高校一卡通核心計算資源管理的研究

陳育青，唐文軍，艾 飛

（1.華南理工大學計算機科學與工程學院，廣東廣州 510640；2.華南理工大學信息網絡工程研究中心，廣東 廣州 510640）

高校一卡通系統始于早期的就餐系統，隨著高校信息化的發展和演化，一卡通系統逐漸實現了“一卡多用、一卡通用”的目標，并成為高校智慧校園的基礎工程[1-2]。如今，一卡通系統融合云計算、移動計算、物聯網、大數據分析等新型技術，計算體系架構以軟件為中心，實現消費、充值、領取補助、身份識別、自助服務、綜合查詢、考勤簽到等功能，并基于標準的服務接口與校園其他業務集成，為全校師生的教學、科研、學習和生活提供更好的服務[3-4]。與此同時，這種計算架構體系的計算資源和計算形態變得復雜化、多樣化和動態化，給一卡通系統的運維帶來新的挑戰[5]。

傳統的一卡通系統運維主要面向前臺卡務服務和終端機具故障，隨著一卡通系統的應用場景逐漸覆蓋智慧校園，服務以軟件為中心，核心計算環境成為一卡通系統運維的焦點，運維人員的工作需要更加詳細、準確、實時的資源信息[6]。因此，傳統的運維文檔記錄模式已經無法滿足當今的運維工作需求，需要引入更多的信息化技術，以實現對核心計算資源的集中管控，保障穩定的一卡通系統的計算環境。

針對上述一卡通系統運維的新變化，文中首先闡述了一卡通系統的計算體系，分析了體系內的核心計算資源，并提出核心計算資源的管理模型；基于面向對象方法設計核心計算資源管理的數據模型，定義計算體系內的核心計算資源信息和管理；最后，研發核心計算資源管理平臺，實現提出的資源管理模型和數據模型，統一管理核心計算資源信息，提高一卡通系統運維工作效率和可追溯性。

1 高校一卡通系統的計算體系架構

高校信息化建設始于20 世紀80 年代，其建設過程大體分為校園網建設階段、數字化校園建設階段和智慧校園建設階段[7]。如今，高校信息化的基礎設施逐步完善，業務工作信息化、“一站式”服務成了最新的服務形態，而基于全感知的智慧校園的目標是實現全部業務信息化、業務流程的優化和業務模式再造。

一卡通系統借助校園網絡的全面覆蓋以及數字校園信息系統的集成，基于云計算、移動計算、大數據、物聯網等技術，一卡通系統與智慧校園其他業務系統以及社會應用系統融合，拓展了其服務的邊界和內容，實現了一卡通服務互聯網化[8]。一卡通系統的計算體系隨著技術和需求的變化也在不斷演變，從邏輯結構上分成5 個層次，如圖1 所示。

圖1 一卡通系統計算體系架構

1）網絡通信層：校園有線網、校園無線網、移動網絡的相互結合，打破了一卡通專網的邊界，為一卡通系統服務的互聯網化提供了網絡環境，師生可隨時隨地隨意地獲取服務。

2）計算與存儲層：云計算的虛擬技術、高可用計算服務器、存儲服務器的結合，為一卡通系統提供穩定的計算和數據存儲的硬件環境。

3）服務支撐層：操作系統、數據庫、高可用集群組件、服務中間件等基礎軟件系統為一卡通服務提供了軟件計算環境。

4）核心服務層：一卡通系統實現消費、充值、身份識別、綜合查詢等核心服務，為其他校園信息系統提供了服務融合的需求和標準集成接口。

5）智慧校園應用層及社會應用：基于當前的Web 計算和移動計算技術，一卡通核心服務與智慧校園業務系統的融合，實現了全業務信息化和業務流程的優化。微信小程序的輕應用通過虛擬卡片提供線上自助服務，并聚合微信、支付寶、銀行支付方等多種支付模式，實現了一卡通服務的互聯網化。

2 核心計算資源管理模型

如上所述，一卡通計算資源涉及到網絡通信層、計算存儲層、服務支撐層以及核心服務層，分類為硬件資源管理、軟件資源管理、網絡資源管理以及信息安全管理。其中，硬件計算資源涉及到體系內的硬件計算環境，軟件計算資源包括軟件計算環境、一卡通信息系統以及一卡通提供的服務接口，網絡資源是一卡通服務通信的網絡環境。隨著國家對網絡信息安全的重視，需要加強對一卡通系統的安全管理工作[9]。結合一卡通系統的運行體系和安全體系兩個方面，一卡通核心計算資源管理模型如圖2 所示。

圖2 一卡通核心計算管理模型

1）硬件資源管理

隨著一卡通服務的拓展，計算資源的數量越來越多，性能要求越來越高。該模塊統一管理硬件設備的計算、設備上部署的軟件、設備的網絡配置、設備故障和維保等信息，從而優化學校建設的計算資源使用率以及降低因硬件故障給系統服務帶來的影響，提升一卡通系統硬件計算環境的穩定性。

2）軟件資源管理

軟件計算資源包括基礎服務軟件和一卡通服務軟件?；A服務軟件提供計算的基礎服務，包括操作系統、數據庫、集群組件、服務中間件等；一卡通服務軟件分為核心子系統、輕應用以及服務集成接口程序。

以軟件為中心的一卡通系統，要求軟件持續運行，必須清楚了解軟件相關信息，其中包括軟件的運行環境、軟件提供的服務、軟件的訪問權限、軟件的數據存儲、軟件版本和升級情況、軟件備份和恢復情況等。

3）網絡資源管理

隨著業務服務的互聯網化，一卡通的專網邊界被打破，一卡通系統的網絡拓撲結構也變得復雜化，并給網絡安全帶來隱患。網絡的類型、IP 地址的分配、網絡邊界的訪問權限等信息隨著一卡通服務的增加而動態改變，因此，需要通過統一管控網絡資源以保障一卡通網絡通信的穩定性和安全性。

4）信息安全管理

一卡通系統與高校師生的教學、科研和生活息息相關，在提供便利快捷服務的同時，對一卡通系統的信息安全要求也越來越高。依據國家的網絡信息安全要求，所有提供Web 網絡服務的信息系統必須進行信息系統備案；其次，由于一卡通業務系統服務涉及全校師生的工作和生活，因此教育部要求每年對一卡通系統做網絡信息安全第三級等保測評，以保障一卡通的安全防護能力[10]。信息備案和等保測評信息的統一管理保障了一卡通系統信息安全管控的可追朔性。

3 核心計算資源數據模型

面向對象的核心思想是基于對象的計算實體抽象描述問題域中客觀存在的事物[11]。面向對象的類概念是對象的藍圖，對象的屬性和行為通過類的定義來描述。面向對象將數據和數據操作緊密結合，模擬人類的思維模式，使問題空間與解空間在結構上保持一致[12-13]。

在核心計算管理模型內，核心計算資源包括服務器、存儲、操作系統、應用系統、數據庫、中間件、服務、IP 地址、訪問權限、信息安全、維保合同等事物。文中基于面向對象[12]的思想定義核心計算資源數據模型，模型內定義的類、類與類之間的關系描述了這些事物以及事物之間的關系，如圖3 所示。

圖3 一卡通核心計算資源數據模型

模型中的主要類是SoftWares 和Computers，其中SoftWares 表示軟件計算環境內的基礎軟件系統和一卡通業務系統，業務系統提供了相應的核心服務SoftServices，而系統的升級情況定義在SoftUpdates類內；Computers 表示硬件計算環境內的核心計算設備，設備類型由HardWares 類定義，其中包括服務器、存儲、網絡設備、網絡安全設備。此外，在Computers 類內，定義了軟件對象SoftWares 和網絡配置對象IPPools，用于描述該計算設備內部署的相關軟件和網絡配置信息。

HardFails 類表示核心計算設備發生的硬件故障信息，該類定義硬件配件HDSpares 對象，即發生故障的具體硬件配件。Maintaces 類描述軟件和計算設備的維保合同，定義了維保有效時間、維保廠家、聯系方式等屬性。

信息安全包括信息系統備案和信息安全等保測評。InformationRecords 類定義了信息系統備案的基本信息，包含SoftWares 對象、備案負責人、備案時間、訪問方式等信息。SecurityEvaluates 表示信息安全等保測評對象，定義了信息安全等保級別、測評對象（SoftWares 和Computers）、測評時間、測評結果、負責測評單位等信息。

基于以上定義的類和類之間的關系，完整地描述了一卡通系統核心計算的資源以及資源管理的行為。

4 核心計算資源管理平臺的實現

華南理工大學一卡通系統在2012 年進行了全面升級，系統以軟件架構為中心，以卡為媒介，為全校師生提供金融消費、充值、自助服務、身份識別、綜合查詢等核心服務。目前，核心計算設備共有40臺，包括小型機、服務器、存儲、網絡設備和網絡安全設備；基礎軟件包括操作系統（Windows、Linux、AIX）、數據庫（Oracle、SQL SERVER）、中間件（Tomcat、Ngnix、IIS）以及一卡通系統，其中一卡通子系統、集成接口程序數目已達58 個。當前學校一卡通運維工作分為前臺服務運維、終端機具運維、核心計算運維，運維人員因工作不同分散在不同的辦公地點，以提供技術支持，人員之間需要協同工作和共享信息。

針對當前學校的一卡通運維狀況，采用Spring MVC+Hibernate 技術架構[14-15]，在提出的一卡通核心計算資源管理模型和數據模型的基礎上開發了一卡通計算資源管理平臺，平臺的用戶角色分為兩類，即運維人員角色和系統管理員角色，平臺的具體用例圖[16]如圖4 所示。

圖4 一卡通核心計算資源管理平臺用例圖

運維用戶訪問平臺的硬件設備管理、軟件系統管理、網絡資源管理以及信息安全管理功能模塊共同實現了一卡通核心計算資源信息的一體化管理，保證了運維信息的正確性、一致性和共享性。在運維用戶角色的權限基礎上，系統管理員授權基礎代碼管理、系統用戶管理以維護一卡通核心計算資源管理平臺的運行。目前，平臺集中管理華南理工大學一卡通核心計算資源信息，為一卡通運維提供了信息管理基礎。

5 結束語

隨著互聯網技術的蓬勃發展，一卡通系統演化成以軟件為中心的體系，運維的工作內容以核心計算資源的運維為核心。如何對核心計算資源進行科學運維是高校一卡通運維部門關注的首要問題，而科學運維的前提是信息的管理，要求信息的一致性、正確性和共享性。

文中首先詳細闡述一卡通系統計算體系的邏輯架構，從底向上地分析架構內每一層所提供的計算服務以及所涉及的計算資源，在此基礎上，將核心計算資源進行分類并提出相應的管理模型。引入面向對象方法論設計核心計算資源數據模型，以Spring+Hibernate 為技術架構研發一卡通核心計算資源管理平臺，實現核心計算資源信息管理。目前，該平臺已應用在華南理工大學，實現學校一卡通的核心計算資源的統一管理和信息實時共享目標，為科學運維提供了信息基礎。