云校園整體架構設計及幾點啟示
——以武警政治學院為例

周　沫　周文姬　楊瑛霞（武警政治學院，上海　281602）

云校園整體架構設計及幾點啟示
——以武警政治學院為例

周沫周文姬楊瑛霞
（武警政治學院，上海281602）

近年來，云計算技術在教育信息化領域快速發展，武警部隊積極利用新的信息技術推進院校轉型發展，政治學院成為武警部隊第一個云試點院校。文章在政治學院云校園建設實踐的基礎上總結建設經驗、梳理關鍵技術，為下一步云計算在武警部隊院校的全面推開提供有益借鑒。

云校園；系統架構；虛擬化

一、基本情況與特點

武警政治學院信息化經過十多年建設，已經形成了多層次、多應用的校園信息化體系，在用信息系統十多個，存儲資源已達到100T。但是，由于每一個應用系統都是用獨立的服務器、獨立的安全和管理策略、獨立的數據庫和展現層，呈現出典型的“孤島架構”。這種架構下各應用系統數據分散、融合困難、維護成本大、整體應用效益比較低。

為了有效解決上述問題，在新校區信息化建設的整體規劃中，積極運用了云計算技術，依托新校區萬兆核心骨干網絡，采用混合搭建模式進行云校園組網架構。采用此架構構建的云校園基礎設施，為信息集中管控、軟硬件資源共享、業務數據融合提供支撐。其中，核心層配置2臺服務器作為系統管控服務器；54臺同類服務器集群作為系統計算資源池服務器，通過23臺以太網交換機相聯，為云桌面提供計算資源。通過SAN交換機4臺、120T磁盤陣列1套作為存儲資源池。終端接入規模達到1500個，桌面帶寬1000M，初步建成云校園。

組網架構邏輯上分為三個vlan，分別為業務、存儲和管理網。匯聚交換機五臺，通過萬兆網絡連接校園網核心交換。管理網接入交換機分別與56臺服務器連接，為管理員對主機、虛擬機、存儲管理提供通道，同時為網管和維護人員提供管理接入功能。業務網提供用戶對云桌面的訪問功能，用戶通過業務網連接到個人桌面。存儲網通過FC光纖交換機連接各個服務器為虛擬機提供共享存儲。此方案歸結起來，主要有以下特點：

（一）通過信息集中管控功增強應用和數據的安全性，對原獨立辦公PC資源整合和統一調度管理，使資源利用最大化，簡化IT資產管理的復雜度。

（二）軟硬件資源彈性共享。快速、靈活的桌面部署，不僅降低了建設成本，綠色節能環保，而且實現了校園內隨時隨地方便快捷訪問個人云桌面，從而提高工作效率。

（三）數據融合，云桌面系統平臺提供完善的對外接口與第三平臺對接，實現統一用戶賬號認證管理平臺。并將各個應用系統的數據動態及時地互聯互通，達到數據的標準統一、管理統一和維護統一，最終實現信息分散、動態采集、集中管理、共享應用，徹底消除校園內的“信息孤島”現象。

二、云校園總體構架

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，包括基礎設施層、平臺層、應用層、服務層和終端接入層（見圖1）。

圖1　　云校園總體架構

基礎設施層（IaaS）主要按需提供硬件資源服務，是云校園建設的重點。系統采用Xen半虛擬化架構，內含資源池管理、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度軟件，可以實現IT基礎資源云化，具體支持以下功能：整合資源池，創建一個統一管理的共享基礎架構資源池；整合物理機和虛擬機等計算資源；整合FCSAN磁陣存儲等存儲資源；整合網絡資源包括IP地址、帶寬、負載均衡能力、防火墻等資源；資源分配調度，根據負載均衡和資源均衡的策略，從基礎設施資源池按照需求部署資源實例，根據需求實現資源的動態調度；提供用戶、安全管理、監控管理等管理功能；集中監控管理所有計算、存儲、網絡資源。

平臺層提供平臺即服務（PaaS）是云計算應用程序運行環境，提供應用程序的部署與管理。對于終端用戶來講，PaaS的優勢是使用戶可以不必為他們的使用需求搭建和配置硬件與軟件環境。當用戶對某些軟件有需求時，可以通過搭建相關軟件的“平臺級”服務提供。如果采用PaaS方式，軟件只需要在服務器里安裝一遍，然后估算一個用戶使用峰值購買用戶賬號。當某一用戶使用完畢關閉應用，其占用的資源就會自動釋放提供給其他人繼續使用。平臺層主要是提供了統一的數據平臺，屏蔽了數據庫之間的異構，消除了數據煙囪。同時，部署了云計算的API，以期在二期建設中部署切實可用的平臺打下基礎。

應用層是由若干個特定應用服務元素（SASE）和一個或多個公用應用服務元素（CASE）組成，涵蓋教務、教保、科研、能源管控及安防等十幾個業務信息系統。

服務層就是合理的安排業務組件，同時根據角色和權限不同設置不同的服務、工作流和業務邏輯的其他組件，包含云桌面系統及門戶系統建設。主要進行統一的身份認證，并根據人員權限定制了不同角色的個人服務門戶。云桌面系統利用虛擬化技術實現基礎設施、桌面、應用等資源的共享，并對其進行集中部署和管理，在數據中心統一托管以服務方式交付云桌面系統。

終端接入層就是用戶使用的小體積、低功耗的接入終端設備。前端用戶使用賬號密碼登陸云桌面，數據通過核心交換機到達匯聚層，根據其攜帶的管理服務器地址信息，會直接發送到管理服務器平臺做賬戶驗證，驗證通過并查詢數據庫信息中帳號對應的虛擬機資源后，通過業務網絡將信息發送到對應的服務器承載的虛擬機，啟動響應的軟硬件資源反饋給用戶，呈現對應的云桌面系統資源，同時進入統一的數據交換平臺獲取個人信息及權限，最后用戶就可以進入各個系統進行相應權限的訪問。

三、核心關鍵技術

搭建基于云計算的智慧校園，采用虛擬化核心技術構建了基礎設施層（IaaS）。首先，虛擬化技術將服務器物理資源抽象成邏輯資源，利用服務器虛擬化整合各類軟硬件資源，并進行初級的自動智能分配，從而提高資源的利用率，以達到資源配置最優。其次，運行在服務器上的虛擬化內核軟件，可以屏蔽底層異構硬件之間的差異，消除上層操作系統對硬件設備以及驅動的依賴，增強硬件在虛擬化環境中的兼容性、可靠性、可擴展性等功能。再次，通過虛擬化管理軟件形成云計算資源管理平臺，實現對數據中心內計算、網絡和存儲等硬件資源的虛擬化管理，對上層應用提供自動化服務。最后，通過云業務管理中心，將基礎架構資源及其相關策略整合成虛擬數據中心資源池，并允許終端用戶按需消費這些資源。

圍繞虛擬化核心技術的實現，采用虛擬機模板、熱遷移和熱備份技術。

（一）虛擬機模板技術：虛擬機模板是由硬件配置文件、虛擬硬盤和可選角色操作系統配置文件組成的庫資源，通過提供標準化硬件和軟件設置組，可用于創建多個使用這些設置配置的新虛擬機。為了實現云桌面的快速部署和細粒度資源管理，虛擬機采用模板化，通過細化用戶分類預裝了操作系統和應用軟件，并對虛擬設備進行了預配置，有效的減少了虛擬機的部署時間。

（二）熱遷移技術：云桌面熱遷移是指云桌面在運行狀態下從一臺物理機移動到另一臺物理機。云桌面熱遷移技術對云計算平臺有效管理具有重要意義：1、提高系統可靠性。在物理機需要維護時，可以在前端用戶無感知的情況下將運行于該物理機上的云桌面整機熱遷移至其他正常運行的物理機；2、有利于負載均衡。正常情況下，云桌面開始運行時是由后臺管理軟件自動分配物理機。當某臺物理機負載過重時，可以通過云桌面熱遷移達到負載均衡，優化數據中心性能；3、有利于設計節能方案。通過收集數據可以畫出用戶使用峰值圖，由此在非高峰時間集中零散的虛擬機，可以使部分物理機完全空閑，以便關閉這些物理機或使其休眠，以達到節能的目的。

（三）熱備份管理技術：數據是信息化的核心資源，備份機制是保證數據可靠性的基礎。有效的備份策略不但可以降低數據丟失的風險，而且能優化作業完成時間。熱備份可以在系統正常運行的情況下進行備份，不會對前端用戶造成任何影響。政治學院云計算數據中心采用SAS硬盤來存儲云桌面相關數據。這種硬盤性能好、可靠性高，普遍應用于數據量大，數據可用性極為關鍵的應用中，滿足用戶對高頻率和即時、隨機數據存儲的需求。數據副本備份采用1：1備份原則存放于SATA硬盤中，云桌面后臺管理系統定制了專門的備份方案。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單的配置操作，就可以完成用戶虛機的多種備份。

四、幾點啟示

云校園是一項全新的建設領域，具有很強的全局性、系統性和應用性。應結合政治學院云計算試點建設的現狀，有針對性的分析實踐中的各種問題和啟示，為下一步在武警院校科學、有序、高效的推廣云校園建設提供參考。

（一）貼近用戶需求，以兼容并蓄為原則做好頂層設計。好的頂層設計既要向下與老系統的兼容，又要預留下未來的發展空間。武警院校大多建立了一些應用系統，具有一定的數據積累。尤其需要統籌搞好頂層設計，做好與現有系統的混合搭建和數據融合。云校園作為一種彈性拓展的搭建模式，更是需要針對實際需求，留好發展空間。

做好統籌的關鍵還要針對實際運用中存在的使用者不同，使用場景不同等情況，合理規劃資源分配，以達到資源配置最優。不僅使得有限資源可以提供更多的服務，更有利于對數據的分析和管理。

（二）實施工程化建設，強調技術環節的無縫銜接。在實際的建設過程中要站在校園信息化建設全局的高度，以工程化的思路和方法實施項目建設，合理統籌與各應用系統的對接，確保建設過程規范、高效。緊緊抓住各系統與云桌面無縫銜接，通過大量測試來打通系統鏈路，確保桌面系統的可用性。通過細化用戶分類定制個性化模板，預裝操作系統和應用軟件，對虛擬設備進行預配置，完成系統的快速部署，有效提高虛擬機的部署效率。

（三）加強推廣培訓，盡快改變應用習慣。由于操作習慣的改變，大家面對云桌面新的使用模式，需要有一個熟悉掌握的過程，容易產生抵觸心理。系統整體效益的發揮，建好是基礎，用好是關鍵，這就需要全員提高信息素養和駕馭云桌面系統和設備的能力。為此，我們采用課堂講授、操作示范和網絡視頻發布等多種方法手段，不斷加強推廣培訓力度。此外，編寫了《云桌面使用手冊》集成到桌面系統內，以方便用戶隨時調閱。同時，建立了專項報修服務臺和值班制度，及時根據報修數據反應出來的一些共性問題完善云桌面系統，不斷推出定制化的應用功能，以符合用戶的操作使用習慣。

五、結語

云校園作為一種新型的智慧校園模式發展迅速，政治學院云校園建設仍處于試點探索階段，如何更好的提供校園信息服務，如何與武警院校的數據工程建設更好的融合，仍需要深入研究。尤其是目前僅在IaaS層面提供了計算和存儲資源的虛擬化服務，下一步如何在平臺層和服務層開發出更多的優質資源和軟件系統，這些都是我們努力的方向。

［1］張蕾.校園云計算應用推廣研究［J］.網絡安全與技術應用，2013（6）.

［2］羅軍舟，金嘉輝，宋愛波，東方.云計算：體系架構與關鍵技術［J］.通信學報，2011 （7）.

［3］羅群，劉振棟.校園云平臺的構建研究［J］.電腦知識與技術，2015（9）.

［4］徐小龍等.分布式存儲系統中數據副本管理機制［J］.計算機技術與發展，2013（2）.

［責任編輯烽燧］

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1008-7656（2016）02-0058-04

2016-05-27

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