）模式；軟件即服務(wù)Software as a Service （SaaS）模式[6]。

2.2 基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)（IaaS）模式

基礎(chǔ)架構(gòu)層作為云的基礎(chǔ)，由服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及存儲設(shè)備等物理設(shè)施組成。在IaaS服務(wù)中用戶并沒有實際管理底層基礎(chǔ)架構(gòu)，而是在現(xiàn)成的基礎(chǔ)架構(gòu)上進行操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)組件設(shè)置數(shù)據(jù)和應(yīng)用軟件使用及維護[7]。

基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)（IaaS）提供商通過集中化的大規(guī)?；A(chǔ)架構(gòu)，按照用戶需求以較低的成本為用戶提供更為可靠的基礎(chǔ)設(shè)施資源，能夠根據(jù)用戶需求靈活地進行擴容或者減容。目前著名的IaaS服務(wù)提供商有亞馬遜、微軟、Rackspace等。

2.3 平臺即服務(wù)（PaaS）模式

平臺即服務(wù)（PaaS）向用戶提供對操作系統(tǒng)和相關(guān)服務(wù)的訪問。在PaaS模式下，用戶能夠?qū)?yīng)用系統(tǒng)部署到云平臺上，無需將精力投入在底層基礎(chǔ)架構(gòu)，用戶能夠在一定程度上對PaaS平臺提供的運行環(huán)境進行配置[7]。目前著名的PaaS服務(wù)包括Google App Engine、微軟Azure等。

2.4 軟件即服務(wù)（SaaS）模式

軟件即服務(wù)（SaaS）模式能夠為用戶提供從設(shè)施、平臺到應(yīng)用的一整套解決方案，在SaaS模式中，用戶只需選擇符合自身業(yè)務(wù)需求的應(yīng)用系統(tǒng)，而不需考慮部署系統(tǒng)所需的平臺及設(shè)施。典型的SaaS服務(wù)有基于云端的人力資源管理系統(tǒng)SuccessFactors、 基于云端的客戶關(guān)系管理系統(tǒng)SalesForce CRM及基于云端的文件同步工具Dropbox等。

2.5 公有云

公有云即第三方云資源供應(yīng)商通過互聯(lián)網(wǎng)直接向廣大用戶提供的云服務(wù)，用戶將應(yīng)用系統(tǒng)和數(shù)據(jù)完全托管到第三方提供的云端，云服務(wù)商負(fù)責(zé)保證系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的可用性、安全性和可擴展性。公有云是云服務(wù)的主要形式。

2.6 私有云

私有云即為某一特定用戶部署的云服務(wù)，用戶可以根據(jù)自身業(yè)務(wù)情況選擇云服務(wù)的規(guī)模。用戶對私有云具有完全的所有權(quán)。與公有云相比，私有云在保證用戶內(nèi)部資源共享的前提下，與外界保持一定的隔離，因此私有云用戶能夠更有力地保障云端應(yīng)用系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的安全，而非依賴于第三方云服務(wù)提供商。

2.7 混合云

混合云即公有云和私有云的混合?；旌显朴脩艨梢愿鶕?jù)自身業(yè)務(wù)情況和安全需求，將信息服務(wù)分別部署在公有云和私有云上，以實現(xiàn)經(jīng)濟性和安全性的最優(yōu)方案?；旌显凭C合公有云和私有云的特點，獲得有足夠彈性的服務(wù)特性以支撐瞬息萬變的業(yè)務(wù)需求。例如，可以通過共有云服務(wù)來應(yīng)對某一時間的服務(wù)需求高峰。由于公有云和私有云的物理設(shè)備往往部署在不同的地理位置，因此二者可以同時用于異地災(zāi)備方案 [8]。

3 云服務(wù)模式特點分析

3.1 公有云、私有云和混合云特點對比

公有云能提供成本最低的云服務(wù)，能夠根據(jù)用戶的需求靈活改變服務(wù)范圍，滿足用戶業(yè)務(wù)增長。因為公有云用戶將服務(wù)和數(shù)據(jù)完全托付給云服務(wù)商，因此某些擁有機密和敏感數(shù)據(jù)的用戶可能會因此承受風(fēng)險。

私有云往往受用戶數(shù)量限制，無法通過規(guī)模效應(yīng)控制成本，并且其擴展性也受到限制。由于用戶對私有云上的服務(wù)和數(shù)據(jù)完全負(fù)責(zé)，因此可以通過與外網(wǎng)隔離或者足夠可靠的安全策略將高價值的機密數(shù)據(jù)保護起來。

混合云通過公有云和私有云的組合，兼具公有云和私有云的特點。因此混合云能通過公有云服務(wù)降低成本，并將高價值的敏感信息保護在私有云中[9]。

3.2 IaaS、PaaS和SaaS特點對比

IaaS模式為用戶提供了基礎(chǔ)設(shè)施資源服務(wù)，用戶可以根據(jù)自身需求自行在平臺上部署開發(fā)環(huán)境及運行環(huán)境，在平臺上自行開發(fā)信息系統(tǒng)，或者尋找第三方開發(fā)服務(wù)商提供定制開發(fā)服務(wù)。因此IaaS需要用戶具有一定的信息系統(tǒng)研發(fā)能力或一定的項目管理能力。

PaaS 模式為用戶提供開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境，便于用戶協(xié)同開發(fā)。PaaS模式對用戶的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)能力有一定要求，此模式不利于應(yīng)用系統(tǒng)跨平臺移植。

SaaS 模式為用戶提供了現(xiàn)成的應(yīng)用系統(tǒng)，對用戶開發(fā)能力要求很低，所以項目風(fēng)險最小。然而也因此有最低的定制化程度，無法保證100%滿足用戶的特殊業(yè)務(wù)需求[10]。

4 高校實驗教學(xué)系統(tǒng)云服務(wù)模式選擇

基于以上分析，根據(jù)部分企業(yè)案例，列出高校實驗教學(xué)系統(tǒng)可選模式如表1所示。

混合云模式根據(jù)解決方案與第三方合作模式，其成本、風(fēng)險、定制性、安全性及擴展性等會有很大差別，需要結(jié)合解決方案具體分析。

5 利用云技術(shù)建設(shè)高校實驗教學(xué)系統(tǒng)案例

某高校計劃升級信息系統(tǒng)，此次升級計劃利用云技術(shù)實現(xiàn)服務(wù)范圍和承載力的全面提升，并為今后升級擴容做好準(zhǔn)備。

目前高校各信息系統(tǒng)部署在本地服務(wù)器中，屬于典型的傳統(tǒng)B/S架構(gòu)信息服務(wù)，性能已經(jīng)不能滿足師生工作學(xué)習(xí)需求。而在不引入虛擬化技術(shù)的前提下，通過購買服務(wù)器等設(shè)施來提高系統(tǒng)性能投入很高，收效未必能與投入成正比。

建設(shè)項目中，無論選擇何種云方案，信息系統(tǒng)開發(fā)費用和數(shù)據(jù)庫授權(quán)費都是相對固定的投入，不在本文討論范圍之內(nèi)。

5.1 方案1：建設(shè)基于私有云的高校實驗教學(xué)系統(tǒng)

根據(jù)高校業(yè)務(wù)規(guī)模與發(fā)展前景進行需求分析，明確了云平臺的基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)與規(guī)模。出于高可用性要求，平臺中的應(yīng)用服務(wù)器、資源服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器均為雙機熱備，并且配備邊界防火墻，如表2所示。

根據(jù)方案設(shè)計，應(yīng)用服務(wù)器、資源服務(wù)器皆為虛擬服務(wù)器，出于高性能需求，數(shù)據(jù)服務(wù)器為物理服務(wù)器。由此得出所需物理計算資源，如表3所示。

基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備費用包括計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)資源的成本。另外還需考慮機房托管費用和電費[10]。根據(jù)以上需求和市場行情，得出設(shè)備估算報價，見表4。

其它費用：機房托管費和100M帶寬費50萬元/年，假設(shè)服務(wù)費用固定，3年總費用為150萬元，由此得出私有云建設(shè)方案云平臺建設(shè)總投入約為397萬元。根據(jù)資產(chǎn)折舊率每年20%，3年后折舊為158.8萬元，5年后資產(chǎn)折舊為零，3年后可能會有設(shè)備升級需求[11]。

5.2 方案2：建設(shè)基于公有云的高校實驗教學(xué)系統(tǒng)

云服務(wù)估算報價見表5。

公有云服務(wù)方案，信息系統(tǒng)設(shè)備投入費用約為187.9萬元。公有云服務(wù)屬于租用，不存在資產(chǎn)折舊問題。

其它費用：公有云服務(wù)無需支付機房托管費用，沒有額外的帶寬租用費用[12]。

5.3 公有云與私有云方案對比

以3年時間計算，在獲得同等設(shè)備資源的前提下，采用共有云服務(wù)產(chǎn)生的費用為187.9萬元，只有私有云方案（397萬元）的一半。公有云方案不僅節(jié)省了可觀的資金投入，還明顯縮短了系統(tǒng)平臺的部署調(diào)試時間，系統(tǒng)運行平臺的穩(wěn)定性風(fēng)險由公有云提供商負(fù)責(zé)。

（1）選擇私有云方案優(yōu)勢。

私有云方案中，系統(tǒng)數(shù)據(jù)保存在高校私有存儲設(shè)備中并受到防火墻的有效保護，私有云用戶完全掌握系統(tǒng)數(shù)據(jù)。在必要的情況下，私有云可以實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的物理隔離以實現(xiàn)更高級別的安全等級。

（2）選擇私有云方案的弊端。

與公有云服務(wù)相比，在獲得相同的云服務(wù)資源前提下，高校需承擔(dān)私有云建設(shè)帶來的更高的資金投入，同時可能會面臨延期或超支等問題，為整個實驗教學(xué)系統(tǒng)帶來不可估量的風(fēng)險。

（3）選擇公有云優(yōu)勢。

公有云服務(wù)能夠為高校節(jié)省可觀的資金投入，因為公有云服務(wù)具有規(guī)模成本優(yōu)勢，公有云服務(wù)還能夠提供彈性服務(wù)模式，高校可根據(jù)自身業(yè)務(wù)情況，依據(jù)服務(wù)高峰期和低谷期的訪問量變化及時調(diào)整服務(wù)規(guī)模。服務(wù)器等設(shè)備更新?lián)Q代速度快，選擇公有云服務(wù)能將設(shè)備更新?lián)Q代的壓力轉(zhuǎn)嫁給服務(wù)提供商，還能夠有效避平臺建設(shè)過程中的延期和超支等問題。

（4）選擇公有云的弊端。

公有云服務(wù)提供商能夠有效保證用戶云資源及建設(shè)在云端的系統(tǒng)和數(shù)據(jù)安全，通過多種安全防護措施保證用戶的系統(tǒng)和數(shù)據(jù)免受DDoS攻擊、木馬攻擊、暴力破解及其它威脅。然而存儲在云端的數(shù)據(jù)資源對于云服務(wù)提供商來說是單向透明的，盡管云服務(wù)提供商承諾用戶的數(shù)據(jù)隱私安全，并且公有云服務(wù)商往往不具備窺探用戶數(shù)據(jù)的動機，但是服務(wù)商獲取用戶數(shù)據(jù)的行為在技術(shù)上是可行的，因此對于擁有敏感信息的客戶來說依然存在巨大的風(fēng)險[13]。

6 結(jié)語

對比公有云和私有云兩種模式的云服務(wù)建設(shè)方案，可知私有云能夠保證用戶對系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的掌控性，并在一定程度上比傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)建設(shè)方案具有更高的擴展性和資源利用率；而公有云在建設(shè)成本和擴展性方面比私有云有更明顯的優(yōu)勢。高校在建設(shè)或升級實驗教學(xué)系統(tǒng)及其它信息系統(tǒng)過程中引入云技術(shù)，順應(yīng)了信息技術(shù)發(fā)展趨勢，優(yōu)化了高校的投入產(chǎn)出比。

在公有云和私有云的選擇中，需要考慮高校自身業(yè)務(wù)中是否存在高價值的敏感信息。高校普遍存在自主開發(fā)能力和資金投入有限，風(fēng)險承受能力不足等問題，實驗教學(xué)系統(tǒng)不存在高度敏感信息，因此，高校適合選擇公有云服務(wù)作為實驗教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)平臺。部分高?；蛘吒咝Ｖ械奶厥鈱I(yè)可能存在高度機密信息，這種情況適合自主建設(shè)私有云平臺或者通過招標(biāo)邀請第三方供應(yīng)商提供私有云平臺，實施系統(tǒng)遷移服務(wù)[15]。另一方面，高校也可以選擇混合云作為折衷方案，既能夠最大程度地保護數(shù)據(jù)安全，也能夠最大程度地利用公有云的成本優(yōu)勢，兼顧費用與風(fēng)險考量。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）