異構集群在智慧化校園中的應用研究

湯湘林 陳方兵

摘 要：異構集群具有強大的兼容性以及高可靠性，在為高校信息化系統設計定制化的異構集群系統架構的基礎上進行高校信息化系統的集約化管理，可以有效地提高高校信息化管理效率和節約管理成本。

關鍵詞：智慧化校園 ? ?高校信息化 ? ?異構集群

異構集群作為一種新的資源配置和管理模式，在大數據的發展帶動下應運而生。異構集群可以有效地將各種結構不匹配的資源充分利用起來，解決了資源閑置問題。在此基礎上，通過合理的算法調度，可以解決資源負載不均衡問題，提高了服務器的效率，也減少了服務器宕機風險。因此，異構集群的誕生為各單位節省了大量的資源并且極大提高了系統管理效率。本文從高校智慧化校園建設著手，探討異構集群在高校信息化建設中的應用。

一、高校信息化管理的現狀

我國高校的信息化建設在近年來取得了突破性進展。主管部門和高校自身都非常重視信息化建設，人財物的投入比例都相當大。目前，各個高校基礎性業務系統建設基本完成，能夠保證教學、科研、事務管理等的順利進行。但在信息化建設和管理中也存在諸多問題，使得當前高校信息化系統架構體系跟不上發展的需要，嚴重影響智慧校園建設。

（一）資源閑置嚴重，造成資源浪費

隨著高校信息化系統建設的升級，設備的更新換代步伐加快，導致不同批次設備之間不能兼容使用，產生了大量的閑置設備。由于設備之間存在異構性，但是沒有針對異構設備專門設計的系統化解決方案，因此不但沒有發揮異構設備的優勢，反而大大增加了系統開銷。

（二）數據存儲不規范，難以有效利用

對數據的高效利用是建設智慧化校園的基礎。由于高校信息化系統在建設過程中并沒有考慮到數據協同利用的問題，導致存儲于異構集群服務器中的數據很難被高效利用。當前高校信息化建設并沒有專門應對異構集群的解決方案，導致智慧化校園建設遇到瓶頸。

（三）資源負載分配不均衡，限制了實時場景應用

在當前高校信息化系統架構中，異構服務器的負載均衡問題并沒有被重點考慮，這就限制了整個校園網絡處理高并發問題的能力，同時也不能很好地解決實時性問題。因此在智慧化校園建設中很多實時場景無法應用。

二、異構集群及資源異構集群的概念

（一）異構集群概念

異構集群指的是由高速互聯網絡連接起來的多臺不同類型的計算機組成的高性能計算系統。計算節點是開放式的，用戶不僅可以隨意地增加或者刪除節點，還可以自由地向任何一個計算節點提交不同需求的任務，整個集群的計算節點為所有用戶所共享。異構集群的異構性能表現為類型異構性和資源異構性。類型異構性指的是計算節點具有的不同指令集結構（ISA）以及不同操作系統（OS）類型;資源異構性指的是計算節點的資源（主要為CPU、內存和I/O資源）擁有量的不同。

（二）資源異構集群概念

資源異構集群表現為CPU資源異構性（HCPU）和內存異構性（HMEM）。HCPU和HMEM的值越高，系統的資源異構性越大。對于同構系統有如下公式：

HCPU=HMEM=0

對于整個集群而言，首先需要知道整個集群的處理器平均性能，可以通過對每個節點的性能求平均，來得到整個集群的平均性能。知道了整個集群的平均性能以后，就可以比較單個節點的性能與平均性能的差別，差別越小，表明整個集群的異構性能越低，也就是說整個集群越接近同構集群;反之，就說明整個集群的異構性能越強。

對于內存異構性的定義同理，首先需要明確整個集群中內存的平均值，然后對單個節點的內存容量與集群平均值進行比較，兩者之間的絕對值越大，表明整個集群的內存異構性越大;反之，就說明內存異構性較小。

三、異構集群在智慧化校園建設中的應用

（一）異構集群的設計

為了讓異構集群能夠滿足智慧化校園未來多樣化的需求，應該針對智慧化校園的發展，為高校信息化系統設計相應的異構集群解決方案。從功能看，異構集群的體系設計應該具有一致性、負載均衡等特點;從擴展性看，異構集群體系設計應突出低耦合的特點，以滿足智慧化校園建設日益增長的需求。

1.一致性與負載均衡設計

異構集群在設計上滿足一致性和負載均衡要求，首先，需要各個存儲節點保持數據同步，即數據一致性，防止個別節點故障引起集群癱瘓;其次，需要設計合理有效的任務調度算法，通過調度算法保障各個節點負載均衡;最后，以批處理或者流處理框架作為引擎，對異構集群上不同的任務進行處理。

2.低耦合性設計，提高異構集群可靠性

低耦合性設計要求異構集群之間各個模塊相互獨立，異構集群之間通過統一接口通信，采用去中心化設計，利用分布式集群的優勢，將各個節點作為獨立處理單元，提高異構集群可靠性，減少宕機風險。

（二）異構集群的應用優勢

異構集群在高校信息化系統管理中發揮很大作用。針對目前高校信息化管理中存在的問題，異構集群在未來高校建設智慧化校園的過程中也將發揮極大的作用。

1.充分利用閑置資源，節約成本

使用異構集群解決方案，將現有高校信息化系統內部的閑置資源進行充分整合，構建統一資源池，可以做到對資源的統一管理和調度。在此基礎上，可以開發出高效的調度算法，即使資源不充分，也能夠在不購買新資源的情況下，通過合理調度解決資源不足問題。

2.分布式設計，極大提高異構集群安全性

異構集群采取冗余備份和負載均衡設計，不同節點間的數據一致性策略，可以有效地保證其穩定性，即使某幾個節點同時出現宕機故障，也不會影響整個異構集群的正常運行，避免出現數據丟失或不能恢復的風險，可以極大地提高整個系統的安全性。

參考文獻：

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[3]許明睿.異構集群下分布式計算任務聚類調度算法研究[D].西安：西北大學，2020.

（作者單位：湯湘林，深圳技師學院;

陳方兵，深圳阿塔基科技有限公司）