基于云計(jì)算的高校數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

翟永剛，丁增鑫，王青峰

（軍事交通學(xué)院訓(xùn)練部 信息管理中心，天津300161）

當(dāng)前軍隊(duì)院校信息化建設(shè)的應(yīng)用發(fā)展，對(duì)于進(jìn)一步增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)平臺(tái)服務(wù)保障教學(xué)的能力提出了新的需求。相對(duì)于傳統(tǒng)的IT架構(gòu)，“云計(jì)算”代表著未來(lái)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模式的發(fā)展方向，她的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于高性價(jià)比、易于擴(kuò)展、高可靠性、模塊化、管理方便快捷，能夠更好地滿足軍隊(duì)院校信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求，是未來(lái)軍隊(duì)院校信息網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)模式一個(gè)較好的選擇。但同時(shí)我們應(yīng)該看到，軍隊(duì)院校的云計(jì)算應(yīng)用建設(shè)，必須結(jié)合自身實(shí)際，準(zhǔn)確把握自身需求，能夠解決當(dāng)前院校教育信息化發(fā)展建設(shè)過程中遇到的實(shí)際問題，使得云計(jì)算應(yīng)用真正的“落地”，才能去實(shí)現(xiàn)更好的效益。

一、云計(jì)算數(shù)據(jù)中心建設(shè)的目的

解決現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心在服務(wù)保障教學(xué)過程中遇到的實(shí)際問題，突破傳統(tǒng)計(jì)算中心的瓶頸，是當(dāng)前數(shù)據(jù)中心建設(shè)發(fā)展迫切的需求。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心建設(shè)主要采用分散式架構(gòu)，即各應(yīng)用使用獨(dú)立的服務(wù)器，Web、Mail、OA系統(tǒng)、數(shù)據(jù)備份等各個(gè)應(yīng)用間相互獨(dú)立。隨著信息化建設(shè)規(guī)模的發(fā)展壯大，數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)系統(tǒng)、服務(wù)器、存儲(chǔ)等設(shè)備越來(lái)越多，一些問題也開始顯現(xiàn)，主要集中在四個(gè)方面：硬件資源效率低、總體擁有成本高；空間環(huán)境、能源消耗等運(yùn)維管理成本高；業(yè)務(wù)部署流程環(huán)節(jié)多、上線周期長(zhǎng)，靈活性差；業(yè)務(wù)連續(xù)性保障差、數(shù)據(jù)可靠性弱。

1.硬件資源效率問題低、總體擁有成本高

對(duì)我院數(shù)據(jù)中心主要服務(wù)器的使用效能評(píng)估的結(jié)果顯示，大部分服務(wù)器的效能不高。以CPU使用率為例，選取具有代表性的學(xué)院門戶網(wǎng)站、數(shù)字校園門戶、學(xué)科專業(yè)網(wǎng)站等服務(wù)器進(jìn)行評(píng)估，在工作時(shí)間每5分鐘進(jìn)行一次采樣，數(shù)據(jù)連續(xù)采集5個(gè)工作日，對(duì)數(shù)據(jù)采集結(jié)果進(jìn)行匯總分析，得出CPU資源消耗平均值為3.739%，平均CPU使用率最高位9.916%，最低僅為0.339%。結(jié)果如表1所示。

表1主要服務(wù)器CPU資源消耗統(tǒng)計(jì)表

由統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知，在現(xiàn)有條件下，單個(gè)服務(wù)器的資源利用率較低，通常在10%以下，各應(yīng)用系統(tǒng)煙囪式發(fā)展，未能實(shí)現(xiàn)資源有效利用。

2.空間環(huán)境、能源消耗等運(yùn)維管理成本高

學(xué)院信息管理中心通過機(jī)房動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到，目前中心機(jī)房服務(wù)器、存儲(chǔ)等80余臺(tái)IT設(shè)備用電功率約為20千瓦，峰值接近26千瓦，日平均耗電約為480度。中心機(jī)房目前部署的大多是傳統(tǒng)的2至4英寸的機(jī)架式服務(wù)器，整體散熱量較大，夏季需3臺(tái)30千瓦精密空調(diào)同時(shí)工作才能滿足需要。加上UPS、新風(fēng)系統(tǒng)以及人力資源消耗等，數(shù)據(jù)中心維護(hù)整體開銷比較大。目前中心機(jī)房有各部、系托管設(shè)備35臺(tái)，已經(jīng)占到機(jī)房?jī)?nèi)全部設(shè)備的43%左右，而且托管設(shè)備規(guī)模有不斷擴(kuò)大趨勢(shì)。隨著設(shè)備數(shù)量的不斷增加，對(duì)機(jī)房條件和運(yùn)維人員都提出了更高的要求，節(jié)能、環(huán)保、易管理將是下一階段數(shù)據(jù)中心建設(shè)發(fā)展必須關(guān)注的問題，傳統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)維模式必須做出改變。

3.業(yè)務(wù)部署流程環(huán)節(jié)多、上線周期長(zhǎng)，靈活性差

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心建設(shè)模式，按照“應(yīng)用隔離”的原則每增加一項(xiàng)應(yīng)用就需要增加一臺(tái)設(shè)備，業(yè)務(wù)應(yīng)用上線周期長(zhǎng)，這種做法逐漸不能適應(yīng)院校當(dāng)前快速增長(zhǎng)的信息化應(yīng)用需要。主要原因是，近幾年，隨著教育信息化應(yīng)用的發(fā)展，出現(xiàn)了許多周期短、工作節(jié)奏比較緊湊的應(yīng)用系統(tǒng)保障任務(wù)。例如，“2110工程”項(xiàng)目申報(bào)系統(tǒng)，我院承辦的天津市國(guó)防生政治理論基礎(chǔ)考試相關(guān)在線考試系統(tǒng)的部署保障，總后優(yōu)秀軍事訓(xùn)練數(shù)字媒體資源評(píng)選獎(jiǎng)勵(lì)活動(dòng)等。經(jīng)常是從任務(wù)下達(dá)，到系統(tǒng)部署完成運(yùn)行只有數(shù)周、不到一個(gè)月準(zhǔn)備時(shí)間。在現(xiàn)有模式下，須申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)、按規(guī)定進(jìn)行招標(biāo)采購(gòu)、系統(tǒng)部署安裝調(diào)試，時(shí)間是非常緊張的。并且某些系統(tǒng)，如國(guó)防生政治理論基礎(chǔ)考試系統(tǒng)，對(duì)于服務(wù)器的配置要求比較高，但系統(tǒng)使用時(shí)間只有2天，保障任務(wù)完成后，一年中的大部分時(shí)間都處于閑置狀態(tài)。以現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心環(huán)境，應(yīng)對(duì)起來(lái)比較困難。

4.業(yè)務(wù)應(yīng)用保障連續(xù)性差、數(shù)據(jù)可靠性弱

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心備份方式，存在恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，失敗風(fēng)險(xiǎn)高，不保護(hù)硬設(shè)備、數(shù)據(jù)損失時(shí)間太長(zhǎng)等缺陷。根據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)調(diào)查，信息系統(tǒng)可能遭遇的各類災(zāi)難中，有47%是硬件級(jí)別的故障，例如：主板、RAID控制器、網(wǎng)卡、內(nèi)置/外置存儲(chǔ)等設(shè)施出現(xiàn)問題，還有高達(dá)53%的災(zāi)難成因是“軟”錯(cuò)誤，例如：數(shù)據(jù)誤刪除、黑客/病毒攻擊、系統(tǒng)崩潰、打補(bǔ)丁造成不穩(wěn)定等等。磁帶備份、基于磁盤的備份、Cluster/HA等傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制對(duì)于上述災(zāi)難都只能提供有限的保護(hù)。相對(duì)于OA、MAIL等系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)應(yīng)用的組織安排時(shí)間固定、時(shí)間長(zhǎng)短有限制，課程安排對(duì)于業(yè)務(wù)應(yīng)用的連續(xù)性、一旦發(fā)生故障的數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)間有著一定要求。業(yè)務(wù)應(yīng)用保障連續(xù)性差、數(shù)據(jù)可靠性弱在一定程度上限制著網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的全面發(fā)展，目前還主要應(yīng)用于自學(xué)。為了促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展，需要能夠全面覆蓋所有“軟”錯(cuò)誤和“硬”故障的資源使用、調(diào)度和備份機(jī)制。

解決上述四個(gè)問題是下一步學(xué)院云計(jì)算平臺(tái)建設(shè)的首要任務(wù)，在此基礎(chǔ)上，通過網(wǎng)絡(luò)分發(fā)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了自助服務(wù)和資源的池化，能夠做到資源靈活調(diào)度，更好地保障學(xué)院各項(xiàng)信息化建設(shè)不同的需要。

二、云計(jì)算平臺(tái)建設(shè)方案設(shè)計(jì)

1.云計(jì)算平臺(tái)物理資源建設(shè)

采用高端刀片服務(wù)器作為云計(jì)算平臺(tái)的計(jì)算基礎(chǔ)。刀片服務(wù)器計(jì)算密度更高、機(jī)房要求降低、功耗散熱低、布線簡(jiǎn)單、可靠性較高、管理方便、擴(kuò)展靈活，更加符合于虛擬化、云計(jì)算的管理服務(wù)理念。

考慮部分老舊服務(wù)器更新?lián)Q代的需要，結(jié)合未來(lái)新應(yīng)用的需要，對(duì)云計(jì)算平臺(tái)的計(jì)算資源規(guī)模進(jìn)行預(yù)測(cè)。以一般應(yīng)用CPU主頻2GHz、內(nèi)存4GB標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，特殊應(yīng)用CPU主頻8GHz，內(nèi)存64GB計(jì)算，并預(yù)留20%峰值爆發(fā)計(jì)算能力，預(yù)估今后五年計(jì)算能力需求翻一番。計(jì)劃采用一組10片高性能刀片式服務(wù)器，作為云計(jì)算硬件計(jì)算平臺(tái)的核心，單臺(tái)刀片服務(wù)器配置為：2顆CPU，8核，每核心主頻2.6GHz以上，內(nèi)存256GB。每服務(wù)器配置雙萬(wàn)兆網(wǎng)卡、雙8GHBA卡。刀片機(jī)箱內(nèi)所有部件均要求實(shí)現(xiàn)冗余，所有模塊均可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中管理配置。預(yù)計(jì)建成后可支撐虛擬應(yīng)用100個(gè)以上。

應(yīng)用虛擬化技術(shù)，建設(shè)集中的存儲(chǔ)系統(tǒng)。按照服務(wù)對(duì)象劃分，存儲(chǔ)資源劃分為兩部分：一部分主要是服務(wù)于業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的高速存儲(chǔ)，這部分存儲(chǔ)應(yīng)能夠滿足部署操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)等較高的性能要求，為所有刀片服務(wù)器共享，是實(shí)現(xiàn)冗余熱備、負(fù)載均衡，虛擬機(jī)遷移的基礎(chǔ)。以每刀片2TB計(jì)算，預(yù)估高速存儲(chǔ)需求容量為20TB。另外一部分在虛擬化基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)空間擴(kuò)展，主要功能是提供面向業(yè)務(wù)應(yīng)用和普通用戶的資源存儲(chǔ)服務(wù)。以每用戶10GB實(shí)際可用網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)空間，未來(lái)滿足5000用戶需求計(jì)算，預(yù)計(jì)需要存儲(chǔ)空間50TB。預(yù)留30%冗余擴(kuò)展，預(yù)計(jì)需建設(shè)集中存儲(chǔ)容量約為100TB。為了與虛擬化軟件配合，達(dá)到最佳應(yīng)用效果，配置接口類型為8GFC接口的光纖存儲(chǔ)陣列產(chǎn)品，組成標(biāo)準(zhǔn)的SAN集中存儲(chǔ)架構(gòu)。通過共享的SAN存儲(chǔ)架構(gòu)，可以最大化的實(shí)現(xiàn)云計(jì)算解決方案的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)在線遷移正在運(yùn)行的虛擬機(jī)、動(dòng)態(tài)的資源管理、基于快照技術(shù)的備份等，為云計(jì)算平臺(tái)提供優(yōu)良的存儲(chǔ)資源保障。

2.虛擬化及云服務(wù)軟件資源建設(shè)

在基礎(chǔ)架構(gòu)部分，采用VMware VSphere 5實(shí)現(xiàn)虛擬化，并通過虛擬化對(duì)現(xiàn)有部分物理服務(wù)器實(shí)施整合。主要是通過vMotion功能實(shí)現(xiàn)在線地遷移正在運(yùn)行的虛擬機(jī)、應(yīng)用到不同的物理服務(wù)器；對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用資源構(gòu)建資源池分配，確保平臺(tái)運(yùn)行各應(yīng)用尤其是核心應(yīng)用的計(jì)算資源和IO資源得到有效的保障；通過DRS功能實(shí)現(xiàn)資源池的動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡、在線自動(dòng)管理，以及數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)架構(gòu)的彈性擴(kuò)展；DRSHA功能實(shí)現(xiàn)高可用環(huán)境；vStorage實(shí)現(xiàn)集中式虛擬機(jī)整合備份。

通過vCenter Server實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)集群環(huán)境的集中統(tǒng)一管理和監(jiān)控。

通過云計(jì)算管理平臺(tái)VMware vCloud Director，將基礎(chǔ)架構(gòu)作為服務(wù)提供給學(xué)院用戶。云計(jì)算管理平臺(tái)門戶，提供統(tǒng)一界面對(duì)虛擬機(jī)進(jìn)行分配、管理，實(shí)現(xiàn)互動(dòng)式管理功能，供部門或分支機(jī)構(gòu)自行登錄創(chuàng)建、管理、配置、使用虛擬服務(wù)器及應(yīng)用，監(jiān)視虛擬數(shù)據(jù)中心資源使用狀況。信息應(yīng)用程序和網(wǎng)站建設(shè)單位管理人員，可以利用自助門戶來(lái)訪問自己的虛擬數(shù)據(jù)中心，自由組織自己需要的虛擬機(jī)和應(yīng)用資源。授權(quán)部門可通過基于策略的資源調(diào)配和部署實(shí)現(xiàn)輕松訪問。每一個(gè)用戶單位都有各自獨(dú)立的虛擬資源、獨(dú)立的LDAP身份驗(yàn)證機(jī)制、特定的策略控制機(jī)制以及獨(dú)有的目錄。

信息管理中心通過云計(jì)算管理平臺(tái)，可向云計(jì)算平臺(tái)中虛擬機(jī)在非停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行熱添加，包括虛擬機(jī)的虛擬CPU、虛擬內(nèi)存、虛擬網(wǎng)卡、虛擬存儲(chǔ)容量等，使虛擬服務(wù)器在線動(dòng)態(tài)擴(kuò)展而不會(huì)造成用戶業(yè)務(wù)中斷。并可通過云計(jì)算管理平臺(tái)管理多個(gè)虛擬化數(shù)據(jù)中心，并可按性能、可靠性劃分為高、中、低不同級(jí)別資源池進(jìn)行管理，以適應(yīng)不同級(jí)別應(yīng)用服務(wù)器要求。

三、實(shí)際應(yīng)用效果

通過實(shí)踐檢驗(yàn)，云計(jì)算平臺(tái)，是當(dāng)前學(xué)院網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心建設(shè)與教學(xué)服務(wù)保障過程中遇到的若干問題一個(gè)切實(shí)有效的解決方案。結(jié)合老舊服務(wù)器的升級(jí)換代工作，在云計(jì)算平臺(tái)的建設(shè)過程中，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)的整合與優(yōu)化。在性能提升的同時(shí)，提高設(shè)備的利用率，將多個(gè)應(yīng)用的資源負(fù)載合并到一臺(tái)服務(wù)器之上，減少設(shè)備數(shù)量規(guī)模的同時(shí)，大幅減少能源消耗，降低管理運(yùn)維成本，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了云服務(wù)器的風(fēng)險(xiǎn)管理，增強(qiáng)了可靠性，可用性。

1.極大地改善數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用管理

我們對(duì)部分信息應(yīng)用系統(tǒng)資源實(shí)施了數(shù)據(jù)遷移，調(diào)整部署到云計(jì)算平臺(tái)，包括新版網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的各應(yīng)用系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行。云計(jì)算平臺(tái)內(nèi)，單臺(tái)服務(wù)器的平均CPU使用比率提升到了23%左右，并且隨著平臺(tái)的應(yīng)用的增加，應(yīng)用范圍的推廣，這個(gè)比率還將進(jìn)一步增加，遠(yuǎn)高于舊模式下3.7%的CPU平均使用率。硬件資源的效率得到了顯著的提高。

采用虛擬化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算平臺(tái)資源標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一架構(gòu)。通過建立資源池，對(duì)計(jì)算資源進(jìn)行按需動(dòng)態(tài)調(diào)配，以統(tǒng)一的管理手段，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用部署、權(quán)限管理、升級(jí)維護(hù)、性能分析、診斷預(yù)警、數(shù)據(jù)備份/恢復(fù)、數(shù)據(jù)同步與容災(zāi)。使得整個(gè)數(shù)據(jù)中心運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)專業(yè)，流程規(guī)范。實(shí)現(xiàn)了發(fā)生硬件故障時(shí)自動(dòng)的數(shù)據(jù)遷移，以較小的代價(jià)保障網(wǎng)絡(luò)教學(xué)應(yīng)用持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，不受單一硬件故障影響。

對(duì)于試運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析，支撐同等規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，采用現(xiàn)有云計(jì)算平臺(tái)服務(wù)保障方式，比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心運(yùn)行模式維護(hù)成本降低50%以上、能耗降低40%以上、節(jié)省空間60%以上。

2.促進(jìn)教育信息化水平提升，滿足個(gè)性化的信息應(yīng)用需求

通過信息管理中心云平臺(tái)的建立，為教員、學(xué)員提供更好的信息化教學(xué)環(huán)境，增強(qiáng)服務(wù)教學(xué)、保障教學(xué)、輔助教學(xué)的能力，滿足信息化教學(xué)日益增長(zhǎng)的需要。

一是通過有針對(duì)性的設(shè)置，靈活的提供通過多種信息環(huán)境，更好的保障教學(xué)資源建設(shè)個(gè)性化的需要。實(shí)現(xiàn)用戶在線自助按需申請(qǐng)?zhí)摂M服務(wù)器及存儲(chǔ)空間，突破了在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)下，由于資源、技術(shù)條件有限，只能是提供一個(gè)統(tǒng)一技術(shù)框架的平臺(tái)，對(duì)于用戶個(gè)性化的發(fā)展的限制。

二是有力于合理調(diào)配資源，提高硬件基礎(chǔ)資源使用效率，突出精品信息資源建設(shè)，保障重點(diǎn)教學(xué)應(yīng)用。云計(jì)算通過網(wǎng)絡(luò)分發(fā)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了自助服務(wù)和資源的池化，以及服務(wù)器CPU、內(nèi)存資源耗費(fèi)狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且能夠做到動(dòng)態(tài)的資源調(diào)配。通過合理調(diào)配資源，可以提高硬件基礎(chǔ)資源使用效率，突出精品，保障重點(diǎn)，突破了傳統(tǒng)IT網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)軟硬件資源配置固定的限制。

三是易于擴(kuò)展，縮短新應(yīng)用系統(tǒng)部署投入使用時(shí)間，靈活應(yīng)對(duì)各類突發(fā)保障任務(wù)，更加適應(yīng)軍隊(duì)院校教育信息化建設(shè)快速發(fā)展，各類教學(xué)保障快節(jié)奏的需要。利用云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)，高效地保障了“天津市國(guó)防生政治理論基礎(chǔ)考試”、“網(wǎng)絡(luò)教學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試”等活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)計(jì)算資源應(yīng)急調(diào)度、系統(tǒng)快速部署以及資源的回收再利用，取得了令人滿意的實(shí)踐應(yīng)用效果。

四、總結(jié)

基礎(chǔ)設(shè)施云計(jì)算平臺(tái)，較好地解決了當(dāng)前我院數(shù)據(jù)中心遇到的主要問題，極大地改善數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用管理，是未來(lái)IT資源服務(wù)模式及應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，隨著云計(jì)算技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用普及，必將極大地促進(jìn)教育信息化水平的提升和發(fā)展。

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