高校教育信息化建設數據中心的設計及探索

鄧小霞，段國云

（1.湖南科技學院傳媒學院，永州　425199；2.湖南科技學院網絡中心，永州　425199）

高校教育信息化建設數據中心的設計及探索

鄧小霞1，段國云2

（1.湖南科技學院傳媒學院，永州425199；2.湖南科技學院網絡中心，永州425199）

0　引言

隨信息技術的高速發展，基于各類新技術的網絡應用不斷推出，高校中各業務部門根據各自的業務需求引進或定制各自的業務系統，配置獨立的信息化系統環境；但在信息化建設初期，高校信息化發展缺乏統一設計、統一規劃，多數高校按照“誰開發、誰運行、誰維護”的原則對各業務系統進行管理及維護［1］。此類信息化建設方法容易產生硬件資源浪費，由于各業務系統互不關聯，而造成同一用戶在不同系統中有多重身份，所形成的校內“信息孤島”［2］現象嚴重影響信息化的進一步發展。為避免信息化建設的重復投資，提高管理水平，有效消除校內“信息孤島”和“應用孤島”現象，建立校內數據中心將勢在必行。數據中心的設計過程中必須整合信息化硬件資源，統一校內信息化數據標準，建立標準化數據庫，創建用戶基礎數據，為高校信息化的發展鋪平道路，提高信息化應用水平。

1　相關研究

高校信息化建設的數據中心主要解決硬件、業務的集中管理，數據的標準化管理，數據庫的設計、應用平臺間的數據共享、數據使用的規范化管理等問題，最終保證數據的安全并為業務系統提供高性能的運行環境，以解決高校教、學、管的數字化問題。文獻［3，4］描述了采用服務器虛擬化技術來架構數據中心，利用VMware vSphere或Fusion Sphere來虛擬化服務器，為業務系統的高效運行提供了保障，解決傳統數據中心及應用系統“煙囪式”、“孤島化”結構［3］所存在的問題；但是對數據中心的網絡結構，校內信息化建設各類數據的標準化及信息系統之間數據的交換并未提及。文中針對本科院校當前的需求特征及業界的研究現狀，結合我校的實際情況，從數據中心的網絡架構、數據標準化體系、不同應用系統間數據交換和業務系統硬件平臺的虛擬化設計、數據中心規劃實施幾個方面入手，提出較完整的數據中心邏輯結構及設計，以便更好地滿足我校現代化數據中心建設需求。

2　數據中心的設計

數據中心設計的思路具有多樣性，下面從邏輯結構、硬件的虛擬化、存儲的規范化、數據的標準化及數據中心的安全布防等幾個方面入手對高校信息化建設數據中心進行設計。

2.1邏輯結構

傳統的數據中心設計未考慮應用的全面性、訪問的安全性、數據的標準化，僅將服務器進行了虛擬化，各類應用還是采用“煙囪式”部署，造成網內用戶在不同系統中擁有多種身份，無法統一管理。在此提出采用虛擬化技術重構數據中心，實現較完整的數據中心邏輯結構，如圖1所示。

此結構通過部署硬件防火墻將數據中心作為一個整體對外為用戶提供各類網絡服務。數據中心內部首先將多臺數據交換機進行虛擬化，使各物理交換設備間擁有40G以上的內部帶寬，為業務設備提供1-10G的業務通信帶寬，并采用VLAN（Virtual Local Area Network，虛擬局域網）技術將業務通信及虛擬化內部通信進行隔離，以保護物理機間的安全通信及物理機虛擬化后業務通信數據的安全性，為網內各應用系統提供高速通信帶寬。其次采用虛擬化技術將多臺物理服務器的硬件進行虛擬化，組建CPU（Central Processing Unit，中央處理器）、內存、網卡等虛擬化資源池，根據業務系統需求配置相應硬件結構的虛擬機。全部應用系統通過結構化存儲共享標準化數據庫，應用資源的讀取和存儲操作需調用共享非結構化數據存儲資源。

圖1　數據中心邏輯結構

2.2硬件虛擬化

我校虛擬化平臺選用的是VMware vSphere和Fusion Sphere，兩套平臺完成不同的業務需求。采用虛擬化平臺將高CPU、高內存的多臺服務器虛擬成一個集群，通過FCSAN共享大容量存儲資源，采用主備模式組建的虛擬化控制中心進行統一管理，集群中當任何一臺物理機宕機后，宕機物理機中的虛擬機均可被其他物理機接管，不會影響應用業務的正常工作。物理網卡經虛擬化后，可在虛擬平臺中虛擬VSwitch（Virtual Switch，虛擬交換機），以便適用于廣泛應用在IaaS（Infrastructure as a Service，基礎架構即服務）的Internet服務中，通過軟件方式實現物理交換機的二層和部分三層網絡功能；每臺虛擬機可配備數張VNIC（Virtual NIC，虛擬網卡），能同時連接多個不同的VLAN網絡，支持以太網Trunk端口模式的接入；VSwitch不但支持各類安全控制、VLAN、網絡監控、端口鏡像、QoS（Quality of Service，服務質量）、自動化網管等功能，還可以提高數據中心交換帶寬，降低物理設備成本，節省數據中心的硬件投入。

2.3存儲的規范化

高校信息化建設過程中，主要的數據資源有用戶基礎數據、教學視頻、電子圖書、教學業務、科研管理等數據，在存儲資源的規劃過程中，根據數據特征和重要性將數字化校園數據分為結構化數據、半結構化數據和非結構化數據。結構化數據和半結構化數據采用容量要求相對較低，性能要求高的存儲體系，主要存儲學生、教師等校內信息化系統所需的標準信息；而非結構化數據采用存儲容量高、性能要求相對低一點的存儲結構進行處理，主要存儲電子圖書、教學視頻等資源。設計中對結構化存儲采用雙機、雙活和異地容災的技術進行處理，其中安裝高性能數據庫后配置高性能前置服務器為業務系統提供高效的數據庫服務，非結構化存儲采用SAN（Storage Area Network）和NAS（Network Attached Storage，網絡連接存儲）進行處理，結構化存儲設計結構如圖2所示。

高性能前置服務器將結構化數據通過數據容錯設備的主備容錯引擎同時寫入到兩臺存儲中，通過比對的方式進行數據讀取，兩臺存儲同時工作，任意一臺存儲宕機后，下一臺存儲全面接管理業務繼續工作，采用雙機模式，業務接管無時間差。對結構化數據采用專線進行遠程容災備份，確保數據的安全，有效地去除了設備的單點故障。

2.4數據的標準化

將高校各類應用數字化，實現數字校園的目標是以數據庫為樞紐，實現校內各應用系統數據準入、準出的統一管理，保證各類用戶身份的唯一性，為校內統一認證、統一身份識別提供條件，為此，必須對各類數據實行標準化管理。高校的數據標準化工作需考慮其業務的全面性，兼顧各類業務數據與其主管部門系統數據的上報、下發需求；標準化方法其一是按國標、省標、地標和校標四類標準建立高校的數據標準化，其二是先建立大數據池，再根據本級標準和應用系統需求從大數據池抽取相應的字段來滿足應用系統需求，最終達到數據管理的規范化。國標、省標主要是滿足教育部、省廳主管部門對數據上報及采集，地方標準主要指滿足地方橫向部門及企業交流對數據的需求，校內標準是為了滿足校內各應用系統互聯互通的需求，消除校內“信息孤島”和“應用孤島”；各應用系統開發過程中嚴格執行基礎數據只從標準數據庫中讀取，業務數據可按需求經過濾后寫入數據庫的方案。在標準化分類的基礎上針對用戶類型劃分數據生命周期，文中按學生從入校到離校、教師從入職到離職或退休、教師“教”及學生“學”三條業務主線對各類數據進行存儲、清洗、歸檔處理。

圖2　存儲高可靠性結構

2.5安全布防

數據中心網絡采用獨立布局的方式進行設計，校園網用戶發起到數據中心的任何請求需經防火墻授權、過濾后方可響應，從整體上保證了數據中心的安全。數據中心內部NAS、SNA設備獨立組網，僅對授權的設備進行存儲資源的開放；內部組建MGMT管理專網，將數據中心內的所有設備的管理口進行連接并采用帶外管理的方式處理，從物理上保證了設備的安全性。

3　數據中心的實施過程

數據中心的實施需從科學、實用的角度出發，結合作業環境進行合理的實施規劃。我們從數據中心機房環境、IP地址規劃及設備部署幾個方面介紹數據中心的施工過程。

3.1數據中心環境

（1）物理環境

數據中心設計精密空調、環境監控系統、智能滅火系統、安防監控、門禁等確保數據中心安全物理環境。機柜采用雙列布局，兩端采用門禁進行管理，通過內送風環流方式保持機房內環境溫度、濕度恒定；環境監控通過SNMP（Simple Network Management Protocol，簡單網絡管理協議）與網絡管理平臺連通，可在線了解機房物理環境情況，為遠程管理打下基礎。為確保數據中心業務不間斷，采用UPS（Uninterruptible Power System，不間斷電源）和發電機的方式進行保障，考慮到數據中心業務負載，從經濟的角度出發，UPS僅作為市電斷電到發電輸出電壓穩定之間的過渡設備實施。

（2）結構化綜合布線

物理介質是通信的基礎，科學、高效的數據中心必須要有高帶寬的傳輸介質支撐，為兼顧新老設備在數據中心環境中能正常使用，實施過程中選用了超六類網線和室內光纖作為傳輸介質，采用結構化布線系統設計理念進行施工。采用結構化布線系統，每十個機柜為一組，共設計兩組形成兩列結構，通道采用門禁系統管理；選用列頭兩個機柜作為數據中心網絡設備安裝及布線柜，每個業務柜安裝ODF（Optical Distribution Frame，光纖配線架）架，均有48芯室內光纜和24條六類雙絞線與布線柜連通，采用跳線的方式與網絡設備連接，施工過程中要求標簽清晰，跳線、理線方便。

3.2IP地址規劃

IP地址規劃時需考慮到信息技術的發展，為將來新增加的業務提供足夠多的IPv4地址及兼容未來IPv6的相關業務。當前數據中心采用IPv4進行設計，根據業務分類及用途，將其IP劃分為四類，分別為業務外網、業務內網、管理專網、存儲專網，每類網絡相互獨立，僅將業務內外網地址轉發到公網并允許局域網內用戶訪問。管理專網僅與網絡管理中心連通，存儲專網僅與需要存儲資源的服務器連通，訪問權限采用ACL（Access Control List，訪問控制列表）技術進行控制；各類網絡劃分出多個子網，根據機架數量，每96U機架空間分配一個24位的業務子網，子網類型按需分配，以方便管理與業務定位。

3.3設備布局

數據中心布局規劃是多功能、多專業的系統工程，除了計算機、網絡等相關電子設備外，還有UPS、空調等環境保障設備，需充分發揮各子系統的功能、考慮設備的擴展、節省投資及方便管理、定位，需采取科學的辦法進行設備布局。UPS電池、發電機等重型設備放到建筑物的一樓再引線到數據中心，空調外機等噪音大的設備需進行降噪處理；機架內網絡設備按業務分類擺方，方便管理。設計監控點時，將數據中心劃分成多個區域，確保設備安裝后，畫面無死角；消防監測點的安裝要考慮離設備柜上端的高度，使其提供的環境監測信息更為準確。

4　結語

本文針對高校信息化建設過程中，各業務部門各自為陣，各應用系統采用“煙囪式”模式部署，產生“信息孤島”、“應用孤島”的現狀，提出高校信息化建設過程中，數據中心的建設必須按統一設計、統一部署的原則進行實施的規劃方案。文中以我校為例，對數據中心的建設、規劃和實施過程及注意事項進行了介紹，按此設計方案對我校數據中心進行建設取得了一定的效果，但是，關于系統對接對標準化數據庫的要求和數據中心通信性能優化是我們下一步的工作。

［1］吳海燕，戚麗，沈立強等.高校信息化新時期校園數據中心的建設探索［EB/OL］.［2010-06-05］.http://www.docin.com/p-31928796. html.

［2］辛穎.基于共享數據中心的高校信息化建設關鍵技術研究［D］.山東大學，2013，17-19.

［3］蔣遠輝，閆保權.高校數據中心之虛擬機管理研究［J］.信息通信，2015，04:190-192.

［4］彭波，賈海天，王榮祥.面向校園的服務器虛擬化平臺搭建與應用［J］.電腦知識與技術，2015，03:50-52.

Education Informationization；Data Center；Virtualization；Data Standardization

Design and Exploration on Data Center of University Education Informatization Construction

DENG Xiao-xia1，DUAN Guo-yun2

（1.Media Department，Hunan University of Science and Engineering，Yongzhou 425199；
2.Network Center，Hunan University of Science and Engineering，Yongzhou 425199）

1007-1423（2015）34-0040-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.34.011

鄧小霞（1984-），男，湖南永州人，碩士，講師，研究方向為計算機輔助教育、教育信息化

2015-11-21

2015-12-01

高校信息化建設中，多數部門應用系統的建設僅考慮自己的需求，未考慮系統間的融合；傳統數據中心的設計未完全解決硬件、業務的集中管理，更未考慮數據的標準化規范化管理、數據庫的統一、應用平臺間的數據共享等問題，無法解決高校教、學、管的數字化和一體化管理問題。針對此問題從統一數據庫、硬件虛擬化、網絡虛擬化、數據標準化等方面提出高校數據中心統一的設計建設方案，通過我校的實施，取得一定的成效，可推廣到同類規模的高校使用。

教育信息化；數據中心；虛擬化；數據標準

2011年湖南省高等學校科學研究項目（No.11C0583）、永州市科技計劃項目（No.永科發［2014］17號）

段國云（1982-），男，湖南永州人，碩士，副教授，研究方向為網絡與信息安全、網絡體系結構、Web技術等.

In the construction of university informatization，the construction of most of the departments of the application system is only considered to consider their own needs，and the integration of the system is not considered.Traditional data center design only solves the problems of hardware and service centralized management，the standardization of data management，the unification of the database，the data sharing between the application platform and the data sharing.The problem from the unified database，hardware virtualization，network virtualization，data standardization and other aspects of university data center unified design and construction program，through the implementation of our school，has achieved some results，can be extended to the use of the same scale of colleges and universities.