曹丙瑞,董 旭,王素貞
(1.河北經(jīng)貿(mào)大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院,河北 石家莊 050061;2.河北經(jīng)貿(mào)大學(xué) 教務(wù)處,河北 石家莊 050061)
隨著高等教育信息化的快速發(fā)展,越來(lái)越多的高校認(rèn)識(shí)到需要使用云計(jì)算技術(shù)整合校內(nèi)外各種教育資源,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)隨時(shí)隨地為廣大師生提供更加便捷的個(gè)性化服務(wù)。在信息化實(shí)施的歷史進(jìn)程中,不斷增加的應(yīng)用系統(tǒng)和越來(lái)越多的教育資源部署在不同的服務(wù)器上,服務(wù)器的種類與數(shù)量逐年增加,采用傳統(tǒng)的方法運(yùn)行維護(hù)越來(lái)越困難,表現(xiàn)在效率低、成本高。例如,需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間去安裝配置在每個(gè)用戶群日常使用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件等;一旦某一臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)故障,其安裝的所有應(yīng)用都無(wú)法使用,而此時(shí)這些應(yīng)用也不能快速遷移到其他正常工作的服務(wù)器上,系統(tǒng)的健壯性較差;對(duì)于較大的故障必須等專業(yè)人員前來(lái)維修,等待時(shí)間長(zhǎng)。因此,如何高效地管理高校IT基礎(chǔ)設(shè)施資源和教育資源,提高系統(tǒng)的健壯性和靈活性,降低運(yùn)行維護(hù)的人力電力成本就顯得尤為重要。目前先進(jìn)的解決方案就是利用云計(jì)算技術(shù),建立基于虛擬化的教育云資源管理平臺(tái),通過(guò)無(wú)處不在的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為師生提供快捷方便的個(gè)性化資源管理與服務(wù)[1]。
究竟什么是云計(jì)算?目前并沒(méi)有統(tǒng)一的定義。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院[2]認(rèn)為:云計(jì)算是一種按使用量付費(fèi)的模式,這種模式提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn),進(jìn)入可配置的計(jì)算資源共享池(資源包括網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲(chǔ)、應(yīng)用軟件及服務(wù)),這些資源能夠被快速提供,只需投入很少的管理工作,或與服務(wù)供應(yīng)商進(jìn)行很少的交互。國(guó)內(nèi)各界普遍認(rèn)為:狹義上講云計(jì)算是IT基礎(chǔ)設(shè)施的交付和使用模式,通過(guò)Internet以按需、易擴(kuò)展的方式獲得所需資源;廣義上講云計(jì)算是服務(wù)的交付和使用模式,通過(guò)Internet以按需、易擴(kuò)展的方式獲得所需服務(wù),這種服務(wù)可以是IT和軟件、互聯(lián)網(wǎng)相關(guān),也可是其他服務(wù)[3],這意味著計(jì)算能力也可作為一種商品通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行流通。
從理論與技術(shù)角度看,云計(jì)算是基于一系列關(guān)鍵技術(shù)的新型計(jì)算模式,包括:虛擬化技術(shù)、彈性伸縮動(dòng)態(tài)調(diào)配技術(shù)、高效可靠數(shù)據(jù)傳輸交換與事件處理技術(shù)、海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與訪問(wèn)技術(shù)、智能化管理監(jiān)控技術(shù)、并行計(jì)算框架技術(shù)、多租賃與按需計(jì)費(fèi)技術(shù)以及綠色節(jié)能技術(shù)等。這種信息處理模式可以完成大量復(fù)雜的計(jì)算任務(wù),如:按需即取的服務(wù)計(jì)算、易于擴(kuò)展的變粒度計(jì)算、基于自然語(yǔ)言的軟計(jì)算、智能系統(tǒng)的不確定計(jì)算、人參與的計(jì)算及物參與的計(jì)算等,最終以基于互聯(lián)網(wǎng)面向大眾提供服務(wù)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)資源動(dòng)態(tài)整合與分享的目標(biāo)[4]。
目前,教育領(lǐng)域尤其在高等學(xué)校各種教育信息資源正加速向網(wǎng)絡(luò)遷移,利用云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建教育資源管理平臺(tái)能夠有效克服服務(wù)器利用率低、教學(xué)資源分布不均、資源更新速度慢、信息孤島、電力消耗嚴(yán)重、難于管理等一系列制約著高校信息化發(fā)展進(jìn)程的問(wèn)題[5],將對(duì)教育信息化的發(fā)展產(chǎn)生巨大的促進(jìn)作用。很多企業(yè)已經(jīng)通過(guò)云計(jì)算來(lái)獲取各種服務(wù),教育領(lǐng)域也將是云計(jì)算技術(shù)未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域。
目前國(guó)內(nèi)外對(duì)云計(jì)算在教育領(lǐng)域的應(yīng)用表現(xiàn)出了很大的熱情。Accenture公司在《探究云計(jì)算的未來(lái):駕馭技術(shù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)型的下一次浪潮》調(diào)查報(bào)告中指出,云計(jì)算在教育科研行業(yè)的潛在應(yīng)用體現(xiàn)在三點(diǎn):(1)獲取全球資源;(2)低成本仿真;(3)高度交互+協(xié)作學(xué)習(xí)[6][7]。我國(guó)黎加厚教授提出了云計(jì)算在教育教學(xué)中應(yīng)用的“云計(jì)算輔助教學(xué)”的新概念:學(xué)校和教師利用“云計(jì)算”提供的服務(wù),構(gòu)建個(gè)性化教學(xué)的信息化環(huán)境,促進(jìn)教師的教學(xué)和學(xué)生的自主學(xué)習(xí),提高教學(xué)質(zhì)量[8]。
校內(nèi)教育云平臺(tái)的構(gòu)建首先要充分利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施,利用虛擬化技術(shù)把物理的服務(wù)器資源虛擬化成服務(wù)器池,通過(guò)負(fù)載均衡技術(shù)提高服務(wù)器的利用率。然后對(duì)學(xué)校的各種教育資源進(jìn)行有效的整合后遷移到虛擬服務(wù)器上,利用云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源的無(wú)縫連接,構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一的教育資源管理平臺(tái),以一種全新的方式為提供優(yōu)質(zhì)的數(shù)字資源服務(wù)。
結(jié)合高校信息化和教育資源網(wǎng)絡(luò)化的特色需求,本文利用云計(jì)算核心技術(shù)——虛擬化技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的物理資源進(jìn)行有效的整合,并基于云計(jì)算資源動(dòng)態(tài)分配理念對(duì)現(xiàn)有的資源進(jìn)行統(tǒng)一管理和統(tǒng)一調(diào)度,設(shè)計(jì)了一種教育云資源管理平臺(tái)架構(gòu)模型,此模型分為三層:基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層、平臺(tái)服務(wù)層和(應(yīng)用)軟件服務(wù)層。該架構(gòu)能提供一種更加高效靈活的管理服務(wù)模式。具體如圖1所示。
1.基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(Infrastructure as a Service,IaaS):IaaS層通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的物理資源(服務(wù)器、存儲(chǔ)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)進(jìn)行整合,進(jìn)而利用虛擬化技術(shù)對(duì)相同類型的資源進(jìn)行虛擬化處理,形成同構(gòu)或接近同構(gòu)的資源池,如計(jì)算資源池、存儲(chǔ)資源池、網(wǎng)絡(luò)資源池。通過(guò)對(duì)虛擬池的資源調(diào)度和管理,對(duì)師生提供按需分配的計(jì)算、存儲(chǔ)和備份等基礎(chǔ)資源與服務(wù)[3][9][10]。
2.平臺(tái)即服務(wù)(Platform as a Service,PaaS):PaaS層提供應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行環(huán)境,通過(guò)PaaS層的軟件工具和開(kāi)發(fā)語(yǔ)言,師生只需上傳程序代碼和數(shù)據(jù)即可使用服務(wù)。同時(shí)PaaS層利用負(fù)載均衡、故障檢測(cè)和性能優(yōu)化等技術(shù)對(duì)高校日益龐大的資源進(jìn)行有效的管理,提高資源的處理效率。PaaS層通過(guò)賬號(hào)管理、交互管理和使用計(jì)費(fèi)對(duì)用戶進(jìn)行統(tǒng)一的管理。
圖1 教育云管理平臺(tái)架構(gòu)模型
3.軟件即服務(wù)(Software as a Service,SaaS):SaaS層針對(duì)師生提供更加特定的應(yīng)用服務(wù),通過(guò)統(tǒng)一的用戶交互接口,用戶可以獲取資源服務(wù)、教學(xué)管理、互動(dòng)交流、協(xié)作創(chuàng)新等不同類型的個(gè)性化應(yīng)用服務(wù)。
最后利用容錯(cuò)技術(shù)、監(jiān)督管理對(duì)三層架構(gòu)進(jìn)行服務(wù)保障和安全管理。服務(wù)保障的目標(biāo)主要是提升系統(tǒng)功能和性能、資源和服務(wù)的可用性。安全管理主要是避免信息泄露、未授權(quán)的訪問(wèn)和修改、及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修補(bǔ)系統(tǒng)漏洞,阻止內(nèi)外部惡意用戶的攻擊等。
本文按照上述教育云管理平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)原則,以河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)教學(xué)資源整合需求為目標(biāo),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了教務(wù)云管理平臺(tái),通過(guò)對(duì)資源進(jìn)行有效整合實(shí)現(xiàn)了高效管理與利用,為師生提供了方便快捷的服務(wù),取得了良好的效果。
河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)教務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)始建于2003年,承擔(dān)全校30 000多名學(xué)生的教學(xué)和管理工作。一直使用多種不同型號(hào)的服務(wù)器,目前這些設(shè)備老化嚴(yán)重,且硬件升級(jí)空間有限,經(jīng)常出現(xiàn)硬件問(wèn)題,由此引發(fā)的新問(wèn)題如下:(1)服務(wù)器響應(yīng)慢,業(yè)務(wù)連續(xù)性缺乏保障。在業(yè)務(wù)高峰期,服務(wù)器的壓力大,請(qǐng)求響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng);另外由于歷史原因,很多業(yè)務(wù)部署在同一臺(tái)服務(wù)器上,沒(méi)有進(jìn)行高可用性和備份等保護(hù)措施,服務(wù)器一旦故障會(huì)導(dǎo)致其上運(yùn)行的業(yè)務(wù)全部中斷。(2)資源負(fù)載不平衡,利用率低。由于某些業(yè)務(wù)具有集中訪問(wèn)性,比如教師評(píng)價(jià)、學(xué)生選課等,這些業(yè)務(wù)一個(gè)學(xué)期內(nèi)大部分時(shí)間處于閑置狀態(tài),而當(dāng)運(yùn)行時(shí)又處于超負(fù)荷狀態(tài),此時(shí)其他服務(wù)器的訪問(wèn)量很少,負(fù)載嚴(yán)重不平衡,利用率低。(3)維護(hù)量比較大,電力消耗嚴(yán)重。教務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)包括信息維護(hù)、學(xué)生選課、課表查詢、成績(jī)查詢等多個(gè)業(yè)務(wù),每個(gè)業(yè)務(wù)都需要服務(wù)器資源的支持,從而造成服務(wù)器數(shù)量逐年增加,不僅造成大量的維護(hù)成本,也對(duì)數(shù)據(jù)中心的機(jī)房空間、電力消耗提出挑戰(zhàn)。針對(duì)以上缺陷,本文構(gòu)建教務(wù)云服務(wù)平臺(tái),采用虛擬化技術(shù)將原有服務(wù)全部遷移至云計(jì)算平臺(tái)。
根據(jù)教務(wù)管理和教學(xué)資源的使用需求,構(gòu)建的教務(wù)云管理平臺(tái)由三層組成,分別對(duì)應(yīng)于教育云管理平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)、平臺(tái)服務(wù)和軟件服務(wù)三個(gè)層次。教務(wù)云管理平臺(tái)主要面向廣大師生、教務(wù)管理人員、系統(tǒng)管理員提供多樣化資源管理與服務(wù)并向社會(huì)提供部分查詢服務(wù),具體的體系架構(gòu)如圖2所示。
圖2 河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)教務(wù)云管理平臺(tái)體系架構(gòu)
本設(shè)計(jì)方案特點(diǎn)如下:
1.多層次與松耦合架構(gòu)。將系統(tǒng)劃分為基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺(tái)服務(wù)層和應(yīng)用服務(wù)層三個(gè)層次。各層之間保持相互獨(dú)立與松耦合,每層之間使用消息進(jìn)行通信,降低了平臺(tái)整體的依賴性。
2.使用現(xiàn)有服務(wù)器進(jìn)行虛擬化。對(duì)現(xiàn)有8臺(tái)服務(wù)器物理資源進(jìn)行虛擬化形成41個(gè)虛機(jī),形成服務(wù)器資源池,不僅充分利用了現(xiàn)有的硬件資源,減少了開(kāi)支,而且提高了資源的利用率。
3.采取統(tǒng)一的 VMM(Virtual Machine Monitor)技術(shù)構(gòu)建教務(wù)云管理平臺(tái)。底層統(tǒng)一采用KVM(Kernel-based Virtual Machine)構(gòu)建虛擬化環(huán)境,便于運(yùn)營(yíng)管理,同時(shí)還避免了不同VMM之間的文件格式不兼容和跨VMM遷移失敗等問(wèn)題,提高了系統(tǒng)的健壯性[11]。
4.面向服務(wù)提升性能。根據(jù)上層應(yīng)用的特點(diǎn),在虛擬化基礎(chǔ)之上,按照一定的策略對(duì)資源分配、資源調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)底層對(duì)上層的充分感知,面向服務(wù)提升云平臺(tái)的管理與服務(wù)性能。
1.基礎(chǔ)設(shè)施層實(shí)現(xiàn)。作為整個(gè)框架的最底層,具體的實(shí)現(xiàn)步驟如下:(1)首先使用KVM對(duì)現(xiàn)有的服務(wù)器進(jìn)行虛擬化,并組成虛擬機(jī)集群,從而將物理資源轉(zhuǎn)化為可以按需分配的虛擬機(jī)資源池,同時(shí)根據(jù)業(yè)務(wù)實(shí)際需要分配最合適的計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源。(2)利用libvirt為各種虛擬化工具提供的通用API(Application Programming Interface)對(duì)KVM進(jìn)行管理,即libvirt通過(guò)自身提供的函數(shù)連接到KVM宿主機(jī)并使用簡(jiǎn)單的命令進(jìn)行操作。(3)通過(guò)VMware vCenter converter遷移工具,根據(jù)預(yù)先制定的遷移計(jì)劃,逐步將物理機(jī)上的多個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)分批次平滑遷移到虛擬機(jī)集群上。(4)將虛擬機(jī)的鏡像文件進(jìn)行共享存儲(chǔ),實(shí)現(xiàn)高可用性部署,同時(shí)備份每個(gè)虛擬機(jī),保證系統(tǒng)的健壯性,這樣如果原虛擬機(jī)所在服務(wù)器出現(xiàn)問(wèn)題,虛擬機(jī)會(huì)立即在另一臺(tái)物理服務(wù)器上運(yùn)行。(5)最后把預(yù)先安裝好的操作系統(tǒng)(如linux,windows)制作成模板,當(dāng)用戶再申請(qǐng)?zhí)摂M機(jī)資源的時(shí)候不用再?gòu)念^開(kāi)始安裝操作系統(tǒng),僅僅需要選擇已有的模板并分配虛擬機(jī)硬件資源,一個(gè)新的虛擬機(jī)系統(tǒng)就形成了。實(shí)現(xiàn)效果如圖3所示。
圖3 虛擬化后的資源池
2.平臺(tái)服務(wù)層實(shí)現(xiàn)。平臺(tái)服務(wù)層建立在基礎(chǔ)設(shè)施層之上,為應(yīng)用服務(wù)層提供良好的平臺(tái)支撐,提供身份認(rèn)證、資源管理和開(kāi)發(fā)測(cè)試等平臺(tái)服務(wù),具體的功能如下:
身份認(rèn)證平臺(tái)提供統(tǒng)一的權(quán)限認(rèn)證,確保所有的操作都在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi),保證了系統(tǒng)的安全。資源管理的主要職責(zé)是監(jiān)控資源點(diǎn)的使用情況,均衡教育云平臺(tái)節(jié)點(diǎn)的使用,并對(duì)節(jié)點(diǎn)的故障進(jìn)行檢測(cè),從而進(jìn)行恢復(fù)或屏蔽。開(kāi)發(fā)測(cè)試平臺(tái)為已注冊(cè)的學(xué)生提供開(kāi)發(fā)和測(cè)試環(huán)境,學(xué)生可以利用已有的服務(wù)器、虛擬機(jī)等資源,以及集成的開(kāi)發(fā)框架和環(huán)境,開(kāi)發(fā)自己使用的程序并進(jìn)行測(cè)試,運(yùn)行完了之后釋放和刪除計(jì)算資源。
3.應(yīng)用服務(wù)層實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用服務(wù)層是整個(gè)架構(gòu)的最頂層,它為在校師生、管理人員和社會(huì)公眾提供教學(xué)管理、共享、應(yīng)用等多樣化的信息服務(wù),服務(wù)類型分別有:教務(wù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)課堂、信息發(fā)布和基礎(chǔ)服務(wù)。下面詳細(xì)介紹四種應(yīng)用。
教務(wù)系統(tǒng)為師生提供統(tǒng)一的登錄認(rèn)證頁(yè)面,學(xué)生可以進(jìn)行選課、查看成績(jī)等,教師可以錄入成績(jī),查看學(xué)生評(píng)價(jià)等,同時(shí)教務(wù)管理員進(jìn)行課表管理、教室管理和教材管理。網(wǎng)絡(luò)課堂是一種新穎的學(xué)習(xí)方式,利用學(xué)校的教學(xué)資源庫(kù),按照自己的興趣愛(ài)好進(jìn)行自主學(xué)習(xí),變被動(dòng)的接受為主動(dòng)的獲取,提高學(xué)習(xí)效率。信息發(fā)布是教務(wù)處對(duì)外發(fā)布信息的渠道,主要包括教務(wù)新聞、考試通知等信息的實(shí)時(shí)展示?;A(chǔ)服務(wù)為應(yīng)用服務(wù)層提供底層的數(shù)據(jù)服務(wù),使得各個(gè)應(yīng)用之間能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)兼容,消除孤島信息,實(shí)現(xiàn)全面通信。
通過(guò)采用教務(wù)云管理平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)校現(xiàn)有硬件資源的充分利用,很好地解決了教務(wù)系統(tǒng)所面臨的諸多挑戰(zhàn)和問(wèn)題,為各種業(yè)務(wù)的順利運(yùn)行提供了良好的支撐,收到了良好的效果。
1.減少服務(wù)器數(shù)量,減少機(jī)房占用空間,維護(hù)方便,降低能耗。實(shí)施教務(wù)管理云平臺(tái)后采用自動(dòng)遷移工具將分布在不同地點(diǎn)的服務(wù)器統(tǒng)一集中到服務(wù)器池,提高服務(wù)器使用率,使服務(wù)器數(shù)量由原來(lái)的14臺(tái)下降為4臺(tái)(如圖6所示),高故障率高維護(hù)成本的陳舊服務(wù)器得以退出,減少了機(jī)房占地面積,同時(shí)服務(wù)器的電力能耗也降到了之前的30%左右,硬件搬遷到數(shù)據(jù)中心托管,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程管理,實(shí)現(xiàn)了從原來(lái)的單獨(dú)管理多臺(tái)服務(wù)器到現(xiàn)在一個(gè)界面統(tǒng)一管理所有服務(wù)器(如圖4所示),降低了維護(hù)的工作量。
2.保障了業(yè)務(wù)的穩(wěn)定性。將業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保存到存儲(chǔ)器上,并在虛擬機(jī)集群上分別為每個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的虛擬機(jī)做高可用性備份。如果原虛擬機(jī)或其所在服務(wù)器出現(xiàn)問(wèn)題,備份虛擬機(jī)會(huì)立即接管業(yè)務(wù)并在另一臺(tái)物理服務(wù)器上運(yùn)行,從而保證業(yè)務(wù)連續(xù)性。具體效果如圖5所示。
3.提升服務(wù)器資源利用率。服務(wù)器資源利用率從平均6%提升到了40%,對(duì)現(xiàn)有資源的利用更加有效,并為將來(lái)增加新的應(yīng)用系統(tǒng)和教務(wù)數(shù)據(jù)預(yù)留了空間,如圖6所示。
4.在任務(wù)負(fù)載的高峰期服務(wù)器響應(yīng)依然較快。在項(xiàng)目實(shí)施之前學(xué)生選課的高峰期服務(wù)器響應(yīng)慢,學(xué)生進(jìn)入系統(tǒng)特別困難,整個(gè)選課高峰大約持續(xù)一天,如今采用教務(wù)云管理平臺(tái),服務(wù)器響應(yīng)明顯變快,并發(fā)數(shù)達(dá)到5 000人左右,選課高峰縮短到四五個(gè)小時(shí),大大縮短選課高峰的持續(xù)時(shí)間,如圖7所示。
本文分析了高校信息化中出現(xiàn)的一系列問(wèn)題,綜述了云計(jì)算核心技術(shù)及其在教育信息化中的應(yīng)用,在此基礎(chǔ)上提出了一種教育云資源管理平臺(tái)的具體解決方案。結(jié)合河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)教務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)的具體情況,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了教務(wù)云管理平臺(tái),該平臺(tái)投入運(yùn)行后較好地解決了存在的問(wèn)題,大大提高了服務(wù)器的利用率,提升了系統(tǒng)的健壯性和可用性,能夠?yàn)閺V大師生提供更方便快捷的服務(wù)。
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河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)學(xué)報(bào)(綜合版)2013年3期