云计算在高校的发展与建设

文/黄建波

云计算在高校的发展与建设

文/黄建波

高校伴随云计算技术的发展，逐步迈向云计算时代，随着各种云计算技术的成熟，以及高校自身的发展、需求特点和实际状况，有着相应的云计算发展状况和路线。

在当今信息化技术中，云计算技术做为重要的技术占领了信息化技术的重要地位，云计算技术随处可见，人“云”亦“云”，各种服务商、硬件提供商和软件提供商等，无不涉及到云计算技术。随着云计算技术的提出，到研究实现，到真正应用，已经历经数年，伴随着云计算技术的发展，高校信息化技术也跟随云计算的发展方向标，不断发展。从云计算的提出、研究到实际应用，高校信息化都或多或少地参与其中。结合高校信息化发展的特点，云计算技术在高校信息化中也有其自身的发展成果。

云计算的发展

云计算既是一种商业模式，也是一种技术模式。从商业模式上看，是一切皆服务的模式，即改变传统的“买”为“租”的商业模式，让使用者可以从底层的管理和投入中解放出来，形成新的分工模式，即管理者(服务提供者)更专业，而使用者更方便。从技术模式上看，是一种资源的池化，通过互联网向用户提供按需按量的计算服务，而池化的关键技术就是虚拟化。云计算主要包括IaaS（基础设施即服务）、PaaS（平台即服务）、SaaS（软件即服务）三种服务模式。

图1 基本基础设施云架构

云计算首先是随着商业模式的提出而产生的，云计算在2008年以前一段时间被提出的时候，商业模式占主导地位，主要从商业概念上来定义和宣传云计算，即“云”依然在遥不可及的天空之上。随着Google App Engine、Google App以及Amazon EC2、Amazone S3等的出现，以及各大厂商对云计算技术的支持，各种云计算技术解决方案的出现，云计算逐步向技术模式发展，即“云”开始落地了。

目前云计算技术已经趋向成熟，也已经大规模的得到了应用，可以从以下三方面看出：

1. 业界的分析

从Gartner分析结果可以看出，云计算技术已经连续3年进入Top10，并且连续两年位居榜首。

2. 政府的支持

在国家层面上，云计算已经成为战略技术。2011年3月5日，国家发改委提交《关于2010年国民经济和社会发展计划执行情况与2011年国民经济和社会发展计划草案的报告》给予信息惠民等重大应用示范工程。

3. 技术的成熟

在技术层面上，云计算技术已经从虚无飘渺的云逐步地向实用的云技术发展，从硬件到软件、从服务器、存储到网络系统，从基础平台到应用平台，都有各大IT厂商的强有力的技术支持。

由此可以看出，云计算技术已经进入快速发展和普及的阶段，云已经并非遥不可及，借助当前成熟的云计算技术，用户可以方便地部署和运行自己的云计算系统。

基础设施云的实现

随着云计算技术成熟发展，各种云计算支撑技术也随之产生，从硬件提供商到软件提供商，从基础平台到应用平台，都有相应的支撑技术。其中，以基础设施云发展最为迅速和成熟。

当前，最基本也是最流行的三大基础设施云管理解决方案为Vmware vCenter/ESX，Microsoft System Center/Hyper-V，Citrix Xen Server/Xen。通过以上解决方案，用户可以方便地在大部分基础硬件系统上部署自己的基础设施云。 其架构如图1所示。

由于该类基础设施云采用的解决方案均采用自身的虚拟化技术，存在一定的极限性，并且缺乏更多的云管理系统所需的功能，如用户管理、认证、计费、监控和统计等功能。随着更加灵活的第三方基础设施云管理系统的出现，以上问题均得以解决。例如HP CloudSystem Matrix、Dell AIM、IBM System Director VMcontrol/Cloud Starter Kit等，又如国产的浪潮云海OS以及曙光CloudView等，以及免费开源的OpenStack和Eucalyptus等解决方案。该类系统通过更加灵活的方式进行构建，通过集成的方式构建基础设施云管理层，支持更多的硬件平台、虚拟化技术以及实现更多基础设施云管理功能等，以及提供友好的标准化接口，以便其他软件系统通过接口来访问基础设施云的资源，其架构如图2所示。

图2 集成基础设施云架构

高校云计算的发展与建设

云计算技术在高校的发展，已经从原来的理论步入实际应用。随着云计算技术的进一步成熟，高校的云计算需求和发展也随之发展，特别在数据中心的建设中，云计算伴随着数据中心的发展而发展。数据中心的发展，经历了“物理数据中心”、“虚拟化数据中心”、“私有云”到“混合云”的阶段性发展，如图3所示。

第一阶段：物理数据中心

该阶段为传统的数据中心建设模式，所有系统均以物理系统存在，包括服务器系统、存储系统以及网络系统和相应软件系统等。系统的运行依赖于独立的物理设备，物理设备除了硬件分区外，几乎没有虚拟化的存在，存在资源利用率低、部署与管理困难等缺点，属于极早期的数据中心建设模式。

第二阶段：虚拟化数据中心

由于虚拟化技术的出现和发展，更多的人采用虚拟化技术来进行系统的部署，该技术也应用到数据中心的建设中。通过引入虚拟化技术，数据中心开始采用虚拟化技术对物理设备进行“分割”，使单一的物理设备可以虚拟为多个独立的虚拟设备，包括服务器虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化甚至到平台虚拟化等，从而透明地提供给上层应用系统运行。通过虚拟化的技术，可以充分的提高资源的利用率，节省系统的投入，降低数据中心运行的能源消耗等，提高了数据中心的运行灵活性和降低运行成本。但大量的虚拟化独立运行，零散管理，存在各种缺点，主要体现在没有统一的管理方法，各系统零散，不能做到统一的管理、统一的部署和自动化处理等。

第三阶段：私有云

随着云计算技术的成熟，特别是基础设施云的成熟发展，数据中心开始采用云计算技术来构建各个私有的基础设施云，通过将零散的虚拟化个体进行统一的管理，形成各个独立的基础设施资源池，从而进行统一分配、统一管理、统一运行，实现最原始的基础设施云的建设。这类基础设施云以物理机类型、虚拟化类型、存储类型以及使用范围等进行独立部署，成为各个独立的私有云系统，通过云管理平台，方便地在私有云内部进行资源的部署和分配，大大地提高了资源的利用率、系统部署的灵活性和自动化程度，数据中心的整体运行性能、可靠性、安全性以及自动化程度有着质的飞跃。

第四阶段：混合云

云计算在高校的发展并非极限于基础设施的建设，高校在平台云（例如高性能计算平台）和应用云（如资源共享平台）等方面也有着相应的需求和建设。在私有的基础设施云的建设基础上，通过各种云计算技术，统一规划，统一部署，统一管理，建设面向各种群体、各种领域和各种用途的混合云，是目前高校信息化建设中云计算的主要发展方向和目标。

当前高校的云计算发展主要应用于第三阶段的发展，并逐步进入第四阶段的发展。高校云计算在以上的阶段性发展上，结合实际应用和实际的需求，有着其相应的特定体现，主要体现为如下几个方面：

1. 基础设施云的建设

数据中心的建设，离不开基础设施的建设，基础设施是高校数据中心以及各种应用系统的运行载体，随着云计算技术的发展，采用最为成熟的基础设施云解决方案，如前文提到的vMware、Microsoft、Citrix或者其他厂商提供的集成基础设施解决方案，特别是免费开源的Openstack或者Eucalyptus，可以方便廉价地进行基础设施云的部署和管理。根据目标用户以及应用范围，一般可以建立面向运行、面向测试和面向公用的基础设施云。

如华南理工大学通过以上技术，建立了面向全校服务、面向研究测试以及面向部处院系共享的多个私有化基础设施云，其架构如图4所示。

2. 高性能计算云平台的建设

高性能计算云平台的建设，在高校信息化建设中主要体现为高性能计算的建设，高性能计算在云计算中得到了进一步的发展，并且向平台云和软件云发展。在高校中，高性能计算的建设更多的是平台的建设，即将硬件系统，包括服务器、存储系统以及网络系统，通过高性能计算管理系统，构建为高性能计算平台，提供给各需要的学科、科研项目等进行科学运算，需要在平台上进行计算的用户只需将其相应的运算软件安装到平台上运行并分配其相应的系统资源，即可获得平台的服务，实现所需的科学计算。

目前各大高校，都联合建立或者自行建立该类计算平台和存储平台。如华南理工大学目前建立的多个基于开源解决方案的异构的计算平台和存储平台，采用Rocks、Lustre以及曙光等高性能计算管理系统，构建适合各种科学计算的高性能计算平台系统。

3. 应用云的建设

应用云的需求和建设在高校的信息化建设中处于探索和尝试的阶段，应用云是软件云的一部分，在数据中心建设中处于上层的建设内容，该类应用目前主要体现为基于云计算的应用系统的建设。

图5 同步教育资源区域云

以软件虚拟化的模式建立高校SaaS平台，如虚拟电子邮件系统和虚拟网盘系统，通过在云存储基础系统上，部署虚拟的电子邮件系统和网盘系统，系统通过虚拟化的方式，可以建立具有独立管理的域，并向域授权管理员和分配存储资源，各独立的域管理员（例如某个院系或者学校部处单位、实验室等）可以独立地管理本域的用户资源，享受由学校统一提供的软件云服务，存储资源可以通过云存储进行动态，按需的调整和扩展，以满足不同部门、不同时期的不同需要。

4. 共享资源云的建设

共享资源云也是一种应用云架构，其通过云计算架构，实现资源的共享。

高校有着强大、宝贵的资源库，如何将资源通过互联网的方式共享给更多的人，是目前教育云计算的重要建设目标，通过各高校联合建立区域资源云，并通过同步的方式构建资源共享云系统，可以实现资源的共享，用户通过终端即可随时随地、方便快捷地获取其所需的教育资源。其架构示意如图5所示。目前有很多高校以及教育技术单位正在联合筹建该类型的云平台。

总之，高校伴随云计算技术的发展，逐步迈向云计算时代，随着各种云计算技术的成熟，以及高校自身的发展、需求特点和实际状况，有着相应的云计算发展状况和路线。高校数据中心经历了“物理数据中心”、“虚拟化数据中心”到了“私有云计算中心”，并迈向“混合云计算中心”，结合高校实际的应用需求，云计算技术在高校的信息化建设中充分发挥了重要的作用，并得到相应的技术实现。

（作者单位为华南理工大学信息网络工程研究中心）