私有云在高校智慧校園建設中的應用實踐

夏 煒

(湖北師范大學 信息化建設與管理工作處,湖北 黃石 435002)

0 引言

近年來,國內高校在推進信息化建設方面取得了顯著進展,過程中應運產生了大量的文檔、圖片及視頻等類型的數字資源。由于對這些數據缺乏系統的管理,數據結構類型復雜,導致數據不利于更多的人利用與共享,無法發揮更大的數據價值。因此亟需建立一個統一的數據存儲中心,解決以上現實問題。私有云不僅可以解決現實的數據問題,還能夠為高校智慧校園建設提供更可靠的技術支持和實現方案。

1 相關概念

1.1 私有云

當前,云計算技術已經非常成熟,越來越多的大公司都著力研發云計算技術,引發了全世界范圍內的互聯網技術革新,甚至一些大城市還建立了云計算中心,建設智慧城市。

云計算根據不同的分類標準有不同的分類。根據服務種類可以分為基礎設施級服務、平臺級服務、軟件級服務。根據是否公開發布,可以分為私有云、公有云和混合云[1]。

私有云指的是用戶所在組織內部搭建的,為組織內部提供服務并且組織內部可以自行修改相關內容和結構的一種服務。公有云則是大型企業或運營商建立的,用來服務公眾或大規模用戶的由第三方平臺提供公開發行服務的一種服務。混合云指的是組織為了解決個人需求,一部分服務采用公有云計算模式,另一部分運用私有云計算模式或者先建立私有云端,運行一段時間成熟后再發布的一種服務。私有云和公有云的區別如表1所示。

表1 私有云和公有云的區別

從對比可以看出,私有云具有安全可靠、易控制等優勢,能夠通過動態的基礎設施架構與業務分開實現資源的統一調配。相比公有云而言,高校更適合開發建設與應用私有云。

首先,基于私有云開發的平臺下,高校所屬部門不需要再額外采購硬件和維護設備,只需要在平臺上根據需求申請并開發應用,可以大大節省硬件成本和時間成本。其次,高?；谒接性频闹腔坌@建設將為學校帶來更多的價值,不僅可以大大提高學校資源的利用率,減少病毒的威脅,提高信息的安全性,而且在共享信息時更加便捷高效,節省了軟硬件投資成本和存儲成本,同時還保障了業務的連續性,通過互聯網應用,實現遠程教育,提高教學服務能力。

1.2 高校智慧校園

智慧校園也稱為智慧型數字校園,指的是運用云技術、物聯網、大數據及智慧化等先進技術,把高校的教學、科研、學生管理及校園生活等各項工作進行整合,建立高校自己的數據中心,從而實現數字資源等信息的共享,為師生提供更加高效、智能、個性化的校園管理、學習和生活的校園體驗,使原來數字校園的進一步提升[2]。

2 私有云在高校智慧校園建設中應用的必要性與可行性

2.1 基于私有云搭建高校智慧校園的必要性

高校在信息化建設過程中,各部門基本都建立了適合自己辦公的獨立系統,雖然極大提高了部門內部辦公的便利性和工作效率,但是不利于部門之間的溝通與協同辦公?；谒接性破脚_的高校智慧校園建設能夠滿足不同部門的需求,減少各部門的軟硬件投入,提高部門之間的溝通效率[3],提高校園整體的智慧辦公與協同效率。

1)有利于提高高校教學效率

私有云技術在高校智慧校園建設中的應用解決了原來信息不完善,資源共享不通暢,工作效率低下等難題,同時大大擴展了儲存空間,實現優質教學資源“共建、共享、共用”[4]。作為高校師生,不擔心數據因電腦硬盤損壞或斷電而丟失,存在云端的數據可以實時讀取,并且每次訪問都會有瀏覽記錄,便于查看工作痕跡。作為管理人員可以根據辦公記錄了解工作進程,了解學校教職工的工作方式方法并適時調整,大大提高了教學效率。

2)有利于增加高校數據安全保障

傳統的高校信息化建設過程中,部門之間缺乏統一的平臺,容易出現安全漏洞,導致信息泄露等安全問題。但是高?；谒接性破脚_建立自己的內部網絡,實現智慧化辦公、學習和生活,所有信息都存儲于私有云存儲中,能有效確保信息的安全性,從而確保師生信息不被泄露。

2.2 基于私有云搭建高校智慧校園的可行性

1)滿足高校智慧園區建設的業務資源需求

高校智慧校園建設涉及到眾多領域,對業務資源要求較高,必須能夠長期穩定運行,師生能夠不受時空限制隨時獲取信息,云計算技術的特點完全可以滿足高校智慧校園建設的需求。而且基于私有云搭建高校智慧校園大大減少了服務器資源,同時,云平臺的模塊化結構和模板化部署提高了資源的利用效率,根據師生的需求快速匹配所需信息。

2)提高高校校園業務系統現實需求

基于私有云的高校智慧校園在計算和存儲能力上具有優勢,采取的架構具有彈性,滿足校園業務系統現實需求。雖然智慧校園建設的規模和需求不斷擴大,但是云計算具有較強的可擴展性,平臺可以隨著智慧校園的業務發展需求進行擴展。同時,私有云具有高可靠性,符合高校教學和科研活動對系統的要求。

3)推進高校信息化資源統一管理需求

基于私有云的高校智慧校園通過云計算的虛擬化功能屏蔽硬件層,把不同階段的資源投入集中到一個資源池,統一規劃和布局,大大提高了高校內部網絡的集中程度,使得網絡拓撲和配置更加簡單,便于監控和優化網絡狀態。資源配置的統一化及共享機制也彌補了高校原有系統規劃不完善的問題,提高了高校信息化建設的資金使用效率,系統建設的投資回報率更高,提高了資源共享程度,消除了系統之間的信息孤島問題。

4)實現高校信息化資源實時動態調整需求

基于私有云的高校智慧校園的資源可以實時動態調整,資源可以根據需求進行擴展,例如在預估有大量學生訪問之前增加資源,訪問量降低時則適量調配資源用作它途。同時,在資源的安全防護、運行、管理中都可以統一進行,提高效率的同時也提高了數據的安全性,有效解決原有信息化建設中硬件及設備繁多,軟件維護中的故障,從而降低運行和維護成本,提高運行和維護的效率。

5)促進高校學科建設需求

基于私有云的高校智慧校園建設,可以同時搭建高校云實驗室,促進學科建設的實踐運用,形成現實高新產業生產力。例如,在理工院校開設的云計算等課程中,為學生提供真實的環境進行訓練,從而豐富老師的教學經驗和學生的實操經驗。

由此可見,基于私有云的高校智慧校園建設不僅可以為師生提供便捷高效的云服務,同時結合云計算的優點和私有云的優點,極大提高了高校智慧校園建設進程。

3 私有云在高校智慧校園中的應用框架及預期效果

3.1 私有云在高校智慧校園建設中的整體框架

為了將私有云在高校智慧校園建設中的效率發揮至最優,湖北師范大學私有云采用深信服超融合架構方案。整體框架由“云管平臺 + 深信服超融合服務器”組成,實現計算、存儲、網絡、安全、容災、云管等功能的集中承載和統一調度。硬件架構由多臺超融合服務器、兩臺千兆交換機和兩臺萬兆交換機組成。其中,超融合服務器用于承載核心業務系統等。兩臺千兆交換機以堆疊的方式組建業務網段、管理網段和通信網段。兩臺萬兆交換機以堆疊的方式組建存儲網段。網絡鏈路采用鏈路聚合冗余架構,通過VLAN劃分方式將4套網段進行隔離,確保各網段獨立運行。具體作用如下:

1) 存儲網段:用于深信服超融合服務器分布式存儲之間的數據傳輸。

2) 業務網段:上連學校數據中心核心交換機,用于私有云業務對外訪問服務的數據傳輸。

3) 管理網段:用于深信服超融合服務器主機之間管理、配置等數據的傳輸。

4) 通信網段:用于私有云各業務系統之間的數據傳輸。

超融合服務器配備2個萬兆光口,6個千兆電口。2個萬兆光口兩兩聚合組建存儲網段,實現超融合存儲虛擬化。6個千兆電口兩兩聚合組建業務網段、管理網段和通信網段,分別實現業務需求、管理需求和通信需求。超融合服務器網口功能如表2所示。

表2 超融合服務器網口功能表

整個私有云的整體框架拓撲如圖1所示。

圖1 私有云的整體框架拓撲圖

3.2 私有云在高校智慧校園建設中的網絡安全框架

為了保障私有云在高校智慧校園中安全穩定地運行,在《網絡安全等級基本要求》(等保2.0)的指導下,通過合理部署必要的網絡安全設備,將安全防護體系由被動防守轉換為主動防御[5],抵御不斷出現的安全威脅與風險,滿足自身安全的要求,保證系統長期穩定可靠的運行,建設安全、合規的“綠色”云平臺。

在總體框架設計上,部署網絡出口防火墻、數據中心防火墻、WEB應用防火墻保障南北向的網絡安全,可以檢測和防護DDOS攻擊、多種畸形報文攻擊,多種特征攻擊,緩沖區溢出、SQL注入、跨站腳本攻擊、CC攻擊和外鏈漏洞等。部署私有云微隔離安全平臺保障東西向的網絡安全,提供流量與應用控制功能,對私有云業務訪問進行細粒度的權限控制,保護私有云內部業務安全運行,限制安全風險的影響范圍和擴散范圍,過濾諸如蠕蟲、木馬、惡意軟件、惡意網站等帶來的病毒威脅。部署數據庫審計系統,實現對訪問數據庫的數據流和用戶進行采集、分析、識別、屏蔽、替換、阻斷、授權、身份驗證和身份識別等操作,并對訪問數據庫的相關行為、發送和接收的相關內容進行存儲、分析和查詢等功能。部署漏洞掃描系統,定期對私有云進行網絡安全檢測,最大可能的消除安全隱患,盡早發現安全漏洞并進行修補,優化資源,提高私有云的運行效率。部署VPN接入網關,統一管理移動用戶接入的身份認證、訪問權限、移動設備,提升移動接入的安全性。部署備份一體機,對私有云重要業務系統數據庫、文件、操作系統進行集中災備,當災難場景發生是,在最短的時間完成災難恢復,保證業務運行。部署上網行為管理系統和日志系統,進行日志存儲。部署負載均衡設備,解決私有云多鏈路出口流量分擔問題,優化通信線路,使用戶獲得更佳訪問體驗。具體網絡拓撲如圖2所示。

圖2 私有云在高校智慧校園建設中的網絡安全框架

3.3 私有云在高校智慧校園建設中的應用框架

在高校智慧校園建設中,應用私有云的可擴展及可集成的先進性,構建一個可以整合數據存儲、數據庫和不同應用的平臺,在電腦、手機及其他可移動設備中均可訪問,從而為師生及家長提供更好的服務。本文基于私有云的智慧校園建設,主要介紹智慧校園云教學、智慧校園云管理、智慧校園云科研、智慧校園云分析等場景。

1)智慧校園云教學。傳統教學是在固定的空間和時間,而基于私有云的高校智慧校園云教學則整合了原有的師資、教學內容、學生及教務,在云平臺上隨時隨地教學。教師之間可以互相交流各自積累的知識,通過平臺進行知識的流通,學生也可以通過平臺利用移動設備隨時隨地進行學習和交流,使得學習效率更高、經驗交流及探索延伸學習更加便捷。教學模式的變革也讓教和學更具自主性,在各項教學活動中也能夠照顧到個性化需求。最為重要的是智慧校園云教學提升了教學智能化水平,能夠通過在線教學的分析機制為教師的教學提供分析數據,教師再根據分析結果進行完善,從而不斷提高教學質量。

2)智慧校園云管理?；谒接性频母咝Ｖ腔坌@可以利用云平臺的功能對教學活動實時管理,可以在線發布信息、在線教學教務管理、資源調配。學校利用云平臺可以向家長反饋學生的學習情況、告知家長學生的學習課程及進展,便于家長及時了解學生學習情況,共同教育好學生。在云平臺中,教務管理者還可以實時了解教師備課及教學情況并作為測評教師的依據之一。學生的學習情況也可以通過平臺的數據集中整理分析,包括學生的課程選擇、考試情況、學習交流情況等,從而便于學校教學管理者適時進行調整,提高學生學習效率。

3)智慧校園云科研。高校智慧校園建設科研云平臺實現云科研需要豐富的組件及高效的環境,而基于私有云的高校智慧校園建設可以滿足云科研的需求,減少科研團隊準備環境的時間,大大節省資源,降低了采購和維護硬件的成本?；谒接性茦嫿ǖ母咝Ｖ腔坌@提供了高效穩定的科研云平臺,讓不同的科研項目都能夠在這個平臺上進行,并且平臺的集成規范可以實現平臺上集成多種科研軟件,甚至有的軟件可以自動化服務,讓課題的科研工作更加便捷高效。此外,在科研項目管理中,每個科研團隊都可以有自己的賬戶和獨立的權限,可以完全掌控自己的科研數據,避免了信息泄露的風險。

4)智慧校園云分析。智慧校園云分析是在智慧校園的云平臺上實現教學、考勤、成績、師資等進行綜合分析,從而形成完善的教師績效評價體系,通過評價發現問題;對學生一卡通、考勤數據及溝通交流的數據加以分析,對資源的利用情況加以分析,了解資源的特殊使用群體,并挖掘其中的規律,把分析后的數據展示出來,為管理者的決策提供依據。對所有數據進行結構化分類,然后從內容積累情況、資源利用情況、效果評價方面來判斷教學效果,對教學過程的分析能夠提升教師的教學水平,并推動教學改革。

3.4 私有云在高校智慧校園建設中的實際應用效果

首先,基于私有云的高校智慧校園云平臺節省了大量的投資。不僅節省了高校的軟硬件資源投入,也大大提升了工作效率。其次,基于私有云的智慧校園云平臺大幅提高了計算平臺的交付速度。虛擬化模板解決了重復部署應用程序的問題,可以在非常短的時間內提供一個完善的應用程序運行環境,提高了部署速度。再次,物理服務器的減少提高了所部署服務器的利用率,共享數據庫服務器也使得計算資源的計算潛力得到進一步挖掘,共享的虛擬化服務器和數據服務器也為高校節省了大量人力物力和資源,大大減少了維護的成本。最后,基于私有云的智慧校園云平臺提高了應用服務器的運行和維護的效率,維護工作更加便捷高效,同時,基于私有云的高校智慧校園云平臺也提高了抗風險水平,系統運行更加穩定。

4 結語

近年來,高校的智慧校園建設水平已經成為衡量高校信息化建設水平的重要指標,并引起眾多學者對此加以研究與探討。云計算技術的出現,使高校智慧校園建設水平得到較大的提升,通過高校私有云平臺的整合,教學、管理、科研、數據分析等業務都可以在云平臺上實現。并且隨著科技的發展,基于私有云的智慧校園云平臺將整合更多的校園管理系統,真正實現云上智慧校園。高校智慧校園建設的私有云平臺不僅可以在本校適用受益,也能為其他高校提供借鑒,值得深入研究和進一步推廣。