云時代的數(shù)字化校園架構(gòu)研究

郭亞軍，盧立蕾，吳淑坤

（唐山師范學(xué)院 計算機科學(xué)系，河北 唐山 063000）

云時代的數(shù)字化校園架構(gòu)研究

郭亞軍，盧立蕾，吳淑坤

（唐山師范學(xué)院 計算機科學(xué)系，河北 唐山 063000）

隨著云技術(shù)的發(fā)展壯大，基于云的應(yīng)用在各行各業(yè)中如雨后春筍般涌現(xiàn)。云在教育領(lǐng)域中也得到長足的發(fā)展。討論了云環(huán)境下的校園數(shù)字化校園建設(shè)的系統(tǒng)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)等問題，旨在通過云環(huán)境提供各種資源系統(tǒng)和服務(wù)，建立一個服務(wù)教學(xué)、科研和學(xué)校管理的“數(shù)字校園基礎(chǔ)服務(wù)平臺”。

云；數(shù)字化校園；信息化平臺

數(shù)字化校園是以數(shù)字化信息和網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，對教學(xué)、科研、管理以及生活服務(wù)等進(jìn)行全面的整合，實現(xiàn)從環(huán)境、資源到應(yīng)用的全部數(shù)字化。在傳統(tǒng)校園的基礎(chǔ)上構(gòu)建一個數(shù)字空間，擴展傳統(tǒng)校園業(yè)務(wù)功能，最終實現(xiàn)教育過程的全面信息化，從而達(dá)到提高管理水平和效率的目的。但是，早期學(xué)校數(shù)字校園建設(shè)中存在設(shè)備利用率低、資源配置不平衡、信息共享度低、各個教學(xué)、管理系統(tǒng)之間的交流和互操作之間易形成信息孤島等諸多缺點，而隨著云平臺技術(shù)和應(yīng)用的普及，勢將改變這一面貌，云環(huán)境可將分布在校內(nèi)的各種計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲等資源集中起來，利用虛擬化、分布式計算等技術(shù)，有效解決數(shù)字校園建設(shè)中存在的高投入、高能耗、低效率等問題。

1 云環(huán)境下的數(shù)字化校園建設(shè)目標(biāo)

教育領(lǐng)域的應(yīng)用目前在云產(chǎn)業(yè)化上還是一片藍(lán)海，以云計算技術(shù)構(gòu)建教育公共服務(wù)平臺在未來3-5年必然成為教育信息化建設(shè)的主流。數(shù)字化校園建設(shè)對教育信息化起到不可替代的作用，我們提出以下建設(shè)目標(biāo)：

（1）建立公共服務(wù)基礎(chǔ)平臺是建設(shè)“統(tǒng)一、便捷、高效、安全”的教育數(shù)字化平臺，是發(fā)展新型的數(shù)字化校園的關(guān)鍵組成部分。

（2）建立統(tǒng)一的、整合的、交互的省級或市級教育基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫，整合各方教育數(shù)據(jù)和信息（云基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫）。

（3）整合現(xiàn)有學(xué)校的資源與業(yè)務(wù)流程（云資源管理平臺）。

（4）建立或完善數(shù)字化校園公共服務(wù)平臺基礎(chǔ)門戶，實現(xiàn)教育服務(wù)應(yīng)用單點登錄，實現(xiàn)所有教育應(yīng)用的統(tǒng)一訪問（云應(yīng)用門戶）。

（5）建設(shè)學(xué)校教育資源運營體系和管理平臺（云運營平臺）。

（6）建立面向?qū)W校、老師、家長、學(xué)生、自然人的教育服務(wù)體系，實現(xiàn)基于角色的自助服務(wù)（云自助服務(wù)門戶）。

2 云環(huán)境下數(shù)字化校園建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

云環(huán)境下數(shù)字化校園建設(shè)以數(shù)據(jù)為中心，是一種數(shù)據(jù)密集型的超級計算。在數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)管理、編程模式等方面具有自身獨特的技術(shù)。

2.1 數(shù)據(jù)存儲技術(shù)

為保證數(shù)字校園平臺的高可用性、高可靠性和經(jīng)濟性，云環(huán)境下數(shù)字化校園采用分布式存儲的方式來存儲數(shù)據(jù)。根據(jù)教學(xué)資源信息量大、重復(fù)率高等特點，采用安全的重復(fù)數(shù)據(jù)刪除存儲系統(tǒng)，可大大提高數(shù)據(jù)壓縮率，提高訪問速度。采用冗余存儲的方式來保證存儲數(shù)據(jù)的可靠性，即為同一份數(shù)據(jù)保存多個副本。另外，云環(huán)境下數(shù)字化校園平臺需要同時滿足大量用戶的需求，并行地為大量用戶提供服務(wù)。因此，云環(huán)境下數(shù)字化校園建設(shè)的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)必須具有高吞吐率和高傳輸率的特點。

2.2 數(shù)據(jù)管理技術(shù)

云環(huán)境下數(shù)字化校園平臺對大數(shù)據(jù)集進(jìn)行處理、分析，向用戶提供高效的服務(wù)。因此，數(shù)據(jù)管理技術(shù)必須能夠高效的管理大數(shù)據(jù)集。其次，如何在規(guī)模巨大的數(shù)據(jù)中找到特定的數(shù)據(jù)，也是云環(huán)境下數(shù)字化校園建設(shè)所必須解決的問題。云環(huán)境下數(shù)字化校園的特點是對海量的數(shù)據(jù)存儲、讀取后進(jìn)行大量的分析，數(shù)據(jù)的讀操作頻率遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)的更新頻率，云中的數(shù)據(jù)管理是一種讀優(yōu)化的數(shù)據(jù)管理。因此，云環(huán)境下數(shù)字化校園的數(shù)據(jù)管理往往采用數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域中列存儲的數(shù)據(jù)管理模式，將表按列劃分后存儲。

2.3 用戶交互技術(shù)

在云環(huán)境下的數(shù)字化校園中瀏覽器已經(jīng)不僅僅是一個客戶端的軟件而逐步演變?yōu)槌休d著數(shù)字化校園建設(shè)平臺。瀏覽器與云計算的整合技術(shù)主要體現(xiàn)在兩個方面：瀏覽器網(wǎng)絡(luò)化與瀏覽器云服務(wù)。瀏覽器都將網(wǎng)絡(luò)化作為其功能的標(biāo)配之一，主要功能體現(xiàn)在用戶可以登錄瀏覽器，并通過自己的帳號將個性化數(shù)據(jù)同步到服務(wù)端。而目前的云端服務(wù)，主要體現(xiàn)在P2P下載、視頻加速等單獨的客戶端軟件中。

2.4 系統(tǒng)虛擬化技術(shù)

系統(tǒng)虛擬化技術(shù)是指將一臺物理計算機系統(tǒng)摸擬為一臺或多臺計算機系統(tǒng)并行。通過虛擬化技術(shù)的應(yīng)用，虛擬機中的操作系統(tǒng)認(rèn)為自己仍然是獨占一個系統(tǒng)在運行。虛擬化技術(shù)可以擴大硬件的存儲容量，簡化軟件的重新配置過程，降低了數(shù)字化校園的管理成本，減輕了對操作人員的技術(shù)要求，更增強了對云服務(wù)器進(jìn)行集中控制的能力。

3 基于云計算的數(shù)字化校園架構(gòu)

在對一些比較完善的“信息化平臺”中存在的問題進(jìn)行歸納和分析之后，根據(jù)學(xué)?，F(xiàn)狀和以后建設(shè)需求，考慮數(shù)字校園信息化云架構(gòu)平臺和松耦合機制的信息化系統(tǒng)群為核心，并在核心體系下部署六個應(yīng)用層，從下往上依次為基礎(chǔ)平臺層、數(shù)據(jù)資源層、業(yè)務(wù)支撐層、應(yīng)用支撐層、應(yīng)用系統(tǒng)層和用戶層。數(shù)字化校園系統(tǒng)的框架做如下圖1所示設(shè)計。

下面我們對架構(gòu)圖進(jìn)行說明：

3.1 平臺體系結(jié)構(gòu)：一網(wǎng)三庫

一網(wǎng)：數(shù)字化校園門戶網(wǎng)站。該網(wǎng)站是用戶訪問層，是各類用戶接入數(shù)字化校園系統(tǒng)地的入口，通過本層，不同身份的用戶可以接入各自需要的服務(wù)。所有校園信息化應(yīng)用都將依托于該網(wǎng)站，在此網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)下建設(shè)完成。

三庫：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、公共資源庫、應(yīng)用數(shù)據(jù)庫。

完善的數(shù)字化校園離不開強大的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)作為支撐。建設(shè)一個為全校服務(wù)的數(shù)據(jù)中心，保證數(shù)據(jù)實時更新和高度一致不容忽視：

作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，平臺保存所有用戶的用戶信息，訪問數(shù)據(jù)以及登錄、活動數(shù)據(jù)。此外，平臺還保存公共教育資源到相關(guān)庫中。最后，一些核心的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，平臺將作為應(yīng)用數(shù)據(jù)庫的形式予以保存。

3.2 平臺技術(shù)架構(gòu)：三橫三縱

三橫：基礎(chǔ)設(shè)施層（IaaS），平臺層（PaaS），軟件服務(wù)層（SaaS）。

IaaS從硬件基礎(chǔ)設(shè)備方面實現(xiàn)“硬件即網(wǎng)絡(luò)環(huán)境即服務(wù)”，現(xiàn)階段基礎(chǔ)設(shè)施層的硬件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括機房硬件設(shè)備、服務(wù)器和交換機等，設(shè)備主要依靠學(xué)校自行投資建設(shè)。當(dāng)云計算的基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)IaaS技術(shù)成熟，可以把硬件及網(wǎng)絡(luò)支撐移植到云平臺。

PaaS從接入與支撐方面實現(xiàn)“應(yīng)用廠商接入即服務(wù)”，包括校務(wù)中心平臺、權(quán)限認(rèn)證平臺和資源管理平臺，還有數(shù)據(jù)支撐和軟件支撐。各類平臺的實現(xiàn)可依賴于云計算平臺即服務(wù)PaaS技術(shù)，數(shù)據(jù)支撐為各類服務(wù)提供數(shù)據(jù)支持服務(wù)，軟件支撐為系統(tǒng)整體設(shè)計提供軟件開發(fā)平臺。

SaaS從應(yīng)用方面實現(xiàn)“最終用戶應(yīng)用即服務(wù)”。接口服務(wù)通過SOA技術(shù)來設(shè)計云服務(wù)中的軟件即服務(wù)SaaS部分，服務(wù)中心中的各種流程服務(wù)設(shè)計是整個系統(tǒng)設(shè)計的重點內(nèi)容。

三縱：統(tǒng)一管理服務(wù)，統(tǒng)一安全服務(wù)，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

數(shù)字校園綜合管理平臺符合業(yè)界主流標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，包括基礎(chǔ)架構(gòu)與各個應(yīng)用系統(tǒng)，包括系統(tǒng)集成與數(shù)據(jù)整合，均遵循標(biāo)準(zhǔn)化原則，不依賴特定的網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)軟件與硬件，能夠部署并運行在各種主流的軟硬件環(huán)境中。從統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)與統(tǒng)一管理支撐方面對整個平臺安全高效運行進(jìn)行了支撐性保障。

圖1 數(shù)字校園系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.3 平臺應(yīng)用體驗：三屏四類

三屏：計算機、手機、電視。

平臺提供多個用戶使用入口門戶。包括計算機通過互聯(lián)網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)接入，手機通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)接入，互動電視通過有線電視網(wǎng)絡(luò)接入。根據(jù)應(yīng)用特點不同，各種入口門戶發(fā)揮的作用和特長也不同。以此滿足校內(nèi)師生員工在任意時間（AnyTime），任意地點（AnyWhere），任意方式（AnyType）的訪問及應(yīng)用（AAA應(yīng)用）。

四類：學(xué)習(xí)類應(yīng)用、資源類應(yīng)用、行政類應(yīng)用、個人類應(yīng)用。

學(xué)習(xí)類應(yīng)用：指構(gòu)建先進(jìn)實用的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，整合、豐富數(shù)字化教學(xué)資源，創(chuàng)造主動式、協(xié)同式、研究式的數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境，建立師生互動的新型教學(xué)模式。如網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺、實踐教學(xué)信息平臺，同步課堂，在線學(xué)習(xí)，在線考試等。

資源類應(yīng)用：指提供教育用資源以及內(nèi)容的應(yīng)用。如教育資源庫，資源匯聚，數(shù)字圖書館、數(shù)字檔案館、數(shù)字博物館等。

行政類應(yīng)用：指從教育部門或?qū)W校的行政職能部門需要完成的一些管理活動所需要的功能群。如辦公自動化系統(tǒng)，教務(wù)管理系統(tǒng)，科技管理系統(tǒng)，決策支撐系統(tǒng)，學(xué)生綜合管理，人力資源管理，資產(chǎn)設(shè)備管理，學(xué)報管理，圖書館里，后勤服務(wù)管理，校園一卡通管理等。

個人類應(yīng)用：個人類應(yīng)用是指個人交流類應(yīng)用。如博客，社區(qū)交友，即時消息，家?；ヂ?lián)等。

3.4 用戶對象

平臺針對的用戶群體對象有：教育主管部門，學(xué)校，班級，教研室，家庭，應(yīng)用及內(nèi)容廠商。

用戶個體對象有：教育部門工作人員，教師，學(xué)生，家長，各組織單位以及廠商管理員。

4 結(jié)束語

基于云環(huán)境下數(shù)字化校園建設(shè)，旨在通過云環(huán)境提供各種資源管理和服務(wù)，建立一個服務(wù)學(xué)校教學(xué)、科研和管理的“數(shù)字校園基礎(chǔ)公共服務(wù)平臺”，以解決其功能眾多，分布異構(gòu)，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，硬件更新頻繁，軟件安裝繁瑣和數(shù)據(jù)安全凸顯等問題，及改善學(xué)校在教學(xué)、管理及科研建設(shè)方面所遇到的困境。本文針對字化校園建設(shè)中存在的問題，利用云環(huán)境功能及應(yīng)用，對學(xué)校的數(shù)字化校園建設(shè)提出了架構(gòu)建設(shè)思路。

[1] 王顥翔.數(shù)字化校園信息規(guī)劃方法研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2010.

[2] 薛靜.基于虛擬化的云計算平臺安全機制研究[D].西安:西北大學(xué),2010.

[3] 孟祥宇,劉云飛,吳軍.構(gòu)建數(shù)字化校園與學(xué)習(xí)環(huán)境的對策探討[J].信息與電腦,2011(1):146.

[4] 尹顯雄.基于SOA架構(gòu)的數(shù)字化校園建設(shè)方案設(shè)計及實踐[D].北京:北京郵電大學(xué),2012.

[5] 史壽樂,余鳴,周國正,等.數(shù)字化校園的規(guī)劃與實現(xiàn)[J].電腦知識與技術(shù),2011(4):937-938.

[6] 王鵬.走進(jìn)云計算[M].北京:人民郵電出版社,2009:6.

（責(zé)任編輯、校對：田敬軍）

Study on the Structure of Digital Campus in the Cloud Era

GUO Ya-jun, LU Li-lei, WU Shu-kun

(Computer Science Department, Tangshan Normal University, Tangshan 063000, China)

With the development of cloud technology to grow, Cloud Applications in all walks of life such as bamboo shoots after a spring rain is like the emerge in large numbers based on. The cloud has also been considerable development in the field of education. The paper discusses the system architecture, the cloud environment of primary and secondary school campus construction key technology problem, which aims to provide all the system resources and services through the cloud environment, the establishment of a service of teaching, scientific research and management of the school of “digital campus based service platform”.

cloud; digital campus; information platform

TP391

A

1009-9115(2015)02-0061-04

10.3969/j.issn.1009-9115.2015.02.019

唐山師范學(xué)院科學(xué)研究基金項目（2013E04）

2014-10-14

郭亞軍（1981-），女，河北唐山人，碩士，講師，研究方向為計算機技術(shù)。