高校云平臺建設(shè)的研究與探索

葛磊 吳建軍

摘 要：面對國內(nèi)云計算技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，如何根據(jù)高職教學(xué)的特點及時調(diào)整專業(yè)和教學(xué)體系，立足培養(yǎng)實用性的云計算人才，是值得許多高職院校思考的一個問題。合理構(gòu)建高職院校的云計算實驗室并以此為基礎(chǔ)建立云平臺，從而實現(xiàn)云計算專業(yè)實踐教學(xué)體系是其中的一個關(guān)鍵問題。本文在分析云計算模式和高職院校現(xiàn)有條件的基礎(chǔ)上，參考部分高校云平臺建設(shè)過程中的經(jīng)驗，通過對幾種主流虛擬化和服務(wù)器技術(shù)的比較，給出一個合理、適用、可擴展的，基于Vmware技術(shù)和X86服務(wù)器的高職院校云平臺建設(shè)方案。

關(guān)鍵詞：云計算；虛擬化；IaaS；Web2.0；X86

中圖分類號：TP399 文獻標(biāo)識碼：A

1 引言（Introduction）

2010年7月29日正式發(fā)布的《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》中的“加快教育信息化進程”部分明確提出：“把教育信息化納入國家信息化發(fā)展整體戰(zhàn)略，超前部署教育信息網(wǎng)絡(luò)。”云計算是未來IT發(fā)展的重要領(lǐng)域，也是大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的主要技術(shù)支撐[1]。通過多年的理論研究，各類成熟的云計算解決方案已經(jīng)廣泛應(yīng)用于社會生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域，同時云計算技術(shù)也是未來教學(xué)信息化和實現(xiàn)資源共享的主要解決模式[2]。從高職教育的視角觀察云計算這一技術(shù)，思考如何建立相關(guān)實驗平臺和教學(xué)體系，培養(yǎng)相關(guān)專業(yè)人才成為未來一段時期內(nèi)高職教育計算機相關(guān)專業(yè)的主要任務(wù)。

2015年11月10日，工業(yè)和信息化部為加快推進云計算的國家標(biāo)準(zhǔn)化工作，規(guī)范國內(nèi)日趨競爭激烈的云計算市場，并指導(dǎo)各大IT企業(yè)的云計算發(fā)展和市場經(jīng)營行為，于10月16日印發(fā)了《云計算綜合標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)指南》，這一指南更是將云計算技術(shù)的發(fā)展推入到快車道。

2 云計算技術(shù)（Cloud computing technology）

Google首席執(zhí)行官埃里克.施密特在2006年8月9日的搜索引擎大會（SES San Jose 2006）首次提出“云計算”的概念。隨后在IT巨頭Google、IBM、Sum、HP、Amazon的帶領(lǐng)下，國內(nèi)的阿里、華為、百度、騰訊等IT企業(yè)也相繼進軍云計算及周邊技術(shù)領(lǐng)域。云計算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)成為未來IT行業(yè)發(fā)展的新動力，這其中云計算則是實現(xiàn)大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)的核心硬件和軟件的集合，也是網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)的核心。云計算將逐步改變現(xiàn)有的生活和商業(yè)運作模式，并引發(fā)了一系列相關(guān)技術(shù)如：虛擬化、服務(wù)器集群管理、分布式計算等的迅猛發(fā)展。

3 高職院校云平臺需求分析（Demand analysis of

cloud platform in Higher Vocational Colleges）

3.1 高職院校云平臺建設(shè)的目標(biāo)

隨著國內(nèi)教育改革的深入和加劇，目前高教體系中存留的高職院校大多屬于地方高校。這些高職院校在資金投入、技術(shù)水平和對信息化、智慧校園以及公共服務(wù)平臺的建設(shè)的迫切性和重視程度上均無法和省屬、部屬的本科類院校相比。但是，無論是高職院校的IT類專業(yè)實驗室的改造，還是開辟云計算領(lǐng)域相關(guān)新專業(yè)，高職院校都無法回避和忽視云計算這一新技術(shù)的存在和發(fā)展。以開封大學(xué)為標(biāo)本，結(jié)合多數(shù)同類院校的實際情況，分析現(xiàn)有技術(shù)和軟硬件條件，可以將高職院校云平臺建設(shè)的目標(biāo)定義于以下三點：

（1）服務(wù)教學(xué)、科研

a.培養(yǎng)云計算專業(yè)師資

b.構(gòu)建云計算專業(yè)實踐教學(xué)體系

c.利用云計算核心虛擬化技術(shù)改造現(xiàn)有實驗教學(xué)體系

（2）服務(wù)數(shù)字化和智慧校園建設(shè)，整合現(xiàn)有軟硬件資源，為師生提供以科學(xué)計算和存儲為主的公共服務(wù)平臺。

（3）服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟，構(gòu)建服務(wù)于本校的私有云和服務(wù)于互聯(lián)網(wǎng)+和文化+戰(zhàn)略的公共云。

3.2 學(xué)校現(xiàn)狀分析—以開封大學(xué)為例

學(xué)校網(wǎng)絡(luò)中心集中托管了學(xué)校的招生、教務(wù)、學(xué)生管理等業(yè)務(wù)子系統(tǒng)的服務(wù)器，各子系統(tǒng)大多采用浪潮曙光和IBM的服務(wù)器，形成了一個個的信息孤島。沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，更沒有實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，信息化建設(shè)還處于比較初級的階段。學(xué)校網(wǎng)絡(luò)狀況良好，全校實現(xiàn)了光纖的主干網(wǎng)絡(luò)覆蓋。學(xué)校信息工程學(xué)院現(xiàn)有實驗室12個，每個實驗室基本配置為一臺教師機+50臺左右的學(xué)生機。未來需要通過基于云計算的虛擬化技術(shù)完成改造。

4 云平臺解決方案（Cloud platform solutions）

高職院校云平臺解決方案中將涉及虛擬化、服務(wù)器集群管理、虛擬桌面等一系列技術(shù)的應(yīng)用。這其中服務(wù)器和虛擬化技術(shù)是關(guān)鍵所在。

4.1 解決方案中關(guān)鍵技術(shù)的選擇

4.1.1 虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)是云計算的核心和基礎(chǔ)[3]，也是實施構(gòu)建高職院校云平臺第一階段的主要技術(shù)。目前主流的云計算基礎(chǔ)設(shè)施管理平臺也即虛擬化管理平臺為Vmware VCenter/ESX，Microsoft System Center/Hyper-V，Citrix XenServer/Xen以及免費開源的Openstack和Eucalyptus。綜合使用成本、后期技術(shù)服務(wù)和支持、未來技術(shù)發(fā)展方向、對云服務(wù)的支持能力、對大數(shù)據(jù)平臺的支持能力等各個方面考慮，詳見表1。建議高職院校云平臺采用Vmware vCenter/ESX完成IaaS底層虛擬化。

表1 虛擬化平臺的比較

Tab.1 Comparison of virtualization platform

虛擬化平臺 使用成本 后期技術(shù)服務(wù) 虛擬化效率 所支持OS

Vmware

vCenter/

ESX 包含Center面板的系列產(chǎn)品授權(quán)費用昂貴，多采用每CPU授權(quán)模式 美國Vmware公司提供專業(yè)技術(shù)保障 效率高、高成熟與穩(wěn)定性 Windows、Linux

Microsoft

System

Center/

Hyper-V 每服務(wù)器或每CPU授權(quán)模式，價格中等 美國Microsoft公司提供專業(yè)技術(shù)保障 效率較高、Linux下不穩(wěn)定 Windows、Linux（主要專為Windows定制，也支持Linux，但性能損失比較嚴(yán)重）

Citrix

XenServer/

Xen 企業(yè)版、高級版、白金版一般采用每服務(wù)器安裝授權(quán)模式，價格中等。同時提供免費版和開原版 美國Citrix公司提供專業(yè)技術(shù)保障 效率較高、成熟與穩(wěn)定性較高 Xen-PV：純Linux Xen-HVM：支持Windows、Linux等

Openstack Apache 2.0授權(quán)協(xié)議、不需要許可證、免費使用 社區(qū)尋求幫助，社區(qū)規(guī)模小，活躍度低 效率較低、成熟與穩(wěn)定性一般 對Linux系列的Ubuntu和CentOS支持較好，同時支持Windows

Eucalyptus 社區(qū)版采用GPLv3授權(quán)協(xié)議、企業(yè)版使用自定義的商業(yè)授權(quán)協(xié)議 社區(qū)尋求幫助，社區(qū)規(guī)模大，活躍度高 效率較高、成熟與穩(wěn)定性較高 同時支持Linux和Windows，是最好的私有云平臺系統(tǒng)

4.1.2 服務(wù)器的選擇

目前常用的云計算服務(wù)器主要有x86系列服務(wù)器、IBM的Power小機。利用虛擬化技術(shù)以X86服務(wù)器為基礎(chǔ)可以實現(xiàn)VPS、云主機，以Power小機為基礎(chǔ)則可以虛擬實現(xiàn)云小機。兩類服務(wù)器的對比詳見表2。

表2 服務(wù)器的比較

Tab.2 Comparison of server

服務(wù)器性能 X86服務(wù)器 Power小機

對OS的支持 屬于中低端服務(wù)器，開放性比較好，可以支持Window和Linux等 一種高性能封閉的服務(wù)器，屬于高端服務(wù)器，是AIX操作系統(tǒng)，是IBM獨有的產(chǎn)品

指令系統(tǒng) 采用CISC（Complex Instruction Set Computer，復(fù)雜指令架構(gòu)計算機）架構(gòu)的處理器。大多數(shù)CPU廠商（如AMD，Intel）生產(chǎn)的就是這種處理器。在CISC處理器中，程序的各條指令是按順序串行執(zhí)行的，每條指令中的各個操作也是按順序串行執(zhí)行的。順序執(zhí)行的優(yōu)點是控制簡單，但計算機各部分的利用率不高，執(zhí)行速度慢 采用RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡指令架構(gòu)計算機）架構(gòu)。RISC架構(gòu)只要求硬件執(zhí)行很有限且最常用的那部分指令，大部分復(fù)雜的操作則使用成熟的編譯技術(shù)，由簡單指令合成。主要用在中高檔服務(wù)器中，特別是高檔服務(wù)器全都采用RISC指令系統(tǒng)的CPU

結(jié)構(gòu) 采用了NUMA結(jié)構(gòu)，CPU和內(nèi)存是分區(qū)的，每個CPU訪問自己的這部分內(nèi)存特別快，但是如果需要訪問其它部分那就要走QPI總線，這也客觀上造成了隨著CPU數(shù)量的增多，處理能力的增長，線程處理能力遠(yuǎn)小于Power小機系列 采用了標(biāo)準(zhǔn)的SMP結(jié)構(gòu)，也就是說，對于內(nèi)存而言所有CPU訪問的速度都是一致的。而且作為小型機，封閉系統(tǒng)，其設(shè)計更加完整緊湊，綜合起來性能強于x86，更適合關(guān)鍵業(yè)務(wù)領(lǐng)域

多通道支持 業(yè)務(wù)量大的時候，IO的處理能力滯后，且多通道處理能力弱于Power小機。CPU忙得開，IO也處理不來。并不是隨隨便便就可以增加處理卡數(shù)量的 虛擬出的云小機體系設(shè)計最多都可以支持一百個以上的IO通道卡，可以提供足夠的帶寬將處理結(jié)果從網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去或者保存到磁盤，同時還能夠接受新任務(wù)

價格 成本低廉，維護簡單 高昂，且后期管理維護成本高

結(jié)合目前大多數(shù)高職院校的實際需求以及資金投入的能力和對現(xiàn)有X86服務(wù)器資源的利用，本著適用原則。在IaaS層考慮采用利用X86服務(wù)器構(gòu)建服務(wù)器集群，然后采用虛擬化技術(shù)實現(xiàn)云主機的高性價比模式。

4.2 高職院校云平臺解決方案—以開封大學(xué)為例

高職院校的云平臺建設(shè)要本著適用、適度的原則，目標(biāo)明確、分批實施。解決方案如圖1所示。

圖1 開封大學(xué)云平臺解決方案

Fig.1 Kaifeng university cloud platform solutions

整個云平臺解決方案的實施分三個階段。

4.2.1 第一階段

配合學(xué)校信息中心先統(tǒng)一制定學(xué)校的信息化數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一各個業(yè)務(wù)之系統(tǒng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和格式[4]，依托現(xiàn)有服務(wù)器建立統(tǒng)一管理的數(shù)據(jù)中心。同時在信息工程學(xué)院建立云計算實驗室，采用虛擬化技術(shù)和遠(yuǎn)程虛擬桌面+Web2.0技術(shù)改造信息學(xué)院的實驗室，完成各主干課程的虛擬化實驗室建設(shè)。此階段的工作重點是構(gòu)建云服務(wù)的IaaS層。

4.2.2 第二階段

整合信息工程學(xué)院和學(xué)校的X86服務(wù)器集群，采用服務(wù)器集群管理和虛擬化技術(shù)實現(xiàn)學(xué)校的虛擬化數(shù)據(jù)中心，遷移原有的各個業(yè)務(wù)之系統(tǒng)的服務(wù)器至基于集群虛擬的云主機，實現(xiàn)學(xué)校各子業(yè)務(wù)所需資源的動態(tài)分配和管理。此階段的工作重點是構(gòu)建云服務(wù)體系的PaaS層，涉及各個Web業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合、系統(tǒng)互聯(lián)、數(shù)據(jù)共享。

4.2.3 第三階段

利用云管理平臺統(tǒng)籌規(guī)劃全校的數(shù)據(jù)和硬件資源，形成基于校內(nèi)Intranet的內(nèi)部私有云。構(gòu)建遠(yuǎn)程基于Web2.0技術(shù)的訪問控制和安全認(rèn)證系統(tǒng)，并最終形成基于Internet的，服務(wù)于區(qū)域經(jīng)濟的公共云服務(wù)，形成混合云。此階段的主要工作是構(gòu)建云服務(wù)體系的SaaS層。

5 結(jié)論（Conclusion）

計算機新技術(shù)的發(fā)展日新月異，高職院校實驗室面臨著軟硬件的升級問題，同時基于單機的管理模式在安全等各個方面也存在著管理和維護的諸多不便。現(xiàn)有很多高職院校因為投入少和技術(shù)落后等問題，在校園網(wǎng)和智慧校園建設(shè)上還相當(dāng)落后[5]。云計算技術(shù)成為高職院校解決這一系列問題的首選，各高職院校應(yīng)抓住云計算技術(shù)的發(fā)展機遇適時升級和改造學(xué)校實驗教學(xué)平臺和綜合信息服務(wù)平臺，利用現(xiàn)有軟硬件條件構(gòu)建適合自己的綜合云服務(wù)平臺，服務(wù)學(xué)校教學(xué)、科研，并最終實現(xiàn)專業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

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大學(xué)學(xué)報，2015（1）：76-78.

作者簡介：

葛 磊（1978-），男，碩士，講師.研究領(lǐng)域：計算機應(yīng)用.

吳建軍（1971-），男，碩士，講師.研究領(lǐng)域：計算機應(yīng)用.