曹丙瑞，董 旭，王素貞

（1.河北經(jīng)貿(mào)大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050061；2.河北經(jīng)貿(mào)大學(xué) 教務(wù)處，河北 石家莊 050061）

一、引言

隨著高等教育信息化的快速發(fā)展，越來越多的高校認(rèn)識(shí)到需要使用云計(jì)算技術(shù)整合校內(nèi)外各種教育資源，通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)隨時(shí)隨地為廣大師生提供更加便捷的個(gè)性化服務(wù)。在信息化實(shí)施的歷史進(jìn)程中，不斷增加的應(yīng)用系統(tǒng)和越來越多的教育資源部署在不同的服務(wù)器上，服務(wù)器的種類與數(shù)量逐年增加，采用傳統(tǒng)的方法運(yùn)行維護(hù)越來越困難，表現(xiàn)在效率低、成本高。例如，需要花費(fèi)很長的時(shí)間去安裝配置在每個(gè)用戶群日常使用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件等；一旦某一臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)故障，其安裝的所有應(yīng)用都無法使用，而此時(shí)這些應(yīng)用也不能快速遷移到其他正常工作的服務(wù)器上，系統(tǒng)的健壯性較差；對(duì)于較大的故障必須等專業(yè)人員前來維修，等待時(shí)間長。因此，如何高效地管理高校IT基礎(chǔ)設(shè)施資源和教育資源，提高系統(tǒng)的健壯性和靈活性，降低運(yùn)行維護(hù)的人力電力成本就顯得尤為重要。目前先進(jìn)的解決方案就是利用云計(jì)算技術(shù)，建立基于虛擬化的教育云資源管理平臺(tái)，通過無處不在的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為師生提供快捷方便的個(gè)性化資源管理與服務(wù)[1]。

二、云計(jì)算技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用

（一）云計(jì)算技術(shù)概述

究竟什么是云計(jì)算？目前并沒有統(tǒng)一的定義。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院[2]認(rèn)為：云計(jì)算是一種按使用量付費(fèi)的模式，這種模式提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡(luò)訪問，進(jìn)入可配置的計(jì)算資源共享池（資源包括網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲(chǔ)、應(yīng)用軟件及服務(wù)），這些資源能夠被快速提供，只需投入很少的管理工作，或與服務(wù)供應(yīng)商進(jìn)行很少的交互。國內(nèi)各界普遍認(rèn)為：狹義上講云計(jì)算是IT基礎(chǔ)設(shè)施的交付和使用模式，通過Internet以按需、易擴(kuò)展的方式獲得所需資源；廣義上講云計(jì)算是服務(wù)的交付和使用模式，通過Internet以按需、易擴(kuò)展的方式獲得所需服務(wù)，這種服務(wù)可以是IT和軟件、互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)，也可是其他服務(wù)[3]，這意味著計(jì)算能力也可作為一種商品通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行流通。

從理論與技術(shù)角度看，云計(jì)算是基于一系列關(guān)鍵技術(shù)的新型計(jì)算模式，包括：虛擬化技術(shù)、彈性伸縮動(dòng)態(tài)調(diào)配技術(shù)、高效可靠數(shù)據(jù)傳輸交換與事件處理技術(shù)、海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與訪問技術(shù)、智能化管理監(jiān)控技術(shù)、并行計(jì)算框架技術(shù)、多租賃與按需計(jì)費(fèi)技術(shù)以及綠色節(jié)能技術(shù)等。這種信息處理模式可以完成大量復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)，如：按需即取的服務(wù)計(jì)算、易于擴(kuò)展的變粒度計(jì)算、基于自然語言的軟計(jì)算、智能系統(tǒng)的不確定計(jì)算、人參與的計(jì)算及物參與的計(jì)算等，最終以基于互聯(lián)網(wǎng)面向大眾提供服務(wù)的方式來實(shí)現(xiàn)資源動(dòng)態(tài)整合與分享的目標(biāo)[4]。

（二）在教育領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用

目前，教育領(lǐng)域尤其在高等學(xué)校各種教育信息資源正加速向網(wǎng)絡(luò)遷移，利用云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建教育資源管理平臺(tái)能夠有效克服服務(wù)器利用率低、教學(xué)資源分布不均、資源更新速度慢、信息孤島、電力消耗嚴(yán)重、難于管理等一系列制約著高校信息化發(fā)展進(jìn)程的問題[5]，將對(duì)教育信息化的發(fā)展產(chǎn)生巨大的促進(jìn)作用。很多企業(yè)已經(jīng)通過云計(jì)算來獲取各種服務(wù)，教育領(lǐng)域也將是云計(jì)算技術(shù)未來發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域。

目前國內(nèi)外對(duì)云計(jì)算在教育領(lǐng)域的應(yīng)用表現(xiàn)出了很大的熱情。Accenture公司在《探究云計(jì)算的未來：駕馭技術(shù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)型的下一次浪潮》調(diào)查報(bào)告中指出，云計(jì)算在教育科研行業(yè)的潛在應(yīng)用體現(xiàn)在三點(diǎn)：（1）獲取全球資源；（2）低成本仿真；（3）高度交互+協(xié)作學(xué)習(xí)[6][7]。我國黎加厚教授提出了云計(jì)算在教育教學(xué)中應(yīng)用的“云計(jì)算輔助教學(xué)”的新概念：學(xué)校和教師利用“云計(jì)算”提供的服務(wù)，構(gòu)建個(gè)性化教學(xué)的信息化環(huán)境，促進(jìn)教師的教學(xué)和學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，提高教學(xué)質(zhì)量[8]。

校內(nèi)教育云平臺(tái)的構(gòu)建首先要充分利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，利用虛擬化技術(shù)把物理的服務(wù)器資源虛擬化成服務(wù)器池，通過負(fù)載均衡技術(shù)提高服務(wù)器的利用率。然后對(duì)學(xué)校的各種教育資源進(jìn)行有效的整合后遷移到虛擬服務(wù)器上，利用云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源的無縫連接，構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一的教育資源管理平臺(tái)，以一種全新的方式為提供優(yōu)質(zhì)的數(shù)字資源服務(wù)。

三、教育云管理平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合高校信息化和教育資源網(wǎng)絡(luò)化的特色需求，本文利用云計(jì)算核心技術(shù)——虛擬化技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的物理資源進(jìn)行有效的整合，并基于云計(jì)算資源動(dòng)態(tài)分配理念對(duì)現(xiàn)有的資源進(jìn)行統(tǒng)一管理和統(tǒng)一調(diào)度，設(shè)計(jì)了一種教育云資源管理平臺(tái)架構(gòu)模型，此模型分為三層：基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層、平臺(tái)服務(wù)層和（應(yīng)用）軟件服務(wù)層。該架構(gòu)能提供一種更加高效靈活的管理服務(wù)模式。具體如圖1所示。

1.基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a Service，IaaS）：IaaS層通過對(duì)現(xiàn)有的物理資源（服務(wù)器、存儲(chǔ)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等）進(jìn)行整合，進(jìn)而利用虛擬化技術(shù)對(duì)相同類型的資源進(jìn)行虛擬化處理，形成同構(gòu)或接近同構(gòu)的資源池，如計(jì)算資源池、存儲(chǔ)資源池、網(wǎng)絡(luò)資源池。通過對(duì)虛擬池的資源調(diào)度和管理，對(duì)師生提供按需分配的計(jì)算、存儲(chǔ)和備份等基礎(chǔ)資源與服務(wù)[3][9][10]。

2.平臺(tái)即服務(wù)（Platform as a Service，PaaS）：PaaS層提供應(yīng)用程序的開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境，通過PaaS層的軟件工具和開發(fā)語言，師生只需上傳程序代碼和數(shù)據(jù)即可使用服務(wù)。同時(shí)PaaS層利用負(fù)載均衡、故障檢測(cè)和性能優(yōu)化等技術(shù)對(duì)高校日益龐大的資源進(jìn)行有效的管理，提高資源的處理效率。PaaS層通過賬號(hào)管理、交互管理和使用計(jì)費(fèi)對(duì)用戶進(jìn)行統(tǒng)一的管理。

圖1 教育云管理平臺(tái)架構(gòu)模型

3.軟件即服務(wù)（Software as a Service，SaaS）：SaaS層針對(duì)師生提供更加特定的應(yīng)用服務(wù)，通過統(tǒng)一的用戶交互接口，用戶可以獲取資源服務(wù)、教學(xué)管理、互動(dòng)交流、協(xié)作創(chuàng)新等不同類型的個(gè)性化應(yīng)用服務(wù)。

最后利用容錯(cuò)技術(shù)、監(jiān)督管理對(duì)三層架構(gòu)進(jìn)行服務(wù)保障和安全管理。服務(wù)保障的目標(biāo)主要是提升系統(tǒng)功能和性能、資源和服務(wù)的可用性。安全管理主要是避免信息泄露、未授權(quán)的訪問和修改、及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修補(bǔ)系統(tǒng)漏洞，阻止內(nèi)外部惡意用戶的攻擊等。

四、教育云管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)案例

本文按照上述教育云管理平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)原則，以河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)教學(xué)資源整合需求為目標(biāo)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了教務(wù)云管理平臺(tái)，通過對(duì)資源進(jìn)行有效整合實(shí)現(xiàn)了高效管理與利用，為師生提供了方便快捷的服務(wù)，取得了良好的效果。

（一）原有設(shè)備及應(yīng)用現(xiàn)狀

河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)教務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)始建于2003年，承擔(dān)全校30 000多名學(xué)生的教學(xué)和管理工作。一直使用多種不同型號(hào)的服務(wù)器，目前這些設(shè)備老化嚴(yán)重，且硬件升級(jí)空間有限，經(jīng)常出現(xiàn)硬件問題，由此引發(fā)的新問題如下：（1）服務(wù)器響應(yīng)慢，業(yè)務(wù)連續(xù)性缺乏保障。在業(yè)務(wù)高峰期，服務(wù)器的壓力大，請(qǐng)求響應(yīng)時(shí)間長；另外由于歷史原因，很多業(yè)務(wù)部署在同一臺(tái)服務(wù)器上，沒有進(jìn)行高可用性和備份等保護(hù)措施，服務(wù)器一旦故障會(huì)導(dǎo)致其上運(yùn)行的業(yè)務(wù)全部中斷。（2）資源負(fù)載不平衡，利用率低。由于某些業(yè)務(wù)具有集中訪問性，比如教師評(píng)價(jià)、學(xué)生選課等，這些業(yè)務(wù)一個(gè)學(xué)期內(nèi)大部分時(shí)間處于閑置狀態(tài)，而當(dāng)運(yùn)行時(shí)又處于超負(fù)荷狀態(tài)，此時(shí)其他服務(wù)器的訪問量很少，負(fù)載嚴(yán)重不平衡，利用率低。（3）維護(hù)量比較大，電力消耗嚴(yán)重。教務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)包括信息維護(hù)、學(xué)生選課、課表查詢、成績(jī)查詢等多個(gè)業(yè)務(wù)，每個(gè)業(yè)務(wù)都需要服務(wù)器資源的支持，從而造成服務(wù)器數(shù)量逐年增加，不僅造成大量的維護(hù)成本，也對(duì)數(shù)據(jù)中心的機(jī)房空間、電力消耗提出挑戰(zhàn)。針對(duì)以上缺陷，本文構(gòu)建教務(wù)云服務(wù)平臺(tái)，采用虛擬化技術(shù)將原有服務(wù)全部遷移至云計(jì)算平臺(tái)。

（二）整體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)教務(wù)管理和教學(xué)資源的使用需求，構(gòu)建的教務(wù)云管理平臺(tái)由三層組成，分別對(duì)應(yīng)于教育云管理平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)、平臺(tái)服務(wù)和軟件服務(wù)三個(gè)層次。教務(wù)云管理平臺(tái)主要面向廣大師生、教務(wù)管理人員、系統(tǒng)管理員提供多樣化資源管理與服務(wù)并向社會(huì)提供部分查詢服務(wù)，具體的體系架構(gòu)如圖2所示。

圖2 河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)教務(wù)云管理平臺(tái)體系架構(gòu)

本設(shè)計(jì)方案特點(diǎn)如下：

1.多層次與松耦合架構(gòu)。將系統(tǒng)劃分為基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺(tái)服務(wù)層和應(yīng)用服務(wù)層三個(gè)層次。各層之間保持相互獨(dú)立與松耦合，每層之間使用消息進(jìn)行通信，降低了平臺(tái)整體的依賴性。

2.使用現(xiàn)有服務(wù)器進(jìn)行虛擬化。對(duì)現(xiàn)有8臺(tái)服務(wù)器物理資源進(jìn)行虛擬化形成41個(gè)虛機(jī)，形成服務(wù)器資源池，不僅充分利用了現(xiàn)有的硬件資源，減少了開支，而且提高了資源的利用率。

3.采取統(tǒng)一的 VMM（Virtual Machine Monitor）技術(shù)構(gòu)建教務(wù)云管理平臺(tái)。底層統(tǒng)一采用KVM（Kernel-based Virtual Machine）構(gòu)建虛擬化環(huán)境，便于運(yùn)營管理，同時(shí)還避免了不同VMM之間的文件格式不兼容和跨VMM遷移失敗等問題，提高了系統(tǒng)的健壯性[11]。

4.面向服務(wù)提升性能。根據(jù)上層應(yīng)用的特點(diǎn)，在虛擬化基礎(chǔ)之上，按照一定的策略對(duì)資源分配、資源調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)底層對(duì)上層的充分感知，面向服務(wù)提升云平臺(tái)的管理與服務(wù)性能。

（三）具體實(shí)現(xiàn)

1.基礎(chǔ)設(shè)施層實(shí)現(xiàn)。作為整個(gè)框架的最底層，具體的實(shí)現(xiàn)步驟如下：（1）首先使用KVM對(duì)現(xiàn)有的服務(wù)器進(jìn)行虛擬化，并組成虛擬機(jī)集群，從而將物理資源轉(zhuǎn)化為可以按需分配的虛擬機(jī)資源池，同時(shí)根據(jù)業(yè)務(wù)實(shí)際需要分配最合適的計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源。（2）利用libvirt為各種虛擬化工具提供的通用API（Application Programming Interface）對(duì)KVM進(jìn)行管理，即libvirt通過自身提供的函數(shù)連接到KVM宿主機(jī)并使用簡(jiǎn)單的命令進(jìn)行操作。（3）通過VMware vCenter converter遷移工具，根據(jù)預(yù)先制定的遷移計(jì)劃，逐步將物理機(jī)上的多個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)分批次平滑遷移到虛擬機(jī)集群上。（4）將虛擬機(jī)的鏡像文件進(jìn)行共享存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)高可用性部署，同時(shí)備份每個(gè)虛擬機(jī)，保證系統(tǒng)的健壯性，這樣如果原虛擬機(jī)所在服務(wù)器出現(xiàn)問題，虛擬機(jī)會(huì)立即在另一臺(tái)物理服務(wù)器上運(yùn)行。（5）最后把預(yù)先安裝好的操作系統(tǒng)（如linux，windows）制作成模板，當(dāng)用戶再申請(qǐng)?zhí)摂M機(jī)資源的時(shí)候不用再從頭開始安裝操作系統(tǒng)，僅僅需要選擇已有的模板并分配虛擬機(jī)硬件資源，一個(gè)新的虛擬機(jī)系統(tǒng)就形成了。實(shí)現(xiàn)效果如圖3所示。

圖3 虛擬化后的資源池

2.平臺(tái)服務(wù)層實(shí)現(xiàn)。平臺(tái)服務(wù)層建立在基礎(chǔ)設(shè)施層之上，為應(yīng)用服務(wù)層提供良好的平臺(tái)支撐，提供身份認(rèn)證、資源管理和開發(fā)測(cè)試等平臺(tái)服務(wù)，具體的功能如下：

身份認(rèn)證平臺(tái)提供統(tǒng)一的權(quán)限認(rèn)證，確保所有的操作都在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)，保證了系統(tǒng)的安全。資源管理的主要職責(zé)是監(jiān)控資源點(diǎn)的使用情況，均衡教育云平臺(tái)節(jié)點(diǎn)的使用，并對(duì)節(jié)點(diǎn)的故障進(jìn)行檢測(cè)，從而進(jìn)行恢復(fù)或屏蔽。開發(fā)測(cè)試平臺(tái)為已注冊(cè)的學(xué)生提供開發(fā)和測(cè)試環(huán)境，學(xué)生可以利用已有的服務(wù)器、虛擬機(jī)等資源，以及集成的開發(fā)框架和環(huán)境，開發(fā)自己使用的程序并進(jìn)行測(cè)試，運(yùn)行完了之后釋放和刪除計(jì)算資源。

3.應(yīng)用服務(wù)層實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用服務(wù)層是整個(gè)架構(gòu)的最頂層，它為在校師生、管理人員和社會(huì)公眾提供教學(xué)管理、共享、應(yīng)用等多樣化的信息服務(wù)，服務(wù)類型分別有：教務(wù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)課堂、信息發(fā)布和基礎(chǔ)服務(wù)。下面詳細(xì)介紹四種應(yīng)用。

教務(wù)系統(tǒng)為師生提供統(tǒng)一的登錄認(rèn)證頁面，學(xué)生可以進(jìn)行選課、查看成績(jī)等，教師可以錄入成績(jī)，查看學(xué)生評(píng)價(jià)等，同時(shí)教務(wù)管理員進(jìn)行課表管理、教室管理和教材管理。網(wǎng)絡(luò)課堂是一種新穎的學(xué)習(xí)方式，利用學(xué)校的教學(xué)資源庫，按照自己的興趣愛好進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，變被動(dòng)的接受為主動(dòng)的獲取，提高學(xué)習(xí)效率。信息發(fā)布是教務(wù)處對(duì)外發(fā)布信息的渠道，主要包括教務(wù)新聞、考試通知等信息的實(shí)時(shí)展示。基礎(chǔ)服務(wù)為應(yīng)用服務(wù)層提供底層的數(shù)據(jù)服務(wù)，使得各個(gè)應(yīng)用之間能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)兼容，消除孤島信息，實(shí)現(xiàn)全面通信。

五、運(yùn)行效果

通過采用教務(wù)云管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)?，F(xiàn)有硬件資源的充分利用，很好地解決了教務(wù)系統(tǒng)所面臨的諸多挑戰(zhàn)和問題，為各種業(yè)務(wù)的順利運(yùn)行提供了良好的支撐，收到了良好的效果。

1.減少服務(wù)器數(shù)量，減少機(jī)房占用空間，維護(hù)方便，降低能耗。實(shí)施教務(wù)管理云平臺(tái)后采用自動(dòng)遷移工具將分布在不同地點(diǎn)的服務(wù)器統(tǒng)一集中到服務(wù)器池，提高服務(wù)器使用率，使服務(wù)器數(shù)量由原來的14臺(tái)下降為4臺(tái)（如圖6所示），高故障率高維護(hù)成本的陳舊服務(wù)器得以退出，減少了機(jī)房占地面積，同時(shí)服務(wù)器的電力能耗也降到了之前的30%左右，硬件搬遷到數(shù)據(jù)中心托管，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程管理，實(shí)現(xiàn)了從原來的單獨(dú)管理多臺(tái)服務(wù)器到現(xiàn)在一個(gè)界面統(tǒng)一管理所有服務(wù)器（如圖4所示），降低了維護(hù)的工作量。

2.保障了業(yè)務(wù)的穩(wěn)定性。將業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保存到存儲(chǔ)器上，并在虛擬機(jī)集群上分別為每個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的虛擬機(jī)做高可用性備份。如果原虛擬機(jī)或其所在服務(wù)器出現(xiàn)問題，備份虛擬機(jī)會(huì)立即接管業(yè)務(wù)并在另一臺(tái)物理服務(wù)器上運(yùn)行，從而保證業(yè)務(wù)連續(xù)性。具體效果如圖5所示。

3.提升服務(wù)器資源利用率。服務(wù)器資源利用率從平均6%提升到了40%，對(duì)現(xiàn)有資源的利用更加有效，并為將來增加新的應(yīng)用系統(tǒng)和教務(wù)數(shù)據(jù)預(yù)留了空間，如圖6所示。

4.在任務(wù)負(fù)載的高峰期服務(wù)器響應(yīng)依然較快。在項(xiàng)目實(shí)施之前學(xué)生選課的高峰期服務(wù)器響應(yīng)慢，學(xué)生進(jìn)入系統(tǒng)特別困難，整個(gè)選課高峰大約持續(xù)一天，如今采用教務(wù)云管理平臺(tái)，服務(wù)器響應(yīng)明顯變快，并發(fā)數(shù)達(dá)到5 000人左右，選課高峰縮短到四五個(gè)小時(shí)，大大縮短選課高峰的持續(xù)時(shí)間，如圖7所示。

六、結(jié)論

本文分析了高校信息化中出現(xiàn)的一系列問題，綜述了云計(jì)算核心技術(shù)及其在教育信息化中的應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上提出了一種教育云資源管理平臺(tái)的具體解決方案。結(jié)合河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)教務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)的具體情況，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了教務(wù)云管理平臺(tái)，該平臺(tái)投入運(yùn)行后較好地解決了存在的問題，大大提高了服務(wù)器的利用率，提升了系統(tǒng)的健壯性和可用性，能夠?yàn)閺V大師生提供更方便快捷的服務(wù)。

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