基于云計算平臺的數字校園建設方案
——以廣州大學數字校園建設為例

楊玉寶，唐連章，衛建安，廖宏建

（廣州大學 網絡與現代教育技術中心，廣東 廣州 510006）

基于云計算平臺的數字校園建設方案
——以廣州大學數字校園建設為例

楊玉寶，唐連章，衛建安，廖宏建

（廣州大學 網絡與現代教育技術中心，廣東 廣州 510006）

文章分析了目前數字校園建設中存在的問題，提出云計算技術的特征及可能的優勢，深入剖析了廣州大學數字校園建設中采用云計算技術的解決方案和部署策略，歸納了云計算技術在數字校園建設中實現的功能。

數字校園；云計算；部署策略

一、數字校園建設中存在的問題

數字校園在各高校的建設如火如荼，在建設中首先考慮的是建立支撐各應用系統的數據中心。目前數據中心大多數是以服務器（小型機或刀片服務器）和SAN存儲連接方式為基礎，一個應用系統部署在幾個服務器上（應用服務器、數據庫服務器），通過小型機或多組刀片來實現多個應用的部署。采用這種傳統的方式來建設數據中心，主要存在以下問題。

1.資金投入大

數字校園的應用系統動輒就有幾十個 （如教務管理、人事管理、辦公、科研管理、財務管理、固定資產管理、實驗教學管理、研究生管理等等），應用系統的建設需要大量的服務器來支撐，因此必須有較大的建設資金投入。同時，有些系統如果沒有小型計算機的支持，系統很難正常運行，如教務系統在學生選課和評教時系統需要能夠支持大并發用戶的使用。另外，為了解決硬件單點故障的風險，關鍵應用系統通常采用主、備服務器來支持，這就需要更多的服務器資源，資金投入也就更多。

2.系統管理難度高[1]

大量服務器的規劃、安裝、部署將給系統的管理帶來很大的難度，特別是當個別系統出現問題時，系統的重新部署和調整都需要較長時間。同時，由于部署的物理設備型號各異，運行的操作系統和應用系統種類繁多，技術人員通常需要針對特定的設備特定的系統制定單獨的管理、維護和災備方案。在這種模式下一個技術人員一般最多只能管理20臺左右的服務器，而數據中心的眾多服務器管理的工作量和工作難度常常讓技術人員苦不堪言。

3.資源使用效率不高

在系統建成后，由于數字校園中每個系統需要多臺服務器資源來支持，但實際使用中，有些應用系統一天可能只有少數人使用，使用的次數也很少；另外，這些應用系統的使用模式也非常有規律，如大部分用戶的使用和訪問集中在上班時間或者傍晚。特別是非正常上班時間（晚上、節假日）利用率更低。在這些時間內，只有少數人偶爾使用OA系統、郵件系統、課程資源系統等，大量的業務系統實際上處于空閑狀態，資源利用率不超過5%，但支持這些應用系統正常運行的所有資源需要不間斷工作。根據相關可靠的統計數據顯示，商業服務器的利用率一般不超過20%，而在校園內支撐數字校園應用的服務器利用率相對更低，一般不會超過10%，因此造成了大量優質資源的浪費。

4.與“低碳經濟”不符

由于支持系統的各種資源 （服務器、網絡和存儲設備）必須24小時不間斷運行，能源消耗非常厲害。廣州大學數據中心根據業務擴展的需要，如果采用傳統方式，屆時將有約100臺服務器，按每臺500瓦計算，一年的耗電將達438000千瓦時。考慮到冷卻、照明等用電，每年的耗電超過100萬千瓦時。

5.可用性低

使用傳統的架構，服務器一旦出現故障，很難快速恢復，特別是目前很多應用系統都獨立占用服務器，造成服務器資源的緊缺和浪費。同時，這些獨占并且長期在線的服務器在系統和數據備份方面缺乏相應的支持，難以在出現硬件故障的情況下迅速恢復系統。如教務系統，在學生選課時耗用資源非常大，負載過大容易造成服務器硬件故障，使系統運行緩慢，影響學生的選課。服務器出現故障后，如硬盤損壞等，技術管理員難以在短時間內恢復最新的數據，由此造成數據丟失或者服務需要較長時間才能夠恢復正常運作。服務器的容災容錯性能也比較差，特別是系統過載時難以進行應用和服務的遷移。

簡而言之，在數字校園建設中采用傳統的方式，主要存在高投入、難管理、低效率、高能耗、低可用等方面的問題。

二、云計算的含義和技術特征

1.云計算的含義

云計算是2007年第三季度開始興起的新名詞，是分布式計算的自然延伸，是通過整合、管理、調配分布在網絡各處的計算資源，以按需分配、按用計費、通過互聯網分發、并以統一的交互接口同時向大量用戶提供服務的一個IT服務模式。[2]云計算包括信息基礎設施（硬件、平臺、軟件）以及建立在基礎設施上的信息服務。提供各類資源的網絡被稱為“云”，對使用者而言，“云”中的資源可以隨時獲取、按需使用、隨時擴展。

2.云計算的特征[3]

（1）用戶的多層次性

根據云計算提供服務的層次不同，其服務對象既有企業、政府、學術、個人等最終用戶，也包括應用軟件、中間件平臺等“用戶”。

（2）設備的多樣性

云計算所提供服務的設備既包括各種規模的服務器、主機、存儲設備，也包括各種類型的終端設備，如計算機、智能手機、各種智能傳感器、RFID設備等。

（3）服務的多樣性

云計算既可以作為一種共用設施，以“公共云”的方式提供社會服務，也可以“專用云”的形式作為集中計算平臺為企業信息化服務。

三、基于云計算平臺的廣州大學數字校園實施方案

1.廣州大學數字校園建設簡介

我校的數字校園建設從2009年開始啟動，分期進行。一期工程包括應用支撐平臺 （包括共享數據中心平臺、統一身份認證平臺、統一信息門戶平臺）的建設、核心應用系統（包括協同辦公系統、教務管理信息系統、人力資源管理信息系統、迎新管理信息系統、學生工作管理系統）的建設，及現有應用系統整合及部分應用系統的數據遷移、系統軟件（包括數據庫管理系統、應用服務器）。二期工程主要是在一期工程的基礎上，構建一個完整、統一的校園云計算平臺，實現對整個平臺中計算資源的共享、管理及動態分配，全面展開電子校務系統建設，使電子校務各種應用系統得到深層次應用，形成以電子校務系統為核心、教學服務系統為輔助，面向教學、科研和管理的服務型學校。正在進行的二期工程建設已經取得階段性成果。

2.基于云計算平臺的數字校園系統構架

根據我校數字校園一期、二期硬件環境及云計算平臺建設的規劃，我們設計了廣州大學數字校園云計算平臺具體實施方案，如圖1所示是云計算平臺拓撲。

考慮到共享數據庫系統及ESB系統負載需求及規劃，在云計算平臺建設中，把共享中心數據庫系統和金蝶ESB數據交換系統架構在物理系統之上 （不采用虛擬機方式部署，上圖虛線右邊部分）。同時云計算平臺備份系統實現整個應用的備份及云計算平臺的備份，也把備份服務器系統直接架構在物理系統之上，不采用虛擬機方式部署。下面對圖1簡單介紹。

（1）服務器系統云（核心應用系統）

服務器系統云是云計算平臺中主要運行虛擬機及應用的核心計算資源的組成，它是由一期的刀片服務器及二期的刀片服務器組成（共23臺刀片服務器，2塊4路6核DELL刀片，16塊2路4核DELL刀片，5塊2路4核HP刀片），形成統一的資源池，包括CPU、內存、網絡資源池，配合云存儲系統部分的存儲池，構成一個統一的可分配置的資源池。廣州大學已經建設的24個核心應用都從資源池中獲得資源分配并穩定運行。

（2）存儲云

在規劃存儲系統的時候，由于需要針對一二期的光纖存儲和IP存儲以及磁帶庫設備一同考慮，因此我們不但要保證整個云存儲系統具備良好的擴展能力，還要可以滿足各類業務的穩定支撐，因此，我們根據所有業務應用的數據特性劃分了三個功能分區，如圖2所示。

其中虛擬機映像區用于存儲所有虛擬服務器的主機映像和快照等；應用數據區主要用于存儲各業務應用的文件等，如OA的歸檔公文、檔案系統的電子資料等；共享數據區主要服務于共享數據中心平臺，凡是需要進行交換、匯總以及用于挖掘的共享數據都放置在這個功能分區。所有的功能分區都可以通過統一的管理平臺進行管理，所有的操作都可以后臺進行，對于各個業務系統本身都是便捷且透明的。

（3）云計算平臺管理中心

管理中心實現對整個云計算平臺的管理，包括數據中心、資源池集群、物理主機、虛擬機、模板、用戶、日志的管理，支持虛擬機在線遷移、虛擬機高可用性、虛擬機快照、虛擬機模板、物理主機過載策略定義、物理主機維護模式設置、資源池電源管理等高級特性。

（4）云計算平臺統一身份認證系統

主要完成云計算平臺中各應用系統用戶身份的統一認證，實現單點登錄，由多個刀片服務器以集群的方式支撐。

（5）負載均衡器子系統

由兩個專門的硬件負載均衡器構成負載均衡子系統，結合云計算平臺監測腳本可以實現虛擬機的自動啟動和停止，充分滿足不同負載下資源的合理分配，同時又滿足SLA應用服務質量QoS的需求。

（6）VPN服務器子系統

由專門的SSL VPN服務器設備構成，實現外網用戶對云平臺核心應用系統的安全訪問。其中SSL VPN的認證環節由統一身份認證系統的用戶目錄實現，簡化了外網用戶的訪問步驟。

（7）共享數據中心數據庫子系統（RAC）

由兩臺4路6核刀片服務器連接SAN存儲實現Oracle RAC數據庫子系統，存儲各應用系統的共享數據。為了提高RAC的性能及穩定性，直接部署在物理主機上而不是虛擬機中。

（8）ESB數據交換子系統

由單個4路4核刀片服務器支撐，負責共享數據中心與各應用系統間的數據交換。考慮其性能及穩定性的實際要求，以及未來可能會采用舊的教務系統的兩個小型機構建集群的配置方式。

（9）云計算平臺備份子系統

由一個刀片服務器加MSA2000存儲組成整個云計算平臺的備份系統，包括云計算平臺中應用系統的備份、數據庫備份和云計算平臺管理中心的備份。

3.應用系統部署

廣州大學云計算平臺中應用系統的部署如圖3所示，部署策略如下：

（1）應用集群策略。針對平臺類核心系統采用多節點虛擬化集群策略進行部署，防止出現應用單點故障。同時，為了保證系統運行效率，各集群節點后端采用共享GFS文件系統來達到各集群節點的數據實時共享。典型應用如圖3的 “門戶集群”、“認證集群”、“教務集群”等。

（2）集中數據庫服務策略。為了實現業務應用系統數據資源的統一管理及維護，我們針對所有云計算平臺的應用業務，配置獨立的數據庫集群（oracle rac），同時配置獨立存儲及備份設備，從而保證各云計算平臺下的業務系統數據使用安全。

（3）負載均衡策略。為了防止重要應用系統的單點故障發生，以及增強核心應用的負載能力，我們采取了均衡設備對各虛擬結點負載進行智能的均衡分擔，從而可以保證各個核心業務的高可用性。

（4）動態資源調度策略。為了將最大的物理資源保證最關鍵的業務應用，我們可以預先設定好資源分配參數，當主機達到了設定的條件時，平臺將動態進行資源負載調整，以保證關鍵應用始終處于最優的物理設備支持下運行。同時我們還可以定義優化規則，當某臺物理服務器的資源利用率長時間低于設定閾值，便可以采取自動關閉這臺物理服務器以達到節省電源的效果。當負載提升時，可以自動喚醒休眠的服務器以保證應用的正常運行。

（5）HA動態遷移策略。通過該策略可提高整個云平臺基礎架構的高可用性，管理平臺通過實時監控主機系統和虛擬機系統，當發現平臺內發生了主機失效現象，虛擬機會自動根據預置策略將對應的虛擬機遷移到其他正常運行的主機上，并重啟對應虛擬機，整個過程完全無需人工干預，且對于用戶來說整個業務并不會發生明顯的中斷現象，從而大大提高了業務應用的高可用性。

4.云平臺實現的功能

在數字校園建設中，通過構建云計算平臺，主要可實現如下功能：[4-6]

（1）快捷的云服務部署

項目通過云計算技術對服務和應用的部署實現統一化管理。管理員只需要在一個單一系統上配置好需要部署的服務和應用，系統就可以把部署好的服務和應用快速部署到相應的服務器計算節點上。

（2）敏捷的云服務切換

云服務的部署可以靈活調整，不受限于指定的物理設備。在運行過程中，系統可以靈活地改變物理設備上部署的業務和應用，實現不同業務系統對物理設備的靈活利用和共享的同時，可以根據服務負載的模式在不同服務之間進行切換，保證各服務能夠獲得足夠的峰值資源。

（3）動態的云服務遷移

云服務可以在運行時刻針對物理環境的變化，如硬件設備的穩定性、服務器的負載等，從一個硬件設備遷移到另一個硬件設備。云服務的動態遷移在保證服務的可用性的同時實現了災難應對、設備切換功能等。

（4）較高的資源利用

通過云計算技術，可以實現硬件資源和軟件資源的按需使用，特別是在節假日及晚間空閑時段，這些資源可以自動分配給學校需要大規模計算的科研項目、租賃給外單位使用或者關閉部分設備，從而大大提高資源的利用率以及降低能耗。

[1]何禹，胡宇鴻等.虛擬化技術在校園網數據中心的應用[J].電子科技大學學報，2007（6）:1461-1464.

[2]IBM“虛擬化與云計算小組”.虛擬化與云計算[M].北京：電子工業出版社，2009.11.

[3]劉鵬.云計算的定義和特點[EB/OL].[2009-02-25],http://www.chinacloud.cn/show.aspx?id=741&cid=17

[4]IBM.云計算平臺的功能[EB/OL].[2009-02-17].http://www.chinacloud.cn/show.aspx?id=738&cid=12

[5]NEIGER G,SANTON I A,LEUNG F,et al.Virtualization technology:Hardware support for efficient processor virtualization[J].Intel Technology Journal,2006,10（3）:167-178.

[6]Pengzhi Xu,W eim in Zheng,Yongwei W u,et al.Enabling Cloud Storage to Support Traditional Applications[C].The Fifth Annual ChinaGrid Conference,2010:167-172.

（編輯：楊馥紅）

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1673-8454（2012）03-0009-04