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摘要：计算机基础教育对西部民族地区培养人才起着非常重要的作用。本文详细分析了新疆高校计算机等级考试的现状，提出了建立基于新疆教育科研网的分布式混合考试云架构，既能保障新疆高校计算机等级考试安全顺利进行，又使得新疆教育系统云计算应用得到了实践，更好地推动新疆少数民族地区计算机基础教育事业。
关键词：CCT;并发性;安全性;混合云
新疆高校计算机等级考试（以下简称CCT）对西部少数民族计算机基础教育起到了重要的推动作用。CCT从1994年开始，已经举办了49届（另有24次加试），通过全疆各高校二十多年的共同努力，参加考试的人数也由最初每届考试几千考生，发展到现在有每届超5万考生的规模。考试方式由传统的纸质考试加机试，变成了现在的无纸化、网络化的计算机考试。试题通过题库自动生成，不同的考生题目不同，但难度基本一致，既保证了考试的公平性，也改善了考生的考风和考纪。
1 CCT现状分析
近年来，疆内许多高校将CCT的成绩作为学生大学计算机基础课程的成绩，甚至部分高校把CCT各班級通过率作为评价授课教师工作业绩的评价指标之一。而每年参加CCT考试的少数民族考生占到了总人数的一半以上。
然而，当前的网络化计算机考试系统也存在一些问题。
第一，表现在试题库分发与考试数据汇总时间太长。考试前，各高校需派专人到新疆高校综合水平考试办公室（简称：综考办，以下同）考试中心领取新版题库及考试系统或由综考办通过机要邮寄到学校，再在学校实验中心安装。考试结束后收集考试数据，再派专人送到或通过机要邮寄到综考办。新疆地广人稀，高校又分布在南北疆各地，每次考试从下通知到最后全部收集完整，少则一周，多则半个多月。
第二，硬件设备资源不足，造成考试不能一天考完。由于各校服务器数量有限，单台服务器提供服务的能力有限，为保证考试顺利进行，各校组织考试时总是为一个机房配置一台服务器，这使得无服务器的机房不能组织考试;服务器性能较差时，连接的考试用机器有限，严重限制了校园内能够参加考试机房的数量，从而造成考试场次多、时间长，甚至出现长达一周才考完的现象。
第三，各高校分别采购服务器，会造成设备大量闲置。各校为应对计算机等级考试而增加采购服务器，但仅仅是有考试时使用，没有考试时空闲。这不但加大了学校的投入，而且造成设备大量闲置。
第四，网络考试中会发生网络拥堵。计算机等级考试具有突发性和并发性特点。当前CCT等级考试每年组织三次，两次正考一次加试。大多数学校考试就一两天，最多的也就一周左右，平时没有人用，考试时又同时一起考。开考大家一起开始，结束时大家一起交卷。如果由于同时交卷造成阻塞，造成部分考生无法正确交卷，那就可能导致重大考试事故。由于考试每名考生的试题不同，为避免考试时动态抽题服务器的压力，以及考试中计算机出现故障需更换机器造成重新抽题，使此考生题目变化，考试系统通常是在考试前为每个考生随机抽好题目。这样既可减轻服务器考试时的负担，又可保证考生更换设备后题目的一致性。但是这样又带来了开考时传输数据量大，大家又同时开考，造成网络拥堵现象。新疆大学作为中国教育科研网新疆地区的主节点，与疆内其他高校之间连接的带宽通常都是1G以下，很多边远些的学校通常也就是100M接入。而各高校校内网络各楼宇间基本都是光纤连接、层间千兆交换、百兆到桌面。如果仅在新疆大学建设单一数据中心的计算机等级考试云，南疆如塔里木大学、喀什大学，北疆的伊犁师范大学等参考人数较多的大学，同时参加考试，一起争夺本校校园网出口，必定会造成拥堵。
第五，高安全性要求。计算机等级考试系统要求的安全性必须满足国家级考试要求，不能因为安全技术手段不到位等原因造成试题泄露或被网络攻击而造成网络瘫痪或是考试终止。
2 建立分布式混合考试云架构
基于以上CCT现状，为了满足全疆高校CCT考试的需求，研究具有高安全性、高并发性及可伸缩特点的计算机等级考试系统架构具有很强的迫切性和现实意义。
近年来云架构和云安全一直是国内外云计算研究的热点。随着云计算渗透到与人类生活密切相关的各个领域，云计算提供的服务越来越多。建立基于新疆教育科研网的分布式混合计算机等级考试云是解决当前存在问题的较好解决办法，这也将成为新疆教育系统云计算的重要实践。
云计算有四种云部署模式。包括公共云、私有云、社区云和混合云四种[1]。CCT考试具有高并发性、试题与数据分发和汇总的高安全性等特点，而新疆地区的教育网络存在典型的校内带宽大于高校间带宽的问题。如果考虑为各高校分散建设专门的考试系统私有云，仅仅采购服务器就是一笔较大开支，而由于全疆各高校财力差异较大，而考试的性质会造成设备大部分时间处于闲置状态，这限制了各校在此方面上投入。鉴于硬件资源、考试特点及教育网的特点，建设以综考办考试中心为核心的考试控制云，再连接各高校以虚拟化技术建立的考试服务云，从而构成一个大的混合云的部署模式是最佳选择。混合云的云基础设施是由两个或两个以上的云（私有云、社区云或公共云）组成，它们相互独立，通过标准化技术或专有技术绑定在一起，云之间实现数据和应用程序的可移植性。在各高校私有云中部署由自身所需数据构成的分布式数据中心，从而形成全疆范围内的考试系统混合云架构[2]。
3 分布式混合考试云的安全性
采用什么方式提供服务，计算机等级考试云架构的安全如何保障？
在各校内通过校园网统一由中心服务器机房为本校各不同考场提供服务从技术上是可行的，但是由于各校网络管理水平的差异和考试安全性的要求，使得这个问题难以通过高校自身解决。这必须通过具有高安全性防护的云架构保障，以实现计算机等级考试云提供的按需服务、随处访问网络、资源池化、快速弹性以及计量付费服务等目标。 在云计算环境中，用户不再拥有基础设施的硬件资源，软件都运行在云中，业务数据也存储在云中，因此，云计算安全关系到云计算这种革命性的计算模式是否被业界接受。其实，用户的个人电脑或者中小型服务器、数据中心，远没有云计算环境安全。因为在云计算环境中，数据中心和它运行的基础服务都有专业的机构和人员进行运营和管理，他们比个人用户及中小型企业的IT管理员更有安全管理的经验。同时，云计算提供的资源抽象、隔离、用户管理等技术，也能更好地提高安全性。另外，由于云计算提供的规模效应，用户可以在付出更小成本的情况下享受更高级别的安全服务[3][4]。
另外，因为数据在云的大规模分布式存储机制中，完整的数据实体通常是被打散成一些“块”或者“碎片”存储在不同的服务器上，每个块甚至包含来自不同的数据实体的内容，甚至被加密存储。因此，一个块可能是一个很大的逻辑文件的一部分，也可能包含多个很小的逻辑文件。如果一个非法用户想要窥探云中的数据，他必须获得大量的存储服务器的访问授权，而这个是非常困难的。进一步说，用户还可以将数据以分块切割，然后以冗余备份的方式分别存储在多个不同的云存储服务上，因此，考试系统的数据在云中的安全性是有保障的[3][4][5]。
4 结论
建立基于分布式混合云的考试平台可以为云上的新疆高校计算机等级考试系统提供考试和安全服务，从而很好地解决CCT考试面临的各种问题，具有很强的实际应用价值，在更好地推动新疆少数民族地区计算机基础教育事业以及缓解新疆少数民族地区资金短缺、设备不足、人才匮乏等方面具有现实意义。
参考文献：
[1]赵龙刚，金振林等译.云计算架构解决方案设计手册[M].北京：机械工业出版社，2012.8.
[2]朱超.基于虚拟化技术构建高校分布式云计算数据中心[J].武汉工程大学学报，2011，4，100102.
[3]Dimitrios Zissis，Dimitrios Lekkas，Addressing cloud computing security issues[J].Future Generation Computer Systems，2012，28：583592.
[4]Flavio Lombardi，RobertoDiPietro，Secure virtualization for cloud computing[J].Journal of Network and Computer Applications，2011，34：11131122.
[5]Wayne A.Jansen，NIST，Cloud Hooks：Security and Privacy Issues in Cloud Computing[C].Proceedings of the 44th Hawaii International Conference on System Sciences，2011，15301605.
資助项目：2017年（第二批）Google支持教育部产学合作协同育人项目“西部计算机教育提升计划”项目（201702004002）;2018年新疆维吾尔自治区高等学校教学改革研究项目（2018JG09），“以新工科为导向的信息类专业课程建设模式研究”
关键词：CCT;并发性;安全性;混合云
新疆高校计算机等级考试（以下简称CCT）对西部少数民族计算机基础教育起到了重要的推动作用。CCT从1994年开始，已经举办了49届（另有24次加试），通过全疆各高校二十多年的共同努力，参加考试的人数也由最初每届考试几千考生，发展到现在有每届超5万考生的规模。考试方式由传统的纸质考试加机试，变成了现在的无纸化、网络化的计算机考试。试题通过题库自动生成，不同的考生题目不同，但难度基本一致，既保证了考试的公平性，也改善了考生的考风和考纪。
1 CCT现状分析
近年来，疆内许多高校将CCT的成绩作为学生大学计算机基础课程的成绩，甚至部分高校把CCT各班級通过率作为评价授课教师工作业绩的评价指标之一。而每年参加CCT考试的少数民族考生占到了总人数的一半以上。
然而，当前的网络化计算机考试系统也存在一些问题。
第一，表现在试题库分发与考试数据汇总时间太长。考试前，各高校需派专人到新疆高校综合水平考试办公室（简称：综考办，以下同）考试中心领取新版题库及考试系统或由综考办通过机要邮寄到学校，再在学校实验中心安装。考试结束后收集考试数据，再派专人送到或通过机要邮寄到综考办。新疆地广人稀，高校又分布在南北疆各地，每次考试从下通知到最后全部收集完整，少则一周，多则半个多月。
第二，硬件设备资源不足，造成考试不能一天考完。由于各校服务器数量有限，单台服务器提供服务的能力有限，为保证考试顺利进行，各校组织考试时总是为一个机房配置一台服务器，这使得无服务器的机房不能组织考试;服务器性能较差时，连接的考试用机器有限，严重限制了校园内能够参加考试机房的数量，从而造成考试场次多、时间长，甚至出现长达一周才考完的现象。
第三，各高校分别采购服务器，会造成设备大量闲置。各校为应对计算机等级考试而增加采购服务器，但仅仅是有考试时使用，没有考试时空闲。这不但加大了学校的投入，而且造成设备大量闲置。
第四，网络考试中会发生网络拥堵。计算机等级考试具有突发性和并发性特点。当前CCT等级考试每年组织三次，两次正考一次加试。大多数学校考试就一两天，最多的也就一周左右，平时没有人用，考试时又同时一起考。开考大家一起开始，结束时大家一起交卷。如果由于同时交卷造成阻塞，造成部分考生无法正确交卷，那就可能导致重大考试事故。由于考试每名考生的试题不同，为避免考试时动态抽题服务器的压力，以及考试中计算机出现故障需更换机器造成重新抽题，使此考生题目变化，考试系统通常是在考试前为每个考生随机抽好题目。这样既可减轻服务器考试时的负担，又可保证考生更换设备后题目的一致性。但是这样又带来了开考时传输数据量大，大家又同时开考，造成网络拥堵现象。新疆大学作为中国教育科研网新疆地区的主节点，与疆内其他高校之间连接的带宽通常都是1G以下，很多边远些的学校通常也就是100M接入。而各高校校内网络各楼宇间基本都是光纤连接、层间千兆交换、百兆到桌面。如果仅在新疆大学建设单一数据中心的计算机等级考试云，南疆如塔里木大学、喀什大学，北疆的伊犁师范大学等参考人数较多的大学，同时参加考试，一起争夺本校校园网出口，必定会造成拥堵。
第五，高安全性要求。计算机等级考试系统要求的安全性必须满足国家级考试要求，不能因为安全技术手段不到位等原因造成试题泄露或被网络攻击而造成网络瘫痪或是考试终止。
2 建立分布式混合考试云架构
基于以上CCT现状，为了满足全疆高校CCT考试的需求，研究具有高安全性、高并发性及可伸缩特点的计算机等级考试系统架构具有很强的迫切性和现实意义。
近年来云架构和云安全一直是国内外云计算研究的热点。随着云计算渗透到与人类生活密切相关的各个领域，云计算提供的服务越来越多。建立基于新疆教育科研网的分布式混合计算机等级考试云是解决当前存在问题的较好解决办法，这也将成为新疆教育系统云计算的重要实践。
云计算有四种云部署模式。包括公共云、私有云、社区云和混合云四种[1]。CCT考试具有高并发性、试题与数据分发和汇总的高安全性等特点，而新疆地区的教育网络存在典型的校内带宽大于高校间带宽的问题。如果考虑为各高校分散建设专门的考试系统私有云，仅仅采购服务器就是一笔较大开支，而由于全疆各高校财力差异较大，而考试的性质会造成设备大部分时间处于闲置状态，这限制了各校在此方面上投入。鉴于硬件资源、考试特点及教育网的特点，建设以综考办考试中心为核心的考试控制云，再连接各高校以虚拟化技术建立的考试服务云，从而构成一个大的混合云的部署模式是最佳选择。混合云的云基础设施是由两个或两个以上的云（私有云、社区云或公共云）组成，它们相互独立，通过标准化技术或专有技术绑定在一起，云之间实现数据和应用程序的可移植性。在各高校私有云中部署由自身所需数据构成的分布式数据中心，从而形成全疆范围内的考试系统混合云架构[2]。
3 分布式混合考试云的安全性
采用什么方式提供服务，计算机等级考试云架构的安全如何保障？
在各校内通过校园网统一由中心服务器机房为本校各不同考场提供服务从技术上是可行的，但是由于各校网络管理水平的差异和考试安全性的要求，使得这个问题难以通过高校自身解决。这必须通过具有高安全性防护的云架构保障，以实现计算机等级考试云提供的按需服务、随处访问网络、资源池化、快速弹性以及计量付费服务等目标。 在云计算环境中，用户不再拥有基础设施的硬件资源，软件都运行在云中，业务数据也存储在云中，因此，云计算安全关系到云计算这种革命性的计算模式是否被业界接受。其实，用户的个人电脑或者中小型服务器、数据中心，远没有云计算环境安全。因为在云计算环境中，数据中心和它运行的基础服务都有专业的机构和人员进行运营和管理，他们比个人用户及中小型企业的IT管理员更有安全管理的经验。同时，云计算提供的资源抽象、隔离、用户管理等技术，也能更好地提高安全性。另外，由于云计算提供的规模效应，用户可以在付出更小成本的情况下享受更高级别的安全服务[3][4]。
另外，因为数据在云的大规模分布式存储机制中，完整的数据实体通常是被打散成一些“块”或者“碎片”存储在不同的服务器上，每个块甚至包含来自不同的数据实体的内容，甚至被加密存储。因此，一个块可能是一个很大的逻辑文件的一部分，也可能包含多个很小的逻辑文件。如果一个非法用户想要窥探云中的数据，他必须获得大量的存储服务器的访问授权，而这个是非常困难的。进一步说，用户还可以将数据以分块切割，然后以冗余备份的方式分别存储在多个不同的云存储服务上，因此，考试系统的数据在云中的安全性是有保障的[3][4][5]。
4 结论
建立基于分布式混合云的考试平台可以为云上的新疆高校计算机等级考试系统提供考试和安全服务，从而很好地解决CCT考试面临的各种问题，具有很强的实际应用价值，在更好地推动新疆少数民族地区计算机基础教育事业以及缓解新疆少数民族地区资金短缺、设备不足、人才匮乏等方面具有现实意义。
参考文献：
[1]赵龙刚，金振林等译.云计算架构解决方案设计手册[M].北京：机械工业出版社，2012.8.
[2]朱超.基于虚拟化技术构建高校分布式云计算数据中心[J].武汉工程大学学报，2011，4，100102.
[3]Dimitrios Zissis，Dimitrios Lekkas，Addressing cloud computing security issues[J].Future Generation Computer Systems，2012，28：583592.
[4]Flavio Lombardi，RobertoDiPietro，Secure virtualization for cloud computing[J].Journal of Network and Computer Applications，2011，34：11131122.
[5]Wayne A.Jansen，NIST，Cloud Hooks：Security and Privacy Issues in Cloud Computing[C].Proceedings of the 44th Hawaii International Conference on System Sciences，2011，15301605.
資助项目：2017年（第二批）Google支持教育部产学合作协同育人项目“西部计算机教育提升计划”项目（201702004002）;2018年新疆维吾尔自治区高等学校教学改革研究项目（2018JG09），“以新工科为导向的信息类专业课程建设模式研究”