基于云计算平台的数字校园建设方案——以广州大学数字校园建设为例

杨玉宝，唐连章，卫建安，廖宏建

（广州大学 网络与现代教育技术中心，广东 广州 510006）

基于云计算平台的数字校园建设方案
——以广州大学数字校园建设为例

杨玉宝，唐连章，卫建安，廖宏建

（广州大学 网络与现代教育技术中心，广东 广州 510006）

文章分析了目前数字校园建设中存在的问题，提出云计算技术的特征及可能的优势，深入剖析了广州大学数字校园建设中采用云计算技术的解决方案和部署策略，归纳了云计算技术在数字校园建设中实现的功能。

数字校园；云计算；部署策略

一、数字校园建设中存在的问题

数字校园在各高校的建设如火如荼，在建设中首先考虑的是建立支撑各应用系统的数据中心。目前数据中心大多数是以服务器（小型机或刀片服务器）和SAN存储连接方式为基础，一个应用系统部署在几个服务器上（应用服务器、数据库服务器），通过小型机或多组刀片来实现多个应用的部署。采用这种传统的方式来建设数据中心，主要存在以下问题。

1.资金投入大

数字校园的应用系统动辄就有几十个 （如教务管理、人事管理、办公、科研管理、财务管理、固定资产管理、实验教学管理、研究生管理等等），应用系统的建设需要大量的服务器来支撑，因此必须有较大的建设资金投入。同时，有些系统如果没有小型计算机的支持，系统很难正常运行，如教务系统在学生选课和评教时系统需要能够支持大并发用户的使用。另外，为了解决硬件单点故障的风险，关键应用系统通常采用主、备服务器来支持，这就需要更多的服务器资源，资金投入也就更多。

2.系统管理难度高[1]

大量服务器的规划、安装、部署将给系统的管理带来很大的难度，特别是当个别系统出现问题时，系统的重新部署和调整都需要较长时间。同时，由于部署的物理设备型号各异，运行的操作系统和应用系统种类繁多，技术人员通常需要针对特定的设备特定的系统制定单独的管理、维护和灾备方案。在这种模式下一个技术人员一般最多只能管理20台左右的服务器，而数据中心的众多服务器管理的工作量和工作难度常常让技术人员苦不堪言。

3.资源使用效率不高

在系统建成后，由于数字校园中每个系统需要多台服务器资源来支持，但实际使用中，有些应用系统一天可能只有少数人使用，使用的次数也很少；另外，这些应用系统的使用模式也非常有规律，如大部分用户的使用和访问集中在上班时间或者傍晚。特别是非正常上班时间（晚上、节假日）利用率更低。在这些时间内，只有少数人偶尔使用OA系统、邮件系统、课程资源系统等，大量的业务系统实际上处于空闲状态，资源利用率不超过5%，但支持这些应用系统正常运行的所有资源需要不间断工作。根据相关可靠的统计数据显示，商业服务器的利用率一般不超过20%，而在校园内支撑数字校园应用的服务器利用率相对更低，一般不会超过10%，因此造成了大量优质资源的浪费。

4.与“低碳经济”不符

由于支持系统的各种资源 （服务器、网络和存储设备）必须24小时不间断运行，能源消耗非常厉害。广州大学数据中心根据业务扩展的需要，如果采用传统方式，届时将有约100台服务器，按每台500瓦计算，一年的耗电将达438000千瓦时。考虑到冷却、照明等用电，每年的耗电超过100万千瓦时。

5.可用性低

使用传统的架构，服务器一旦出现故障，很难快速恢复，特别是目前很多应用系统都独立占用服务器，造成服务器资源的紧缺和浪费。同时，这些独占并且长期在线的服务器在系统和数据备份方面缺乏相应的支持，难以在出现硬件故障的情况下迅速恢复系统。如教务系统，在学生选课时耗用资源非常大，负载过大容易造成服务器硬件故障，使系统运行缓慢，影响学生的选课。服务器出现故障后，如硬盘损坏等，技术管理员难以在短时间内恢复最新的数据，由此造成数据丢失或者服务需要较长时间才能够恢复正常运作。服务器的容灾容错性能也比较差，特别是系统过载时难以进行应用和服务的迁移。

简而言之，在数字校园建设中采用传统的方式，主要存在高投入、难管理、低效率、高能耗、低可用等方面的问题。

二、云计算的含义和技术特征

1.云计算的含义

云计算是2007年第三季度开始兴起的新名词，是分布式计算的自然延伸，是通过整合、管理、调配分布在网络各处的计算资源，以按需分配、按用计费、通过互联网分发、并以统一的交互接口同时向大量用户提供服务的一个IT服务模式。[2]云计算包括信息基础设施（硬件、平台、软件）以及建立在基础设施上的信息服务。提供各类资源的网络被称为“云”，对使用者而言，“云”中的资源可以随时获取、按需使用、随时扩展。

2.云计算的特征[3]

（1）用户的多层次性

根据云计算提供服务的层次不同，其服务对象既有企业、政府、学术、个人等最终用户，也包括应用软件、中间件平台等“用户”。

（2）设备的多样性

云计算所提供服务的设备既包括各种规模的服务器、主机、存储设备，也包括各种类型的终端设备，如计算机、智能手机、各种智能传感器、RFID设备等。

（3）服务的多样性

云计算既可以作为一种共用设施，以“公共云”的方式提供社会服务，也可以“专用云”的形式作为集中计算平台为企业信息化服务。

三、基于云计算平台的广州大学数字校园实施方案

1.广州大学数字校园建设简介

我校的数字校园建设从2009年开始启动，分期进行。一期工程包括应用支撑平台 （包括共享数据中心平台、统一身份认证平台、统一信息门户平台）的建设、核心应用系统（包括协同办公系统、教务管理信息系统、人力资源管理信息系统、迎新管理信息系统、学生工作管理系统）的建设，及现有应用系统整合及部分应用系统的数据迁移、系统软件（包括数据库管理系统、应用服务器）。二期工程主要是在一期工程的基础上，构建一个完整、统一的校园云计算平台，实现对整个平台中计算资源的共享、管理及动态分配，全面展开电子校务系统建设，使电子校务各种应用系统得到深层次应用，形成以电子校务系统为核心、教学服务系统为辅助，面向教学、科研和管理的服务型学校。正在进行的二期工程建设已经取得阶段性成果。

2.基于云计算平台的数字校园系统构架

根据我校数字校园一期、二期硬件环境及云计算平台建设的规划，我们设计了广州大学数字校园云计算平台具体实施方案，如图1所示是云计算平台拓扑。

考虑到共享数据库系统及ESB系统负载需求及规划，在云计算平台建设中，把共享中心数据库系统和金蝶ESB数据交换系统架构在物理系统之上 （不采用虚拟机方式部署，上图虚线右边部分）。同时云计算平台备份系统实现整个应用的备份及云计算平台的备份，也把备份服务器系统直接架构在物理系统之上，不采用虚拟机方式部署。下面对图1简单介绍。

（1）服务器系统云（核心应用系统）

服务器系统云是云计算平台中主要运行虚拟机及应用的核心计算资源的组成，它是由一期的刀片服务器及二期的刀片服务器组成（共23台刀片服务器，2块4路6核DELL刀片，16块2路4核DELL刀片，5块2路4核HP刀片），形成统一的资源池，包括CPU、内存、网络资源池，配合云存储系统部分的存储池，构成一个统一的可分配置的资源池。广州大学已经建设的24个核心应用都从资源池中获得资源分配并稳定运行。

（2）存储云

在规划存储系统的时候，由于需要针对一二期的光纤存储和IP存储以及磁带库设备一同考虑，因此我们不但要保证整个云存储系统具备良好的扩展能力，还要可以满足各类业务的稳定支撑，因此，我们根据所有业务应用的数据特性划分了三个功能分区，如图2所示。

其中虚拟机映像区用于存储所有虚拟服务器的主机映像和快照等；应用数据区主要用于存储各业务应用的文件等，如OA的归档公文、档案系统的电子资料等；共享数据区主要服务于共享数据中心平台，凡是需要进行交换、汇总以及用于挖掘的共享数据都放置在这个功能分区。所有的功能分区都可以通过统一的管理平台进行管理，所有的操作都可以后台进行，对于各个业务系统本身都是便捷且透明的。

（3）云计算平台管理中心

管理中心实现对整个云计算平台的管理，包括数据中心、资源池集群、物理主机、虚拟机、模板、用户、日志的管理，支持虚拟机在线迁移、虚拟机高可用性、虚拟机快照、虚拟机模板、物理主机过载策略定义、物理主机维护模式设置、资源池电源管理等高级特性。

（4）云计算平台统一身份认证系统

主要完成云计算平台中各应用系统用户身份的统一认证，实现单点登录，由多个刀片服务器以集群的方式支撑。

（5）负载均衡器子系统

由两个专门的硬件负载均衡器构成负载均衡子系统，结合云计算平台监测脚本可以实现虚拟机的自动启动和停止，充分满足不同负载下资源的合理分配，同时又满足SLA应用服务质量QoS的需求。

（6）VPN服务器子系统

由专门的SSL VPN服务器设备构成，实现外网用户对云平台核心应用系统的安全访问。其中SSL VPN的认证环节由统一身份认证系统的用户目录实现，简化了外网用户的访问步骤。

（7）共享数据中心数据库子系统（RAC）

由两台4路6核刀片服务器连接SAN存储实现Oracle RAC数据库子系统，存储各应用系统的共享数据。为了提高RAC的性能及稳定性，直接部署在物理主机上而不是虚拟机中。

（8）ESB数据交换子系统

由单个4路4核刀片服务器支撑，负责共享数据中心与各应用系统间的数据交换。考虑其性能及稳定性的实际要求，以及未来可能会采用旧的教务系统的两个小型机构建集群的配置方式。

（9）云计算平台备份子系统

由一个刀片服务器加MSA2000存储组成整个云计算平台的备份系统，包括云计算平台中应用系统的备份、数据库备份和云计算平台管理中心的备份。

3.应用系统部署

广州大学云计算平台中应用系统的部署如图3所示，部署策略如下：

（1）应用集群策略。针对平台类核心系统采用多节点虚拟化集群策略进行部署，防止出现应用单点故障。同时，为了保证系统运行效率，各集群节点后端采用共享GFS文件系统来达到各集群节点的数据实时共享。典型应用如图3的 “门户集群”、“认证集群”、“教务集群”等。

（2）集中数据库服务策略。为了实现业务应用系统数据资源的统一管理及维护，我们针对所有云计算平台的应用业务，配置独立的数据库集群（oracle rac），同时配置独立存储及备份设备，从而保证各云计算平台下的业务系统数据使用安全。

（3）负载均衡策略。为了防止重要应用系统的单点故障发生，以及增强核心应用的负载能力，我们采取了均衡设备对各虚拟结点负载进行智能的均衡分担，从而可以保证各个核心业务的高可用性。

（4）动态资源调度策略。为了将最大的物理资源保证最关键的业务应用，我们可以预先设定好资源分配参数，当主机达到了设定的条件时，平台将动态进行资源负载调整，以保证关键应用始终处于最优的物理设备支持下运行。同时我们还可以定义优化规则，当某台物理服务器的资源利用率长时间低于设定阈值，便可以采取自动关闭这台物理服务器以达到节省电源的效果。当负载提升时，可以自动唤醒休眠的服务器以保证应用的正常运行。

（5）HA动态迁移策略。通过该策略可提高整个云平台基础架构的高可用性，管理平台通过实时监控主机系统和虚拟机系统，当发现平台内发生了主机失效现象，虚拟机会自动根据预置策略将对应的虚拟机迁移到其他正常运行的主机上，并重启对应虚拟机，整个过程完全无需人工干预，且对于用户来说整个业务并不会发生明显的中断现象，从而大大提高了业务应用的高可用性。

4.云平台实现的功能

在数字校园建设中，通过构建云计算平台，主要可实现如下功能：[4-6]

（1）快捷的云服务部署

项目通过云计算技术对服务和应用的部署实现统一化管理。管理员只需要在一个单一系统上配置好需要部署的服务和应用，系统就可以把部署好的服务和应用快速部署到相应的服务器计算节点上。

（2）敏捷的云服务切换

云服务的部署可以灵活调整，不受限于指定的物理设备。在运行过程中，系统可以灵活地改变物理设备上部署的业务和应用，实现不同业务系统对物理设备的灵活利用和共享的同时，可以根据服务负载的模式在不同服务之间进行切换，保证各服务能够获得足够的峰值资源。

（3）动态的云服务迁移

云服务可以在运行时刻针对物理环境的变化，如硬件设备的稳定性、服务器的负载等，从一个硬件设备迁移到另一个硬件设备。云服务的动态迁移在保证服务的可用性的同时实现了灾难应对、设备切换功能等。

（4）较高的资源利用

通过云计算技术，可以实现硬件资源和软件资源的按需使用，特别是在节假日及晚间空闲时段，这些资源可以自动分配给学校需要大规模计算的科研项目、租赁给外单位使用或者关闭部分设备，从而大大提高资源的利用率以及降低能耗。

[1]何禹，胡宇鸿等.虚拟化技术在校园网数据中心的应用[J].电子科技大学学报，2007（6）:1461-1464.

[2]IBM“虚拟化与云计算小组”.虚拟化与云计算[M].北京：电子工业出版社，2009.11.

[3]刘鹏.云计算的定义和特点[EB/OL].[2009-02-25],http://www.chinacloud.cn/show.aspx?id=741&cid=17

[4]IBM.云计算平台的功能[EB/OL].[2009-02-17].http://www.chinacloud.cn/show.aspx?id=738&cid=12

[5]NEIGER G,SANTON I A,LEUNG F,et al.Virtualization technology:Hardware support for efficient processor virtualization[J].Intel Technology Journal,2006,10（3）:167-178.

[6]Pengzhi Xu,W eim in Zheng,Yongwei W u,et al.Enabling Cloud Storage to Support Traditional Applications[C].The Fifth Annual ChinaGrid Conference,2010:167-172.

（编辑：杨馥红）

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1673-8454（2012）03-0009-04