大數(shù)據(jù)及云計算技術應用于智慧校園中的實踐分析

權 赫

(新疆理工學院 信息工程學院,新疆 阿克蘇 843000)

0 引言

智慧校園是一種全新的教育理念,通過利用大數(shù)據(jù),云計算技術創(chuàng)設可以感知學校物理環(huán)境,形成全面開放的舒適校園。智慧校園成為建設理想學校的主要趨勢,智慧校園建設離不開信息化手段的運用,尤其是在數(shù)據(jù)中心、信息平臺的構建,各種師生業(yè)務的開發(fā)都是建設智慧校園的關鍵,因此學校應重視“互聯(lián)網(wǎng)+”的校園建設思路,創(chuàng)新技術形態(tài)、數(shù)據(jù)形態(tài)及組織形態(tài),構建以云計算技術為支撐的智慧校園信息數(shù)據(jù)中心,為學校信息化建設注入新的理念。

1 智慧校園概念

智慧校園以云計算、物聯(lián)網(wǎng)技術為基礎改變學校人、物交互方式,將學校資源管理實現(xiàn)有機整合,提高校園數(shù)據(jù)資源整合速度與靈活性。智慧校園主要針對校園內部環(huán)境,是實現(xiàn)數(shù)字校園后另一種更加現(xiàn)代化的校園表現(xiàn)形式,智慧校園表現(xiàn)在:第一,擁有基礎性物理設施平臺[1]。第二,網(wǎng)絡連接形式豐富。第三,擁有信息數(shù)據(jù)資源平臺。綜上,智慧校園要求為全校師生提供全新的智能化基礎網(wǎng)絡環(huán)境,通過統(tǒng)一的信息綜合平臺實現(xiàn)個性化服務,同時為校內外交流提供便利[2]。智慧校園建設結構包括業(yè)務系統(tǒng)、支撐平臺及基礎設施建設3層。

2 智慧校園方案設計

2.1 智慧校園建設原則

智慧校園建設要遵循先進性、適應性與可擴展性、安全性與保密性、一站式設計等原則。

(1)先進性。利用先進技術構建智慧校園系統(tǒng)平臺,實現(xiàn)現(xiàn)代化管理模式[3]。

(2)適應性與可擴展性。構建能夠滿足校園海量數(shù)據(jù)資源儲存,適應的維護管理系統(tǒng)。

(3)安全性與保密性。信息系統(tǒng)平臺具有信息保密功能。

(4)一站式設計原則。構建統(tǒng)一的信息戶口,提供全方位的校園服務。

2.2 功能管理

智慧校園面向全校師生及管理人員,為避免智慧校園系統(tǒng)管理功能重復,系統(tǒng)設計可以提供統(tǒng)一登錄功能,但針對不同用戶需要設計不同的使用模式。信息系統(tǒng)用戶應包括高校行政人員、各學院部門管理人員、教師、學生。校園信息系統(tǒng)、科研人員及教師與學生平臺使用功能整理如表1所示。

表1 用戶使用模式

2.3 用戶管理

智慧校園角色管理系統(tǒng)分為兩種角色,包括管理員與普通用戶。系統(tǒng)管理人員管理整個數(shù)據(jù)平臺,應用系統(tǒng)管理所有一般用戶,不同用戶角色有相應的角色權限,使應用系統(tǒng)與權限控制更加透明[4]。

3 智慧校園信息數(shù)據(jù)中心

3.1 智慧校園平臺選擇

使用云計算,大數(shù)據(jù)技術構建智慧化學校環(huán)境,提供便捷化的信息服務。但是信息系統(tǒng)結構十分特殊,信息構建不同,設計方案不同。因此,本文主要使用云計算技術作為信息平臺技術支撐,為構建智慧協(xié)同信息系統(tǒng)提供便利,同時結合校園現(xiàn)有軟、硬件資源構建靈活的EUCALYPTUS-HADOOP信息平臺,實現(xiàn)一站式服務,支持安全通信,不同用戶的使用權限可以靈活設置,提供多種接口服務[5]。

3.2 基礎設施層建設

基礎設施層建設包括信息標準、標準數(shù)據(jù)庫。其中,信息標準利用云計算實現(xiàn)教學、學習、管理及決策標準,為學校培養(yǎng)科研人才、提高工作效率提供幫助。信息系統(tǒng)體系設置包括數(shù)據(jù)標準、技術標準、管理標準及管理評估,規(guī)范平臺數(shù)據(jù)、開發(fā)、部門管理、運營管理及信息化建設[6]。數(shù)據(jù)庫建設是整個信息系統(tǒng)建立的核心,數(shù)據(jù)庫應保障大量數(shù)據(jù)的容納,保障數(shù)據(jù)多元性,且能夠實時分析數(shù)據(jù),本文選擇ASP技術作為智慧校園信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的前端開發(fā)工具,可以實現(xiàn)實時管理數(shù)據(jù)信息,檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)庫標準從智慧校園信息系統(tǒng)、教學系統(tǒng)、行政系統(tǒng)、科研系統(tǒng)、離校系統(tǒng)等項目建立標準數(shù)據(jù)庫,詳細整理如表2所示。

表2 標準數(shù)據(jù)庫

3.3 綜合信息服務管理

綜合信息服務管理內容應該包括數(shù)據(jù)中心平臺、身份認證平臺、信息入口平臺。數(shù)據(jù)平臺中心要具備安全性與穩(wěn)定性,操作便利,能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,為學校教學科研交流提供平臺。身份認證確保智慧校園安全性,確保認證規(guī)范。信息入口平臺為用戶提供登錄統(tǒng)一信息的服務入口[7]。

4 智慧校園大數(shù)據(jù)中心云計算資源算法

智慧校園信息系統(tǒng)以大數(shù)據(jù)與云計算技術為基礎,校園數(shù)據(jù)中心是整個信息系統(tǒng)的核心部分,為了提高數(shù)據(jù)中心效用性與資源利用率,可以使用虛擬化技術構建網(wǎng)絡資源地,發(fā)揮云計算資源的自動分配、動態(tài)擴展、及時獲取資源的優(yōu)勢[8]。

4.1 多目標演化算法

以多目標演化算法為基礎實現(xiàn)云計算虛擬分配算法,分為問題描述、編碼與評估函數(shù)演化算子等部分。

4.1.1 問題描述

云計算虛擬機分配重點為考慮不同目標組合優(yōu)化問題,可以將多個分配問題看作一個整體問題處理,可用資源包括CPU、內存及數(shù)據(jù)傳輸,均屬于向量重要內容,在虛擬節(jié)點中放入物體,縮小虛擬節(jié)點占比,減少負載方差,用公式(1)表示多個目標虛擬機分配過程,式中包括虛擬節(jié)點(fPN)、集群負載方差(fLB)。

(1)

(2)

(3)

(4)

運用云計算資源動態(tài)調度的具體算法中,合理利用資源監(jiān)控器,達到有效監(jiān)測資源動態(tài)調度系統(tǒng)性能的目的,當數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)一旦出現(xiàn)超載的情況,需要及時使用新的虛擬機(VM)分擔超出的資源。在校園信息系統(tǒng)網(wǎng)站中一旦出現(xiàn)訪問資源率下降,也需要滿足公式(4)才能將虛擬機的數(shù)量縮減。

4.1.2 編碼與評估

在目標編碼中,系統(tǒng)搜索效率與效果影響著整個系統(tǒng)編碼的主要方式,也能反映出搜索目標。系統(tǒng)資源虛擬機分配時,應該將虛擬節(jié)點編碼作為主要目標,能夠實現(xiàn)以盒子為主、物體為主及列的不同編碼,前兩種方式均是針對個體,后者依賴于物體,要實現(xiàn)列編碼需要解決編碼過程中出現(xiàn)的冗余問題[9]。將多個虛擬機(VM)直接分配到不同的虛擬節(jié)點上,能夠獲得相應的虛擬序列號,可以逐步放入虛擬節(jié)點,成功獲取目標編碼。在系統(tǒng)已經(jīng)使用的虛擬節(jié)點中選取任意一個虛擬節(jié)點,選擇內容有CPU、內存及數(shù)據(jù)傳輸,進行依次匹配,一旦滿足某虛擬節(jié)點要求,可以進行重新分配,然后評估函數(shù)。系統(tǒng)均衡負載,為了實現(xiàn)高性能、虛擬節(jié)點使用率低,將首次使用的虛擬節(jié)點數(shù)量統(tǒng)計后用以評估系統(tǒng)耗能,如果節(jié)點運用少,表明耗能少。再者是使用想用的節(jié)點負載方差判斷系統(tǒng)的負載性能,方差小表示負載性能好,可用公式(5)評估。

(5)

4.1.3 演化算子

演化算子分為兩種,低索引計算最大長度與將單點交叉步驟改變。前者在進行交叉演算時會產生一個子個體,對比來鏈式長度后可以將占據(jù)優(yōu)勢較長的鏈式進行傳遞。同時消除其中已經(jīng)傳遞過的虛擬機編號。后者可以隨機選擇個列,然后將重復的刪除,未加入的虛擬機重新集合,并得到新的子個體。

4.2 云計算虛擬機動態(tài)調度算法

智慧校園數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)應用中,各應用服務性能需求不同,資源分配也不同,系統(tǒng)服務運行需求在不斷變化,容易出現(xiàn)難以滿足虛擬資源提供冗余的現(xiàn)象。所以計算虛擬化資源分配時,應注意合理使用的云計算資源動態(tài)調度算法,保障虛擬資源能夠符合運行實際需要,能夠合理分配虛擬資源,讓云計算資源可有效滿足虛擬資源服務動態(tài)伸縮性要求,能夠及時將使用率較低的資源進行動態(tài)遷移,有效利用云計算資源,節(jié)省更多資源的使用成本,降低服務器的負載均衡。

虛擬機動態(tài)調度主要思路整理為以下步驟:首先,利用監(jiān)控器及時監(jiān)測運行狀態(tài),收集相應負載信息。其次,監(jiān)測智慧校園數(shù)據(jù)信息的運行服務狀態(tài),在算法數(shù)據(jù)庫中重新分配資源,動態(tài)分配資源。最后,將數(shù)據(jù)管理信息中的相應資源分配到負載管理器,啟動服務實例,在云平臺監(jiān)控中實現(xiàn)儲存管理,配置決策及虛擬資源分配[10]。以云計算核心技術為基礎,進行虛擬動態(tài)調度要重視性能負載能力評估、動態(tài)開銷評估、記憶數(shù)據(jù)觸發(fā)遷移機制及匹配相應的目標選擇機制。虛擬動態(tài)調度算法首先要獲取虛擬節(jié)點性能特征動態(tài)值,判斷虛擬節(jié)點綜合臨界值,如果計算滿足條件可以直接進行下一步,并確定動態(tài)遷移虛擬,明確目標建立相應連接,并啟動遷移程序。通過云計算虛擬動態(tài)計算可以減少虛擬機遷移次數(shù),提高智慧校園信息系統(tǒng)的穩(wěn)定性與數(shù)據(jù)負載能力。

5 結語

綜上,傳統(tǒng)校園管理模式已經(jīng)逐漸發(fā)展成為智慧校園,使用大數(shù)據(jù)技術與云計算技術是創(chuàng)建智慧校園的技術依據(jù),能夠有效整合不同數(shù)據(jù)資源,提高校園管理效率。本文設計的智慧校園設計方案,包括學校管理、學生及教師用戶管理過程,以云計算為核心技術進行云計算資源虛擬機分配,減少了信息系統(tǒng)虛擬服務器數(shù)量,提高了服務性能與利用率,實現(xiàn)了學校智能化管理。