论文部分内容阅读
摘 要： 介绍了超融合技术的内涵、特点和关键技术，提出以超融合技术来构建智慧校园，建设统一认证平台和双活数据中心等，实现教学和生活以及校园资源和系统的整合及其精细化管理。
关键词： 超融合技术; 智慧校园; 信息化; 精细化管理
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1006-8228（2021）08-127-03
Building smart campus with Hyper-Converged technology
Huang Hongjie
（Fujian Vocational College of Agriculture Information Engineering Department， Fuzhou， Fujian 350119， China）
Abstract： This paper introduces the connotation， characteristics and key technologies of Hyper-Converged technology， and proposes to build a smart campus with Hyper-Converged technology， build a unified authentication platform and an active-active data center， so as to realize the integration and fine management of teaching and living， and campus resources and systems.
Key words： Hyper-Converged technology; smart campus; informatization; fine management
0 引言
教育领域在进行数字化校园建设时，一般是“按需、逐个、独立”的购买或研发教育信息化应用系统，但随着信息技术的不断进步，最终形成了以数据、应用、硬件和资源等组成的“孤岛架构”。本文利用超融合技术构建智慧校园，提高了教育资源的共享和利用率，以此促进学校管理手段和教学方式的变革。
1 超融合技术概述
超融合技术，又称“超融合架构技术”，是指在单个一体化基础架构中同时具备计算、存储、网络和虚拟化等资源和技术的架构。超融合基础架构（Hyper-Converged Infrastructure）是一种集成了虚拟计算资源和存储设备的信息基础架构。在这样的架构环境中，以硬件服务器为基础，以虚拟机为核心，提升集群的运算效能和存储空间，具有融合性、敏捷性、安全性、扩展性和开放性等特点。同一套单元设备中不但具备了计算、网络、存储和服务器虚拟化等资源和技术，而且多套单元设备可以通过网络聚合为一个统一的资源池，实现了模块化的统一管理和无缝横向扩展，形成了智慧校园硬件资源与虚拟化平台的完整融合[1]，实现了超融合技术构建智慧校园，如图1所示。超融合技术主要组件有三大组成部分：①计算虚拟化;②存储虚拟化;③网络虚拟化。
2 超融合技术特点
2.1 融合性
超融合将计算虚拟化和分布式存储部署在同一服务器硬件内，用户可根据自身需要来设定计算和存储资源的服务等级，实际资源的分配可由智慧校园超融合管理平台自动完成，管理变得轻松而简单[2]。超融合架构把服务器、网络及存储进行了融合，并且搭载在统一管理平台上（图1），便于维护，实现了物理融合及管理融合。
2.2 敏捷性
超融合技術通过软硬件一体化的深度融合，加快实现设备交付、弹性伸缩架构、敏捷持续部署业务和精简管理系统。超融合技术利用虚拟化和软件定义存储以及硬件的重构，构建了扁平化、结构随需而变、弹性可扩展的业务敏捷交付平台，所有的模块资源均可达到按需部署，实现动态资源扩展业务和灵活调度。
2.3 安全性
超融合采用集群管理方式，集群中的各个节点信息同步，共同管理集群资源和任务，构成分层存储的统一资源池，实现了虚拟机对资源的无缝访问，其安全性表现为：①系统出现故障时能够自动在其他节点设备上重启，避免单点故障;②如果一个节点出现了故障，整个业务系统仍可以正常工作，有效保障业务连续性和数据安全可靠。
2.4 扩展性
超融合采用分布式架构，可最小部署、按需扩容，具备强大的横向扩展能力表现为：①无节点数和单点故障限制，内置本地备份、同城和异地容灾能力;②扩容节点时，无需迁移系统内所有数据，可以快速达到负载均衡状态;③增加节点时，系统IOPS、吞吐量等性能，以及系统存储容量能够实现同步线性增长的高扩展性，采用了全异步架构、无状态连接服务和无锁架构。
2.5 开放性
超融合采用了软硬件解耦架构，对主流操作系统和应用进行兼容性适配和性能优化集成并具有：①在服务器层面，超融合架构能够在任何服务器上运行，与硬件配置无关，无需修改上层系统和应用;②在存储层面，超融合架构支持与外置存储对接，并可将数据存储备份;③在网络层面，超融合架构无依赖网络设备，可与现有网组网连接[3]。
3 超融合关键技术
3.1 计算虚拟化
计算虚拟化通过虚拟化管理程序将物理服务器的硬件资源与上层应用进行解耦，形成统一的计算资源池，然后可弹性分配给逻辑上隔离的虚拟机共享使用。
3.2 存储虚拟化
存储虚拟化是对存储硬件资源进行抽象化表现，通过将集群各节点服务器上独立的硬盘存储空间进行组织聚合，构成一个共享的存储资源池，所有的存储资源在这个存储池中统一管理，实现存储资源的自动化管理和分配，构建高效灵活的存储架构与管理平台，采用多副本机制，一份数据同时存储在多个不同的物理服务器硬盘上，提升数据可靠性，保障关键业务安全稳定运行。 3.3 网络虚拟化
网络虚拟化是通过网络设备实现存储虚拟化功能，实现网络连接服务按需分配和灵活调度，提供了全新的网络连接运维模式，解决了传统硬件网络的众多管理和运维难题，可满足业务应用对网络快速、灵活自动化部署的需求[4]。
3.4 服务器虚拟化
采用服务器虚拟化技术，将服务器物理资源转化为一组可统一管理、调度和分配的硬件云平台架构，并在单个物理服务器上构建多个同时运行、相互隔离的虚拟机执行环境，充分发挥虚拟机的“一次构建、多次部署”优势，利用集中化技术，将用户和设备剥离，并对数据中心的应用和数据整合，实现了更高的资源利用率，减少了系统管理的复杂度，加快了对业务需求的响应速度，提供高可靠、高可用的应用服务[5]。
4 超融合技术构建智慧校园
充分利用超融合技术搭建智慧校园基础架构，对系统和平台软件进行优化设计与集成，搭建智慧校园新架构[6]，如图2所示。
4.1 融合与超融
超融合技术的迅速发展使得智慧校园可以在更多的虚拟化存储解决方案当中进行选择，要从三个方面正确理解融合和超融合间的区别：①融合包括存储、网络、计算和服务器虚拟化硬件等，由一个集中的管理平台将各类资源连接在一起。超融合还包括：可以在数据中心找到的其他资源;②融合增加更多的硬盘驱动器、内存或CPU，或甚至是另一个参考架构，而超融合可以扩张也可以增加设备;③融合可以包括来自于不同供应商的系统，而超融合则是由单一供应商以单一设备形式提供的。
4.2 超融合架构
超融合架构是一种软件定义架构，它将计算资源、网络、存储、服务器聚合在一起，用户的请求基本在本地完成。智慧校园在超融合集群架构中增加和剔除节点简单，也可按需求线性的扩展集群规模，其具有以下特征：①高速度，多节点并发，SSD缓存，读写本地化，具有更高的IOPS和更低的延迟;②高可靠性，采用跨节点双副本或三副本模式，可保证同时坏一个或两个节点时，数据不丢失;③易扩展，可在线线性扩展硬盘或节点，数据会自动负载均衡，扩容简单快速;④易部署维护，硬件设备少，网络拓扑简单。
4.3 统一认证平台设计
智慧校园认证方式采用统一认证，以解决兼容性和便利性问题，具有高可靠、高性能、扩展性强等特点认证系统建设需要满足：①学校总体宽带运营规划和管理规程，校园网必须先满足校内教学等基本要求;②要解决当前最急迫的校园网认证计费系统的超负荷工作和单点故障问题，满足新形势下用户系统和多终端管理对网络认证的便利性、可靠性和统一使用无感知要求[7];③从技术层面实现有线无线统一账号、统一认证、网络一体化、多业务承载一体化、安全策略一体化和网络服务质量控制一体化，实现负载均衡保证高可靠性，实现热备或分布式部署保证高可靠性，数据库实现集群保证高可靠性;④管理程序提供工作负载邻接、冗余、故障迁移、管理和容器化作用。
4.4 双活数据中心
智慧校园利用超融合架构计算、网络、存储合为一体的特征，消除传统数据中心存在的网络和存储性能瓶颈，积极构建基于双活和虚拟化技术建设的数据中心，能够保证业务连续性，必须做到以下几点：①单个或多个服务器故障时，虚拟机会自动迁移到其他服务器;②单存储故障时，会自动读写另一台存储;③单存储交换机故障时，会通过另一台存储交换机保证服务器与存储的连接。这样双活数据中心能保障软错误，一旦软件出现问题，各系统间不会相互影响。
4.5 数据库及数据安全
数据库的高可用性是保证智慧校园业务正常的关键。为避免因數据库服务器故障出现的数据库系统故障，从建设独立的物理服务器系统以外，还得硬件冗余角度考虑，如双节点的数据库。而服务器使用到磁盘系统应采用阵列系统，同时使用raid技术，保证数据安全确保数据的安全和存取的高效[8]。
5 结束语
本文依据教育信息化的现状和发展瓶颈，提出了超融合技术构建智慧校网的解决方案，保证了智慧校园建设的扩展兼容性、可持续发展，将超融合统一平台理念贯穿始终，实现了校园教育管理数字化和智能化，保障了智能化学校统一管理平台的信息安全，但如何在多个超融合平台间实现跨域无缝融合，是未来的重点研究方向。
参考文献（References）：
[1] 孟欣.基于超融合架构的新一代数据中心建设探究[J].电脑编程技巧与维护，2018.4：98
[2] 冷迪.企业数据中心超融合架构的特点和发展趋势研究[J].科技创新与应用，2015.35：37
[3] 唐凯军.超融合技术在高校数据中心基础架构中的应用研究[J]. 信息记录材料，2020.21（5）：125
[4] 朱炎逢，许晓安，谭思敏，阮远华，林胤，刘小慧.基于多个超融合平台的网络安全研究[J].电脑与电信，2019.11：26
[5] 林勇.探究云化时代背景下的IT基础架构——超融合架构[J].电子元器件与信息技术，2018.10：33
[6] 朱厚峰，徐广超，石昌岭，刘洋，满晓蒙，黄婕.智慧校园应用系统的设计与实现[J].福建电脑，2021.37（2）：106
[7] 乔治锡.四川信息职业技术学院智慧校园基础设施设计与实现[D].西南交通大学硕士学位论文，2016.
[8] 吴霄，韦冠名.云化转型趋势下基于超融合技术的分行数据中心建设探索[J].金融科技时代，2020.28（12）：51
收稿日期：2021-03-15
作者简介：黄宏杰（1972-），男，福建莆田人，硕士，副教授，主要研究方向：计算机网络、网络设备、网络架构和安全技术等。
关键词： 超融合技术; 智慧校园; 信息化; 精细化管理
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1006-8228（2021）08-127-03
Building smart campus with Hyper-Converged technology
Huang Hongjie
（Fujian Vocational College of Agriculture Information Engineering Department， Fuzhou， Fujian 350119， China）
Abstract： This paper introduces the connotation， characteristics and key technologies of Hyper-Converged technology， and proposes to build a smart campus with Hyper-Converged technology， build a unified authentication platform and an active-active data center， so as to realize the integration and fine management of teaching and living， and campus resources and systems.
Key words： Hyper-Converged technology; smart campus; informatization; fine management
0 引言
教育领域在进行数字化校园建设时，一般是“按需、逐个、独立”的购买或研发教育信息化应用系统，但随着信息技术的不断进步，最终形成了以数据、应用、硬件和资源等组成的“孤岛架构”。本文利用超融合技术构建智慧校园，提高了教育资源的共享和利用率，以此促进学校管理手段和教学方式的变革。
1 超融合技术概述
超融合技术，又称“超融合架构技术”，是指在单个一体化基础架构中同时具备计算、存储、网络和虚拟化等资源和技术的架构。超融合基础架构（Hyper-Converged Infrastructure）是一种集成了虚拟计算资源和存储设备的信息基础架构。在这样的架构环境中，以硬件服务器为基础，以虚拟机为核心，提升集群的运算效能和存储空间，具有融合性、敏捷性、安全性、扩展性和开放性等特点。同一套单元设备中不但具备了计算、网络、存储和服务器虚拟化等资源和技术，而且多套单元设备可以通过网络聚合为一个统一的资源池，实现了模块化的统一管理和无缝横向扩展，形成了智慧校园硬件资源与虚拟化平台的完整融合[1]，实现了超融合技术构建智慧校园，如图1所示。超融合技术主要组件有三大组成部分：①计算虚拟化;②存储虚拟化;③网络虚拟化。
2 超融合技术特点
2.1 融合性
超融合将计算虚拟化和分布式存储部署在同一服务器硬件内，用户可根据自身需要来设定计算和存储资源的服务等级，实际资源的分配可由智慧校园超融合管理平台自动完成，管理变得轻松而简单[2]。超融合架构把服务器、网络及存储进行了融合，并且搭载在统一管理平台上（图1），便于维护，实现了物理融合及管理融合。
2.2 敏捷性
超融合技術通过软硬件一体化的深度融合，加快实现设备交付、弹性伸缩架构、敏捷持续部署业务和精简管理系统。超融合技术利用虚拟化和软件定义存储以及硬件的重构，构建了扁平化、结构随需而变、弹性可扩展的业务敏捷交付平台，所有的模块资源均可达到按需部署，实现动态资源扩展业务和灵活调度。
2.3 安全性
超融合采用集群管理方式，集群中的各个节点信息同步，共同管理集群资源和任务，构成分层存储的统一资源池，实现了虚拟机对资源的无缝访问，其安全性表现为：①系统出现故障时能够自动在其他节点设备上重启，避免单点故障;②如果一个节点出现了故障，整个业务系统仍可以正常工作，有效保障业务连续性和数据安全可靠。
2.4 扩展性
超融合采用分布式架构，可最小部署、按需扩容，具备强大的横向扩展能力表现为：①无节点数和单点故障限制，内置本地备份、同城和异地容灾能力;②扩容节点时，无需迁移系统内所有数据，可以快速达到负载均衡状态;③增加节点时，系统IOPS、吞吐量等性能，以及系统存储容量能够实现同步线性增长的高扩展性，采用了全异步架构、无状态连接服务和无锁架构。
2.5 开放性
超融合采用了软硬件解耦架构，对主流操作系统和应用进行兼容性适配和性能优化集成并具有：①在服务器层面，超融合架构能够在任何服务器上运行，与硬件配置无关，无需修改上层系统和应用;②在存储层面，超融合架构支持与外置存储对接，并可将数据存储备份;③在网络层面，超融合架构无依赖网络设备，可与现有网组网连接[3]。
3 超融合关键技术
3.1 计算虚拟化
计算虚拟化通过虚拟化管理程序将物理服务器的硬件资源与上层应用进行解耦，形成统一的计算资源池，然后可弹性分配给逻辑上隔离的虚拟机共享使用。
3.2 存储虚拟化
存储虚拟化是对存储硬件资源进行抽象化表现，通过将集群各节点服务器上独立的硬盘存储空间进行组织聚合，构成一个共享的存储资源池，所有的存储资源在这个存储池中统一管理，实现存储资源的自动化管理和分配，构建高效灵活的存储架构与管理平台，采用多副本机制，一份数据同时存储在多个不同的物理服务器硬盘上，提升数据可靠性，保障关键业务安全稳定运行。 3.3 网络虚拟化
网络虚拟化是通过网络设备实现存储虚拟化功能，实现网络连接服务按需分配和灵活调度，提供了全新的网络连接运维模式，解决了传统硬件网络的众多管理和运维难题，可满足业务应用对网络快速、灵活自动化部署的需求[4]。
3.4 服务器虚拟化
采用服务器虚拟化技术，将服务器物理资源转化为一组可统一管理、调度和分配的硬件云平台架构，并在单个物理服务器上构建多个同时运行、相互隔离的虚拟机执行环境，充分发挥虚拟机的“一次构建、多次部署”优势，利用集中化技术，将用户和设备剥离，并对数据中心的应用和数据整合，实现了更高的资源利用率，减少了系统管理的复杂度，加快了对业务需求的响应速度，提供高可靠、高可用的应用服务[5]。
4 超融合技术构建智慧校园
充分利用超融合技术搭建智慧校园基础架构，对系统和平台软件进行优化设计与集成，搭建智慧校园新架构[6]，如图2所示。
4.1 融合与超融
超融合技术的迅速发展使得智慧校园可以在更多的虚拟化存储解决方案当中进行选择，要从三个方面正确理解融合和超融合间的区别：①融合包括存储、网络、计算和服务器虚拟化硬件等，由一个集中的管理平台将各类资源连接在一起。超融合还包括：可以在数据中心找到的其他资源;②融合增加更多的硬盘驱动器、内存或CPU，或甚至是另一个参考架构，而超融合可以扩张也可以增加设备;③融合可以包括来自于不同供应商的系统，而超融合则是由单一供应商以单一设备形式提供的。
4.2 超融合架构
超融合架构是一种软件定义架构，它将计算资源、网络、存储、服务器聚合在一起，用户的请求基本在本地完成。智慧校园在超融合集群架构中增加和剔除节点简单，也可按需求线性的扩展集群规模，其具有以下特征：①高速度，多节点并发，SSD缓存，读写本地化，具有更高的IOPS和更低的延迟;②高可靠性，采用跨节点双副本或三副本模式，可保证同时坏一个或两个节点时，数据不丢失;③易扩展，可在线线性扩展硬盘或节点，数据会自动负载均衡，扩容简单快速;④易部署维护，硬件设备少，网络拓扑简单。
4.3 统一认证平台设计
智慧校园认证方式采用统一认证，以解决兼容性和便利性问题，具有高可靠、高性能、扩展性强等特点认证系统建设需要满足：①学校总体宽带运营规划和管理规程，校园网必须先满足校内教学等基本要求;②要解决当前最急迫的校园网认证计费系统的超负荷工作和单点故障问题，满足新形势下用户系统和多终端管理对网络认证的便利性、可靠性和统一使用无感知要求[7];③从技术层面实现有线无线统一账号、统一认证、网络一体化、多业务承载一体化、安全策略一体化和网络服务质量控制一体化，实现负载均衡保证高可靠性，实现热备或分布式部署保证高可靠性，数据库实现集群保证高可靠性;④管理程序提供工作负载邻接、冗余、故障迁移、管理和容器化作用。
4.4 双活数据中心
智慧校园利用超融合架构计算、网络、存储合为一体的特征，消除传统数据中心存在的网络和存储性能瓶颈，积极构建基于双活和虚拟化技术建设的数据中心，能够保证业务连续性，必须做到以下几点：①单个或多个服务器故障时，虚拟机会自动迁移到其他服务器;②单存储故障时，会自动读写另一台存储;③单存储交换机故障时，会通过另一台存储交换机保证服务器与存储的连接。这样双活数据中心能保障软错误，一旦软件出现问题，各系统间不会相互影响。
4.5 数据库及数据安全
数据库的高可用性是保证智慧校园业务正常的关键。为避免因數据库服务器故障出现的数据库系统故障，从建设独立的物理服务器系统以外，还得硬件冗余角度考虑，如双节点的数据库。而服务器使用到磁盘系统应采用阵列系统，同时使用raid技术，保证数据安全确保数据的安全和存取的高效[8]。
5 结束语
本文依据教育信息化的现状和发展瓶颈，提出了超融合技术构建智慧校网的解决方案，保证了智慧校园建设的扩展兼容性、可持续发展，将超融合统一平台理念贯穿始终，实现了校园教育管理数字化和智能化，保障了智能化学校统一管理平台的信息安全，但如何在多个超融合平台间实现跨域无缝融合，是未来的重点研究方向。
参考文献（References）：
[1] 孟欣.基于超融合架构的新一代数据中心建设探究[J].电脑编程技巧与维护，2018.4：98
[2] 冷迪.企业数据中心超融合架构的特点和发展趋势研究[J].科技创新与应用，2015.35：37
[3] 唐凯军.超融合技术在高校数据中心基础架构中的应用研究[J]. 信息记录材料，2020.21（5）：125
[4] 朱炎逢，许晓安，谭思敏，阮远华，林胤，刘小慧.基于多个超融合平台的网络安全研究[J].电脑与电信，2019.11：26
[5] 林勇.探究云化时代背景下的IT基础架构——超融合架构[J].电子元器件与信息技术，2018.10：33
[6] 朱厚峰，徐广超，石昌岭，刘洋，满晓蒙，黄婕.智慧校园应用系统的设计与实现[J].福建电脑，2021.37（2）：106
[7] 乔治锡.四川信息职业技术学院智慧校园基础设施设计与实现[D].西南交通大学硕士学位论文，2016.
[8] 吴霄，韦冠名.云化转型趋势下基于超融合技术的分行数据中心建设探索[J].金融科技时代，2020.28（12）：51
收稿日期：2021-03-15
作者简介：黄宏杰（1972-），男，福建莆田人，硕士，副教授，主要研究方向：计算机网络、网络设备、网络架构和安全技术等。