基于云計算的跨校信息平臺的設(shè)計

邵冬華，王 剛

（1.南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226010；2.江蘇金智教育信息技術(shù)有限公司，南京 211100）

0 引 言

隨著高校信息化建設(shè)的發(fā)展，各高校大部分都已經(jīng)建立了校內(nèi)的數(shù)據(jù)中心，通過與業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成和共享，累計了大量的各類教務(wù)、科研、管理方面的數(shù)據(jù)。同時，主管部門對所屬高校的數(shù)據(jù)采集由于受到各高校內(nèi)部數(shù)據(jù)的異構(gòu)性、數(shù)據(jù)一致性等問題，一直不能實時地進行數(shù)據(jù)收集，大部分依靠手工的數(shù)據(jù)整理工作，耗時耗力。

近年來，云計算技術(shù)迅猛發(fā)展，以資源聚合和虛擬化為基本特征，支持應(yīng)用服務(wù)化、專業(yè)化，具有彈性服務(wù)、資源池化、按需服務(wù)、服務(wù)可計費等特點[1]。近年，包括 Google，Amazon，IBM 與Microsoft在內(nèi)的幾乎所有的IT行業(yè)巨頭都將云計算作為未來發(fā)展的主要戰(zhàn)略之一[2－4]。

各高校所建立的內(nèi)部數(shù)據(jù)中心，對于主管部門而言，是一個很大的 “云”，而多個高校的數(shù)據(jù)的動態(tài)采集和使用，則是這個 “云”上的服務(wù)。本文引入云計算的思路，通過使數(shù)據(jù)對象虛擬化和服務(wù)的構(gòu)建，為建立跨校的信息平臺提供新的思路。

1 云計算概述

云計算 （Cloud Computing）是一種新型的資源和服務(wù)交付方式，在目前還沒有普遍一致的定義，是分布式計算的延伸，通過整合、管理、調(diào)配分布自網(wǎng)絡(luò)各處的計算資源，以按需分配、按用計費、通過互聯(lián)網(wǎng)分發(fā)統(tǒng)一的交互接口的同時向多用戶提供服務(wù)的一種服務(wù)模式[5]。也是一種由規(guī)模經(jīng)濟驅(qū)動的大規(guī)模分布式計算模式，通過這種計算模式，實現(xiàn)抽象的、虛擬的、可動態(tài)擴展、可管理的計算、存儲、平臺和服務(wù)等資源池，由互聯(lián)網(wǎng)按需提供給外部用戶[6]。云計算技術(shù)研究尚處于起步階段，目前主要應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)、商業(yè)和科學(xué)計算等領(lǐng)域[7－8]。

云計算有如下幾個主要特點：

（1）大規(guī)模：只有大規(guī)模的分布式計算才能體現(xiàn)出云計算的高效。才能體現(xiàn)資源整合和服務(wù)提供的優(yōu)勢。

（2）可擴展性：由于云計算使用的是通過互聯(lián)網(wǎng)提供服務(wù)交互方式，服務(wù)可隨著使用人數(shù)的增長動態(tài)的擴展。

（3）動態(tài)配置：服務(wù)是按需定制和供應(yīng)的。

（4）虛擬化：終端用戶從云中獲取應(yīng)用服務(wù)，而不需要關(guān)心服務(wù)的具體實現(xiàn)和具體位置。這就要求服務(wù)的提供者必須是抽象的實體，是虛擬化的，否則無法滿足服務(wù)的動態(tài)、按需等需求。

（5）安全性：云端的用戶信息可分布在地理上相互隔離的數(shù)據(jù)庫主機中，用戶自己也無法判斷信息的備份地點，從而大大提高系統(tǒng)的安全性容災(zāi)能力。

2 跨校信息平臺的體系結(jié)構(gòu)

通常情況下，上級部門會采用新增信息管理系統(tǒng)、各個高校將需要采集的數(shù)據(jù)通過頁面錄入、導(dǎo)入的方式提交數(shù)據(jù)，費時費力，數(shù)據(jù)的及時性也很難得到保障。而目前，大部分的高校校內(nèi)已經(jīng)或者逐步開始建設(shè)校內(nèi)的數(shù)據(jù)中心庫。這兩層數(shù)據(jù)的及時有效的對接已經(jīng)成為研究高校數(shù)據(jù)使用的研究熱點。

云計算的出現(xiàn)及其特點，給跨校信息平臺的研究帶來了新的思路。各個高校之間的數(shù)據(jù)中心是存放在各個學(xué)校的，分布比較廣，數(shù)量也較多。而上級部門采集的信息也會隨著政策、業(yè)務(wù)等發(fā)生多樣性的變化。要求跨校信息平臺的服務(wù)能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)配置、具有較好的可擴展性。

參照云計算的體系結(jié)構(gòu)，跨校信息平臺的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在跨校信息平臺的體系結(jié)構(gòu)中，主要分為四層，分別是資源層、虛擬化層、服務(wù)層和應(yīng)用層。

資源層主要有分布在各高校內(nèi)部的數(shù)據(jù)中心組成，主要包含硬件服務(wù)器、操作系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用軟件等。這些資源隨著高校數(shù)量的增加會越來越龐大。由于資源的歸屬等原因，分布式的協(xié)同計算等在跨校數(shù)據(jù)平臺中應(yīng)用較少，本文不作過多描述。

圖1 跨校信息平臺體系結(jié)構(gòu)

虛擬化層是實現(xiàn)跨校信息平臺的基礎(chǔ)層，只有將各高校的數(shù)據(jù)對象虛擬化后，才能夠構(gòu)建服務(wù)和應(yīng)用。虛擬化層主要是將各高校數(shù)據(jù)中心中的數(shù)據(jù)實體轉(zhuǎn)換成虛擬數(shù)據(jù)對象，即將物理上的表、視圖等轉(zhuǎn)換成邏輯上的數(shù)據(jù)對象，以便屏蔽來自不同高校的多數(shù)據(jù)源、多訪問方式等問題。同時，將各個高校也進行虛擬化描述。

服務(wù)層是在數(shù)據(jù)對象虛擬化之后，對數(shù)據(jù)的進一步服務(wù)封裝。服務(wù)的封裝依據(jù)于業(yè)務(wù)的不同，服務(wù)的分類顆粒度也不同。以跨校學(xué)生基本信息為列，在平臺中需要查詢多個高校的學(xué)生人數(shù)、單個學(xué)校的學(xué)生明細(xì)。這個應(yīng)用中，服務(wù)就分為學(xué)生人數(shù)統(tǒng)計服務(wù)和學(xué)生明細(xì)查詢服務(wù)。而學(xué)生明細(xì)查詢服務(wù)，則可以分為學(xué)生自然信息查詢服務(wù)和學(xué)生在校系想你查詢服務(wù)。

應(yīng)用層主要是在服務(wù)層的基礎(chǔ)上，構(gòu)建針對具體業(yè)務(wù)的應(yīng)用。包含用戶認(rèn)證、服務(wù)的權(quán)限管理、服務(wù)的配置 （由細(xì)顆粒的服務(wù)組建粗顆粒的服務(wù)）、服務(wù)訂閱等。

使用以上的體系結(jié)構(gòu)，解決了在構(gòu)建跨校信息平臺時的幾個基本要求：

（1）擴展性。當(dāng)增加一所新的高校時，不會帶來體系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度的增加。只需要按照其他高校的方法進行數(shù)據(jù)對象虛擬化，并在服務(wù)層中注冊新的虛擬對象。

（2）分布計算性。分布式計算的范圍大小取決于服務(wù)的粗細(xì)度。比如：對學(xué)生信息的統(tǒng)計和查詢。如果服務(wù)中只有基本信息查詢服務(wù)，當(dāng)構(gòu)建應(yīng)用的時候，統(tǒng)計的數(shù)據(jù)就需要由跨校信息平臺統(tǒng)一來完成，無法分布計算。而如果服務(wù)細(xì)分為統(tǒng)計和查詢，則統(tǒng)計工作則分布在各個高校的數(shù)據(jù)中心，服務(wù)則直接從虛擬的學(xué)生數(shù)據(jù)統(tǒng)計對象中獲取統(tǒng)計信息。

（3）數(shù)據(jù)實時性?？缧Ｐ畔⑵脚_本身并不存儲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲在各高校的數(shù)據(jù)中心，并由相應(yīng)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)支撐進行數(shù)據(jù)的維護工作。當(dāng)平臺接受用戶請求的時候，會通過構(gòu)建的服務(wù)到對應(yīng)的數(shù)據(jù)中心中獲取實時數(shù)據(jù)。

（4）穩(wěn)定性。平臺中包含了多個高校的數(shù)據(jù)，當(dāng)一個高校的數(shù)據(jù)物理訪問出現(xiàn)故障時，并不妨礙其他高校的數(shù)據(jù)實時范圍和系統(tǒng)功能使用。

（5）節(jié)省投入。有效利用了現(xiàn)有的高校數(shù)據(jù)中心資源，減少了在構(gòu)建平臺過程中可能會涉及的數(shù)據(jù)中心建設(shè)和維護?？s短了項目見效的時間。

3 數(shù)據(jù)對象虛擬化

數(shù)據(jù)對象虛擬化是構(gòu)建跨校信息平臺的基礎(chǔ)和核心。由于各高校的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源基本上都是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，且大部分使用了Oracle數(shù)據(jù)庫，所以本文使用了目前較為流行的Oracle的ODI（Oracle Data Integrator）組件，作為數(shù)據(jù)對象虛擬化工具。

目前，ODI組件可以支持絕大部分的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)反向操作。比如通過驅(qū)動連接MS SqlServer數(shù)據(jù)庫，通過建立ODBC數(shù)據(jù)源，連接Excel文件等。

數(shù)據(jù)對象虛擬化主要使用ODI組件中的數(shù)據(jù)反向操作，將數(shù)據(jù)庫中的實體對象轉(zhuǎn)換成XML的對象描述。當(dāng)物理上可連接到對方的數(shù)據(jù)庫時，ODI可以將有權(quán)限訪問的數(shù)據(jù)對象反向成邏輯數(shù)據(jù)對象，即轉(zhuǎn)換成XML文件。在此過程中，主要生成連接信息描述，庫信息描述，數(shù)據(jù)對象描述。連接信息描述主要包含連接名稱、ID、連接驅(qū)動類型、連接關(guān)聯(lián)的學(xué)校ID、連接的賬號和密碼等；庫信息描述主要包含庫名稱、ID、使用的連接信息、庫類型等；數(shù)據(jù)對象描述主要包含數(shù)據(jù)對象的描述、包含的列描述、主鍵描述等信息，如圖2所示。

對于高校對象的虛擬化描述，主要包含高校名稱、ID等信息。高校對象的虛擬化描述是作為索引，在多個高校數(shù)據(jù)對象虛擬化描述統(tǒng)一命名規(guī)則的前提下，提供快速的檢索。這樣，既提高了索引的效率，又能在新增高校的時候，使得服務(wù)層只需要遍歷高校對象即可，這樣就不需要改變服務(wù)層的設(shè)計和實現(xiàn)。

圖2 一個虛擬化數(shù)據(jù)對象的XML描述

4 數(shù)據(jù)服務(wù)的構(gòu)建

本文以跨校信息平臺中的學(xué)生信息查詢的應(yīng)用為例，描述數(shù)據(jù)服務(wù)的構(gòu)建過程。

對于學(xué)生信息查詢的應(yīng)用而言，平臺需要提供學(xué)生總數(shù)的查詢、學(xué)生男女生人數(shù)的查詢、學(xué)生專業(yè)信息的查詢，以及對應(yīng)的學(xué)生明細(xì)的查詢等。這樣學(xué)生信息的數(shù)據(jù)服務(wù)就分兩個層次，提供兩個調(diào)用接口。一個是統(tǒng)計 （TJ＿BZKS），一個是明細(xì)（MX＿BZKS）。

對于統(tǒng)計的數(shù)據(jù)服務(wù)，就統(tǒng)計而言，接口中包含＜學(xué)校ID，統(tǒng)計對象ID，字段名＞，其中學(xué)校ID表示具體指的哪個高校，輸入的值是高校編碼，空表示所有注冊的高校；統(tǒng)計對象指的是統(tǒng)計是在哪個類別里面，對于學(xué)生信息查詢而言，輸入的是BZKS；字段名表示以學(xué)生信息中的哪個字段為統(tǒng)計維度進行統(tǒng)計，為空表示統(tǒng)計的是學(xué)生信息的總數(shù)。接口的返回是一個ResultSet的XML描述。包含學(xué)校ID、統(tǒng)計對象、字段名、統(tǒng)計值。

對于明細(xì)的數(shù)據(jù)服務(wù)，接口中包含＜學(xué)校ID，統(tǒng)計對象ID，字段名列表＞，其中學(xué)校ID和統(tǒng)計對象ID同統(tǒng)計接口的定義一致，字段名表示明細(xì)顯示的列，是一個字段名列表。接口返回的ResultSet是依據(jù)接口中指定的字段名列表為列，數(shù)據(jù)明細(xì)為行的XML描述。

在服務(wù)對虛擬化對象的調(diào)用和執(zhí)行過程中，如果學(xué)校ID為空，則依據(jù)學(xué)校ID的虛擬化對象為索引，遍歷各學(xué)校的虛擬化的統(tǒng)計對象。在執(zhí)行過程中分為兩層實現(xiàn)，分別為邏輯層實現(xiàn)和物理層實現(xiàn)。邏輯層時間主要是依據(jù)接口的調(diào)用，形成對各高校虛擬化數(shù)據(jù)對象的操作，物理層則依據(jù)各高校的連接信息、庫信息和對象信息進行物理連接和查詢，并返回結(jié)果。如圖3所示，使用SQL語句對上述過程進行了描述。

圖3 服務(wù)對虛擬化對象的調(diào)研和執(zhí)行

5 數(shù)據(jù)調(diào)用的安全性

自從各高校開始建設(shè)數(shù)據(jù)中心庫以來，數(shù)據(jù)的安全性就受到了高度的重視。本文討論的跨校信息平臺的建設(shè)，需要自上而下的從各個所屬高校的數(shù)據(jù)中心庫直接讀取數(shù)據(jù)，這對各個高校的數(shù)據(jù)安全帶來了影響。

針對安全問題，采用兩層數(shù)據(jù)安全防護，即從網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

在網(wǎng)絡(luò)層，在各高校內(nèi)部，對可訪問數(shù)據(jù)中心庫的IP地址進行限制，只有上級部門的有限的幾個IP地址才可訪問本校的數(shù)據(jù)中心庫。

在應(yīng)用層，在連接數(shù)據(jù)中心庫之前，進行連接的安全驗證。數(shù)據(jù)是通過二次加密后的密文傳遞的。加密是利用MD5算法依靠雙方約定的密鑰和服務(wù)器時間進行第一次加密，接著對密文進行固定位數(shù)的向左移位，即第二次加密。

加密協(xié)議如下：

MD5（密鑰＋時間戳）＋位移數(shù)；

此驗證方法中，密鑰是雙方約定的、可定期變化的；時間戳在經(jīng)過取舍處理后，可允許在10分鐘內(nèi)都有效，即允許此請求在雙方服務(wù)器時間一致情況下10分鐘內(nèi)有效，或者服務(wù)器時間誤差10分鐘內(nèi)，請求有效。位移的數(shù)量是通過傳遞的密文的最后一位標(biāo)記的，可定期變化的；MD5的加密方法采用32位小寫。

在驗證過程中，首先依據(jù)約定好的密鑰和時間戳進行MD5加密；其次對密文進行二次加密，即根據(jù)獲取傳遞過來的位移數(shù)進行密文的位移；最后將二次加密后的密文同傳遞過來的前32位密文進行比對 （區(qū)分大小寫），如果一致則驗證通過，如果不一致則拒絕連接。

6 結(jié) 語

通過在構(gòu)建跨校信息平臺的研究過程中，結(jié)合平臺的實際需求，引入了云計算的思路，著重介紹了在引入云計算后，跨校信息平臺的體系結(jié)構(gòu)，以及對數(shù)據(jù)對象的虛擬化和數(shù)據(jù)服務(wù)的構(gòu)建過程。本文的研究同時也為進一步利用已用的各高校數(shù)據(jù)中心資源提供了一種新的思路。后續(xù)，將逐步完善跨校信息平臺的研究，對平臺實現(xiàn)過程中會涉及得到的統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、跨校虛擬網(wǎng)絡(luò)、非關(guān)系型數(shù)據(jù)等方面進行進一步的研究和實現(xiàn)。

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