異構集群在智慧化校園中的應用研究

湯湘林 陳方兵

摘 要：異構集群具有強大的兼容性以及高可靠性，在為高校信息化系統(tǒng)設計定制化的異構集群系統(tǒng)架構的基礎上進行高校信息化系統(tǒng)的集約化管理，可以有效地提高高校信息化管理效率和節(jié)約管理成本。

關鍵詞：智慧化校園 ? ?高校信息化 ? ?異構集群

異構集群作為一種新的資源配置和管理模式，在大數(shù)據(jù)的發(fā)展帶動下應運而生。異構集群可以有效地將各種結構不匹配的資源充分利用起來，解決了資源閑置問題。在此基礎上，通過合理的算法調(diào)度，可以解決資源負載不均衡問題，提高了服務器的效率，也減少了服務器宕機風險。因此，異構集群的誕生為各單位節(jié)省了大量的資源并且極大提高了系統(tǒng)管理效率。本文從高校智慧化校園建設著手，探討異構集群在高校信息化建設中的應用。

一、高校信息化管理的現(xiàn)狀

我國高校的信息化建設在近年來取得了突破性進展。主管部門和高校自身都非常重視信息化建設，人財物的投入比例都相當大。目前，各個高校基礎性業(yè)務系統(tǒng)建設基本完成，能夠保證教學、科研、事務管理等的順利進行。但在信息化建設和管理中也存在諸多問題，使得當前高校信息化系統(tǒng)架構體系跟不上發(fā)展的需要，嚴重影響智慧校園建設。

（一）資源閑置嚴重，造成資源浪費

隨著高校信息化系統(tǒng)建設的升級，設備的更新?lián)Q代步伐加快，導致不同批次設備之間不能兼容使用，產(chǎn)生了大量的閑置設備。由于設備之間存在異構性，但是沒有針對異構設備專門設計的系統(tǒng)化解決方案，因此不但沒有發(fā)揮異構設備的優(yōu)勢，反而大大增加了系統(tǒng)開銷。

（二）數(shù)據(jù)存儲不規(guī)范，難以有效利用

對數(shù)據(jù)的高效利用是建設智慧化校園的基礎。由于高校信息化系統(tǒng)在建設過程中并沒有考慮到數(shù)據(jù)協(xié)同利用的問題，導致存儲于異構集群服務器中的數(shù)據(jù)很難被高效利用。當前高校信息化建設并沒有專門應對異構集群的解決方案，導致智慧化校園建設遇到瓶頸。

（三）資源負載分配不均衡，限制了實時場景應用

在當前高校信息化系統(tǒng)架構中，異構服務器的負載均衡問題并沒有被重點考慮，這就限制了整個校園網(wǎng)絡處理高并發(fā)問題的能力，同時也不能很好地解決實時性問題。因此在智慧化校園建設中很多實時場景無法應用。

二、異構集群及資源異構集群的概念

（一）異構集群概念

異構集群指的是由高速互聯(lián)網(wǎng)絡連接起來的多臺不同類型的計算機組成的高性能計算系統(tǒng)。計算節(jié)點是開放式的，用戶不僅可以隨意地增加或者刪除節(jié)點，還可以自由地向任何一個計算節(jié)點提交不同需求的任務，整個集群的計算節(jié)點為所有用戶所共享。異構集群的異構性能表現(xiàn)為類型異構性和資源異構性。類型異構性指的是計算節(jié)點具有的不同指令集結構（ISA）以及不同操作系統(tǒng)（OS）類型;資源異構性指的是計算節(jié)點的資源（主要為CPU、內(nèi)存和I/O資源）擁有量的不同。

（二）資源異構集群概念

資源異構集群表現(xiàn)為CPU資源異構性（HCPU）和內(nèi)存異構性（HMEM）。HCPU和HMEM的值越高，系統(tǒng)的資源異構性越大。對于同構系統(tǒng)有如下公式：

HCPU=HMEM=0

對于整個集群而言，首先需要知道整個集群的處理器平均性能，可以通過對每個節(jié)點的性能求平均，來得到整個集群的平均性能。知道了整個集群的平均性能以后，就可以比較單個節(jié)點的性能與平均性能的差別，差別越小，表明整個集群的異構性能越低，也就是說整個集群越接近同構集群;反之，就說明整個集群的異構性能越強。

對于內(nèi)存異構性的定義同理，首先需要明確整個集群中內(nèi)存的平均值，然后對單個節(jié)點的內(nèi)存容量與集群平均值進行比較，兩者之間的絕對值越大，表明整個集群的內(nèi)存異構性越大;反之，就說明內(nèi)存異構性較小。

三、異構集群在智慧化校園建設中的應用

（一）異構集群的設計

為了讓異構集群能夠滿足智慧化校園未來多樣化的需求，應該針對智慧化校園的發(fā)展，為高校信息化系統(tǒng)設計相應的異構集群解決方案。從功能看，異構集群的體系設計應該具有一致性、負載均衡等特點;從擴展性看，異構集群體系設計應突出低耦合的特點，以滿足智慧化校園建設日益增長的需求。

1.一致性與負載均衡設計

異構集群在設計上滿足一致性和負載均衡要求，首先，需要各個存儲節(jié)點保持數(shù)據(jù)同步，即數(shù)據(jù)一致性，防止個別節(jié)點故障引起集群癱瘓;其次，需要設計合理有效的任務調(diào)度算法，通過調(diào)度算法保障各個節(jié)點負載均衡;最后，以批處理或者流處理框架作為引擎，對異構集群上不同的任務進行處理。

2.低耦合性設計，提高異構集群可靠性

低耦合性設計要求異構集群之間各個模塊相互獨立，異構集群之間通過統(tǒng)一接口通信，采用去中心化設計，利用分布式集群的優(yōu)勢，將各個節(jié)點作為獨立處理單元，提高異構集群可靠性，減少宕機風險。

（二）異構集群的應用優(yōu)勢

異構集群在高校信息化系統(tǒng)管理中發(fā)揮很大作用。針對目前高校信息化管理中存在的問題，異構集群在未來高校建設智慧化校園的過程中也將發(fā)揮極大的作用。

1.充分利用閑置資源，節(jié)約成本

使用異構集群解決方案，將現(xiàn)有高校信息化系統(tǒng)內(nèi)部的閑置資源進行充分整合，構建統(tǒng)一資源池，可以做到對資源的統(tǒng)一管理和調(diào)度。在此基礎上，可以開發(fā)出高效的調(diào)度算法，即使資源不充分，也能夠在不購買新資源的情況下，通過合理調(diào)度解決資源不足問題。

2.分布式設計，極大提高異構集群安全性

異構集群采取冗余備份和負載均衡設計，不同節(jié)點間的數(shù)據(jù)一致性策略，可以有效地保證其穩(wěn)定性，即使某幾個節(jié)點同時出現(xiàn)宕機故障，也不會影響整個異構集群的正常運行，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或不能恢復的風險，可以極大地提高整個系統(tǒng)的安全性。

參考文獻：

[1]劉洋洋.高校信息化建設現(xiàn)狀分析及促進策略研究[D].成都：西南財經(jīng)大學，2013.

[2]陳旭文，林若波.云存儲在高校信息化管理中的應用研究[J].甘肅聯(lián)合大學學報（自然科學版），2013（27）.

[3]許明睿.異構集群下分布式計算任務聚類調(diào)度算法研究[D].西安：西北大學，2020.

（作者單位：湯湘林，深圳技師學院;

陳方兵，深圳阿塔基科技有限公司）