基于云模式的教務(wù)管理及信息系統(tǒng)架構(gòu)

【摘要】文章介紹了教育信息化的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，引入了云計(jì)算概念和層次結(jié)構(gòu)思想，根據(jù)已有云計(jì)算分類方法，進(jìn)而提出了更細(xì)致的分類方法，為單位自建基于云模式的信息系統(tǒng)所采用架構(gòu)提供了依據(jù)。論述了高校教務(wù)管理及信息系統(tǒng)云模式架構(gòu)的設(shè)計(jì)思想。以我校為例，設(shè)計(jì)了基于云模式的教務(wù)管理及信息系統(tǒng)的架構(gòu)，總結(jié)了云模式設(shè)計(jì)思想的特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】云模式；云計(jì)算；云端；教務(wù)管理；信息系統(tǒng)

【中圖分類號(hào)】G40-057 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【論文編號(hào)】1009—8097(2012)06-0098-04

一 引言

教育信息化是一個(gè)不斷創(chuàng)新、不斷應(yīng)用的過(guò)程，信息技術(shù)在教學(xué)活動(dòng)及教務(wù)管理中得到了普遍應(yīng)用。《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》第十九章明確提出加快教育信息化進(jìn)程，指出“構(gòu)建國(guó)家教育管理信息系統(tǒng)，制定學(xué)校基礎(chǔ)信息管理要求，加快學(xué)校管理信息化進(jìn)程，促進(jìn)學(xué)校管理標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化”。為此，各高校在積極在推進(jìn)教育信息化建設(shè)過(guò)程中做了大量的工作。

目前各個(gè)教育信息系統(tǒng)多是以獨(dú)立系統(tǒng)形式存在，由此產(chǎn)生5個(gè)問(wèn)題。(1)軟硬件資源重復(fù)投入，各個(gè)系統(tǒng)相互獨(dú)立，沒(méi)有統(tǒng)一利用：(2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不統(tǒng)一，各系統(tǒng)都是以信息孤島形式存在，沒(méi)有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表示和存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)；(3)數(shù)據(jù)內(nèi)容不一致，來(lái)自多個(gè)系統(tǒng)的同類數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)不一致，造成信息檢索困難與統(tǒng)計(jì)不準(zhǔn)確；(4)多點(diǎn)登錄，用戶登錄多個(gè)系統(tǒng)時(shí)必須用不同的賬號(hào)和密碼，造成使用困難；(5)信息系統(tǒng)資源利用率不平衡，由于各個(gè)系統(tǒng)相互獨(dú)立，硬件及網(wǎng)絡(luò)資源不能共享。因此必須采用一種新技術(shù)架構(gòu)，以解決上述問(wèn)題。

二 云計(jì)算發(fā)展現(xiàn)狀

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自誕生之初，信息共享的廣度和高利用率、硬件資源共享的成本最小化、數(shù)據(jù)傳遞的速率最大化是無(wú)數(shù)科技工作者永遠(yuǎn)追求的目標(biāo)。近年來(lái)，由于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的海量增加，單臺(tái)或多臺(tái)服務(wù)器集群已經(jīng)不能滿足服務(wù)需求，由此應(yīng)運(yùn)而生了云計(jì)算。

1 什么是云計(jì)算

維基百科的定義是“一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算，在其中共享的資源、軟件和信息以一種按需分配的方式提供給計(jì)算機(jī)和設(shè)備，類似日常生活中的電網(wǎng)”；美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校、IBM等研究機(jī)構(gòu)也都對(duì)云計(jì)算做出了定義。根據(jù)McKinsey公司的研究，至少有22個(gè)云計(jì)算的定義。這說(shuō)明云計(jì)算的研究和應(yīng)用還處于起步階段，尚未形成一套成熟的體系。

2 云計(jì)算的層次結(jié)構(gòu)

云端體系又可根據(jù)云計(jì)算的服務(wù)類型分為三類云計(jì)算服務(wù)，即基礎(chǔ)設(shè)施云(Infrastructure Cloud)、平臺(tái)云(PlatformCloud)和應(yīng)用云(Application Cloud)。對(duì)于云計(jì)算提供商來(lái)說(shuō)，以三種云對(duì)外提供的服務(wù)可表述為IaaS(Infrastructure-as-a-Service，基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù))、PaaS(Platform-as-a-Service，

平臺(tái)即服務(wù))和SaaS(Sottware-as-a-Service，軟件即服務(wù))。如圖1所示，三類云計(jì)算服務(wù)具有層次關(guān)系同時(shí)又相互獨(dú)立。

3 云計(jì)算的分類

(1)按云計(jì)算架構(gòu)的用途劃分

按云計(jì)算架構(gòu)的用途劃分，可分為私有云(PrivateCloud)、公共云(PubficCloud)和混合云(HybridCloud)。

(2)綜合云計(jì)算的層次和用途劃分

如果綜合考慮云計(jì)算的層次和分類，可進(jìn)一步劃分為9種云模式，如表1所示。從用途角度看，私有類云、公共類云和混合類云都可隸屬于三個(gè)層次；從層次角度看，基礎(chǔ)設(shè)施類云、平臺(tái)類云和應(yīng)用類云又可隸屬于三個(gè)用途。在信息系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，各單位可根據(jù)自身的業(yè)務(wù)需求和成本綜合考慮采用合適的云模式。高校自建的信息系統(tǒng)應(yīng)屬于私有應(yīng)用云模式。

三 教務(wù)管理及信息系統(tǒng)云模式設(shè)計(jì)思想

云模式設(shè)計(jì)理念就是分層設(shè)計(jì)、虛擬化硬件和模塊化應(yīng)用系統(tǒng)。如圖3所示，教務(wù)管理與信息系統(tǒng)核心架構(gòu)可分為基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺(tái)層和應(yīng)用云三層結(jié)構(gòu)。

對(duì)于硬件資源來(lái)說(shuō)，大型機(jī)群和服務(wù)器群統(tǒng)一管理，利用虛擬化等技術(shù)將計(jì)算能力分別劃分給相應(yīng)的操作系統(tǒng)；存儲(chǔ)設(shè)施按數(shù)據(jù)種類分區(qū)存儲(chǔ)，如系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)、多媒體文件和其它類型數(shù)據(jù)分別部署在不同存儲(chǔ)區(qū)域，建立統(tǒng)一索引；網(wǎng)絡(luò)設(shè)施以網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和光纖為載體連接計(jì)算和存儲(chǔ)設(shè)備。

操作系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用需求采用不同的產(chǎn)品，UNIX系統(tǒng)性能高且穩(wěn)定，可用于小型機(jī)或工作站等高性能服務(wù)器，適用于計(jì)算能力要求高的應(yīng)用，如數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)；Windows體系通用性強(qiáng)，結(jié)合Java運(yùn)行和開(kāi)發(fā)環(huán)境，適用于應(yīng)用系統(tǒng)中間件的部署及界面設(shè)計(jì)；LINUX系統(tǒng)可應(yīng)用于一些特殊的部署。

應(yīng)用云設(shè)計(jì)思想考慮分割各個(gè)信息子系統(tǒng)，抽取共同的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊，再分別設(shè)計(jì)各子系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)需求分析，采用合適的開(kāi)發(fā)技術(shù)架構(gòu)，如Java體系或Microsoft.Net體系。所有功能以SaaS服務(wù)模式的提供對(duì)外接口，根據(jù)用戶角色定制相應(yīng)的服務(wù)。

四 我校教務(wù)管理及信息系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

作為國(guó)內(nèi)知名的綜合性大學(xué)，其教務(wù)管理復(fù)雜性、數(shù)據(jù)海量性、教學(xué)資源多樣性等都對(duì)構(gòu)建系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。我校分為兩個(gè)校區(qū)，如何利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)同辦公、提高管理水平、共享優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。云計(jì)算的特點(diǎn)體現(xiàn)計(jì)算集中、資源分布，正適合分校區(qū)的需求。因此，我們基于云計(jì)算模式設(shè)計(jì)了本科教學(xué)管理與信息系統(tǒng)的架構(gòu)，如圖4所示。系統(tǒng)建設(shè)由教務(wù)處主持，建成覆蓋兩校區(qū)服務(wù)于本科教學(xué)的綜合性管理及信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用云計(jì)算模式，屬于部門級(jí)私有應(yīng)用云，分為基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺(tái)層、應(yīng)用云和表示層四層結(jié)構(gòu)。

1 基礎(chǔ)設(shè)施層設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)設(shè)施層是保證整個(gè)系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)，是系統(tǒng)發(fā)揮功能的硬件保障。基礎(chǔ)設(shè)施層分為兩個(gè)子層，分別是硬件資源子層和虛擬化軟件管理子層。硬件資源子層涉及該系統(tǒng)的全部硬件資源，包括高性能計(jì)算機(jī)、國(guó)際著名品牌服務(wù)器、小型機(jī)、SAN(Storage Area Network)設(shè)備以及路由器、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，分別以一定的架構(gòu)部署在主校區(qū)和分校區(qū)，通過(guò)專用高速光纜連接。虛擬化軟件管理子層將這些設(shè)備統(tǒng)一管理，根據(jù)需求劃分給不同子系統(tǒng)，并且根據(jù)不同時(shí)段用戶訪問(wèn)量彈性配置如計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間、網(wǎng)絡(luò)信道帶寬等資源的額度。

2 平臺(tái)層設(shè)計(jì)

平臺(tái)層設(shè)計(jì)主要是根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)需求分析確定要采取的操作系統(tǒng)平臺(tái)和軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)架構(gòu)，分別部署在由基礎(chǔ)設(shè)施層劃分出來(lái)的用于不同用途的虛擬服務(wù)器主機(jī)上。由于我校辦學(xué)規(guī)模大，涉及的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大，因此采用Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)部署在UNIX平臺(tái)上；業(yè)務(wù)邏輯采用中間件架構(gòu)，考慮其邏輯功能復(fù)雜性，采用Java技術(shù)體系，部署在Windows平臺(tái)上；個(gè)別特性需求業(yè)務(wù)部署在LINUX平臺(tái)上。

3 應(yīng)用云及表示層設(shè)計(jì)

府用云設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的核心部分，全部功能都由此實(shí)現(xiàn)。由圖4可知，應(yīng)用云包括教務(wù)信息子系統(tǒng)、教務(wù)OA子系統(tǒng)、教務(wù)管理子系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)管理子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)子系統(tǒng)、教學(xué)資源制作子系統(tǒng)和系統(tǒng)登錄及公共信息管理模塊。應(yīng)用云的技術(shù)實(shí)現(xiàn)是通過(guò)把所有子系統(tǒng)功能業(yè)務(wù)邏輯以中間件實(shí)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)外服務(wù)形式(如Web Service)與用戶角色接口。

(1)系統(tǒng)功能綜述

系統(tǒng)全部功能由7個(gè)子系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，分述如下。

教務(wù)信息子系統(tǒng)以教務(wù)處網(wǎng)站為依托，是教務(wù)處對(duì)外的窗口。包括常規(guī)靜態(tài)信息，如機(jī)制設(shè)置、規(guī)章制度等；動(dòng)態(tài)信息發(fā)布功能是發(fā)布信息和通知、提供教務(wù)表格下載、相關(guān)文件法規(guī)下載、發(fā)布校歷等，后臺(tái)通過(guò)授權(quán)用戶角色以實(shí)現(xiàn)各種權(quán)限，所有要發(fā)布的信息都通過(guò)網(wǎng)絡(luò)由相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)審核。

教務(wù)OA子系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)教務(wù)處內(nèi)部無(wú)紙辦公業(yè)務(wù)流程。以工作流技術(shù)實(shí)現(xiàn)任務(wù)流轉(zhuǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有相應(yīng)的審核制度。

教務(wù)管理子系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)全部教務(wù)管理業(yè)務(wù)，包括教學(xué)計(jì)劃制定、排課表、學(xué)生選課、教師登錄成績(jī)、查詢成績(jī)及相關(guān)信息統(tǒng)計(jì)與查詢等功能，該子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)教務(wù)處辦公的核心功能。

實(shí)驗(yàn)管理子系統(tǒng)針對(duì)全部實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，整合學(xué)校六大實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，統(tǒng)一管理，完成在線實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交、審查及錄入成績(jī)等功能。

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)功能，教師上傳課件等課程相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上答疑、在線作業(yè)及在線考試等功能。

教學(xué)資源制作系統(tǒng)主要是把各類教學(xué)資源制作集成到本系統(tǒng)中，先期集成課程錄播系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)課程錄播系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)子系統(tǒng)的無(wú)縫對(duì)接。

系統(tǒng)登錄及公共信息管理模塊實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)安全驗(yàn)證和所有公共信息管理。系統(tǒng)登錄管理通過(guò)設(shè)計(jì)密碼加密及角色審核等技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用級(jí)系統(tǒng)安全性；公共信息管理包括用戶管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理(如院系、學(xué)科、課程、教師、學(xué)生等數(shù)據(jù))、定制服務(wù)等功能等。

(2)服務(wù)接口設(shè)計(jì)

所有系統(tǒng)功能都按需求分析設(shè)計(jì)成粒度大小不等的服務(wù)，由相關(guān)用戶角色定制。技術(shù)實(shí)現(xiàn)采用Web Service等技術(shù)架構(gòu)。

(3)表示層與用戶角色設(shè)計(jì)

表示層采用GUI用戶圖形界面和基于Web的瀏覽器實(shí)現(xiàn)，根據(jù)用戶角色分別部署。用戶角色包括系統(tǒng)管理員、校領(lǐng)導(dǎo)、教務(wù)處領(lǐng)導(dǎo)、教務(wù)處工作人員、院系工作人員、教師和學(xué)生，用戶以角色形式定制SaaS提供的服務(wù)，由系統(tǒng)管理員統(tǒng)一授權(quán)。

五 教務(wù)管理及信息系統(tǒng)云解決方案的特點(diǎn)

高校教務(wù)管理及信息系統(tǒng)是一個(gè)面向廣大學(xué)生、教師和管理人員的復(fù)雜的系統(tǒng)工程。由于功能強(qiáng)大、業(yè)務(wù)復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)，采用合適的架構(gòu)是一下值得深入研究的問(wèn)題。如何做到科學(xué)管理、如何方便用戶使用、如何高效利用資源、如何使系統(tǒng)設(shè)計(jì)最優(yōu)化等問(wèn)題在研究中必須統(tǒng)一考慮。云計(jì)算的分層結(jié)構(gòu)、虛擬化、彈性配置及SaaS的設(shè)計(jì)架構(gòu)都可以解決復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題，具有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

1 基礎(chǔ)設(shè)施高利用率

原來(lái)的信息系統(tǒng)多是基于B／S或C／S模式獨(dú)立存在，利用云技術(shù)把所以服務(wù)器整合后，統(tǒng)一使用，配以光纖存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，設(shè)備的計(jì)算及存儲(chǔ)能力提高到了原來(lái)的2.5倍。

2 硬件資源彈性配置

通過(guò)對(duì)硬件資源進(jìn)行虛擬化，對(duì)不同計(jì)算復(fù)雜度的子系統(tǒng)彈性劃分不同的計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間和信道帶寬。如在教務(wù)系統(tǒng)選課高峰，全部硬件資源利用率達(dá)到80％，滿足了壓力需求，較之以前獨(dú)立系統(tǒng)資源利用不平衡有了極大改善。

3 多平臺(tái)優(yōu)化組合

針對(duì)本系統(tǒng)的不用應(yīng)用，采用不同的平臺(tái)和開(kāi)發(fā)體系，如數(shù)據(jù)庫(kù)采用Oracle部署在UNIX平臺(tái)上，中間件采用Java體系部署在Windows平臺(tái)上，表示層采用Microso，Net體系，較之原來(lái)系統(tǒng)架構(gòu)不合理的情況有了極大改善。

4 應(yīng)用系統(tǒng)模塊化

教務(wù)管理與信息系統(tǒng)是一個(gè)包含多個(gè)子系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)，在建設(shè)過(guò)程中需求也會(huì)發(fā)生一定的變化，將系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)成粒度大小不等的服務(wù)，以SaaS形式提供，改善了因需求變動(dòng)產(chǎn)生的后續(xù)開(kāi)發(fā)困難。

5 數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理

把原來(lái)信息孤島中數(shù)據(jù)統(tǒng)一到云數(shù)據(jù)中心，按照國(guó)家有關(guān)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，采用統(tǒng)一的存儲(chǔ)格式，確保了數(shù)據(jù)的一致性和正確性，去掉冗余及錯(cuò)誤數(shù)據(jù)近5％。

基于云模式的教務(wù)管理及信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合考慮了硬件設(shè)施的高效利用，采用了適應(yīng)的系統(tǒng)平臺(tái)和軟件開(kāi)發(fā)架構(gòu)，以中間件及WEB服務(wù)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。目前基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)已經(jīng)初步建成，平臺(tái)基本部署完畢，數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)完成。先期教務(wù)管理子系統(tǒng)及公共信息管理功能初步完成。系統(tǒng)建成后，將實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理、信息統(tǒng)一、決策支持等功能，為本科教學(xué)的高質(zhì)量提供保障。

編輯：小西