大數(shù)據(jù)及云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于智慧校園中的實(shí)踐分析

權(quán) 赫

(新疆理工學(xué)院 信息工程學(xué)院,新疆 阿克蘇 843000)

0 引言

智慧校園是一種全新的教育理念,通過利用大數(shù)據(jù),云計(jì)算技術(shù)創(chuàng)設(shè)可以感知學(xué)校物理環(huán)境,形成全面開放的舒適校園。智慧校園成為建設(shè)理想學(xué)校的主要趨勢,智慧校園建設(shè)離不開信息化手段的運(yùn)用,尤其是在數(shù)據(jù)中心、信息平臺的構(gòu)建,各種師生業(yè)務(wù)的開發(fā)都是建設(shè)智慧校園的關(guān)鍵,因此學(xué)校應(yīng)重視“互聯(lián)網(wǎng)+”的校園建設(shè)思路,創(chuàng)新技術(shù)形態(tài)、數(shù)據(jù)形態(tài)及組織形態(tài),構(gòu)建以云計(jì)算技術(shù)為支撐的智慧校園信息數(shù)據(jù)中心,為學(xué)校信息化建設(shè)注入新的理念。

1 智慧校園概念

智慧校園以云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)改變學(xué)校人、物交互方式,將學(xué)校資源管理實(shí)現(xiàn)有機(jī)整合,提高校園數(shù)據(jù)資源整合速度與靈活性。智慧校園主要針對校園內(nèi)部環(huán)境,是實(shí)現(xiàn)數(shù)字校園后另一種更加現(xiàn)代化的校園表現(xiàn)形式,智慧校園表現(xiàn)在:第一,擁有基礎(chǔ)性物理設(shè)施平臺[1]。第二,網(wǎng)絡(luò)連接形式豐富。第三,擁有信息數(shù)據(jù)資源平臺。綜上,智慧校園要求為全校師生提供全新的智能化基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,通過統(tǒng)一的信息綜合平臺實(shí)現(xiàn)個性化服務(wù),同時為校內(nèi)外交流提供便利[2]。智慧校園建設(shè)結(jié)構(gòu)包括業(yè)務(wù)系統(tǒng)、支撐平臺及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)3層。

2 智慧校園方案設(shè)計(jì)

2.1 智慧校園建設(shè)原則

智慧校園建設(shè)要遵循先進(jìn)性、適應(yīng)性與可擴(kuò)展性、安全性與保密性、一站式設(shè)計(jì)等原則。

(1)先進(jìn)性。利用先進(jìn)技術(shù)構(gòu)建智慧校園系統(tǒng)平臺,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化管理模式[3]。

(2)適應(yīng)性與可擴(kuò)展性。構(gòu)建能夠滿足校園海量數(shù)據(jù)資源儲存,適應(yīng)的維護(hù)管理系統(tǒng)。

(3)安全性與保密性。信息系統(tǒng)平臺具有信息保密功能。

(4)一站式設(shè)計(jì)原則。構(gòu)建統(tǒng)一的信息戶口,提供全方位的校園服務(wù)。

2.2 功能管理

智慧校園面向全校師生及管理人員,為避免智慧校園系統(tǒng)管理功能重復(fù),系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以提供統(tǒng)一登錄功能,但針對不同用戶需要設(shè)計(jì)不同的使用模式。信息系統(tǒng)用戶應(yīng)包括高校行政人員、各學(xué)院部門管理人員、教師、學(xué)生。校園信息系統(tǒng)、科研人員及教師與學(xué)生平臺使用功能整理如表1所示。

表1 用戶使用模式

2.3 用戶管理

智慧校園角色管理系統(tǒng)分為兩種角色,包括管理員與普通用戶。系統(tǒng)管理人員管理整個數(shù)據(jù)平臺,應(yīng)用系統(tǒng)管理所有一般用戶,不同用戶角色有相應(yīng)的角色權(quán)限,使應(yīng)用系統(tǒng)與權(quán)限控制更加透明[4]。

3 智慧校園信息數(shù)據(jù)中心

3.1 智慧校園平臺選擇

使用云計(jì)算,大數(shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建智慧化學(xué)校環(huán)境,提供便捷化的信息服務(wù)。但是信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分特殊,信息構(gòu)建不同,設(shè)計(jì)方案不同。因此,本文主要使用云計(jì)算技術(shù)作為信息平臺技術(shù)支撐,為構(gòu)建智慧協(xié)同信息系統(tǒng)提供便利,同時結(jié)合校園現(xiàn)有軟、硬件資源構(gòu)建靈活的EUCALYPTUS-HADOOP信息平臺,實(shí)現(xiàn)一站式服務(wù),支持安全通信,不同用戶的使用權(quán)限可以靈活設(shè)置,提供多種接口服務(wù)[5]。

3.2 基礎(chǔ)設(shè)施層建設(shè)

基礎(chǔ)設(shè)施層建設(shè)包括信息標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫。其中,信息標(biāo)準(zhǔn)利用云計(jì)算實(shí)現(xiàn)教學(xué)、學(xué)習(xí)、管理及決策標(biāo)準(zhǔn),為學(xué)校培養(yǎng)科研人才、提高工作效率提供幫助。信息系統(tǒng)體系設(shè)置包括數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、管理標(biāo)準(zhǔn)及管理評估,規(guī)范平臺數(shù)據(jù)、開發(fā)、部門管理、運(yùn)營管理及信息化建設(shè)[6]。數(shù)據(jù)庫建設(shè)是整個信息系統(tǒng)建立的核心,數(shù)據(jù)庫應(yīng)保障大量數(shù)據(jù)的容納,保障數(shù)據(jù)多元性,且能夠?qū)崟r分析數(shù)據(jù),本文選擇ASP技術(shù)作為智慧校園信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的前端開發(fā)工具,可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時管理數(shù)據(jù)信息,檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)從智慧校園信息系統(tǒng)、教學(xué)系統(tǒng)、行政系統(tǒng)、科研系統(tǒng)、離校系統(tǒng)等項(xiàng)目建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫,詳細(xì)整理如表2所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫

3.3 綜合信息服務(wù)管理

綜合信息服務(wù)管理內(nèi)容應(yīng)該包括數(shù)據(jù)中心平臺、身份認(rèn)證平臺、信息入口平臺。數(shù)據(jù)平臺中心要具備安全性與穩(wěn)定性,操作便利,能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)共享,為學(xué)校教學(xué)科研交流提供平臺。身份認(rèn)證確保智慧校園安全性,確保認(rèn)證規(guī)范。信息入口平臺為用戶提供登錄統(tǒng)一信息的服務(wù)入口[7]。

4 智慧校園大數(shù)據(jù)中心云計(jì)算資源算法

智慧校園信息系統(tǒng)以大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)為基礎(chǔ),校園數(shù)據(jù)中心是整個信息系統(tǒng)的核心部分,為了提高數(shù)據(jù)中心效用性與資源利用率,可以使用虛擬化技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)資源地,發(fā)揮云計(jì)算資源的自動分配、動態(tài)擴(kuò)展、及時獲取資源的優(yōu)勢[8]。

4.1 多目標(biāo)演化算法

以多目標(biāo)演化算法為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)云計(jì)算虛擬分配算法,分為問題描述、編碼與評估函數(shù)演化算子等部分。

4.1.1 問題描述

云計(jì)算虛擬機(jī)分配重點(diǎn)為考慮不同目標(biāo)組合優(yōu)化問題,可以將多個分配問題看作一個整體問題處理,可用資源包括CPU、內(nèi)存及數(shù)據(jù)傳輸,均屬于向量重要內(nèi)容,在虛擬節(jié)點(diǎn)中放入物體,縮小虛擬節(jié)點(diǎn)占比,減少負(fù)載方差,用公式(1)表示多個目標(biāo)虛擬機(jī)分配過程,式中包括虛擬節(jié)點(diǎn)(fPN)、集群負(fù)載方差(fLB)。

(1)

(2)

(3)

(4)

運(yùn)用云計(jì)算資源動態(tài)調(diào)度的具體算法中,合理利用資源監(jiān)控器,達(dá)到有效監(jiān)測資源動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)性能的目的,當(dāng)數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)一旦出現(xiàn)超載的情況,需要及時使用新的虛擬機(jī)(VM)分擔(dān)超出的資源。在校園信息系統(tǒng)網(wǎng)站中一旦出現(xiàn)訪問資源率下降,也需要滿足公式(4)才能將虛擬機(jī)的數(shù)量縮減。

4.1.2 編碼與評估

在目標(biāo)編碼中,系統(tǒng)搜索效率與效果影響著整個系統(tǒng)編碼的主要方式,也能反映出搜索目標(biāo)。系統(tǒng)資源虛擬機(jī)分配時,應(yīng)該將虛擬節(jié)點(diǎn)編碼作為主要目標(biāo),能夠?qū)崿F(xiàn)以盒子為主、物體為主及列的不同編碼,前兩種方式均是針對個體,后者依賴于物體,要實(shí)現(xiàn)列編碼需要解決編碼過程中出現(xiàn)的冗余問題[9]。將多個虛擬機(jī)(VM)直接分配到不同的虛擬節(jié)點(diǎn)上,能夠獲得相應(yīng)的虛擬序列號,可以逐步放入虛擬節(jié)點(diǎn),成功獲取目標(biāo)編碼。在系統(tǒng)已經(jīng)使用的虛擬節(jié)點(diǎn)中選取任意一個虛擬節(jié)點(diǎn),選擇內(nèi)容有CPU、內(nèi)存及數(shù)據(jù)傳輸,進(jìn)行依次匹配,一旦滿足某虛擬節(jié)點(diǎn)要求,可以進(jìn)行重新分配,然后評估函數(shù)。系統(tǒng)均衡負(fù)載,為了實(shí)現(xiàn)高性能、虛擬節(jié)點(diǎn)使用率低,將首次使用的虛擬節(jié)點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)后用以評估系統(tǒng)耗能,如果節(jié)點(diǎn)運(yùn)用少,表明耗能少。再者是使用想用的節(jié)點(diǎn)負(fù)載方差判斷系統(tǒng)的負(fù)載性能,方差小表示負(fù)載性能好,可用公式(5)評估。

(5)

4.1.3 演化算子

演化算子分為兩種,低索引計(jì)算最大長度與將單點(diǎn)交叉步驟改變。前者在進(jìn)行交叉演算時會產(chǎn)生一個子個體,對比來鏈?zhǔn)介L度后可以將占據(jù)優(yōu)勢較長的鏈?zhǔn)竭M(jìn)行傳遞。同時消除其中已經(jīng)傳遞過的虛擬機(jī)編號。后者可以隨機(jī)選擇個列,然后將重復(fù)的刪除,未加入的虛擬機(jī)重新集合,并得到新的子個體。

4.2 云計(jì)算虛擬機(jī)動態(tài)調(diào)度算法

智慧校園數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)應(yīng)用中,各應(yīng)用服務(wù)性能需求不同,資源分配也不同,系統(tǒng)服務(wù)運(yùn)行需求在不斷變化,容易出現(xiàn)難以滿足虛擬資源提供冗余的現(xiàn)象。所以計(jì)算虛擬化資源分配時,應(yīng)注意合理使用的云計(jì)算資源動態(tài)調(diào)度算法,保障虛擬資源能夠符合運(yùn)行實(shí)際需要,能夠合理分配虛擬資源,讓云計(jì)算資源可有效滿足虛擬資源服務(wù)動態(tài)伸縮性要求,能夠及時將使用率較低的資源進(jìn)行動態(tài)遷移,有效利用云計(jì)算資源,節(jié)省更多資源的使用成本,降低服務(wù)器的負(fù)載均衡。

虛擬機(jī)動態(tài)調(diào)度主要思路整理為以下步驟:首先,利用監(jiān)控器及時監(jiān)測運(yùn)行狀態(tài),收集相應(yīng)負(fù)載信息。其次,監(jiān)測智慧校園數(shù)據(jù)信息的運(yùn)行服務(wù)狀態(tài),在算法數(shù)據(jù)庫中重新分配資源,動態(tài)分配資源。最后,將數(shù)據(jù)管理信息中的相應(yīng)資源分配到負(fù)載管理器,啟動服務(wù)實(shí)例,在云平臺監(jiān)控中實(shí)現(xiàn)儲存管理,配置決策及虛擬資源分配[10]。以云計(jì)算核心技術(shù)為基礎(chǔ),進(jìn)行虛擬動態(tài)調(diào)度要重視性能負(fù)載能力評估、動態(tài)開銷評估、記憶數(shù)據(jù)觸發(fā)遷移機(jī)制及匹配相應(yīng)的目標(biāo)選擇機(jī)制。虛擬動態(tài)調(diào)度算法首先要獲取虛擬節(jié)點(diǎn)性能特征動態(tài)值,判斷虛擬節(jié)點(diǎn)綜合臨界值,如果計(jì)算滿足條件可以直接進(jìn)行下一步,并確定動態(tài)遷移虛擬,明確目標(biāo)建立相應(yīng)連接,并啟動遷移程序。通過云計(jì)算虛擬動態(tài)計(jì)算可以減少虛擬機(jī)遷移次數(shù),提高智慧校園信息系統(tǒng)的穩(wěn)定性與數(shù)據(jù)負(fù)載能力。

5 結(jié)語

綜上,傳統(tǒng)校園管理模式已經(jīng)逐漸發(fā)展成為智慧校園,使用大數(shù)據(jù)技術(shù)與云計(jì)算技術(shù)是創(chuàng)建智慧校園的技術(shù)依據(jù),能夠有效整合不同數(shù)據(jù)資源,提高校園管理效率。本文設(shè)計(jì)的智慧校園設(shè)計(jì)方案,包括學(xué)校管理、學(xué)生及教師用戶管理過程,以云計(jì)算為核心技術(shù)進(jìn)行云計(jì)算資源虛擬機(jī)分配,減少了信息系統(tǒng)虛擬服務(wù)器數(shù)量,提高了服務(wù)性能與利用率,實(shí)現(xiàn)了學(xué)校智能化管理。