异构集群在智慧化校园中的应用研究

汤湘林 陈方兵

摘 要：异构集群具有强大的兼容性以及高可靠性，在为高校信息化系统设计定制化的异构集群系统架构的基础上进行高校信息化系统的集约化管理，可以有效地提高高校信息化管理效率和节约管理成本。

关键词：智慧化校园    高校信息化    异构集群

异构集群作为一种新的资源配置和管理模式，在大数据的发展带动下应运而生。异构集群可以有效地将各种结构不匹配的资源充分利用起来，解决了资源闲置问题。在此基础上，通过合理的算法调度，可以解决资源负载不均衡问题，提高了服务器的效率，也减少了服务器宕机风险。因此，异构集群的诞生为各单位节省了大量的资源并且极大提高了系统管理效率。本文从高校智慧化校园建设着手，探讨异构集群在高校信息化建设中的应用。

一、高校信息化管理的现状

我国高校的信息化建设在近年来取得了突破性进展。主管部门和高校自身都非常重视信息化建设，人财物的投入比例都相当大。目前，各个高校基础性业务系统建设基本完成，能够保证教学、科研、事务管理等的顺利进行。但在信息化建设和管理中也存在诸多问题，使得当前高校信息化系统架构体系跟不上发展的需要，严重影响智慧校园建设。

（一）资源闲置严重，造成资源浪费

随着高校信息化系统建设的升级，设备的更新换代步伐加快，导致不同批次设备之间不能兼容使用，产生了大量的闲置设备。由于设备之间存在异构性，但是没有针对异构设备专门设计的系统化解决方案，因此不但没有发挥异构设备的优势，反而大大增加了系统开销。

（二）数据存储不规范，难以有效利用

对数据的高效利用是建设智慧化校园的基础。由于高校信息化系统在建设过程中并没有考虑到数据协同利用的问题，导致存储于异构集群服务器中的数据很难被高效利用。当前高校信息化建设并没有专门应对异构集群的解决方案，导致智慧化校园建设遇到瓶颈。

（三）资源负载分配不均衡，限制了实时场景应用

在当前高校信息化系统架构中，异构服务器的负载均衡问题并没有被重点考虑，这就限制了整个校园网络处理高并发问题的能力，同时也不能很好地解决实时性问题。因此在智慧化校园建设中很多实时场景无法应用。

二、异构集群及资源异构集群的概念

（一）异构集群概念

异构集群指的是由高速互联网络连接起来的多台不同类型的计算机组成的高性能计算系统。计算节点是开放式的，用户不仅可以随意地增加或者删除节点，还可以自由地向任何一个计算节点提交不同需求的任务，整个集群的计算节点为所有用户所共享。异构集群的异构性能表现为类型异构性和资源异构性。类型异构性指的是计算节点具有的不同指令集结构（ISA）以及不同操作系统（OS）类型;资源异构性指的是计算节点的资源（主要为CPU、内存和I/O资源）拥有量的不同。

（二）资源异构集群概念

資源异构集群表现为CPU资源异构性（HCPU）和内存异构性（HMEM）。HCPU和HMEM的值越高，系统的资源异构性越大。对于同构系统有如下公式：

HCPU=HMEM=0

对于整个集群而言，首先需要知道整个集群的处理器平均性能，可以通过对每个节点的性能求平均，来得到整个集群的平均性能。知道了整个集群的平均性能以后，就可以比较单个节点的性能与平均性能的差别，差别越小，表明整个集群的异构性能越低，也就是说整个集群越接近同构集群;反之，就说明整个集群的异构性能越强。

对于内存异构性的定义同理，首先需要明确整个集群中内存的平均值，然后对单个节点的内存容量与集群平均值进行比较，两者之间的绝对值越大，表明整个集群的内存异构性越大;反之，就说明内存异构性较小。

三、异构集群在智慧化校园建设中的应用

（一）异构集群的设计

为了让异构集群能够满足智慧化校园未来多样化的需求，应该针对智慧化校园的发展，为高校信息化系统设计相应的异构集群解决方案。从功能看，异构集群的体系设计应该具有一致性、负载均衡等特点;从扩展性看，异构集群体系设计应突出低耦合的特点，以满足智慧化校园建设日益增长的需求。

1.一致性与负载均衡设计

异构集群在设计上满足一致性和负载均衡要求，首先，需要各个存储节点保持数据同步，即数据一致性，防止个别节点故障引起集群瘫痪;其次，需要设计合理有效的任务调度算法，通过调度算法保障各个节点负载均衡;最后，以批处理或者流处理框架作为引擎，对异构集群上不同的任务进行处理。

2.低耦合性设计，提高异构集群可靠性

低耦合性设计要求异构集群之间各个模块相互独立，异构集群之间通过统一接口通信，采用去中心化设计，利用分布式集群的优势，将各个节点作为独立处理单元，提高异构集群可靠性，减少宕机风险。

（二）异构集群的应用优势

异构集群在高校信息化系统管理中发挥很大作用。针对目前高校信息化管理中存在的问题，异构集群在未来高校建设智慧化校园的过程中也将发挥极大的作用。

1.充分利用闲置资源，节约成本

使用异构集群解决方案，将现有高校信息化系统内部的闲置资源进行充分整合，构建统一资源池，可以做到对资源的统一管理和调度。在此基础上，可以开发出高效的调度算法，即使资源不充分，也能够在不购买新资源的情况下，通过合理调度解决资源不足问题。

2.分布式设计，极大提高异构集群安全性

异构集群采取冗余备份和负载均衡设计，不同节点间的数据一致性策略，可以有效地保证其稳定性，即使某几个节点同时出现宕机故障，也不会影响整个异构集群的正常运行，避免出现数据丢失或不能恢复的风险，可以极大地提高整个系统的安全性。

参考文献：

[1]刘洋洋.高校信息化建设现状分析及促进策略研究[D].成都：西南财经大学，2013.

[2]陈旭文，林若波.云存储在高校信息化管理中的应用研究[J].甘肃联合大学学报（自然科学版），2013（27）.

[3]许明睿.异构集群下分布式计算任务聚类调度算法研究[D].西安：西北大学，2020.

（作者单位：汤湘林，深圳技师学院;

陈方兵，深圳阿塔基科技有限公司）