论文部分内容阅读
一、引言
云计算是近年来在信息领域兴起的新理念，目标是将计算和存储简化为像公共的水和电一样易用的资源，用户利用终端设备只要联网即可方便地使用。云计算也是一种基础架构的方法论，大量的计算资源组成IT （Information Technology，特指与信息相关的技术）资源池，用于动态创建高度虚拟化的资源提供给网络用户使用。
“云”是一些可以自我维护和管理的虚拟计算资源，通常为一些服务器集群①，包括计算服务器、存储服务器、宽带资源等。云计算可分为共有云、私有云以及混合云。对于一个区域教育来说，主要强调的是教育私有云，具体地说，则是基于基础设施云层次的私有云解决方案——即教育城域网的解决方案。
二、教育城域网建设现状
教育城域网是一个对上链接CERNET②、Internet主干网，对下链接各县市区教育局和各个学校，对内沟通市级教育系统各单位和学校，对外面向全社会服务的大型综合性信息网络，涉及范围广、系统结构复杂。教育数据中心是区域教育机构通过建立能够存储T 级(1T=1 024GB)数据量，链接互联网或者高速光纤城域网的区域教育中心站点，运用主机托管③、服务托管和应用托管等多种服务形式，为区域内的学校提供教育资源共享和数据管理服务的网络平台。
图1是市级教育城域网的拓扑图。烟台市教育城域网始建于2001年，目前，烟台市13个县市区已部署了较为完整的传统意义下的教育城域网络，以核心路由器、交换机、服务器等设备构成的教育网络中心，下链各学校等教育用户，是一个典型的星型网络结构。
三、传统教育城域网存在的主要问题
从传统教育城域网整体结构来看，其线路的利用率相对较低，核心设备的负载较重，中央任何一个链接点的中断，都将导致整个局域网的瘫痪。随着教育网络用户的不断扩大及其需求量的增加，传统意义下的教育城域网中的弊端日益显现：
（1）网络业务量不断增长，IT设施设备数量（物理服务器、存储设备等）急速增加，导致网络中心整体维护成本和管理难度加大；
（2）教育网络中心机房的容量、电力、制冷等方面负载加重；
（3）传统教育城域网的业务模式、各个业务系统之间独立专属，无法共享；
（4）网络设施设备随着业务需求的不断增加，多数系统主机（服务器）利用率低下；
（5）网络业务系统的计划和非计划停机，对多业务网络用户和IT管理者影响较大。
传统教育城域网之所以存在以上诸多问题，根本原因在于其网络需求变了而网络平台的建设没有根本改变，网络服务器、存储设备等独立存在、各负其责，无法满足目前网络的“社会化服务”和“合作学习”的教育需要，教育城域网建设理念需要随着教育现代化的发展而发展，基于虚拟化的云计算平台则可以有效解决以上问题。
四、云计算解决方案
在云计算的模式下，用户基本上不再需要拥有使用信息技术所需的各种基础设施，而仅仅是租用并访问云服务供应商所提供的服务，这就是一切即服务的理念，它体现了云计算模式的重要特征，是用户选择的最终结果。
1.云计算的主要特性
（1）以互联网为核心
云计算所提供的服务是与操作系统（OS）平台无关的，基于云计算应用存在于互联网上，用户通过网络终端直接访问这些应用服务，云计算服务是永远可用、安全可靠的。
（2）规模经济性
云计算把计算这种看不见、摸不着的效能作为服务提供给用户, 在多个用户之间共享，使得资源的利用率大为提高，云计算通过互联网为用户提供计算服务,具有规模经济性。
（3）易伸缩性
易伸缩性也称为弹性，是指云计算系统可以非常方便、自由地调整规模，满足用户大规模或小规模的需要。
2.服务器资源池的搭建
服务器是云计算平台的核心，承担着云计算平台的“计算”功能。对于云计算平台上的服务器，通常都是将相同或者相似类型的服务器组合在一起，作为资源分配的母体，即所谓的服务器资源池。在这个服务器资源池上，再通过安装虚拟化软件④，使得计算资源能以一种虚拟服务器的方式被不同的用户所使用。
在搭建服务器资源池之前，首先应该确定资源池的数量和种类，并对服务器进行归类。归类的标准通常是根据服务器的处理器类型、型号、配置、物理位置来决定。对云计算平台而言，属于同一个资源池的服务器，通常就会将其视为一组可互相替代的资源。所以，一般都是将相同处理器、相近型号系列并且配置与物理位置接近的服务器，比如相近型号、物理距离不远的机架式服务器或者刀片服务器归为一类，在做资源池规划的时候，也需要考虑其规模和功用。
初期的资源池规划应该涵盖所有可能被纳管到云计算平台的所有服务器资源，包括那些为搭建云计算平台新购置的服务器、教育内部闲置的服务器以及正在运行业务应用的服务器。在云计算平台搭建的初期，正在为业务系统服务的服务器并不会直接被纳入云计算平台的管辖，但随着云计算平台的上线和业务系统的数据迁移⑤，这些服务器也将逐渐被并入云计算平台的资源池中。
3.存储的规划
对云计算平台存储规划的出发点应该是应用本身。首先应该考虑每个业务应用的优先级，以及其对存储性能、可靠性与灵活性的要求。对需要高性能与高可靠性的云计算应用，原则上应该为其或者其所在的资源池配备性能及可靠性均较好的高端存储，而对于灵活性要求较高的业务应用，则应该考虑为其或其所在的资源池配备灵活性比较好的存储虚拟化方案。
如果应用足够重要，在设计存储架构的时候还应该考虑存储级别的备份，以对各个节点可能出现的故障做冗余。比如，可以采用双存储交换机互为热备的形式，来防止存储用光纤交换机所出现的故障可能。同样，该资源池后面所拖的存储，也可以采用双存储热备的形式，为该资源池的主存储购置一个型号相同的备用存储服务器并通过磁盘对磁盘的备份方式，对两个存储服务器上的数据进行同步，资源池、交换机和存储服务器的关系如图2所示： 对于共享存储资源池，根据具体资源池上所运行的业务类型的特性，可以考虑为其配备各种类型的存储。对于关键应用的系统，推荐配备SAN⑥架构的存储解决方案，对非关键应用系统，可以灵活配备SAN、iSCSI⑦或者NAS⑧的存储解决方案。
云计算平台采用SAN集中存储方式，这样可以将每个虚拟机的文件系统创建在共享的SAN集中存储阵列上。VMware VMFS虚拟机文件系统，是一种高性能的群集文件系统，允许多个ESX Server安装同时访问同一虚拟机存储。由于VMware的虚拟架构系统中的虚拟机实际上是被封装成了一个档案文件和若干相关环境配置文件，通过将这些文件放在SAN存储阵列上的VMFS文件系统中，可以让不同服务器上的虚拟机都可以访问到该文件，从而消除了单点故障。
4.服务器虚拟化
根据教育城域网的实际需要，其x86系列的服务器主要通过VMware vSphere系列软件进行管理。
计算平台的主体部分安装了VMware ESX Server软件的服务器。ESX Server是VMware虚拟化软件套件的其中一个组件，是数据中心虚拟化的基础，它直接安装在物理服务器的裸机上，将物理服务器上的处理器、内存、存储器和网络资源抽象到多个虚拟机中，通过横跨大量虚拟机共享硬件资源，提高了硬件利用率并大大降低了资金和运营成本。
5.应用迁移
在云计算平台运行以后，尚存在一个将现有的应用向云计算平台迁移的问题，只有将应用迁移到云计算平台，才能更好发挥云计算平台的作用。
从技术上说，VMware虚拟化套件提供了相应的功能——P2V——为这种迁移提供了一定的技术支持。但是，鉴于业务应用的复杂性和关键性，迁移所涉及的问题已经远超出了技术本身的范畴。
根据不同应用的不同特性，所采取的具体步骤将会有所区别，总体而言，首先应该对当前各个应用进行评估，根据各个应用的特性选择需要迁移的业务应用。其次，应该仔细分析选出的应用，并制定一个适合于该应用迁移的大致方案。这个方案可以在云计算平台的测试环境上进行验证，如果方案能够被测试通过，还应进一步确认该迁移方案的细节，以及失败以后的回滚方案等。最后是对迁移的实施，如果迁移失败，则应根据回滚计划进行回滚，并对失败原因进行分析。图3是采用云计算构建的典型教育城域网应用方案。
五、结论
技术不是万能的，只有当人们创造性使用技术的时候，云计算才能发挥它的最大功效。云计算有以下优点：
（1）最小化了终端设备的需求；
（2）采用了虚拟化技术，节约了教育数据中心IT基础设施建设成本；
（3）支持在同一套IT基础设施上承载多所学校业务运营，帮助各类教育业务在数据中心的加载和运营；
（4）利用集中处理优势，提高了IT基础设施的运行效率，降低了整个教育系统的能耗。
总之，在下一代教育城域网建设中，部署云计算将是必然的趋势。让IT技术的使用成本极大降低，无论是教育城域网中心还是最终学校用户，都无须过多关注各种IT技术的具体细节，而应将注意力集中在其业务需求和运营模式上。云计算为每一所独立的学校网络平台进行资源整合，为实现区域教育的均衡发展奠定了坚实的网络基础。
注释:
①服务器集群是指用N台服务器串联起来的集群技术，目的是使群集内的N台服务器能够做到负载均衡，达到提升性能的目的，整个集群对外是一个点。
②全称为中国教育和科研计算机网，始建于1994年，是一个包括全国主干网、地区网和校园网在内的三级层次结构的计算机网络。
③主机托管就是把需要联网的服务器放到网络运营商的机房，这样的业务都不是和运营商直接签单，主机托管与服务器托管意思相同。
④虚拟化软件是云计算的基础，是云计算最重要的支撑技术。VMware公司开发了基于X86架构的普通个人电脑应用的虚拟化软件。
⑤数据迁移（Data migration）是指在存储类型、格式和计算机系统之间的数据转换。当一个机构决定使用新的计算系统或与当前的系统不兼容的数据管理系统时数据迁移是必须的。
⑥SAN是存储区域网络Storage Area Network的简写，一个中央化的硬盘阵列，可以通过一个高性能网络（光纤通道）为许多服务器服务。
⑦iSCSI技术是由IBM公司研究开发的，供硬件设备使用的，可以在IP协议的上层运行的SCSI指令集。这种指令集合可以实现在IP网络上运行SCSI协议，使其能够在诸如高速千兆以太网上进行路由选择。iSCSI技术是一种新储存技术，该技术是将现有SCSI接口与以太网络(Ethernet)技术结合，使服务器可与使用IP网络的储存装置互相交换资料。
⑧NAS（Network Attached Storage：网络附属存储）是一种将分散、独立的数据整合为大型、集中化管理的数据中心，以便于对不同主机和应用服务器进行访问的技术。
（作者单位：1.烟台开发区教育局教学仪器站 2.烟台市芝罘区福安中学）
（责任编辑：马赞）
云计算是近年来在信息领域兴起的新理念，目标是将计算和存储简化为像公共的水和电一样易用的资源，用户利用终端设备只要联网即可方便地使用。云计算也是一种基础架构的方法论，大量的计算资源组成IT （Information Technology，特指与信息相关的技术）资源池，用于动态创建高度虚拟化的资源提供给网络用户使用。
“云”是一些可以自我维护和管理的虚拟计算资源，通常为一些服务器集群①，包括计算服务器、存储服务器、宽带资源等。云计算可分为共有云、私有云以及混合云。对于一个区域教育来说，主要强调的是教育私有云，具体地说，则是基于基础设施云层次的私有云解决方案——即教育城域网的解决方案。
二、教育城域网建设现状
教育城域网是一个对上链接CERNET②、Internet主干网，对下链接各县市区教育局和各个学校，对内沟通市级教育系统各单位和学校，对外面向全社会服务的大型综合性信息网络，涉及范围广、系统结构复杂。教育数据中心是区域教育机构通过建立能够存储T 级(1T=1 024GB)数据量，链接互联网或者高速光纤城域网的区域教育中心站点，运用主机托管③、服务托管和应用托管等多种服务形式，为区域内的学校提供教育资源共享和数据管理服务的网络平台。
图1是市级教育城域网的拓扑图。烟台市教育城域网始建于2001年，目前，烟台市13个县市区已部署了较为完整的传统意义下的教育城域网络，以核心路由器、交换机、服务器等设备构成的教育网络中心，下链各学校等教育用户，是一个典型的星型网络结构。
三、传统教育城域网存在的主要问题
从传统教育城域网整体结构来看，其线路的利用率相对较低，核心设备的负载较重，中央任何一个链接点的中断，都将导致整个局域网的瘫痪。随着教育网络用户的不断扩大及其需求量的增加，传统意义下的教育城域网中的弊端日益显现：
（1）网络业务量不断增长，IT设施设备数量（物理服务器、存储设备等）急速增加，导致网络中心整体维护成本和管理难度加大；
（2）教育网络中心机房的容量、电力、制冷等方面负载加重；
（3）传统教育城域网的业务模式、各个业务系统之间独立专属，无法共享；
（4）网络设施设备随着业务需求的不断增加，多数系统主机（服务器）利用率低下；
（5）网络业务系统的计划和非计划停机，对多业务网络用户和IT管理者影响较大。
传统教育城域网之所以存在以上诸多问题，根本原因在于其网络需求变了而网络平台的建设没有根本改变，网络服务器、存储设备等独立存在、各负其责，无法满足目前网络的“社会化服务”和“合作学习”的教育需要，教育城域网建设理念需要随着教育现代化的发展而发展，基于虚拟化的云计算平台则可以有效解决以上问题。
四、云计算解决方案
在云计算的模式下，用户基本上不再需要拥有使用信息技术所需的各种基础设施，而仅仅是租用并访问云服务供应商所提供的服务，这就是一切即服务的理念，它体现了云计算模式的重要特征，是用户选择的最终结果。
1.云计算的主要特性
（1）以互联网为核心
云计算所提供的服务是与操作系统（OS）平台无关的，基于云计算应用存在于互联网上，用户通过网络终端直接访问这些应用服务，云计算服务是永远可用、安全可靠的。
（2）规模经济性
云计算把计算这种看不见、摸不着的效能作为服务提供给用户, 在多个用户之间共享，使得资源的利用率大为提高，云计算通过互联网为用户提供计算服务,具有规模经济性。
（3）易伸缩性
易伸缩性也称为弹性，是指云计算系统可以非常方便、自由地调整规模，满足用户大规模或小规模的需要。
2.服务器资源池的搭建
服务器是云计算平台的核心，承担着云计算平台的“计算”功能。对于云计算平台上的服务器，通常都是将相同或者相似类型的服务器组合在一起，作为资源分配的母体，即所谓的服务器资源池。在这个服务器资源池上，再通过安装虚拟化软件④，使得计算资源能以一种虚拟服务器的方式被不同的用户所使用。
在搭建服务器资源池之前，首先应该确定资源池的数量和种类，并对服务器进行归类。归类的标准通常是根据服务器的处理器类型、型号、配置、物理位置来决定。对云计算平台而言，属于同一个资源池的服务器，通常就会将其视为一组可互相替代的资源。所以，一般都是将相同处理器、相近型号系列并且配置与物理位置接近的服务器，比如相近型号、物理距离不远的机架式服务器或者刀片服务器归为一类，在做资源池规划的时候，也需要考虑其规模和功用。
初期的资源池规划应该涵盖所有可能被纳管到云计算平台的所有服务器资源，包括那些为搭建云计算平台新购置的服务器、教育内部闲置的服务器以及正在运行业务应用的服务器。在云计算平台搭建的初期，正在为业务系统服务的服务器并不会直接被纳入云计算平台的管辖，但随着云计算平台的上线和业务系统的数据迁移⑤，这些服务器也将逐渐被并入云计算平台的资源池中。
3.存储的规划
对云计算平台存储规划的出发点应该是应用本身。首先应该考虑每个业务应用的优先级，以及其对存储性能、可靠性与灵活性的要求。对需要高性能与高可靠性的云计算应用，原则上应该为其或者其所在的资源池配备性能及可靠性均较好的高端存储，而对于灵活性要求较高的业务应用，则应该考虑为其或其所在的资源池配备灵活性比较好的存储虚拟化方案。
如果应用足够重要，在设计存储架构的时候还应该考虑存储级别的备份，以对各个节点可能出现的故障做冗余。比如，可以采用双存储交换机互为热备的形式，来防止存储用光纤交换机所出现的故障可能。同样，该资源池后面所拖的存储，也可以采用双存储热备的形式，为该资源池的主存储购置一个型号相同的备用存储服务器并通过磁盘对磁盘的备份方式，对两个存储服务器上的数据进行同步，资源池、交换机和存储服务器的关系如图2所示： 对于共享存储资源池，根据具体资源池上所运行的业务类型的特性，可以考虑为其配备各种类型的存储。对于关键应用的系统，推荐配备SAN⑥架构的存储解决方案，对非关键应用系统，可以灵活配备SAN、iSCSI⑦或者NAS⑧的存储解决方案。
云计算平台采用SAN集中存储方式，这样可以将每个虚拟机的文件系统创建在共享的SAN集中存储阵列上。VMware VMFS虚拟机文件系统，是一种高性能的群集文件系统，允许多个ESX Server安装同时访问同一虚拟机存储。由于VMware的虚拟架构系统中的虚拟机实际上是被封装成了一个档案文件和若干相关环境配置文件，通过将这些文件放在SAN存储阵列上的VMFS文件系统中，可以让不同服务器上的虚拟机都可以访问到该文件，从而消除了单点故障。
4.服务器虚拟化
根据教育城域网的实际需要，其x86系列的服务器主要通过VMware vSphere系列软件进行管理。
计算平台的主体部分安装了VMware ESX Server软件的服务器。ESX Server是VMware虚拟化软件套件的其中一个组件，是数据中心虚拟化的基础，它直接安装在物理服务器的裸机上，将物理服务器上的处理器、内存、存储器和网络资源抽象到多个虚拟机中，通过横跨大量虚拟机共享硬件资源，提高了硬件利用率并大大降低了资金和运营成本。
5.应用迁移
在云计算平台运行以后，尚存在一个将现有的应用向云计算平台迁移的问题，只有将应用迁移到云计算平台，才能更好发挥云计算平台的作用。
从技术上说，VMware虚拟化套件提供了相应的功能——P2V——为这种迁移提供了一定的技术支持。但是，鉴于业务应用的复杂性和关键性，迁移所涉及的问题已经远超出了技术本身的范畴。
根据不同应用的不同特性，所采取的具体步骤将会有所区别，总体而言，首先应该对当前各个应用进行评估，根据各个应用的特性选择需要迁移的业务应用。其次，应该仔细分析选出的应用，并制定一个适合于该应用迁移的大致方案。这个方案可以在云计算平台的测试环境上进行验证，如果方案能够被测试通过，还应进一步确认该迁移方案的细节，以及失败以后的回滚方案等。最后是对迁移的实施，如果迁移失败，则应根据回滚计划进行回滚，并对失败原因进行分析。图3是采用云计算构建的典型教育城域网应用方案。
五、结论
技术不是万能的，只有当人们创造性使用技术的时候，云计算才能发挥它的最大功效。云计算有以下优点：
（1）最小化了终端设备的需求；
（2）采用了虚拟化技术，节约了教育数据中心IT基础设施建设成本；
（3）支持在同一套IT基础设施上承载多所学校业务运营，帮助各类教育业务在数据中心的加载和运营；
（4）利用集中处理优势，提高了IT基础设施的运行效率，降低了整个教育系统的能耗。
总之，在下一代教育城域网建设中，部署云计算将是必然的趋势。让IT技术的使用成本极大降低，无论是教育城域网中心还是最终学校用户，都无须过多关注各种IT技术的具体细节，而应将注意力集中在其业务需求和运营模式上。云计算为每一所独立的学校网络平台进行资源整合，为实现区域教育的均衡发展奠定了坚实的网络基础。
注释:
①服务器集群是指用N台服务器串联起来的集群技术，目的是使群集内的N台服务器能够做到负载均衡，达到提升性能的目的，整个集群对外是一个点。
②全称为中国教育和科研计算机网，始建于1994年，是一个包括全国主干网、地区网和校园网在内的三级层次结构的计算机网络。
③主机托管就是把需要联网的服务器放到网络运营商的机房，这样的业务都不是和运营商直接签单，主机托管与服务器托管意思相同。
④虚拟化软件是云计算的基础，是云计算最重要的支撑技术。VMware公司开发了基于X86架构的普通个人电脑应用的虚拟化软件。
⑤数据迁移（Data migration）是指在存储类型、格式和计算机系统之间的数据转换。当一个机构决定使用新的计算系统或与当前的系统不兼容的数据管理系统时数据迁移是必须的。
⑥SAN是存储区域网络Storage Area Network的简写，一个中央化的硬盘阵列，可以通过一个高性能网络（光纤通道）为许多服务器服务。
⑦iSCSI技术是由IBM公司研究开发的，供硬件设备使用的，可以在IP协议的上层运行的SCSI指令集。这种指令集合可以实现在IP网络上运行SCSI协议，使其能够在诸如高速千兆以太网上进行路由选择。iSCSI技术是一种新储存技术，该技术是将现有SCSI接口与以太网络(Ethernet)技术结合，使服务器可与使用IP网络的储存装置互相交换资料。
⑧NAS（Network Attached Storage：网络附属存储）是一种将分散、独立的数据整合为大型、集中化管理的数据中心，以便于对不同主机和应用服务器进行访问的技术。
（作者单位：1.烟台开发区教育局教学仪器站 2.烟台市芝罘区福安中学）
（责任编辑：马赞）