應(yīng)毅　顧問　葉傳標(biāo)

【摘要】針對(duì)高校傳統(tǒng)信息化建設(shè)中存在的重復(fù)建設(shè)、能耗高、信息孤島等問題進(jìn)行研究，提出一種基于SPI的校園云計(jì)算框架體系，同時(shí)闡述云計(jì)算在數(shù)字校園建設(shè)中所帶來的節(jié)約投資成本、提高資源共享水平、節(jié)能減排等六種優(yōu)勢(shì)。在對(duì)業(yè)界流行的云平臺(tái)實(shí)施方案進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，給出一種基于開源項(xiàng)目的高校私有云平臺(tái)的建設(shè)架構(gòu)，已開展的工作說明該方案是建設(shè)智慧校園的有效途徑。

【關(guān)鍵詞】教育信息化建設(shè)；數(shù)字校園；云計(jì)算；私有云；開源項(xiàng)目

【中圖分類號(hào)】G40－057【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【論文編號(hào)】1009－8097（2012）12－0099－04

一、數(shù)字化校園與信息化建設(shè)的現(xiàn)狀

近年來，高校的教育信息化得到了前所未有的發(fā)展，作為信息化的基礎(chǔ)設(shè)施一一校園網(wǎng)已經(jīng)融入到教學(xué)、科研、實(shí)驗(yàn)、管理各個(gè)領(lǐng)域中，盡管數(shù)字校園和各種應(yīng)用系統(tǒng)為高校的學(xué)生、教師和管理人員提供了很多的服務(wù)，節(jié)省了時(shí)間和精力，但還是存在若干問題：

（1）高校信息化建設(shè)需要投入大量的經(jīng)費(fèi)來購置硬件資源，由于經(jīng)費(fèi)投入不能從學(xué)校層面整體規(guī)劃，加之各部門之間存在“行政壁壘”，幾乎每一個(gè)業(yè)務(wù)部門新建一個(gè)信息系統(tǒng)都需要重新購置一套服務(wù)器設(shè)備。同時(shí)，硬件設(shè)備更新?lián)Q代的周期越來越短，投入的設(shè)備往往使用不了多長時(shí)間就面臨著淘汰，結(jié)果導(dǎo)致資源重復(fù)建設(shè)，且利用率低、共享率低、維護(hù)成本高。

（2）隨著信息化進(jìn)程的不斷深入，無論是企業(yè)還是高校，都發(fā)現(xiàn)能源消耗已經(jīng)成為IT支出的一項(xiàng)重要組成部分。服務(wù)器增加的同時(shí)，配套用電量將呈指數(shù)級(jí)上升，在機(jī)房設(shè)計(jì)布局不合理的情況下，冷卻部分所占用的能耗比例更高。數(shù)量巨大的計(jì)算機(jī)設(shè)備將會(huì)造成大量的能源消耗，這已成為數(shù)字校園建設(shè)中不容忽視的問題。

（3）信息系統(tǒng)的建設(shè)通常都是按峰值情況規(guī)劃的，但是高校的信息系統(tǒng)有其特殊性，例如招生網(wǎng)站在每年高考結(jié)束至填報(bào)志愿之前，點(diǎn)擊量就相當(dāng)大，而其他時(shí)段并發(fā)數(shù)就很低，學(xué)校的門戶網(wǎng)站、教務(wù)處的登分查分系統(tǒng)都有類似情況。為了保證高使用率時(shí)系統(tǒng)的可靠性，只能進(jìn)行冗余建設(shè)，這造成巨大浪費(fèi)。

（4）由于沒有統(tǒng)一的系統(tǒng)建設(shè)規(guī)劃，缺乏數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，各職能部門的數(shù)據(jù)組織形式和數(shù)據(jù)管理方式不盡相同，建設(shè)的信息系統(tǒng)越多，數(shù)據(jù)越分散，且不規(guī)范、不一致、甚至不準(zhǔn)確，共享困難，形成信息孤島，在需要綜合利用數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)挖掘、決策支持時(shí)往往遇到很大困難，未能充分發(fā)揮數(shù)字校園應(yīng)起到的作用。

二、云計(jì)算在數(shù)字校園建設(shè)中的應(yīng)用

信息化建設(shè)的現(xiàn)狀不容樂觀，在很大程度上阻礙了數(shù)字校園的發(fā)展。云計(jì)算技術(shù)恰逢其時(shí)地出現(xiàn)了，將云計(jì)算運(yùn)用于教育領(lǐng)域，用其改善教育信息化建設(shè)，將有效提高信息資源開發(fā)利用水平，推動(dòng)我國高等教育的發(fā)展。

2009年4月，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）提出云計(jì)算SPI（SPI是SaaS、PaaS、laaS的首字母縮寫）架構(gòu)體烈”。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合教育信息化技術(shù)的特點(diǎn)，本文給出校園云計(jì)算的分層架構(gòu)，如圖l所示。最底層為物理硬件，其上是操作系統(tǒng)與虛擬設(shè)備，HypervisorManagement負(fù)責(zé)對(duì)虛擬設(shè)備的管理，這三者構(gòu)成IaaS。PaaS主要由服務(wù)器和中間件組成。最上層是業(yè)務(wù)應(yīng)用和對(duì)外接口。

基于上述架構(gòu)的云計(jì)算系統(tǒng)在數(shù)字校園建設(shè)中具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）許多學(xué)校都有大量的老式PC，這類計(jì)算機(jī)多數(shù)只是硬件配置低無法升級(jí)到新的操作系統(tǒng)或安裝新的應(yīng)用軟件而被淘汰，硬件本身還可以正常工作。通過云平臺(tái)將它們集中起來對(duì)外提供服務(wù)，就不用再投入大量資金購買昂貴的硬件設(shè)備，負(fù)擔(dān)頻繁的維護(hù)與升級(jí)，能極大的節(jié)約硬件購買和維護(hù)的成本。

（2）通過多節(jié)點(diǎn)冗余的方式，云計(jì)算系統(tǒng)能夠容忍節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤，自動(dòng)檢測(cè)失效節(jié)點(diǎn)，并將之排除，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。云計(jì)算系統(tǒng)采用分布式存儲(chǔ)的方式來存放數(shù)據(jù)，即為同一份數(shù)據(jù)存儲(chǔ)多個(gè)副本。通過以上兩種措施，云平臺(tái)能夠保證應(yīng)用的高可用性和數(shù)據(jù)的高可靠性。

（3）云計(jì)算對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行了統(tǒng)一的配置和管理，按需進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，充分利用空閑的計(jì)算資源，提高系統(tǒng)的整體計(jì)算能力和效率，使服務(wù)器的數(shù)量減少（每撤掉一臺(tái)服務(wù)器，意味著每年減少11.4噸CO₂排放，降低信息技術(shù)設(shè)備的電源能耗，在節(jié)能、環(huán)保、降低成本的同時(shí)，達(dá)到構(gòu)建低碳型教育的新型學(xué)校的目標(biāo)。

（4）云計(jì)算把CPU、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)等資源整合在一起形成了一個(gè)統(tǒng)一的資源池，這種集中管理利用資源的方式將有效消除資源獨(dú)立分散造成的資源閑置、資源浪費(fèi)以及基礎(chǔ)設(shè)施超負(fù)荷現(xiàn)象，使基礎(chǔ)設(shè)施得到充分利用。

（5）存儲(chǔ)資源的共享和教育信息資源的共建能有效避免校內(nèi)各部門的信息溝通不暢，減少信息孤島的產(chǎn)生，降低數(shù)據(jù)冗余，增強(qiáng)數(shù)據(jù)安全性和一致性，使統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理和校級(jí)數(shù)據(jù)集成成為可能，同時(shí)也為學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)和各管理部門進(jìn)行OLAP、數(shù)據(jù)挖掘提供支持。

（6）作為典型云計(jì)算應(yīng)用的虛擬桌面，能夠在“云”中為用戶提供遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)桌面服務(wù)。通過對(duì)終端桌面的集中控管，能有效降低機(jī)房管理工作量，降低軟硬件的管理和維護(hù)成本，強(qiáng)化數(shù)據(jù)安全。長期的大規(guī)模的采用桌面虛擬化技術(shù)，在延長傳統(tǒng)臺(tái)式機(jī)使用壽命的同時(shí)，還有利于減少碳足跡（CarbonFootprint），建立綠色的校園機(jī)房。

三、基于開源項(xiàng)目的高校云平臺(tái)

由于需要很強(qiáng)的資源協(xié)調(diào)能力和一定的技術(shù)厚度，目前云計(jì)算主要是由幾個(gè)大公司（如IBM、Dell）倡導(dǎo)和實(shí)施，并且大部分應(yīng)用于商業(yè)目的。如果直接采用大廠商成熟的云計(jì)算方案，固然實(shí)施簡單使用方便，但是成本巨大，且后期維護(hù)還需大量資金，所以大公司的云計(jì)算方案不適合高校云平臺(tái)的建設(shè)。開源項(xiàng)目就成為必然選擇。

RedHat是全球最大的開源技術(shù)廠商，其開發(fā)的Fedora系統(tǒng)是全球使用最多的Linux免費(fèi)發(fā)行版本，開源的KVM和OpenShiR也在由RedHat開發(fā)和維護(hù)，RedHat的開源策略使得其產(chǎn)品具有較低的成本。

如圖2所示，以RedHat的軟件產(chǎn)品為主體，給出基于開源項(xiàng)目的高校私有云平臺(tái)的理論架構(gòu)，用于指導(dǎo)實(shí)踐與應(yīng)用。

最底層由計(jì)算服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等硬件設(shè)施組成，為上層提供最基本的存儲(chǔ)和計(jì)算服務(wù)。

國內(nèi)院校的信息化建設(shè)程度不同，即使是學(xué)校內(nèi)部，也因設(shè)備購置的先后順序，可能既有已經(jīng)淘汰的廉價(jià)PC，也有用于科學(xué)計(jì)算的高性能服務(wù)器。為了屏蔽差異性，需要采用單機(jī)虛擬化技術(shù)將物理層的設(shè)備虛擬成一個(gè)巨大的基礎(chǔ)設(shè)施資源池。單機(jī)虛擬化是通過運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)把一臺(tái)計(jì)算機(jī)當(dāng)做多臺(tái)機(jī)器使用，提高設(shè)備的使用效率。在線遷移是云計(jì)算系統(tǒng)保證高可用性的最重要技術(shù)，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)超載時(shí)，可以將一個(gè)操作系統(tǒng)的實(shí)例（以及它的應(yīng)用程序）遷移到一個(gè)新的、不怎么繁忙的節(jié)點(diǎn)上?；贚inux的進(jìn)程遷移在同構(gòu)系統(tǒng)中比較容易實(shí)現(xiàn)，但異構(gòu)節(jié)點(diǎn)之間的遷移難度很大。在云計(jì)算系統(tǒng)中，通過虛擬化實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)同構(gòu)后，可以規(guī)避這個(gè)難題。所以需要提供同構(gòu)的運(yùn)行節(jié)點(diǎn)，即運(yùn)行同一種操作系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)，以便簡化管理?；贚inux的開源虛擬化軟件主要是KVM和Xen。KVM將虛擬化技術(shù)作為操作系統(tǒng)的一種特性集成到Linux內(nèi)核中，現(xiàn)在由RedHat開發(fā)和維護(hù)，建議在部署虛擬機(jī)時(shí)大量使用。為了支持Citrix的虛擬桌面解決方案，也可以部署少量的Xen虛擬機(jī)。盡管大部分通用的云計(jì)算系統(tǒng)都依賴虛擬化技術(shù)提供同構(gòu)的虛擬節(jié)點(diǎn)，但有一些專用的云計(jì)算系統(tǒng)（如Hadoop）也可以不需要虛擬化技術(shù)的支撐。不能運(yùn)行KVM的極老式PC可以直接安裝Linux，建議使用免費(fèi)的Fedora操作系統(tǒng)（RedHatLinux的社區(qū)版本）。以上三種部署方案可以根據(jù)實(shí)際情況選擇使用。

虛擬設(shè)備的管理主要由OpenStack完成。OpenStack由NASA（美國國家航空航天局）和Rackspace合作開發(fā)，于2010年7月開源，它主要分為云計(jì)算（Nova）和云存儲(chǔ)（Swift）兩個(gè)模塊。所做的工作主要是對(duì)虛擬設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一配置，統(tǒng)一管理，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)載需求，自動(dòng)分配基礎(chǔ)設(shè)施，達(dá)到彈性平衡資源、節(jié)能降耗的目的。OpcnStack默認(rèn)的虛擬化引擎是KVM，但也提供對(duì)Xen的支持。

高校云平臺(tái)的PaaS主要由OpenShift、Hadoop、CitrixVDI（VirtualDesktopInfrastructure）組成。

通用性、可復(fù)用是傳統(tǒng)中間件的重要特征，大部分的PaaS開源技術(shù)都是在傳統(tǒng)中間件的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。OpenShift源自RedHat，于2012年5月開源。由于RedHat的開源背景，OpenShiff支持幾乎所有的主流開發(fā)語言和框架，包括：Java／JavaEE、PHP／Zend、Python、Perl、Ruby／RubyonRails、Seam、Hibernate，還集成了常用的AppServer和DBServer：JBoss、MySQL、mongoDB（NoSQL數(shù)據(jù)庫）。Openshift通過為開發(fā)人員提供在語言、框架和云上的更多選擇，使開發(fā)人員可以構(gòu)建、測(cè)試、運(yùn)行和管理B／S應(yīng)用程序，在此標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)上二次開發(fā)SaaS應(yīng)用可以省去基礎(chǔ)性、重復(fù)性的工作，一般可減少60～70％的工作量。當(dāng)然，OpenShift除了為應(yīng)用層提供軟件的支撐平臺(tái)外，還可以通過互聯(lián)網(wǎng)向用戶直接提供軟件開發(fā)環(huán)境。

與OpenShiff不同，Hadoop只是一種基于批處理技術(shù)的PaaS開源產(chǎn)品，由Java語言編寫，可以直接運(yùn)行在Linux之上，也可以運(yùn)行在虛擬機(jī)上。Hadoop由HadoopCommon、HDFS、HadoopMapReduce核心部件組成。MapReducetsl是把以往通用的以MPI／PVM為基礎(chǔ)的并行計(jì)算技術(shù)理念加以簡化和提煉后，形成的能并發(fā)處理海量數(shù)據(jù)的并行編程模型，最早由Google于2004年提出。以此為基礎(chǔ)，Hadoop實(shí)現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)的管理和分布式數(shù)據(jù)處理，使傳統(tǒng)的分布式計(jì)算中的數(shù)據(jù)分割和錯(cuò)誤管理等復(fù)雜問題解決于系統(tǒng)內(nèi)部，從而取得較好的松耦合型數(shù)據(jù)處理效果和系統(tǒng)伸縮性。

CitrixVDI由XenDesktop和XenApp組成，構(gòu)建在Xen虛擬機(jī)上。XenDesktop技術(shù)將操作系統(tǒng)的安裝和運(yùn)行分離開來，當(dāng)用戶登錄桌面時(shí)，實(shí)際登錄的是Desktop服務(wù)器，服務(wù)器這時(shí)為用戶開辟了一個(gè)空間，在這個(gè)空間中調(diào)入操作系統(tǒng)的內(nèi)存映像供用戶使用，所以后臺(tái)只需管理一個(gè)桌面系統(tǒng)。XenApp技術(shù)將應(yīng)用與操作系統(tǒng)分離，應(yīng)用安裝在App服務(wù)器上，用戶打開一個(gè)應(yīng)用實(shí)際上是在App服務(wù)器上創(chuàng)建一個(gè)應(yīng)用程序的實(shí)例。

上述laaS、PaaS組件中除了CitrixVDI外，KVM、Xen、Fedora、OpenStack、OpenShift、Hadoop皆是開源產(chǎn)品，這將大大降低建設(shè)高校私有云平臺(tái)的成本。

高校云平臺(tái)的最上層主要提供四種服務(wù)：在線應(yīng)用、云計(jì)算輔助教學(xué)（CloudComputingAssistedInstructions）、高性能計(jì)算（HighPerformanceComputing）和虛擬教室。

在線應(yīng)用提供最為接近用戶的服務(wù)——B／S應(yīng)用程序。在OpenShift的支持下，原先的門戶網(wǎng)站、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、數(shù)字圖書館等信息系統(tǒng)都可以移植到云平臺(tái)下。CCAI主要構(gòu)建在OpenShift之上，教師利用云平臺(tái)提供的服務(wù)，構(gòu)建個(gè)性化教學(xué)的信息化環(huán)境，教育者充當(dāng)云服務(wù)管理者的角色，整合、歸類和管理教育信息資源，開展教學(xué)設(shè)計(jì)，優(yōu)化教學(xué)過程，提高教學(xué)質(zhì)量。Hadoop提供了HPC所需的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，在線應(yīng)用的集中和CCAI的推廣解決了信息孤島問題，使數(shù)據(jù)集成、資源共享成為常態(tài)。在此基礎(chǔ)上，可以使用HPC進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)分析、BigData挖掘，同時(shí)它也是一個(gè)廉價(jià)的科學(xué)計(jì)算平臺(tái)。虛擬教室由虛擬桌面和虛擬實(shí)驗(yàn)室組成，虛擬桌面需要得到CitrixVDI的支持，實(shí)驗(yàn)室都可從“云”中獲得。

除此之外，SaaS層還需要留出開放接口，以便云平臺(tái)為校園物聯(lián)網(wǎng)提供計(jì)算和存儲(chǔ)服務(wù)。

四、挑戰(zhàn)與建議

以上述私有云平臺(tái)框架為理論基礎(chǔ)，己開始落地實(shí)施：基于物理Fedora和KVM虛擬機(jī)的Hadoop系統(tǒng)己搭建完成，進(jìn)行了初步的大數(shù)據(jù)處理工作，主要是云框架的應(yīng)用和MapReduce算法的改進(jìn)：OpenStack的安裝和對(duì)KVM管理的技術(shù)驗(yàn)證工作己接近完成；OpenShift正處于部署實(shí)驗(yàn)階段。

雖然云平臺(tái)的建設(shè)已開展部分工作，但仍舊面臨諸多挑戰(zhàn)。高校私有云有其自身特點(diǎn)：由于都是內(nèi)部使用，所以不必考慮計(jì)費(fèi)、多租戶等問題；大部分組件使用開源產(chǎn)品，雖然節(jié)約了成本，但是缺乏技術(shù)支持，需要進(jìn)行長期的技術(shù)儲(chǔ)備；校內(nèi)院系及各職能機(jī)構(gòu)長期的各自為政會(huì)成為統(tǒng)一建設(shè)的人為阻礙，所以需要從校級(jí)高度成立專職的IT部門，對(duì)全校云平臺(tái)的建設(shè)進(jìn)行整體規(guī)劃，尤其是中長期建設(shè)規(guī)劃，并從政策和經(jīng)費(fèi)上支持以云計(jì)算構(gòu)建的公共服務(wù)體系，不斷提高數(shù)字校園水平。

由于云計(jì)算能帶來信息資源、計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源甚至包括軟件資源在內(nèi)的快捷方便的共享，所以在云平臺(tái)建設(shè)中，初期立足本校資源，長期應(yīng)校校聯(lián)合，建立起較大的區(qū)域云或院校聯(lián)合云，以達(dá)到各高校IT資源的有效共享和應(yīng)用。

五、結(jié)束語

云計(jì)算應(yīng)用于數(shù)字校園是高校信息化建設(shè)的里程碑，使用開源項(xiàng)目構(gòu)建私有云平臺(tái)既能解決信息化建設(shè)中的現(xiàn)存問題，又能在獲得云計(jì)算優(yōu)勢(shì)的同時(shí)將建設(shè)成本最小化。本文主要在這方面進(jìn)行了研究，已開展的工作說明這個(gè)建設(shè)方向具有可行性，但同時(shí)也存在巨大挑戰(zhàn)，建設(shè)部門需充分發(fā)揮創(chuàng)新性與創(chuàng)造性，把握住云計(jì)算的實(shí)質(zhì)內(nèi)涵及發(fā)展趨勢(shì)，努力促進(jìn)我國教育信息化建設(shè)和數(shù)字校園創(chuàng)新發(fā)展，爭取智慧校園早日實(shí)現(xiàn)。