基于微服务架构的虚拟校园卡系统设计

Design of virtual campus card system based on micro-service architecture

摘 要

基于校园卡应用现状以及针对微服务架构下虚拟校园卡的系统设计的分析，以新建成的新开普(New Cape)校园卡系统为例，分析了总体要求、系统架构、数据中心、系统网络、系统性能等。通过对单体应用程序的垂直拆分，大大提高了平台的并发能力，解决了单体应用程序的复杂性问题，使业务响应更加敏捷、快速。微服务架构的应用将大大提高虚拟校园卡系统的服务能力和安全水平，可为新一代校园卡系统的研究和建设提供重要的参考。

Based on the analysis of the application status of campus card and aiming at the design of virtual campus card system under the architecture of micro-service, taking the newly-built campus card system of New Cape as an example, this paper analyses the overall requirements, system architecture, data center, system network and system performance, etc. By vertical splitting of the monolithic application, the platforms concurrent capability is greatly improved, the complexity of the monolithic application is solved, and the business response is more agile and fast. The application of the micro-service architecture will greatly improve the service capability and security level of the virtual campus card system, which can provide important reference function for the research and construction of the new generation campus card system.

目 录

1.介绍 4

2.校园卡应用现状 4

2.1虚拟校园卡的应用 4

2.2微服务体系结构应用 4

3.微服务虚拟校园卡系统设计 5

3.1总体设计要求 5

3.1.1设计思想 5

3.1.2设计定位 5

3.1.3设计目标 5

3.2系统框架设计 5

3.3数据中心设计 6

3.4系统组网设计 7

3.5系统性能设计 8

3.5.1系统性能指标 8

3.5.2系统安全 8

3.5.3系统开放 9

3.5.4系统可伸缩性 9

4.结论 9

1.介绍

以教育信息化推进教育现代化是我国的战略部署。高校信息化作为教育信息化的重要组成部分，起着引领和支撑作用。作为一种较早在学校应用的校园卡系统，它在见证大学信息化发展的同时，也在不断地发展和变化。基于微服务的虚拟校园卡系统是有着全新服务理念、先进技术架构、紧跟时代发展要求的新一代校园卡系统。对其进行研究和分析，不仅有助于校园卡系统的升级，而且有助于推动智慧校园的建设到更高的水平。

2.校园卡应用现状

2.1虚拟校园卡的应用

经过十几年的发展，我们的校园卡系统已经实现了财务消费和身份识别的一体化。校园卡系统已广泛应用于食堂消费、超市购物、宿舍控水、充电、登记收费、网络收费、图书借阅等。自印、教材购买、宿舍出入、车辆护栏、医院医疗、体育锻炼等场景。这样，“一卡在手，校园走一走”在大学里真正实现了。 以卡片为媒介的传统校园卡在给师生带来便利的同时，其不足之处也越来越突出。大量学生卡的补卡现象在各高校普遍存在，不仅加剧了人力资源的压力，也增加了学生卡的成本。以北京师范大学学生卡为例，2016年学生补发卡14000张，人均每年补发卡0.5张。与此同时，师生难免会抱怨补卡费时，忘带卡不方便。随着扫描码等移动应用的出现，对虚拟校园卡的需求越来越大。 2016年，华东师范大学推出了国内首个微信虚拟校园卡，三个月内累计上线25000张。随后，各种虚拟校园卡产品不断涌现，如微信、支付宝、云闪付等APP都推出了自己的校园卡产品。传统校园卡的龙头企业也在2017年推出了虚拟校园卡，云南大学等高校已成为New Cape虚拟校园卡的首批实验站点，为师生的学习和生活带来了更便捷的服务和体验。北京师范大学、上海交通大学等知名高校也陆续开通了虚拟校园卡。

2.2微服务体系结构应用

微服务体系结构不仅是一个系统，而且是一个概念。在信息技术建设中，需要将传统的重量级、紧密耦合的应用系统解构为轻量级、松耦合的微应用，从而减少相互依赖，且易于移植和标准化对接。 校园卡公司的核心平台也在逐步向微服务架构过渡。New Cape就是其中之一。它在访问级使用微服务体系结构，通过一系列小型服务开发来支持应用程序。支付平台、物联网平台、开放平台和认证平台作为公共服务域，可以服务校园卡，也可以授权学校所有需要的场景。

3.微服务虚拟校园卡系统设计

3.1总体设计要求

3.1.1设计思想

校园信息化已进入智慧校园建设阶段。在技术层面，涵盖云计算、物联网、大数据、移动互联网、智能传感、商业智能等领域。校园信息化建设规划将以多业务场景、深度服务、广泛服务为建设前提，为未来校园信息化建设提供先进的智能校园卡集成管理平台。

3.1.2设计定位

通过多系统、多数据、跨业务场景的整合形成智能业务场景，实现信息应用系统的深度整合，构建全校无现金支付环境，形成面向师生的一站式综合信息服务系统。应用人工智能模式下的大数据分析辅助学校管理决策，管理信息化逐步演变为服务信息化。

3.1.3设计目标

通过互联网平台和物联网平台，实现全校人、机、物互联互通，实现感知校园的管理目标。借助各种智能终端、新技术、新应用，打造以人为本、更便捷高效的个性化校园生活服务圈。通过掌握丰富的流程数据，实现实时的业务监控和主动的风险预警，实现对智慧校园管理决策的支持和辅助。

3.2系统框架设计

为了实现“智慧校园建设”的目标，平台整体开发采用了当前主流的微服务、J2EE技术系统框架和JAVA开发语言，基于学校的自主性和可控性、开放性和共享性；采用微服务体系结构设计，满足数据统一管理、业务解耦处理、通信安全和高效的需求。在软件系统开放的同时，应考虑平台系统架构的合理性和先进性，保证系统平台的高安全性、高可靠性、冗余性、可负载性、易部署、易扩展。

系统平台分为四层：基础设施层、核心框架层、业务服务层和数据感知层。在这四层之间可以实现一个“高内聚、松耦合”的系统。该平台可满足各种应用系统(管理系统、业务系统、监控系统、第三方接入系统等)的接入和扩容需求。

图1. 微服务虚拟校园卡平台技术架构

3.3数据中心设计

虚拟校园卡系统是一个基于微服务的大范围系统，包括金融支付业务、银行存款业务、身份识别业务、自助查询系统、第三方系统对接业务等。因此，系统的部署对硬件服务器的高密度、高性能、高可靠性等方面提出了要求。

数据中心的设计应遵循七个原则：实用性和先进性原则、可持续发展原则、开放的原则、弹性原则、安全可靠原则、高性价比原则、易于管理维护的原则。

数据中心的建设不仅要满足应用系统部署的基本要求，还要充分考虑学校未来3-5年的发展需求。要求系统具有一定的可扩展性，最大限度地保护现有投资，降低系统维护和未来开发的成本。同时，充分利用虚拟化技术的优势，保证系统在技术和经济上的可持续发展。

该架构可以保证当一台服务器宕机时，另一台服务器自动接管所有业务，保证系统运行的稳定性和连续性，保证发卡、充值、补卡、结算等业务的正常运行。

图2. 微服务虚拟校园卡系统数据中心拓扑图

3.4系统组网设计

整个校园卡系统的网络拓扑为“金字塔”结构(如下图所示)。位于“金字塔”顶端的数据中心是整个网络(核心层网络)的中心。中间层是连接分支机构、第三方系统、移动设备和万能卡终端设备的汇聚层网络。底层是分布在建筑物内的接入层网络。

图3. 微服务虚拟校园卡网络拓扑图

数据中心的各种设备都连接到星形机房的核心交换机上。服务器单元支持分布式部署、虚拟化部署和VLAN划分，确保与其他服务器的数据隔离；为持票人虚拟校园卡的网络平台，校园网络使用VLAN技术隔离虚拟校园卡内的数据通信平台与其他数据通信(如OA、网页浏览等)，并使用VPN技术学校的局域网连接分支与互联网。虚拟校园卡终端通过有线、无线等方式连接到局域网。

3.5系统性能设计

3.5.1系统性能指标

校园卡性能指标参数主要包括技术指标、读卡距离、通信速率、存储性能、安全机制、数据加密等。

软件性能指标主要包括系统工作效率、系统容量、账户结构、硬件终端、支付能力、数据库、操作系统、工作模式、密钥系统、财务系统、充值系统、终端等。

New Cape基于微服务的校园卡系统消费采用在线交易模式，也支持离线，采用原有的双备份机制。系统的联机事务处理能力可以达到每秒6000 - 8000倍，查询和并发数据可以达到每秒12000次，卡刷的响应速度是每时间，不到300毫秒的响应速度和代码扫描每时间小于1秒。业务中断后自动启动时间小于20秒，对外接口平均响应时间小于55秒，并发事务处理能力大于5000个。系统可同时容纳100万 用户，黑白名单可支持20万余条数据。实际业绩要求可根据学校数量、企业数量和申请规模确定。

3.5.2系统安全

网络安全。为了确保一致性，数据传输的保密性和真实性，校园卡系统和金融相关的核心部分被部署在私人网络和信息查询类是部署在校园网络，这是脱离校园网络通过防火墙和VLAN。

传输安全。为了防止非法截取、篡改和解码，根据不同的数据采用对称或非对称加密算法对数据进行加密。通过身份认证、加密和消息认证，保证数据传输的真实性、完整性和机密性。

密钥安全。所有密钥以密文方式加载导出。密钥管理系统采用3DES加密算法，采用根密钥生成系统、主密钥生成系统、主卡生成系统和授权卡生成系统四级管理系统，降低了密钥泄漏带来的安全风险。

卡安全。通过对校园卡、PSAM卡及相关设备的安全管理，降低了非法攻击者犯罪的可能性，增加了伪造POS设备和用户卡的难度。

3.5.3系统开放

硬件开放。系统实现的功能屏蔽硬件差异化通过物联网平台，和硬件设备收集的学校可以很容易地连接到一个校园通信平台，从而从根本上解决这个问题在过去的学校必须依赖于所使用的硬件制造商的校园卡。

软件开放。该系统通过开放平台实现了真实软件的独立性，即从理论上讲，无论第三方使用何种软件，系统都可以通过开放平台的统一授权接口与校园卡系统共享数据资源。构建了一个多深度协作、资源共享的服务平台。

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2019 International Conference on Computation and Information Sciences (ICCIS 2019) ISBN: 978-1-60595-644-2

Design of Virtual Campus Card System Based on Micro-Service Architecture

Heping Pu and Zhenghai Jiao

ABSTRACT

Based on the analysis of the application status of campus card and aiming at the design of virtual campus card system under the architecture of micro-service, taking the newly-built campus card system of New Cape as an example, this paper analyses the overall requirements, system architecture, data center, system network and system performance, etc. By vertical splitting of the monolithic application, the platforms concurrent capability is greatly improved, the complexity of the monolithic application is solved, and the business response is more agile and fast. The application of the micro-service architecture will greatly improve the service capability and security level of the virtual campus card system, which can provide important reference function for the research and construction of the new generation campus card system.

INTRODUCTION

It is the strategic deployment of our country to promote the education modernization with the education informationization. As an important part of education informationization, university informationization plays a leading and supporting role. As a campus card system earlier applied in the school, it is also in the process of continuous development and change while witnessing the development of university informationization. The virtual campus card system based on micro-service is a new generation of campus card system based on the new

Heping Pu, Network and Information Center, Southwest Petroleum University, Chengdu, 610500, China

Zhenghai Jiao, Cloud Technology Division, Newcapec Electronics Co., Ltd., Zhengzhou, 450000, China

service concept, advanced technology architecture and keeping up with the development requirements of the times. The research and analysis of it will not only contribute to the upgrading of campus card system, but also help to promote the construction of smart campus to a higher level.

CURRENT STATUS OF CAMPUS CARD APPLICATION

• 1. Application of Virtual Campus Card

After more than ten years of development, our campus card system has integrated financial consumption and identification. The campus card system has been widely used in canteen consumption, supermarket shopping, and dormitory water control, recharge of electricity, registration fee, network fee collection, and book lending. Self-printing, textbook purchase, dormitory access, vehicle barriers, hospital medical treatment, physical exercise and other scenes. Thus, 'one card in hand, walking around the campus' have been truly realized at university.

The deficiency of traditional campus cards with cards as media are becoming more and more prominent while they bring convenience to teachers and students. It is a common phenomenon in all colleges and universities that a large number of cards are replenished, which exacerbates the strain on human resources while increasing the cost of student cards. Taking the student card of Beijing Normal University as an example, students reissued 14,000 cards in 2016, and 0.5 cards per capita per year. At the same time, teachers and students inevitably complain about the time consumption of card replacement and the inconvenience of forgetting to bring card. The emergence of mobile applications such as scanning codes has made more demand for virtual campus cards [1].

In 2016, East China Normal University launched the first Wechat Virtual Campus Card in China, which totaled 25,000 in three months [2]. Subsequently, a variety of virtual campus card products continue to emerge, such as WeChat, Alipay, cloud flash payment and other APP have launched their own campus card products[3]. The leading enterprises of traditional campus cards also launched virtual campus cards in 2017, Yunnan University and other universities have become the first experimental sites of the New Cape virtual campus card, which brought more convenient service and experience to the study and life of teachers and students [4]. Famous universities such as Beijing Normal University and Shanghai Jiao Tong University have gradually opened virtual campus cards.

Microservice Architecture Application

The micro-service architecture is not only a system but also a concept. In the construction of information technology, it is necessary to deconstruct the traditional heavyweight and tightly coupled application systems to lightweight and loosely

coupled micro-applications so as to reduce mutual dependence and transplant and standardize docking easily.

The core platform of the campus card company is also gradually transitioning to the micro-service architecture. New Cape is one of them. It uses the micro-service architecture at the access level to support an application with a series of small service development. Payment platform, Internet of Things platform, open platform and authentication platform serve as public service domains, which can serve campus cards, and also empower all the required scenarios in school.

DESIGN OF MICRO-SERVICE VIRTUAL CAMPUS CARD SYSTEM

• 1. Overall design requirements
     1. DESIGN IDEAS

Campus informatization has entered the stage of building a smart campus. At the technical level, it covers such fields as cloud computing, Internet of Things, big data, mobile internet, intelligent sensing, business intelligence and so on. Taking multi-business scenarios profound and extensive services as the construction premise, campus informatization construction planning will provide an advanced integrated management platform of intelligent campus card for the future campus information construction.

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