基于云计算与虚拟化技术在中小学数字化校园建设中的应用

　　1引言

　　在教育行业，特别是规模较大的校园网的建成中，伴随着教育信息化的不断深化，都面临着能耗和运维成本过大等问题，提高校内系统的计算机软硬件资源共享效率，降低运维成本和能耗已成为大中型校园网络的紧迫问题。近几年来，云计算与虚拟化技术已经发展得很成熟，其应用在IT行业中如雨后春笋般涌现。它在数字化校园建设中应该有非常广阔的应用前景。下面以铜仁一中新校区数字化校园规划建设为例，探讨如何根据应用需求来确定云计算与虚拟化技术的应用方案。

　　2云计算与虚拟化技术

　　云计算（Cloud Computing）是由分布式计算（Distributed Computing）、并行处理（Parallel Computing）、网格计算（Grid Computing）发展来的，是一种新兴的商业计算模型。目前，对于云计算的认识在不断的发展变化，云计算仍没有标准的一致的定义。广义的讲，云计算指通过网络以按需服务方式和易扩展的方式获取所需要的各种服务。这些服务可以是信息技术各方面应用，也可以是任意其它服务。从狭义角度来看，云计算是指通过网络方式以按需、易扩展和付费的方式，利用IT基础设施的交付和使用模式，获得所需的资源（硬件、软件等）。提供资源的网络被称为云[1]。

　　云计算系统运用了许多技术，其中以虚拟化技术、数据管理技术、数据存储技术、云计算平台管理技术等。其中最关键、最核心的就是虚拟化技术。虚拟化技术根据对象可分成存储虚拟化、计算虚拟化、网络虚拟化等，计算虚拟化又分为系统级虚拟化、应用级虚拟化和桌面虚拟化[2]。虚拟化是为某些对象创造的虚拟化版本，比如操作系统、存储设备和网络资源等。虚拟化技术是云计算、云存储服务得以实现的关键技术之一。它将应用程序以及数据，通过虚拟化，在不同的层次以不同的面貌加以展现，从而使得不同层次的开发者、使用及维持人员，能够方便使用开发及维护存储的数据应用于计算和管理的程序。

　　3基于云计算与虚拟化技术应用的数字化校园建设规划

　　3.1需求分析

　　我校于2001年在贵州中小学首批建设千兆校园网络，通过这十几年的教育教学应用，综合起来看，基于Office软件的本地文档处理和基于WEB的网络信息查询、发布、交流应用最多。这几年人员增加较快，现有教职工已达300多人，三年内将逐步增加到400人左右。2014年即将建成的新校区，万兆骨干、千兆到桌面的校园网基础平台已经基本建成。应用范围将向基于网络化管理深化，目前，基于网络的教务管理、IP广播、视频监控、校园一卡通等项目已经通过政府招标采购，新上的项目应该是信息化管理维护的重点。若用传统的个人电脑和服务器模式需要部署1000多台普通计算机，才能满足100多个班，7000多学生规模的教育教学应用。这样，带来的能耗及运维管理成本是巨大的，信息技术运维人员也将力不从心。为提高运维管理效率、减少资源浪费，我们计划大量应用基于云计算与虚拟化技术来解决新校区教师电子备课、信息管理等教育信息化的一些问题。

　　3.2技术选型

　　目前的虚拟化市场中，主流的产品有微软的Virtual PC和Hyper-V系列产品，Vmware的VMware Workstation、VMware Server系列产品以及Xen的Xen Enterprise系列产品，其中Vmware由于涉及这个领域比较早，目前在x86服务器这个领域占有半数以上的市场份额，但是随着微软近来推出新一波虚拟化策略，他的市场占有率正在逐步扩大，越来越多的用户加入到了微软的Hyper-V阵营中[3]。从服务器虚拟化技术的方向来讲，以上三家公司的产品技术各有所长，Hyper-V属于操作系统绑定的半虚拟化技术、Vmware属于硬件虚拟化，Xen使用的是准虚拟化技术。从功能来看，也基本都能满足用户的需求，因此，我们选型重点要考虑的是性价比。

　　微软收购了XenSource从而获取了半虚拟化技术，并把这项技术和新一代服务器操作系统Windows Server 2008/2012有效整合起来，而且定价也比较低。对于中小学，一般应用不是很复杂（多以Office应用为主），通常，中小学的运维人员只熟悉Windows Server操作系统，不具有精通Linux的运维人员，因此Hyper-V的Windows版本则是不二的选择。

　　3.3云计算服务器配置方案

　　大多数云环境都基于虚拟化基础架构技术。根据前面的需求分析，我们以我校400个教职工教研备课为例，采用Windows Server 2012 with Hyper-V服务器虚拟化桌面管理解决方案。采购8台Intel Xeon E5服务器（每台配置处理器为2颗Intel Xeon E5-2650 v2 CPU，它是八核心，16线程，20MB 缓存的CPU，内存配置8*16GB R-ECC DDR3以上，硬盘配置2块300GB 15K 热插拔3.5寸SAS硬盘，5个Intel千兆网口）。每台能为50个用户提供计算服务。而存储系统则按400*200GB高速硬盘存储空间的共享配置。每个用户端只需要配置大约7W功耗的云终端分体（由于是弱电，故障率极低），就可以实现传统PC200W功耗的主机实现的桌面计算功能，而且根据当前市场价格，建设基于云计算的虚拟化技术400用户的总体成本，比采购400台传统PC建设成本略低。

　　通过Windows Server 2012 with Hyper-V虚拟化技术，为400个用户提供"虚拟环境"（简称VM）。既可以降低首次投入成本、增强安全性、提高利用率，而且可以大大降低后期的运维成本（详见下文）。 　　4 云计算技术方案应用预期效果

　　通过基于虚拟化基础架构技术，可以预期实现以下效果：

　　（1）节能、环保、降低投入成本。按每台5300元，采购400台PC机计算，采用基于虚拟化基础的云计算技术方案，可以大约节约一次性投入成本16万元。由于虚拟终端分体平均能耗只有7W左右，相对于传统PC主机200W能耗，随着使用时间的增长，后期节能降耗优势更显著。详见表1。

　　表1 每年系统能耗成本比较（以400台终端平均每天开机3小时）

　　（2）利用虚拟化技术进行服务器整合，全面提高服务保障水平。服务器及存储系统的安全性能远高于普通PC，这样可以降低单点故障，提高服务保障水平。

　　（3）利用虚拟化技术进行统一管理维护，极大降低了管理工作量。服务器整合改变了基础设施的分散、复杂现状，允许管理人员使用集中管理控制台对多台服务器进行集中管理。同时各部门也可以利用用户控制面板对单个VM进行管理维护，进行诸如启动、停止、重启、备份、恢复等，灵活的集中管理模式将使管理员从简单机械的重复操作（如重装系统）中解脱出来，极大地降低了管理工作量。

　　（4）改善资源分配，提高资源利用率。传统PC机每个人的硬件资源（比如CPU、内存及硬盘空间）独立，很多人用不完，有些人不够用。利用Hyper-V虚拟化技术，信息中心可以按照不同应用所需的不同资源，动态地对物理服务器进行虚拟分区，提供最合适的虚拟环境，极大地提高硬件的利用率，也使得资源分配更加合理。虚拟环境的大量使用，还可以改变以往在单台服务器上只能部署单个应用的弊病，除了降低单点故障可能性外，还缓解因资源利用率不高而导致的整体资源紧张问题，增强数据安全性和灾难恢复能力，最大程度地保障多用户环境下的数据安全[4]。

　　（5）降低运维成本。虚拟化方案部署后，所有应用全部运行在虚拟环境中，完全实现了软硬件的隔离。利用Hyper-V虚拟化技术，还可以实现零宕机迁移技术，可将迁移工作对业务的影响降低为零。无需使用昂贵的专用存储设备，仅采用备份现有虚拟环境或进行VM整体迁移，就可以实现高质量备份/恢复方案。通过部署虚拟化技术，可以改善信息中心对基础设施的管理方式，极大地降低管理工作量。传统PC技术方案要维护400台PC机，科室间人员工作变动需要拷贝大量数据甚至搬动PC机。应用云技术方案只需维护8台服务器和一套存储系统，人员在校园网内任何地点登录办公都是一样环境，节约管理和维护成本。使用几年后，若需升级，只需要升级服务器系统和存储系统统即可，不需像以往传统PC要对400多台计算机进行升级。

　　4面临的问题及对策

　　4.1技术人员能力不足

　　由于大部分中小学技术管理人员都是由信息技术教师兼职，缺乏服务器的使用经验，虚拟化方案部署后，将面临管理人员难以胜任的问题，这需要加强技术人员培训的力度，提高管理人员技术水平。

　　4.2使用习惯

　　用户每次使用都需要通过账号登录，另外存储的数据都是云端（远端的服务器存储系统），这与普通PC本地不同，需要对用户进行简单使用方法及安全技术培训。

　　4.3对网络质量的依赖程度高

　　就现在来说，虚拟化并不是一项新技术。虚拟化刚刚诞生的时候，它最大的诟病就是，支撑虚拟系统的硬件投入和对于网络环境的要求，对网络带宽的要求较高等。如果网络不通，任何事情都不能做，基于此，我们一是要在先期的校园网络基础环境建设做扎实（就目前我校规划的万兆主干千兆到桌面的校园网基础应该是能够胜任），二是为每个教研组配置一台独立PC灵活应用。由于服务器及存储系统存放在网络中心，因此，为了降低故障、延长使用寿命，网络中心环境的建设也要搞好。

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