教育云资源管理平台构建研究与实现
中图分类号：TP391；G434 文献标识码：A 文章编号：1673-1573（2013）03-0113-05
一、引言
随着高等教育信息化的快速发展，越来越多的高校认识到需要使用云计算技术整合校内外各种教育资源，通过网络平台随时随地为广大师生提供更加便捷的个性化服务。在信息化实施的历史进程中，不断增加的应用系统和越来越多的教育资源部署在不同的服务器上，服务器的种类与数量逐年增加，采用传统的方法运行维护越来越困难，表现在效率低、成本高。例如，需要花费很长的时间去安装配置在每个用户群日常使用的计算机系统软件和应用软件等；一旦某一台服务器出现故障，其安装的所有应用都无法使用，而此时这些应用也不能快速迁移到其他正常工作的服务器上，系统的健壮性较差；对于较大的故障必须等专业人员前来维修，等待时间长。因此，如何高效地管理高校IT基础设施资源和教育资源，提高系统的健壮性和灵活性，降低运行维护的人力电力成本就显得尤为重要。目前先进的解决方案就是利用云计算技术，建立基于虚拟化的教育云资源管理平台，通过无处不在的计算机网络为师生提供快捷方便的个性化资源管理与服务[1]。
二、云计算技术及相关应用
（一）云计算技术概述
究竟什么是云计算？目前并没有统一的定义。美国国家标准与技术研究院[2]认为：云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源共享池（资源包括网络、服务器、存储、应用软件及服务），这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互。国内各界普遍认为：狭义上讲云计算是IT基础设施的交付和使用模式，通过Internet以按需、易扩展的方式获得所需资源；广义上讲云计算是服务的交付和使用模式，通过Internet以按需、易扩展的方式获得所需服务，这种服务可以是IT和软件、互联网相关，也可是其他服务[3]，这意味着计算能力也可作为一种商品通过互联网进行流通。
从理论与技术角度看，云计算是基于一系列关键技术的新型计算模式，包括：虚拟化技术、弹性伸缩动态调配技术、高效可靠数据传输交换与事件处理技术、海量数据存储与访问技术、智能化管理监控技术、并行计算框架技术、多租赁与按需计费技术以及绿色节能技术等。这种信息处理模式可以完成大量复杂的计算任务，如：按需即取的服务计算、易于扩展的变粒度计算、基于自然语言的软计算、智能系统的不确定计算、人参与的计算及物参与的计算等，最终以基于互联网面向大众提供服务的方式来实现资源动态整合与分享的目标[4]。
（二）在教育领域的相关应用
目前，教育领域尤其在高等学校各种教育信息资源正加速向网络迁移，利用云计算技术构建教育资源管理平台能够有效克服服务器利用率低、教学资源分布不均、资源更新速度慢、信息孤岛、电力消耗严重、难于管理等一系列制约着高校信息化发展进程的问题[5]，将对教育信息化的发展产生巨大的促进作用。很多企业已经通过云计算来获取各种服务，教育领域也将是云计算技术未来发展的一个重要领域。
目前国内外对云计算在教育领域的应用表现出了很大的热情。Accenture公司在《探究云计算的未来：驾驭技术驱动转型的下一次浪潮》调查报告中指出，云计算在教育科研行业的潜在应用体现在三点：（1）获取全球资源；（2）低成本仿真；（3）高度交互+协作学习[6][7]。我国黎加厚教授提出了云计算在教育教学中应用的“云计算辅助教学”的新概念：学校和教师利用“云计算”提供的服务，构建个性化教学的信息化环境，促进教师的教学和学生的自主学习，提高教学质量[8]。
校内教育云平台的构建首先要充分利用现有的基础设施，利用虚拟化技术把物理的服务器资源虚拟化成服务器池，通过负载均衡技术提高服务器的利用率。然后对学校的各种教育资源进行有效的整合后迁移到虚拟服务器上，利用云计算技术实现资源的无缝连接，构建一个统一的教育资源管理平台，以一种全新的方式为提供优质的数字资源服务。
三、教育云管理平台技术架构设计
结合高校信息化和教育资源网络化的特色需求，本文利用云计算核心技术――虚拟化技术对现有的物理资源进行有效的整合，并基于云计算资源动态分配理念对现有的资源进行统一管理和统一调度，设计了一种教育云资源管理平台架构模型，此模型分为三层：基础设施服务层、平台服务层和（应用）软件服务层。该架构能提供一种更加高效灵活的管理服务模式。具体如图1所示。
1. 基础设施即服务（Infrastructure as a Service，IaaS）：IaaS层通过对现有的物理资源（服务器、存储器和网络设备等）进行整合，进而利用虚拟化技术对相同类型的资源进行虚拟化处理，形成同构或接近同构的资源池，如计算资源池、存储资源池、网络资源池。通过对虚拟池的资源调度和管理，对师生提供按需分配的计算、存储和备份等基础资源与服务[3][9][10]。
2. 平台即服务（Platform as a Service，PaaS）：PaaS层提供应用程序的开发和运行环境，通过PaaS层的软件工具和开发语言，师生只需上传程序代码和数据即可使用服务。同时PaaS层利用负载均衡、故障检测和性能优化等技术对高校日益庞大的资源进行有效的管理，提高资源的处理效率。PaaS层通过账号管理、交互管理和使用计费对用户进行统一的管理。
3. 软件即服务（Software as a Service，SaaS）：SaaS层针对师生提供更加特定的应用服务，通过统一的用户交互接口，用户可以获取资源服务、教学管理、互动交流、协作创新等不同类型的个性化应用服务。 最后利用容错技术、监督管理对三层架构进行服务保障和安全管理。服务保障的目标主要是提升系统功能和性能、资源和服务的可用性。安全管理主要是避免信息泄露、未授权的访问和修改、及时发现并修补系统漏洞，阻止内外部恶意用户的攻击等。
四、教育云管理平台实现案例
本文按照上述教育云管理平台技术架构设计原则，以河北经贸大学教学资源整合需求为目标，设计并实现了教务云管理平台，通过对资源进行有效整合实现了高效管理与利用，为师生提供了方便快捷的服务，取得了良好的效果。
（一）原有设备及应用现状
河北经贸大学教务系统平台始建于2003年，承担全校30 000多名学生的教学和管理工作。一直使用多种不同型号的服务器，目前这些设备老化严重，且硬件升级空间有限，经常出现硬件问题，由此引发的新问题如下：（1）服务器响应慢，业务连续性缺乏保障。在业务高峰期，服务器的压力大，请求响应时间长；另外由于历史原因，很多业务部署在同一台服务器上，没有进行高可用性和备份等保护措施，服务器一旦故障会导致其上运行的业务全部中断。（2）资源负载不平衡，利用率低。由于某些业务具有集中访问性，比如教师评价、学生选课等，这些业务一个学期内大部分时间处于闲置状态，而当运行时又处于超负荷状态，此时其他服务器的访问量很少，负载严重不平衡，利用率低。（3）维护量比较大，电力消耗严重。教务系统平台包括信息维护、学生选课、课表查询、成绩查询等多个业务，每个业务都需要服务器资源的支持，从而造成服务器数量逐年增加，不仅造成大量的维护成本，也对数据中心的机房空间、电力消耗提出挑战。针对以上缺陷，本文构建教务云服务平台，采用虚拟化技术将原有服务全部迁移至云计算平台。
（二）整体设计方案
根据教务管理和教学资源的使用需求，构建的教务云管理平台由三层组成，分别对应于教育云管理平台技术架构设计的基础设施服务、平台服务和软件服务三个层次。教务云管理平台主要面向广大师生、教务管理人员、系统管理员提供多样化资源管理与服务并向社会提供部分查询服务，具体的体系架构如图2所示。
本设计方案特点如下：
1. 多层次与松耦合架构。将系统划分为基础设施层、平台服务层和应用服务层三个层次。各层之间保持相互独立与松耦合，每层之间使用消息进行通信，降低了平台整体的依赖性。
2. 使用现有服务器进行虚拟化。对现有8台服务器物理资源进行虚拟化形成41个虚机，形成服务器资源池，不仅充分利用了现有的硬件资源，减少了开支，而且提高了资源的利用率。
3. 采取统一的VMM（Virtual Machine Monitor）技术构建教务云管理平台。底层统一采用KVM（Kernel-based Virtual Machine）构建虚拟化环境，便于运营管理，同时还避免了不同VMM之间的文件格式不兼容和跨VMM迁移失败等问题，提高了系统的健壮性[11]。
4. 面向服务提升性能。根据上层应用的特点，在虚拟化基础之上，按照一定的策略对资源分配、资源调度进行优化，实现底层对上层的充分感知，面向服务提升云平台的管理与服务性能。
（三）具体实现
1. 基础设施层实现。作为整个框架的最底层，具体的实现步骤如下：（1）首先使用KVM对现有的服务器进行虚拟化，并组成虚拟机集群，从而将物理资源转化为可以按需分配的虚拟机资源池，同时根据业务实际需要分配最合适的计算资源和存储资源。（2）利用libvirt为各种虚拟化工具提供的通用API（Application Programming Interface）对KVM进行管理，即libvirt通过自身提供的函数连接到KVM宿主机并使用简单的命令进行操作。（3）通过VMware vCenter converter迁移工具，根据预先制定的迁移计划，逐步将物理机上的多个业务系统分批次平滑迁移到虚拟机集群上。（4）将虚拟机的镜像文件进行共享存储，实现高可用性部署，同时备份每个虚拟机，保证系统的健壮性，这样如果原虚拟机所在服务器出现问题，虚拟机会立即在另一台物理服务器上运行。（5）最后把预先安装好的操作系统（如linux，windows）制作成模板，当用户再申请虚拟机资源的时候不用再从头开始安装操作系统，仅仅需要选择已有的模板并分配虚拟机硬件资源，一个新的虚拟机系统就形成了。
2. 平台服务层实现。平台服务层建立在基础设施层之上，为应用服务层提供良好的平台支撑，提供身份认证、资源管理和开发测试等平台服务，具体的功能如下：
身份认证平台提供统一的权限认证，确保所有的操作都在系统允许的范围内，保证了系统的安全。资源管理的主要职责是监控资源点的使用情况，均衡教育云平台节点的使用，并对节点的故障进行检测，从而进行恢复或屏蔽。开发测试平台为已注册的学生提供开发和测试环境，学生可以利用已有的服务器、虚拟机等资源，以及集成的开发框架和环境，开发自己使用的程序并进行测试，运行完了之后释放和删除计算资源。
3. 应用服务层实现。应用服务层是整个架构的最顶层，它为在校师生、管理人员和社会公众提供教学管理、共享、应用等多样化的信息服务，服务类型分别有：教务系统、网络课堂、信息发布和基础服务。下面详细介绍四种应用。
教务系统为师生提供统一的登录认证页面，学生可以进行选课、查看成绩等，教师可以录入成绩，查看学生评价等，同时教务管理员进行课表管理、教室管理和教材管理。网络课堂是一种新颖的学习方式，利用学校的教学资源库，按照自己的兴趣爱好进行自主学习，变被动的接受为主动的获取，提高学习效率。信息发布是教务处对外发布信息的渠道，主要包括教务新闻、考试通知等信息的实时展示。基础服务为应用服务层提供底层的数据服务，使得各个应用之间能够实现数据共享、数据兼容，消除孤岛信息，实现全面通信。 五、运行效果
通过采用教务云管理平台，实现了对学校现有硬件资源的充分利用，很好地解决了教务系统所面临的诸多挑战和问题，为各种业务的顺利运行提供了良好的支撑，收到了良好的效果。
1. 减少服务器数量，减少机房占用空间，维护方便，降低能耗。实施教务管理云平台后采用自动迁移工具将分布在不同地点的服务器统一集中到服务器池，提高服务器使用率，使服务器数量由原来的14台下降为4台，高故障率高维护成本的陈旧服务器得以退出，减少了机房占地面积，同时服务器的电力能耗也降到了之前的30%左右，硬件搬迁到数据中心托管，实现了远程管理，实现了从原来的单独管理多台服务器到现在一个界面统一管理所有服务器，降低了维护的工作量。
2. 保障了业务的稳定性。将业务系统的数据保存到存储器上，并在虚拟机集群上分别为每个业务系统的虚拟机做高可用性备份。如果原虚拟机或其所在服务器出现问题，备份虚拟机会立即接管业务并在另一台物理服务器上运行，从而保证业务连续性。
3. 提升服务器资源利用率。服务器资源利用率从平均6%提升到了40%，对现有资源的利用更加有效，并为将来增加新的应用系统和教务数据预留了空间，如图6所示。
4. 在任务负载的高峰期服务器响应依然较快。在项目实施之前学生选课的高峰期服务器响应慢，学生进入系统特别困难，整个选课高峰大约持续一天，如今采用教务云管理平台，服务器响应明显变快，并发数达到5 000人左右，选课高峰缩短到四五个小时，大大缩短选课高峰的持续时间，如图7所示。
六、结论
本文分析了高校信息化中出现的一系列问题，综述了云计算核心技术及其在教育信息化中的应用，在此基础上提出了一种教育云资源管理平台的具体解决方案。结合河北经贸大学教务系统平台的具体情况，设计并实现了教务云管理平台，该平台投入运行后较好地解决了存在的问题，大大提高了服务器的利用率，提升了系统的健壮性和可用性，能够为广大师生提供更方便快捷的服务。
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