基于云計(jì)算的智慧校園探究

☆黃小卉 黃宇星

（1.福建師范大學(xué)教育學(xué)院教育技術(shù)學(xué)系，福建福州 350007；2.福建教育學(xué)院網(wǎng)絡(luò)教育部，福建福州 350001）

隨著教育信息化的逐步推進(jìn)，信息服務(wù)在學(xué)校的教學(xué)、科研與管理中扮演著越來越重要的角色。在此背景下，2010年，浙江大學(xué)提出了建設(shè)“智慧校園”藍(lán)圖。經(jīng)過近兩年的發(fā)展，智慧校園建設(shè)中存在的一些問題開始顯現(xiàn)，比如：網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的接入手段單一，安全保障體系尚不完善，特別是不同部門之間的信息共享與交流自動(dòng)化程度低，缺乏統(tǒng)一的信息編碼標(biāo)準(zhǔn)，信息化保障機(jī)制還不夠健全等。云計(jì)算平臺(tái)以及物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的出現(xiàn)很好地解決了這些問題，云計(jì)算平臺(tái)的應(yīng)用給智慧校園帶來了新技術(shù)，更好地實(shí)現(xiàn)了信息資源的共享與互動(dòng)。特別是智慧校園中各種形式的信息資源，比如：身份識(shí)別信息、刷卡消費(fèi)信息、銀行結(jié)算信息、圖書館信息服務(wù)等的交流互動(dòng)。

一、云計(jì)算與智慧校園概述

1.云計(jì)算的概念與特點(diǎn)

云計(jì)算是一種基于Web的服務(wù)，通過整合、管理、調(diào)配分布在網(wǎng)絡(luò)各處的計(jì)算資源，以統(tǒng)一的界面同時(shí)向大量用戶提供服務(wù)。它有兩個(gè)層次的含義，即云平臺(tái)和云服務(wù)。云平臺(tái)是指提供資源的網(wǎng)站，具有動(dòng)態(tài)擴(kuò)展性。云服務(wù)是指基于抽象的底層基礎(chǔ)設(shè)施，可以彈性擴(kuò)展的服務(wù)。云計(jì)算由三個(gè)架構(gòu)組成，分別是：IaaS（基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)）、PaaS（平臺(tái)即服務(wù)）、SaaS（軟件即服務(wù)）。它的作用原理是，將計(jì)算任務(wù)分配到大量的分布式計(jì)算機(jī)上，最后將計(jì)算結(jié)果輸出到本地計(jì)算機(jī)上。這使得學(xué)校能夠輕松地獲取經(jīng)過云計(jì)算平臺(tái)處理的信息資源。將資源切換到需要的應(yīng)用上，根據(jù)需求訪問計(jì)算機(jī)和存儲(chǔ)系統(tǒng)。云計(jì)算的三個(gè)架構(gòu)、相關(guān)廠商以及服務(wù)產(chǎn)品如圖1所示。

圖1 云計(jì)算三個(gè)架構(gòu)模型及其應(yīng)用例子

2.智慧校園概述

什么是智慧校園？智慧校園中的校園卡可應(yīng)用于統(tǒng)一的門禁管理，掌握公用房的使用情況，并與科研團(tuán)隊(duì)的績效掛鉤，提高辦學(xué)資源的利用率。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)人員定位、食品溯源等新型服務(wù)。浙江大學(xué)信息中心負(fù)責(zé)人說：“未來的校園巡更將會(huì)是：應(yīng)用物聯(lián)感知、無線互聯(lián)技術(shù)，安保巡更人員手持無線通訊裝置，身配攝像頭，哪里出現(xiàn)了異常，就可以實(shí)時(shí)捕捉哪里的‘現(xiàn)場’，并根據(jù)需要把它同步傳回控制室或者各級(jí)決策領(lǐng)導(dǎo)的桌面。這樣的巡更處理就變成了一種一體化、全方位的智能應(yīng)對(duì)系統(tǒng)?！?/p>

南京郵電大學(xué)智慧校園的建設(shè)思路是以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，以各種應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)為載體而構(gòu)建的教學(xué)、科研、管理和校園生活為一體的環(huán)境。這種環(huán)境是一種新型智慧化的環(huán)境，利用先進(jìn)的信息技術(shù)手段使得人們能快速、準(zhǔn)確地獲得校園中人、財(cái)、研、管業(yè)務(wù)過程中的信息。同時(shí)通過綜合數(shù)據(jù)分析為管理改進(jìn)和業(yè)務(wù)流程再造提供數(shù)據(jù)支持，使學(xué)校教育信息化、決策科學(xué)化和管理規(guī)范化。通過云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融和，使校園管理智慧化、信息化。通過應(yīng)用服務(wù)的集成與融合來實(shí)現(xiàn)校園的信息獲取、信息共享和信息服務(wù)，從而推進(jìn)智慧化的教學(xué)、智慧化的科研、智慧化的管理、智慧化的生活以及智慧化的服務(wù)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)程。

在高校智慧校園的應(yīng)用中，一些大學(xué)校園、政府部門和企業(yè)進(jìn)行體驗(yàn)推廣手機(jī)一卡通，用來實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別、刷卡消費(fèi)、銀行結(jié)算、信息服務(wù)等“一卡通”應(yīng)用。用手機(jī)代替學(xué)生證、就餐卡等各種證件，實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別。只要手機(jī)在手，就可以實(shí)現(xiàn)電子錢包的功能，就可以實(shí)現(xiàn)刷機(jī)消費(fèi)，就可以實(shí)現(xiàn)銀行結(jié)算還有信息服務(wù)以及校園學(xué)習(xí)空座位查詢。還可以用手機(jī)代替學(xué)生證等實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別，以手機(jī)作為信息服務(wù)終端，與學(xué)校圖書館、機(jī)房、教學(xué)、科研、學(xué)籍、人事、財(cái)務(wù)等相關(guān)信息系統(tǒng)鏈接，通過短信、手機(jī)上網(wǎng)等多種形式，實(shí)現(xiàn)校園各類信息通知、查詢和互動(dòng)，為學(xué)校師生員工的學(xué)習(xí)、工作和生活提供全方位的綜合信息服務(wù)。同時(shí)，在與互聯(lián)網(wǎng)相連的個(gè)人計(jì)算機(jī)上也能查詢到很多相關(guān)信息。

智慧校園有三個(gè)方面的特征：一是為智慧校園的師生提供一個(gè)全面的信息服務(wù)平臺(tái)，這種服務(wù)很個(gè)性化，是基于師生各自角色的個(gè)人化的一些定制服務(wù)；二是把這種基于云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)的信息服務(wù)引入到各種領(lǐng)域與服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了信息交流中的互聯(lián)、共享和協(xié)作；三是通過基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園感知環(huán)境和綜合信息服務(wù)平臺(tái)，為學(xué)校和外部世界提供一個(gè)相互交流和感知的接口。

二、云計(jì)算與智慧校園構(gòu)建

云計(jì)算在應(yīng)用方面有自身的特點(diǎn)，給智慧校園的建設(shè)帶來便利。

1.給教育注入新血液

在智慧校園中可以利用云計(jì)算的特點(diǎn)，合理地利用軟、硬件資源以及各地的教育信息和教學(xué)服務(wù)。比如：在中國有很多欠發(fā)達(dá)地區(qū)，可以通過云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全國教育信息和資源的共享，為教育的發(fā)展提供更強(qiáng)大的動(dòng)力。解決短期內(nèi)無法解決的落后地區(qū)資源匱乏的問題。由此可見，云計(jì)算平臺(tái)也能夠更好地為智慧校園服務(wù)，給教育事業(yè)注入了新鮮血液。

2.最大幅度地減少資源重復(fù)建設(shè)

傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)由于各自屬于不同的單位，所以，在很大程度上資源只能各自建設(shè)，很少能做到資源共享，由此造成大量資源重復(fù)建設(shè)?；谠朴?jì)算的遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)可建立全國統(tǒng)一的系統(tǒng)，各地的遠(yuǎn)程教育中心進(jìn)行統(tǒng)一部署建設(shè)資源，有效地避免了資源重復(fù)建設(shè)。智慧校園的各種信息都可以很便捷地在云計(jì)算平臺(tái)中得到存儲(chǔ)。

3.資源共享和就近訪問原則

智慧校園可以通過云計(jì)算平臺(tái)實(shí)現(xiàn)高效的資源共享。資源共享使智慧校園的搭建更加流暢化。智慧校園的使用者無需知道資源在哪里，云計(jì)算平臺(tái)的服務(wù)器能夠統(tǒng)籌管理全部的資源，通過資源列表就可以提供最合理的服務(wù)。使用起來不再受地域、時(shí)間的限制。對(duì)于智慧校園平臺(tái)的資源訪問者，系統(tǒng)可以自動(dòng)分析IP、確定路由，尋找離他最近的資源并建立好連接，提供最快最好的訪問。云計(jì)算平臺(tái)的服務(wù)器因此能夠減少更多的時(shí)間和空間更加靈活地工作。

4.結(jié)構(gòu)靈活性

不同用戶用不同的基于云計(jì)算平臺(tái)的智慧校園都無需做功能上的定制，不用再獨(dú)立部署就可以提供靈活的自定義功能，組織機(jī)構(gòu)、工作流程、文件管理體系和訪問權(quán)限等均可由用戶自定義，這樣就可以使基于云計(jì)算的智慧校園系統(tǒng)滿足不同學(xué)校的教學(xué)需求。系統(tǒng)還可方便地進(jìn)行調(diào)整，以支持單位的變化與發(fā)展，達(dá)到按需使用和隨處可用；如果用戶數(shù)大量增加了，僅需增加硬件設(shè)備的數(shù)量，就可以支撐應(yīng)用規(guī)模的增長。

5.成本低廉

基于云計(jì)算的智慧校園系統(tǒng)不再要求高性能的服務(wù)器，這朵“云”由各地普通的服務(wù)器組成來提供高性能的服務(wù)，節(jié)約了大量的硬件投資。云的出現(xiàn)使智慧校園的建設(shè)不再負(fù)擔(dān)高昂的數(shù)據(jù)中心管理成本。云系統(tǒng)中資源的利用率也比傳統(tǒng)的系統(tǒng)大幅提高。云計(jì)算平臺(tái)給智慧校園系統(tǒng)的建設(shè)帶來便利。

三、基于云計(jì)算的智慧校園信息資源管理策略

基于云計(jì)算的智慧校園信息資源經(jīng)由云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)入用戶的電子終端設(shè)備中，使用戶能夠?qū)⒏嗟木烷_銷投入到一些邏輯類的事物上。而這些運(yùn)用數(shù)據(jù)庫、程序編輯而成的信息資源，就是我們常說的虛擬資源，比如：網(wǎng)上圖書館、網(wǎng)上商城等。云計(jì)算平臺(tái)所能提供的服務(wù)質(zhì)量就取決于對(duì)虛擬資源的管理。因此，基于云計(jì)算的智慧校園的信息資源管理策略具有很強(qiáng)的虛擬化。首先，要收集虛擬資源，然后對(duì)虛擬資源進(jìn)行劃分，以后再對(duì)虛擬資源進(jìn)行預(yù)留以及調(diào)度（借入/借出調(diào)度），來實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬資源的分配，確保用戶對(duì)虛擬資源使用的有效性，從而實(shí)現(xiàn)資源的最大優(yōu)化。

虛擬資源劃分策略，是將基于云計(jì)算技術(shù)平臺(tái)的具有相同特性的信息資源分組，用一個(gè)四元組G（Gname，Glist，Gunit，Gdoes） 來描述，其中 Gname為分組名字，Glist為分組中的一組數(shù)組主機(jī)，Gunit為可調(diào)度單元（Slot）U，Gdoes為分組描述，通過分組G可以知道一個(gè)分組提供哪些特性及有多少可用虛擬資源。

虛擬資源預(yù)留及調(diào)度策略是為了能夠?yàn)橛脩舻膹?fù)雜應(yīng)用需求在特定的時(shí)間內(nèi)提供所需的資源。資源預(yù)留的最基本的操作是，給特定的用戶在指定時(shí)間內(nèi)預(yù)留單位個(gè)指定的資源。但這樣的后果是降低了資源的利用率，用戶預(yù)留請求拒絕數(shù)也不斷增多。為了預(yù)防這種現(xiàn)象可運(yùn)用對(duì)消費(fèi)實(shí)體的借入/借出調(diào)度，解決預(yù)留資源利用率降低和預(yù)留資源負(fù)載的問題。

借入/借出調(diào)度策略就是根據(jù)租借機(jī)制實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序?qū)λ接械目烧{(diào)度單元（Slot）進(jìn)行租借。權(quán)衡受益和資源利用，以及考慮運(yùn)行階段應(yīng)用程序私有的可調(diào)度單元（Slot）有可能空閑，因此，可以利用空閑的可調(diào)度單元（Slot）去協(xié)助完成其他的任務(wù)。

四、基于云計(jì)算的智慧校園信息資源共享

1.信息資源處理模型

為了使用戶輕松地享受云計(jì)算帶來的信息資源共享服務(wù)，可以利用MapReduce分布式調(diào)度模型來實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，MapReduce分布式調(diào)度模型把要解決的問題分解成Map（映射）和Reduce（化簡）的方式。各種基于物聯(lián)網(wǎng)的信息經(jīng)過數(shù)字化轉(zhuǎn)變后先通過Map將數(shù)據(jù)切割成不相關(guān)的區(qū)塊，分配（調(diào)度）給大量計(jì)算機(jī)處理達(dá)到分布式運(yùn)算的效果，再通過Reduce程序?qū)⑺械慕Y(jié)果整合，最后輸出需要的結(jié)果。

MapReduce的具體實(shí)現(xiàn)是指定一個(gè)Map（映射）函數(shù)，把鍵值對(duì)（Key/value）映射成新的鍵值對(duì)（key/reduce），形成一系列中間形式的key/value對(duì)，然后把它們傳給Reduce（化簡）函數(shù)，把具有相同中間形式key的value合并在一起。用Map過程把數(shù)據(jù)用映射函數(shù)規(guī)則分開，而Reduce則把分開的數(shù)據(jù)用化簡函數(shù)規(guī)則合在一起。Map是個(gè)分的過程，而Reduce是個(gè)合的過程。這樣各種類型的消息在云計(jì)算平臺(tái)被分解傳送，最后被傳送到用戶那里。云計(jì)算與傳統(tǒng)的應(yīng)用模式相比，具有高性價(jià)比、超強(qiáng)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力、虛擬化管理等優(yōu)點(diǎn)，因此，有理由相信將云計(jì)算應(yīng)用于智慧校園的建設(shè)是可行的。各種信息資源之間的共享與信息交流需要通過云計(jì)算技術(shù)來權(quán)衡。

圖2 MapReduce分布式調(diào)度模型的基本框架

2.智慧校園信息共享云服務(wù)模式

圖3 高校資源共享云服務(wù)結(jié)構(gòu)

智慧校園的信息服務(wù)具有很好的效益，但是不足的是沒有好的數(shù)字資源公共平臺(tái)，各種類型數(shù)據(jù)庫資源之間共享能力較低。有些資源就無法最優(yōu)化利用。高校資源共享云服務(wù)結(jié)構(gòu)模型為此類問題的解決提供了參考方法，如圖3所示，云計(jì)算可以為智慧校園建設(shè)提供一個(gè)服務(wù)方案，銀行、城市、圖書館、學(xué)校等可以通過云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)建立一個(gè)統(tǒng)一的接口，這些用戶可以通過這樣的統(tǒng)一接口進(jìn)入數(shù)據(jù)庫資源，獲取所需的信息。而學(xué)校的圖書館可以將各種各樣的資源上傳到“云”中，讓不同的用戶分享。高校代表、數(shù)據(jù)庫服務(wù)商、政府部門代表組成一個(gè)云委員會(huì)掌握著云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，它的職責(zé)是負(fù)責(zé)制定服務(wù)協(xié)議、管理日常運(yùn)營、推廣服務(wù)市場。因此，智慧校園利用類似高校資源共享云服務(wù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息資源的共享具有可行性。

五、結(jié)束語

云計(jì)算是當(dāng)前一個(gè)熱門的研究領(lǐng)域，基于云計(jì)算的智慧校園構(gòu)建也受到了越來越多研究者的關(guān)注。同時(shí)云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展必將為智慧校園的建設(shè)與完善提供更多的技術(shù)支持，例如：給智慧校園中的形式多樣的信息資源互動(dòng)提供了生機(jī)，在理論上實(shí)現(xiàn)了用云計(jì)算技術(shù)在PaaS,SaaS,和IaaS服務(wù)層次上對(duì)各種信息系統(tǒng)進(jìn)行資源共享以及互動(dòng)等。

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