基于vSphere的交互式自主學習系統設計

臧宏業

目前，國內各教育組織和高校都在積極創建在線學習系統，學習者可以通過現有網絡實現在線學習，但現有系統模式很難滿足在線學習的需求。如，眾多學習者同時在線學習造成了網絡擁塞，學習資源的管理和學習評價也存在諸多問題。解決這些現實問題，普及在線學習，成為教育領域關注的重點。

云計算操作系統vSphere在商業應用的成功，為解決以上問題提供了方法。設計開發基于vSphere的交互式自主學習系統，將學習資源、學習策略、學習方法在教學設計理論指導下以有效的方式動態地組織起來，為學習者搭建一個自主學習和交互式協作學習相呼應的在線學習系統。

一、云計算與vSphere

1.云計算

云計算[1]定義的關鍵在于“云”。云是指一組數量眾多的、互聯到一起的計算機。這些計算機可以是個人計算機或網絡服務器，可以是公共的或私有的。對于基于云計算的系統來說，云計算提供了更多的存儲和處理能力來支持構建在該平臺之上的應用系統，它消除了傳統系統的局限，基于云計算的系統再也不受有限物理資源的約束，并且云計算的成本更低，因為與傳統的網絡相比，云能更有效地共享資源。[2]

虛擬化技術用于實現云存儲，它是指計算元件運行在虛擬的基礎上而不是真實的基礎上。虛擬化是資源的邏輯表示，它不會受物理限制的約束，其主要目的是簡化對資源的訪問和對這些資源的管理，它是一個為了簡化管理、優化資源的解決方案。[3]

2.vSphere

vSphere是第一款云操作系統，它將數據中心轉變成極為簡化的云計算基礎架構，使 IT 組織能夠提供靈活可靠的IT服務。[4]vSphere使用虛擬化技術匯總多個系統間的基礎物理硬件資源，同時為數據中心提供大量虛擬資源。

vSphere作為云操作系統擺脫了傳統操作系統只能管理服務器等單一設備類型的限制，在數據中心里，不管是服務器、存儲設備，還是網絡交換設備，它們都將置于vSphere的統一調度管理之下。同時vSphere能夠更好地進行內部云與外部云之間的協同，構建跨越多個數據中心，云提供商的私有云環境將成為其基本功能。[5]

二、交互式自主學習系統總體結構

針對目前基于網絡的遠程學習在以學為主的研究性學習與交互式協作學習方面的不足，基于云計算與虛擬化技術，筆者提出了交互式自主學習系統結構。該結構從下到上分為5層，如圖1所示。

圖1 基于云計算的交互式自主學習系統總體結構

最底層是物理資源層，用來支持基本的網絡環境，包括計算機、存儲器、網絡互聯設備、數據庫資源等。

第二層是資源池，即虛擬化層，采用虛擬化技術將各種資源虛擬為資源池，方便管理與使用。虛擬化是適用于所有云架構的一種設計技術，在云計算中，它主要指平臺虛擬化，或者是對物理資源的邏輯表示。[6]虛擬化允許將服務器、存儲設備和其他硬件視為一個資源池，而不是離散系統，這樣就可以根據需要來分配這些資源。

第三層是管理中間件層，該層是云計算與學習系統之間的橋梁，包括用戶管理、映像管理、安全管理、資源管理4個部分。作為系統結構的中間層管理中間件主要的任務是完成對物理資源與資源虛擬化的管理工作，并作為系統能夠正常運行的保障。

第四層是應用系統層，是學習系統為實現以學為主的學習體系的各功能模塊，包括學科創建、探究式自主學習、協作式學習、成果展示交流、學習成果測試、學習評價以及新功能的預留接口。

最上層是學習系統前臺，教師根據以學為主的教學設計思想建立學科內容和學習目標，監督學習者的學習狀態并給予相應的指導。學習者按學科進入系統，并根據所學內容選擇探究式自主學習和多人協作實驗交流學習。

基于云計算與虛擬化技術開發的系統可以實現個人學習環境的定制和使用界面的個性化，從而滿足學習者的個性要求和適合特定學習者學習特征的內容聚集。

三、交互式自主學習系統及實現

1.交互式自主學習系統執行邏輯

依照設計，學習者使用交互式自主學習系統的執行邏輯如圖2所示。

圖2 學習者使用學習系統的執行過程

(1)用戶進入學習系統前臺。學習系統根據存儲用戶信息和訪問權限的數據庫來判斷用戶的身份，當用戶為教師時系統賦予其教師權限，進入教師前臺。當用戶為學習者時賦予其學習者權限，進入學習者前臺。教師前臺和學習者前臺兩者是相互獨立的頁面，但兩者的內容是相互關聯的。

(2)對教師而言，學習系統首先是對學科的建立，教師根據當前學科的學習內容和學習目標以相應的學習策略和學習方法為基礎創建學習資源,在此過程中，學習系統提供學科與資源創建的向導和詳細說明，并提供資源創建后的導航，方便教師及時修改與更新。在學習過程中，教師要給予學習者相應的指導并隨時監督學習者的學習狀態。在學習者完成學科內容的學習時，教師要根據學習者的學習過程和學習成果進行學習評價，幫助學習者更好地完成學科內容的學習。

(3)當學習者登錄到學習系統，首先選擇所需要學習的學科，根據已有的學習資源并參考本學科的學習目標、學習策略、學習方法開始學習。在學習系統中，根據學科特點學習者可以進行探究式自主學習和協作式學習，學習者還可以通過交流平臺展示自己的學習成果，并根據展示內容和其與教師間交流學習的情況，提出自己的觀點和問題。在學習結束后學習者通過測試的方式來檢驗自己的學習成果。學習系統會跟蹤學習者的學習過程并記錄下來，以便更好幫助其學習，而且學習系統會自動保存學習者的學習進度，方便學習者下次繼續此學習過程。

(4)為了方便管理學習系統，管理中間件負責對用戶、安全、映像、資源進行統一管理，管理內容(如圖1所示)，管理中間件由系統管理員進行管理。

(5)資源虛擬化過程是對學習資源的整合過程，學習系統在使用學習資源時不需要考慮資源存儲的物理特性，只需要關注資源的使用，這也是云計算的一大特點。在這里資源虛擬化是通過云操作系統vSphere來完成的。

2.交互式自主學習系統實現

圖3從邏輯上描述了vSphere下的交互式自主學習系統結構并給出了系統實現方案。

圖3 基于vSphere學習系統設計

由圖3可以看出，整個學習系統是以vSphere為基礎的。教師與學習者使用Web瀏覽器與學習系統交互，學習系統通過vCenter Server提供的數據中心服務來管理和使用位于虛擬機群的學習資源庫中的學習資源。[7]

交互式自主學習系統中，教師和學習者在創建和使用學習資源時，首先通過Web瀏覽器訪問學習系統，學習系統使用vCenter Server創建書簽，書簽會先指向vSphere Web Access。vSphere Web Access解析虛擬機的物理位置，并將Web瀏覽器重定向至虛擬機所在的ESX/ESXi，實現教師和學習者通過Web瀏覽器訪問虛擬機控制臺來創建與獲取所需學習資源。

學習系統通過vSphere API(第三方產品和應用程序接口)連接到vCenter Server。vCenter Server用于集中管理數據中心，它提供基本的數據中心服務，如訪問控制、性能監控和配置功能，它將各服務器端的資源統一在一起，使這些資源在整個中心的虛擬機之間共享。vCenter Server根據系統管理員設置的策略，管理虛擬機到服務器的分配，以及資源到給定服務器內虛擬機的分配。它包括用戶訪問控件、核心服務、分布式服務、插件以及各種界面。

分布式服務可將vSphere的功能擴展到單個物理服務器之外，它可以將多個vCenter Server系統組合到單個連接組中。如果vCenter Server主機是連接組的一部分，則可以查看和管理該組中所有vCenter Server主機的清單。vMotion、Storage vMotion、DRS、存儲 I/O 控制、HA和容錯都是分布式服務，它們可自動有效地管理資源，并實現虛擬機的高可用性。

核心服務是虛擬數據中心的基本管理服務，它主要包括主機和虛擬機配置、虛擬機置備、事件管理和警報、任務調度程序、統計信息日志記錄、資源和虛擬機清單管理。vCenter Server通過數據庫接口與Oracle、Microsoft SQL Server或IBM DB2相連，用于存儲信息(如虛擬機配置、主機配置、資源和虛擬機清單、事件、性能統計信息、警報、用戶權限以及角色)。

ESX/ESXi是在物理服務器上運行的虛擬化層，它將處理器、內存、存儲器和資源虛擬化為多個虛擬機。[7]vCenter Server通過vSphere API與ESX/ESXi主機代理進行通信。當第一次將主機添加到vCenter Server時，vCenter Server將發送一個vCenter Server代理到該主機以轉發并執行由vCenter Server指定的資源分配決定,它還將虛擬機置備、配置更改命令和主機配置更改命令傳遞給主機代理，并從主機代理收集性能統計信息、警報和錯誤狀況，并將其發送給vCenter Server。

HA(High Availability)可為虛擬機提供高可用性的功能。HA 監控群集內的所有物理主機并檢測主機故障。位于每個物理主機上的代理會維護資源池中其他主機的檢測信號,如果檢測信號丟失，將啟動如下過程：重啟其他主機上所有受影響的虛擬機。HA還提供用來監控HA群集內虛擬機狀態的虛擬機監控功能。如果虛擬機沒有在指定時間內生成檢測信號，“虛擬機監控”就會認為該虛擬機發生了故障并重新啟動該虛擬機。

大量的學習資源對服務器來說是一個很大的負擔，增加了硬件設備的投入。從圖3中可以看出將學習系統構建在vSphere云平臺之上，通過vSphere這個業界最可靠的數據中心虛擬化平臺，使建立在此平臺之上的學習系統在最低的成本投入和現有設備的重用的基礎上具備最高級別的可用性和響應速度。通過將系統的功能實現與底層硬件分離來實現前所未有的可靠性和靈活性，使學習者與教師在使用系統的過程中工作負載均能夠以最低的總體成本履行最高級別的應用程序服務協議。

四、總結

基于vSphere云操作系統開發的交互式自主學習系統，可以在資源最大利用率的基礎上節約成本，不需再投資購買昂貴的硬件設備，負擔頻繁的維護與升級。同時，對于交互式自主學習系統來說，最重要是支持學習者自主學習的學習資源，學習資源儲存在云端，云平臺將提供專業、高效和安全的數據存儲。

本文在進行云計算與虛擬化技術的研究之上，對基于vSphere的交互式自主學習系統做了詳細的總體結構分析和系統設計，進一步提出了學習系統的實現方案，但由于基于云計算與虛擬化技術的系統開發在國內還處于起步階段，基于vSphere的交互式自主學習系統還需要科研人員投入更大的精力來完成。

[1] Michael Miller．云計算[M]．北京：機械工業出版社，2009：4-5．

[2] 王鵬.走近云計算[M] ．北京：人民郵電出版社，2009：35-37．

[3] 蔣海鷗. 虛擬化在中國[J]．程序員, 2010(1)：25-26．

[4] Edward Haletky．VMware vSphere技術指導手冊[EB/OL]．[2010-09-14]．http:∥ishare.iask.sina.com.cn/f/100094 68.html?from=dl&retcode=0．

[5] 楊曉勇．vSphere 4不一樣的操作系統[EB/OL]．[2010-01-04]．http:∥virtual.it168.com/a2009/1231/831/000000831576.shtml．

[6] 何偉照.隨想“云計算”在互動電視上的商業應用[J]．衛星電視與寬帶多媒體，2009(8)：55-58．

[7] ESXi 配置指南 [EB/OL]．[2010-08-06]．http:∥www.docin. com/p-57302575.html．