智慧校園云計算生態(tài)結構研究與應用

李 強，杜 華，徐 喆，趙喜清

(河北北方學院 信息科學與工程學院，河北 張家口 075000)

整合校園教學、科研、管理與服務等資源，構建一個具有高度認知能力、管理能力和服務能力的校園環(huán)境，實現(xiàn)科學決策、智能管理、主動服務以及實時反應等智慧功能，是學校治理現(xiàn)代化建設的緊迫任務。高校智慧校園建設的推進與發(fā)展需要實現(xiàn)高校各子系統(tǒng)自身的智慧化及子系統(tǒng)間的有效集成。云計算是構建智慧校園的基礎。對校園管理現(xiàn)代化的云服務機制和生態(tài)環(huán)境進行分析，探索云計算時代對校園資源整合與管理現(xiàn)代化的新方法，按照云計算生態(tài)化發(fā)展的理念設計云計算生態(tài)化結構體系，支持校園云環(huán)境的凈化。

一、云計算生態(tài)的發(fā)展現(xiàn)狀

2018年6月，國家頒布文件《智慧校園總體框架》，提出建設智慧校園的方針和構想。智慧校園是數(shù)字校園的進步和發(fā)展，與數(shù)字校園相比，智慧校園的信息化程度更高，構建智慧校園是一種必然的趨勢。云計算知識與技術是構建智慧校園的基礎。萬維網是云計算的基礎，它通過分布調度計算資源，分解用戶的海量需求，再交給高性能服務器集群分布式計算、分析和處理，從而達到運轉智能靈活、信息高度共享和服務實時個性的效果[1]。以萬維網等技術的發(fā)展為前提，云計算技術方興未艾。

當前，云計算已進入大眾的視野，并得到全社會的廣泛關注。云計算已經由幾年前的令人稱奇轉變?yōu)樵谏鐣餍袠I(yè)的發(fā)展態(tài)勢正盛。生態(tài)云計算的理念是云計算體系同自然界一樣具有生態(tài)結構，云計算體系的主客體及其環(huán)境是人類社會科學發(fā)展的資源，模型部署、協(xié)議遵守、服務運營與管理以及混合云環(huán)境的凈化和反饋都應遵循生態(tài)學理論、方法、策略與規(guī)律，以求生態(tài)化的健康發(fā)展。隨著云計算理念的不斷深入，各企業(yè)、高校以及政府等也著力搭建云平臺。云計算應用領域廣泛，如國內高性能計算解決方案的提供商在中科院計算技術研究所的支持下，提出中國特色的云計算概念，為國內云計算建設創(chuàng)造了機遇和條件[2]；中科院課題“電子政務的行政生態(tài)學理論、方法與策略研究”從生態(tài)學行政的角度，對云計算服務于電子政務進行了開創(chuàng)性研究，為電政建設的生態(tài)化發(fā)展提出了解決方案[3]。

云計算的理念與技術同樣可以運用在智慧校園建設中，但目前仍存有很多技術問題和困難，且涉及多學科與多領域。例如：在云服務中，問題索引、用戶報表以及數(shù)據(jù)庫變更等直接關系到生態(tài)云的健康成長，必須做到實時響應且響應速度需加快；云數(shù)據(jù)需要分布于數(shù)據(jù)服務器、管理配置服務器、對象存儲節(jié)點和客戶端，分布式數(shù)據(jù)處理的算法至關重要；數(shù)據(jù)隱私更需要保護計算，數(shù)據(jù)訪問權限需要嚴格控制，數(shù)據(jù)物理安全需要全面考慮，數(shù)據(jù)處理結果完整性需要嚴格認證。這些需求和問題體現(xiàn)了云計算生態(tài)化發(fā)展迫切性，已經是國家關注和業(yè)界研發(fā)的焦點[4]。

二、云計算生態(tài)的設計對策

分布式生態(tài)云解決方案中的結構設定和模型部署是云計算生態(tài)化的關鍵。云服務請求具有異步化的固有特點，需要存儲虛擬化、處理分布化、響應即時化和生態(tài)云安全化，最終實現(xiàn)多維度云分布數(shù)據(jù)鏡像存儲與同步、實時海量數(shù)據(jù)獲取消費以及數(shù)據(jù)信息安全。

(一)多維度數(shù)據(jù)存儲結構

多維度數(shù)據(jù)存儲結構是生態(tài)云健康運營的基礎(圖1)。數(shù)據(jù)在多維生態(tài)云結構中可分布在主數(shù)據(jù)服務器、配置管理服務器、對象存儲節(jié)點和客戶端等多維度存儲集群。分布式數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)實時配置管理、細節(jié)數(shù)據(jù)庫備份激活與異構遷移等功能，可完成服務器鏡像雙向讀寫、按事務并發(fā)和按字段同步，可實現(xiàn)服務器容災備份與讀寫分離等目標，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。

圖1 多維度數(shù)據(jù)存儲結構

(二)實時海量數(shù)據(jù)處理模型

傳統(tǒng)三維一體的作法引發(fā)眾多問題，如網絡訪問數(shù)據(jù)庫瞬時壓力大與引起服務器運行維護困難等。實時海量數(shù)據(jù)處理模型引入對稱集群反映云計算在時空、結構和功能上的特殊聯(lián)系，使用云數(shù)據(jù)中心物理設施，通過并行計算對分布式請求和響應完成協(xié)調工作，提供分布式鎖服務，并對多個服務互斥訪問進行控制(圖2)。該模型對數(shù)據(jù)解析并能夠實現(xiàn)以下特性：實時性——高峰期<1 s，平時30 ms；可用性——N份拷貝可配置；擴展性——對稱集群；事務性——嚴格按照事務順序；完整性——反映數(shù)據(jù)變更。

圖2 實時海量數(shù)據(jù)處理模型

(三)云服務請求異步處理模型

傳統(tǒng)的異步化處理模型將線程分配給所有的連接，線程負責數(shù)據(jù)底層的接收、發(fā)送與數(shù)據(jù)業(yè)務處理，在達到異步處理的同時也給服務器和數(shù)據(jù)中心的存儲與響應帶來了巨大壓力。相比之下，云服務請求異步處理模型是為每一個請求事件創(chuàng)建線程，底層的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收仍能做到共享，同時給服務器和數(shù)據(jù)中心的存儲與響應等減輕了壓力(圖3)。在云服務請求異步處理模型中，上層的業(yè)務處理將業(yè)務狀態(tài)對象獨立于具體業(yè)務處理的流程，從而分階段的觸發(fā)業(yè)務不同階段的處理，以事件驅動模式來為每一次事件處理創(chuàng)建線程與資源，最終提高資源利用率。主服務器減少服務端的狀態(tài)數(shù)據(jù)，由服務器與主服務器間單向通信，達到了容量的縮減。云異步模型中客戶端的服務請求是異步的，這要求服務端的響應也同樣異步，云異步模型充分利用服務響應端的并行處理能力，從根本上提高了服務響應端的線程利用率(圖3)。

圖3 云服務請求異步處理模型

三、分布式生態(tài)云結構實際應用

多維度數(shù)據(jù)存儲結構、實時海量數(shù)據(jù)處理模型及異步化整體架構共同構成了校園云生態(tài)結構的硬件基礎。在此基礎上，智慧校園搭建各軟件子系統(tǒng)，如信息安全防護體系、學籍管理體系、教學科研管理體系和服務管理體系等，從而將學校整體的信息化程度提升到一個新的高度。同時，各個系統(tǒng)具有響應速度快、獲得數(shù)據(jù)一致和安全準確等優(yōu)勢。分布式生態(tài)云結構集存儲、處理及協(xié)同為一體，運用集群技術、分布式處理和網格計算等技術，使眾多異構的集群可對外提供同一種服務，統(tǒng)一的接口使數(shù)據(jù)訪問性能高效一致[5]。

建設智慧校園，需要諸如信息安全防護體系、學籍管理體系、教學科研管理體系以及服務管理體系等各子系統(tǒng)自身實現(xiàn)智能服務功能，且各子系統(tǒng)應有效集成。下文以教學科研管理為例，介紹分布式生態(tài)云結構實際應用。教學科研是高校的重中之重，實現(xiàn)高效與智能的信息化管理非常重要與必要。在校園云生態(tài)結構的硬件基礎上建設教學科研管理軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)高校教學和科研的電子化、信息化與科學化，為師生提供個性化服務，進而實現(xiàn)教學與科研管理服務的信息化和智能化。整合校園云基礎架構系統(tǒng)，在優(yōu)化組合存儲集群、計算集群與管理診斷集群的基礎上，按照以上分布式生態(tài)云結構運行校園云計算系統(tǒng)，實驗數(shù)據(jù)環(huán)境設定和實驗的后臺系統(tǒng)任務分配見表1。

表1 分布式生態(tài)云結構實驗

由表1可知，當并發(fā)訪問數(shù)據(jù)量不斷增加時，響應延遲呈現(xiàn)緩慢增長，存儲空間利用率則緩慢下降。整個云異步結構集群的運行狀況透明化，保證能使用直觀且簡單的方式控制系統(tǒng)，如出現(xiàn)問題可以快速定位問題。依托校園云服務結構，建設功能完善的一站式服務，師生可使用電腦、手機以及平板電腦等多種電子設備獲取智慧校園服務，服務時間與空間不再受限，服務更加便捷,服務效率得到提升。教學科研云生態(tài)建成后，可提供高信息化和高智能化的全面服務，使教學與科研服務模式煥然一新。

云計算生態(tài)實現(xiàn)了安全隔離、服務容錯、安全監(jiān)控、可信執(zhí)行和數(shù)據(jù)安全存儲遷移，達到了生態(tài)化狀態(tài)。智慧校園建設是當前學校建設的重要方向之一，按照云計算生態(tài)化發(fā)展理念設計多維度數(shù)據(jù)存儲結構、實時海量數(shù)據(jù)處理模型及異步化整體架構，提供統(tǒng)一、安全與智能的數(shù)據(jù)訪問和信息獲取功能，為智慧校園建設的硬件基礎架構提供了一種解決方案。