基于云計(jì)算的校園數(shù)據(jù)中心建設(shè)方案研究

［張武平］

1 引言

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，校園信息化建設(shè)已成為學(xué)校現(xiàn)代化建設(shè)的核心內(nèi)容，是學(xué)校教學(xué)、科研、管理以及服務(wù)等方面的重要技術(shù)支撐，并逐步成為學(xué)校綜合實(shí)力和現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志之一。目前，學(xué)校數(shù)據(jù)中心以各種型號(hào)的計(jì)算機(jī)為主，隨著學(xué)校信息化的不斷發(fā)展，信息化建設(shè)范圍的不斷擴(kuò)大，信息數(shù)據(jù)量的不斷增多，成本也在不斷上升，多套獨(dú)立業(yè)務(wù)系統(tǒng)增加了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)的整體建設(shè)和維護(hù)成本，各自獨(dú)立的軟硬件導(dǎo)致計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)的利用率低下，各部門信息系統(tǒng)之間無(wú)法進(jìn)行有效的信息交互和資源共享，形成了信息孤島，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)更新不及時(shí)、數(shù)據(jù)不兼容等問(wèn)題。

為了解決這些問(wèn)題，可利用云計(jì)算技術(shù)建立數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的資源共享，統(tǒng)一學(xué)校內(nèi)各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，提供集中的數(shù)據(jù)交換，減少數(shù)據(jù)冗余，提高數(shù)據(jù)的利用率，更有效的提高學(xué)校教學(xué)、管理效率。

2 云計(jì)算概念和關(guān)鍵技術(shù)

2.1 云計(jì)算的概念

廣義地將云計(jì)算解釋為一切能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)提供的服務(wù)，一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算，在其中共享的資源、軟件和信息以一種按需的方式提供給計(jì)算機(jī)和設(shè)備。

狹義云計(jì)算指IT 基礎(chǔ)設(shè)施的交付和使用模式，指通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴(kuò)展的方式獲得所需資源，并且可以隨時(shí)獲取，按需使用，隨時(shí)擴(kuò)展。

云計(jì)算是以網(wǎng)絡(luò)為中心的，用戶可以方便快速的參與，可隨時(shí)隨地用任何網(wǎng)絡(luò)設(shè)備訪問(wèn)，云計(jì)算提供自助化的資源服務(wù)，很多用戶共同使用資源池，降低了用戶對(duì)于IT 專業(yè)知識(shí)的依賴，減少用戶終端的處理負(fù)擔(dān)。云計(jì)算根據(jù)需求動(dòng)態(tài)劃分或釋放不同的物理和虛擬資源，實(shí)現(xiàn)資源的快速?gòu)椥蕴峁?/p>

2.2 云計(jì)算的主要服務(wù)形式

目前云計(jì)算的主要服務(wù)形式有基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a Service,IaaS）、平臺(tái)即服務(wù)（Platform as a Service,PaaS）和軟件即服務(wù)（Software as a Service，SaaS），云計(jì)算服務(wù)形式詳細(xì)內(nèi)容如圖1 所示。

圖1 云計(jì)算服務(wù)形式

（1）基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）

基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)是指以服務(wù)的形式交付計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施。基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)提供了計(jì)算功能和基本存儲(chǔ)作為網(wǎng)絡(luò)上的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)中包含了服務(wù)器、存儲(chǔ)系統(tǒng)、交換機(jī)、路由器以及其他系統(tǒng)并可用于處理工作負(fù)載。

（2）平臺(tái)即服務(wù)（PaaS）

平臺(tái)即服務(wù)是一個(gè)虛擬化的平臺(tái)，它包括一個(gè)或多個(gè)服務(wù)器、操作系統(tǒng)和特定應(yīng)用程序。在某些情況下，可以提供一個(gè)包含所有必需的特定于用戶的應(yīng)用程序的映像。平臺(tái)即服務(wù)包含一個(gè)軟件層并將其作為服務(wù)提供，這個(gè)服務(wù)可用于構(gòu)建更高級(jí)的服務(wù)。

（3）軟件即服務(wù)（SaaS）

軟件即服務(wù)是指以服務(wù)的形式通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)軟件的能力。以服務(wù)形式按需提供完整的應(yīng)用程序。軟件的一個(gè)實(shí)例在云中運(yùn)行并為多個(gè)終端用戶或客戶組織提供服務(wù)。

2.3 云計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)

虛擬化：虛擬化技術(shù)是在一臺(tái)物理機(jī)上運(yùn)行多個(gè)不同的操作系統(tǒng)，多個(gè)操作系統(tǒng)共享物理機(jī)資源，主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)底層物理資源的抽象，使其成為可以被靈活生成、調(diào)度、管理的基礎(chǔ)資源單位。而要將這些資源進(jìn)行有效的整合，從而生成一個(gè)可以統(tǒng)一管理、靈活分配、動(dòng)態(tài)遷移的基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施資源池，并提供自動(dòng)化基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)。提高了服務(wù)器的硬件資源利用率，充分利用了硬件所提供的并行性和高性能，是云計(jì)算技術(shù)的基礎(chǔ)。

動(dòng)態(tài)資源分配：云計(jì)算可以將資源池動(dòng)態(tài)分配給應(yīng)用程序，每個(gè)應(yīng)用程序與一個(gè)虛擬化應(yīng)用程序堆棧捆綁，而且應(yīng)用程序堆棧配有應(yīng)用程序需要的應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)和服務(wù)器操作系統(tǒng)配置。

3 云計(jì)算在校園中的應(yīng)用與研究

3.1 校園云計(jì)算數(shù)據(jù)中心需求

目前各學(xué)校缺乏統(tǒng)一的信息系統(tǒng)，不同系統(tǒng)之間互相獨(dú)立，信息無(wú)法共享，在對(duì)教學(xué)信息的整理、分類、查詢、統(tǒng)計(jì)及課堂教學(xué)、作業(yè)檢查，考核測(cè)評(píng)等方面，系統(tǒng)功能不完善或尚未完整建立。在信息化建設(shè)的不斷發(fā)展過(guò)程中，隨著校園中業(yè)務(wù)不斷增加，對(duì)服務(wù)器數(shù)量需求不斷增加，同時(shí)各部門單獨(dú)申購(gòu)服務(wù)器，將會(huì)導(dǎo)致建設(shè)成本高，維護(hù)難度大等一系列問(wèn)題。

因此，急需建立一個(gè)將各種信息打通的信息系統(tǒng)，而云計(jì)算可利用服務(wù)器虛擬化技術(shù)、存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)等建設(shè)集中統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心，利用高性能云計(jì)算服務(wù)器組成虛擬化集群，為各部門和各業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供彈性可擴(kuò)展、快速可恢復(fù)、安全可靠的服務(wù)器基礎(chǔ)架構(gòu)，同時(shí)為舊業(yè)務(wù)的遷移、新業(yè)務(wù)的部署提供快速、安全、自動(dòng)化的業(yè)務(wù)部署模式。通過(guò)云計(jì)算建設(shè)數(shù)據(jù)中心，可以使學(xué)校內(nèi)各種資源虛擬的構(gòu)建起來(lái)，實(shí)現(xiàn)資源有效的共享，進(jìn)一步提高教學(xué)效率、管理效率。

3.2 基于云計(jì)算數(shù)據(jù)中心建設(shè)方案

3.2.1 云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的優(yōu)勢(shì)

第一，云計(jì)算通過(guò)集中管理和集中使用解決數(shù)據(jù)中心的能耗問(wèn)題。通過(guò)云計(jì)算使IT 資源集中管理和共享使用，克服了傳統(tǒng)IT的重復(fù)、低水平建設(shè)，大大降低了IT能源消耗。

第二，云計(jì)算通過(guò)虛擬化方式降低數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用成本。在信息化時(shí)代，低成本的IT 服務(wù)需求尤為迫切。云計(jì)算通過(guò)虛擬化、可擴(kuò)展的方式滿足這一需求，從而直接減少購(gòu)買昂貴設(shè)備所需要的成本。

第三，云計(jì)算通過(guò)靈活可擴(kuò)展的方式實(shí)現(xiàn)資源共享，提升運(yùn)行效率。云計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的資源相互調(diào)度，實(shí)現(xiàn)資源擴(kuò)展，通過(guò)擴(kuò)展資源使用率提升運(yùn)行效率。

3.2.2 云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的建設(shè)目標(biāo)

（1）構(gòu)建安全有彈性、可靈活擴(kuò)展、可方便管理、面向應(yīng)用、低能耗、持續(xù)可用的服務(wù)運(yùn)維環(huán)境，為集中管理各種應(yīng)用服務(wù)提供硬件基礎(chǔ)。

（2）構(gòu)建安全、高效的數(shù)據(jù)資源集中存儲(chǔ)體系，保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新和高度一致，并建立完備的存儲(chǔ)策略和重要數(shù)據(jù)的備份容災(zāi)機(jī)制。

（3）構(gòu)建安全、高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)體系，有良好的監(jiān)測(cè)機(jī)制，防止單點(diǎn)故障，保證業(yè)務(wù)系統(tǒng)不間斷的持續(xù)運(yùn)行，為各項(xiàng)應(yīng)用服務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)保證。

3.2.3 云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的架構(gòu)

云計(jì)算數(shù)據(jù)中心總體架構(gòu)建設(shè)遵循面向業(yè)務(wù)需求的思路，基于模塊化的方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心IT 基礎(chǔ)架構(gòu)模塊與業(yè)務(wù)模塊松耦合，保證數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展和新業(yè)務(wù)快速上線。提供簡(jiǎn)單可靠、易于部署和管理、便于擴(kuò)展和升級(jí)的IT 基礎(chǔ)架構(gòu)，滿足學(xué)校數(shù)據(jù)中心建設(shè)以及數(shù)據(jù)中心的可視化統(tǒng)一管控的需求。

數(shù)據(jù)中心建設(shè)的總體架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)中心總體架構(gòu)

整體架構(gòu)自下向上為基礎(chǔ)設(shè)施層、云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、服務(wù)對(duì)象層，以及數(shù)據(jù)中心的安全保障和數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一管理。

基礎(chǔ)設(shè)施層：基于業(yè)務(wù)需求的模塊化數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)層：主要包括基礎(chǔ)資源層與容災(zāi)備份層。

基礎(chǔ)資源層：也可叫云服務(wù)層，包括服務(wù)器設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安全設(shè)備、虛擬化軟件，以及通過(guò)虛擬化平臺(tái)構(gòu)建的虛擬化資源池，還有物理資源池，可以通過(guò)智能資源調(diào)度與管理平臺(tái)對(duì)虛擬資源池與物理資源池統(tǒng)一管理，并對(duì)上層應(yīng)用系統(tǒng)提供IT 服務(wù)，云服務(wù)層是校園信息化的基礎(chǔ)架構(gòu)。云服務(wù)層還包括高性能計(jì)算解決方案、大數(shù)據(jù)平臺(tái)方案等。

（l）計(jì)算：為用戶提供高計(jì)算密度、高資源利用率、以業(yè)務(wù)為導(dǎo)向的易管理的計(jì)算系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求，結(jié)合安全和管理需求，除數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和管理服務(wù)器不需虛擬化外，其他服務(wù)器將充分采用虛擬化技術(shù)。虛擬化軟件對(duì)多臺(tái)服務(wù)器虛擬化后，連接到共享存儲(chǔ)，構(gòu)建成虛擬化資源池，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)按需為用戶提供計(jì)算資源服務(wù)。同一個(gè)資源池內(nèi)的虛擬機(jī)可以共享資源池內(nèi)物理服務(wù)器的CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等資源，并可在資源池內(nèi)的物理服務(wù)器上動(dòng)態(tài)漂移，實(shí)現(xiàn)資源動(dòng)態(tài)調(diào)配。

（2）存儲(chǔ):存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)可以將底層存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行抽象化統(tǒng)一管理，向服務(wù)器層屏蔽存儲(chǔ)設(shè)備硬件的特殊性，而只保留其統(tǒng)一的邏輯特性，從而實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)系統(tǒng)的集中、統(tǒng)一和便捷管理。虛擬化存儲(chǔ)提供分布式、高安全性和高擴(kuò)展的存儲(chǔ)能力，滿足高速數(shù)據(jù)處理、海量存儲(chǔ)和海量分析需求，提供靈活的災(zāi)備空間調(diào)整能力。

（3）虛擬資源池：采用虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)IT 基礎(chǔ)設(shè)施的資源池化，為上層業(yè)務(wù)提供IT 資源彈性供給，更好地實(shí)現(xiàn)IT 資源共享，提高利用率，快速響應(yīng)業(yè)務(wù)需求。

（4）物理資源池：重點(diǎn)是X86 物理資源池，包括數(shù)據(jù)庫(kù)物理機(jī)部署以及物理機(jī)集群等。

（5）智能資源調(diào)度與管理：同時(shí)提供物理資源和虛擬資源的統(tǒng)一監(jiān)控管理，進(jìn)而提供全生命周期資源服務(wù)。即對(duì)計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源的池化管理構(gòu)建虛擬數(shù)據(jù)中心。

容災(zāi)備份層：提供容災(zāi)和備份的解決方案。考慮業(yè)務(wù)的連續(xù)性，按照容災(zāi)等級(jí)可以提供應(yīng)用容災(zāi)和數(shù)據(jù)容災(zāi)，主要考慮核心業(yè)務(wù)如管理平臺(tái)與資源平臺(tái)的數(shù)據(jù)的安全性與業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

（1）構(gòu)建本地備份系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)備份與虛擬機(jī)系統(tǒng)備份，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)運(yùn)行環(huán)境保護(hù)。

（2）建設(shè)雙活災(zāi)備系統(tǒng)，首先實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)級(jí)數(shù)據(jù)雙活容災(zāi)，再實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)級(jí)雙活容災(zāi)。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層：包括學(xué)校的核心業(yè)務(wù)，如一卡通系統(tǒng)、教務(wù)系統(tǒng)、教學(xué)系統(tǒng)、科研系統(tǒng)、辦公系統(tǒng)、郵件系統(tǒng)等，以及包括支撐校內(nèi)主要業(yè)務(wù)、共享數(shù)據(jù)和交互數(shù)據(jù)等內(nèi)容的核心數(shù)據(jù)管理，是學(xué)校各機(jī)構(gòu)整體信息化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)環(huán)境。

服務(wù)對(duì)象層：涉及到業(yè)務(wù)應(yīng)用層的使用者，可以通過(guò)統(tǒng)一門戶平臺(tái)獲取到相關(guān)的服務(wù)。

數(shù)據(jù)中心安全保障：一體化安全保障系統(tǒng)從物理設(shè)施安全、網(wǎng)絡(luò)安全、主機(jī)安全、虛擬化安全、數(shù)據(jù)安全、應(yīng)用安全、用戶接入安全、安全管理等多層次為系統(tǒng)運(yùn)行提供全方位安全保障。

數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一運(yùn)維管理：數(shù)據(jù)中心運(yùn)維管理采用開(kāi)放的管理架構(gòu)和模塊化的設(shè)計(jì)思路，根據(jù)數(shù)據(jù)中心管理需求配置運(yùn)維管理模塊。主要管理模塊包括服務(wù)管理、統(tǒng)一管理門戶、服務(wù)流程管理、綜合監(jiān)控管理以及云計(jì)算平臺(tái)管理。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于云計(jì)算的校園數(shù)據(jù)中心通過(guò)云計(jì)算提供各種資源系統(tǒng)和服務(wù)，提供一個(gè)互聯(lián)互通、信息共享以及服務(wù)教學(xué)、科研和管理的數(shù)據(jù)中心，以解決其業(yè)務(wù)眾多，分布異構(gòu)，處理復(fù)雜，硬件更新頻繁，軟件安裝繁瑣和數(shù)據(jù)安全凸顯等問(wèn)題，不但可以整合教學(xué)信息資源、提高資源的利用率、提升教學(xué)水平，而且可以大幅降低學(xué)校信息化建設(shè)成本，進(jìn)而加快校園信息化建設(shè)步伐。