教育云資源管理平臺構(gòu)建研究與實現(xiàn)

曹丙瑞，董 旭，王素貞

（1.河北經(jīng)貿(mào)大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050061；2.河北經(jīng)貿(mào)大學(xué) 教務(wù)處，河北 石家莊 050061）

一、引言

隨著高等教育信息化的快速發(fā)展，越來越多的高校認識到需要使用云計算技術(shù)整合校內(nèi)外各種教育資源，通過網(wǎng)絡(luò)平臺隨時隨地為廣大師生提供更加便捷的個性化服務(wù)。在信息化實施的歷史進程中，不斷增加的應(yīng)用系統(tǒng)和越來越多的教育資源部署在不同的服務(wù)器上，服務(wù)器的種類與數(shù)量逐年增加，采用傳統(tǒng)的方法運行維護越來越困難，表現(xiàn)在效率低、成本高。例如，需要花費很長的時間去安裝配置在每個用戶群日常使用的計算機系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件等；一旦某一臺服務(wù)器出現(xiàn)故障，其安裝的所有應(yīng)用都無法使用，而此時這些應(yīng)用也不能快速遷移到其他正常工作的服務(wù)器上，系統(tǒng)的健壯性較差；對于較大的故障必須等專業(yè)人員前來維修，等待時間長。因此，如何高效地管理高校IT基礎(chǔ)設(shè)施資源和教育資源，提高系統(tǒng)的健壯性和靈活性，降低運行維護的人力電力成本就顯得尤為重要。目前先進的解決方案就是利用云計算技術(shù)，建立基于虛擬化的教育云資源管理平臺，通過無處不在的計算機網(wǎng)絡(luò)為師生提供快捷方便的個性化資源管理與服務(wù)[1]。

二、云計算技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用

（一）云計算技術(shù)概述

究竟什么是云計算？目前并沒有統(tǒng)一的定義。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院[2]認為：云計算是一種按使用量付費的模式，這種模式提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡(luò)訪問，進入可配置的計算資源共享池（資源包括網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲、應(yīng)用軟件及服務(wù)），這些資源能夠被快速提供，只需投入很少的管理工作，或與服務(wù)供應(yīng)商進行很少的交互。國內(nèi)各界普遍認為：狹義上講云計算是IT基礎(chǔ)設(shè)施的交付和使用模式，通過Internet以按需、易擴展的方式獲得所需資源；廣義上講云計算是服務(wù)的交付和使用模式，通過Internet以按需、易擴展的方式獲得所需服務(wù)，這種服務(wù)可以是IT和軟件、互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)，也可是其他服務(wù)[3]，這意味著計算能力也可作為一種商品通過互聯(lián)網(wǎng)進行流通。

從理論與技術(shù)角度看，云計算是基于一系列關(guān)鍵技術(shù)的新型計算模式，包括：虛擬化技術(shù)、彈性伸縮動態(tài)調(diào)配技術(shù)、高效可靠數(shù)據(jù)傳輸交換與事件處理技術(shù)、海量數(shù)據(jù)存儲與訪問技術(shù)、智能化管理監(jiān)控技術(shù)、并行計算框架技術(shù)、多租賃與按需計費技術(shù)以及綠色節(jié)能技術(shù)等。這種信息處理模式可以完成大量復(fù)雜的計算任務(wù)，如：按需即取的服務(wù)計算、易于擴展的變粒度計算、基于自然語言的軟計算、智能系統(tǒng)的不確定計算、人參與的計算及物參與的計算等，最終以基于互聯(lián)網(wǎng)面向大眾提供服務(wù)的方式來實現(xiàn)資源動態(tài)整合與分享的目標(biāo)[4]。

（二）在教育領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用

目前，教育領(lǐng)域尤其在高等學(xué)校各種教育信息資源正加速向網(wǎng)絡(luò)遷移，利用云計算技術(shù)構(gòu)建教育資源管理平臺能夠有效克服服務(wù)器利用率低、教學(xué)資源分布不均、資源更新速度慢、信息孤島、電力消耗嚴(yán)重、難于管理等一系列制約著高校信息化發(fā)展進程的問題[5]，將對教育信息化的發(fā)展產(chǎn)生巨大的促進作用。很多企業(yè)已經(jīng)通過云計算來獲取各種服務(wù)，教育領(lǐng)域也將是云計算技術(shù)未來發(fā)展的一個重要領(lǐng)域。

目前國內(nèi)外對云計算在教育領(lǐng)域的應(yīng)用表現(xiàn)出了很大的熱情。Accenture公司在《探究云計算的未來：駕馭技術(shù)驅(qū)動轉(zhuǎn)型的下一次浪潮》調(diào)查報告中指出，云計算在教育科研行業(yè)的潛在應(yīng)用體現(xiàn)在三點：（1）獲取全球資源；（2）低成本仿真；（3）高度交互+協(xié)作學(xué)習(xí)[6][7]。我國黎加厚教授提出了云計算在教育教學(xué)中應(yīng)用的“云計算輔助教學(xué)”的新概念：學(xué)校和教師利用“云計算”提供的服務(wù)，構(gòu)建個性化教學(xué)的信息化環(huán)境，促進教師的教學(xué)和學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，提高教學(xué)質(zhì)量[8]。

校內(nèi)教育云平臺的構(gòu)建首先要充分利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，利用虛擬化技術(shù)把物理的服務(wù)器資源虛擬化成服務(wù)器池，通過負載均衡技術(shù)提高服務(wù)器的利用率。然后對學(xué)校的各種教育資源進行有效的整合后遷移到虛擬服務(wù)器上，利用云計算技術(shù)實現(xiàn)資源的無縫連接，構(gòu)建一個統(tǒng)一的教育資源管理平臺，以一種全新的方式為提供優(yōu)質(zhì)的數(shù)字資源服務(wù)。

三、教育云管理平臺技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

結(jié)合高校信息化和教育資源網(wǎng)絡(luò)化的特色需求，本文利用云計算核心技術(shù)——虛擬化技術(shù)對現(xiàn)有的物理資源進行有效的整合，并基于云計算資源動態(tài)分配理念對現(xiàn)有的資源進行統(tǒng)一管理和統(tǒng)一調(diào)度，設(shè)計了一種教育云資源管理平臺架構(gòu)模型，此模型分為三層：基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層、平臺服務(wù)層和（應(yīng)用）軟件服務(wù)層。該架構(gòu)能提供一種更加高效靈活的管理服務(wù)模式。具體如圖1所示。

1.基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a Service，IaaS）：IaaS層通過對現(xiàn)有的物理資源（服務(wù)器、存儲器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等）進行整合，進而利用虛擬化技術(shù)對相同類型的資源進行虛擬化處理，形成同構(gòu)或接近同構(gòu)的資源池，如計算資源池、存儲資源池、網(wǎng)絡(luò)資源池。通過對虛擬池的資源調(diào)度和管理，對師生提供按需分配的計算、存儲和備份等基礎(chǔ)資源與服務(wù)[3][9][10]。

2.平臺即服務(wù)（Platform as a Service，PaaS）：PaaS層提供應(yīng)用程序的開發(fā)和運行環(huán)境，通過PaaS層的軟件工具和開發(fā)語言，師生只需上傳程序代碼和數(shù)據(jù)即可使用服務(wù)。同時PaaS層利用負載均衡、故障檢測和性能優(yōu)化等技術(shù)對高校日益龐大的資源進行有效的管理，提高資源的處理效率。PaaS層通過賬號管理、交互管理和使用計費對用戶進行統(tǒng)一的管理。

圖1 教育云管理平臺架構(gòu)模型

3.軟件即服務(wù)（Software as a Service，SaaS）：SaaS層針對師生提供更加特定的應(yīng)用服務(wù)，通過統(tǒng)一的用戶交互接口，用戶可以獲取資源服務(wù)、教學(xué)管理、互動交流、協(xié)作創(chuàng)新等不同類型的個性化應(yīng)用服務(wù)。

最后利用容錯技術(shù)、監(jiān)督管理對三層架構(gòu)進行服務(wù)保障和安全管理。服務(wù)保障的目標(biāo)主要是提升系統(tǒng)功能和性能、資源和服務(wù)的可用性。安全管理主要是避免信息泄露、未授權(quán)的訪問和修改、及時發(fā)現(xiàn)并修補系統(tǒng)漏洞，阻止內(nèi)外部惡意用戶的攻擊等。

四、教育云管理平臺實現(xiàn)案例

本文按照上述教育云管理平臺技術(shù)架構(gòu)設(shè)計原則，以河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)教學(xué)資源整合需求為目標(biāo)，設(shè)計并實現(xiàn)了教務(wù)云管理平臺，通過對資源進行有效整合實現(xiàn)了高效管理與利用，為師生提供了方便快捷的服務(wù)，取得了良好的效果。

（一）原有設(shè)備及應(yīng)用現(xiàn)狀

河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)教務(wù)系統(tǒng)平臺始建于2003年，承擔(dān)全校30 000多名學(xué)生的教學(xué)和管理工作。一直使用多種不同型號的服務(wù)器，目前這些設(shè)備老化嚴(yán)重，且硬件升級空間有限，經(jīng)常出現(xiàn)硬件問題，由此引發(fā)的新問題如下：（1）服務(wù)器響應(yīng)慢，業(yè)務(wù)連續(xù)性缺乏保障。在業(yè)務(wù)高峰期，服務(wù)器的壓力大，請求響應(yīng)時間長；另外由于歷史原因，很多業(yè)務(wù)部署在同一臺服務(wù)器上，沒有進行高可用性和備份等保護措施，服務(wù)器一旦故障會導(dǎo)致其上運行的業(yè)務(wù)全部中斷。（2）資源負載不平衡，利用率低。由于某些業(yè)務(wù)具有集中訪問性，比如教師評價、學(xué)生選課等，這些業(yè)務(wù)一個學(xué)期內(nèi)大部分時間處于閑置狀態(tài)，而當(dāng)運行時又處于超負荷狀態(tài)，此時其他服務(wù)器的訪問量很少，負載嚴(yán)重不平衡，利用率低。（3）維護量比較大，電力消耗嚴(yán)重。教務(wù)系統(tǒng)平臺包括信息維護、學(xué)生選課、課表查詢、成績查詢等多個業(yè)務(wù)，每個業(yè)務(wù)都需要服務(wù)器資源的支持，從而造成服務(wù)器數(shù)量逐年增加，不僅造成大量的維護成本，也對數(shù)據(jù)中心的機房空間、電力消耗提出挑戰(zhàn)。針對以上缺陷，本文構(gòu)建教務(wù)云服務(wù)平臺，采用虛擬化技術(shù)將原有服務(wù)全部遷移至云計算平臺。

（二）整體設(shè)計方案

根據(jù)教務(wù)管理和教學(xué)資源的使用需求，構(gòu)建的教務(wù)云管理平臺由三層組成，分別對應(yīng)于教育云管理平臺技術(shù)架構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)、平臺服務(wù)和軟件服務(wù)三個層次。教務(wù)云管理平臺主要面向廣大師生、教務(wù)管理人員、系統(tǒng)管理員提供多樣化資源管理與服務(wù)并向社會提供部分查詢服務(wù)，具體的體系架構(gòu)如圖2所示。

圖2 河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)教務(wù)云管理平臺體系架構(gòu)

本設(shè)計方案特點如下：

1.多層次與松耦合架構(gòu)。將系統(tǒng)劃分為基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺服務(wù)層和應(yīng)用服務(wù)層三個層次。各層之間保持相互獨立與松耦合，每層之間使用消息進行通信，降低了平臺整體的依賴性。

2.使用現(xiàn)有服務(wù)器進行虛擬化。對現(xiàn)有8臺服務(wù)器物理資源進行虛擬化形成41個虛機，形成服務(wù)器資源池，不僅充分利用了現(xiàn)有的硬件資源，減少了開支，而且提高了資源的利用率。

3.采取統(tǒng)一的 VMM（Virtual Machine Monitor）技術(shù)構(gòu)建教務(wù)云管理平臺。底層統(tǒng)一采用KVM（Kernel-based Virtual Machine）構(gòu)建虛擬化環(huán)境，便于運營管理，同時還避免了不同VMM之間的文件格式不兼容和跨VMM遷移失敗等問題，提高了系統(tǒng)的健壯性[11]。

4.面向服務(wù)提升性能。根據(jù)上層應(yīng)用的特點，在虛擬化基礎(chǔ)之上，按照一定的策略對資源分配、資源調(diào)度進行優(yōu)化，實現(xiàn)底層對上層的充分感知，面向服務(wù)提升云平臺的管理與服務(wù)性能。

（三）具體實現(xiàn)

1.基礎(chǔ)設(shè)施層實現(xiàn)。作為整個框架的最底層，具體的實現(xiàn)步驟如下：（1）首先使用KVM對現(xiàn)有的服務(wù)器進行虛擬化，并組成虛擬機集群，從而將物理資源轉(zhuǎn)化為可以按需分配的虛擬機資源池，同時根據(jù)業(yè)務(wù)實際需要分配最合適的計算資源和存儲資源。（2）利用libvirt為各種虛擬化工具提供的通用API（Application Programming Interface）對KVM進行管理，即libvirt通過自身提供的函數(shù)連接到KVM宿主機并使用簡單的命令進行操作。（3）通過VMware vCenter converter遷移工具，根據(jù)預(yù)先制定的遷移計劃，逐步將物理機上的多個業(yè)務(wù)系統(tǒng)分批次平滑遷移到虛擬機集群上。（4）將虛擬機的鏡像文件進行共享存儲，實現(xiàn)高可用性部署，同時備份每個虛擬機，保證系統(tǒng)的健壯性，這樣如果原虛擬機所在服務(wù)器出現(xiàn)問題，虛擬機會立即在另一臺物理服務(wù)器上運行。（5）最后把預(yù)先安裝好的操作系統(tǒng)（如linux，windows）制作成模板，當(dāng)用戶再申請?zhí)摂M機資源的時候不用再從頭開始安裝操作系統(tǒng)，僅僅需要選擇已有的模板并分配虛擬機硬件資源，一個新的虛擬機系統(tǒng)就形成了。實現(xiàn)效果如圖3所示。

圖3 虛擬化后的資源池

2.平臺服務(wù)層實現(xiàn)。平臺服務(wù)層建立在基礎(chǔ)設(shè)施層之上，為應(yīng)用服務(wù)層提供良好的平臺支撐，提供身份認證、資源管理和開發(fā)測試等平臺服務(wù)，具體的功能如下：

身份認證平臺提供統(tǒng)一的權(quán)限認證，確保所有的操作都在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)，保證了系統(tǒng)的安全。資源管理的主要職責(zé)是監(jiān)控資源點的使用情況，均衡教育云平臺節(jié)點的使用，并對節(jié)點的故障進行檢測，從而進行恢復(fù)或屏蔽。開發(fā)測試平臺為已注冊的學(xué)生提供開發(fā)和測試環(huán)境，學(xué)生可以利用已有的服務(wù)器、虛擬機等資源，以及集成的開發(fā)框架和環(huán)境，開發(fā)自己使用的程序并進行測試，運行完了之后釋放和刪除計算資源。

3.應(yīng)用服務(wù)層實現(xiàn)。應(yīng)用服務(wù)層是整個架構(gòu)的最頂層，它為在校師生、管理人員和社會公眾提供教學(xué)管理、共享、應(yīng)用等多樣化的信息服務(wù)，服務(wù)類型分別有：教務(wù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)課堂、信息發(fā)布和基礎(chǔ)服務(wù)。下面詳細介紹四種應(yīng)用。

教務(wù)系統(tǒng)為師生提供統(tǒng)一的登錄認證頁面，學(xué)生可以進行選課、查看成績等，教師可以錄入成績，查看學(xué)生評價等，同時教務(wù)管理員進行課表管理、教室管理和教材管理。網(wǎng)絡(luò)課堂是一種新穎的學(xué)習(xí)方式，利用學(xué)校的教學(xué)資源庫，按照自己的興趣愛好進行自主學(xué)習(xí)，變被動的接受為主動的獲取，提高學(xué)習(xí)效率。信息發(fā)布是教務(wù)處對外發(fā)布信息的渠道，主要包括教務(wù)新聞、考試通知等信息的實時展示?；A(chǔ)服務(wù)為應(yīng)用服務(wù)層提供底層的數(shù)據(jù)服務(wù)，使得各個應(yīng)用之間能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)兼容，消除孤島信息，實現(xiàn)全面通信。

五、運行效果

通過采用教務(wù)云管理平臺，實現(xiàn)了對學(xué)?，F(xiàn)有硬件資源的充分利用，很好地解決了教務(wù)系統(tǒng)所面臨的諸多挑戰(zhàn)和問題，為各種業(yè)務(wù)的順利運行提供了良好的支撐，收到了良好的效果。

1.減少服務(wù)器數(shù)量，減少機房占用空間，維護方便，降低能耗。實施教務(wù)管理云平臺后采用自動遷移工具將分布在不同地點的服務(wù)器統(tǒng)一集中到服務(wù)器池，提高服務(wù)器使用率，使服務(wù)器數(shù)量由原來的14臺下降為4臺（如圖6所示），高故障率高維護成本的陳舊服務(wù)器得以退出，減少了機房占地面積，同時服務(wù)器的電力能耗也降到了之前的30%左右，硬件搬遷到數(shù)據(jù)中心托管，實現(xiàn)了遠程管理，實現(xiàn)了從原來的單獨管理多臺服務(wù)器到現(xiàn)在一個界面統(tǒng)一管理所有服務(wù)器（如圖4所示），降低了維護的工作量。

2.保障了業(yè)務(wù)的穩(wěn)定性。將業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保存到存儲器上，并在虛擬機集群上分別為每個業(yè)務(wù)系統(tǒng)的虛擬機做高可用性備份。如果原虛擬機或其所在服務(wù)器出現(xiàn)問題，備份虛擬機會立即接管業(yè)務(wù)并在另一臺物理服務(wù)器上運行，從而保證業(yè)務(wù)連續(xù)性。具體效果如圖5所示。

3.提升服務(wù)器資源利用率。服務(wù)器資源利用率從平均6%提升到了40%，對現(xiàn)有資源的利用更加有效，并為將來增加新的應(yīng)用系統(tǒng)和教務(wù)數(shù)據(jù)預(yù)留了空間，如圖6所示。

4.在任務(wù)負載的高峰期服務(wù)器響應(yīng)依然較快。在項目實施之前學(xué)生選課的高峰期服務(wù)器響應(yīng)慢，學(xué)生進入系統(tǒng)特別困難，整個選課高峰大約持續(xù)一天，如今采用教務(wù)云管理平臺，服務(wù)器響應(yīng)明顯變快，并發(fā)數(shù)達到5 000人左右，選課高峰縮短到四五個小時，大大縮短選課高峰的持續(xù)時間，如圖7所示。

六、結(jié)論

本文分析了高校信息化中出現(xiàn)的一系列問題，綜述了云計算核心技術(shù)及其在教育信息化中的應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上提出了一種教育云資源管理平臺的具體解決方案。結(jié)合河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)教務(wù)系統(tǒng)平臺的具體情況，設(shè)計并實現(xiàn)了教務(wù)云管理平臺，該平臺投入運行后較好地解決了存在的問題，大大提高了服務(wù)器的利用率，提升了系統(tǒng)的健壯性和可用性，能夠為廣大師生提供更方便快捷的服務(wù)。

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