異構(gòu)集群在智慧化校園中的應(yīng)用研究

湯湘林 陳方兵

摘 要：異構(gòu)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(shè)計定制化的異構(gòu)集群系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)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(guān)鍵詞：智慧化校園 ? ?高校信息化 ? ?異構(gòu)集群

異構(gòu)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(yīng)運而生。異構(gòu)集群可以有效地將各種結(jié)構(gòu)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(chǔ)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(wù)器的效率，也減少了服務(wù)器宕機風(fēng)險。因此，異構(gòu)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(shè)著手，探討異構(gòu)集群在高校信息化建設(shè)中的應(yīng)用。

一、高校信息化管理的現(xiàn)狀

我國高校的信息化建設(shè)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(shè)，人財物的投入比例都相當(dāng)大。目前，各個高校基礎(chǔ)性業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)基本完成，能夠保證教學(xué)、科研、事務(wù)管理等的順利進行。但在信息化建設(shè)和管理中也存在諸多問題，使得當(dāng)前高校信息化系統(tǒng)架構(gòu)體系跟不上發(fā)展的需要，嚴(yán)重影響智慧校園建設(shè)。

（一）資源閑置嚴(yán)重，造成資源浪費

隨著高校信息化系統(tǒng)建設(shè)的升級，設(shè)備的更新?lián)Q代步伐加快，導(dǎo)致不同批次設(shè)備之間不能兼容使用，產(chǎn)生了大量的閑置設(shè)備。由于設(shè)備之間存在異構(gòu)性，但是沒有針對異構(gòu)設(shè)備專門設(shè)計的系統(tǒng)化解決方案，因此不但沒有發(fā)揮異構(gòu)設(shè)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(shè)智慧化校園的基礎(chǔ)。由于高校信息化系統(tǒng)在建設(shè)過程中并沒有考慮到數(shù)據(jù)協(xié)同利用的問題，導(dǎo)致存儲于異構(gòu)集群服務(wù)器中的數(shù)據(jù)很難被高效利用。當(dāng)前高校信息化建設(shè)并沒有專門應(yīng)對異構(gòu)集群的解決方案，導(dǎo)致智慧化校園建設(shè)遇到瓶頸。

（三）資源負載分配不均衡，限制了實時場景應(yīng)用

在當(dāng)前高校信息化系統(tǒng)架構(gòu)中，異構(gòu)服務(wù)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(luò)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(shè)中很多實時場景無法應(yīng)用。

二、異構(gòu)集群及資源異構(gòu)集群的概念

（一）異構(gòu)集群概念

異構(gòu)集群指的是由高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)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(wù)，整個集群的計算節(jié)點為所有用戶所共享。異構(gòu)集群的異構(gòu)性能表現(xiàn)為類型異構(gòu)性和資源異構(gòu)性。類型異構(gòu)性指的是計算節(jié)點具有的不同指令集結(jié)構(gòu)（ISA）以及不同操作系統(tǒng)（OS）類型;資源異構(gòu)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(gòu)集群概念

資源異構(gòu)集群表現(xiàn)為CPU資源異構(gòu)性（HCPU）和內(nèi)存異構(gòu)性（HMEM）。HCPU和HMEM的值越高，系統(tǒng)的資源異構(gòu)性越大。對于同構(gòu)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(gòu)性能越低，也就是說整個集群越接近同構(gòu)集群;反之，就說明整個集群的異構(gòu)性能越強。

對于內(nèi)存異構(gòu)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(gòu)性越大;反之，就說明內(nèi)存異構(gòu)性較小。

三、異構(gòu)集群在智慧化校園建設(shè)中的應(yīng)用

（一）異構(gòu)集群的設(shè)計

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

1.一致性與負載均衡設(shè)計

異構(gòu)集群在設(shè)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?jǐn)?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(shè)計合理有效的任務(wù)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(gòu)集群上不同的任務(wù)進行處理。

2.低耦合性設(shè)計，提高異構(gòu)集群可靠性

低耦合性設(shè)計要求異構(gòu)集群之間各個模塊相互獨立，異構(gòu)集群之間通過統(tǒng)一接口通信，采用去中心化設(shè)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(gòu)集群可靠性，減少宕機風(fēng)險。

（二）異構(gòu)集群的應(yīng)用優(yōu)勢

異構(gòu)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(gòu)集群在未來高校建設(shè)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(gòu)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(gòu)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(chǔ)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(shè)計，極大提高異構(gòu)集群安全性

異構(gòu)集群采取冗余備份和負載均衡設(shè)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(gòu)集群的正常運行，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或不能恢復(fù)的風(fēng)險，可以極大地提高整個系統(tǒng)的安全性。

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（作者單位：湯湘林，深圳技師學(xué)院;

陳方兵，深圳阿塔基科技有限公司）