WEB2.0理念下的數字開放實驗室

郭君芳 季 雋 李中平

【摘要】數字開放實驗室的管理、決策、發展依賴于信息技術。但建立同構信息系統的成本和風險都過高,因此如何以Web2.0理念為導向,建立異構信息平臺具有重大現實意義。針對該需求,文章提出了基于SOA架構和WCF消息技術的整合方案。該系統已經在上海師范大學廣泛應用。

【關鍵詞】Web2.0;整合;WCF;SOA;開放實驗室

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097(2009)08—0105—04

引言

上海師范大學數字傳媒中心為改善硬件基礎設施,花費大量資金購買了一些先進設備及網絡平臺。為實驗室注入了高標準的硬件資源,也形成了比較完整的萬欣機房管理平臺和實驗室設備管理平臺。目的是提高學生的實踐能力,及提高科研和教學水平。但是通過對上海師范大學數理信息學院全體師生的問卷調查,發現目前實驗室管理的信息化程度不高、資源利用率偏低,實驗室信息化管理有待于進一步提高。Web2.0理念下為更好地提高實驗室資源時間化、學習者的學習效率及實驗課的參與度,院領導決定通過信息化手段實現對實驗室的網絡化管理。

通過實地考察、訪談、文獻分析等方式,調查分析了大部分高校的數字開放實驗室。結果發現多數采取“以新換舊”的策略開發在線實驗室管理系統,拋棄了原來已經存在的實驗室管理平臺,以致新平臺開發周期長,風險大,花費較高等缺陷,造成了大量人力、物力、財力等資源的浪費。通過項目組有關人員的研討分析,決定采取“整合”的思想構建數字開放實驗室系統,以優化資源、節約成本為原則,整合原來已經存在的萬欣機房管理平臺和實驗室設備管理平臺。本系統基于OOP(面向對象的編程思想)進行相互獨立模塊的設計開發,采用ASP.net三層架構技術和SqlServer2005數據庫進行開發新平臺,利用SOA技術實現服務和技術的分離,其中利用WCF技術開發Web Service標準接口,整合萬欣機房管理平臺和實驗室設備管理平臺,從而實現跨平臺軟件服務的整合。整合后的數字開放實驗室功能更為強大,不僅能夠在線管理獨立平臺,且融入了體現Web2.0思想的典型技術:RSS,IM(即時聊天)等,從而架構了Web2.0理念下的數字開放實驗室。

一 數字開放實驗室系統前期分析

為使已有實驗室平臺相互聯系,實現實驗室資源時間化,提出在Web2.0思想下整合數字開放實驗室。從Web1.0到Web2.0發展來看,互聯網經歷了一次理念的洗禮與技術的升級。Web2.0的核心思想就是用戶之間的彼此交互,倡導開放、參與、共享的理念。從Web1.0時代的自上而下少數資源控制者集中控制的層級結構,發展到自下而上由普通用戶集體智慧和力量占主導的對等式網絡結構。Web1.0與Web2.0的區別[1],如表1所示。

表1 Web1.0與Web2.0的區別

Web 1.0 Web 2.0

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…… ……

開發數字開放實驗室秉承了Web2.0的基本思想—對等式整合。首先要清楚哪些平臺需要整合,便于項目組成員清晰整合工作,從而使工作順利進行。例如:上海師范大學數字開放實驗室整合圖,如圖1所示。

其次,在做用戶需求之前,要分析已經存在平臺的基本架構、數據庫和功能,以便后期開發整合系統時的數據兼容性。從系統對象及應用范圍的角度出發,對已有平臺的數據庫進行分析時,一定要推導出數據庫中重要的表,表中的字段、主鍵和表與表之間的關系,為定義數據接口和方便數據讀寫做好鋪墊。在前期準備工作完畢后,最重要的一步就是使用UML建模工具做用戶需求分析。充分考慮實驗室2.0必須滿足學習者哪些方面的需求,體現實驗室的哪些資源及用到的具體技術等問題。從簡到繁,逐步細化本系統各個模塊不同角色的功能。其優點是方便項目組成員進行交流和修改文檔,同時也便于科學合理地進行工作安排與任務分配。

二 數字開放實驗室系統技術需求

從系統的可擴展性、可維護性、可演化性、安全性及可伸縮性等綜合因素進行考慮,確定數字開放實驗室系統的整體架構。

首先根據目前實驗室信息化的現狀,如果無在線數字實驗室,采取VisualStudio2008和SqlServer2005設計開發一個在線數字開放實驗室。其次從宏觀的整合角度對數字開放實驗室系統進行整體設計與開發,采用SOA(Service Oriented Architecture,面向服務的架構)和WCF(Windows Communication Foundation,Windows通信基礎)技術,對在線數字開放實驗室和其他實驗室管理平臺進行整合,從而實現跨平臺的數據傳輸。最后,從細節角度考慮數字開放實驗室系統實現的具體環節。針對數字開放實驗室系統各個獨立模塊的特點,為便于以后對該系統進行更好地優化維護,在整合時可以圍繞use-case圖及其描述和分析階段的不同,加入選定的具體技術,同時使用面向對象理論及設計模式等,對系統整合的流程框架進行設計。在應用WCF進行平臺整合時的應用步驟及注意事項將是一個重點內容,將成為平臺相整合的關鍵因素。

1 SOA架構

SOA(Service Oriented Architecture),即以服務為導向的軟件開發思想。META[2]將SOA定義為:“一種以通用為目的、可擴展、具有聯合協作性的架構,所有流程都被定義為服務,服務通過基于類封裝的服務接口委托給服務提供者,服務接口根據可擴展標識符、格式和協議單獨描述。”該定義表明服務接口和實現技術之間的分離。其實它是一個整合各種服務的架構平臺,本質是要通過一個核心服務技術集中管理平臺,連接各種服務。SOA架構模式中用戶不需要知道服務是由哪個平臺提供的,即可完成所需要的請求。其中Web Services是SOA的核心技術,提供標準化服務接口。SOA架構有利于平臺整合時建立標準化的服務接口、支持各種消息模式及服務契約的精確定義等,故在平臺整合時采取SOA架構數字開放實驗室系統。

2 WCF介紹

WCF[3](Windows Communication Foundation,Windows通信基礎)是微軟為新一代分布式應用提供的解決方案,是構建安全可靠的事務性服務的統一框架,是一種構建分布式面向服務系統豐富的技術基礎。采用WCF技術的特色就是保證了信息傳遞的安全性和可靠性。WCF的三個基本要素為:Contract(契約或者接口)、Address(地址)、Binding(綁定)。WCF的Endpoint(暴露端口)中契約(Contract)即“What”,就是定義具體實現契約的網絡服務內容;Address(地址)即“Where”,就是選擇合適的地址來激活服務器;Binding(綁定)即“How”,就是設置信息傳遞的協議。通過WCF端口,信息就可以安全可靠地從Client(客戶端)傳遞到(Service)服務器端。如圖2所示。

利用WCF技術開發Web Services服務契約(接口),統一消息風格,使消息以文本的形式和基于開放標準的通信實現平臺最優化[4]。根據WCF消息傳遞機制及基本原理,設計萬欣機房管理平臺與數字開放實驗室系統整合時的WCF整體結構體系,如圖3所示。

然后通過WCF的Binding把萬欣服務器與實驗室管理系統(LMS)的客戶端聯系起來,設置服務器與客戶端的傳遞協議。萬欣服務端通過服務契約(接口)向數字實驗室管理系統(LMS)客戶端提供服務,實現了消息安全、可靠、高效地傳遞。

三 上海師范大學數字開放實驗室系統整合案例

針對目前實驗室管理現狀及用戶需求分析,項目組決定開發Web2.0理念下數字開放實驗室,并整合萬欣機房管理平臺和實驗室管理平臺,從而構成數字開放實驗室系統。下面就以萬欣機房管理平臺與數字開放實驗室整合為例具體說明整合流程。

1 萬欣機房管理平臺分析

萬欣機房管理平臺是幫助機房管理人員有效管理機房資源,實現學校機房管理信息化的軟件系統。它可以實現教學上機時自動禁止學生上網、玩游戲、網上聊天等活動,顯示實驗課時安排、班級詳細信息、學生出勤情況、作業情況等,提高師生的工作和學習效率。但是此平臺只能在實驗室中使用,容易造成上機課資料信息的空間間斷性。

目前為保證待開發數字開放實驗室系統的數據庫與萬欣機房管理平臺的數據庫相兼容,使數據順利傳輸。首要任務就是分析萬欣機房管理平臺的數據庫(SQL Server2005數據庫)。在萬欣機房管理平臺數據庫中,數據表約有70個。但是通過對表與表之間的關系推導,分析出與整合相關的數據表主要有:用戶信息資料表(tblUser)、邏輯班組用戶信息表(tbLogicClass)、班級資料或部門資表(tblDepartment)、課程班表(the class)、已結束預約信息表(tblClassUsed)、課程資料表(tblCourse)、預約表(tblPreContract)、學生考勤記錄表(tblRollCall)、教師資料表(tblTeacher)等。然后找出每個表的主鍵、字段及表之間的具體對應關系。從而定義數據接口,方便數據信息在不同平臺地讀寫。通過分析定義萬欣數據庫接口為:

(1) GetHistoryContracts(teacherID:String)//得到歷史預約

(2) GetCurrentContracts(teacherID:String)//得到當前預約

數據模式:Contract(CourseName, CourseID , Room, BeginLessonIndex, EndLessonIndex, TeacherName, StartDate, EndDate, Classes)

(3) GetSubContracts(contractID:WanXin.tblCourse. CourseID)//得到子預約信息。數據模式:SubContract (Date,WeekDay ,BeginTime, EndTime, BeginLessonIndex, EndLessonIndex, Room, AttendanceCount)

(4) GetAttendanceList(courseID,date,beginTime, endTime)//得到出席列表。數據模式:Attendance (StdName,ID,Class)

2 SOA架構數字開放實驗室功能設計

本系統可分為三個角色(學生、教師、管理員),各角色分別具有各自功能。本系統主要有五大模塊:用戶信息、課程管理、設備管理、預約管理、實驗社區。數字開放實驗室角色功能,如表2所示。

表2 數字開放實驗室角色功能

角色 功能

管理員 用戶信息(信息錄入)、課程管理(導入課程、課程審核)、設備管理(設備錄入、設備維護、設備出借)、預約管理(待審核預約、已審核預約、歷史預約)、實驗社區(討論模塊、專題模塊、資源模塊、作品展示模塊)

教師 用戶信息(修改)、課程管理(申請課程、課程審核)、預約管理(預約設備或機房、待審核預約、已審核預約、歷史預約)、實驗社區(同上)

學生 用戶信息管理(修改)、課程管理(查看課程、申請選修課、瀏覽課堂信息)、預約管理(同教師)、實驗社區(同上)

本系統以學習者為中心,方便其獲取實驗室資源,有效地進行虛擬實驗指導。同時還在實驗社區中整合RSS聚合技術,方便學習者訂閱感興趣的實驗專題;基于IM即時聊天功能的討論模塊中,為師生對實驗的相關問題搭建交流平臺;設置小組作品展示模塊,打破了時間及地域的界限,為學習者提供了思想碰撞的空間。通過在線網絡,使學生、教師和管理員三者實現動態交互、共享資源。

3 SOA架構數字開放實驗室系統開發

首先要開發一個在線數字開放實驗室,主要采用VisualStudio2008和SqlServer2005數據庫進行設計開發。此系統的體系結構采用B/S模式的系統三層分布結構。第一層是用戶層(USL),用戶可以從web界面直接獲得所需信息。為確保系統信息的安全性,建立前臺登錄界面(學生、教師)和后臺登錄界面(管理員)。第二層是業務邏輯層(BLL),業務邏輯層是系統的核心部分,它能夠封裝系統的業務服務,負責處理用戶層(USL)的應用請求,對其進行業務處理及邏輯判斷。如果判斷正確,就可以調用數據庫的內容,進行數據處理,并將處理結果返回給用戶層(USL)。第三層是數據層(DLL),實現事務邏輯、數據邏輯,以及數據庫存儲與處理。開發SqlServer2005數據庫時,必須充分考慮前期分析的萬欣數據庫中的表及數據接口,以方便數據在數字開放實驗室及萬欣機房管理平臺之間進行讀寫。當開發數字開放實驗室時,也必須考慮整合萬欣機房管理系統。采用SOA架構模式使平臺和服務接口進行綁定,對服務接口實現封裝。其中SOA的核心組件:Web Service,它是利用WCF技術開發Web Service標準服務接口的傳輸和調用的標準化,從而實現數字開放實驗室整合。萬欣機房管理平臺與數字開放實驗室整合后的通訊流程,如圖4所示。

通過Web Service標準對服務進行查詢和訪問,實現信息以文本的形式的跨平臺傳輸,實現了不同平臺之間實驗室信息互聯共享。其實也就是說,Web Service是將XML文本在各個平臺之間傳送和接收,以達到信息交換的目的。利用WCF開發萬欣機房管理系統的契約時,注意WCF代碼編程的基本規則。如:獲取教師信息的接口,代碼如下:

using System.ServiceModel;

{[ServiceContract]

publicinterface IWanXinService

{[OperationContract]

IEnumerable GetTeachers();

}

}

當定義了獲取教師信息的接口后,定義真正可用的服務器,獲取教師信息的實現代碼如下:

public class WanXinServiceType:IWanXinService

{public TblTeacher GetTeacher(string logonName)

{CCMWF db = new CCMWF(ConfigurationManager.ConnectionStrings["CCMWF"].ConnectionString);

var result = (from t in db.TblTeachers

where t.LogonName == logonName

select t).Single();

return result; }

}

而Data Contract則用于定義傳遞信息的形狀與規則。在WCF中自定義新類型時,需要用到[Data Contract]。如萬欣契約中定義Attendance類,在此類中有學生姓名、學號、班級信息。代碼如下:

using System.Runtime.Serialization;

[DataContract]

public class Attendance

{ [DataMember]

public string StdName;

[DataMember]

public string ID;

[DataMember]

public string Class;

}

數字開放實驗室系統整合萬欣機房管理平臺時,開發部分契約接口的代碼如下:

{[OperationContract]

IEnumerable GetTeachers();//獲得教師信息

[OperationContract]

IEnumerable GetRooms();//獲得實驗室地點基本信息

[OperationContract]

IEnumerable GetAllPhysicalClasses();//獲得所有物理班信息

[OperationContract]

IEnumerable GetPhysicalClasses(int parentID);

[OperationContract]

IEnumerable GetClassGroup();//獲得班級組信息

[OperationContract]

IEnumerable GetStudents(int classID);//獲取所有學生信息

……}

四 問題與展望

數字開放實驗室系統以整合的思想進行設計與開發,縮短了網站研發周期,合理利用有效資源,并且提高了此系統的穩定性、可擴展性和可伸縮性, 同時在Web2.0理念下整合實驗室資源,提高了資源利用率和學生、教師及管理員的工作效率。通過此系統學生和教師可以時時了解實驗室設備、機房及課程的相關資源,結合自己的興趣愛好,合理地安排時間進行創新研究、協作學習及探究學習,能夠實現動態管理實驗室。目前本系統在上海師范大學得到了很好的應用。

但是隨著云計算的發展,此系統的弊端就是:本系統不能夠對整合進行遷移,不具備整合的可移動性[6]。如果能夠通過把SOA(面向服務的架構)與虛擬化結合在一起實現“基于實驗室政策的自動化”,那么在這種情況下,就能夠把實驗室基礎設施和應用程序的托管轉移到數字開放實驗室系統。從而可以成功地把數字開放實驗室系統連接到實驗室制定的政策和服務水平上。此目標的實現需要很多方面地協作,但是如果能夠實現將是質的飛躍,它將把從面向服務的計算發展到“云”計算,最大限度地提高實驗室效益和功用性。將云計算用于系統的整合過程,實現整合的移植性,是我們下一步的研究目標。