教育云資源管理平臺構建研究與實現

摘要：云計算作為一種新的信息處理與服務模式，其構建的教育資源管理平臺能夠有效克服服務器利用率低、教學資源分布不均、資源更新速度慢、信息孤島、電力消耗嚴重等一系列制約學校信息化發展進程的問題，對教育信息化的發展產生巨大的促進作用。

關鍵詞：云計算；虛擬化；教育云管理平臺；計算能力；資源池；基礎設施層；平臺服務層；應用服務層

中圖分類號：TP391；G434 文獻標識碼：A 文章編號：1673-1573（2013）03-0113-05

一、引言

隨著高等教育信息化的快速發展，越來越多的高校認識到需要使用云計算技術整合校內外各種教育資源，通過網絡平臺隨時隨地為廣大師生提供更加便捷的個性化服務。在信息化實施的歷史進程中，不斷增加的應用系統和越來越多的教育資源部署在不同的服務器上，服務器的種類與數量逐年增加，采用傳統的方法運行維護越來越困難，表現在效率低、成本高。例如，需要花費很長的時間去安裝配置在每個用戶群日常使用的計算機系統軟件和應用軟件等；一旦某一臺服務器出現故障，其安裝的所有應用都無法使用，而此時這些應用也不能快速遷移到其他正常工作的服務器上，系統的健壯性較差；對于較大的故障必須等專業人員前來維修，等待時間長。因此，如何高效地管理高校IT基礎設施資源和教育資源，提高系統的健壯性和靈活性，降低運行維護的人力電力成本就顯得尤為重要。目前先進的解決方案就是利用云計算技術，建立基于虛擬化的教育云資源管理平臺，通過無處不在的計算機網絡為師生提供快捷方便的個性化資源管理與服務[1]。

二、云計算技術及相關應用

（一）云計算技術概述

究竟什么是云計算？目前并沒有統一的定義。美國國家標準與技術研究院[2]認為：云計算是一種按使用量付費的模式，這種模式提供可用的、便捷的、按需的網絡訪問，進入可配置的計算資源共享池（資源包括網絡、服務器、存儲、應用軟件及服務），這些資源能夠被快速提供，只需投入很少的管理工作，或與服務供應商進行很少的交互。國內各界普遍認為：狹義上講云計算是IT基礎設施的交付和使用模式，通過Internet以按需、易擴展的方式獲得所需資源；廣義上講云計算是服務的交付和使用模式，通過Internet以按需、易擴展的方式獲得所需服務，這種服務可以是IT和軟件、互聯網相關，也可是其他服務[3]，這意味著計算能力也可作為一種商品通過互聯網進行流通。

從理論與技術角度看，云計算是基于一系列關鍵技術的新型計算模式，包括：虛擬化技術、彈性伸縮動態調配技術、高效可靠數據傳輸交換與事件處理技術、海量數據存儲與訪問技術、智能化管理監控技術、并行計算框架技術、多租賃與按需計費技術以及綠色節能技術等。這種信息處理模式可以完成大量復雜的計算任務，如：按需即取的服務計算、易于擴展的變粒度計算、基于自然語言的軟計算、智能系統的不確定計算、人參與的計算及物參與的計算等，最終以基于互聯網面向大眾提供服務的方式來實現資源動態整合與分享的目標[4]。

（二）在教育領域的相關應用

目前，教育領域尤其在高等學校各種教育信息資源正加速向網絡遷移，利用云計算技術構建教育資源管理平臺能夠有效克服服務器利用率低、教學資源分布不均、資源更新速度慢、信息孤島、電力消耗嚴重、難于管理等一系列制約著高校信息化發展進程的問題[5]，將對教育信息化的發展產生巨大的促進作用。很多企業已經通過云計算來獲取各種服務，教育領域也將是云計算技術未來發展的一個重要領域。

目前國內外對云計算在教育領域的應用表現出了很大的熱情。Accenture公司在《探究云計算的未來：駕馭技術驅動轉型的下一次浪潮》調查報告中指出，云計算在教育科研行業的潛在應用體現在三點：（1）獲取全球資源；（2）低成本仿真；（3）高度交互+協作學習[6][7]。我國黎加厚教授提出了云計算在教育教學中應用的“云計算輔助教學”的新概念：學校和教師利用“云計算”提供的服務，構建個性化教學的信息化環境，促進教師的教學和學生的自主學習，提高教學質量[8]。

校內教育云平臺的構建首先要充分利用現有的基礎設施，利用虛擬化技術把物理的服務器資源虛擬化成服務器池，通過負載均衡技術提高服務器的利用率。然后對學校的各種教育資源進行有效的整合后遷移到虛擬服務器上，利用云計算技術實現資源的無縫連接，構建一個統一的教育資源管理平臺，以一種全新的方式為提供優質的數字資源服務。

三、教育云管理平臺技術架構設計

結合高校信息化和教育資源網絡化的特色需求，本文利用云計算核心技術——虛擬化技術對現有的物理資源進行有效的整合，并基于云計算資源動態分配理念對現有的資源進行統一管理和統一調度，設計了一種教育云資源管理平臺架構模型，此模型分為三層：基礎設施服務層、平臺服務層和（應用）軟件服務層。該架構能提供一種更加高效靈活的管理服務模式。具體如圖1所示。

1. 基礎設施即服務（Infrastructure as a Service，IaaS）：IaaS層通過對現有的物理資源（服務器、存儲器和網絡設備等）進行整合，進而利用虛擬化技術對相同類型的資源進行虛擬化處理，形成同構或接近同構的資源池，如計算資源池、存儲資源池、網絡資源池。通過對虛擬池的資源調度和管理，對師生提供按需分配的計算、存儲和備份等基礎資源與服務[3][9][10]。

2. 平臺即服務（Platform as a Service，PaaS）：PaaS層提供應用程序的開發和運行環境，通過PaaS層的軟件工具和開發語言，師生只需上傳程序代碼和數據即可使用服務。同時PaaS層利用負載均衡、故障檢測和性能優化等技術對高校日益龐大的資源進行有效的管理，提高資源的處理效率。PaaS層通過賬號管理、交互管理和使用計費對用戶進行統一的管理。

3. 軟件即服務（Software as a Service，SaaS）：SaaS層針對師生提供更加特定的應用服務，通過統一的用戶交互接口，用戶可以獲取資源服務、教學管理、互動交流、協作創新等不同類型的個性化應用服務。

最后利用容錯技術、監督管理對三層架構進行服務保障和安全管理。服務保障的目標主要是提升系統功能和性能、資源和服務的可用性。安全管理主要是避免信息泄露、未授權的訪問和修改、及時發現并修補系統漏洞，阻止內外部惡意用戶的攻擊等。

四、教育云管理平臺實現案例

本文按照上述教育云管理平臺技術架構設計原則，以河北經貿大學教學資源整合需求為目標，設計并實現了教務云管理平臺，通過對資源進行有效整合實現了高效管理與利用，為師生提供了方便快捷的服務，取得了良好的效果。

（一）原有設備及應用現狀

河北經貿大學教務系統平臺始建于2003年，承擔全校30 000多名學生的教學和管理工作。一直使用多種不同型號的服務器，目前這些設備老化嚴重，且硬件升級空間有限，經常出現硬件問題，由此引發的新問題如下：（1）服務器響應慢，業務連續性缺乏保障。在業務高峰期，服務器的壓力大，請求響應時間長；另外由于歷史原因，很多業務部署在同一臺服務器上，沒有進行高可用性和備份等保護措施，服務器一旦故障會導致其上運行的業務全部中斷。（2）資源負載不平衡，利用率低。由于某些業務具有集中訪問性，比如教師評價、學生選課等，這些業務一個學期內大部分時間處于閑置狀態，而當運行時又處于超負荷狀態，此時其他服務器的訪問量很少，負載嚴重不平衡，利用率低。（3）維護量比較大，電力消耗嚴重。教務系統平臺包括信息維護、學生選課、課表查詢、成績查詢等多個業務，每個業務都需要服務器資源的支持，從而造成服務器數量逐年增加，不僅造成大量的維護成本，也對數據中心的機房空間、電力消耗提出挑戰。針對以上缺陷，本文構建教務云服務平臺，采用虛擬化技術將原有服務全部遷移至云計算平臺。

（二）整體設計方案

根據教務管理和教學資源的使用需求，構建的教務云管理平臺由三層組成，分別對應于教育云管理平臺技術架構設計的基礎設施服務、平臺服務和軟件服務三個層次。教務云管理平臺主要面向廣大師生、教務管理人員、系統管理員提供多樣化資源管理與服務并向社會提供部分查詢服務，具體的體系架構如圖2所示。

本設計方案特點如下：

1. 多層次與松耦合架構。將系統劃分為基礎設施層、平臺服務層和應用服務層三個層次。各層之間保持相互獨立與松耦合，每層之間使用消息進行通信，降低了平臺整體的依賴性。

2. 使用現有服務器進行虛擬化。對現有8臺服務器物理資源進行虛擬化形成41個虛機，形成服務器資源池，不僅充分利用了現有的硬件資源，減少了開支，而且提高了資源的利用率。

3. 采取統一的VMM（Virtual Machine Monitor）技術構建教務云管理平臺。底層統一采用KVM（Kernel-based Virtual Machine）構建虛擬化環境，便于運營管理，同時還避免了不同VMM之間的文件格式不兼容和跨VMM遷移失敗等問題，提高了系統的健壯性[11]。

4. 面向服務提升性能。根據上層應用的特點，在虛擬化基礎之上，按照一定的策略對資源分配、資源調度進行優化，實現底層對上層的充分感知，面向服務提升云平臺的管理與服務性能。

（三）具體實現

1. 基礎設施層實現。作為整個框架的最底層，具體的實現步驟如下：（1）首先使用KVM對現有的服務器進行虛擬化，并組成虛擬機集群，從而將物理資源轉化為可以按需分配的虛擬機資源池，同時根據業務實際需要分配最合適的計算資源和存儲資源。（2）利用libvirt為各種虛擬化工具提供的通用API（Application Programming Interface）對KVM進行管理，即libvirt通過自身提供的函數連接到KVM宿主機并使用簡單的命令進行操作。（3）通過VMware vCenter converter遷移工具，根據預先制定的遷移計劃，逐步將物理機上的多個業務系統分批次平滑遷移到虛擬機集群上。（4）將虛擬機的鏡像文件進行共享存儲，實現高可用性部署，同時備份每個虛擬機，保證系統的健壯性，這樣如果原虛擬機所在服務器出現問題，虛擬機會立即在另一臺物理服務器上運行。（5）最后把預先安裝好的操作系統（如linux，windows）制作成模板，當用戶再申請虛擬機資源的時候不用再從頭開始安裝操作系統，僅僅需要選擇已有的模板并分配虛擬機硬件資源，一個新的虛擬機系統就形成了。

2. 平臺服務層實現。平臺服務層建立在基礎設施層之上，為應用服務層提供良好的平臺支撐，提供身份認證、資源管理和開發測試等平臺服務，具體的功能如下：

身份認證平臺提供統一的權限認證，確保所有的操作都在系統允許的范圍內，保證了系統的安全。資源管理的主要職責是監控資源點的使用情況，均衡教育云平臺節點的使用，并對節點的故障進行檢測，從而進行恢復或屏蔽。開發測試平臺為已注冊的學生提供開發和測試環境，學生可以利用已有的服務器、虛擬機等資源，以及集成的開發框架和環境，開發自己使用的程序并進行測試，運行完了之后釋放和刪除計算資源。

3. 應用服務層實現。應用服務層是整個架構的最頂層，它為在校師生、管理人員和社會公眾提供教學管理、共享、應用等多樣化的信息服務，服務類型分別有：教務系統、網絡課堂、信息發布和基礎服務。下面詳細介紹四種應用。

教務系統為師生提供統一的登錄認證頁面，學生可以進行選課、查看成績等，教師可以錄入成績，查看學生評價等，同時教務管理員進行課表管理、教室管理和教材管理。網絡課堂是一種新穎的學習方式，利用學校的教學資源庫，按照自己的興趣愛好進行自主學習，變被動的接受為主動的獲取，提高學習效率。信息發布是教務處對外發布信息的渠道，主要包括教務新聞、考試通知等信息的實時展示。基礎服務為應用服務層提供底層的數據服務，使得各個應用之間能夠實現數據共享、數據兼容，消除孤島信息，實現全面通信。

五、運行效果

通過采用教務云管理平臺，實現了對學校現有硬件資源的充分利用，很好地解決了教務系統所面臨的諸多挑戰和問題，為各種業務的順利運行提供了良好的支撐，收到了良好的效果。

1. 減少服務器數量，減少機房占用空間，維護方便，降低能耗。實施教務管理云平臺后采用自動遷移工具將分布在不同地點的服務器統一集中到服務器池，提高服務器使用率，使服務器數量由原來的14臺下降為4臺，高故障率高維護成本的陳舊服務器得以退出，減少了機房占地面積，同時服務器的電力能耗也降到了之前的30%左右，硬件搬遷到數據中心托管，實現了遠程管理，實現了從原來的單獨管理多臺服務器到現在一個界面統一管理所有服務器，降低了維護的工作量。

2. 保障了業務的穩定性。將業務系統的數據保存到存儲器上，并在虛擬機集群上分別為每個業務系統的虛擬機做高可用性備份。如果原虛擬機或其所在服務器出現問題，備份虛擬機會立即接管業務并在另一臺物理服務器上運行，從而保證業務連續性。

3. 提升服務器資源利用率。服務器資源利用率從平均6%提升到了40%，對現有資源的利用更加有效，并為將來增加新的應用系統和教務數據預留了空間，如圖6所示。

4. 在任務負載的高峰期服務器響應依然較快。在項目實施之前學生選課的高峰期服務器響應慢，學生進入系統特別困難，整個選課高峰大約持續一天，如今采用教務云管理平臺，服務器響應明顯變快，并發數達到5 000人左右，選課高峰縮短到四五個小時，大大縮短選課高峰的持續時間，如圖7所示。

六、結論

本文分析了高校信息化中出現的一系列問題，綜述了云計算核心技術及其在教育信息化中的應用，在此基礎上提出了一種教育云資源管理平臺的具體解決方案。結合河北經貿大學教務系統平臺的具體情況，設計并實現了教務云管理平臺，該平臺投入運行后較好地解決了存在的問題，大大提高了服務器的利用率，提升了系統的健壯性和可用性，能夠為廣大師生提供更方便快捷的服務。

參考文獻：

[1]白海靈，邵晰，余晨.基礎教育云服務平臺構建技術研究[J].軟件導刊，2012，（11）：32-34.

[2]P. Mell and T. Grance，NIST definition of cloud computing[M].National Institute of Standards and Technology，2009.

[3]劉鵬.云計算（第二版）[M].北京：電子工業出版社，2011.

[4]中國云計算學會云計算專家委員會.云計算發展報告（第三版）[R].2013-05.

[5]王斌，李楠，孫月新，張海英.國家教育云平臺架構設計及關鍵技術分析[J].現代電信科技，2013，（5）：59-62.

[6]Exploring the Future of Cloud Computing： Riding the Next Wave of Technology-Driven Transformation，World Economic Forum In partnership with Accenture 2010[EB/OL].https：//mem-bers.weforum.org/.../Exploring-the-future-of-cloud-com，2011-12-11.

[7]盧蓓蓉，任友群.中國教育信息化的云中漫步——教育云建設的困境及探析[J].遠程教育雜志，2012，（1）：62-67.

[8]黎加厚.低碳型教育與云計算輔助教學[J].中國信息技術教育，2010，（1）：73-77.

[9]盧清.基于SOA的云計算數字化校園模型研究[D].大慶：東北石油大學，2012.

[10]羅軍舟，等.云計算：體系架構與關鍵技術[J].通信學報，2011，（7）：3-21.

[11]趙海川.基礎設施云運營支持系統的關鍵技術研究與實現[D].西安：西北大學，2012.

責任編輯、校對：艾 嵐