高校智慧校園建設中的關鍵問題與對策*

楊 威，劉彥宏

（山西師范大學網絡信息中心，山西 臨汾， 041004）

一、引言

“十二五”以來，政府加大了高等教育投入，許多高校開始了新校區建設。在新校區建設的諸多工作中，教育信息化始終是新校區建設中一項重要工作。該工作的重點是適應高等教育發展趨勢，滿足校園網絡化、信息化、數字化、智能化的時代要求，創造有利于培養創新性、應用性、復合型人才的學習與生活環境。

高校教育信息化建設，從功能方面經歷了網絡校園、數字校園等階段，目前正向智慧校園演進。從技術方面經歷了IPv4校園網、IPv4/IPv6雙棧校園網，目前正向純IPv6校園網演進。網絡校園是高校教育信息化建設的初級階段，其工作重點是采用“有線+無線”網絡技術，構建一個連接所有樓宇，支持各種數據終端方便訪問校內資源和Internet的園區網絡。網絡應用重點是高校Web門戶站點、師生郵件系統、各職能部門基于Web的管理信息系統（MIS）、多媒體視聽教學、網絡課程、教學資源庫、圖書文獻資源系統、網絡辦公等。存在的最大問題是各職能部門MIS基本上是信息孤島，缺少統一信息門戶與統一身份認證。

數字校園是在網絡校園基礎上發展壯大的信息化校園。網絡應用側重兩個方面，一方面是整合MIS系統，消除信息孤島。建立統一基礎數據庫、數據交換系統、統一信息門戶、統一身份認證等；另一方面是教育資源優化整合，構建校園一卡通、高校教育資源計劃系統（含智能決策支持系統）、數字圖書館、網絡視聽教學、網絡協同工作等應用系統。

智慧校園是在數字校園基礎上發展演進的智能化校園，是高校教育信息化發展的新模式。智慧校園是以校園網 （有線無線一體化）、物聯網 （The Internet of things）和移動網等網絡融合為基礎，采用云計算（Cloud Computing）、應用層數據交換和應用集成框架等技術[1]，通過深入推進教育信息化建設，全面靈活地實現物與物、物與人、人與人的相互感知和互聯互通，從而實現對高校教學、科研、生活、娛樂、安防、環保、交通、資源、能耗等各個方面的精細化動態管理。例如，浙江大學智慧型校園建設從 “平安校園”、“綠色校園”、“和諧校園”、“生態校園”、“科學校園”等方面展開。[2]南加州高校用物聯網跟蹤和控制校園90多座大樓的取暖、送風、空調，實現了智能化的綠色節能校園。上海交大首創了“智慧泛在課堂”，通過“智慧泛在課堂”，上海交大將圖書館電子教參資源融入學校教務系統，實現了教學課程信息與教參資源的實時互通，以及“教”、“參”、“學”的三位一體[3]。

本文以山西師大新校區智慧校園建設為背景，重點討論智慧校園建設中新一代主干網絡、高性能復合云計算系統、云數據安全及綠色節能等問題的解決方法。

二、智慧校園總體架構

按照上述智慧校園定義，智慧校園總體架構分成“基礎網絡層”、“公共支撐層”、“數據資源層”、“共享服務層”、“應用服務層”和“用戶訪問層”等六層。[4]按照智慧校園六層學說，新校區智慧校園功能結構，如圖1所示。

圖1 智慧校園總體結構

（1）基礎網絡層。主要包括數據通信、語音通信和電視傳輸。數據通信采用超高速局域網（有線、無線）技術，構建智慧校園的網絡平臺。該平臺支持大規模數據（文本、圖形、圖像、語音、流媒體等）傳輸，支持校園一卡通數據傳輸，支持平安校園視頻流傳輸。電視傳輸網由廣電部門建設，支持“數字有線電視”和“校本電視”。語音通信網由電信部分建設，支持“有線電話”和“3G/4G移動通信”等。

（2）公共支撐層。主要包括：①高性能復合（多業務融合）云計算、云數據及云存儲中心；②數據中心智能機房環境；③智能大樓（含教學樓、實驗樓、辦公樓、公寓樓等）；④智能場館（含餐廳、體育館、圖書館、超市等）；⑤協同感知設施等。

（3）數據資源層。主要包括：①基礎數據庫（含教務管理、科技管理、人事管理、財務管理、學生管理、資產設備管理、體育運動管理、后勤服務管理、校園卡管理等）；②辦學資源庫（含教學及輔助用房、辦公行政用房、學生宿舍、學生食堂等數據庫，科研儀器資產數據庫、學校藏書量數據庫、專任教師數據庫，以及校友數據庫等）；③圖書文獻庫 （數字圖書文獻數據庫、學報校刊數據庫等）；④物資環境數據庫（含校園建設規劃、校園衛生、校園綠化、校園景觀等）；⑤人文環境數據庫（含校容校貌、校風班風、校規校紀、師生禮儀和人際關系、社會公德與道德規范等）。

（4）共享服務層。主要包括：

①公共數據交換系統，依據“教育部教育管理信息化標準”，建立應用數據庫中數據變更跟蹤組件，以及基礎數據庫中數據變更同步組件。[5]該系統精細化跟蹤應用數據庫中的數據變更，生成數據變更“表單”并提交到基礎數據庫。基礎數據庫服務器按照數據同步計劃生成數據更新“表單”集，分別智能同步到相關應用數據庫。公共數據交換系統支持所有應用系統在共享公共數據基礎上的整合與集成，確保一站式校園個性化信息服務平臺數據完整性、準確性與一致性。

②統一身份認證。該層支持用戶管理、權限管理、應用服務注冊、身份認證和數字證書等功能，為每一個用戶提供唯一的電子身份。

③公共通訊系統。支持電話、短信、即時消息、校內辦公電話等通訊，是一種安全、統一、便捷的校內通訊平臺，供廣大師生工作學習交流使用。

④校園卡系統。校園卡是校園日常事務，包括用餐、借書、考勤、上機、上網、用水、用電、洗澡、體育場館運動、超市購物、宿舍門禁、車輛通行、智慧協作等處理的電子識別卡。集用戶電子身份與電子錢包于一體。

⑤平安校園監控系統。采用全數字視頻監控技術（紅外智能高速攝像機、高清攝像機等），對校園重點區域進行視頻監控與報警聯動監控；對校園內的學生密集集中區域進行跟蹤監視和監控，一旦發現異常，監控中心能夠及時安排人員進行處理，確保校園安全。

（5）應用服務層。該層由學校各職能部門管理信息系統、圖書文獻管理系統、網絡教學系統、多媒體視聽教學系統、電子監考系統、校園應急響應系統、智能教育決策支持系統、校刊學報管理系統、校園卡管理系統、實驗教學管理系統等。各職能部門管理信息系統主要包括：協同辦公系統、教務管理系統、學生管理系統、人力資源管理系統、財務管理系統、科技管理系統、資產設備管理系統、后勤服務管理系統等。

（6）用戶訪問層。該層是一站式校園信息服務門戶，實現全校范圍內主要應用系統和數據的互通共享，為不同目標人群提供個性化的信息服務。

三、統一交換與業務融合的校園網絡

傳統的校園網采用三層（核心、匯聚、接入）架構，由于存在多設備及多路徑冗余，使網絡存在多環路結構。因此，校園網部署OSPF、VRRP和MSTP等協議，處理多路徑冗余十分重要。校園網大量使用VRRP和MSTP協議，加劇了網絡結構的復雜性，導致網絡運維管理成本不斷攀升。如何使新校區的網絡建構能夠適應智慧校園的發展，是我們亟待解決一個重大問題。

當前，新一代網絡技術具備了云計算的“超大規模、超高性能、靈活架構、高可擴展、綠色節能及智能管理”的基本特征和要求。該技術采用統一交換架構，支持多種業務融合。很多數據通信設備制造廠商，紛紛推出這種新技術的產品。如H3C提出的智能彈性架構技術（IRF）將多臺網絡設備虛擬化成一臺設備，并將這些設備看作單一設備進行管理與使用[6]。因此，新校區主干網絡采用IRF技術架構，如圖2所示。

圖2 基于智能彈性架構的智慧校園網絡

校園網分成核心交換區、匯聚交換區和接入區。核心交換區位于全校集中統一的數據中心，采用雙S12508冗余架構。匯聚交換區按照用戶數量分布，位于教學樓宇1-2區、二校區、學生宿舍和教工宿舍等區域，采用S7506E和S7503E冗余架構。S12508與S7506E、S7503E采用萬兆單模光纜冗余連接，通過IRF技術分別將這些設備虛擬化成單一設備，消除了VRRP和MSTP協議帶來的網絡結構復雜性。整體網絡支持IPv4/IPv6，核心區設備與匯聚區設備采用OSPF協議互聯。

按照智慧校園統一架構、業務融合的思想，以及MPLS VPN技術，將核心路由交換機部署為P（Provider，P不感知VPN），將匯聚路由交換機部署為PE（Provider Edge，PE實現VPN功能），將連接各種數字終端（含服務器）的交換機（連接服務器的設備支持路由功能）部署為 CE（Customer Edge，CE 不感知 VPN）[7]。 通過 MPLS 協議建立了端到端的第三層VPN隧道，實現了各種業務（信息管理、智能決策、圖書文獻、網絡學習、多媒體視聽教學、電子監考、平安校園、校園一卡通、公共視訊、協作感知與應急響應等）縱向邏輯隔離。這種統一架構與業務融合的網絡，保障了各種業務的通信安全，降低了網絡構建的復雜度，提高網絡承載新業務的靈活性[8]，極大的節省了網絡構造成本和運維成本。

四、多業務融合與安全的復合云數據中心

多年來，高校網絡信息中心機房、圖書文獻中心機房、高性能計算機房、校園一卡通機房、多媒體視聽教學機房、電子監考機房、校園視頻監控機房，以及各職能部門服務器機房等，分布在校園各個樓宇。這種多機房并存，一方面加大了服務器與存儲系統的數量，以及服務器系統高可用的風險（局部停電、安全漏洞、設備維護缺失等）；另一方面加大了人力成本、設備成本及維護成本，同時加大了機房總體耗電量。因此，新校區數據中心建設中，將上述各種機房與服務器等設施，集中統一部署在同一個較大面積的智能機房內。形成一個統一規劃、統一交換、多業務融合，具有云計算特點的高效能數據中心，如圖3所示。

圖3 多業務融合與安全的復合云數據中心

從圖3看出，雙S12508為冗余架構，設置為PE/CE，承擔統一交換與多業務融合任務。將各職能部門管理信息系統（MIS）+數據庫、Web統一門戶、統一身份認證、高校辦學智能決策支持系統 （ADSS）+知識庫、教學資源系統、辦學資源系統（含數據庫）、辦學環境系統（含數據庫），以及應急響應等應用，部署在該核心路由交換機的CE接口。兩組S7503E為冗余架構，設置為CE，分別連接校園一卡通數據庫與應用系統、多媒體視聽教學系統、電子監考系統、圖書文獻資源系統，以及校園視頻監控系統。S12508與S7503E采用萬兆單模光纜冗余連接，通過IRF技術將這些設備虛擬化成單一設備，簡化了網絡結構。通過VLAN和MPLS VPN邏輯隔離各種業務，同時在路由交換機設置ACL，保障了數據安全及帶寬有效使用。通過S12508的統一交換，實現了多業務融合，使用戶能夠按照身份權限，高效處理相關業務。S12508采用10GE鏈路連接IPv4外網路由器SR8802。另部署一臺S7503E，配置防火墻FW、應用控制網關ACG板卡，連接純IPv6服務器；該路由交換機采用1GE鏈路連接IPv6外網路由器SR6602。

傳統數據中心安全、流控、負載均衡部署，采用多設備串聯后與核心路由交換機連接。這種部署方式存在單點故障及帶寬瓶頸等問題。解決此問題的方法是通過路由交換機插卡方式實現。從圖3看出，在S12508分別插入防火墻FW、應用控制網關ACG和負載均衡LB等板卡，在校園一卡通數據區的S7503E分別插入防火墻FW和負載均衡LB板卡，在另一組S7503E插入負載均衡LB板卡。這種模塊化部署方式、一分多的虛擬化技術、全虛擬化環境下的安全部署[9]，使得網絡安全服務部署更為簡化，有效消除了傳統的安全控制、流量控制及負載均衡等設備串聯部署的弊端。

五、復合云數據中心的綠色節能

新校區集中統一的數據中心機房在科技樓的一樓，占地580m2。分成6個區域，其中4個區域部署機房設備，一個區域為技術人員工作區（含辦公室）、一個區域為設備測試與維修區。考慮到機房承重及預留設備擴展區，將UPS電池部署在機房設備區域的地下室（電池與UPS連接電纜符合UPS使用要求）。機房制冷統一部署，在每個設備區域安裝精密空調。采用鋁合金玻璃隔斷，將IT設備機柜封裝在玻璃柜中，使機器冷熱風區隔離。盡量縮短精密空調的冷風道，將冷風直接送至機器前面板。按照春、夏、秋、冬四個季節，動態調整精密空調的制冷量，使電能使用效率1.5≤PUE＜2.0[10]，實現智慧校園的綠色節能目標。

六、結束語

如今，高校教育信息化更多地關注現代信息技術智慧應用及效果。基于云計算的新一代網絡技術已成為智慧校園建設的引擎。雖說，我們在智慧校園建設方面做了一點工作，但距離高效能、低成本、全方位、多途徑為師生提供智慧服務的數字化校園，還有遙遠的路途。我們會繼續努力，有效推進智慧校園的可持續發展。

[1]馬皓.校園網下一步建設與發展的思考[DB/OL].http://wenku.baidu.com/view/e1f6b78eec3a87c24128c402.html,2011.11.

[2]程艷旗.浙江大學智慧型校園探索[DB/OL].http://wenku.baidu.com/view/dfe4352c2af90242a895e5e9.html,2010.12.

[3]周凱.上海交大首創“智慧泛在課堂”[N].中國青年報,2011-11-10.

[4]魯東明.信息化VS高等教育創新-融合-發展[D].2011.4.

[5]湖南青果軟件有限公司.山西師大數字校園建設方案[D].2011.11.

[6,8,9]杭州華三通信技術有限公司.新一代網絡建設理論與實踐(上)[M].北京:電子工業出版社,2013.3.

[7]楊威,王云,黃曉彤,楊陟卓.網絡工程設計與系統集成(第2版)[M].北京:人民郵電出版社,2010.5.

[10]楊威,高立同等.綠色節能與安全的高校數據中心建設[J].中國教育信息化,2013(1).