邊緣計算模式高校智慧校園建設研究

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摘要:本文針對目前教育信息化過程中眾多高校智慧校園建設中存在的問題，分析了邊緣計算應用特點；結合智慧校園業務需求和場景，均衡考慮網絡性能指標與投入成本等因素，提出了一種基于邊緣計算模式的高校智慧校園建設方案，給出了基于邊緣計算模式的智慧校園網絡架構。該方案根據智慧校園的業務處理需求，選取以數據處理為主的計算型邊緣計算服務器，側重網絡側的邊緣計算，并根據智慧校園需求特點對部分功能、性能、可靠性進行增強。同時基于邊緣計算的智慧校園管理模式采用的是“集中+分布”方式，這種方式可大大降低用戶訪問延遲，增強網絡穩定性。

關鍵詞:教育信息化；邊緣計算；智慧校園；信息化服務；智能校務

1引言

教育信息化一直以來都是政府非常重視的一項工作，國家教育部分別在2012年、2016年和2018年頒布了《教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）》、《教育信息化“十三五”規劃》和《教育信息化2.0行動計劃》[1-3]。這些政策文件對我國教育信息化工作的任務、目標、實施措施等都給出了指導部署，強調“人工智能、大數據、區塊鏈等信息技術與教育的深度融合，并借助信息技術提高教育管理水平和教育質量，把智慧教育探索與實踐列為重中之重”。因此，目前高校信息化工作已經邁入了智慧校園建設階段。智慧校園的主要特點是融合創新、智慧管理、業務集成，基礎設置也從網絡到邊緣計算、云計算等多元化的模式[4-5]。智慧校園整合集成教學、科研、辦公服務等眾多應用，需要更高更新的技術和工具為支撐，借助邊緣計算、云計算等高性能計算平臺和網絡，對教學、科研、辦公服務等眾多應用的大數據進行整合挖掘分析，構建智慧化的管理、教學、科研和生活模式，從而提高信息利用率、提高學校的管理水平和教育質量。

2智慧校園建設存在問題

通過對目前學校的大量調研發現，在智慧校園建設方面還存在很多亟需解決的問題。2.1網絡支持能力。由于設備和經費等因素，目前很多學校校園網絡帶寬低，無法滿足當今實際教學及管理工作需求，網絡結構不合理、網絡擁堵現象嚴重，核心交換機故障頻發；且在網絡管理及上網行為管理等方面有所欠缺，很難對整個網絡進行有效管理。綜上所述，目前高校網絡核心交換能力較差、支持能力薄弱，很多高校目前的網絡組織架構無法滿足智慧校園大數據量、多用戶群和多應用平臺的建設需求，必須根據智慧校園需求對現有校園網絡架構進行升級改造，以滿。2.2數據處理能力。智慧校園中涉及到的各種信息數據的存儲、共享和都需要海量的存儲空間，其數據中心、統一認證平臺、智慧辦公等應用環節也都需要足夠的存儲空間、很好的擴展性和兼容性。而且智慧校園對數據存儲時長和核心業務系統的備份保障能力也提出了更高的要求，而現有服務器的質量、數量和容量等方面都不能很好滿足這些需求，因此數據處理能力亟需提升。因此，除了對部分設備的增補外，還需要結合邊緣計算和云計算技術來實現智慧校園資源的部署，從而實現智慧校園對網絡、計算和存儲資源的動態彈性需求。2.3信息化服務能力。首先，目前很多學校存在比較嚴重的信息孤島現象，教學、科研、辦公等系統間數據無法很好地規范統一和資源共享，各系統之間無法很好地互聯互通，無法充分利用教學資源。其次，知識資源服務能力無法滿足智慧校園的需求，設施設備損耗也比較嚴重，故障率較高，且設備配置較低，性能落后。同時現有的數字信息系統設計理念落后、功能較弱，在兼容性和擴展性等方面都比較差。再次，缺乏統一的數字信息資源共建共享平臺。學校業務缺乏有機融合，很多應用服務對教學、科研、辦公等僅起到了基礎支撐和服務作用，缺乏與教學、科研、辦公管理的深度融合。因此，現有系統需要借助邊緣計算和云計算等新興技術來建立教學、科研和辦公等應用為一體的信息服務平臺，從而整合相關信息資源來適應智慧校園中海量數據和智能化的需求。通過以上分析可知，智慧校園的建設重點主要體現在統一支撐平臺、數據共享和業務協同、智能校務管理和智能輔助決策等幾個方面。而這都需要智能化的信息數據抽取、整合和挖掘等，需要更先進的技術來實現。

3邊緣計算模式

目前智慧校園建設的基礎設施很多基于云計算模式[6]，但是云計算數據中心壓力日益嚴重，而且其通過公網傳輸的延遲問題也是必須考慮的，同時云計算服務的費用也是眾多學校尤其是在財政資金方面不夠充足的學校要重點關注的。對此，本文提出采用基于邊緣計算的模式架構進行智慧校園建設。邊緣計算是繼云計算后涌現的另一種新的計算模式。它的實現是在網絡邊緣端，因為在地理位置和網絡位置兩個方面都比云計算更貼近用戶，更適用于局部性、實時、短周期數據的處理與分析，能更好地支撐本地業務的實時智能化決策與執行。因此，相對于云計算，邊緣計算更適合智慧校園這類業務。目前關于邊緣計算平臺的研究很多，其中較著名的有ParaDrop、Cloudlet、PCIoud[7]，而Cloudlet衍生了開放的邊緣計算聯盟[8]。邊緣計算盡可能地將相應的數據在接近數據源一側進行處理，這樣可很大程度上減少網絡傳輸壓力和公網的傳輸延遲，因此使得數據處理的效率大幅度提高。

4智慧校園建設

根據目前智慧校園建設中存在的問題、邊緣計算的應用分析和學校的實際情況，并借鑒邊緣計算的部署方案[9-10]，基于邊緣計算模式的智慧校園系統部署需要考慮以下幾個方面的因素：（1）智慧校園業務需求和場景是首要考慮的因素。面向智慧校園業務的邊緣計算部署需要充分考慮該業務場景的市場容量及網絡部署可行性，基于邊緣計算的智慧校園架構部署都需要充分考慮智慧校園的業務場景和具體需求進行部署，通過邊緣計算、已有校園網絡、Internet公網三者的結合，通過優勢互補更好實現智慧校園建設。（2）智慧校園的網絡性能指標與投入成本均衡考慮。基于邊緣計算的智慧校園架構部署時要充分考慮邊緣基礎設施、網絡延遲、帶寬大小、數據安全等因素的影響。同時還要與學校目前已有校園網絡的實際結合，充分利用已有資源，節省投入成本，考慮性能與成本的均衡。（3）選擇合適的邊緣設施。選擇合適的邊緣設施是基于邊緣計算模式的智慧校園部署的前提和重要保障。根據智慧校園的業務處理需求，在建設智慧校園時選取的邊緣計算服務器采用以數據處理為主的計算型平臺，采用Intel的X86設備處理架構，側重網絡側的邊緣計算：結合已有網絡機房及擬建立的邊緣機房設施的選擇與制定，并根據智慧校園本身的需求特性適當進行增補。（4）選擇適合智慧校園系統的邊緣計算管理模式。根據智慧校園的架構，基于邊緣計算模式的智慧校園在管理方面可以采用“集中+分布”的方式進行部署：用戶訪問都通過邊緣計算管理平臺，邊緣節點同時負責業務分發、部署、升級等。考慮到學校邊緣節點資源限制，需盡量減少業務及資源管理開銷。因此，邊緣節點管理平臺僅提供基本運維環境和運維工具，以及對數據采集、協議轉換和異構網絡接入等功能的支持。通過以上分析，基于邊緣計算的智慧校園系統部署采用如圖1所示的總體框架。采用網絡功能虛擬化技術可以將邊緣計算和核心網絡更靈活地在虛擬化平臺上實現。通過智慧校園的邊緣網關和服務器。因為在智慧校園系統中，用戶的部分請求是可以在校園網內完成的，因此可以將這部分任務卸載到邊緣計算利用邊緣服務器及其中的數據完成，這樣可以大大降低用戶訪問延遲，而部分用戶的訪問任務仍需上傳至Internet公網處理完成。由圖1可知，在基于邊緣計算的智慧校園系統框架中，邊緣計算位于接入網絡和核心網絡之間，這樣的架構部署使得網絡的中間層更少，網絡組織架構更加簡潔，滿足了智慧校園在網絡延遲方面的需求特性，并且弱化了智慧校園業務中交互訪問對網絡延遲的影響，很大程度上增強了網絡的穩定性。

5結束語

本文提出了一種基于邊緣計算模式的高校智慧校園建設方案，給出了基于邊緣計算模式的智慧校園網絡架構，極大程度地解決了目前教育信息化過程中眾多高校智慧校園建設中存在的問題。該方案根據邊緣計算應用特點，結合智慧校園業務需求和場景，均衡考慮了網絡性能指標與投入成本等因素，選取了適合智慧校園業務處理需求邊緣計算設施和部署管理模式。利用網絡虛擬化技術將邊緣計算、已有校園網絡和Internet公網三者有機結合，通過優勢互補更好地實現了智慧校園的建設，為教育信息化提供了支持和借鑒。

作者:王昱 左利云 單位:1.廣東石油化工學院網絡與教育信息技術中心 2.廣東石油化工學院計算機學院