基于云計(jì)算智慧校園服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

吳加春

隨著高校教育信息化建設(shè)的不斷深入，智慧校園中的各種軟硬件資源越來越多，面對(duì)智慧校園日趨復(fù)雜的應(yīng)用需求，如何對(duì)資源進(jìn)行整合，提供優(yōu)質(zhì)的校園服務(wù)已經(jīng)成為智慧校園亟需解決的問題。本文設(shè)計(jì)了基于云計(jì)算的智慧校園支撐服務(wù)平臺(tái)，將信息化以云服務(wù)的方式融入學(xué)校的日常教學(xué)、科研活動(dòng)等多個(gè)領(lǐng)域，為打造共享、高效的智慧校園，實(shí)現(xiàn)智慧特征提供支撐。

在計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展形勢(shì)下，高校也開始加大信息化建設(shè)力度，不過傳統(tǒng)的信息化系統(tǒng)有一些局限性，如軟硬件資源利用率不高、規(guī)劃不合理和重復(fù)建設(shè)等。云計(jì)算技術(shù)對(duì)解決這些問題提供了支持，可有效組合不同地理區(qū)域的計(jì)算資源。在云端統(tǒng)一部署各種軟件，可方便進(jìn)行維護(hù)，有利于提升資源利用率。在共享基礎(chǔ)上形成有強(qiáng)大算力的計(jì)算資源池，同時(shí)滿足一定數(shù)據(jù)挖掘、建模預(yù)測(cè)相關(guān)的要求。在應(yīng)用過程中還可以更深入地挖掘用戶信息，滿足用戶的個(gè)性化應(yīng)用要求。本文對(duì)智慧校園、云計(jì)算的概念和特征進(jìn)行論述，分析了目前智慧校園建設(shè)領(lǐng)域的弊端，以及云計(jì)算在智慧校園建設(shè)中的應(yīng)用情況，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景開發(fā)了一套基于云計(jì)算的智慧校園系統(tǒng)。

云計(jì)算的概念

1.定義

云計(jì)算是一種新興的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，從廣義上講，云計(jì)算是互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)服務(wù)的增加、使用和交付模式。其有效地結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器和存儲(chǔ)等各方面的資源，而形成一種用戶可按需訪問的資源共享池。云計(jì)算可以為用戶提供動(dòng)態(tài)虛擬化資源，這種模式下可以對(duì)算力進(jìn)行交易和流通。

2.云計(jì)算結(jié)合智慧校園

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)可知，在智慧校園發(fā)展過程中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有重要的支持作用?？梢曰谖锫?lián)網(wǎng)設(shè)備將校園的各種基礎(chǔ)設(shè)施連接起來，形成一個(gè)智能環(huán)境平臺(tái)。智慧校園在建設(shè)過程中應(yīng)該設(shè)置一個(gè)基礎(chǔ)性服務(wù)支撐平臺(tái)，提供相關(guān)存儲(chǔ)、計(jì)算方面的服務(wù)，為其他應(yīng)用功能提供支持，此外也應(yīng)該滿足一定前瞻性要求，在需求改變情況下可進(jìn)行擴(kuò)展。云計(jì)算在教育領(lǐng)域最早被應(yīng)用，可分為云技術(shù)和云服務(wù)兩方面，在智慧校園建設(shè)中引入這2種技術(shù)，可以更好地滿足智慧特征相關(guān)應(yīng)用要求。

整體設(shè)計(jì)

1.架構(gòu)設(shè)計(jì)

在此設(shè)計(jì)過程中根據(jù)其服務(wù)要求，進(jìn)行對(duì)比分析而選擇了云架構(gòu)模式，對(duì)應(yīng)云架構(gòu)體系相關(guān)情況如圖1所示。

在建設(shè)過程中對(duì)這種平臺(tái)的體系架構(gòu)進(jìn)行劃分，分為基礎(chǔ)設(shè)施層、支撐層和應(yīng)用層等幾個(gè)層次，然后分層建設(shè)。

2.拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

支撐服務(wù)對(duì)底層硬件性能有一定要求，相關(guān)情況具體如下：DSCP在應(yīng)用過程中可提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算服務(wù)。此外為適應(yīng)大數(shù)據(jù)場(chǎng)景相關(guān)的應(yīng)用要求，需要建立起一個(gè)集群系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)庫(kù)來對(duì)用戶數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址進(jìn)行保存，并實(shí)現(xiàn)一定注冊(cè)登記功能。此外還應(yīng)該設(shè)置相關(guān)身份認(rèn)證服務(wù)器對(duì)用戶身份進(jìn)行識(shí)別和管理。選擇云架構(gòu)的情況下，通過云計(jì)算關(guān)聯(lián)各種底層硬件資源，進(jìn)行一定虛擬化后，滿足用戶的共享和在線訪問要求。服務(wù)平臺(tái)在運(yùn)行過程中一般選擇私有云的方式，滿足校外用戶的訪問要求。

3.服務(wù)使用流程

在實(shí)際的應(yīng)用中，服務(wù)平臺(tái)提供的PaaS支撐服務(wù)在外部用戶訪問時(shí)，是基于Web服務(wù)的，其流程如圖2所示。

DSCP存儲(chǔ)與計(jì)算平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.存儲(chǔ)服務(wù)設(shè)計(jì)

此設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行對(duì)比分析而選擇了HDFS當(dāng)做相應(yīng)的底層文件系統(tǒng)，此種文件系統(tǒng)部署在Linux系統(tǒng)中，用戶遠(yuǎn)程讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，需要獲得一定權(quán)限，這樣可以提高系統(tǒng)的運(yùn)行安全性，同時(shí)避免一些錯(cuò)誤操作引發(fā)的影響。為有效解決登錄問題而設(shè)置一個(gè)代理對(duì)象DFSProxy，通過其實(shí)現(xiàn)全部的訪問操作，這種代理對(duì)象可以看作為Hadoop的用戶，對(duì)提高訪問安全和效率有重要的意義，在存儲(chǔ)服務(wù)設(shè)計(jì)過程中，很有必要引入這種技術(shù)。

2.數(shù)據(jù)計(jì)算服務(wù)設(shè)計(jì)

由于在部署DSCP過程中選擇的平臺(tái)為Hadoop，因而在進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算服務(wù)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇的框架也為MapReduce框架。在訪問過程中用戶提交的訪問文件應(yīng)該符合此種框架相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在用戶提交作業(yè)時(shí)，需要校對(duì)相應(yīng)的作業(yè)類型與處理參數(shù)；在數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)束后，應(yīng)該根據(jù)要求和規(guī)范對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行保存。

3.數(shù)據(jù)共享設(shè)計(jì)

HDFS中全部的資源都以文件形式進(jìn)行保存，全部的文件組合起來形成一個(gè)目錄樹。統(tǒng)一資源定位符作為相應(yīng)目錄樹中的非葉子節(jié)點(diǎn)，在訪問過程中用戶只可以對(duì)其下層的資源進(jìn)行訪問。為避免這種局限性問題，在進(jìn)行數(shù)據(jù)共享設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)訪問要求設(shè)置一個(gè)共享區(qū)。在文件設(shè)置在共享區(qū)的情況下，全部的用戶都可以對(duì)共享區(qū)內(nèi)的文件進(jìn)行訪問，有效提高了系統(tǒng)資源利用率。

4.用戶管理設(shè)計(jì)

在DSCP中相關(guān)的用戶可以根據(jù)角色情況劃分為管理員和普通用戶，前者可以看作為代理用戶，后者則可進(jìn)一步進(jìn)行劃分為負(fù)責(zé)人和其子用戶。DSCP中用戶在合法身份情況下，都會(huì)有一個(gè)文件空間地址，且是唯一性的，此地址也對(duì)應(yīng)統(tǒng)一資源定位符。用戶在登錄后就可以看到此地址下的所有文件。在運(yùn)行過程中DCSP單純用于存儲(chǔ)與計(jì)算相關(guān)操作，只保存用戶在DSCP上的信息就可以滿足應(yīng)用要求，從而顯著降低了存儲(chǔ)和管理難度。DSCP中的用戶可以劃分為一定層級(jí)，即管理員和管理負(fù)責(zé)人用戶，后者管理其子用戶，在實(shí)際的管理過程中，一般情況下負(fù)責(zé)人用戶具有全部子用戶的管理權(quán)。在進(jìn)行相關(guān)用戶管理時(shí)，子用戶被負(fù)責(zé)人用戶添加后，也可以應(yīng)用其存儲(chǔ)空間，但需要進(jìn)行激活才可以使用。用戶可在一定權(quán)限內(nèi)管理自己的存儲(chǔ)空間，且對(duì)相應(yīng)的文件進(jìn)行載入和傳輸操作。

UAP統(tǒng)一身份認(rèn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)

這種平臺(tái)主要是滿足新舊應(yīng)用系統(tǒng)訪問相關(guān)要求。用戶在訪問過程中，通過門戶網(wǎng)站認(rèn)證鑒權(quán)情況下，可以通過點(diǎn)擊鏈接進(jìn)入到系統(tǒng)首頁(yè)，UAP可以為用戶的身份認(rèn)證和登錄提供支持。

整個(gè)單點(diǎn)登錄相關(guān)的實(shí)體包括三方面，分別為用戶瀏覽器、系統(tǒng)服務(wù)器和認(rèn)證服務(wù)器，UAP在運(yùn)行過程中主要的作用在于認(rèn)證用戶身份、單點(diǎn)登錄等。因而其組成單元主要包括客戶端代理、用戶認(rèn)證和單點(diǎn)登錄等，且設(shè)置將用戶認(rèn)證、ST票據(jù)驗(yàn)證方法作為網(wǎng)頁(yè)服務(wù)，可滿足外界應(yīng)用要求。

WSAP服務(wù)統(tǒng)一訪問平臺(tái)設(shè)計(jì)

這種平臺(tái)相關(guān)的用戶可劃分為：服務(wù)提供者和請(qǐng)求者。前者在應(yīng)用過程中可進(jìn)行服務(wù)注冊(cè)、更新申請(qǐng)等操作，后者則在提交查詢申請(qǐng)時(shí)，審查用戶的決策權(quán)限，接著基于審查結(jié)果而轉(zhuǎn)入到相應(yīng)的模塊中，同時(shí)可以根據(jù)應(yīng)用要求來增刪修改目錄服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)，由此滿足一定數(shù)據(jù)操作要求。圖3為WSAP的總體結(jié)構(gòu)組成情況。

在以上的結(jié)構(gòu)劃分基礎(chǔ)上，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可總體上劃分為服務(wù)目錄管理、注冊(cè)和服務(wù)發(fā)現(xiàn)等幾部分，以下對(duì)各部分設(shè)計(jì)情況進(jìn)行具體說明。

1.服務(wù)注冊(cè)與更新服務(wù)設(shè)計(jì)

Web服務(wù)的形式可以劃分為SOAP、REST網(wǎng)頁(yè)服務(wù)2種類型，二者的面向業(yè)務(wù)存在一定差異性，且應(yīng)用場(chǎng)景也明顯不同。此外應(yīng)用到的服務(wù)描述語(yǔ)言也存在差異性，分別應(yīng)用WSDL、WADL相關(guān)語(yǔ)言從而方便描述，相關(guān)的注冊(cè)應(yīng)該兼容這2種Web服務(wù)形式。此外為滿足擴(kuò)展應(yīng)用要求，還需要設(shè)置擴(kuò)展注冊(cè)接口，為外部功能實(shí)現(xiàn)提供支持。

2.服務(wù)查找與發(fā)現(xiàn)服務(wù)設(shè)計(jì)

服務(wù)發(fā)現(xiàn)單元在應(yīng)用過程中可以提供接口支持Web服務(wù)查找功能。相應(yīng)的Web服務(wù)模式有很多種，因而應(yīng)該選擇合適的模式滿足WSAP應(yīng)用要求。在分析服務(wù)目錄特征的基礎(chǔ)上，確定適當(dāng)?shù)姆?wù)查找接口，對(duì)查詢匹配方法進(jìn)行設(shè)置。

3.服務(wù)目錄管理模塊設(shè)計(jì)

這種系統(tǒng)平臺(tái)的應(yīng)用情況可追，其目錄數(shù)據(jù)庫(kù)中的表應(yīng)該包含以下幾方面表：用戶服務(wù)類型推送表、用戶信息表和服務(wù)信息表等，還要有WSAP全部服務(wù)器中存儲(chǔ)的信息主要為唯一標(biāo)識(shí)符和一些定制信息。在設(shè)計(jì)服務(wù)信息表過程中，需要設(shè)置的內(nèi)容主要包括URL地址、服務(wù)所有者、服務(wù)狀態(tài)和一些字段相關(guān)的信息。

表1～表2分別為用戶、服務(wù)信息表相關(guān)內(nèi)容和字段情況。

用戶類別推送表主要是為了滿足用戶服務(wù)訂閱進(jìn)行設(shè)計(jì)的，在應(yīng)用過程中可以據(jù)此定制個(gè)性化信息，然后向特定用戶推送。表3～表4分別為內(nèi)容和字段情況。

近年來在教育領(lǐng)域智慧校園技術(shù)開始廣泛應(yīng)用，本文對(duì)此進(jìn)行了研究而設(shè)計(jì)了相應(yīng)的服務(wù)平臺(tái)。對(duì)云計(jì)算和智慧校園相關(guān)定義和應(yīng)用情況進(jìn)行論述和需求分析，且考慮到智慧校園支撐服務(wù)平臺(tái)的實(shí)際需求情況，對(duì)其體系與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出平臺(tái)應(yīng)該提供PaaS服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算、統(tǒng)一身份認(rèn)證UAP和統(tǒng)一訪問WSAP等。在實(shí)際運(yùn)行過程中UAP可滿足用戶認(rèn)證和單點(diǎn)登錄相關(guān)要求，WSAP可為用戶的注冊(cè)于查詢提供支持。