基于云計算與虛擬化技術在中小學數字化校園建設中的應用
——以銅仁一中數字化校園建設為例

王躍進

(貴州省銅仁第一中學,貴州銅仁 554300)

基于云計算與虛擬化技術在中小學數字化校園建設中的應用
——以銅仁一中數字化校園建設為例

王躍進

(貴州省銅仁第一中學,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數字化校園規劃建設方案為背景,介紹了基于云計算的虛擬化技術應用的特點和優勢,以及面臨的問題與對策。可供相似學校教育信息化建設參考。

云計算 虛擬化技術 應用方案 選型研究

1 引言

在教育行業，特別是規模較大的校園網的建成中，伴隨著教育信息化的不斷深化，都面臨著能耗和運維成本過大等問題，提高校內系統的計算機軟硬件資源共享效率，降低運維成本和能耗已成為大中型校園網絡的緊迫問題。近幾年來，云計算與虛擬化技術已經發展得很成熟，其應用在IT行業中如雨后春筍般涌現。它在數字化校園建設中應該有非常廣闊的應用前景。下面以銅仁一中新校區數字化校園規劃建設為例，探討如何根據應用需求來確定云計算與虛擬化技術的應用方案。

2 云計算與虛擬化技術

云計算(Cloud Computing)是由分布式計算(Distributed Computing)、并行處理(Parallel Computing)、網格計算(Grid Computing)發展來的，是一種新興的商業計算模型。目前，對于云計算的認識在不斷的發展變化，云計算仍沒有標準的一致的定義。廣義的講，云計算指通過網絡以按需服務方式和易擴展的方式獲取所需要的各種服務。這些服務可以是信息技術各方面應用，也可以是任意其它服務。從狹義角度來看，云計算是指通過網絡方式以按需、易擴展和付費的方式，利用IT基礎設施的交付和使用模式，獲得所需的資源(硬件、軟件等)。提供資源的網絡被稱為云[1]。

云計算系統運用了許多技術，其中以虛擬化技術、數據管理技術、數據存儲技術、云計算平臺管理技術等。其中最關鍵、最核心的就是虛擬化技術。虛擬化技術根據對象可分成存儲虛擬化、計算虛擬化、網絡虛擬化等，計算虛擬化又分為系統級虛擬化、應用級虛擬化和桌面虛擬化[2]。虛擬化是為某些對象創造的虛擬化版本，比如操作系統、存儲設備和網絡資源等。虛擬化技術是云計算、云存儲服務得以實現的關鍵技術之一。它將應用程序以及數據，通過虛擬化，在不同的層次以不同的面貌加以展現，從而使得不同層次的開發者、使用及維持人員，能夠方便使用開發及維護存儲的數據應用于計算和管理的程序。

3 基于云計算與虛擬化技術應用的數字化校園建設規劃

3.1 需求分析

我校于2001年在貴州中小學首批建設千兆校園網絡，通過這十幾年的教育教學應用，綜合起來看，基于Office軟件的本地文檔處理和基于WEB的網絡信息查詢、發布、交流應用最多。這幾年人員增加較快，現有教職工已達300多人，三年內將逐步增加到400人左右。2014年即將建成的新校區，萬兆骨干、千兆到桌面的校園網基礎平臺已經基本建成。應用范圍將向基于網絡化管理深化，目前，基于網絡的教務管理、IP廣播、視頻監控、校園一卡通等項目已經通過政府招標采購，新上的項目應該是信息化管理維護的重點。若用傳統的個人電腦和服務器模式需要部署1000多臺普通計算機，才能滿足100多個班，7000多學生規模的教育教學應用。這樣，帶來的能耗及運維管理成本是巨大的，信息技術運維人員也將力不從心。為提高運維管理效率、減少資源浪費，我們計劃大量應用基于云計算與虛擬化技術來解決新校區教師電子備課、信息管理等教育信息化的一些問題。

3.2 技術選型

目前的虛擬化市場中，主流的產品有微軟的Virtual PC和Hyper-V系列產品，Vmware的VMware Workstation、VMware Server系列產品以及Xen的Xen Enterprise系列產品，其中Vmware由于涉及這個領域比較早，目前在x86服務器這個領域占有半數以上的市場份額，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大，越來越多的用戶加入到了微軟的Hyper-V陣營中[3]。從服務器虛擬化技術的方向來講，以上三家公司的產品技術各有所長，Hyper-V屬于操作系統綁定的半虛擬化技術、Vmware屬于硬件虛擬化，Xen使用的是準虛擬化技術。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，并把這項技術和新一代服務器操作系統Windows Server 2008/2012有效整合起來，而且定價也比較低。對于中小學，一般應用不是很復雜(多以Office應用為主)，通常，中小學的運維人員只熟悉Windows Server操作系統，不具有精通Linux的運維人員，因此Hyper-V的Windows版本則是不二的選擇。

3.3 云計算服務器配置方案

大多數云環境都基于虛擬化基礎架構技術。根據前面的需求分析，我們以我校400個教職工教研備課為例，采用Windows Server 2012 with Hyper-V服務器虛擬化桌面管理解決方案。采購8臺Intel Xeon E5服務器(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千兆網口)。每臺能為50個用戶提供計算服務。而存儲系統則按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)，就可以實現傳統PC200W功耗的主機實現的桌面計算功能，而且根據當前市場價格，建設基于云計算的虛擬化技術400用戶的總體成本，比采購400臺傳統PC建設成本略低。

表1 每年系統能耗成本比較(以400臺終端平均每天開機3小時)

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

4 云計算技術方案應用預期效果

通過基于虛擬化基礎架構技術，可以預期實現以下效果：

(1)節能、環保、降低投入成本。按每臺5300元，采購400臺PC機計算，采用基于虛擬化基礎的云計算技術方案，可以大約節約一次性投入成本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PC主機200W能耗，隨著使用時間的增長，后期節能降耗優勢更顯著。詳見表1。

(2)利用虛擬化技術進行服務器整合，全面提高服務保障水平。服務器及存儲系統的安全性能遠高于普通PC，這樣可以降低單點故障，提高服務保障水平。

(3)利用虛擬化技術進行統一管理維護，極大降低了管理工作量。服務器整合改變了基礎設施的分散、復雜現狀，允許管理人員使用集中管理控制臺對多臺服務器進行集中管理。同時各部門也可以利用用戶控制面板對單個VM進行管理維護，進行諸如啟動、停止、重啟、備份、恢復等，靈活的集中管理模式將使管理員從簡單機械的重復操作(如重裝系統)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PC機每個人的硬件資源(比如CPU、內存及硬盤空間)獨立，很多人用不完，有些人不夠用。利用Hyper-V虛擬化技術，信息中心可以按照不同應用所需的不同資源，動態地對物理服務器進行虛擬分區，提供最合適的虛擬環境，極大地提高硬件的利用率，也使得資源分配更加合理。虛擬環境的大量使用，還可以改變以往在單臺服務器上只能部署單個應用的弊病，除了降低單點故障可能性外，還緩解因資源利用率不高而導致的整體資源緊張問題，增強數據安全性和災難恢復能力，最大程度地保障多用戶環境下的數據安全[4]。

(5)降低運維成本。虛擬化方案部署后，所有應用全部運行在虛擬環境中，完全實現了軟硬件的隔離。利用Hyper-V虛擬化技術，還可以實現零宕機遷移技術，可將遷移工作對業務的影響降低為零。無需使用昂貴的專用存儲設備，僅采用備份現有虛擬環境或進行VM整體遷移，就可以實現高質量備份/恢復方案。通過部署虛擬化技術，可以改善信息中心對基礎設施的管理方式，極大地降低管理工作量。傳統PC技術方案要維護400臺PC機，科室間人員工作變動需要拷貝大量數據甚至搬動PC機。應用云技術方案只需維護8臺服務器和一套存儲系統，人員在校園網內任何地點登錄辦公都是一樣環境，節約管理和維護成本。使用幾年后，若需升級，只需要升級服務器系統和存儲系統統即可，不需像以往傳統PC要對400多臺計算機進行升級。

5 面臨的問題及對策

5.1 技術人員能力不足

由于大部分中小學技術管理人員都是由信息技術教師兼職，缺乏服務器的使用經驗，虛擬化方案部署后，將面臨管理人員難以勝任的問題，這需要加強技術人員培訓的力度，提高管理人員技術水平。

5.2 使用習慣

用戶每次使用都需要通過賬號登錄，另外存儲的數據都是云端(遠端的服務器存儲系統)，這與普通PC本地不同，需要對用戶進行簡單使用方法及安全技術培訓。

5.3 對網絡質量的依賴程度高

就現在來說，虛擬化并不是一項新技術。虛擬化剛剛誕生的時候，它最大的詬病就是，支撐虛擬系統的硬件投入和對于網絡環境的要求，對網絡帶寬的要求較高等。如果網絡不通，任何事情都不能做，基于此，我們一是要在先期的校園網絡基礎環境建設做扎實(就目前我校規劃的萬兆主干千兆到桌面的校園網基礎應該是能夠勝任)，二是為每個教研組配置一臺獨立PC靈活應用。由于服務器及存儲系統存放在網絡中心，因此，為了降低故障、延長使用壽命，網絡中心環境的建設也要搞好。

[1]袁紅軍.云計算環境下數字參考咨詢服務模式構建[J].情報科學,2010,22(4):507-508.

[2]劉越.云計算技術及應用[J],2009,12:6.

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

[4]賀小華.云計算在教育中的應用——以Google協作平臺為例[J].軟件導刊(教育技術),2009(9):71-74.

貴州省銅仁市教育局立項課題“數字化校園環境構建的研究與實驗”,項目編號:2013sj094。