北京科技大學(xué)：校園云按需租用資源

文/楊揚(yáng)

北京科技大學(xué)：校園云按需租用資源

文/楊揚(yáng)

利用云計(jì)算等技術(shù)，通過(guò)虛擬化IT資源，對(duì)現(xiàn)有的硬件資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)的分配和管理，以租賃的方式將IT資源提供給用戶。

目前，我國(guó)高校信息化建設(shè)面臨的主要問(wèn)題有：

1.公共資源重復(fù)購(gòu)置，利用率低；2.資源分散管理、投資回報(bào)低；3.重復(fù)進(jìn)行軟件安裝、升級(jí)和防病毒工作；4.無(wú)法彈性擴(kuò)展，無(wú)統(tǒng)一接口；5.無(wú)法支撐決策分析，缺少辦公化集中管理；6.獨(dú)自進(jìn)行科研工作，無(wú)法有效協(xié)作，成果無(wú)法共享；7.無(wú)法為科學(xué)計(jì)算提供有效支撐。

為了解決這些問(wèn)題，人們不斷進(jìn)行理念的改革和技術(shù)的創(chuàng)新。北京科技大學(xué)利用云計(jì)算等技術(shù)開(kāi)發(fā)了校園云解決方案。校園云可以將分散的異構(gòu)資源整合為資源池，提高資源利用率，并對(duì)資源進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃和管理，提高現(xiàn)有設(shè)備的利用率，降低購(gòu)置成本，節(jié)省能源消耗等。同時(shí)，平臺(tái)提供的虛擬機(jī)和相關(guān)應(yīng)用的租用還可以節(jié)省用戶的大量時(shí)間，用戶只需要登錄平臺(tái)制定自己所需的虛擬機(jī)即可。

提高IT資源利用率

云計(jì)算是從2007年開(kāi)始興起的商業(yè)計(jì)算模型，通過(guò)虛擬化IT資源，對(duì)現(xiàn)有的硬件資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)的分配和管理，以租賃的方式將IT資源提供給用戶，可以提高資源的利用率，同時(shí)可以降低IT建設(shè)的投入，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，低碳環(huán)保。

充分利用閑置且分散的機(jī)房資源

由于學(xué)校有計(jì)算機(jī)中心，每個(gè)學(xué)院也有自己的實(shí)驗(yàn)室機(jī)房，而有些課程（包括公共基礎(chǔ)課和實(shí)驗(yàn)課）都是在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的，如果把這些機(jī)房的資源都放到云平臺(tái)上，既可以整合和充分利用資源，也可以節(jié)省場(chǎng)地和學(xué)生配置等諸多問(wèn)題，還可以大大降低對(duì)計(jì)算機(jī)維護(hù)的工作量。

共享科技文獻(xiàn)與科研成果服務(wù)

每位科研人員的手里都有大量科研文獻(xiàn)和研究成果，但缺乏有效的管理和利用。利用云存儲(chǔ)，可將科研人員在不同科研方向所整理的科技文獻(xiàn)等資料集中、分類管理，實(shí)現(xiàn)資料的共享，并且實(shí)現(xiàn)與已有的科技文獻(xiàn)庫(kù)（例如高校圖書(shū)館科技文獻(xiàn)庫(kù)資源）集成管理。此外，我們可以以校園科研云為基礎(chǔ)，為科研人員提供科研成果共享平臺(tái)，提供二次開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)，包括科研環(huán)境和平臺(tái)共享，可以根據(jù)用戶科研項(xiàng)目不同，支持不同科研環(huán)境的搭建，提供虛擬開(kāi)發(fā)、測(cè)試、部署、運(yùn)行環(huán)境的提供（包括虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境），并為團(tuán)隊(duì)共享及協(xié)作提供支持。

辦公化集中管理

學(xué)校行政處室系統(tǒng)分散，且每個(gè)部門都有自己的網(wǎng)站，管理不集中，會(huì)導(dǎo)致人員和資源的浪費(fèi)與不均衡。如果我們把相應(yīng)的辦公軟件都部署到云平臺(tái)上，那么就能實(shí)現(xiàn)節(jié)省成本，節(jié)能減排的目的。因此，開(kāi)發(fā)可靠的高性能校園云來(lái)解決高校面臨的實(shí)際問(wèn)題，是一項(xiàng)有意義的工作。

提供新型資源租用服務(wù)

云計(jì)算使按需服務(wù)成為可能

云計(jì)算本質(zhì)是眾多新技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，是社會(huì)需求的推動(dòng)（資源，成本，能源）結(jié)果，是由需求引導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的各個(gè)要素構(gòu)成的有機(jī)體。它提供了一種新的以按需租用資源的業(yè)務(wù)模式。

個(gè)人和單個(gè)設(shè)備的能力有限，但在“云”的另一端，由成千上萬(wàn)臺(tái)的服務(wù)器組成的集群為人們使用網(wǎng)絡(luò)提供幾乎無(wú)限多的可能。

云計(jì)算的特征是：

1.超大規(guī)模：前所未有的計(jì)算能力；2.虛擬化：任意獲取相應(yīng)服務(wù)；

3.高可靠性：數(shù)據(jù)多副本，計(jì)算節(jié)點(diǎn)同構(gòu)可互換等措施；

4.通用性：不針對(duì)特定應(yīng)用；

5.高可擴(kuò)展性：動(dòng)態(tài)伸縮，滿足規(guī)模增長(zhǎng)需要；

6.按需服務(wù)：提供龐大的資源池，用戶可按需購(gòu)買；

7.廉價(jià)：自動(dòng)化集中式管理。

總之，云計(jì)算為人們提供了可靠、安全的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心，用戶不用再擔(dān)心數(shù)據(jù)丟失、病毒入侵等麻煩。云計(jì)算對(duì)用戶端的設(shè)備要求最低，使用起來(lái)也很方便。而且，云計(jì)算為我們使用網(wǎng)絡(luò)提供了諸多可能。

離開(kāi)了云計(jì)算，僅僅使用個(gè)人計(jì)算機(jī)或手機(jī)上的客戶端應(yīng)用，我們是無(wú)法享受這些便捷的。個(gè)人計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備不可能提供無(wú)限量的存儲(chǔ)空間和計(jì)算能力，但在“云”的另一端，由數(shù)千臺(tái)、數(shù)萬(wàn)臺(tái)甚至更多服務(wù)器組成的龐大的集群卻可以輕易地做到這一點(diǎn)。個(gè)人和單個(gè)設(shè)備的能力是有限的，但云計(jì)算的潛力卻幾乎是無(wú)限的。

云計(jì)算集中資源支持分散應(yīng)用

網(wǎng)格計(jì)算和云計(jì)算有相似之處，特別是計(jì)算的并行與合作的特點(diǎn)，但彼此的區(qū)別也是明顯的。主要有以下幾點(diǎn)：

首先，網(wǎng)格計(jì)算的思路是資源發(fā)現(xiàn)、資源共享和支持QoS服務(wù)，通過(guò)支持各種設(shè)備的接口獲取分布在不同地點(diǎn)的資源，這些資源主要包括軟件和硬件資源以及網(wǎng)絡(luò)資源，通過(guò)管理和調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各種資源的動(dòng)態(tài)共享；而云計(jì)算除了將資源集中進(jìn)行管理外，更強(qiáng)調(diào)的是服務(wù)，以高質(zhì)量服務(wù)的可租賃方式提供給用戶。

其次，在對(duì)待異構(gòu)性方面，二者理念上有所不同。網(wǎng)格計(jì)算用中間件屏蔽異構(gòu)系統(tǒng)，力圖使用戶面向同樣的環(huán)境，把困難留在中間件，讓中間件完成任務(wù)。而云計(jì)算實(shí)際上承認(rèn)異構(gòu)，用鏡像執(zhí)行或者提供服務(wù)的機(jī)制來(lái)解決異構(gòu)性的問(wèn)題。當(dāng)然不同的云計(jì)算系統(tǒng)并不相同，比如Google一般用專用的內(nèi)部平臺(tái)來(lái)支持。

最后，網(wǎng)格計(jì)算更多地面向科研應(yīng)用，商業(yè)模型不清晰。而云計(jì)算從誕生開(kāi)始就是針對(duì)企業(yè)商業(yè)應(yīng)用，商業(yè)模型比較清晰。

總之，云計(jì)算是以相對(duì)集中的資源，運(yùn)行分散的應(yīng)用（大量分散的應(yīng)用在若干大的中心執(zhí)行）；而網(wǎng)格計(jì)算則是聚合分散的資源，支持大型集中式應(yīng)用（一個(gè)大的應(yīng)用分到多處執(zhí)行）。網(wǎng)格計(jì)算作為一種面向特殊應(yīng)用的解決方案將會(huì)繼續(xù)在某些領(lǐng)域存在，而云計(jì)算作為一場(chǎng)IT變革，則會(huì)深刻影響整個(gè)IT產(chǎn)業(yè)和人類社會(huì)。

圖2 云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)

構(gòu)建“云”網(wǎng)絡(luò)

云計(jì)算平臺(tái)是一個(gè)強(qiáng)大的“云”網(wǎng)絡(luò)，連接了大量并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算和服務(wù)，可利用虛擬化技術(shù)擴(kuò)展每一個(gè)服務(wù)器的能力，將各自的資源通過(guò)云計(jì)算平臺(tái)結(jié)合起來(lái)，提供超級(jí)計(jì)算和存儲(chǔ)能力。通用的云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

云用戶端

云用戶端提供云用戶請(qǐng)求服務(wù)的交互界面，也是用戶使用云的入口，用戶通過(guò)Web瀏覽器可以注冊(cè)，登錄及定制服務(wù)，配置和管理用戶，打開(kāi)應(yīng)用實(shí)例與本地操作桌面系統(tǒng)。

服務(wù)目錄

云用戶在取得相應(yīng)權(quán)限（付費(fèi)或其他限制）后可以選擇或定制服務(wù)列表，也可以對(duì)已有服務(wù)進(jìn)行退訂的操作，在云用戶端界面生成相應(yīng)的圖標(biāo)或列表的形式來(lái)展示相關(guān)的服務(wù)。

管理系統(tǒng)和部署工具

管理系統(tǒng)和部署工具提供管理和服務(wù)，能管理云用戶，對(duì)用戶授權(quán)、認(rèn)證、登錄進(jìn)行管理，并可以管理可用計(jì)算資源和服務(wù)，接收用戶發(fā)送的請(qǐng)求，根據(jù)用戶請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的程序，調(diào)度資源，智能地部署資源和應(yīng)用，動(dòng)態(tài)地部署、配置和回收資源。

資源監(jiān)控

監(jiān)控和計(jì)量云系統(tǒng)資源的使用情況，以便做出迅速反應(yīng)，完成節(jié)點(diǎn)同步配置、負(fù)載均衡配置和資源監(jiān)控，確保資源能順利地分配給合適的用戶。

服務(wù)器集群

服務(wù)器集群是虛擬或物理的服務(wù)器，由管理系統(tǒng)管理，負(fù)責(zé)高并發(fā)量的用戶請(qǐng)求處理、大運(yùn)算量計(jì)算處理、用戶Web應(yīng)用服務(wù)，存儲(chǔ)云數(shù)據(jù)時(shí)采用相應(yīng)數(shù)據(jù)切割算法采用并行方式上傳和下載大容量數(shù)據(jù)。

用戶可通過(guò)云用戶端從列表中選擇所需的服務(wù)，其請(qǐng)求通過(guò)管理系統(tǒng)調(diào)度相應(yīng)的資源，并通過(guò)部署工具分發(fā)請(qǐng)求、配置Web應(yīng)用。

技術(shù)積累孕育校園云

北京科技大學(xué)云計(jì)算平臺(tái)源自十多年來(lái)對(duì)高性能計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算的積累，整合多種技術(shù)發(fā)展而形成，提供IaaS（架構(gòu)即服務(wù)）、PaaS（平臺(tái)即服務(wù)）和SaaS（軟件即服務(wù)）能力，是私有云的一體化解決方案。該平臺(tái)提供了更好的資源整合與更加智能化的資源分配能力，可以更快地響應(yīng)業(yè)務(wù)需求，提供更高的資源利用率和更低的成本。

高效的平臺(tái)體系

北京科技大學(xué)云平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱：平臺(tái)）提供給用戶架構(gòu)和軟件級(jí)服務(wù)，平臺(tái)承載虛擬機(jī)的租賃使用、用戶自定義應(yīng)用的部署以及軟件的使用等服務(wù)。平臺(tái)呈現(xiàn)給用戶良好的操作界面，直觀簡(jiǎn)單，使得用戶只要利用最簡(jiǎn)捷的操作，就可以完成自己的服務(wù)請(qǐng)求。

平臺(tái)具有完善的統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)和計(jì)費(fèi)系統(tǒng)、準(zhǔn)確有效的分析歷史數(shù)據(jù)、形象直觀的平臺(tái)服務(wù)數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)圖標(biāo)、完善精確的計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，保證用戶最大限度地節(jié)約資源，最有效地使用資源。圖3是校園云平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)圖。

十大技術(shù)特色

1.提供完備的架構(gòu)即服務(wù)的支持

支持物理機(jī)和多種虛擬機(jī)計(jì)算環(huán)境，不依賴和受限于特定虛擬化技術(shù)廠商，可創(chuàng)建一個(gè)共享的計(jì)算架構(gòu)。目前支持的虛擬機(jī)技術(shù)包括：VMWare、Citrix Xen、Red Hat Xen和KVM，提供資源預(yù)約和按需分配的調(diào)度策略，提供靈活完善的資源感知的分配策略，可根據(jù)用戶的資源請(qǐng)求和資源的可用情況動(dòng)態(tài)分配資源。

2.提供快捷的平臺(tái)即服務(wù)的支持

應(yīng)用開(kāi)發(fā)者通過(guò)所見(jiàn)即所得的應(yīng)用程序參數(shù)表單定制服務(wù)界面，通過(guò)智能化的向?qū)?chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)，靈活快捷地定制各種應(yīng)用服務(wù)。

3.提供完善的軟件即服務(wù)的支持

圖3 校園云平臺(tái)體系

支持單用戶、多租戶的體系結(jié)構(gòu)，利用集中化優(yōu)勢(shì)將來(lái)自不同服務(wù)提供商的軟件綁定在一起，為終端用戶提供功能豐富的體驗(yàn)。

4.自助式服務(wù)

像“購(gòu)物車”一樣，用戶可以按自己的需要選擇服務(wù)的類型、數(shù)量和起至?xí)r間，系統(tǒng)自動(dòng)生成服務(wù)合同和賬單。

5.基于角色的權(quán)限管理

支持用戶角色定義和LDAP，提供細(xì)粒度的權(quán)限控制，可根據(jù)角色的權(quán)限，對(duì)頁(yè)面進(jìn)行訪問(wèn)控制。

6.完善的運(yùn)維監(jiān)控平臺(tái)

提供可視化的流程定義和監(jiān)控管理，在硬件級(jí)上，支持對(duì)云狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；在軟件級(jí)上，支持統(tǒng)一管理許可證服務(wù)（啟動(dòng)和停止）與錯(cuò)誤報(bào)警和自動(dòng)恢復(fù)。

7.完善的統(tǒng)計(jì)分析和報(bào)表平臺(tái)

通過(guò)對(duì)校園云中每個(gè)物理和虛擬節(jié)點(diǎn)的使用率、作業(yè)運(yùn)行時(shí)間、計(jì)費(fèi)明細(xì)等進(jìn)行詳細(xì)地統(tǒng)計(jì)分析，生成各種統(tǒng)計(jì)報(bào)表，為管理者提供決策依據(jù)。

8.良好的可擴(kuò)展性

云平臺(tái)支持動(dòng)態(tài)部署，并可在兩個(gè)層面擴(kuò)充。在單云層面，可以擴(kuò)充到幾千臺(tái)計(jì)算機(jī)在單一的云中；從整體架構(gòu)層面，可以支持幾十至上百個(gè)云的整合?；谠撛破脚_(tái)的應(yīng)用程序易于構(gòu)建和維護(hù)，并可根據(jù)訪問(wèn)量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等需要的增長(zhǎng)輕松擴(kuò)展。

9.開(kāi)放的架構(gòu)和接口

云平臺(tái)全生命周期的事件都向第三方開(kāi)放，包括合同、資源請(qǐng)求和資源可用狀態(tài)等。事件處理框架允許通過(guò)第三方的系統(tǒng)觸發(fā)業(yè)務(wù)流程，支持如下方式的事件處理：SMTP、SNMP Trap、JMS、命令等。

10.成熟可靠

該平臺(tái)基礎(chǔ)架構(gòu)由可靠、成熟的系統(tǒng)模塊組成。

北京科技大學(xué)校園云以“北京科技大學(xué)云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室”為依托，已經(jīng)建成一個(gè)可用的最小實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。該平臺(tái)已達(dá)到幾大目標(biāo)：在目前平臺(tái)的基礎(chǔ)上，根據(jù)新的需求進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)；能夠針對(duì)未來(lái)的業(yè)務(wù)進(jìn)行擴(kuò)充；具有學(xué)術(shù)研究的功能，能對(duì)研究的算法進(jìn)行驗(yàn)證，并能在平臺(tái)上進(jìn)行研究，提供有價(jià)值的研究算法，能為云計(jì)算儲(chǔ)備研究與開(kāi)發(fā)力量，云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室作為和企業(yè)合作的典范，能為企業(yè)輸送優(yōu)秀的人才；不僅能為校園網(wǎng)云計(jì)算提供實(shí)際可行的演示環(huán)境，具備快速推廣功能，還應(yīng)該能為其他行業(yè)提供可信的云計(jì)算服務(wù)演示；具有遠(yuǎn)程服務(wù)和培訓(xùn)的功能。

（作者單位為北京科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心）