基于超融合架构的教学管理信息化环境构建

　　中共中央、国务院印发的《中国教育现代化2035》提出加快信息化时代教育变革，统筹建设一体化智能化教学、管理与服务平台的任务和要求。各高校着力开展以教务系统迭代更新为核心内容的教学管理信息化建设，旨在以信息化手段提升教学工作质量，增强服务人才培养效能^[1]。作为教学管理信息化建设的重要组成内容，硬件环境的构建与信息系统的开发实现同等重要，应予以足够重视。中国矿业大学(北京)以推进教学管理与服务一体化系统(即新教务系统)重构建设为契机，通过加强顶层设计、统筹规划，同步构建了基于超融合架构的硬件环境，为教学管理信息化平台的安全、稳定运行提供基础保障。

1.1　释义

　　超融合基础架构(Hyper Converged Infrastucre，HCI)是受一些大型互联网企业通过软件定义构建大规模数据中心的启发，结合虚拟化技术和IT场景，实现可扩展的IT基础架构^[2]。该架构是把多个服务器节点整合为易管理的集成系统，每个服务器节点均具有计算、存储和网络等资源^[3]，通过软件定义将虚拟计算平台和存储融合在一起，形成统一的虚拟资源池^[4]。这个资源池可以模块化方式横向拓展，对外按需提供服务^[5]。

1.2　优势

　　与传统物理架构和服务器虚拟化相比，超融合架构具有以下三个优势。一是部署快捷。超融合一体机开箱即用，经过安装和调试，构建相应的虚拟机，即可开展应用程序部署，大大缩短应用的上线时间^[6]。二是扩展灵活。通过增加节点方式实现资源的横向、纵向无限扩展，且不需要调整现有硬件、软件或网络功能，也不需要中断应用和服务^[7]。三是管理高效。超融合将虚拟化、服务器、存储、网络的管理和配置等功能集成在可视化用户界面，通过用户界面可实现资源的动态分配和监控、虚拟机的自定义创建和及时回收^[8]。

　　学校的新教务系统是按照一体化思路建设，采用基于浏览器的Web端和学校企业微信的移动端相结合形式，力求实现无纸化办公，让信息多跑路，师生少跑腿。新教务系统具有如下特点。

2.1　功能庞大

　　服务内容涵盖教学运行、教学建设、教学评奖评优等教学工作全过程、各环节，实现功能包含培养方案、排课、选课、成绩、学籍、教改、创新训练项目、教学质量奖等20余个业务子系统，涉及近1300个功能模块。

2.2　用户量大

　　服务在校本科生和教师万余人。随着学校招生规模的不断扩大和教师引进的逐步增加，新教务系统面向学生家长和校外教学评审专家(如毕业设计盲审)等其他类型用户的全面开放，用户数量呈稳步增长态势。

2.3　存储量大

　　为实现无纸化办公，教学工作需要存储电子材料的类型和数量呈几何级增长，特别是结题类材料，每年近千项教学改革项目和大创项目提交结题材料、各类教学评奖评优材料等。材料种类多、文件量大，需要提供空间足够、运行安全的存储服务。

2.4　并发性能要求高

　　高校选课期间由于高并发响应引发系统卡顿或崩溃，常被学生吐槽。随着个性化培养改革趋势，学生自主选课范围更广，要求选课方式更加多样化，如“预选+正选”等多轮次选课，这对选课系统高并发性能提出了更高要求。结合学校现有本科生数量及招生规模发展，需要支持单位时间15000～20000的并发量，吞吐需求为5GB左右。

2.5　具备冗余应急响应能力

　　在教学工作中，新的应用临时上线需要环境支持，这种需求一般具有突发性和及时性响应要求。依据采购程序进行扩容设备或配件的采购需要一定的时间和周期，如果没有提前规划和设计，很难有效满足临时应用的及时响应要求。因此，硬件环境的构建，既要基于现有的应用需求，又要前瞻未来一定时期内的发展需要，即要谋划实施储备一定冗余的应急响应能力。

3.1　实际构建

　　根据上述构建需求，构建了基于超融合架构的教学管理信息化环境，网络架构拓扑如图1所示。

图1　基于超融合架构的教学管理信息化环境

　　学校部署了包含4个节点的超融合一体机，单节点配置2颗5118(12C, 2.3GHz)CPU、配备5.76TB SSD硬盘，内置VmwarevSphereEXSi、VSAN、vCenter、vRailizeLoginsight系统软件，采用VxRail Manager管理软件，采用EMC Avamar、RecoverPoint for VM数据保护软件和CloudArray云迁移软件。4个节点组成的虚拟机资源池，通过虚拟化形成不同应用的虚拟机系统，对停运应用及时收回所占虚拟资源，然后进行再分配，后端存储采用FC SAN保存主要数据。随着教学管理信息化发展需要，学校对现有节点增配内存与硬盘进行扩容，若达到扩容极限，则新增服务器节点进行横向拓展。

　　鉴于新教务系统数据库运行安全的重要性，学校单独部署1台配置2颗Intel Xeon Gold 5120处理器和64GB内存的2U机架式服务器，将其作为数据库服务器，以保障数据库安全独立运行，其他应用程序通过对应的独立虚拟机支持运行。

　　建立教学数据的独立备份机制是高校保障数据安全普遍采用的一种有效措施，通过部署一台存储容量16TB、备份接收速度最高可达7TB/h的备份一体机，实现新教务系统数据库和其他重要应用数据每天定时循环备份。

　　整个拓扑采用1台1U光纤以太网交换机，通过配置的18个10GbE SFP+和2个QSFP28热拔插封装光模块，实现设备网络连通。光纤交换机向内连接形成超融合服务器集群，向外连接到利旧交换机。利旧交换机向内连接光纤交换机、数据库服务器和备份一体机，向外通过防火墙接入校园网。

　　学校没有采购独立的负载均衡器，而是采用Kubernetes(简称K8s)软负载方式实现冗余负载均衡。其原因在于：一是可以提供的硬件性能足够支持应用需要，即使在选课高并发阶段，也能保障其他应用正常运行；二是新教务系统集成了专用的报表工具，而硬件负载均衡方式对报表的兼容性不强；三是可以节约负载均衡器采购经费。

3.2　理想构建策略

　　在经费充足的条件下，采用超融合架构构建教学管理信息化环境，实现高性能和高安全双保障，比较理想的构建策略如表1所示。由表1可知，超融合一体机台套数依据应用系统实际情况配置；服务器配置2台，可以实现双机热备，若运行服务器出现问题，业务程序仍可以正常运行，实现用户无感切换和修复；万兆交换机和负载均衡器各配置2台，实现双机冗余；配置防火墙1台，形成教学管理信息化环境内部安全网，对外有学校层级防火墙安全策略，内外两层安全网，使安全更有保障。

表1　教学管理信息化环境构建(理想策略)

注：表中台套数需依据实际应用性能需求进行增配。

4.1　保障了应用系统的稳定运行

　　通过构建的服务器集群虚拟了40余个虚拟机，保障了新教务系统(Web端20余个业务子系统、移动端和全镜像测试系统)、质量保障大数据平台等的独立部署和稳定运行，助力教学工作顺利开展；冗余储备能力及时有效支持了虚拟仿真平台第三方云端的迁移部署，助力完成2021年国家一流虚拟仿真实验教学课程申报。

4.2　解决了选课高并发的响应需求

　　原来囿于硬件环境性能，不得不采用分批次分年级分时段的选课安排方式得以改变，实现选课工作任意安排，为在校本科生每学期公选课、体育课和专选课等课程多轮次选课提供了保障。截至目前，新教务系统尚未出现卡顿或崩溃的情况，学生“抢课”体验反馈良好。

4.3　增强了复杂数据的计算能力

　　新教务系统中部分功能涉及海量数据的关联性计算，对硬件性能提出了更高的要求。例如，排课系统需要对教师、学生、课程、教室的编排组合情况进行冲突计算检测，毕业审核系统需要对学生培养方案、课程成绩(包含课程替代等)等相关数据进行比较计算，等等。超融合架构硬件环境，其高性能支撑了这些业务子系统对复杂数据计算的需求，减少了用户等待时间，提高了工作效率。

　　高性能、安全和稳定的硬件环境，是教学管理信息化平台运行的基础和保障。高校在硬件环境的构建过程中，要综合考虑信息系统的运行性能(包括冗余储备能力)需求和建设经费预算，选择适合的技术架构，提出最优的配置方案。唯有通过优化提高软件(信息系统)内在的本质性能和构建硬件(运行环境)外在的保障性能，形成最优合力，才能从整体上提升教学管理信息化的建设水平和应用效能。