導(dǎo)語(yǔ)：邊緣計(jì)算模式高校智慧校園建設(shè)研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:本文針對(duì)目前教育信息化過(guò)程中眾多高校智慧校園建設(shè)中存在的問(wèn)題，分析了邊緣計(jì)算應(yīng)用特點(diǎn)；結(jié)合智慧校園業(yè)務(wù)需求和場(chǎng)景，均衡考慮網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)與投入成本等因素，提出了一種基于邊緣計(jì)算模式的高校智慧校園建設(shè)方案，給出了基于邊緣計(jì)算模式的智慧校園網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該方案根據(jù)智慧校園的業(yè)務(wù)處理需求，選取以數(shù)據(jù)處理為主的計(jì)算型邊緣計(jì)算服務(wù)器，側(cè)重網(wǎng)絡(luò)側(cè)的邊緣計(jì)算，并根據(jù)智慧校園需求特點(diǎn)對(duì)部分功能、性能、可靠性進(jìn)行增強(qiáng)。同時(shí)基于邊緣計(jì)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(wèn)延遲，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞:教育信息化；邊緣計(jì)算；智慧校園；信息化服務(wù)；智能校務(wù)

1引言

教育信息化一直以來(lái)都是政府非常重視的一項(xiàng)工作，國(guó)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(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》、《教育信息化“十三五”規(guī)劃》和《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》[1-3]。這些政策文件對(duì)我國(guó)教育信息化工作的任務(wù)、目標(biāo)、實(shí)施措施等都給出了指導(dǎo)部署，強(qiáng)調(diào)“人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等信息技術(shù)與教育的深度融合，并借助信息技術(shù)提高教育管理水平和教育質(zhì)量，把智慧教育探索與實(shí)踐列為重中之重”。因此，目前高校信息化工作已經(jīng)邁入了智慧校園建設(shè)階段。智慧校園的主要特點(diǎn)是融合創(chuàng)新、智慧管理、業(yè)務(wù)集成，基礎(chǔ)設(shè)置也從網(wǎng)絡(luò)到邊緣計(jì)算、云計(jì)算等多元化的模式[4-5]。智慧校園整合集成教學(xué)、科研、辦公服務(wù)等眾多應(yīng)用，需要更高更新的技術(shù)和工具為支撐，借助邊緣計(jì)算、云計(jì)算等高性能計(jì)算平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)，對(duì)教學(xué)、科研、辦公服務(wù)等眾多應(yīng)用的大數(shù)據(jù)進(jìn)行整合挖掘分析，構(gòu)建智慧化的管理、教學(xué)、科研和生活模式，從而提高信息利用率、提高學(xué)校的管理水平和教育質(zhì)量。

2智慧校園建設(shè)存在問(wèn)題

通過(guò)對(duì)目前學(xué)校的大量調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在智慧校園建設(shè)方面還存在很多亟需解決的問(wèn)題。2.1網(wǎng)絡(luò)支持能力。由于設(shè)備和經(jīng)費(fèi)等因素，目前很多學(xué)校校園網(wǎng)絡(luò)帶寬低，無(wú)法滿足當(dāng)今實(shí)際教學(xué)及管理工作需求，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不合理、網(wǎng)絡(luò)擁堵現(xiàn)象嚴(yán)重，核心交換機(jī)故障頻發(fā)；且在網(wǎng)絡(luò)管理及上網(wǎng)行為管理等方面有所欠缺，很難對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效管理。綜上所述，目前高校網(wǎng)絡(luò)核心交換能力較差、支持能力薄弱，很多高校目前的網(wǎng)絡(luò)組織架構(gòu)無(wú)法滿足智慧校園大數(shù)據(jù)量、多用戶群和多應(yīng)用平臺(tái)的建設(shè)需求，必須根據(jù)智慧校園需求對(duì)現(xiàn)有校園網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行升級(jí)改造，以滿。2.2數(shù)據(jù)處理能力。智慧校園中涉及到的各種信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、共享和都需要海量的存儲(chǔ)空間，其數(shù)據(jù)中心、統(tǒng)一認(rèn)證平臺(tái)、智慧辦公等應(yīng)用環(huán)節(jié)也都需要足夠的存儲(chǔ)空間、很好的擴(kuò)展性和兼容性。而且智慧校園對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)長(zhǎng)和核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)的備份保障能力也提出了更高的要求，而現(xiàn)有服務(wù)器的質(zhì)量、數(shù)量和容量等方面都不能很好滿足這些需求，因此數(shù)據(jù)處理能力亟需提升。因此，除了對(duì)部分設(shè)備的增補(bǔ)外，還需要結(jié)合邊緣計(jì)算和云計(jì)算技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)智慧校園資源的部署，從而實(shí)現(xiàn)智慧校園對(duì)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算和存儲(chǔ)資源的動(dòng)態(tài)彈性需求。2.3信息化服務(wù)能力。首先，目前很多學(xué)校存在比較嚴(yán)重的信息孤島現(xiàn)象，教學(xué)、科研、辦公等系統(tǒng)間數(shù)據(jù)無(wú)法很好地規(guī)范統(tǒng)一和資源共享，各系統(tǒng)之間無(wú)法很好地互聯(lián)互通，無(wú)法充分利用教學(xué)資源。其次，知識(shí)資源服務(wù)能力無(wú)法滿足智慧校園的需求，設(shè)施設(shè)備損耗也比較嚴(yán)重，故障率較高，且設(shè)備配置較低，性能落后。同時(shí)現(xiàn)有的數(shù)字信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念落后、功能較弱，在兼容性和擴(kuò)展性等方面都比較差。再次，缺乏統(tǒng)一的數(shù)字信息資源共建共享平臺(tái)。學(xué)校業(yè)務(wù)缺乏有機(jī)融合，很多應(yīng)用服務(wù)對(duì)教學(xué)、科研、辦公等僅起到了基礎(chǔ)支撐和服務(wù)作用，缺乏與教學(xué)、科研、辦公管理的深度融合。因此，現(xiàn)有系統(tǒng)需要借助邊緣計(jì)算和云計(jì)算等新興技術(shù)來(lái)建立教學(xué)、科研和辦公等應(yīng)用為一體的信息服務(wù)平臺(tái)，從而整合相關(guān)信息資源來(lái)適應(yīng)智慧校園中海量數(shù)據(jù)和智能化的需求。通過(guò)以上分析可知，智慧校園的建設(shè)重點(diǎn)主要體現(xiàn)在統(tǒng)一支撐平臺(tái)、數(shù)據(jù)共享和業(yè)務(wù)協(xié)同、智能校務(wù)管理和智能輔助決策等幾個(gè)方面。而這都需要智能化的信息數(shù)據(jù)抽取、整合和挖掘等，需要更先進(jìn)的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3邊緣計(jì)算模式

目前智慧校園建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施很多基于云計(jì)算模式[6]，但是云計(jì)算數(shù)據(jù)中心壓力日益嚴(yán)重，而且其通過(guò)公網(wǎng)傳輸?shù)难舆t問(wèn)題也是必須考慮的，同時(shí)云計(jì)算服務(wù)的費(fèi)用也是眾多學(xué)校尤其是在財(cái)政資金方面不夠充足的學(xué)校要重點(diǎn)關(guān)注的。對(duì)此，本文提出采用基于邊緣計(jì)算的模式架構(gòu)進(jìn)行智慧校園建設(shè)。邊緣計(jì)算是繼云計(jì)算后涌現(xiàn)的另一種新的計(jì)算模式。它的實(shí)現(xiàn)是在網(wǎng)絡(luò)邊緣端，因?yàn)樵诘乩砦恢煤途W(wǎng)絡(luò)位置兩個(gè)方面都比云計(jì)算更貼近用戶，更適用于局部性、實(shí)時(shí)、短周期數(shù)據(jù)的處理與分析，能更好地支撐本地業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)智能化決策與執(zhí)行。因此，相對(duì)于云計(jì)算，邊緣計(jì)算更適合智慧校園這類業(yè)務(wù)。目前關(guān)于邊緣計(jì)算平臺(tái)的研究很多，其中較著名的有ParaDrop、Cloudlet、PCIoud[7]，而Cloudlet衍生了開(kāi)放的邊緣計(jì)算聯(lián)盟[8]。邊緣計(jì)算盡可能地將相應(yīng)的數(shù)據(jù)在接近數(shù)據(jù)源一側(cè)進(jìn)行處理，這樣可很大程度上減少網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力和公網(wǎng)的傳輸延遲，因此使得數(shù)據(jù)處理的效率大幅度提高。

4智慧校園建設(shè)

根據(jù)目前智慧校園建設(shè)中存在的問(wèn)題、邊緣計(jì)算的應(yīng)用分析和學(xué)校的實(shí)際情況，并借鑒邊緣計(jì)算的部署方案[9-10]，基于邊緣計(jì)算模式的智慧校園系統(tǒng)部署需要考慮以下幾個(gè)方面的因素：（1）智慧校園業(yè)務(wù)需求和場(chǎng)景是首要考慮的因素。面向智慧校園業(yè)務(wù)的邊緣計(jì)算部署需要充分考慮該業(yè)務(wù)場(chǎng)景的市場(chǎng)容量及網(wǎng)絡(luò)部署可行性，基于邊緣計(jì)算的智慧校園架構(gòu)部署都需要充分考慮智慧校園的業(yè)務(wù)場(chǎng)景和具體需求進(jìn)行部署，通過(guò)邊緣計(jì)算、已有校園網(wǎng)絡(luò)、Internet公網(wǎng)三者的結(jié)合，通過(guò)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)更好實(shí)現(xiàn)智慧校園建設(shè)。（2）智慧校園的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)與投入成本均衡考慮?；谶吘売?jì)算的智慧校園架構(gòu)部署時(shí)要充分考慮邊緣基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)延遲、帶寬大小、數(shù)據(jù)安全等因素的影響。同時(shí)還要與學(xué)校目前已有校園網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際結(jié)合，充分利用已有資源，節(jié)省投入成本，考慮性能與成本的均衡。（3）選擇合適的邊緣設(shè)施。選擇合適的邊緣設(shè)施是基于邊緣計(jì)算模式的智慧校園部署的前提和重要保障。根據(jù)智慧校園的業(yè)務(wù)處理需求，在建設(shè)智慧校園時(shí)選取的邊緣計(jì)算服務(wù)器采用以數(shù)據(jù)處理為主的計(jì)算型平臺(tái)，采用Intel的X86設(shè)備處理架構(gòu)，側(cè)重網(wǎng)絡(luò)側(cè)的邊緣計(jì)算：結(jié)合已有網(wǎng)絡(luò)機(jī)房及擬建立的邊緣機(jī)房設(shè)施的選擇與制定，并根據(jù)智慧校園本身的需求特性適當(dāng)進(jìn)行增補(bǔ)。（4）選擇適合智慧校園系統(tǒng)的邊緣計(jì)算管理模式。根據(jù)智慧校園的架構(gòu)，基于邊緣計(jì)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(jìn)行部署：用戶訪問(wèn)都通過(guò)邊緣計(jì)算管理平臺(tái)，邊緣節(jié)點(diǎn)同時(shí)負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)分發(fā)、部署、升級(jí)等?？紤]到學(xué)校邊緣節(jié)點(diǎn)資源限制，需盡量減少業(yè)務(wù)及資源管理開(kāi)銷。因此，邊緣節(jié)點(diǎn)管理平臺(tái)僅提供基本運(yùn)維環(huán)境和運(yùn)維工具，以及對(duì)數(shù)據(jù)采集、協(xié)議轉(zhuǎn)換和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入等功能的支持。通過(guò)以上分析，基于邊緣計(jì)算的智慧校園系統(tǒng)部署采用如圖1所示的總體框架。采用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)可以將邊緣計(jì)算和核心網(wǎng)絡(luò)更靈活地在虛擬化平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。通過(guò)智慧校園的邊緣網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器。因?yàn)樵谥腔坌@系統(tǒng)中，用戶的部分請(qǐng)求是可以在校園網(wǎng)內(nèi)完成的，因此可以將這部分任務(wù)卸載到邊緣計(jì)算利用邊緣服務(wù)器及其中的數(shù)據(jù)完成，這樣可以大大降低用戶訪問(wèn)延遲，而部分用戶的訪問(wèn)任務(wù)仍需上傳至Internet公網(wǎng)處理完成。由圖1可知，在基于邊緣計(jì)算的智慧校園系統(tǒng)框架中，邊緣計(jì)算位于接入網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)絡(luò)之間，這樣的架構(gòu)部署使得網(wǎng)絡(luò)的中間層更少，網(wǎng)絡(luò)組織架構(gòu)更加簡(jiǎn)潔，滿足了智慧校園在網(wǎng)絡(luò)延遲方面的需求特性，并且弱化了智慧校園業(yè)務(wù)中交互訪問(wèn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)延遲的影響，很大程度上增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

5結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于邊緣計(jì)算模式的高校智慧校園建設(shè)方案，給出了基于邊緣計(jì)算模式的智慧校園網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，極大程度地解決了目前教育信息化過(guò)程中眾多高校智慧校園建設(shè)中存在的問(wèn)題。該方案根據(jù)邊緣計(jì)算應(yīng)用特點(diǎn)，結(jié)合智慧校園業(yè)務(wù)需求和場(chǎng)景，均衡考慮了網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)與投入成本等因素，選取了適合智慧校園業(yè)務(wù)處理需求邊緣計(jì)算設(shè)施和部署管理模式。利用網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)將邊緣計(jì)算、已有校園網(wǎng)絡(luò)和Internet公網(wǎng)三者有機(jī)結(jié)合，通過(guò)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)更好地實(shí)現(xiàn)了智慧校園的建設(shè)，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(xué)院網(wǎng)絡(luò)與教育信息技術(shù)中心 2.廣東石油化工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院