基于云計算的高校數據中心建設研究

文/王寶龍

作為一種新興的IT經營模式，云計算能夠向用戶提供動態服務、可伸縮虛擬化資源。因此，高校在數字化建設過程中，通過云計算技術對其信息基礎設施進行改造，能夠打造虛擬化、高靈活性、高效易管理的云數據中心。基于此，本文主要以云計算為基礎，針對高校數據中心建設展開相關探討分析。

一、高校數據中心建設現狀分析

（一）建設現狀

自20世紀90年代以來，高校的信息化經歷了30年的歷程，從以網絡硬件建設為核心的網絡化的高校到以系統構建為核心的數字高校，向著以智能服務為主導的智慧高校的方向發展。與此對應的是，高校的資料處理系統從以網絡設備為主導，逐步轉向計算、存儲、網絡設備；從網絡數據的交流，逐步轉向高校教學、科研和學工；各種數據存儲、處理業務轉變為數據存儲、處理等業務，并伴隨著數據存儲服務的不斷增多，高校數據中心容量逐漸增大。

（二）存在的問題

目前，各高校的數據處理系統均采用了虛擬技術進行各類設備的整合，但隨著“互聯網+”教學理念的推進，隨著高校信息化建設的發展，許多問題暴露出來。一是，由于高校信息化水平提升，目前的教學條件已不能適應新形勢；二是，IT系統的集中化導致了虛擬化的快速發展，對維護管理工作提出了嚴峻的要求，因此，提高企業運行的效能、降低企業職工的工作壓力已成為當前亟待解決的問題；三是，多個虛擬平臺相互分離，沒有一個統一的管理系統用來實現系統的集中化。為了確保高校的信息系統能夠與時俱進，確保高校中的計算能力不會產生“孤島”現象，高校可以將現有的計算資源進行集成和擴展，利用云計算技術，實現對系統的高效集成。

二、云數據中心構建的關鍵技術

（一）虛擬化技術

虛擬化技術包括網絡技術、硬件技術、內存技術、CPU和虛擬化應用系統等。

虛擬化是云計算的一項關鍵技術，它通過服務器、網絡、內存等不同的實體資源，將抽象的數據轉化為更直觀的產品，從而為云計算應用提供更多的支持。虛擬化技術具有不受限于現有資源和環境的特點。

（二）編程模型

云計算需要確保大量用戶同時并行，為了實現特定的目標或者任務，在復雜的基礎上，可以迅速地響應并執行任務，從而增強用戶的使用體驗。MapReduce正是以這種思路為基礎的一種基于云計算任務計劃模式的編程模型。

（三）海量數據分布存儲技術

云計算在滿足海量用戶需求的同時，也面臨著海量數據，因此，在存儲方式、存儲安全性等方面，都要采取分布式的架構，以便在網絡中某個節點發生故障時，、可以確保存儲在不同位置的數據的安全性和可塑性。

（四）海量數據管理技術

例如，谷歌的數據管理技術和Hadoop開放源碼的數據管理模塊Hbase可以實現對數據進行分組讀取和存儲，從而大大提高了云計算的反應能力。

三、基于云計算技術的跨校區主備數據中心設計與實現

（一）高校數據中心的體系結構

結合信息化建設的目的和基本原理，基于云計算、數據中心等技術規范的數據中心服務架構隨之誕生。該架構顯示出基于云計算技術的高校數據中心的整體結構，在最下面的是一個資源，它包含了所有的實體設備，將服務器、網絡裝置及其他硬件視為一個整合的資源庫，并以特定的規模進行運作。虛擬化層次是基于對資源庫的需求進行選擇，然后按照需要產生相應的虛擬機器。管理員要對用戶、服務器、網絡等進行統一管理，并能夠選擇性地進行資源打包，以確保虛擬機的高效性。應用服務層是以用戶為中心的，可以為用戶提供多種服務。運營商在應用服務層面上增加了多年積累的軟件，使其能夠共享企業的業務資源，并能快速地構建出所需的應用系統。

（二）高校數據中心的系統組成

高校數據中心主要包括基礎設施、信息支持服務、應用服務；由運行管理系統和安全保密體系組成，保證了系統的安全性。該體系結構涉及實體資源和網絡系統、存儲系統、計算系統三部分，用以支持系統的運作：資源池是通過對服務器、網絡、存儲等基礎資源的虛擬化，從而實現資源的靈活生成、調度和管理；網絡支持用戶獲得信息服務，方便用戶經過相應的認證接入網絡系統，并為其提供運行支持、核心服務、共享服務和系統服務。高校數據中心的主要功能包括：即時信息傳輸，數據庫訪問，軟件資源管理；流式業務、協作業務、資訊整合業務；等等。高校數據中心的經營分為軟體與資訊兩大范疇。在軟體環境中，資訊服務的架構分為兩類：樹形與柵格形。其中，安全性主要是通過網絡、主機、應用和數據層面來實現的，而加密技術主要利用通道和口令來完成信息的傳輸、處理和存儲。

（三）高可用設計

1.硬件高可用設計

高校數據中心采用雙路供電、交換機堆疊、分布式部署，以保證整個數據中心在發生硬件故障后不影響整體業務的正常運轉。數據中心可以采取下列高可用的硬件方案。(1）每個伺服器均采用雙電源，并可同時連接兩路AC，以確保即使有一路電源被切斷，也可保持工作狀態。(2）訪問開關和核心開關均為雙層，每臺服務器通過網卡進行交叉連接，以確保高可靠的數據傳送。在啟動兩個交換機時，其中一臺成為堆疊主機，另一臺成為堆疊備機。高可用的備用程序在主設備和備用設備之間進行。(3）故障域指單個機房內開關或電力裝置引起的最大故障的區域，一般是一臺或一套機柜。數據中心應盡可能地將管理節點、核心交換機和磁盤陣列分布在不同的失效區域，以防止由于一個錯誤區域的異常而造成整個模塊無法使用。(4）利用兩個磁盤構造RAID1來安裝基本操作系統。RAID1是RAID的最高安全保障，可以在兩個硬盤上同時讀寫，并提供100%的數據冗余，確保一個硬盤在損壞后不會對整個系統造成任何影響。

2.管理節點高可用設計

管理節點的作用是控制、監控和調度整個平臺的資源，作為用戶在云端平臺上的控制臺，負責分發和回收資源。管理節點一旦發生故障，會導致管理服務無法正常運行，對運行管理、監控報警、用戶訪問等都將產生一定的影響；而作業的自動化也將會對平臺或承租人的運營造成很大的影響。為了確保管理控制臺的可用性，數據中心必須使用高可用技術。云計算平臺提供了一個HA（HighA-vailability）的 雙管理結點，具有初始化、配置、維護等功能。在此基礎上，云計算平臺對各個管理結點進行了單獨的分配，從而解決了整個機箱降電平臺的管理問題。

3.虛擬機高可用設計

云計算是一種集成多個服務器的系統，是一個具有共享資源的集群，可以實時監控整個集群內服務器和虛擬機的運行狀況。當某個服務器出現故障時，云平臺會繼續進行檢測，一旦確認該伺服器宕機，所有受到影響的虛擬機就會立刻重新啟動資源池中的閑置伺服器，以確保服務的持續性。虛擬機高可用模式可以減少故障和IT服務的中斷，而無須利用額外的硬件或整合其他軟件，也可以避免由于單個操作系統或特定應用程序的錯誤交換而導致的高額費用和高復雜度。

四、系統實現

在存儲資源上，數據中心使用了超融合的分布式存儲技術，每個云服務器均配備4個SSD和若干HDD。兩個SSD作為云計算平臺，兩個作為緩存。為防止系統出現單一故障，數據中心應使用RAID1模式，并使用磁盤鏡像實現數據冗余。云計算服務器的數據是由分布式存儲實現的，它使用了多個拷貝的方法來確保數據的安全性。另外，2個高校數據中心各有2個數據庫服務器、本地2個SAN存儲器，以實現局域雙活體系結構，并利用同步工具對數據庫數據進行實時傳輸，實現了高校內局部雙重活化與實時同步。在網絡資源方面，數據中心實現了主、備數據中心的即時通信；在2所高校的2個校區內，各配置2個核心交換機，采用2個較大的二次纖維網絡相連通。數據中心采用管理網、存儲網和服務網絡，采用2臺千兆和4臺萬兆開關，以防止單一故障；2個交換機獨立運行。數據中心在制造系統中使用了兩種不同的技術，即4個萬兆口和2個1000兆口，使存儲網、業務網和管理網完全分開。2所高校的數據中心在災難備份方面，均配備了后備系統，并通過備份軟件實現了對應用的實時備份；在備用中心的云計算系統中，采用備份系統來恢復資料，確保了系統的安全。

五、結語

利用先進的云計算技術，可以更新高校基礎設施，從而打造虛擬化、靈活高效、便于管理的云數據中心。在此基礎上，構建基于云計算的高校數據中心，可以為高校網絡的建設提供巨大的技術支撐和發展空間。