基于云計算的校園數(shù)據(jù)中心建設方案研究

［張武平］

1 引言

隨著現(xiàn)代信息技術的飛速發(fā)展，校園信息化建設已成為學?，F(xiàn)代化建設的核心內(nèi)容，是學校教學、科研、管理以及服務等方面的重要技術支撐，并逐步成為學校綜合實力和現(xiàn)代化水平的重要標志之一。目前，學校數(shù)據(jù)中心以各種型號的計算機為主，隨著學校信息化的不斷發(fā)展，信息化建設范圍的不斷擴大，信息數(shù)據(jù)量的不斷增多，成本也在不斷上升，多套獨立業(yè)務系統(tǒng)增加了網(wǎng)絡基礎建設的整體建設和維護成本，各自獨立的軟硬件導致計算、網(wǎng)絡、存儲的利用率低下，各部門信息系統(tǒng)之間無法進行有效的信息交互和資源共享，形成了信息孤島，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)更新不及時、數(shù)據(jù)不兼容等問題。

為了解決這些問題，可利用云計算技術建立數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)系統(tǒng)間的資源共享，統(tǒng)一學校內(nèi)各個應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，提供集中的數(shù)據(jù)交換，減少數(shù)據(jù)冗余，提高數(shù)據(jù)的利用率，更有效的提高學校教學、管理效率。

2 云計算概念和關鍵技術

2.1 云計算的概念

廣義地將云計算解釋為一切能夠通過互聯(lián)網(wǎng)提供的服務，一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計算，在其中共享的資源、軟件和信息以一種按需的方式提供給計算機和設備。

狹義云計算指IT 基礎設施的交付和使用模式，指通過網(wǎng)絡以按需、易擴展的方式獲得所需資源，并且可以隨時獲取，按需使用，隨時擴展。

云計算是以網(wǎng)絡為中心的，用戶可以方便快速的參與，可隨時隨地用任何網(wǎng)絡設備訪問，云計算提供自助化的資源服務，很多用戶共同使用資源池，降低了用戶對于IT 專業(yè)知識的依賴，減少用戶終端的處理負擔。云計算根據(jù)需求動態(tài)劃分或釋放不同的物理和虛擬資源，實現(xiàn)資源的快速彈性提供。

2.2 云計算的主要服務形式

目前云計算的主要服務形式有基礎設施即服務（Infrastructure as a Service,IaaS）、平臺即服務（Platform as a Service,PaaS）和軟件即服務（Software as a Service，SaaS），云計算服務形式詳細內(nèi)容如圖1 所示。

圖1 云計算服務形式

（1）基礎設施即服務（IaaS）

基礎設施即服務是指以服務的形式交付計算機基礎設施?；A設施即服務提供了計算功能和基本存儲作為網(wǎng)絡上的標準服務。網(wǎng)絡中包含了服務器、存儲系統(tǒng)、交換機、路由器以及其他系統(tǒng)并可用于處理工作負載。

（2）平臺即服務（PaaS）

平臺即服務是一個虛擬化的平臺，它包括一個或多個服務器、操作系統(tǒng)和特定應用程序。在某些情況下，可以提供一個包含所有必需的特定于用戶的應用程序的映像。平臺即服務包含一個軟件層并將其作為服務提供，這個服務可用于構建更高級的服務。

（3）軟件即服務（SaaS）

軟件即服務是指以服務的形式通過互聯(lián)網(wǎng)訪問軟件的能力。以服務形式按需提供完整的應用程序。軟件的一個實例在云中運行并為多個終端用戶或客戶組織提供服務。

2.3 云計算的關鍵技術

虛擬化：虛擬化技術是在一臺物理機上運行多個不同的操作系統(tǒng)，多個操作系統(tǒng)共享物理機資源，主要實現(xiàn)了對底層物理資源的抽象，使其成為可以被靈活生成、調(diào)度、管理的基礎資源單位。而要將這些資源進行有效的整合，從而生成一個可以統(tǒng)一管理、靈活分配、動態(tài)遷移的基礎服務設施資源池，并提供自動化基礎設施即服務。提高了服務器的硬件資源利用率，充分利用了硬件所提供的并行性和高性能，是云計算技術的基礎。

動態(tài)資源分配：云計算可以將資源池動態(tài)分配給應用程序，每個應用程序與一個虛擬化應用程序堆棧捆綁，而且應用程序堆棧配有應用程序需要的應用服務器、數(shù)據(jù)庫和服務器操作系統(tǒng)配置。

3 云計算在校園中的應用與研究

3.1 校園云計算數(shù)據(jù)中心需求

目前各學校缺乏統(tǒng)一的信息系統(tǒng)，不同系統(tǒng)之間互相獨立，信息無法共享，在對教學信息的整理、分類、查詢、統(tǒng)計及課堂教學、作業(yè)檢查，考核測評等方面，系統(tǒng)功能不完善或尚未完整建立。在信息化建設的不斷發(fā)展過程中，隨著校園中業(yè)務不斷增加，對服務器數(shù)量需求不斷增加，同時各部門單獨申購服務器，將會導致建設成本高，維護難度大等一系列問題。

因此，急需建立一個將各種信息打通的信息系統(tǒng)，而云計算可利用服務器虛擬化技術、存儲虛擬化技術和網(wǎng)絡虛擬化技術等建設集中統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心，利用高性能云計算服務器組成虛擬化集群，為各部門和各業(yè)務系統(tǒng)提供彈性可擴展、快速可恢復、安全可靠的服務器基礎架構，同時為舊業(yè)務的遷移、新業(yè)務的部署提供快速、安全、自動化的業(yè)務部署模式。通過云計算建設數(shù)據(jù)中心，可以使學校內(nèi)各種資源虛擬的構建起來，實現(xiàn)資源有效的共享，進一步提高教學效率、管理效率。

3.2 基于云計算數(shù)據(jù)中心建設方案

3.2.1 云計算數(shù)據(jù)中心的優(yōu)勢

第一，云計算通過集中管理和集中使用解決數(shù)據(jù)中心的能耗問題。通過云計算使IT 資源集中管理和共享使用，克服了傳統(tǒng)IT的重復、低水平建設，大大降低了IT能源消耗。

第二，云計算通過虛擬化方式降低數(shù)據(jù)中心的應用成本。在信息化時代，低成本的IT 服務需求尤為迫切。云計算通過虛擬化、可擴展的方式滿足這一需求，從而直接減少購買昂貴設備所需要的成本。

第三，云計算通過靈活可擴展的方式實現(xiàn)資源共享，提升運行效率。云計算可以實現(xiàn)各個業(yè)務系統(tǒng)之間的資源相互調(diào)度，實現(xiàn)資源擴展，通過擴展資源使用率提升運行效率。

3.2.2 云計算數(shù)據(jù)中心的建設目標

（1）構建安全有彈性、可靈活擴展、可方便管理、面向應用、低能耗、持續(xù)可用的服務運維環(huán)境，為集中管理各種應用服務提供硬件基礎。

（2）構建安全、高效的數(shù)據(jù)資源集中存儲體系，保證數(shù)據(jù)實時更新和高度一致，并建立完備的存儲策略和重要數(shù)據(jù)的備份容災機制。

（3）構建安全、高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡體系，有良好的監(jiān)測機制，防止單點故障，保證業(yè)務系統(tǒng)不間斷的持續(xù)運行，為各項應用服務提供網(wǎng)絡保證。

3.2.3 云計算數(shù)據(jù)中心的架構

云計算數(shù)據(jù)中心總體架構建設遵循面向業(yè)務需求的思路，基于模塊化的方法，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心IT 基礎架構模塊與業(yè)務模塊松耦合，保證數(shù)據(jù)中心業(yè)務動態(tài)擴展和新業(yè)務快速上線。提供簡單可靠、易于部署和管理、便于擴展和升級的IT 基礎架構，滿足學校數(shù)據(jù)中心建設以及數(shù)據(jù)中心的可視化統(tǒng)一管控的需求。

數(shù)據(jù)中心建設的總體架構如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)中心總體架構

整體架構自下向上為基礎設施層、云計算基礎架構層、業(yè)務應用層、服務對象層，以及數(shù)據(jù)中心的安全保障和數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一管理。

基礎設施層：基于業(yè)務需求的模塊化數(shù)據(jù)中心的設計與實現(xiàn)。

云計算基礎架構層：主要包括基礎資源層與容災備份層。

基礎資源層：也可叫云服務層，包括服務器設備、存儲設備、網(wǎng)絡設備、安全設備、虛擬化軟件，以及通過虛擬化平臺構建的虛擬化資源池，還有物理資源池，可以通過智能資源調(diào)度與管理平臺對虛擬資源池與物理資源池統(tǒng)一管理，并對上層應用系統(tǒng)提供IT 服務，云服務層是校園信息化的基礎架構。云服務層還包括高性能計算解決方案、大數(shù)據(jù)平臺方案等。

（l）計算：為用戶提供高計算密度、高資源利用率、以業(yè)務為導向的易管理的計算系統(tǒng)。根據(jù)實際業(yè)務需求，結合安全和管理需求，除數(shù)據(jù)庫服務器和管理服務器不需虛擬化外，其他服務器將充分采用虛擬化技術。虛擬化軟件對多臺服務器虛擬化后，連接到共享存儲，構建成虛擬化資源池，通過網(wǎng)絡按需為用戶提供計算資源服務。同一個資源池內(nèi)的虛擬機可以共享資源池內(nèi)物理服務器的CPU、內(nèi)存、存儲、網(wǎng)絡等資源，并可在資源池內(nèi)的物理服務器上動態(tài)漂移，實現(xiàn)資源動態(tài)調(diào)配。

（2）存儲:存儲虛擬化技術可以將底層存儲設備進行抽象化統(tǒng)一管理，向服務器層屏蔽存儲設備硬件的特殊性，而只保留其統(tǒng)一的邏輯特性，從而實現(xiàn)存儲系統(tǒng)的集中、統(tǒng)一和便捷管理。虛擬化存儲提供分布式、高安全性和高擴展的存儲能力，滿足高速數(shù)據(jù)處理、海量存儲和海量分析需求，提供靈活的災備空間調(diào)整能力。

（3）虛擬資源池：采用虛擬化技術實現(xiàn)IT 基礎設施的資源池化，為上層業(yè)務提供IT 資源彈性供給，更好地實現(xiàn)IT 資源共享，提高利用率，快速響應業(yè)務需求。

（4）物理資源池：重點是X86 物理資源池，包括數(shù)據(jù)庫物理機部署以及物理機集群等。

（5）智能資源調(diào)度與管理：同時提供物理資源和虛擬資源的統(tǒng)一監(jiān)控管理，進而提供全生命周期資源服務。即對計算、存儲、網(wǎng)絡資源的池化管理構建虛擬數(shù)據(jù)中心。

容災備份層：提供容災和備份的解決方案?？紤]業(yè)務的連續(xù)性，按照容災等級可以提供應用容災和數(shù)據(jù)容災，主要考慮核心業(yè)務如管理平臺與資源平臺的數(shù)據(jù)的安全性與業(yè)務的連續(xù)性。

（1）構建本地備份系統(tǒng)，實現(xiàn)基礎數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)備份與虛擬機系統(tǒng)備份，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)與業(yè)務運行環(huán)境保護。

（2）建設雙活災備系統(tǒng)，首先實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫存儲級數(shù)據(jù)雙活容災，再實現(xiàn)業(yè)務級雙活容災。

業(yè)務應用層：包括學校的核心業(yè)務，如一卡通系統(tǒng)、教務系統(tǒng)、教學系統(tǒng)、科研系統(tǒng)、辦公系統(tǒng)、郵件系統(tǒng)等，以及包括支撐校內(nèi)主要業(yè)務、共享數(shù)據(jù)和交互數(shù)據(jù)等內(nèi)容的核心數(shù)據(jù)管理，是學校各機構整體信息化的基礎數(shù)據(jù)環(huán)境。

服務對象層：涉及到業(yè)務應用層的使用者，可以通過統(tǒng)一門戶平臺獲取到相關的服務。

數(shù)據(jù)中心安全保障：一體化安全保障系統(tǒng)從物理設施安全、網(wǎng)絡安全、主機安全、虛擬化安全、數(shù)據(jù)安全、應用安全、用戶接入安全、安全管理等多層次為系統(tǒng)運行提供全方位安全保障。

數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一運維管理：數(shù)據(jù)中心運維管理采用開放的管理架構和模塊化的設計思路，根據(jù)數(shù)據(jù)中心管理需求配置運維管理模塊。主要管理模塊包括服務管理、統(tǒng)一管理門戶、服務流程管理、綜合監(jiān)控管理以及云計算平臺管理。

4 結束語

基于云計算的校園數(shù)據(jù)中心通過云計算提供各種資源系統(tǒng)和服務，提供一個互聯(lián)互通、信息共享以及服務教學、科研和管理的數(shù)據(jù)中心，以解決其業(yè)務眾多，分布異構，處理復雜，硬件更新頻繁，軟件安裝繁瑣和數(shù)據(jù)安全凸顯等問題，不但可以整合教學信息資源、提高資源的利用率、提升教學水平，而且可以大幅降低學校信息化建設成本，進而加快校園信息化建設步伐。