李 強(qiáng)，杜 華，徐 喆，趙喜清

(河北北方學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

整合校園教學(xué)、科研、管理與服務(wù)等資源，構(gòu)建一個(gè)具有高度認(rèn)知能力、管理能力和服務(wù)能力的校園環(huán)境，實(shí)現(xiàn)科學(xué)決策、智能管理、主動(dòng)服務(wù)以及實(shí)時(shí)反應(yīng)等智慧功能，是學(xué)校治理現(xiàn)代化建設(shè)的緊迫任務(wù)。高校智慧校園建設(shè)的推進(jìn)與發(fā)展需要實(shí)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(jì)算是構(gòu)建智慧校園的基礎(chǔ)。對(duì)校園管理現(xiàn)代化的云服務(wù)機(jī)制和生態(tài)環(huán)境進(jìn)行分析，探索云計(jì)算時(shí)代對(duì)校園資源整合與管理現(xiàn)代化的新方法，按照云計(jì)算生態(tài)化發(fā)展的理念設(shè)計(jì)云計(jì)算生態(tài)化結(jié)構(gòu)體系，支持校園云環(huán)境的凈化。

一、云計(jì)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(shè)智慧校園的方針和構(gòu)想。智慧校園是數(shù)字校園的進(jìn)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(gòu)建智慧校園是一種必然的趨勢(shì)。云計(jì)算知識(shí)與技術(shù)是構(gòu)建智慧校園的基礎(chǔ)。萬維網(wǎng)是云計(jì)算的基礎(chǔ)，它通過分布調(diào)度計(jì)算資源，分解用戶的海量需求，再交給高性能服務(wù)器集群分布式計(jì)算、分析和處理，從而達(dá)到運(yùn)轉(zhuǎn)智能靈活、信息高度共享和服務(wù)實(shí)時(shí)個(gè)性的效果[1]。以萬維網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展為前提，云計(jì)算技術(shù)方興未艾。

當(dāng)前，云計(jì)算已進(jìn)入大眾的視野，并得到全社會(huì)的廣泛關(guān)注。云計(jì)算已經(jīng)由幾年前的令人稱奇轉(zhuǎn)變?yōu)樵谏鐣?huì)各行業(yè)的發(fā)展態(tài)勢(shì)正盛。生態(tài)云計(jì)算的理念是云計(jì)算體系同自然界一樣具有生態(tài)結(jié)構(gòu)，云計(jì)算體系的主客體及其環(huán)境是人類社會(huì)科學(xué)發(fā)展的資源，模型部署、協(xié)議遵守、服務(wù)運(yùn)營與管理以及混合云環(huán)境的凈化和反饋都應(yīng)遵循生態(tài)學(xué)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(jì)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(tái)。云計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，如國內(nèi)高性能計(jì)算解決方案的提供商在中科院計(jì)算技術(shù)研究所的支持下，提出中國特色的云計(jì)算概念，為國內(nèi)云計(jì)算建設(shè)創(chuàng)造了機(jī)遇和條件[2]；中科院課題“電子政務(wù)的行政生態(tài)學(xué)理論、方法與策略研究”從生態(tài)學(xué)行政的角度，對(duì)云計(jì)算服務(wù)于電子政務(wù)進(jìn)行了開創(chuàng)性研究，為電政建設(shè)的生態(tài)化發(fā)展提出了解決方案[3]。

云計(jì)算的理念與技術(shù)同樣可以運(yùn)用在智慧校園建設(shè)中，但目前仍存有很多技術(shù)問題和困難，且涉及多學(xué)科與多領(lǐng)域。例如：在云服務(wù)中，問題索引、用戶報(bào)表以及數(shù)據(jù)庫變更等直接關(guān)系到生態(tài)云的健康成長，必須做到實(shí)時(shí)響應(yīng)且響應(yīng)速度需加快；云數(shù)據(jù)需要分布于數(shù)據(jù)服務(wù)器、管理配置服務(wù)器、對(duì)象存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和客戶端，分布式數(shù)據(jù)處理的算法至關(guān)重要；數(shù)據(jù)隱私更需要保護(hù)計(jì)算，數(shù)據(jù)訪問權(quán)限需要嚴(yán)格控制，數(shù)據(jù)物理安全需要全面考慮，數(shù)據(jù)處理結(jié)果完整性需要嚴(yán)格認(rèn)證。這些需求和問題體現(xiàn)了云計(jì)算生態(tài)化發(fā)展迫切性，已經(jīng)是國家關(guān)注和業(yè)界研發(fā)的焦點(diǎn)[4]。

二、云計(jì)算生態(tài)的設(shè)計(jì)對(duì)策

分布式生態(tài)云解決方案中的結(jié)構(gòu)設(shè)定和模型部署是云計(jì)算生態(tài)化的關(guān)鍵。云服務(wù)請(qǐng)求具有異步化的固有特點(diǎn)，需要存儲(chǔ)虛擬化、處理分布化、響應(yīng)即時(shí)化和生態(tài)云安全化，最終實(shí)現(xiàn)多維度云分布數(shù)據(jù)鏡像存儲(chǔ)與同步、實(shí)時(shí)海量數(shù)據(jù)獲取消費(fèi)以及數(shù)據(jù)信息安全。

(一)多維度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

多維度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是生態(tài)云健康運(yùn)營的基礎(chǔ)(圖1)。數(shù)據(jù)在多維生態(tài)云結(jié)構(gòu)中可分布在主數(shù)據(jù)服務(wù)器、配置管理服務(wù)器、對(duì)象存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和客戶端等多維度存儲(chǔ)集群。分布式數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)配置管理、細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)庫備份激活與異構(gòu)遷移等功能，可完成服務(wù)器鏡像雙向讀寫、按事務(wù)并發(fā)和按字段同步，可實(shí)現(xiàn)服務(wù)器容災(zāi)備份與讀寫分離等目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。

圖1 多維度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

(二)實(shí)時(shí)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(wǎng)絡(luò)訪問數(shù)據(jù)庫瞬時(shí)壓力大與引起服務(wù)器運(yùn)行維護(hù)困難等。實(shí)時(shí)海量數(shù)據(jù)處理模型引入對(duì)稱集群反映云計(jì)算在時(shí)空、結(jié)構(gòu)和功能上的特殊聯(lián)系，使用云數(shù)據(jù)中心物理設(shè)施，通過并行計(jì)算對(duì)分布式請(qǐng)求和響應(yīng)完成協(xié)調(diào)工作，提供分布式鎖服務(wù)，并對(duì)多個(gè)服務(wù)互斥訪問進(jìn)行控制(圖2)。該模型對(duì)數(shù)據(jù)解析并能夠?qū)崿F(xiàn)以下特性：實(shí)時(shí)性——高峰期<1 s，平時(shí)30 ms；可用性——N份拷貝可配置；擴(kuò)展性——對(duì)稱集群；事務(wù)性——嚴(yán)格按照事務(wù)順序；完整性——反映數(shù)據(jù)變更。

圖2 實(shí)時(shí)海量數(shù)據(jù)處理模型

(三)云服務(wù)請(qǐng)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(fù)責(zé)數(shù)據(jù)底層的接收、發(fā)送與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)處理，在達(dá)到異步處理的同時(shí)也給服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心的存儲(chǔ)與響應(yīng)帶來了巨大壓力。相比之下，云服務(wù)請(qǐng)求異步處理模型是為每一個(gè)請(qǐng)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(shí)給服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心的存儲(chǔ)與響應(yīng)等減輕了壓力(圖3)。在云服務(wù)請(qǐng)求異步處理模型中，上層的業(yè)務(wù)處理將業(yè)務(wù)狀態(tài)對(duì)象獨(dú)立于具體業(yè)務(wù)處理的流程，從而分階段的觸發(fā)業(yè)務(wù)不同階段的處理，以事件驅(qū)動(dòng)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(wù)器減少服務(wù)端的狀態(tài)數(shù)據(jù)，由服務(wù)器與主服務(wù)器間單向通信，達(dá)到了容量的縮減。云異步模型中客戶端的服務(wù)請(qǐng)求是異步的，這要求服務(wù)端的響應(yīng)也同樣異步，云異步模型充分利用服務(wù)響應(yīng)端的并行處理能力，從根本上提高了服務(wù)響應(yīng)端的線程利用率(圖3)。

圖3 云服務(wù)請(qǐng)求異步處理模型

三、分布式生態(tài)云結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用

多維度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)海量數(shù)據(jù)處理模型及異步化整體架構(gòu)共同構(gòu)成了校園云生態(tài)結(jié)構(gòu)的硬件基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，智慧校園搭建各軟件子系統(tǒng)，如信息安全防護(hù)體系、學(xué)籍管理體系、教學(xué)科研管理體系和服務(wù)管理體系等，從而將學(xué)校整體的信息化程度提升到一個(gè)新的高度。同時(shí)，各個(gè)系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、獲得數(shù)據(jù)一致和安全準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)。分布式生態(tài)云結(jié)構(gòu)集存儲(chǔ)、處理及協(xié)同為一體，運(yùn)用集群技術(shù)、分布式處理和網(wǎng)格計(jì)算等技術(shù)，使眾多異構(gòu)的集群可對(duì)外提供同一種服務(wù)，統(tǒng)一的接口使數(shù)據(jù)訪問性能高效一致[5]。

建設(shè)智慧校園，需要諸如信息安全防護(hù)體系、學(xué)籍管理體系、教學(xué)科研管理體系以及服務(wù)管理體系等各子系統(tǒng)自身實(shí)現(xiàn)智能服務(wù)功能，且各子系統(tǒng)應(yīng)有效集成。下文以教學(xué)科研管理為例，介紹分布式生態(tài)云結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用。教學(xué)科研是高校的重中之重，實(shí)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(jié)構(gòu)的硬件基礎(chǔ)上建設(shè)教學(xué)科研管理軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高校教學(xué)和科研的電子化、信息化與科學(xué)化，為師生提供個(gè)性化服務(wù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)教學(xué)與科研管理服務(wù)的信息化和智能化。整合校園云基礎(chǔ)架構(gòu)系統(tǒng)，在優(yōu)化組合存儲(chǔ)集群、計(jì)算集群與管理診斷集群的基礎(chǔ)上，按照以上分布式生態(tài)云結(jié)構(gòu)運(yùn)行校園云計(jì)算系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)環(huán)境設(shè)定和實(shí)驗(yàn)的后臺(tái)系統(tǒng)任務(wù)分配見表1。

表1 分布式生態(tài)云結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)

由表1可知，當(dāng)并發(fā)訪問數(shù)據(jù)量不斷增加時(shí)，響應(yīng)延遲呈現(xiàn)緩慢增長，存儲(chǔ)空間利用率則緩慢下降。整個(gè)云異步結(jié)構(gòu)集群的運(yùn)行狀況透明化，保證能使用直觀且簡(jiǎn)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(wù)結(jié)構(gòu)，建設(shè)功能完善的一站式服務(wù)，師生可使用電腦、手機(jī)以及平板電腦等多種電子設(shè)備獲取智慧校園服務(wù)，服務(wù)時(shí)間與空間不再受限，服務(wù)更加便捷,服務(wù)效率得到提升。教學(xué)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(wù)，使教學(xué)與科研服務(wù)模式煥然一新。

云計(jì)算生態(tài)實(shí)現(xiàn)了安全隔離、服務(wù)容錯(cuò)、安全監(jiān)控、可信執(zhí)行和數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)遷移，達(dá)到了生態(tài)化狀態(tài)。智慧校園建設(shè)是當(dāng)前學(xué)校建設(shè)的重要方向之一，按照云計(jì)算生態(tài)化發(fā)展理念設(shè)計(jì)多維度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)海量數(shù)據(jù)處理模型及異步化整體架構(gòu)，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(shè)的硬件基礎(chǔ)架構(gòu)提供了一種解決方案。