一種分布式現代遠程教育系統的設計與實現

劉雪艷　張　強　蘇錦旗

【摘要】針對當前遠程教育系統設計和實現中存在的問題，結合遠程教育系統的跨地域、跨平臺、分布式等實際需要，采用CORBA和Web Services技術，設計和實現一種基于中間件技術的分布式現代遠程教育系統，為現代遠程教育提供了一個信息共享、業務處理和遠程交互平臺。

【關鍵詞】CORBA；Web Services；遠程教育

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097（2009）04—0105—04

引言

現代遠程教育以其時空自由、資源共享、系統開放、協作多樣等優勢得到了前所未有的關注和應用，在教育部頒布的《國家遠程教育工程資源建設技術規范》和《現代遠程教育工程教育資源開發標準》中規定，現代遠程教育體系結構是一種分布式、多系統集成、跨平臺、功能組件可擴充的開放性系統。隨著Internet和Web技術的飛速發展，人們為構建這樣的系統提出了許多可行的解決方案，文獻1提出了將組件技術運用到現代遠程教育中的思想[1]，文獻2、3將CORBA（common object request broker architecture ，公共對象請求代理結構）技術應用到遠程教育系統中[2][3]，文獻4將Web Services技術引入到教育教學資源建設中[4]，以上文獻為現代遠程教育系統提供了好的思想和方法，但是遠程教育系統是一個復雜的系統，利用單一的技術和方法并不能解決當前遠程教育系統的關鍵問題—資源共享問題。本文將提出一種基于CORBA和Web Services技術相結合的現代遠程教育系統的設計方法，解決了遠程教育系統中的廣域范圍內的完全資源共享問題。

一 CORBA、Web Services技術在遠程教育系統中的應用分析

CORBA是OMG（Object Management Group，對象管理組織）提出的一個分布式計算框架，CORBA適應分布式技術和面向對象技術的發展，為解決異構環境下的分布式對象間的通信規定了完整的體系結構，實現面向對象分布式計算。Web Services是一種新的基于XML協議的分布式計算框架體系，W3C（World Wide Web Consortium,萬維網協會）對其定義是，一個能被URI所識別的應用軟件，它的接口及功能，能夠以XML的形式來定義、描述和發現；使用基于XML的消息，通過基于Internet的協議來交換信息，一個Web Services能夠直接與其他軟件代理進行互操作[5]。

CORBA和Web Services都是跨平臺的，包括硬件、操作系統及語言環境，二者都具有相應的服務描述、發現和定位機制，這是二者的共同之處。然而，由于CORBA和Web Services出于不同目的，在具體實現技術上具有不同之處：（1）CORBA是一個真正的面向對象的分布式計算框架，具有成熟的經驗和完整穩定的體系，具有豐富的語言映射和對象服務，如事件服務、命名服務、生命周期服務等，而且具有容錯及負載平衡能力，非常適合建立局域網內的遠程教育系統的業務邏輯。而Web Services是以消息機制為中心，作為Web Services核心的簡單對象訪問協議，其實并不真正處理對象，而Web Services注重于Internet的輕量級服務，適合建立廣域網的遠程教育系統；（2）CORBA客戶端和服務器端必須是相同的CORBA體系，兩端使用相同的接口IDL，兩端運行都需要ORB，是緊耦合的。與CORBA相反，Web Services體系是松耦合的；（3）CORBA通訊核心是ORB/IIOP，沒有專門的端口用于通訊，對于基于Internet的應用，不是所有的客戶端都支持IIOP，IIOP也沒有在所有的防火墻上安裝。這樣，如果防火墻隔開了客戶端和服務器端，任何IIOP包都要通過的可能性很低。所以，CORBA在Web上應用具有一定的局限性。而Web Services傳輸是通過HTTP傳輸SOAP消息，HTTP是一種使用廣泛的協議，具有專用的端口，一般的防火墻都配置為允許HTTP通過[6]。

目前的遠程教育系統在技術實現上存在以下問題：1、互操作性問題，現有的各種教育系統采用不同的開發平臺和操作環境，具有各自的數據傳輸和消息傳輸的通訊協議，異構系統彼此之間互不兼容，各個系統之間不能相互訪問，無法實現原有系統與新開發的有機集成；2、資源共享問題，現有教學資源的格式和組織方式各不相同，基于HTTP和HTML這種低水平教學資源的共享和自治還達不到教學資源完全共享的要求，教學資源沒有統一的格式和規范，各種教學工具和學習工具無法方便的集成到現有的遠程教育資源系統中去，實現完全資源共享正是應用遠程教育系統的最終目的，為必須建立一種資源共享和系統之間互操作的，同時又不喪失資源多樣性和實現的靈活性的現代遠程教育系統。分布對象計算技術作為中間件，提供了軟件總線的機制，使得異構平臺下的各種系統具有良好的可擴展性和集成性。作為分布對象計算技術的典型代表CORBA技術具有良好的開放性、跨平臺多語言支持特性等優點，Web Services是一種基于Web的計算模式，它提出了新的、面向服務的體系結構，可以提供便于在互聯網范圍內進行服務注冊和發現以及調用的手段，在互聯網上方便地進行發布、發現和互操作，打破企業間的界限，實現信息的集成。

根據以上的分析，CORBA作為分布式對象計算技術的典型代表，具有成熟的應用經驗和完整體系的工業標準，尤其在非Java、C#和實時性要求較高的系統中得到廣泛應用，但是由于CORBA受防火墻的約束和緊耦合性的限制，使得它只適合構建在內聯網的教育教學系統的業務邏輯，而無法在Internet上提供完整的CORBA服務。Web Services以其靈活的消息機制，松散耦合及友好防火墻機制而適合構造基于Internet的應用系統，因此利用Web Services的互操作性和CORBA強大的執行能力來構造現代遠程教育系統是可行的，將這兩種技術集成并應用到現代遠程教育系統中，既可以滿足網內的強大的分布式計算功能，又可以實現CORBA對象的Web應用。

二 遠程教育系統設計

1 基本思想

利用CORBA構建內網的異構分布式環境下的遠程教育系統，利用Web Services服務的注冊、發現機制，實現CORBA對象的Internet范圍內的調用。因為SOAP的目標就是要實現平臺與環境的無關性和獨立性，每一個通過網絡的遠程調用都可以通過SOAP封裝起來，實現把CORBA服務發布到Web服務上。通過Web Services來集成和擴展CORBA邏輯，結合分布式對象計算技術CORBA和Web Services的優點來實現教學系統的WEB信息集成。

2 系統設計

（1） 基于CORBA的內網系統

在網內，將所有系統元素都抽象為CORBA對象，構成局部對象執行體和局部ORB模型，實現局域網中的異構計算機互操作和統一的組件調度，建立局部環境中的ORB總線。系統的所有CORBA對象都插到該總線上，同時又作為完成系統功能的各種服務。這些服務既是客戶端同時又是服務器端。如圖1所示，一個教學管理系統主要包括：教學資源（以素材庫為基礎的課件庫、試題庫等）、教學設備（用于教學的各種硬件設備）、系統管理（系統的權限、數據庫等基本信息管理）、資源管理（對各種資源的調度管理）、教師、學生等，這些系統元素都抽象為CORBA對象（服務），構建基于CORBA服務的虛擬教學平臺。同時系統需要CORBA的事件服務、安全服務、名字服務等基礎服務，這些基礎服務是我們構建自己CORBA服務的基礎。

（2） 基于Web Services的Web應用擴展

為了實現CORBA對象的Web范圍內應用，將教師、學生、教學資源、教學設備等CORBA對象包裝為SOAP消息來傳輸。如圖1所示，在系統后端CORBA應用邏輯需要以Web Services的形式提供給服務請求方，首先CORBA Client端調用SOAP消息來封裝CORBA調用請求，然后發送SOAP消息請求，同時準備接收從服務器端返回的信息；在服務器端，從Internet上接收遠程的SOAP消息請求，將SOAP消息進行解析，將SOAP請求轉換為CORBA調用，再調用本地的CORBA服務完成服務請求，并將結果再包裝為SOAP 返回給客戶端（CORBA請求方），這樣就實現了各種教學系統對象（CORBA對象）在Web范圍內的遠程調用。

CORBA應用邏輯以Web Services的形式提供給服務請求方需要將IDL接口產生相應的WSDL描述，OMG為了推廣CORBA規范與Web Services之間的互操作，于2003年1月采納一個新的規范，“CORBA to WSDL/SOAP Inter working”規范，該規范詳細的描述CORBA IDL到WSDL(綁定到SOAP消息機制)的規則映射。為了實現客戶端在透明的情況下獲得服務器端所提供服務的具體信息，還需要WSDL和UDDI，服務提供者可以用建立和發行WSDL文檔的方法來描述他們的Web服務，而把這個WSDL文檔集中發布在同一個中心注冊表里，消費者可以通過輕松地訪問中心注冊表獲得WSDL文檔，從而獲得服務的具體信息。

三 遠程教育系統實現

筆者在C++ Bulider、Visbrok、SQL Server環境下對內網系統進行了實現，利用Java WSDP（Java Web Services Developer Pack）實現了遠程教育系統的Web Services功能。限于篇幅，這里只給出基于CORBA的分布式數據庫和系統安全機制的具體實現方法和思路。

1分布式數據庫實現

通過對分布式數據庫系統和CORBA技術的分析，基于CORBA的分布式對象技術開發大型分布式數據庫系統是合理、可行的。基于該技術, 筆者為遠程教育系統實現了基于分布式對象技術CORBA的分布式數據庫系統DDS（Distributed Database System）。DDS為每個數據庫生成一個局部數據庫對象LDBObject（Local Database Object），LDBObject提供了對數據庫的存取、查詢和更新。同時在客戶端有一個全局數據庫代理GDBAgent（Global DataBase Agent），客戶端應用程序只需要向GDBAgent發出數據操作請求，具體的局部數據庫對象定位及數據結果整理由GDBAgen完成。GDBAgen本身也是CORBA對象，局部數據庫對象的管理由名字管理器來完成[7][8]。

（1） DDS體系結構

（2） DDS主要系統元素

GDBAgent：DDS引入一個全局數據庫代理GDBAgent，它是一個可以獨立運行的CORBA對象, 向用戶提供全局數據庫模式。在整個系統中至少要有一個GDBAgent運行，為了避免GDBAgent可能會引起數據庫訪問的瓶頸，建議運行多個GDBAgent。LDBObject：DDS中每個節點上的數據庫都生成一個LDBObject，LDBObject本質上是一個CORBA對象，LDBObject中用IDL語言定義了對數據庫的各種操作。在服務器端程序中有LDBObject的伺服程序，用來具體實現LDBObject的對數據庫的各種操作。LDBObject的伺服程序通過ODBC與后臺數據庫相連。

（3） 名字管理器的實現

DDS中名字管理器提供從名稱到對象應用的映射，是在CORBA現有的名字服務的基礎上加以修改形成本系統的名字管理器。DDS中名字管理器提供從名稱到對象應用的映射，是在CORBA現有的名字服務的基礎上加以修改形成本系統的名字管理器。CORBA命名服務中規定，在特定的上下文中，名字注冊是唯一的，每個名字只能準確的確定一個對象。在分布式數據庫中，因為同一個數據庫可能在不同結點的計算機上同時存在，而且為了滿足分布式數據庫并發操作和一致性要求，要求各個結點上的每個LDBObject都必須在命名服務器中注冊，在引用時同時被引用。因此，CORBA的命名服務已不能滿足CDDS的要求。DDS中的名字管理器，即可以支持同一對象多次注冊，又可以保證每個名字解析時同時可以獲取多個對象引用。圖２是名字管理器中維護的命名樹。

當對象LDBObjectA到名字管理器注冊時，若名字樹中沒有LDBObjectA時創建LDBObjectA的命名環境，并在該環境下以名字LDBObjectA_1注冊。當對象LDBObjectC以LDBObjectC注冊時，名字樹中已經存在LDBObjectC的命名環境，則名字管理器在LDBObjectC的命名環境下以名稱DBObjectAgentC_2注冊。所有對象的注冊首先創建命名環境并以新的名字注冊，在有相同的對象來注冊時直接在該命名環境下新的名稱再注冊。LDBObjectC下有多少個子節點，代表LDBObjectC在多少個結點上存在。當客戶端GDBAgent需要獲取DBObjectAgentC的對象引用時，解析命名空間樹，當解析到DBObjectAgentC時，遍歷DBObjectAgentC下的所有對象并同時獲得這些對象的對象引用。這樣每個結點上的DBObjectAgentC所代表的數據庫都執行了相同的操作，保持了各個結點上相同數據庫的一致性。

以下是名字管理器實現的偽代碼：名字注冊

{if(不存在)

{創建}

else

{int i = 1;

while（存在）i++；

創建;} }

解析名字獲取對象引用

{int i = 1;

While(存在)

{通過獲取對象引用objRef;

將該引用加入對象引用鏈表objRefList;

i++;}

返回對象引用鏈表objRefList; }

2系統安全機制

為了滿足遠程教育系統的安全性，設計了以下系統安全防護體系，如圖4所示。

業務網隔離系統：在業務網絡與外部網絡（外部信息源）布署一套專用安全隔離設備，實施強制性訪問控制規則，確保內部網絡安全。外網隔離系統：在對外信息發布服務器與公網的邊界布署一套專用安全隔離設備，實施單向數據交換與強制性、唯一性應用數據交換規則，保障業務網絡與外部網絡的隔離。基于USB的認證卡：在需要進入業務網進行業務操作的每一臺PC上安裝基于USB的硬件身份識別卡，確保在網絡中進行數據交換與操作的用戶的合法身份。

構建的安全體系中，在網絡數據交換的邊界部署專用安全隔離設備，使該系統作為強制性的訪問控制措施保障業務網絡的正常運行。公網隔離通過交易重構與應用捆綁技術實現。隔離系統采用單向通訊機制、定時通訊機制、應用捆綁過濾。隔離系統執行兩個網絡之間的訪問控制策略，它只允許符合規則的應用協議與數據在指定的時間或規則下通過，其它應用與數據將無法傳遞。隔離系統是一個分離器，通過隔離風險區域（即有一定風險的外部網絡）與安全工作區域（調度系統）的連接，有效地監控了網間的任何活動，保證了內部網絡的安全。業務網與外部信息源隔離，作為外部信息源與安全工作區域之間信息的出入口，能在符合應用協議的基礎上根據實際的安全策略控制出入網絡的信息流，它是提供信息安全服務，實現網絡和信息安全的基礎設施。系統提供必要的強制性訪問控制機制，但又不造成網絡的瓶頸，并通過安全策略控制進出系統的數據，保護政府的關鍵資源，隔離系統是一種有效的網絡安全模型，是機構總體安全策略的重要組成部分。

五 結語

利用功能強大的分布式計算CORBA技術來構造網內教學系統，利用CORBA技術可以將各種異構的教學資源和信息實現無縫集成，基于ORB提供的軟總線機制，使得系統中的各種教學資源、學習對象、教學對象、應用系統、硬件資源等各種符合規范的接口定義對象，都可以直接插到軟總線上進行方便的集成，而且為系統的實現提供了一種分層的實現思想，實時CORBA技術的成熟為解決現在網絡教學當中存在的實時交互問題提供了強有力的支持，建立在CORBA技術上的教學系統具有靈活、易開發、易擴充、易集成和交互式操作等優點。利用Web Services靈活的消息機制、松散耦合體系以及防火墻友好而構建基于Internet的遠程教學系統應用，基于這兩種技術構建的遠程教育系統，很好的適應了當前遠程教育系統的需求。但是在具體實現中還存在許多具體的問題，如將SOAP請求轉化為IIOP調用等問題都需要進一步研究，隨著CORBA規范的不斷完善和Web Services技術的不斷成熟，這兩種技術的結合將對構建高效、完善的現代遠程教育系統的發揮更大的作用。

參考文獻

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