智慧校园云计算生态结构研究与应用

李 强，杜 华，徐 喆，赵喜清

(河北北方学院 信息科学与工程学院，河北 张家口 075000)

整合校园教学、科研、管理与服务等资源，构建一个具有高度认知能力、管理能力和服务能力的校园环境，实现科学决策、智能管理、主动服务以及实时反应等智慧功能，是学校治理现代化建设的紧迫任务。高校智慧校园建设的推进与发展需要实现高校各子系统自身的智慧化及子系统间的有效集成。云计算是构建智慧校园的基础。对校园管理现代化的云服务机制和生态环境进行分析，探索云计算时代对校园资源整合与管理现代化的新方法，按照云计算生态化发展的理念设计云计算生态化结构体系，支持校园云环境的净化。

一、云计算生态的发展现状

2018年6月，国家颁布文件《智慧校园总体框架》，提出建设智慧校园的方针和构想。智慧校园是数字校园的进步和发展，与数字校园相比，智慧校园的信息化程度更高，构建智慧校园是一种必然的趋势。云计算知识与技术是构建智慧校园的基础。万维网是云计算的基础，它通过分布调度计算资源，分解用户的海量需求，再交给高性能服务器集群分布式计算、分析和处理，从而达到运转智能灵活、信息高度共享和服务实时个性的效果[1]。以万维网等技术的发展为前提，云计算技术方兴未艾。

当前，云计算已进入大众的视野，并得到全社会的广泛关注。云计算已经由几年前的令人称奇转变为在社会各行业的发展态势正盛。生态云计算的理念是云计算体系同自然界一样具有生态结构，云计算体系的主客体及其环境是人类社会科学发展的资源，模型部署、协议遵守、服务运营与管理以及混合云环境的净化和反馈都应遵循生态学理论、方法、策略与规律，以求生态化的健康发展。随着云计算理念的不断深入，各企业、高校以及政府等也着力搭建云平台。云计算应用领域广泛，如国内高性能计算解决方案的提供商在中科院计算技术研究所的支持下，提出中国特色的云计算概念，为国内云计算建设创造了机遇和条件[2]；中科院课题“电子政务的行政生态学理论、方法与策略研究”从生态学行政的角度，对云计算服务于电子政务进行了开创性研究，为电政建设的生态化发展提出了解决方案[3]。

云计算的理念与技术同样可以运用在智慧校园建设中，但目前仍存有很多技术问题和困难，且涉及多学科与多领域。例如：在云服务中，问题索引、用户报表以及数据库变更等直接关系到生态云的健康成长，必须做到实时响应且响应速度需加快；云数据需要分布于数据服务器、管理配置服务器、对象存储节点和客户端，分布式数据处理的算法至关重要；数据隐私更需要保护计算，数据访问权限需要严格控制，数据物理安全需要全面考虑，数据处理结果完整性需要严格认证。这些需求和问题体现了云计算生态化发展迫切性，已经是国家关注和业界研发的焦点[4]。

二、云计算生态的设计对策

分布式生态云解决方案中的结构设定和模型部署是云计算生态化的关键。云服务请求具有异步化的固有特点，需要存储虚拟化、处理分布化、响应即时化和生态云安全化，最终实现多维度云分布数据镜像存储与同步、实时海量数据获取消费以及数据信息安全。

(一)多维度数据存储结构

多维度数据存储结构是生态云健康运营的基础(图1)。数据在多维生态云结构中可分布在主数据服务器、配置管理服务器、对象存储节点和客户端等多维度存储集群。分布式数据可以实现实时配置管理、细节数据库备份激活与异构迁移等功能，可完成服务器镜像双向读写、按事务并发和按字段同步，可实现服务器容灾备份与读写分离等目标，最终实现数据同步。

图1 多维度数据存储结构

(二)实时海量数据处理模型

传统三维一体的作法引发众多问题，如网络访问数据库瞬时压力大与引起服务器运行维护困难等。实时海量数据处理模型引入对称集群反映云计算在时空、结构和功能上的特殊联系，使用云数据中心物理设施，通过并行计算对分布式请求和响应完成协调工作，提供分布式锁服务，并对多个服务互斥访问进行控制(图2)。该模型对数据解析并能够实现以下特性：实时性——高峰期<1 s，平时30 ms；可用性——N份拷贝可配置；扩展性——对称集群；事务性——严格按照事务顺序；完整性——反映数据变更。

图2 实时海量数据处理模型

(三)云服务请求异步处理模型

传统的异步化处理模型将线程分配给所有的连接，线程负责数据底层的接收、发送与数据业务处理，在达到异步处理的同时也给服务器和数据中心的存储与响应带来了巨大压力。相比之下，云服务请求异步处理模型是为每一个请求事件创建线程，底层的数据发送与接收仍能做到共享，同时给服务器和数据中心的存储与响应等减轻了压力(图3)。在云服务请求异步处理模型中，上层的业务处理将业务状态对象独立于具体业务处理的流程，从而分阶段的触发业务不同阶段的处理，以事件驱动模式来为每一次事件处理创建线程与资源，最终提高资源利用率。主服务器减少服务端的状态数据，由服务器与主服务器间单向通信，达到了容量的缩减。云异步模型中客户端的服务请求是异步的，这要求服务端的响应也同样异步，云异步模型充分利用服务响应端的并行处理能力，从根本上提高了服务响应端的线程利用率(图3)。

图3 云服务请求异步处理模型

三、分布式生态云结构实际应用

多维度数据存储结构、实时海量数据处理模型及异步化整体架构共同构成了校园云生态结构的硬件基础。在此基础上，智慧校园搭建各软件子系统，如信息安全防护体系、学籍管理体系、教学科研管理体系和服务管理体系等，从而将学校整体的信息化程度提升到一个新的高度。同时，各个系统具有响应速度快、获得数据一致和安全准确等优势。分布式生态云结构集存储、处理及协同为一体，运用集群技术、分布式处理和网格计算等技术，使众多异构的集群可对外提供同一种服务，统一的接口使数据访问性能高效一致[5]。

建设智慧校园，需要诸如信息安全防护体系、学籍管理体系、教学科研管理体系以及服务管理体系等各子系统自身实现智能服务功能，且各子系统应有效集成。下文以教学科研管理为例，介绍分布式生态云结构实际应用。教学科研是高校的重中之重，实现高效与智能的信息化管理非常重要与必要。在校园云生态结构的硬件基础上建设教学科研管理软件系统，实现高校教学和科研的电子化、信息化与科学化，为师生提供个性化服务，进而实现教学与科研管理服务的信息化和智能化。整合校园云基础架构系统，在优化组合存储集群、计算集群与管理诊断集群的基础上，按照以上分布式生态云结构运行校园云计算系统，实验数据环境设定和实验的后台系统任务分配见表1。

表1 分布式生态云结构实验

由表1可知，当并发访问数据量不断增加时，响应延迟呈现缓慢增长，存储空间利用率则缓慢下降。整个云异步结构集群的运行状况透明化，保证能使用直观且简单的方式控制系统，如出现问题可以快速定位问题。依托校园云服务结构，建设功能完善的一站式服务，师生可使用电脑、手机以及平板电脑等多种电子设备获取智慧校园服务，服务时间与空间不再受限，服务更加便捷,服务效率得到提升。教学科研云生态建成后，可提供高信息化和高智能化的全面服务，使教学与科研服务模式焕然一新。

云计算生态实现了安全隔离、服务容错、安全监控、可信执行和数据安全存储迁移，达到了生态化状态。智慧校园建设是当前学校建设的重要方向之一，按照云计算生态化发展理念设计多维度数据存储结构、实时海量数据处理模型及异步化整体架构，提供统一、安全与智能的数据访问和信息获取功能，为智慧校园建设的硬件基础架构提供了一种解决方案。