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            大數據學員作品-教育云平臺

            • 發布:IT培訓
            • 來源:大數據
            • 時間:2019-07-01 11:39

            1.1 項目背景

            隨著教育信息化的不斷推進和教育改革的不斷深化,近年中小學校園信息化建設成為國內基礎教育發展的重點。2012年3月,教育部發布了的《教育信息化十年發展規劃(2011-2020年)》,文中明確提出了“充分整合現有資源,采用云計算技術,形成資源配置與服務的集約化發展途徑,構建穩定可靠、低成本的國家教育云服務模式”。

            1.2 教育信息化發展的總體特征

            當前,從全國基礎教育信息化建設的發展進程來看,有以下一些基本趨勢。

            (1)基礎教育信息化建設正從普及期走向整合期,如何將日益廣泛存在的硬件設施、海量的數字化資源、各種有效的信息化教學模式整合和應用到廣大一線教師的例?;虒W行為中,推進信息化教學方式,并深刻培養學生的信息化學習方式,使得信息技術的教育教學應用向常規化方向發展。

            (2)自2005年以來,信息技術與教育整合的有效性已清晰地演化成兩個發展重點:一是高可用性的區域級信息化支撐基礎平臺/設施/環境二是廣大教師及學生群體的個體化的信息化素養的提升,伴隨著信息化進程的加深,上述環節的作用正日益凸現。

            (3)從信息技術和教育系統耦合的整體要素來看,支持教師的有效教學和促進教師的專業發展正成為深化信息技術有效應用的重要突破點,而打造在線互動的學習環境、培養學生的在線學習習慣、促進學生的自主學習與自我發展正成為信息技術教育應用的新路標。

            1.3 面臨的問題

            從信息化的角度來看,中小學教育工作在開展過程中面臨以下的問題。

            (1)校園網絡建設發展不平衡

            學校校園網絡是信息時代教師與學生通過網絡獲取教育信息和學習資源的重要渠道,是衡量學校教育信息化的重要指標。雖然“校校通”工程使我國一部分的中小學能接上了網絡,但是只有部分重點中小學校開通了校園網絡,擁有獨立的網站及專職的網管人員。大部分中小學都沒有自己獨立的網站及專職的網管人員。

            (2)教育信息資源建設滯后

            信息資源建設是實現教育信息化的核心,內容包括各科學習視頻、教學課件、電子教案、練習資料、試題樣卷、學科網絡資料、課外資料及師生交流社區等等。信息資源建設滯后在當前中小學教育信息化建設當中普遍存在,主要表現在缺少相應學科的各種信息資源或學科的各種信息資源很少網站內容陳舊,更新不及時等。

            (3)教育信息資源共享程度低

            信息資源共享程度低,主要受到以下幾個因素影響:

            ? 教育平臺標準的不同

            ? 信息資源建設滯后

            ? 部分名校不愿把優秀的教育信息資源共享

            ? 教師教育信息資源共享主動性不高,或者沒有條件把教育資源放到網上共享。

            (4)教育信息化軟硬件配置不均衡

            在學校的教育信息化建設中,目前普遍存在重硬件投入、輕軟件建設的問題,側重于硬件等基礎設施的建設,如:服務器、路由器、交換機、網絡建設及電腦配置等但是軟件的建設卻相對的滯后,主要表現在專業人員的配備缺乏,專職管理人員少、兼職管理人員多,校園網絡的各項管理制度和規范建設不完備,網絡建設與應用建設并未同步進行等。

            (5)網絡利用不高

            雖然建立了校園網絡,但校園網絡處于閑置狀態,網絡利用不高。學生缺乏網絡學習的主動性,學生訪問校園網受到限制(很多資源在校外網不能訪問或訪問的速度過慢),校園網里面的資源對學生的吸引力不大。

            1.4 建設目標

            教育云服務平臺,是云計算在教育領域中的遷移,是利用教育信息化所需的一切硬件資源構建基礎設施,加載豐富的數據資源,提供給教育機構、教育管理機構、教育從業人員、學生、家長以及社會公眾所需服務的云計算平臺。

            (1)建設基礎云環境

            采用先進的計算、存儲、網絡虛擬化技術,融合基礎設施,建設覆蓋全縣、分布合理、開放的基礎云環境,提供海量的數據存儲能力和強大的數據處理能力,實現全局環境的服務通信、數據交換、資源監控和資源調度,為運行于云之上的應用和業務提供基礎的運行環境。

            (2)建立教育信息資源庫

            整合全縣的教學、教研、教務等資源,形成全局的數據視圖,為教育資源的管理提升和進一步開發奠定基礎,從而解決教學資源需求持續增長與教育投入增長不足、教學資源相對短缺的矛盾,提高優質教學資源的利用率。

            1.5 所解決的問題

            節約硬件設備的投入成本:云計算擴展性非常強,多個學??梢詫F有的硬件資源共同加入到一個“云”中,減少單個學校在資金和時間上的投入, 并實 現真正意義上的資源共享。

            云存儲中心更安全可靠:由于對教育信息資源 建設的投入不斷加大,各個學校都積累了大量的教育 信息資源。數據存儲的安全性、可靠性顯得越來越重 要。學校使用云計算服務時,有技術先進的數據中心來幫助保存數據,有強大的技術管理團隊來幫助管理 提交的數據和程序,可為學校提供可靠和安全的數據存儲中心。

            整合教育資源:云計算模式最小化了終端設備的需求,在一個云計算環境中,不僅是課堂個人電腦、實驗室都可以從“云”中獲得,在“云”中存儲,讓所有學生隨時隨地進行學習??梢越鉀Q教學資源需求持續增長與教育投入增長不足、教學資源相對短缺的矛盾,又可以提高優質教學資源的利用率,讓更多的學 生獲得優質的受教育機會。

            2.1 設計原則

            ? 堅持以需求為主導、以應用為核心原則

            ? 堅持平臺模塊化開發、分布與集中相結合原則

            ? 堅持實用性、先進性、可擴展性相結合原則

            ? 堅持智能維護、擴展原則

            2.2 總體架構

            2.2.1 邏輯架構

            基于虛擬化及云計算管理技術,實現區級網絡、技術、帶寬資源的統一管理已經成為可能。這可以通過兩種方式實現:一種是集中部署、統一分配、分散管理、分散使用、統一監控另一種是分散部署、分散管理、分散使用、統一監控。

            前一種模式,硬件資源集中部署在縣教育云中心,統一對計算、帶寬、存儲資源進行虛擬化,構建成全縣整體的資源池。由縣教育云中心對資源根據需要進行分割,分配給各級學校使用,各學??梢宰灾鞴芾砼c使用由區分配的資源池,教育云中心可以集中監控各種資源狀態與使用情況。各學??梢愿鶕枰蛟浦行纳暾埜嗟馁Y源,而云中心根據需要隨時調整資源的分配。這種模式實際上是由區統一提供硬件、網絡資源,由學校來使用。這樣硬件、網絡的維護負擔由云中心統籌管理,每個學校則免去了這部分的工作負擔,也增加了全區范圍內資源分配的響應性。但是,這種模式對網絡的帶寬與可用性要求比較高。

            后一種模式,保留現在的部署方式,每個學校建設自己的硬件與網絡資源,但是學校的硬件與網絡資源根據規范進行統一的池化,并注冊到統一的云計算管理平臺。這種模式下,每個學??梢愿鶕枰ㄔO自己的資源池,校級資源池分配、管理與使用由學校本身負責,云中心可以監控校級資源的狀態與使用情況。這種模式硬件資源重用在學校的粒度上發生,不利于全縣的資源調配,但可以使得云中心掌握全區的資源情況,保障全縣硬件資源在統一規范下進行管理,對硬件資源建設進行統一的規劃。

            (1)接入層

            接入層主要實現信息資源的接入,包括:

            ? 各學校監控區域的實時監控視頻

            ? 煙霧、溫度、濕度等環境監測系統

            ? 門磁、門禁、周界報警等安全防護系統

            ? 教育示范課錄播平臺。

            (2)基礎設施層

            基礎設施層主要為教育云服務平臺提供資源池化的硬件基礎環境并配置管理調度和監控功能?;A設施層建立在超融合服務器集群、網絡設備和數據庫集群的基礎上,統一為平臺提供虛擬化計算資源、統一文件存儲環境以及數據庫環境。

            (3)資源層

            資源層是整個平臺的文件與數據庫資源,是云服務平臺的核心數據的分類存儲區。其中文件存儲用于實時監控視頻、示范課視頻、網絡教程、媒體素材、題庫、課件等文件的集中存儲,數據庫用于教師信息、教務信息、學校信息、教研信息等業務數據庫的存儲。

            (4)服務層

            服務層為教育云服務平臺對外提供訪問的窗口,由教學服務平臺、教研服務平臺、管理服務平臺、學校和測評服務平臺、資源服務平臺以及視頻統一管理平臺組成。

            (5)用戶層

            用戶層主要包括教育管理用戶、學生用戶、家長用戶、教師用戶和社會公眾用戶等。

            (6)教育云支撐技術相關規范

            教育云支撐技術相關規范包括教育云平臺管理規范、教育云開放服務接口規范、教育云數據存儲規范、教育云數據采集規范、教育云認證與授權規范、云端教育資源權利描述規范。它是教育云服務平臺中處理教育、教學、管理業務的核心技術支撐規范。在這個層面,云平臺在對平臺本身進行管理的同時,還需要對外提供統一的服務接口,使用統一的數據采集和數據存儲規范,確保數據在源頭上統一,為之后的數據利用、傳輸和互操作奠定基礎。

            (7)教育云應用相關規范

            教育云應用相關規范包括云端教育資源元數據規范、云端應用和服務接入與使用規范、云端教育資源分類和標記規范、云端教育資源推送服務接口規范、云端學習分析規范。云端教育資源元數據規范旨在對云平臺注冊的應用和服務、學習資源進行描述,使用戶能快速有效地在資源云海找到特定資源和服務應用,促進資源共享。云端應用和服務接入與使用規范主要在于規范外部應用接入平臺的統一接口和接入要求,規范接入到云平臺的應用和服務。云端教育資源分類和標記規范旨在按照不同維度對云端教育資源進行分類并標記,是資源統一管理的基礎。云端教育資源推送服務接口規范為不同學習者推送適合學生個性化學習資源規范統一的服務接口。學習分析規范基于在平臺中產生的過程性和結果性數據對學習進行多維度分析和評價,為學生的個性化學習提供指導。資源權利描述規范從內容和服務版權的角度對云端資源進行版權保護,協調資源供給方和使用方的利益。教育云應用相關規范是保證教育云應用和服務具備較高可利用性和互操作 性的重要規范。

            2.2.3 部署架構

            2.2.4 方案優勢

            教育云服務平臺將進一步規范化區域教育信息化建設,并提升全縣的應用價值與管理水平。

            ? 實現硬件資源的集約化管理,降低總體擁成本(TCO)

            教育云的建設,將實現硬件、網絡、存儲資源的池化管理,實現全縣基礎設施資源的集約化管理與響應性分配?;A設施云建設,實現硬件資源在云中心的集中部署與維護,大大減輕了學校的維護成本與人員負擔。云中心可以根據學校的需求,靈活分配相應容量的主機與存儲資源,并且可以時刻掌握這些資源的使用情況,并根據需要回收空閑資源,這些操作只要通過一個管理界面就輕松完成。

            建設過程中,可以充分利用陳舊的服務器設備,提高服務器資源的利用率。并且,實現硬件的整合,在支持同等數量的應用及用戶時,比傳統模式總體上減少服務器硬件數量,從而總體上降低了硬件維護的成本及網絡運營成本。

            ? 提升區域教育數字資源的整合能力

            傳統模式中,各學校的各個應用都是獨立建設,這些應用生成的數字資源形成一個個數據孤島?;跀祿粨Q技術可以解決部分應用間的數字資源整合問題,但是當應用數量不斷增加時,帶來的交換復雜性會無法管理,對于全縣的資源整合,不適合完全依賴于交換技術來實現。

            云服務平臺基于云存儲實現數字資源的統一存儲、統一索引,基于應用云構建統一的數字資源處理層。構建于平臺之上的教育應用,在授權的基礎上可以直接訪問平臺中任何一個數字資源,甚至是其它應用產生的資源。在一些業務場景,仍然需要通過數據交換實現整合,但此時交換的只是資源的平臺標識,而不是資源的內容,因為應用可以通過標識向平臺索取資源內容。此時,應用產生的資源統一存儲到平臺中,而應用之間的數據共享變得直接透明,這就大大提高了區教育數字資源的整合能力。

            ? 促進區域信息技術與教育教學的融合

            信息技術與教育教學的融合需要經歷一個不斷探究、不斷創新的過程,每往前走一步,都要依托與前人的智慧與經驗。在這個過程中,經常需要重用以往的數據成果與應用成果,而不是每次都是從無到有的構建過程。云服務平臺使數據沉淀、應用沉淀的成為可能,而且這種沉淀是以重用為目的的。平臺應用的不斷建設,使得后來者可以借鑒、重用的資源就會不斷積累,從而加快技術與教育的融合。當這種積累與沉淀的范圍打破學校的邊界,發生在整個區域時,效果將更加明顯。

            ? 成為學校信息化建設的催化劑

            學校信息化建設面臨硬件與軟件兩部分的問題。云服務平臺解決了學校硬件建設的問題,學校只需要根據需求向信息中心申請存儲、計算與帶寬資源,而不需要自己建設與維護,從而省去了這部分的時間與人員消耗。對于軟件部分來說,存在大部分類似的業務應用,可以有區統一建設,開通給每個學校使用。另外,學校會根據實際情況建設個性化或創新的應用,這些應用的建設可以直接使用平臺的數據成果與應用成果,從而加速應用開發。最后,通過授權可以訪問其它學校的創新應用,從而借鑒其它學校的優秀成果,加速本校的應用建設。

            ? 實現區域教育信息化建設的效能累加模式

            云服務平臺的建設會大大提高信息化建設的規范程度。為了實現數據 與功能的沉淀,平臺會建設相應的規范接口,并發布平臺的數據描述、功能描述 及業務描述標準。植入平臺的應用須要遵循這些規范,才能利用平臺提供的各種 數據與功能。而一旦應用遷移到平臺上,其生成的數據將沉淀到平臺中,其提供的功能也成為平臺服務。這實際上構成一個信息化系統建設的生態環境,構成教育信息化建設的效能累加。

            ? 大大提升區域教育信息系統的應用價值與用戶體驗

            云服務平臺采用先進的云計算架構,最大程度實現了全縣范圍內的數據融合與應用融合。不同學校的人員通過平臺能夠隨時互動,發生數據共享與交換不同學校產生的數據,可以一起進行分析與展現不同的應用可以隨時訪問對方的數據。應用可以訪問更豐富的關聯數據,可以借助更多其它應用功能完成自己的工作時,就會為用戶提供更大的價值。而用戶在使用單一應用時,就能夠獲取到其它應用產生的相關數據時,則會大大提高應用的用戶體驗。

            2.3 總體性能要求

            2.3.1 存儲容量要求

            2.3.1.1 視頻接入設計要求

            設計接入高清視頻1000路,單路視頻碼流為2Mbps,存儲1星期,按照磁盤空間90%利用率,所需存儲容量為160TB,兩副本存儲,所需存儲空間為320TB。

            2.3.1.2 其他

            設計網絡教程、媒體素材、題庫、課件等文件存儲量為50TB,兩副本存儲,所需存儲空間為100TB。

            2.3.2 計算資源要求

            設計虛機數量不小于40臺,每臺虛機至少為1顆虛擬CPU,2G以上內存,100G以上存儲空間。

            3.1 總體方案拓撲

            3.1.1 邏輯架構

            本規劃的邏輯圖由存儲層、計算層、業務層三部分組成:

            ? 存儲層由具有良好可擴展性、高可靠性的集群存儲系統構成,整個存儲層為計算層的計算提供存儲資源訪問支撐。

            ? 計算層以標準X86服務器為硬件基礎,以云管理、服務器虛擬化為核心進行建設,為應用系統提供靈活的資源分配、快速應用支撐環境構建能力。

            ? 應用層以計算層為基礎,直接構建在計算層提供的計算、存儲虛擬資源之上,并具備直接訪問底層存儲層的能力,以實現海量數據的高速存儲訪問。

            3.1.2 組成

            本節將描述各部分具體硬件構成以及層級直接的連接系統:

            ? 存儲層基于標準X86服務器為硬件基礎,利用每臺服務器的多塊SSD、SATA磁盤構建具有高可靠性、高IOPS能力的集群存儲系統YeeStor。集群存儲系統采用標準的POSIX接口通過以太網為計算層提供虛擬機鏡像存儲支撐服務,并為將來業務層提供海量數據存儲訪問支持。

            ? 計算層服務器采用標準的高性能X86服務器構建,利用高性能服務器實現多虛擬機資源支撐,虛擬化技術統一采用KVM技術支撐。對于應用層則通過以太網構建業務訪問網絡,保持各應用系統原有使用模式。

            ? 應用層包含多類應用,運行在云計算虛擬化提供的Linux、Win虛擬機中,利用云計算虛擬化平臺的支撐能力實現系統的高可用、系統能力的按需調用,以保障其更加可靠、高效的穩定運行。

            3.2 虛擬化云平臺建設

            計算池核心為服務器虛擬化,設備數量隨著系統規模的增長后期設備會越來越多,且需要針對不同的應用系統提供差異化服務,因此為了實現整體系統的有效管理,將采用統一管理平臺來實現對硬件資源的虛擬化以及虛擬化云管理。平臺需要通過單一Web界面提供廣泛的管理功能,包括資源池管理,網絡管理,服務產品管理,資源監控。在此建議采用利用EasyCloud平臺進行統一管理和服務。

            3.2.1 系統特性

            3.2.1.1 計算資源復用

            在將服務器硬件資源虛擬化后,其CPU、內存等資源為多臺虛擬機共享使用,在應用系統虛擬機創建時需要指派定量的CPU和存儲資源,理論上多臺虛擬機的CPU和內存分配資源綜合等于物理服務器的資源配置。但在實際的運行環境中,各應用系統不會將分配給自己的CPU、內存資源用到100%,因此可能依然存在一定的資源浪費。

            為了解決此問題,本方案的EasyCloud云管理系統提供CPU和內存的超量配置功能,以物理服務器的CPU、內存配置為基礎單位,在此基礎上進行倍率增加,這樣云管理系統會認為該物理設備可以分配更多的資源,從而也就可以建立更多的虛擬機。當某臺虛擬機運行所需實際資源不足時則可以利用本平臺的負載遷移功能進行整體遷移。

            3.2.1.2 個性化網絡服務

            作為整體云平臺的管理系統,應用網絡也是其重要組成部分之一。在傳統IT系統中,應用服務器的網絡安全、集群負載處理等需要專門的設備來提供,而在虛擬環境如果沒有有效措施,則在虛擬化服務器內部的多臺虛擬機之間的網絡則成了完全透明無保障的環境,為了解決此問題需要在虛擬化服務器系統內部進行適當的隔離、策略定制。

            云管理平臺為了解決以上問題,提供了可針對掌握不同資源的不同用戶的差異化網絡管理方案。每一個掌握有資源的用戶,均可建立自己的獨立網絡環境,并由云管理工具提供諸如防火墻、地址映射、負載均衡等網絡管理功能,這樣每個用戶就可以針對自己的環境進行針對性配置,以保障應用系統的訪問安全、高效。

            3.2.1.3 多級別用戶管理

            在云計算環境中,使用少量的虛擬化服務器取代了大量的物理機,如何有效對資源進行分配和管理將成為考驗每位IT系統管理人員能力的基礎指標。而在超大規模環境下,IT管理人員往往只進行設備管理,應用系統對于CPU、內存、磁盤等資源的需求往往只是遵照前端業務人員提供的信息,而隨著業務數量、類型的增加,管理工作會變的異常復雜、耗時。

            為了解決此問題,云管理平臺提出了用戶分級管理模式,特權管理員可以管理所有的資源可以直接建立虛擬機直接分配給相關應用。同時管理人員還可以將一定量的CPU、內存、磁盤空間、vlan數量的可量化資源分配給某一個team的管理人員,最終到了最熟悉應用環境部署的人員手中,既減輕了特權管理員的工作量,同時也實現了對資源的最佳配置、最佳利用。最終達到:云平臺由運維中心管理,各應用模塊及接入單位自己管理維護自己的小云(虛擬機系統)。

            3.2.1.4 快速部署

            傳統數據中心中經過多年的實踐,為了實現應用系統的快速部署多采用鏡像分發模式,針對每個應用提供一整套鏡像,每個應用部署時需要經過批量的分發網絡配置-鏡像分發-系統空間微調-網絡分配等一系列流程,雖然相比逐臺安裝、配置縮短了部署時間,但在大規模環境下的部署和變更仍然是一個很大的工作量。

            為了解決此問題,云管理平臺從多個角度入手,提供了整體系統快速部署的解決方案。

            ? 首先采用系統模板技術,為每個應用制作了統一的操作系統,一旦應用需要部署直接選擇相應模板即可。

            ? 其次在系統部署過程中提供了友好的導航界面,只需點幾下鼠標,不同的CPU、內存、數據磁盤、應用網絡便迅速的匹配到所要建立的虛擬機之上。

            ? 另外,在系統內部網絡無法連通情況下,云管理平臺提供了終端顯示功能,有了終端顯示功能就如為虛擬機接入了顯示器和鍵盤,可以在排出網絡環境的條件下進行系統調試、設置。

            3.2.1.5 資源監控

            面對大規模系統,如何有效管理需要多種途徑提供依據,其中最重要的依據便是來自于系統整體資源的監控。當系統利用云計算技術進行部署以后,原有的監控手段已經無法準確體現資源的使用情況,因此本方案中的云管理平臺針對實際情況開發了自有的具有針對性的監控模塊。

            圖 10 資源監控

            云管理平臺的資源監控包括了CPU、內存、網絡、存儲、IP等方方面面的監控,一旦管理代理被部署到云計算服務器上,便自動收集服務器的可用性及性能信息,及時通知管理員潛在的問題,使得管理員可以掌握峰值,并靈活的根據需要調整臨界值。

            3.2.1.6 業務可持續性保障

            業務持續性保障是數據中心建設需要提供的有效保障之一,特別是在利用云計算技術構建基礎平臺后,每臺虛擬化服務器都承載著數臺虛擬機且會涉及到多個應用,一旦系統發生負載能力不足、硬件損壞等故障,將直接對大量的應用造成影響,因此如何保障業務的可持續性將成為云計算平臺選型的基礎考量指標質之一。

            3.2.2 虛擬化系統硬件構建選型

            ? 多路多核心CPU

            服務器使用多路多核心使得一臺服務器可以支持處理更多的并發軟件任務,對于虛擬化來說將可以提供更多的虛擬機同時運行,這樣就可以以更加低廉的成本、獲得更高效的處理能力。同時在一臺服務器中采用多路處理器,則意味著可以在單位設備中提供更高的處理能力,能為更多的虛擬機提供計算服務。

            ? 大容量內存

            虛擬機在分配時,除了cpu的計算能力外,內存的大小也將是其性能保障的重要選項之一,應用程序首先都要讀到內存,CPU才能對內存中的數據進行操作,應用服務器在配置部署時對內存都有著標準容量需求,在采用服務器虛擬化技術后,一臺物理服務器的內存將同時支撐其上運行的多臺虛擬機使用,更多的內存則意味著可以支撐個更多數量的虛擬機運行,也就意味著降低物理設備的數量,為節能、減排提供有效保障。

            因此在選擇服務器時,需要服務器可以容納更多的物理內存容量,盡量選擇具有多內存插槽、支持高主頻、支持單條內存容量可以達到8GB以上的產品。

            ? 支持硬件虛擬化

            在選擇服務器時,處理器是否支持虛擬化將是必要的選項之一。目前流行的虛擬化平臺均需要CPU從底層支撐虛擬化技術。目前支持CPU虛擬化的技術包括:

            (1)Intel虛擬化技術VT:Intel虛擬化技術VT是一種硬件方案,支持虛擬技術的CPU帶有特別優化過的指令集來控制虛擬過程,通過這些指令集,VMM會很容易提高性能,相比軟件的虛擬實現方式會很大程度上提高性能。

            (2)AMD虛擬化技術AMD-V: AMD公司推出了支持虛擬化的硬件輔助技術AMD-V。具備AMD-V功能的處理器中,有一套指令用于幫助VMM進行虛擬化,從而有效降低了虛擬化的開銷,提高性能。

            3.3 集群存儲系統建設

            YeeStor存儲池將作為虛擬機磁盤、應用系統海量數據文件存儲的支持,它具有高可靠性、高吞吐高IOPS能力、在線擴展以及基于標準X86構建等個適用于云計算、虛擬化環境的優秀特性。

            YeeStor集群存儲系統利用集群式文件系統軟件、標準X86架構存儲服務器以及熱插拔的高速SSD磁盤、大容量SATA磁盤構建,對上層云計算虛擬化提供高效IOPS支持、高吞吐能力支持。

            其目標是“存得住----支持海量數據存儲讀得出----具有較高的性能用得好----使用方便靈活”,幫助用戶應對IT系統存儲基礎設施面臨的挑戰。YeeStor集群存儲系統有著與業內最先進規模最大的存儲系統Google-FS(GFS)相似的要求,比如性能,可擴展性,可靠性,以及可用性等。

            3.3.1 系統組成

            分布式集群存儲系統由四部分構成

            ? 元數據服務器集群(MDSC Meta Data Server Cluster):存放整個文件系統的元數據,管理整個文件系統的名字空間。提供單一的系統映像,部署在一組通用X86 結構的PC服務器上。

            ? 對象存儲服務器集群(OSSC Object Storage Server Cluster):存儲應用系統的文件數據,具有故障探測、自我修復功能,內置獨特的文件存儲與備份機制,每個文件被系統分割成多塊后按一定規則存放在多個存儲服務器中,并且每塊文件在其他服務器中至少有1份備份(根據安全和性能需求可設定為多份),這些軟件部署在一組通用X86 結構的PC服務器上。

            ? 訪問客戶端(AP:Access Point)對上層提供標準POSIX語義的訪問接口和統一的文件系統映像,響應上層應用對文件訪問請求并通過內部私有協議高速訪問后端集群存儲上的文件數據。訪問客戶端軟件替換操作系統中原有的文件訪問接口,可以安裝在應用系統服務器上,對應用系統提供訪問存儲的文件支撐,也可以單獨安裝在一組服務器上并與NFS系統結合對外提供統一的虛擬存儲池。

            ? 網絡支持,分布式集群存儲系統提供了標準以太網連接,支持千兆以太網、萬兆以太網以及IP O IB連接模式。

            3.3.2 系統特性

            3.3.2.1 存儲空間復用能力

            集群存儲系統具有支持空洞文件的特性,在建立虛擬機鏡像文件時不需要將實際空間占滿,初始創建只需要創建頭尾標記既可,隨著虛擬機磁盤中文件數量的增加空洞文件會慢慢被填滿,真正做到了按需使用?;诖颂匦苑植际郊捍鎯ο到y將可以為前端虛擬化服務器子系統提供幾倍于自己實際存儲空間的可分配虛擬磁盤空間,達到存儲空間的復用效果。

            另外,隨著虛擬磁盤文件數量的不斷增長,分布式集群文件系統的空間也將逐步填滿,而在系統配置時虛擬磁盤總規劃空間大幅度超過了分布式集群存儲實際空間,為此分布式集群存儲系統將采用空間預警信息,在存儲空間實際占用超過80%即提醒擴容。

            3.3.2.2 高效IOPS支持

            在傳統模式中,應用服務器往往單獨使用存儲,配置的存儲的IO能力只需要支撐本身應用即可,而當此環境變為云計算虛擬化環境后,每臺物理服務器將運行多臺虛擬機將支撐多個應用系統,因此也就需要存儲系統可以同時應對多個應用系統的整體IO支撐。在IO支撐方面,有兩個重要指標,一個是吞吐量、一個是IOPS,本節將分別敘述YeeStor是怎樣適配虛擬化環境提供良好支撐的。

            ? 并發訪問保障高吞吐能力

            YeeStor集群存儲系統采用帶外架構,可擴展的元數據服務器組可以良好的支撐無限量并發訪問請求,同時多臺存儲設備可以同時提供訪問服務,其吞吐能力隨存儲設備數量的增多而呈近線性增長,完全可以滿足多應用系統并發訪問的吞吐能力要求。

            同時,YeeStor集群存儲系統采用多副本技術,每一份數據副本都是可以被前端虛擬化服務器和應用程序所訪問和使用的,因此集群存儲系統的多副本模式一方面保障了系統的穩定性,同時也為應用提供了更高的存儲訪問效率。

            ? 極速IOPS能力

            YeeStor集群存儲系統針對云計算虛擬化環境的大量并發訪問,提供了高效IOPS支撐能力。利用特有的內存優化技術、磁盤緩存技術提供了大量小文件的并發寫能力(配置的7200轉磁盤數量×1500 IOPS)同時在文件寫入時將數據復制到SSD磁盤并結合熱點文件緩存技術,為每臺虛擬化服務器支撐的上層應用訪問40000 IOPS(SSD磁盤為Intel DC S3700)的極速讀取能力。

            另外,YeeStor針對云計算虛擬化環境設計的讀寫分離技術,將可保障SSD的寫操作將到最低,大幅度緩解SSD磁盤的寫放大問題,延長SSD設備的整體服務周期。

            3.3.2.3 更高的可靠性

            YeeStor集群存儲系統在設計之初即把各種故障當作常規現象考慮,針對各種故障均制定對應的解決方案,相比傳統存儲在可靠性方面要更有保障。

            針對磁盤故障以及存儲服務器故障,YeeStor集群存儲系統則拋棄了傳統RAID技術而采用創新數據副本作為數據保護模式,根據數據副本的數量它將準許整臺存儲設備的損壞,同時由于采用磁盤直連模式,存儲設備故障后只要磁盤不受到較大沖擊,其數據仍可保障其完整性。

            3.3.2.4 存儲空間免規劃

            對于傳統磁盤陣列,往往需要根據應用進行存儲空間規劃,且為了實現多年服務支撐能力往往需要提前分配較大的存儲空間。這樣一來,需要進行充分調研、詳細了解應用類型、文件大小、幾年內的發展狀況。一旦規劃不好,未來將可能面臨某一應用數據空間已滿而其它應用存儲空間還大幅度剩余的問題。而對于YeeStor集群存儲系統來說,其本身為共享型的文件系統,所有應用共享使用所有存儲空間,不用提前針對應用進行空間分配,隨著整體系統的存儲當空間占用達到80%會報警提示擴容,且由于其獨特的架構在擴容時完全實現在線增加存儲空間而不對應用造成任何影響。

            3.3.2.5 在線擴容能力

            YeeStor集群式文件存儲系統支持元數據服務器、存儲服務器的在線擴展,在擴展實施的同時將保障前端系統服務的持續性。當擴容完畢,在掛載目錄屬性中可以即刻看到使用空間已經大幅增加。

            集群式文件存儲系統在擴展元數據服務器、存儲服務器規模的同時,文件訪問處理效率和文件讀取聚合帶寬也將成近線性提升。滿足應用規模擴展對存儲系統擴展、性能要求提升的要求。

            3.3.2.6 良好的兼容性

            集群存儲系統的核心是軟件,其硬件支撐平臺為標準的X86服務器,無論是Intel處理器還是AMD處理器只要是X86架構即可,無論您選擇的是HP、DELL還是曙光、聯想服務器,只要是標準X86服務器不論是什么時期、不論什么型號均可作為硬件平臺,不再受廠商、型號、采購時間的限制。為產品選型及將來的系統升級、維護帶來來便利。

            3.4 云平臺網絡系統建設

            為了保障數據的高安全性,建議采取存儲網絡與應用網絡相分離的策略。

            為了使融合服務器可以獲得最佳的存儲IO能力,使網絡不成為制約因素,需要為為每臺融合均配置雙網卡并進行綁定,考慮到一臺融合服務器支撐多臺虛擬機,且有應用數據需要直接訪問底層存儲的要求,建議存儲網交換機采用萬兆交換機。

            設備總體造價為xxxx元RMB,見下表所示。

            序號名稱規格參數數量單位單價(元)小計(元)

            1 云管理服務器a)機架式服務器

            b)Intel xeon E5 2620v2*1

            c)DDR3內存 16GB,2塊300GB 10K系統磁盤,4塊3TB 7200轉磁盤

            d)4塊千兆網卡、IPMI管理口、冗余電源。2臺

            2 融合服務器a)機架式服務器

            b)Intel xeonE5 2620v2*1

            c)DDR4內存 32GB,2塊300GB系統磁盤,1塊480GB SSD 2.5寸磁盤,10塊 4TB 7200轉磁盤(none raid)

            d)雙萬兆網卡雙千兆網卡IPMI管理口4塊千兆網卡,IPMI管理口,冗余電源。11臺

            3 萬兆存儲交換機24口萬兆交換機,支持堆疊1臺

            4 千兆業務交換機48口三層千兆交換機1臺

            5 集群存儲軟件-容量授權a)非對稱分布式集群架構,獨立元數據管理,數據分布存儲于各數據節點

            b)純自主國產設計,非基于開源軟件或OEM國外產品

            c)單套系統最大容量60PB,單目錄支持1000萬文件存儲,單文件最大支持64TB,自動容量均衡,在線擴容,支持基于用戶的磁盤配額

            d)支持空洞文件,可升級為廣域文件系統,實現多地域間跨地域數據中心的的統一全名空間、數據共享與權限管理

            e)同時允許N-1塊硬盤或N-1個節點同時故障,不影響業務運行,可指定對存儲池、目錄、文件創建副本策略,細粒度備份管理,節約存儲空間提供中文圖形化Web管理界面和CLI命令行管理能力

            f)針對Hadoop提供專用接口,可以與MapReduce無縫融合

            g)分布式元數據管理,元數據節點采用集群模式并支持按需擴展,元數據節點(MDS)全活集群同時對外服務,非單點或主備模式,至少配置三元數據節點,支持元數據快照保護。440個

            6 云平臺軟件a)兼容當前主流虛擬化平臺(包含VMWare、KVM、XenServer、Hyper-V)、采用Intel VT和AMD-V的硬件虛擬化技術,支持Intel擴展頁表技術

            b)可提供跨物理區域統一管理功能,實現多數據中心的多節點資源統一管理按需按要求提供給用戶不限制數量的虛擬計算資源

            c)資源管理:支持虛擬機生命周期管理,具有多級別用戶管理模式

            d)提供vDC功能,支持從邏輯上對集群的計算、存儲、網絡資源按用戶或組織進行資源的邏輯配額分配。

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