云計算教學參考資源平臺架構研究

王家兵 彭 紅

（1.重慶交通大學圖書館；2.重慶交通大學科技處，重慶 400074）

1 引言

教學參考資源平臺以課程為中心，以數字化教學參考書、多媒體課件為主要內容，實現了高校的優質數字化教學資源共享，相關平臺建設成為高校信息化建設的重要組成部分，也是高校數字化校園建設的一項重要內容。目前，教學參考資源平臺已成為各高校圖書館自建特色電子資源的重要部分，是圖書館服務教學、服務科研的重要平臺，受到國內外各高校圖書館的廣泛重視。經過近十年的發展，教學參考資源平臺在國內外高校圖書館得到廣泛應用，對數字化教學資源共享、在線教學以及開展慕課、翻轉課堂、微課等新興教學方法發揮了重要的支撐作用[1-2]。

早期的教學參考資源平臺大多是單服務器模式，采用Web瀏覽器、Web服務器、數據庫服務器三層架構，如江蘇廣播電視大學基于.NET三層架構實現的開放教育課程資料庫[3]、重慶工商大學采用JSP+Tomcat+SQLServer技術方案開發的基于B/S/D三層體系結構教學參考資源系統[4]等。隨著應用規模的增長，這類教學參考資源表現出存儲空間難以滿足日益增長的電子資源量的需求，并隨著移動終端的廣泛應用，出現了移動終端支持差、用戶交互體驗差等方面的問題，影響系統的使用。隨著云計算相關技術的日益成熟與移動學習的廣泛興起，越來越多的高校認識到建設基于云計算模式的教學參考資源平臺的優越性與必要性。教學參考資源云服務平臺通過云平臺實現學習資源集中存儲與分散使用，使相關學習資源得到了良好的保存、保護，支持使用移動終端，使其突破時間與地點的限制，已成為教學參考資源建設發展的一個必然趨勢。越來越多機構與學者都在積極研究采用云計算架構來構建教學參考資源平臺[5-6]。

2 功能與架構

2.1 平臺功能

教學參考資源平臺的功能是為本校各類課程與專業的相關學習電子資源，包括電子教參書、視頻、軟件、隨書光盤等進行網絡數字化存儲，為學校師生讀者提供一個不受時間、地點限制的在線學習與交流平臺。相對單機模式的教學參考資源平臺，云教學參考資源平臺在底層采用了新型的架構，能更好地實現相關功能，實現存儲資源的動態擴展，對移動用戶有更好的支持。實現的主要功能具體有以下方面：

①教參資源上傳、下載、在線閱讀，以及資源評論與收藏；

②對課程和教參資源進行管理；

③用戶管理、登錄，與學校一卡通統一身份認證系統集成；

④個人學習社區建立，包括個人信息，以及資源推薦、用戶互動等功能；

⑤輔助功能，如訪問量、資源量、熱門資源統計等；

⑥移動APP提供移動終端對系統的訪問。

2.2 平臺架構

傳統教學參考資源平臺大多采用Web瀏覽器、Web服務器、數據庫服務器三層應用程序架構模式構建，整個系統部署在靜態的網絡和服務器上，此架構使得教學參考資源平臺的應用規模增大時，需要徹底對整個硬件平臺升級，應用程序需重新配置以適應新服務器，另外在基礎硬件發生故障時，直接影響平臺的可用性。采用云計算平臺構建的教學參考資源平臺，應用部署在多個虛擬服務器上，應用不會因為個別的服務器故障而失效，擴展也無需進行全面的更新硬件基礎。同時云教學參考資源平臺需要對移動用戶提供支持。圖1顯示了采用云計算平臺技術的教學參考資源平臺系統架構。

圖1 教學參考資源云服務平臺系統架構

整個體系結構由5部分組成，分別是基礎設施層、數據資源層、應用層、用戶訪問層和管理層，基礎設施層是基礎架構層面的云計算服務，為上層提供虛擬化的資源，包括物理服務器、虛擬服務器、網絡設備、安全防火墻等；數據資源層以文件服務器、數據庫服務器，為用戶提供對資源數據層服務的封裝；應用層主要提供各種資源的應用，包括教學參考資源的教參資源上傳、下載、檢索、在線閱讀，用戶交流社區，用戶訪問認證等；用戶訪問層則提供Web訪問服務接口、APP訪問服務接口、各種Web Service接口等功能；管理層是提供對所有層次的管理功能，包括安全管理、資源管理、用戶管理、服務監控以及各種統計功能等。

3 實現方案與平臺構建

3.1 方案選擇

云教學參考資源平臺實現方案選擇需要從技術、經濟等多個方面進行考慮比較。技術方面要考慮采用方案所需硬件能否滿足使用要求，采用的軟件技術是否符合相關的業界標準，具有安全性、先進性、可靠性、適用性，方便以后進一步擴展。另外所使用軟件與資源需考慮其合法性，不得侵犯彵人版權與隱私。經濟方面要考慮初期所需投入的軟硬件費用是否符合預算，相關設備與資源的投入應與其實際應用規模相符，同時還需要考慮后期服務器等基礎設備維護費用問題，保證其在服務期內可有效使用。

教學參考資源云服務平臺投入使用需完成兩方面的內容，即軟件平臺構建與電子資源收集。軟件平臺有自主開發、外購或外包、采用開源程序定制等多種方式，幾種方式各有優缺點。自主開發需要組織專業技術團隊，對技術要求較高，開發周期較長；外購與外包費用相對較高，特別是后期的維護及功能更新費用，較難保證。綜合比較，利用開源程序定制比較適合，優先考慮選用開源軟件進行適當的定制來實現教學參考資源云平臺構建。在基礎設施方面，可充分利用現有IT基礎架構平臺，減少自主采購、上架過程，加快業務上線進程，有效降低IT運維成本。在應用設計方面，可以充分利用已有的開源代碼，減少開發費用與難度，節省開發時間。但開源軟件往往需要修改定制，這要求具有一定的技術力量。電子資源的收集主要通過外購、用戶上傳的方式，如果以前具有教學參考資源平臺，初期可以把相關資源遷移到新的云架構平臺使用。

3.2 構建實施

對于中等規模的高校，學生用戶人數約20000人左右，教師用戶約2000人左右，按每個學生用戶10G，教師用戶50G計算，總共需要300T存儲空間。考慮到實際應用中，并非所有用戶均會使用全部所有空間，300T的空間預算基本可滿足要求。另一個需要考慮的問題是網絡帶寬需求，由于教學參考資源很多是多媒體音頻、視頻，在上傳、下載時對網絡帶寬要求較高，同時對服務器的處理能力也有一定要求。此外還需要考慮到除有線接入外，移動終端通過無線接入，需要考慮網絡連接并發數的余量。根據以上需求，考慮采用三臺聯想ThinkSystem SR650機架式服務器，各服務器配置雙Intel Xeon Silver 4110 CPU，256GB內存，10塊10T 7.2K熱插拔SATA硬盤，2塊480G熱插拔固態硬盤，采用RAID 5，實際可用存儲空間約270T，在服務器上安裝虛擬機，用虛擬機來作為文件服務器、數據庫服務器和應用服務器。

平臺部署從層次上可以分為4層，即文件存儲層、數據庫層、Web應用層、負載均衡層。選擇Virtu?albox作為虛擬機，在物理機上共創建5臺Virtualbox虛擬機[7]，3 臺虛擬機上安裝 RHEL（Red Hat Enter?prise Linux）6.5 64位操作系統，運行以ownCloud定制的教學參考資源軟件平臺，以MySQL Galera Clus?ter[8]作數據庫存儲，以 GPFS（General Parallel File System）[9]作共享文件存儲，另以兩臺虛擬機安裝haproxy[10]與keepalived[11]實現負載均衡功能，在其中一臺虛擬機上以ClusterControl監測和管理數據庫集群[12]。相關功能節點如圖2所示。

圖2 教學參考資源云服務平臺功能節點

應用層教學參考資源管理軟件采用ownCloud定制來實現。ownCloud[13]是一款開源代碼的文件同步和共享應用軟件，采用php與mysql開發，適合于采用私有服務器搭建云存儲，支持跨平臺文件共享服務、圖片音樂和文檔等文件預覽、開放API，支持第三方應用整合。ownCloud提供了大部分教學參考資源平臺所需的功能，需要定制的方面集中在漢化、界面定制、用戶登錄認證接口設計以及教學參考資源平臺所需功能模塊的安裝等幾個方面。ownCloud原生提供多語言支持，漢化只需要下載提供的簡體中文漢化包到對應目錄，然后在后臺設置即可實現漢化。ownCloud提供了文件同步和共享功能，通過安裝應用插件可提供教學參考資源平臺所需音樂、視頻在線播放、圖片在線預覽、PDF在線閱讀等功能應用。登錄認證方面，現高校數字化校園建設都建有統一身份認證平臺，其采用輕量目錄訪問協議（lightweight directory access protocol，LDAP），own?Cloud默認支持AD、LDAP和OAuth 2.0集成，通過使用ownCloud AD/LDAP插件應用，配置好目錄服務器的地址、協議、過濾條件，就可以轉到校統一認證目錄上認證，實現統一身份認證登錄，同時在管理后臺還可以對用戶組成員關系、配額、自定義用戶屬性、失敗登錄賬戶鎖定次數等進行設置。

平臺功能實現以后，需要導入初始數據，投入運行。考慮到新舊平臺數據庫表結構相差較大，以程序化方法導入原有的教學參考資源難以實現，而初期的高校教學參考資源平臺所含資源數量不大，可采用手工導入來完成初始資源遷移。

3.3 測試運行

平臺所需的測試包括功能測試和性能測試。功能測試驗證平臺是否實現了所需要的功能，性能測試驗證平臺能否在實際運行時滿足多用戶并發的要求。功能方面，ownCloud提供教學參考資源的文件存儲與共享功能，通過添加插件可以實現一些其他在線查看文檔、討論社區等功能。在虛擬學習環境空間方面，由于缺乏相關插件，單機模式教學參考資源平臺的在線學習功能需要定制開發。

性能測試通過觀察物理服務器與各虛擬機實際運行時的CPU負荷、內存占用來進行。三臺物理服務器安裝五個虛擬機，觀察發現，物理機與虛擬機的CPU負荷基于處于在0-35%之間，在并發數達到100并發用戶時，各物理機與虛擬機的CPU負荷仍低于35%。每個虛擬機分配內存32G，內存占用平均在15%左右，峰值不足25%。

4 結語

采用云存儲模式構建教學參考資源平臺具有計算資源與存儲資源可動態管理、自適應，能更好實現教學資源的共享與移動存取，有效提升教學參考資源管理與服務的水平。選用開源軟件來構建教學參考資源云服務平臺，有效降低了建設成本，可充分利用相關軟件的社區服務，保持平臺的可持續發展。

采用開源軟件方案來構建云教學參考資源平臺，對自有技術能力提出了一定的要求，需要組建相應技術團隊來保證項目的完成。項目實施中，需要在預算內選擇性能良好的服務器，保證網絡帶寬，防止基礎設施低劣影響整體用戶體驗。本方案采用3臺物理服務器，安裝5臺virtualbox虛擬機，3臺虛擬化機部署Galera MySQL數據庫和GPFS分布式文件系統，另兩臺虛擬機安裝ownCloud提供Web應用服務和負債均衡，滿足了20000用戶規模的應用場景，在充分發揮硬件資源性能的同時，也帶來了良好的用戶體驗，得到了用戶的好評。平臺投入應用的前兩月，平均日訪問用戶在150人左右。可以預測，隨著資源量的進一步增加，用戶會進一步增加。后期需進一步收集用戶反饋，進行功能與資源方面的改進，同時開發更多的定制功能模塊。