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    SOA環(huán)境下數(shù)字教育資源協(xié)同共享框架及實現(xiàn)研究*

    2011-12-12 07:30:28上超望劉清堂楊宗凱趙呈領(lǐng)
    中國遠(yuǎn)程教育 2011年13期
    關(guān)鍵詞:教育資源分布式學(xué)習(xí)者

    □ 上超望 劉清堂 楊宗凱 趙呈領(lǐng)

    SOA環(huán)境下數(shù)字教育資源協(xié)同共享框架及實現(xiàn)研究*

    □ 上超望 劉清堂 楊宗凱 趙呈領(lǐng)

    充分利用網(wǎng)絡(luò)共享優(yōu)質(zhì)教育資源,是當(dāng)前教育數(shù)字化深入發(fā)展需要解決的關(guān)鍵問題之一。本文對分布式數(shù)字教育資源協(xié)同的需求進(jìn)行了分析,提出了SOA環(huán)境下數(shù)字教育資源協(xié)同共享框架模型(MERSCA),論述了系統(tǒng)的主要架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)。希望在對現(xiàn)有各資源站點(diǎn)改動最小的基礎(chǔ)上解決資源的共享和增值應(yīng)用問題,創(chuàng)新數(shù)字教育資源公共服務(wù)模式,提高資源的利用效率。

    SOA;Web服務(wù);數(shù)字教育資源;一站式;協(xié)同

    一、引言

    數(shù)字教育通過實現(xiàn)教育從環(huán)境、資源到應(yīng)用的數(shù)字化,使現(xiàn)實校園環(huán)境憑借信息系統(tǒng)在時間和空間上得到延伸[1]。SOA(Service Oriented Architecture,面向服務(wù)架構(gòu))是為解決分布式互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的資源共享和重用而提出的一種新型軟件系統(tǒng)架構(gòu),它允許不同系統(tǒng)能夠進(jìn)行無縫通信和異構(gòu)資源共享。

    傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)教育資源使用模式降低了遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)中的資源通用性能力,造成了大量資源浪費(fèi)。建設(shè)開放共享的數(shù)字教育公共服務(wù)體系是國家實施現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育工程的核心組成部分,也是《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》的重要主題[2]。SOA(面向服務(wù)架構(gòu))為數(shù)字教育服務(wù)體系建設(shè)提供了最佳支持,為構(gòu)建開放的數(shù)字教育公共服務(wù)支撐平臺,建立新型的面向數(shù)字教育的公共服務(wù)機(jī)制,國家支持實施了“數(shù)字化學(xué)習(xí)港與終身學(xué)習(xí)社會的建設(shè)與示范”、“數(shù)字教育公共服務(wù)示范工程”等多項重大項目,目前已經(jīng)初步建立了“奧鵬”、“弘成”和“知金”三個覆蓋全國的網(wǎng)絡(luò)教育公共服務(wù)體系[3]。

    在分布式教育資源服務(wù)的集成應(yīng)用中,信息的交互、共享和數(shù)據(jù)的安全訪問是關(guān)鍵內(nèi)容[4]。設(shè)計一個全局的資源協(xié)同和訪問框架來屏蔽資源平臺差異,實現(xiàn)分布式資源的共享,以支持優(yōu)質(zhì)教育資源增值應(yīng)用,構(gòu)建開放和便捷的資源整合服務(wù),成為SOA環(huán)境下教育資源數(shù)字化建設(shè)需要解決的首要問題。

    本文在對分布式環(huán)境下數(shù)字教育資源協(xié)同的需求進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計了SOA環(huán)境下數(shù)字教育資源協(xié)同共享框架模型(MERSCA,Modelof E-learning Resources Sharing and Coordination Architecture),然后從協(xié)同數(shù)字教育資源一站式訪問和數(shù)字教育資源服務(wù)基于序關(guān)系的協(xié)同兩個方面討論了MERSCA實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。實踐研究表明,MERSCA模型是分布式數(shù)字教育資源協(xié)同共享系統(tǒng)建構(gòu)中一種可行和實用的方案。

    二、分布式數(shù)字教育資源協(xié)同需求分析

    數(shù)字教育要達(dá)到的重要目標(biāo)是信息共享和應(yīng)用集成,需要經(jīng)過一個長期的建設(shè)和完善過程[5],涵蓋資源建設(shè)、資源集成、知識處理、平臺接入和運(yùn)行、質(zhì)量監(jiān)控和資源評價等多個方面,所以在建設(shè)之初就應(yīng)融入基于全局觀點(diǎn)、具有可擴(kuò)展性和新技術(shù)兼容等多個方面的考量。

    SOA環(huán)境下數(shù)字教育資源協(xié)同共享框架及實現(xiàn)涉及資源協(xié)同的可擴(kuò)展性、資源訪問的便捷性、用戶身份的管理以及認(rèn)證、授權(quán)、加密等多項技術(shù),框架的整體設(shè)計應(yīng)滿足以下目標(biāo):

    (1) 靈活性

    數(shù)字教育服務(wù)架構(gòu)通過通用性的服務(wù)接口調(diào)用來實現(xiàn)資源的跨域整合,個體原子服務(wù)獨(dú)立于實現(xiàn)平臺,具有松耦合、可擴(kuò)展等特點(diǎn),它們往往在不同時期由不同廠商開發(fā),設(shè)計方法和開發(fā)技術(shù)也有所不同,各自擁有獨(dú)立的用戶認(rèn)證體系,也因此導(dǎo)致了目前各個系統(tǒng)的用戶數(shù)據(jù)分散,不能統(tǒng)一管理,難以共享數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀[6]。數(shù)字教育資源一站式協(xié)同架構(gòu)需要從整體上靈活地鑒別用戶,為這些多類型的安全服務(wù)提供基于整體訪問的跨域安全集成,提供統(tǒng)一訪問入口,從而提高優(yōu)質(zhì)資源整合的敏捷性。

    圖1 SOA環(huán)境下數(shù)字教育資源協(xié)同共享框架模型

    (2) 信任遷移

    面向服務(wù)的思想使得資源應(yīng)用逐漸趨向于分布式和相互合作的形式,用戶的身份和授權(quán)也不再局限于某一特定的信任域。當(dāng)資源來源于多個安全域,為保證資源交互活動安全,每次訪問都需要對用戶進(jìn)行身份和權(quán)限準(zhǔn)入確認(rèn),降低了資源使用效率[7]。因此需要一種信任遷移機(jī)制,能夠提供一個整體的、運(yùn)行時身份驗證盡可能少的安全信息共享方案。資源訪問主體只需要在某個安全域中進(jìn)行一次身份認(rèn)證,就可以訪問其被授權(quán)的當(dāng)前安全域其他資源或被當(dāng)前安全域信任的其他域中的資源,不必通過多次身份驗證操作來獲得授權(quán)。

    (3) 可伸縮

    模型應(yīng)當(dāng)能夠提供開放式體系結(jié)構(gòu),實現(xiàn)可擴(kuò)展的安全訪問機(jī)制,框架應(yīng)當(dāng)將信息系統(tǒng)所面對的教育企業(yè)或機(jī)構(gòu)從整體應(yīng)用的角度統(tǒng)一對待,保持通過增加資源使服務(wù)價值產(chǎn)生線性增長的能力。當(dāng)有新的應(yīng)用需要部署或增加時,不需要對應(yīng)用程序本身進(jìn)行大量修改,通過考量安全方案規(guī)劃技術(shù)發(fā)展因素,使新的安全技術(shù)和規(guī)范可以很方便地融入[8]。

    三、數(shù)字教育資源一站式協(xié)同架構(gòu)模型(MERSCA)

    SOA環(huán)境下數(shù)字教育資源協(xié)同共享框架模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。MERSCA采用層次結(jié)構(gòu)建模方法,從數(shù)字教育資源服務(wù)中協(xié)同資源一站式訪問與基于序關(guān)系的動態(tài)協(xié)同兩個核心技術(shù)構(gòu)建資源的安全整合,把握用戶對于教學(xué)設(shè)計邏輯和資源訪問等個性化需求,在進(jìn)行異構(gòu)數(shù)字教育資源協(xié)同架構(gòu)規(guī)劃中兼顧目前和未來的發(fā)展。MERSCA模型從下至上分為資源管理層、通信層、資源組合層、資源協(xié)同層和應(yīng)用層。

    (1) 資源管理層

    我國教育數(shù)字化建設(shè)中的一個重要組成部分就是網(wǎng)絡(luò)教育資源開發(fā)。為促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)教育資源建設(shè),國家投入了大量的人力、物力和財力,目前已經(jīng)建立起了媒體素材、在線題庫、網(wǎng)絡(luò)課件、網(wǎng)上教學(xué)案例、網(wǎng)絡(luò)課程等多種類型的數(shù)字教育資源[9]。

    在MERSCA中,資源管理層從分布式的優(yōu)質(zhì)教育資源中提取類型資源共性,參照已定義好的統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn),將資源屬性對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)屬性用XML格式字符串描述出來,形成統(tǒng)一的資源描述規(guī)范和服務(wù)接口。同時通過WSDL協(xié)議描述數(shù)字教育資源的服務(wù),實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的接口綁定和異構(gòu)資源的服務(wù)封裝,并進(jìn)行注冊和功能分類的集中管理,在對現(xiàn)有各資源站點(diǎn)改動最小的基礎(chǔ)上解決資源的共享和增值應(yīng)用問題。資源管理層為通信層和資源服務(wù)組合層提供了資源的預(yù)處理功能,通過服務(wù)接口對外提供教育資源服務(wù)。

    (2) 通信層

    通信層使用基于XML的SOAP協(xié)議(Simple Object Access Protocol,簡單對象訪問協(xié)議) 對教育資源交互信息進(jìn)行描述。應(yīng)用程序之間基于SOAP進(jìn)行相互溝通時,不需要知道彼此是在哪一種操作平臺上操作或是各自如何實現(xiàn)等細(xì)節(jié)信息。SOAP代表了一套資源如何呈現(xiàn)與延伸的共享規(guī)則,它是一個獨(dú)立的信息,可以獨(dú)自運(yùn)作在不同的操作系統(tǒng)上面,并可以使用各種不同的通訊方式來傳輸,例如SMTP、MIME,或是HTTP等。

    無論基于.net技術(shù)開發(fā)的教育資源系統(tǒng),還是應(yīng)用java技術(shù)開發(fā)的教育資源系統(tǒng),通過SOAP協(xié)議,系統(tǒng)之間能夠相互進(jìn)行溝通和資源共享,資源系統(tǒng)之間的平臺架構(gòu)和實現(xiàn)細(xì)節(jié)是彼此透明的。

    (3)教育資源服務(wù)組合層

    資源組合層基于BPEL4WS業(yè)務(wù)流,在Web服務(wù)組合引擎所提供的質(zhì)量控制、消息路由、信息管理、事務(wù)管理和流程管理等功能的支持下進(jìn)行資源服務(wù)集成。通過可視化編排方式,資源組合層將不同的教育資源原子服務(wù)依據(jù)教學(xué)設(shè)計者設(shè)定的邏輯組合在一起,屏蔽底層信息基礎(chǔ)設(shè)施的變遷,合理地安排這些服務(wù)的運(yùn)行順序,以形成大粒度的、具有內(nèi)部流程邏輯的教育資源整合,充分發(fā)揮優(yōu)質(zhì)教育資源服務(wù)的潛力,形成“1+1>2”的服務(wù)資源集成增值效果。

    BPEL4WS基于XML Schema、XPath及XSLT等規(guī)范,提供了一套標(biāo)準(zhǔn)化語法對業(yè)務(wù)流程所綁定的Web服務(wù)交互特性及控制邏輯進(jìn)行描述。通過對業(yè)務(wù)流程中教育服務(wù)資源的交互行為建模,BPEL4WS以可視化和有序的方式協(xié)調(diào)它們之間的交互活動達(dá)成教育資源服務(wù)的組合應(yīng)用目標(biāo)。

    (4)教育資源協(xié)同層

    異構(gòu)數(shù)字教育資源服務(wù)的協(xié)同應(yīng)用過程涉及處于不同計算域下的多個資源提供者,當(dāng)用戶訪問分布式的多域數(shù)字教育資源時,就會涉及安全邊界跨越問題,需要登陸不同系統(tǒng),接受多次安全身份驗證,安全與訪問效率都無法得到保證。

    安全聲明標(biāo)記語言SAML是信息標(biāo)準(zhǔn)化促進(jìn)組織(OASIS)為產(chǎn)生和交換使用者認(rèn)證而制定的一項標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,它基于XML架構(gòu)在不同的在線應(yīng)用場景中決定請求者、請求內(nèi)容以及是否有授權(quán)提出需求等,同時為交易的雙方提供交換授權(quán)和確認(rèn)的機(jī)制,達(dá)到可轉(zhuǎn)移的信任。安全協(xié)同層基于SAML實現(xiàn)用戶在多個資源提供者之間身份和安全信息的遷移,通過數(shù)字加密和簽名技術(shù)保證系統(tǒng)消息之間的保密性。用戶只需在網(wǎng)絡(luò)中主動地進(jìn)行一次身份認(rèn)證登陸,不需再次登陸就能夠在達(dá)成信任關(guān)系的成員單位之間無縫地訪問授權(quán)資源。資源安全協(xié)同層所采用的一站式訪問形式減少了認(rèn)證次數(shù),同時也降低了用戶訪問資源時的時間成本。

    (5) 應(yīng)用層

    應(yīng)用層是系統(tǒng)功能和使用者交互的接口,提供安全管理入口、資源展示、資源新聞發(fā)布、知識宣傳等功能。E-learning學(xué)習(xí)信息門戶是應(yīng)用層信息資源集成界面與終端使用者之間進(jìn)行信息交互的橋梁,它通過一站式服務(wù)為學(xué)習(xí)者提供分布式數(shù)字教育資源集成服務(wù)中的核心業(yè)務(wù)。學(xué)習(xí)者通過信息門戶模塊進(jìn)入學(xué)習(xí)環(huán)境,依據(jù)自身的需要和意愿選擇合適的學(xué)習(xí)資源,來完成通過多個安全域中的分布式資源整合而形成的系列課程學(xué)習(xí)。

    四、MERSCA模型的關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

    依托國家“十一五”科技支撐計劃課題“數(shù)字教育公共服務(wù)示范工程”,MERSCA模型已在實踐應(yīng)用環(huán)境中得到成功實施。MERSCA通過分布式的數(shù)字教育資源服務(wù)整合來凝聚分布于網(wǎng)絡(luò)中的各種教育資源,實現(xiàn)了教育資源的共享和協(xié)同,并提供安全方便的資源訪問模式。MERSCA的成功實施依賴于協(xié)同數(shù)字教育資源一站式訪問和資源服務(wù)基于序關(guān)系的協(xié)同兩個關(guān)鍵技術(shù)。

    圖2 協(xié)同教育資源一站式安全訪問

    圖3 基于序關(guān)系的數(shù)字教育資源協(xié)同

    1.協(xié)同教育資源的一站式訪問

    協(xié)同資源一站式訪問技術(shù)通過使用SAML安全信牌確保可移植的信任遷移,在分布式的教育資源提供者之間共享用戶身份驗證信息和授權(quán)信息,同時又保證資源提供者對資源的控制權(quán)。SAML安全信牌由身份認(rèn)證權(quán)威生成,它的生命周期也由身份認(rèn)證權(quán)威來管理。完整的一站式訪問安全認(rèn)證實現(xiàn)過程如圖2所示,主要由六個步驟組成:

    (1) 學(xué)習(xí)者向身份認(rèn)證權(quán)威的SOAP安全A-gent提交身份驗證信息,請求確認(rèn)身份的合法性;

    (2)在確認(rèn)學(xué)習(xí)者身份為合法后,身份認(rèn)證權(quán)威為學(xué)習(xí)者創(chuàng)建含有SAML合法性判決標(biāo)識文件的安全信牌,并將該信牌返回給學(xué)習(xí)者;

    (3)學(xué)習(xí)者在教學(xué)設(shè)計業(yè)務(wù)流程邏輯的引導(dǎo)下,通過點(diǎn)擊目標(biāo)資源地址的URL來試圖訪問某個協(xié)同學(xué)習(xí)資源,同時將合法性標(biāo)識文件作為URL的一部分發(fā)送給資源站點(diǎn),然后被重新定向到資源提供者;

    (4) 學(xué)習(xí)資源提供者的SOAP安全Agent收到步驟(3)傳遞來的信息,從合法性標(biāo)識文件中解析出身份認(rèn)證權(quán)威的地址信息,然后向身份認(rèn)證權(quán)威的SOAP安全Agent發(fā)送包含合法性標(biāo)識文件的SAML請求;

    (5) 身份認(rèn)證權(quán)威的SOAP安全Agent收到SAML請求后,從請求中包含的合法性引用信息找到相關(guān)認(rèn)證,然后將認(rèn)證信息封裝在SOAP包中,以SAML響應(yīng)方式傳送給資源提供者;

    (6) 資源提供者的SOAP安全Agent檢查學(xué)習(xí)者安全信牌信息,如果檢查成功則將學(xué)習(xí)者重新定向到數(shù)字學(xué)習(xí)資源所在的URL,并將所需資源發(fā)送到學(xué)習(xí)者瀏覽器,否則將拒絕用戶訪問。

    在步驟(2) ~(6) 中,由于在重定位URL后附有與學(xué)習(xí)者認(rèn)證相關(guān)的安全信息,可采用簽名和加密的方式來保障認(rèn)證信息的機(jī)密性和完整性。為確保發(fā)送方和接收方身份的真實性,步驟(4) 和(5)中資源提供者和身份認(rèn)證權(quán)威需要進(jìn)行雙向認(rèn)證,它們在傳輸身份聲明的過程中對學(xué)習(xí)者是透明的。

    協(xié)同資源一站式訪問的實現(xiàn)讓學(xué)習(xí)者在訪問不同的服務(wù)資源時避免身份重復(fù)認(rèn)證,節(jié)省了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)時間,提高了系統(tǒng)資源的服務(wù)效率。

    2.資源服務(wù)基于序關(guān)系的協(xié)同

    資源服務(wù)基于序關(guān)系的協(xié)同技術(shù)將分布式環(huán)境下的教育資源服務(wù)看作獨(dú)立的功能模塊,通過BPEL4WS(Web服務(wù)業(yè)務(wù)流程執(zhí)行語言)流程活動綁定這些資源模塊,通過結(jié)構(gòu)化業(yè)務(wù)流程活動來定義資源服務(wù)活動之間基于序的邏輯關(guān)系,實現(xiàn)數(shù)字教育資源協(xié)同,組成大粒度增值應(yīng)用服務(wù)。BPEL4WS流程引擎為業(yè)務(wù)流程所綁定的資源提供了控制與管理支持。教育資源設(shè)計者可以方便地依據(jù)教學(xué)設(shè)計思想采取可視化的方式編排資源協(xié)同關(guān)系,更方便地適應(yīng)學(xué)習(xí)者的個性化學(xué)習(xí)需求。

    圖3 展示了一個基于BPEL4WS的簡易資源協(xié)同實例,BPEL4WS業(yè)務(wù)該流程通過三個基本活動分別綁定了由不同提供者提供的“C語言基本知識和測試服務(wù)”、“C語言高階知識服務(wù)”和“C語言基本知識鞏固服務(wù)” 分布式資源,基于教學(xué)設(shè)計序邏輯組成“C語言知識集成服務(wù)”組合服務(wù)。當(dāng)E-learning學(xué)習(xí)門戶接收到學(xué)習(xí)者的服務(wù)請求時,組合服務(wù)資源主要協(xié)同過程描述如下:

    (1)流程“Receive”協(xié)同服務(wù)接口接收開始信息啟動業(yè)務(wù)流程,啟動一個資源協(xié)同實例;

    (2)“C語言基本知識和測試服務(wù)”通過基礎(chǔ)知識服務(wù)接口為學(xué)習(xí)者提供C語言基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)資源,通過測試接口對學(xué)習(xí)者進(jìn)行知識測試;

    (3)“C語言基本知識和測試服務(wù)”將測試結(jié)果得分提交給BPEL4WS學(xué)習(xí)流程;

    (4)BPEL4WS流程對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)績效進(jìn)行邏輯判決;

    (5)當(dāng)學(xué)習(xí)者得分小于60時,學(xué)習(xí)流程引導(dǎo)學(xué)習(xí)者進(jìn)入“知識鞏固服務(wù)”,進(jìn)行知識鞏固;當(dāng)學(xué)習(xí)者得分大于60時,學(xué)習(xí)流程將引導(dǎo)學(xué)習(xí)者進(jìn)行高階知識學(xué)習(xí);

    (6)學(xué)習(xí)者知識學(xué)習(xí)結(jié)束,學(xué)習(xí)流程通過“Reply”協(xié)同服務(wù)輸出接口發(fā)送終止信息終止業(yè)務(wù)流程,結(jié)束學(xué)習(xí)過程。

    五、結(jié)論與展望

    屏蔽資源平臺差異、構(gòu)建便捷的一站式數(shù)字教育資源整合服務(wù)是開放環(huán)境下數(shù)字教育服務(wù)建設(shè)需要解決的核心問題之一。本文提出了一種面向SOA環(huán)境的數(shù)字教育資源一站式協(xié)同架構(gòu)模型MERSCA,MERSCA采用分層結(jié)構(gòu),通過對數(shù)字教育資源的服務(wù)包裝,實現(xiàn)了資源的共享和可重用;通過基于SAML的安全信息共享技術(shù),實現(xiàn)了一站式訪問;通過BPEL4WS綁定,實現(xiàn)數(shù)字教育資源基于教學(xué)設(shè)計思想的增值協(xié)同。MERSCA具有良好的擴(kuò)展性、集成性以及與平臺無關(guān)等特點(diǎn),適用于數(shù)字教育資源跨部門協(xié)同應(yīng)用中的信息共享和資源整合。模型的實現(xiàn)過程證明,該方案具有可行性和實用性。這些特點(diǎn)在筆者參與的國家科技支撐計劃課題“數(shù)字教育公共服務(wù)示范工程”實踐應(yīng)用中得到了證明。未來的工作將主要集中在業(yè)務(wù)流程級別安全性的設(shè)計與實現(xiàn)方面,以便提供一個更完善的數(shù)字教育資源集成服務(wù)安全體系。

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    G40-057

    A

    1009—458x(2011)07—0054—05

    本文為國家教育規(guī)劃課題(項目編號:BCA100024)、湖北省自然科學(xué)基金(項目編號:2009CDA135)階段性成果之一。

    2010-12-30

    上超望,博士,講師;劉清堂,教授,博士生導(dǎo)師,系主任;趙呈領(lǐng),教授。華中師范大學(xué)信息技術(shù)系(430079)。

    楊宗凱,教授,博士生導(dǎo)師,華中師范大學(xué)國家數(shù)字化學(xué)習(xí)工程技術(shù)研究中心(430079)。

    責(zé)任編輯 三 川

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