周　沫　周文姬　楊瑛霞（武警政治學(xué)院，上?！?81602）

云校園整體架構(gòu)設(shè)計(jì)及幾點(diǎn)啟示
——以武警政治學(xué)院為例

周沫周文姬楊瑛霞
（武警政治學(xué)院，上海281602）

近年來(lái)，云計(jì)算技術(shù)在教育信息化領(lǐng)域快速發(fā)展，武警部隊(duì)積極利用新的信息技術(shù)推進(jìn)院校轉(zhuǎn)型發(fā)展，政治學(xué)院成為武警部隊(duì)第一個(gè)云試點(diǎn)院校。文章在政治學(xué)院云校園建設(shè)實(shí)踐的基礎(chǔ)上總結(jié)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)、梳理關(guān)鍵技術(shù)，為下一步云計(jì)算在武警部隊(duì)院校的全面推開(kāi)提供有益借鑒。

云校園；系統(tǒng)架構(gòu)；虛擬化

一、基本情況與特點(diǎn)

武警政治學(xué)院信息化經(jīng)過(guò)十多年建設(shè)，已經(jīng)形成了多層次、多應(yīng)用的校園信息化體系，在用信息系統(tǒng)十多個(gè)，存儲(chǔ)資源已達(dá)到100T。但是，由于每一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)都是用獨(dú)立的服務(wù)器、獨(dú)立的安全和管理策略、獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)和展現(xiàn)層，呈現(xiàn)出典型的“孤島架構(gòu)”。這種架構(gòu)下各應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)分散、融合困難、維護(hù)成本大、整體應(yīng)用效益比較低。

為了有效解決上述問(wèn)題，在新校區(qū)信息化建設(shè)的整體規(guī)劃中，積極運(yùn)用了云計(jì)算技術(shù)，依托新校區(qū)萬(wàn)兆核心骨干網(wǎng)絡(luò)，采用混合搭建模式進(jìn)行云校園組網(wǎng)架構(gòu)。采用此架構(gòu)構(gòu)建的云校園基礎(chǔ)設(shè)施，為信息集中管控、軟硬件資源共享、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融合提供支撐。其中，核心層配置2臺(tái)服務(wù)器作為系統(tǒng)管控服務(wù)器；54臺(tái)同類(lèi)服務(wù)器集群作為系統(tǒng)計(jì)算資源池服務(wù)器，通過(guò)23臺(tái)以太網(wǎng)交換機(jī)相聯(lián)，為云桌面提供計(jì)算資源。通過(guò)SAN交換機(jī)4臺(tái)、120T磁盤(pán)陣列1套作為存儲(chǔ)資源池。終端接入規(guī)模達(dá)到1500個(gè)，桌面帶寬1000M，初步建成云校園。

組網(wǎng)架構(gòu)邏輯上分為三個(gè)vlan，分別為業(yè)務(wù)、存儲(chǔ)和管理網(wǎng)。匯聚交換機(jī)五臺(tái)，通過(guò)萬(wàn)兆網(wǎng)絡(luò)連接校園網(wǎng)核心交換。管理網(wǎng)接入交換機(jī)分別與56臺(tái)服務(wù)器連接，為管理員對(duì)主機(jī)、虛擬機(jī)、存儲(chǔ)管理提供通道，同時(shí)為網(wǎng)管和維護(hù)人員提供管理接入功能。業(yè)務(wù)網(wǎng)提供用戶(hù)對(duì)云桌面的訪問(wèn)功能，用戶(hù)通過(guò)業(yè)務(wù)網(wǎng)連接到個(gè)人桌面。存儲(chǔ)網(wǎng)通過(guò)FC光纖交換機(jī)連接各個(gè)服務(wù)器為虛擬機(jī)提供共享存儲(chǔ)。此方案歸結(jié)起來(lái)，主要有以下特點(diǎn)：

（一）通過(guò)信息集中管控功增強(qiáng)應(yīng)用和數(shù)據(jù)的安全性，對(duì)原獨(dú)立辦公PC資源整合和統(tǒng)一調(diào)度管理，使資源利用最大化，簡(jiǎn)化IT資產(chǎn)管理的復(fù)雜度。

（二）軟硬件資源彈性共享?？焖?、靈活的桌面部署，不僅降低了建設(shè)成本，綠色節(jié)能環(huán)保，而且實(shí)現(xiàn)了校園內(nèi)隨時(shí)隨地方便快捷訪問(wèn)個(gè)人云桌面，從而提高工作效率。

（三）數(shù)據(jù)融合，云桌面系統(tǒng)平臺(tái)提供完善的對(duì)外接口與第三平臺(tái)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一用戶(hù)賬號(hào)認(rèn)證管理平臺(tái)。并將各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)及時(shí)地互聯(lián)互通，達(dá)到數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、管理統(tǒng)一和維護(hù)統(tǒng)一，最終實(shí)現(xiàn)信息分散、動(dòng)態(tài)采集、集中管理、共享應(yīng)用，徹底消除校園內(nèi)的“信息孤島”現(xiàn)象。

二、云校園總體構(gòu)架

云校園總體采用混合搭建模式完成，自底向上分別為分為五層，包括基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺(tái)層、應(yīng)用層、服務(wù)層和終端接入層（見(jiàn)圖1）。

圖1　　云校園總體架構(gòu)

基礎(chǔ)設(shè)施層（IaaS）主要按需提供硬件資源服務(wù)，是云校園建設(shè)的重點(diǎn)。系統(tǒng)采用Xen半虛擬化架構(gòu)，內(nèi)含資源池管理、虛擬資源和物理資源層。資源池管理層主要是桌面虛擬化資源調(diào)度軟件，可以實(shí)現(xiàn)IT基礎(chǔ)資源云化，具體支持以下功能：整合資源池，創(chuàng)建一個(gè)統(tǒng)一管理的共享基礎(chǔ)架構(gòu)資源池；整合物理機(jī)和虛擬機(jī)等計(jì)算資源；整合FCSAN磁陣存儲(chǔ)等存儲(chǔ)資源；整合網(wǎng)絡(luò)資源包括IP地址、帶寬、負(fù)載均衡能力、防火墻等資源；資源分配調(diào)度，根據(jù)負(fù)載均衡和資源均衡的策略，從基礎(chǔ)設(shè)施資源池按照需求部署資源實(shí)例，根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)調(diào)度；提供用戶(hù)、安全管理、監(jiān)控管理等管理功能；集中監(jiān)控管理所有計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源。

平臺(tái)層提供平臺(tái)即服務(wù)（PaaS）是云計(jì)算應(yīng)用程序運(yùn)行環(huán)境，提供應(yīng)用程序的部署與管理。對(duì)于終端用戶(hù)來(lái)講，PaaS的優(yōu)勢(shì)是使用戶(hù)可以不必為他們的使用需求搭建和配置硬件與軟件環(huán)境。當(dāng)用戶(hù)對(duì)某些軟件有需求時(shí)，可以通過(guò)搭建相關(guān)軟件的“平臺(tái)級(jí)”服務(wù)提供。如果采用PaaS方式，軟件只需要在服務(wù)器里安裝一遍，然后估算一個(gè)用戶(hù)使用峰值購(gòu)買(mǎi)用戶(hù)賬號(hào)。當(dāng)某一用戶(hù)使用完畢關(guān)閉應(yīng)用，其占用的資源就會(huì)自動(dòng)釋放提供給其他人繼續(xù)使用。平臺(tái)層主要是提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)，屏蔽了數(shù)據(jù)庫(kù)之間的異構(gòu)，消除了數(shù)據(jù)煙囪。同時(shí)，部署了云計(jì)算的API，以期在二期建設(shè)中部署切實(shí)可用的平臺(tái)打下基礎(chǔ)。

應(yīng)用層是由若干個(gè)特定應(yīng)用服務(wù)元素（SASE）和一個(gè)或多個(gè)公用應(yīng)用服務(wù)元素（CASE）組成，涵蓋教務(wù)、教保、科研、能源管控及安防等十幾個(gè)業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)。

服務(wù)層就是合理的安排業(yè)務(wù)組件，同時(shí)根據(jù)角色和權(quán)限不同設(shè)置不同的服務(wù)、工作流和業(yè)務(wù)邏輯的其他組件，包含云桌面系統(tǒng)及門(mén)戶(hù)系統(tǒng)建設(shè)。主要進(jìn)行統(tǒng)一的身份認(rèn)證，并根據(jù)人員權(quán)限定制了不同角色的個(gè)人服務(wù)門(mén)戶(hù)。云桌面系統(tǒng)利用虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施、桌面、應(yīng)用等資源的共享，并對(duì)其進(jìn)行集中部署和管理，在數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一托管以服務(wù)方式交付云桌面系統(tǒng)。

終端接入層就是用戶(hù)使用的小體積、低功耗的接入終端設(shè)備。前端用戶(hù)使用賬號(hào)密碼登陸云桌面，數(shù)據(jù)通過(guò)核心交換機(jī)到達(dá)匯聚層，根據(jù)其攜帶的管理服務(wù)器地址信息，會(huì)直接發(fā)送到管理服務(wù)器平臺(tái)做賬戶(hù)驗(yàn)證，驗(yàn)證通過(guò)并查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)信息中帳號(hào)對(duì)應(yīng)的虛擬機(jī)資源后，通過(guò)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送到對(duì)應(yīng)的服務(wù)器承載的虛擬機(jī)，啟動(dòng)響應(yīng)的軟硬件資源反饋給用戶(hù)，呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)的云桌面系統(tǒng)資源，同時(shí)進(jìn)入統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換平臺(tái)獲取個(gè)人信息及權(quán)限，最后用戶(hù)就可以進(jìn)入各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)權(quán)限的訪問(wèn)。

三、核心關(guān)鍵技術(shù)

搭建基于云計(jì)算的智慧校園，采用虛擬化核心技術(shù)構(gòu)建了基礎(chǔ)設(shè)施層（IaaS）。首先，虛擬化技術(shù)將服務(wù)器物理資源抽象成邏輯資源，利用服務(wù)器虛擬化整合各類(lèi)軟硬件資源，并進(jìn)行初級(jí)的自動(dòng)智能分配，從而提高資源的利用率，以達(dá)到資源配置最優(yōu)。其次，運(yùn)行在服務(wù)器上的虛擬化內(nèi)核軟件，可以屏蔽底層異構(gòu)硬件之間的差異，消除上層操作系統(tǒng)對(duì)硬件設(shè)備以及驅(qū)動(dòng)的依賴(lài)，增強(qiáng)硬件在虛擬化環(huán)境中的兼容性、可靠性、可擴(kuò)展性等功能。再次，通過(guò)虛擬化管理軟件形成云計(jì)算資源管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)中心內(nèi)計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)等硬件資源的虛擬化管理，對(duì)上層應(yīng)用提供自動(dòng)化服務(wù)。最后，通過(guò)云業(yè)務(wù)管理中心，將基礎(chǔ)架構(gòu)資源及其相關(guān)策略整合成虛擬數(shù)據(jù)中心資源池，并允許終端用戶(hù)按需消費(fèi)這些資源。

圍繞虛擬化核心技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，采用虛擬機(jī)模板、熱遷移和熱備份技術(shù)。

（一）虛擬機(jī)模板技術(shù)：虛擬機(jī)模板是由硬件配置文件、虛擬硬盤(pán)和可選角色操作系統(tǒng)配置文件組成的庫(kù)資源，通過(guò)提供標(biāo)準(zhǔn)化硬件和軟件設(shè)置組，可用于創(chuàng)建多個(gè)使用這些設(shè)置配置的新虛擬機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)云桌面的快速部署和細(xì)粒度資源管理，虛擬機(jī)采用模板化，通過(guò)細(xì)化用戶(hù)分類(lèi)預(yù)裝了操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，并對(duì)虛擬設(shè)備進(jìn)行了預(yù)配置，有效的減少了虛擬機(jī)的部署時(shí)間。

（二）熱遷移技術(shù)：云桌面熱遷移是指云桌面在運(yùn)行狀態(tài)下從一臺(tái)物理機(jī)移動(dòng)到另一臺(tái)物理機(jī)。云桌面熱遷移技術(shù)對(duì)云計(jì)算平臺(tái)有效管理具有重要意義：1、提高系統(tǒng)可靠性。在物理機(jī)需要維護(hù)時(shí)，可以在前端用戶(hù)無(wú)感知的情況下將運(yùn)行于該物理機(jī)上的云桌面整機(jī)熱遷移至其他正常運(yùn)行的物理機(jī)；2、有利于負(fù)載均衡。正常情況下，云桌面開(kāi)始運(yùn)行時(shí)是由后臺(tái)管理軟件自動(dòng)分配物理機(jī)。當(dāng)某臺(tái)物理機(jī)負(fù)載過(guò)重時(shí)，可以通過(guò)云桌面熱遷移達(dá)到負(fù)載均衡，優(yōu)化數(shù)據(jù)中心性能；3、有利于設(shè)計(jì)節(jié)能方案。通過(guò)收集數(shù)據(jù)可以畫(huà)出用戶(hù)使用峰值圖，由此在非高峰時(shí)間集中零散的虛擬機(jī)，可以使部分物理機(jī)完全空閑，以便關(guān)閉這些物理機(jī)或使其休眠，以達(dá)到節(jié)能的目的。

（三）熱備份管理技術(shù)：數(shù)據(jù)是信息化的核心資源，備份機(jī)制是保證數(shù)據(jù)可靠性的基礎(chǔ)。有效的備份策略不但可以降低數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)，而且能優(yōu)化作業(yè)完成時(shí)間。熱備份可以在系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下進(jìn)行備份，不會(huì)對(duì)前端用戶(hù)造成任何影響。政治學(xué)院云計(jì)算數(shù)據(jù)中心采用SAS硬盤(pán)來(lái)存儲(chǔ)云桌面相關(guān)數(shù)據(jù)。這種硬盤(pán)性能好、可靠性高，普遍應(yīng)用于數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)可用性極為關(guān)鍵的應(yīng)用中，滿足用戶(hù)對(duì)高頻率和即時(shí)、隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求。數(shù)據(jù)副本備份采用1：1備份原則存放于SATA硬盤(pán)中，云桌面后臺(tái)管理系統(tǒng)定制了專(zhuān)門(mén)的備份方案。此方案界面如圖3所示。策略分為單次備份、按周備份、按月備份，只需要在界面上做簡(jiǎn)單的配置操作，就可以完成用戶(hù)虛機(jī)的多種備份。

四、幾點(diǎn)啟示

云校園是一項(xiàng)全新的建設(shè)領(lǐng)域，具有很強(qiáng)的全局性、系統(tǒng)性和應(yīng)用性。應(yīng)結(jié)合政治學(xué)院云計(jì)算試點(diǎn)建設(shè)的現(xiàn)狀，有針對(duì)性的分析實(shí)踐中的各種問(wèn)題和啟示，為下一步在武警院?？茖W(xué)、有序、高效的推廣云校園建設(shè)提供參考。

（一）貼近用戶(hù)需求，以兼容并蓄為原則做好頂層設(shè)計(jì)。好的頂層設(shè)計(jì)既要向下與老系統(tǒng)的兼容，又要預(yù)留下未來(lái)的發(fā)展空間。武警院校大多建立了一些應(yīng)用系統(tǒng)，具有一定的數(shù)據(jù)積累。尤其需要統(tǒng)籌搞好頂層設(shè)計(jì)，做好與現(xiàn)有系統(tǒng)的混合搭建和數(shù)據(jù)融合。云校園作為一種彈性拓展的搭建模式，更是需要針對(duì)實(shí)際需求，留好發(fā)展空間。

做好統(tǒng)籌的關(guān)鍵還要針對(duì)實(shí)際運(yùn)用中存在的使用者不同，使用場(chǎng)景不同等情況，合理規(guī)劃資源分配，以達(dá)到資源配置最優(yōu)。不僅使得有限資源可以提供更多的服務(wù)，更有利于對(duì)數(shù)據(jù)的分析和管理。

（二）實(shí)施工程化建設(shè)，強(qiáng)調(diào)技術(shù)環(huán)節(jié)的無(wú)縫銜接。在實(shí)際的建設(shè)過(guò)程中要站在校園信息化建設(shè)全局的高度，以工程化的思路和方法實(shí)施項(xiàng)目建設(shè)，合理統(tǒng)籌與各應(yīng)用系統(tǒng)的對(duì)接，確保建設(shè)過(guò)程規(guī)范、高效。緊緊抓住各系統(tǒng)與云桌面無(wú)縫銜接，通過(guò)大量測(cè)試來(lái)打通系統(tǒng)鏈路，確保桌面系統(tǒng)的可用性。通過(guò)細(xì)化用戶(hù)分類(lèi)定制個(gè)性化模板，預(yù)裝操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，對(duì)虛擬設(shè)備進(jìn)行預(yù)配置，完成系統(tǒng)的快速部署，有效提高虛擬機(jī)的部署效率。

（三）加強(qiáng)推廣培訓(xùn)，盡快改變應(yīng)用習(xí)慣。由于操作習(xí)慣的改變，大家面對(duì)云桌面新的使用模式，需要有一個(gè)熟悉掌握的過(guò)程，容易產(chǎn)生抵觸心理。系統(tǒng)整體效益的發(fā)揮，建好是基礎(chǔ)，用好是關(guān)鍵，這就需要全員提高信息素養(yǎng)和駕馭云桌面系統(tǒng)和設(shè)備的能力。為此，我們采用課堂講授、操作示范和網(wǎng)絡(luò)視頻發(fā)布等多種方法手段，不斷加強(qiáng)推廣培訓(xùn)力度。此外，編寫(xiě)了《云桌面使用手冊(cè)》集成到桌面系統(tǒng)內(nèi)，以方便用戶(hù)隨時(shí)調(diào)閱。同時(shí)，建立了專(zhuān)項(xiàng)報(bào)修服務(wù)臺(tái)和值班制度，及時(shí)根據(jù)報(bào)修數(shù)據(jù)反應(yīng)出來(lái)的一些共性問(wèn)題完善云桌面系統(tǒng)，不斷推出定制化的應(yīng)用功能，以符合用戶(hù)的操作使用習(xí)慣。

五、結(jié)語(yǔ)

云校園作為一種新型的智慧校園模式發(fā)展迅速，政治學(xué)院云校園建設(shè)仍處于試點(diǎn)探索階段，如何更好的提供校園信息服務(wù)，如何與武警院校的數(shù)據(jù)工程建設(shè)更好的融合，仍需要深入研究。尤其是目前僅在IaaS層面提供了計(jì)算和存儲(chǔ)資源的虛擬化服務(wù)，下一步如何在平臺(tái)層和服務(wù)層開(kāi)發(fā)出更多的優(yōu)質(zhì)資源和軟件系統(tǒng)，這些都是我們努力的方向。

［1］張蕾.校園云計(jì)算應(yīng)用推廣研究［J］.網(wǎng)絡(luò)安全與技術(shù)應(yīng)用，2013（6）.

［2］羅軍舟，金嘉輝，宋愛(ài)波，東方.云計(jì)算：體系架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)［J］.通信學(xué)報(bào)，2011 （7）.

［3］羅群，劉振棟.校園云平臺(tái)的構(gòu)建研究［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2015（9）.

［4］徐小龍等.分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)副本管理機(jī)制［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2013（2）.

［責(zé)任編輯烽燧］

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1008-7656（2016）02-0058-04

2016-05-27

周沫，武警政治學(xué)院訓(xùn)練部信息管理中心助教，碩士；周文姬，武警政治學(xué)院訓(xùn)練部信息管理中心講師；楊瑛霞，武警政治學(xué)院訓(xùn)練部信息管理中心教授，博士。