基于云計(jì)算技術(shù)的智慧校園平臺(tái)建設(shè)研究

黃 超，唐子蛟

（柳州城市職業(yè)學(xué)院，廣西 柳州 545036）

0 引言

隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，順應(yīng)《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》（2010—2020年）要求[1]，把教育信息化納入國(guó)家信息化發(fā)展整體戰(zhàn)略，開(kāi)發(fā)部署教育信息網(wǎng)絡(luò),充分利用優(yōu)質(zhì)資源和先進(jìn)技術(shù)，創(chuàng)新運(yùn)行機(jī)制和管理模式，整合現(xiàn)有資源，構(gòu)建先進(jìn)、高效、實(shí)用的數(shù)字化教育基礎(chǔ)設(shè)施，各地高校陸續(xù)邁入了智慧校園網(wǎng)絡(luò)建設(shè)階段。

智慧校園是數(shù)字校園的發(fā)展和延伸，智慧校園是以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，以感知、智能、挖掘、控制等各種信息技術(shù)為手段，將學(xué)校的科研、管理、教學(xué)、決策等資源相結(jié)合，構(gòu)建智慧化的校園服務(wù)新模式。與傳統(tǒng)的數(shù)字化校園相比，智慧校園具有幾個(gè)明顯的特征，一是資源的共享，通過(guò)整合，使高校各應(yīng)用系統(tǒng)達(dá)到軟硬件及數(shù)據(jù)共享共享；二是全面的服務(wù)，用戶能快速、準(zhǔn)確的獲取校園中的各種業(yè)務(wù)類或資源類的服務(wù)，只要處于校園區(qū)域，隨時(shí)隨地都能進(jìn)行信息溝通，在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)終端上也可以共享資源；三是科學(xué)的決策，通過(guò)挖掘分析校園活動(dòng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，支撐高校科研決策的部署實(shí)施。

云計(jì)算作為新的IT架構(gòu)及服務(wù)技術(shù)，通過(guò)對(duì)計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等資源的虛擬化，構(gòu)成一個(gè)動(dòng)態(tài)資源池，為用戶提供“按需計(jì)算”的服務(wù)模式[2]。云計(jì)算的主要特點(diǎn)是可靠性及靈活性高、可按需提供服務(wù)、虛擬化、通用性強(qiáng)等。通過(guò)在智慧校園服務(wù)平臺(tái)的建設(shè)中應(yīng)用云計(jì)算技術(shù)，可以提供從應(yīng)用端到基礎(chǔ)設(shè)施端的云服務(wù)，使其智慧特征更易實(shí)現(xiàn)和更加突出。基于云的IT建設(shè)和應(yīng)用模式可在資源動(dòng)態(tài)分配和服務(wù)自助化、運(yùn)維成本管控、業(yè)務(wù)部署效率等方面提供解決方案。研究利用云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建智慧校園云平臺(tái)是當(dāng)前高校信息化建設(shè)的迫切任務(wù)。

1 校園信息化建設(shè)現(xiàn)狀分析

隨著信息技術(shù)及校園師生需求的變化發(fā)展，智慧校園建設(shè)是學(xué)校信息化發(fā)展建設(shè)的必然階段。多數(shù)高校校園網(wǎng)建設(shè)仍按傳統(tǒng)方式，存在如運(yùn)維成本上升、業(yè)務(wù)部署緩慢、安全保障脆弱等問(wèn)題。以柳州城市職業(yè)學(xué)院為例，該校校園網(wǎng)出口帶寬350 Mbps，信息點(diǎn)有6000多個(gè)，多媒體教室、實(shí)訓(xùn)室、機(jī)房100多間，校園有線網(wǎng)絡(luò)已覆蓋所有建筑樓宇，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在試點(diǎn)建設(shè)提供免費(fèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，學(xué)生宿舍使用商業(yè)網(wǎng)絡(luò)，未納入校園網(wǎng)。而該校師生總數(shù)已過(guò)萬(wàn)人，網(wǎng)絡(luò)線路建設(shè)缺少統(tǒng)一規(guī)劃，帶寬分配不均，查找網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題困難，缺乏統(tǒng)一認(rèn)證、管理平臺(tái)，對(duì)上網(wǎng)行為缺乏有效監(jiān)管。盡管通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的改造建設(shè)，諸如辦公 OA、一卡通、教務(wù)管理、門戶網(wǎng)站等系統(tǒng)數(shù)字化建設(shè)取得了很大的成績(jī)，但各業(yè)務(wù)集成度不高、數(shù)據(jù)孤立，管理手段落后，成為制約學(xué)校更好、更快發(fā)展的瓶頸。綜合來(lái)看，高校校園信息化建設(shè)存在兩個(gè)突出問(wèn)題：

1.1 缺乏總體規(guī)劃

雖然各高校都重視信息化建設(shè)，并且認(rèn)為學(xué)校教學(xué)服務(wù)模式需要變革以緊跟時(shí)代發(fā)展，但是缺乏頂層設(shè)計(jì)，沒(méi)有制定統(tǒng)一的體系架構(gòu)。在數(shù)字化校園、智慧校園建設(shè)中缺少云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用有關(guān)的方案，或者是建一步是一步，各部門業(yè)務(wù)建設(shè)各自為戰(zhàn)，造成云計(jì)算技術(shù)在高職院校智慧校園中應(yīng)用缺乏邏輯性、重復(fù)建設(shè)等問(wèn)題。

1.2 缺乏基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)

智慧校園中全面使用云計(jì)算技術(shù)，離不開(kāi)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、感知設(shè)備以及數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、存儲(chǔ)集群等云設(shè)施設(shè)備和相關(guān)技術(shù)方案，并且軟、硬件設(shè)施較為昂貴，高職院校中應(yīng)用于校園網(wǎng)建設(shè)普遍資金短缺，技術(shù)人才缺乏，從而造成云平臺(tái)建設(shè)緩慢，基礎(chǔ)設(shè)施及信息化運(yùn)行平臺(tái)不夠完善，導(dǎo)致資源共享困難，服務(wù)及管理效率低下，智慧校園自然無(wú)從談起。

智慧校園建設(shè)要本著節(jié)省資金、功能保障、維護(hù)方便的原則開(kāi)展云基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，要加強(qiáng)技術(shù)咨詢工作，解決有關(guān)技術(shù)難題，通盤全局的規(guī)劃智慧校園云平臺(tái)的建設(shè)。

2 智慧校園云平臺(tái)架構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 建設(shè)目標(biāo)

（1）完善基礎(chǔ)設(shè)施。優(yōu)化現(xiàn)有校園網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，利用原有的計(jì)算資源和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)資源，增購(gòu)一批性能先進(jìn)的服務(wù)器與存儲(chǔ)資源，加大校園網(wǎng)數(shù)據(jù)中心建設(shè)；完善校園信息安全保障體系，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)智能感知終端實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集。云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)的搭建是云服務(wù)的基礎(chǔ)，缺少基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層和支撐，整個(gè)云平臺(tái)也無(wú)法發(fā)揮作用，因此必須作為重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容。

（2）建設(shè)軟件及服務(wù)平臺(tái)。智慧校園軟件支撐平臺(tái)為各種信息應(yīng)用提供穩(wěn)定高效的支撐服務(wù)，包括為云終端用戶實(shí)現(xiàn)校務(wù)管理系統(tǒng)、校園一卡通系統(tǒng)、服務(wù)管理等系統(tǒng)的支撐服務(wù)，實(shí)現(xiàn)辦學(xué)效能的可持續(xù)發(fā)展[3]。構(gòu)建集中統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心平臺(tái)服務(wù)，包括統(tǒng)一用戶管理、統(tǒng)一身份認(rèn)證等為信息化基礎(chǔ)應(yīng)用，基于學(xué)生成績(jī)、人事、資產(chǎn)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行主題挖掘分析，支持各應(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換、整合和信息共享。通過(guò)構(gòu)建和諧統(tǒng)一的校園信息服務(wù)平臺(tái)，以教師專業(yè)發(fā)展和學(xué)生綜合素質(zhì)提高為核心，以學(xué)校現(xiàn)有資源和應(yīng)用系統(tǒng)為基礎(chǔ)，為師生提供全面、綜合、個(gè)性化的教學(xué)、科研、校園文化生活等信息化應(yīng)用需求，構(gòu)建高效科學(xué)的教育信息資源服務(wù)體系。

2.2 智慧校園云平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

云計(jì)算模式為智慧校園建設(shè)提供了廣闊的空間。在深入研究高職院校智慧校園建設(shè)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對(duì)云計(jì)算服務(wù)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了基于云計(jì)算的智慧校園建設(shè)總體框架模型，如圖1所示：基于云計(jì)算的三個(gè)服務(wù)層次進(jìn)行設(shè)計(jì)[4-5]，依次分為基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層、平臺(tái)服務(wù)層、軟件應(yīng)用服務(wù)層和終端業(yè)務(wù)層，在信息標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范體系和安全運(yùn)維與管理體系的協(xié)助下，最后為終端用戶提供智慧校園云端服務(wù)。

3 云平臺(tái)開(kāi)發(fā)環(huán)境構(gòu)建

3.1 智慧校園云平臺(tái)開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)

圖1 智慧校園云平臺(tái)總體架構(gòu)Fig.1 Architecture of the cloud platform for the smart campus

智慧校園云服務(wù)平臺(tái)采用雙節(jié)點(diǎn)的 OpenStack組建集群來(lái)搭建云計(jì)算平臺(tái)。基于 OpenStack構(gòu)建一個(gè)通用性的云平臺(tái)，通用性平臺(tái)可以隨意擴(kuò)展計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源[6]。并且遵循IaaS模式為應(yīng)用程序提供數(shù)據(jù)處理的接口，開(kāi)發(fā)者不需要關(guān)心底層框架的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)[7]。整套云平臺(tái)開(kāi)發(fā)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。采用兩節(jié)點(diǎn)構(gòu)建云計(jì)算平臺(tái)，一種為控制節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，另一種為實(shí)例節(jié)點(diǎn)（即計(jì)算節(jié)點(diǎn)）服務(wù)器。結(jié)合Open vSwitch虛擬交換機(jī)功能對(duì)平臺(tái)中的實(shí)例通信網(wǎng)口、管理網(wǎng)口、私有網(wǎng)口進(jìn)行配置開(kāi)發(fā)。

3.2 平臺(tái)部署

在云平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上部署云平臺(tái)的物理節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，準(zhǔn)備 OpenStack搭建云計(jì)算平臺(tái)所需的軟件資源包，按云平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖進(jìn)行設(shè)備準(zhǔn)備與網(wǎng)絡(luò)連接，完成云平臺(tái)系統(tǒng)安裝基礎(chǔ)工作[8-9]。OpenStack云計(jì)算平臺(tái)的搭建使用CentOS Liunx系統(tǒng)進(jìn)行。

圖2 云平臺(tái)開(kāi)發(fā)環(huán)境拓?fù)鋱DFig.2 Topology map of cloud platform development

3.2.1 控制節(jié)點(diǎn)的部署

控制節(jié)點(diǎn)用于存放系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)、中間件服務(wù)，實(shí)際為云平臺(tái)系統(tǒng)的大腦和控制中心。在控制節(jié)點(diǎn)服務(wù)器上通過(guò)安裝安全認(rèn)證服務(wù)(Keystone)、鏡像服務(wù)(Glance)、計(jì)算控制服務(wù)（Nova）、網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)（Neutron）、塊存儲(chǔ)控制服務(wù)(Cinder)、對(duì)象存儲(chǔ)控制服務(wù)(Swift)、監(jiān)控服務(wù)（Ceilometer）等服務(wù)，完成云平臺(tái)控制端的安裝部署。通常將系統(tǒng)基礎(chǔ)服務(wù)的參數(shù)生成在環(huán)境配置文件中[10]，包括 iptables、selinuxt、IP地址等，以腳本的方式進(jìn)行軟件安裝。其關(guān)鍵部分代碼如下：

#Source $(pwd)/lcvc.Pre.sh //設(shè)置環(huán)境配置文件

# service iptables save //清除防火墻規(guī)則并保存配置

#setenforce 0 2>&1 //修改 selinux

# mysql –u root -p

mysql> CREATE DATABASE keystone;

mysql> GRANT ALL PRIVILEGES ON keystone.* TO 'keystone'@'localhost' IDENTIFIED BY'KEYSTONE_DBPASS'; //配置每個(gè)服務(wù)訪問(wèn)連接地址和用戶權(quán)限

mysql>su –s /bin/sh –c “keystone-manage db_sync” keystone //同步創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)表

3.2.2 計(jì)算節(jié)點(diǎn)的部署

計(jì)算節(jié)點(diǎn)是具備存放虛擬機(jī)的服務(wù)器，支持處理器虛擬化功能，運(yùn)行虛擬機(jī)管理程序（XEN或KVM）管理虛擬機(jī)主機(jī)，同時(shí)為外部用戶提供存儲(chǔ)服務(wù)和內(nèi)部實(shí)例提供塊存儲(chǔ)服務(wù)[11]。計(jì)算節(jié)點(diǎn)上需要安裝計(jì)算服務(wù)（Nova）、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（Neutron）、塊存儲(chǔ)服務(wù)(Cinder)、對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)(Swift)、監(jiān)控代理服務(wù)（Ceilometer）。計(jì)算節(jié)點(diǎn)主要配置Nova的VNC訪問(wèn)和 Neutron提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，其關(guān)鍵部分腳本代碼如下：

#openstack-config --set /etc/nova/nova.conf DEFAULT auth_strategy keystone //配置認(rèn)證

#openstack-config --set /etc/nova/nova.conf vnc novncproxy_base_url http://$Controller_Mgmt_IPaddress:6080/vnc_auto.ht ml //配置VNC服務(wù)

#openstack-config --set /etc/nova/nova.conf DEFAULF security_group_api neutron //配置實(shí)例使用neutron網(wǎng)絡(luò)

4 結(jié)論

通過(guò)將云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于智慧校園網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐部署中，為高效、快速建設(shè)智慧校園提供了可行的解決方案。作為智慧校園的技術(shù)支撐，云計(jì)算推動(dòng)校園信息化建設(shè)的跨越式發(fā)展。基于云計(jì)算的智慧校園平臺(tái)建設(shè)將取代傳統(tǒng)的校園平臺(tái)，為師生提供更好的信息化服務(wù)。

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