基于分布式文件系統(tǒng)的教學云平臺設計與實現(xiàn)

陳力莘 杜詩雨 黃琛霖 梁子煒

摘? ?要：為解決高校傳統(tǒng)教學平臺操作復雜、使用流程繁瑣的問題，文章提出并實現(xiàn)了一個更人性化且易于對存儲系統(tǒng)進行水平擴展的一體化教學云平臺。存儲技術采用BFS百度文件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)融合MySQL及Redis各自的優(yōu)勢，Web前后端采用Symfony框架，并結合WebUploder實現(xiàn)文件傳輸功能。該軟件可在高吞吐情況下保證低延遲和持續(xù)可用性，并較大提升了用戶友好性。

關鍵詞：分布式;云存儲;教學云

1? ? 針對傳統(tǒng)教學方式的弊端設計分布式文件系統(tǒng)

1.1? 傳統(tǒng)教學方式的弊端

在傳統(tǒng)教學環(huán)境中，為方便學生下載教學資源和提交作業(yè)，老師一般采用搭建文件傳送（輸）協(xié)議（File Transfer Protocol，F(xiàn)TP）服務器的方式，學生可通過FTP服務器下載資料或提交作業(yè)。此方案存在不少弊端。例如跨平臺兼容性問題，若服務端與客戶端的操作系統(tǒng)不同，時常會出現(xiàn)無法連接的情況。并且，若為多門課程單獨架設FTP服務器，會導致硬件和網(wǎng)絡資源利用率較低，造成資源浪費。

除使用傳統(tǒng)FTP服務器，目前絕大多數(shù)高校都有自己的教學平臺，如Bb平臺等。但目前教學平臺也有不足之處，如操作流程較為繁瑣，學生需要點擊多層鏈接才能獲取目標資源，同時，老師也需要經(jīng)過繁瑣的流程才能在平臺上開一門新課，而且不支持大文件傳輸，如音頻、視頻等多媒體資源。為了解決上述問題，本文提出一套基于分布式存儲技術的教學云平臺解決方案。為了在高吞吐量下保持低延遲和持續(xù)可用性，并考慮個性化功能實現(xiàn)的良好編程接口需求，本文選擇百度的基本文件系統(tǒng)（Basic File System，BFS）作為分布式存儲平臺[1]。

Redis數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用key-value數(shù)據(jù)存儲模式，很好地彌補了關系型數(shù)據(jù)庫在大量數(shù)據(jù)存儲中讀寫速度慢等不足。因此，在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)實現(xiàn)中，本文選擇了關系型數(shù)據(jù)庫MySQL與非關系型數(shù)據(jù)庫Redis相結合的策略。用MySQL來存儲用戶信息、課程信息和教學資源等需長期保存的數(shù)據(jù)，用Redis來存儲訪問頻率高的數(shù)據(jù)，如用戶的token等。

1.2? 分布式文件系統(tǒng)的功能

本校園云平臺的需求來源于同學和老師在日常學習和教學活動過程中的反饋和意見，面向的用戶角色主要有學生、老師和系統(tǒng)維護管理人員。

學生模塊主要有注冊和登錄、添加課程、下載教學資源、提交作業(yè)等功能;教師模塊主要有發(fā)布課程、上傳教學資源、發(fā)布作業(yè)、批改作業(yè)等功能;管理員模塊主要有課程信息管理、用戶信息管理、數(shù)據(jù)分析等功能。綜合實際，本系統(tǒng)實現(xiàn)的功能模塊如下。

（1）注冊、登錄：學生填寫用戶信息后進行注冊，通過手機短信驗證之后可以登錄。教師和管理員通過用戶名和密碼登錄。

（2）添加課程：學生添加感興趣的課程后可完成作業(yè)或下載資源。

（3）發(fā)布課程：教師能夠發(fā)布自己的課程。

（4）上傳/下載資源：教師能夠上傳關于自己課程的教學資源;學生只能下載教學資源不能上傳資源。

（5）發(fā)布/提交/批改作業(yè)：教師可以發(fā)布課程相應的作業(yè);學生寫完作業(yè)后提交作業(yè);教師可以對學生提交的作業(yè)進行批改。

（6）課程/用戶信息管理：管理員登錄后可以對課程信息或用戶信息進行增加、刪除、查詢、修改等操作。

（7）數(shù)據(jù)可視化：管理員登錄后可以通過。

2? ? 系統(tǒng)架構與系統(tǒng)相關設計

2.1? 系統(tǒng)架構

系統(tǒng)采用瀏覽器/服務器模式（Browser/Server，B/S）架構設計，由存儲層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務邏輯層和視圖層組成。為了給用戶提供體驗性較好的可視化界面，整個教學云平臺的架構中加入了Web Server，方便用戶通過客戶端瀏覽器直觀地訪問，教學云平臺系統(tǒng)整體架構如圖1所示。

（1）存儲層：存儲業(yè)務層中讀取、存儲過程中的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)庫存儲：教學云平臺采用MySQL關系型數(shù)據(jù)庫和Redis非關系型內(nèi)存數(shù)據(jù)庫相結合的方法，MySQL用于存儲用戶、課程信息，Redis用來存儲高頻率訪問的數(shù)據(jù)。并且設置主從數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的讀寫分離，主數(shù)據(jù)庫負責“寫操作”，從數(shù)據(jù)庫負責“讀操作”，這樣不僅可充分發(fā)揮這兩種數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢，還可提供更加有效、可靠的數(shù)據(jù)存儲性能。

文件系統(tǒng)存儲：BFS百度文件系統(tǒng)作為本平臺的文件存儲物理層，能夠?qū)⑽募植即鎯υ诙鄠€計算機節(jié)點上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余、文件自動備份、動態(tài)增加存儲容量的功能，不僅能夠存儲平臺所有教學資源，還能夠保證在高吞吐量下文件系統(tǒng)的可用性和性能的穩(wěn)定性。

（2）數(shù)據(jù)層：存儲和讀取數(shù)據(jù)的核心模塊。

（3）業(yè)務邏輯層：連接視圖層和存儲層的中間橋梁，處理瀏覽器界面的請求和數(shù)據(jù)操作，并對業(yè)務進行跳轉調(diào)度。

（4）Web控制系統(tǒng)：采用Symfony框架，實現(xiàn)模型—視圖—控制（Model-View-Control，MVC）框架結構。業(yè)務層根據(jù)界面層的用戶需要定制相應的業(yè)務類，再進行跳轉調(diào)度，調(diào)度相應的數(shù)據(jù)模型來完成業(yè)務請求。

2.2? 數(shù)據(jù)庫設計

教學云平臺數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)融合了關系型數(shù)據(jù)庫MySQL和非關系型數(shù)據(jù)庫Redis，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取過程如圖2所示。

3? ? 結語

為解決高校傳統(tǒng)教學平臺操作復雜、使用流程繁瑣的問題，本文提出并實現(xiàn)了一個更符合師生需求且易于對存儲系統(tǒng)進行水平擴展的一體化教學云平臺，給出了系統(tǒng)組件的選擇、數(shù)據(jù)庫設計方案及前端設計的基本原理。該教學云平臺已在學校部分教師的教學中得到應用，獲得師生好評。

[參考文獻]

[1]徐俊，王慶華，趙云龍.基于改進HDFS的冠名號小文件分布式存儲研究[J].電腦知識與技術，2014（17）：3980-3985.

Abstract：In order to solve the problems of complex operation and cumbersome use process of traditional teaching platform in colleges and universities， improving user experience， this paper analyzed the shortcomings of the overall framework of the existing teaching platform in the university， and proposed and implemented an integrated teaching cloud platform solution that is more user-friendly as well as easier to horizontally expand the storage system. This scheme adopts the mainstream PHP MVC framework Symfony， combining with Web Uploder file upload component， using hybrid database system that integrates the advantages of MySQL and Redis， and adopts Baidu distributed file system， which can guarantee low latency and continuous availability in the case of high throughput. Based on this， we implemented a teaching cloud platform with better UI experience and support for concurrent upload of large files.

Key words：distributed; cloud storage; teaching cloud platform