王躍進(jìn)

(貴州省銅仁第一中學(xué),貴州銅仁 554300)

基于云計算與虛擬化技術(shù)在中小學(xué)數(shù)字化校園建設(shè)中的應(yīng)用
——以銅仁一中數(shù)字化校園建設(shè)為例

王躍進(jìn)

(貴州省銅仁第一中學(xué),貴州銅仁 554300)

作為一種新興的計算模型,云計算被視為科技界的下一次革命。本文以銅仁一中新校區(qū)數(shù)字化校園規(guī)劃建設(shè)方案為背景,介紹了基于云計算的虛擬化技術(shù)應(yīng)用的特點(diǎn)和優(yōu)勢,以及面臨的問題與對策?？晒┫嗨茖W(xué)校教育信息化建設(shè)參考。

云計算 虛擬化技術(shù) 應(yīng)用方案 選型研究

1 引言

在教育行業(yè)，特別是規(guī)模較大的校園網(wǎng)的建成中，伴隨著教育信息化的不斷深化，都面臨著能耗和運(yùn)維成本過大等問題，提高校內(nèi)系統(tǒng)的計算機(jī)軟硬件資源共享效率，降低運(yùn)維成本和能耗已成為大中型校園網(wǎng)絡(luò)的緊迫問題。近幾年來，云計算與虛擬化技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得很成熟，其應(yīng)用在IT行業(yè)中如雨后春筍般涌現(xiàn)。它在數(shù)字化校園建設(shè)中應(yīng)該有非常廣闊的應(yīng)用前景。下面以銅仁一中新校區(qū)數(shù)字化校園規(guī)劃建設(shè)為例，探討如何根據(jù)應(yīng)用需求來確定云計算與虛擬化技術(shù)的應(yīng)用方案。

2 云計算與虛擬化技術(shù)

云計算(Cloud Computing)是由分布式計算(Distributed Computing)、并行處理(Parallel Computing)、網(wǎng)格計算(Grid Computing)發(fā)展來的，是一種新興的商業(yè)計算模型。目前，對于云計算的認(rèn)識在不斷的發(fā)展變化，云計算仍沒有標(biāo)準(zhǔn)的一致的定義。廣義的講，云計算指通過網(wǎng)絡(luò)以按需服務(wù)方式和易擴(kuò)展的方式獲取所需要的各種服務(wù)。這些服務(wù)可以是信息技術(shù)各方面應(yīng)用，也可以是任意其它服務(wù)。從狹義角度來看，云計算是指通過網(wǎng)絡(luò)方式以按需、易擴(kuò)展和付費(fèi)的方式，利用IT基礎(chǔ)設(shè)施的交付和使用模式，獲得所需的資源(硬件、軟件等)。提供資源的網(wǎng)絡(luò)被稱為云[1]。

云計算系統(tǒng)運(yùn)用了許多技術(shù)，其中以虛擬化技術(shù)、數(shù)據(jù)管理技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、云計算平臺管理技術(shù)等。其中最關(guān)鍵、最核心的就是虛擬化技術(shù)。虛擬化技術(shù)根據(jù)對象可分成存儲虛擬化、計算虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等，計算虛擬化又分為系統(tǒng)級虛擬化、應(yīng)用級虛擬化和桌面虛擬化[2]。虛擬化是為某些對象創(chuàng)造的虛擬化版本，比如操作系統(tǒng)、存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)資源等。虛擬化技術(shù)是云計算、云存儲服務(wù)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。它將應(yīng)用程序以及數(shù)據(jù)，通過虛擬化，在不同的層次以不同的面貌加以展現(xiàn)，從而使得不同層次的開發(fā)者、使用及維持人員，能夠方便使用開發(fā)及維護(hù)存儲的數(shù)據(jù)應(yīng)用于計算和管理的程序。

3 基于云計算與虛擬化技術(shù)應(yīng)用的數(shù)字化校園建設(shè)規(guī)劃

3.1 需求分析

我校于2001年在貴州中小學(xué)首批建設(shè)千兆校園網(wǎng)絡(luò)，通過這十幾年的教育教學(xué)應(yīng)用，綜合起來看，基于Office軟件的本地文檔處理和基于WEB的網(wǎng)絡(luò)信息查詢、發(fā)布、交流應(yīng)用最多。這幾年人員增加較快，現(xiàn)有教職工已達(dá)300多人，三年內(nèi)將逐步增加到400人左右。2014年即將建成的新校區(qū)，萬兆骨干、千兆到桌面的校園網(wǎng)基礎(chǔ)平臺已經(jīng)基本建成。應(yīng)用范圍將向基于網(wǎng)絡(luò)化管理深化，目前，基于網(wǎng)絡(luò)的教務(wù)管理、IP廣播、視頻監(jiān)控、校園一卡通等項目已經(jīng)通過政府招標(biāo)采購，新上的項目應(yīng)該是信息化管理維護(hù)的重點(diǎn)。若用傳統(tǒng)的個人電腦和服務(wù)器模式需要部署1000多臺普通計算機(jī)，才能滿足100多個班，7000多學(xué)生規(guī)模的教育教學(xué)應(yīng)用。這樣，帶來的能耗及運(yùn)維管理成本是巨大的，信息技術(shù)運(yùn)維人員也將力不從心。為提高運(yùn)維管理效率、減少資源浪費(fèi)，我們計劃大量應(yīng)用基于云計算與虛擬化技術(shù)來解決新校區(qū)教師電子備課、信息管理等教育信息化的一些問題。

3.2 技術(shù)選型

目前的虛擬化市場中，主流的產(chǎn)品有微軟的Virtual PC和Hyper-V系列產(chǎn)品，Vmware的VMware Workstation、VMware Server系列產(chǎn)品以及Xen的Xen Enterprise系列產(chǎn)品，其中Vmware由于涉及這個領(lǐng)域比較早，目前在x86服務(wù)器這個領(lǐng)域占有半數(shù)以上的市場份額，但是隨著微軟近來推出新一波虛擬化策略，他的市場占有率正在逐步擴(kuò)大，越來越多的用戶加入到了微軟的Hyper-V陣營中[3]。從服務(wù)器虛擬化技術(shù)的方向來講，以上三家公司的產(chǎn)品技術(shù)各有所長，Hyper-V屬于操作系統(tǒng)綁定的半虛擬化技術(shù)、Vmware屬于硬件虛擬化，Xen使用的是準(zhǔn)虛擬化技術(shù)。從功能來看，也基本都能滿足用戶的需求，因此，我們選型重點(diǎn)要考慮的是性價比。

微軟收購了XenSource從而獲取了半虛擬化技術(shù)，并把這項技術(shù)和新一代服務(wù)器操作系統(tǒng)Windows Server 2008/2012有效整合起來，而且定價也比較低。對于中小學(xué)，一般應(yīng)用不是很復(fù)雜(多以O(shè)ffice應(yīng)用為主)，通常，中小學(xué)的運(yùn)維人員只熟悉Windows Server操作系統(tǒng)，不具有精通Linux的運(yùn)維人員，因此Hyper-V的Windows版本則是不二的選擇。

3.3 云計算服務(wù)器配置方案

大多數(shù)云環(huán)境都基于虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)技術(shù)。根據(jù)前面的需求分析，我們以我校400個教職工教研備課為例，采用Windows Server 2012 with Hyper-V服務(wù)器虛擬化桌面管理解決方案。采購8臺Intel Xeon E5服務(wù)器(每臺配置處理器為2顆Intel Xeon E5-2650 v2 CPU，它是八核心，16線程，20MB緩存的CPU，內(nèi)存配置8*16GB R-ECC DDR3以上，硬盤配置2塊300GB 15K熱插拔3．5寸SAS硬盤，5個Intel千兆網(wǎng)口)。每臺能為50個用戶提供計算服務(wù)。而存儲系統(tǒng)則按400*200GB高速硬盤存儲空間的共享配置。每個用戶端只需要配置大約7W功耗的云終端分體(由于是弱電，故障率極低)，就可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PC200W功耗的主機(jī)實(shí)現(xiàn)的桌面計算功能，而且根據(jù)當(dāng)前市場價格，建設(shè)基于云計算的虛擬化技術(shù)400用戶的總體成本，比采購400臺傳統(tǒng)PC建設(shè)成本略低。

表1 每年系統(tǒng)能耗成本比較(以400臺終端平均每天開機(jī)3小時)

通過Windows Server 2012 with Hyper-V虛擬化技術(shù)，為400個用戶提供"虛擬環(huán)境"(簡稱VM)。既可以降低首次投入成本、增強(qiáng)安全性、提高利用率，而且可以大大降低后期的運(yùn)維成本(詳見下文)。

4 云計算技術(shù)方案應(yīng)用預(yù)期效果

通過基于虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)技術(shù)，可以預(yù)期實(shí)現(xiàn)以下效果：

(1)節(jié)能、環(huán)保、降低投入成本。按每臺5300元，采購400臺PC機(jī)計算，采用基于虛擬化基礎(chǔ)的云計算技術(shù)方案，可以大約節(jié)約一次性投入成本16萬元。由于虛擬終端分體平均能耗只有7W左右，相對于傳統(tǒng)PC主機(jī)200W能耗，隨著使用時間的增長，后期節(jié)能降耗優(yōu)勢更顯著。詳見表1。

(2)利用虛擬化技術(shù)進(jìn)行服務(wù)器整合，全面提高服務(wù)保障水平。服務(wù)器及存儲系統(tǒng)的安全性能遠(yuǎn)高于普通PC，這樣可以降低單點(diǎn)故障，提高服務(wù)保障水平。

(3)利用虛擬化技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)一管理維護(hù)，極大降低了管理工作量。服務(wù)器整合改變了基礎(chǔ)設(shè)施的分散、復(fù)雜現(xiàn)狀，允許管理人員使用集中管理控制臺對多臺服務(wù)器進(jìn)行集中管理。同時各部門也可以利用用戶控制面板對單個VM進(jìn)行管理維護(hù)，進(jìn)行諸如啟動、停止、重啟、備份、恢復(fù)等，靈活的集中管理模式將使管理員從簡單機(jī)械的重復(fù)操作(如重裝系統(tǒng))中解脫出來，極大地降低了管理工作量。

(4)改善資源分配，提高資源利用率。傳統(tǒng)PC機(jī)每個人的硬件資源(比如CPU、內(nèi)存及硬盤空間)獨(dú)立，很多人用不完，有些人不夠用。利用Hyper-V虛擬化技術(shù)，信息中心可以按照不同應(yīng)用所需的不同資源，動態(tài)地對物理服務(wù)器進(jìn)行虛擬分區(qū)，提供最合適的虛擬環(huán)境，極大地提高硬件的利用率，也使得資源分配更加合理。虛擬環(huán)境的大量使用，還可以改變以往在單臺服務(wù)器上只能部署單個應(yīng)用的弊病，除了降低單點(diǎn)故障可能性外，還緩解因資源利用率不高而導(dǎo)致的整體資源緊張問題，增強(qiáng)數(shù)據(jù)安全性和災(zāi)難恢復(fù)能力，最大程度地保障多用戶環(huán)境下的數(shù)據(jù)安全[4]。

(5)降低運(yùn)維成本。虛擬化方案部署后，所有應(yīng)用全部運(yùn)行在虛擬環(huán)境中，完全實(shí)現(xiàn)了軟硬件的隔離。利用Hyper-V虛擬化技術(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)零宕機(jī)遷移技術(shù)，可將遷移工作對業(yè)務(wù)的影響降低為零。無需使用昂貴的專用存儲設(shè)備，僅采用備份現(xiàn)有虛擬環(huán)境或進(jìn)行VM整體遷移，就可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量備份/恢復(fù)方案。通過部署虛擬化技術(shù)，可以改善信息中心對基礎(chǔ)設(shè)施的管理方式，極大地降低管理工作量。傳統(tǒng)PC技術(shù)方案要維護(hù)400臺PC機(jī)，科室間人員工作變動需要拷貝大量數(shù)據(jù)甚至搬動PC機(jī)。應(yīng)用云技術(shù)方案只需維護(hù)8臺服務(wù)器和一套存儲系統(tǒng)，人員在校園網(wǎng)內(nèi)任何地點(diǎn)登錄辦公都是一樣環(huán)境，節(jié)約管理和維護(hù)成本。使用幾年后，若需升級，只需要升級服務(wù)器系統(tǒng)和存儲系統(tǒng)統(tǒng)即可，不需像以往傳統(tǒng)PC要對400多臺計算機(jī)進(jìn)行升級。

5 面臨的問題及對策

5.1 技術(shù)人員能力不足

由于大部分中小學(xué)技術(shù)管理人員都是由信息技術(shù)教師兼職，缺乏服務(wù)器的使用經(jīng)驗(yàn)，虛擬化方案部署后，將面臨管理人員難以勝任的問題，這需要加強(qiáng)技術(shù)人員培訓(xùn)的力度，提高管理人員技術(shù)水平。

5.2 使用習(xí)慣

用戶每次使用都需要通過賬號登錄，另外存儲的數(shù)據(jù)都是云端(遠(yuǎn)端的服務(wù)器存儲系統(tǒng))，這與普通PC本地不同，需要對用戶進(jìn)行簡單使用方法及安全技術(shù)培訓(xùn)。

5.3 對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的依賴程度高

就現(xiàn)在來說，虛擬化并不是一項新技術(shù)。虛擬化剛剛誕生的時候，它最大的詬病就是，支撐虛擬系統(tǒng)的硬件投入和對于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的要求，對網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求較高等。如果網(wǎng)絡(luò)不通，任何事情都不能做，基于此，我們一是要在先期的校園網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)環(huán)境建設(shè)做扎實(shí)(就目前我校規(guī)劃的萬兆主干千兆到桌面的校園網(wǎng)基礎(chǔ)應(yīng)該是能夠勝任)，二是為每個教研組配置一臺獨(dú)立PC靈活應(yīng)用。由于服務(wù)器及存儲系統(tǒng)存放在網(wǎng)絡(luò)中心，因此，為了降低故障、延長使用壽命，網(wǎng)絡(luò)中心環(huán)境的建設(shè)也要搞好。

[1]袁紅軍.云計算環(huán)境下數(shù)字參考咨詢服務(wù)模式構(gòu)建[J].情報科學(xué),2010,22(4):507-508.

[2]劉越.云計算技術(shù)及應(yīng)用[J],2009,12:6.

[3]陳國良,孫廣中,徐云.并行計算的一體化研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].科學(xué)通報, 2009,54(8):1043.

[4]賀小華.云計算在教育中的應(yīng)用——以Google協(xié)作平臺為例[J].軟件導(dǎo)刊(教育技術(shù)),2009(9):71-74.

貴州省銅仁市教育局立項課題“數(shù)字化校園環(huán)境構(gòu)建的研究與實(shí)驗(yàn)”,項目編號:2013sj094。