基于LDA模型的高校教育云平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究

凌美君，辛 婧

(南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京 210044)

0 引 言

當(dāng)前，隨著大數(shù)據(jù)、智能技術(shù)的革新性發(fā)展和深化應(yīng)用，信息技術(shù)的形態(tài)正在從數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化逐步化向智慧化、智能化迭代轉(zhuǎn)變。人們所體會(huì)到的智慧形態(tài)，主要是指綜合使用5G、云計(jì)算、區(qū)塊鏈、智能網(wǎng)聯(lián)、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，在豐富的知識(shí)存儲(chǔ)基礎(chǔ)上進(jìn)行更高層次的知識(shí)再造，即創(chuàng)新能力的形成過程。近年來，國內(nèi)數(shù)十所高校規(guī)劃實(shí)施了智慧校園建設(shè)。在智慧校園中，知識(shí)中心將轉(zhuǎn)變?yōu)橹腔壑行腫1-2]。高校教育云的發(fā)展是將云計(jì)算技術(shù)落地于教育領(lǐng)域典型應(yīng)用，也是線上教育的未來發(fā)展方向，教育云的落地運(yùn)用將大大推動(dòng)中國的教育普惠化建設(shè)，對(duì)解決教育均等化具有深遠(yuǎn)意義。教育云將各種教育資源和應(yīng)用服務(wù)帶到云上。用戶只需使用一個(gè)安全且經(jīng)過身份驗(yàn)證的賬戶即可享受云中的所有應(yīng)用程序和服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的快速發(fā)展和各種移動(dòng)終端設(shè)備的普及，加速了教育云信息化在移動(dòng)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用。

中國從2003年開始引入云計(jì)算，隨著教育信息化的推進(jìn)，中國第一個(gè)云計(jì)算中心于2008年2月在無錫落地應(yīng)用。同年12月，李家厚教授在中國教育技術(shù)協(xié)會(huì)年會(huì)上提出了“云計(jì)算輔助教學(xué)”和“云計(jì)算輔助教育”的概念。隨后，由中國教育技術(shù)協(xié)會(huì)牽頭，全國教育領(lǐng)域先后開展了“云計(jì)算輔助教學(xué)”的一系列選拔活動(dòng)，活動(dòng)的開展有效地促進(jìn)了教育云的應(yīng)用發(fā)展。中國在近年來先后頒布了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》、《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》、《2030年中國教育現(xiàn)代化規(guī)劃》、《加快教育現(xiàn)代化實(shí)施方案(2018-2022年)》和《中國教育現(xiàn)代化2035年規(guī)劃》等規(guī)劃文件，文件闡述了未來教育的遠(yuǎn)景，對(duì)教育現(xiàn)代化的目標(biāo)進(jìn)行了明確，指明了任務(wù)和實(shí)施路徑，促進(jìn)了教育信息化的遠(yuǎn)期建設(shè)，先后在無錫、深圳、綿竹等地開展應(yīng)用試點(diǎn)。隨后，“教育云”建設(shè)開始蓬勃發(fā)展，一大批教育云平臺(tái)開始服務(wù)于課堂教學(xué)和教育管理[3-4]。

1 相關(guān)技術(shù)介紹

1.1 微服務(wù)

微服務(wù)的概念由來已久，起先人們并沒有為它定義一個(gè)更專業(yè)的名稱。自服務(wù)體系架構(gòu)(service-oriented architecture)概念誕生以來，各大企業(yè)都遵循SOA軟件體系結(jié)構(gòu)的思想，在很長一段時(shí)間內(nèi)走上了面向服務(wù)的治理之路。微服務(wù)在服務(wù)體系結(jié)構(gòu)中是一個(gè)重要的應(yīng)用方向。微服務(wù)的名稱與之前的服務(wù)化理念和實(shí)踐相對(duì)應(yīng)。在最先服務(wù)概念出現(xiàn)時(shí)，其設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的思想是將多個(gè)功能封裝至大的服務(wù)單元中，從而支撐功能的開發(fā)和交付，即單個(gè)應(yīng)用程序(通常稱為“整體”)。然而，微服務(wù)的理念強(qiáng)調(diào)了功能的樸素化，也就是服務(wù)單元的微型化。所以從設(shè)計(jì)的理念上來看，微服務(wù)技術(shù)的本質(zhì)是著眼于將復(fù)雜的業(yè)務(wù)/技術(shù)功能進(jìn)行細(xì)粒度的拆分，從而對(duì)服務(wù)進(jìn)行力度的小型化改造，經(jīng)過封裝后的服務(wù)能夠獨(dú)立提供對(duì)外服務(wù)，采用這種思路設(shè)計(jì)和改造的軟件服務(wù)就可以稱之為“微服務(wù)”[5-8]。

1.2 Dubbo

Dubbo模型具備較為簡化的體系結(jié)構(gòu)。在Dubbo的整個(gè)體系架構(gòu)中有兩個(gè)核心角色，分別是服務(wù)的提供者和消費(fèi)者。Dubbo服務(wù)模型可以提供分布式服務(wù)的橫向擴(kuò)展。此外，擴(kuò)展后的服務(wù)可采用獨(dú)立劃分為多個(gè)子模塊的模式運(yùn)行，從而可以有效地防止部分服務(wù)器停機(jī)而導(dǎo)致的整體服務(wù)癱瘓。Dubbo的架構(gòu)如圖1所示。

圖1中，Dubbo的基本流程如下：

(1)服務(wù)提供者負(fù)責(zé)對(duì)服務(wù)的協(xié)議、接口和具體服務(wù)內(nèi)容進(jìn)行明確，通過服務(wù)注冊(cè)中心完成服務(wù)的在線發(fā)布，服務(wù)的核心內(nèi)容主要包括了服務(wù)的接口名稱、ID、版本情況、超時(shí)處理策略以及負(fù)載均衡策略等。

(2)服務(wù)消費(fèi)者通過訪問服務(wù)注冊(cè)中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)的專屬化訂閱，在進(jìn)行服務(wù)訂閱時(shí)，需要明確服務(wù)的接口名稱、ID以及版本號(hào)等關(guān)鍵信息。

(3)當(dāng)服務(wù)可用時(shí)，服務(wù)使用者可通過訪問注冊(cè)中心的服務(wù)列表獲取可用的服務(wù)信息，并采用異步調(diào)用方式進(jìn)行服務(wù)使用。

(4)服務(wù)使用者在采用合適的負(fù)載均衡策略的基礎(chǔ)上，對(duì)服務(wù)中心提供的服務(wù)調(diào)用地址進(jìn)行訪問，并將服務(wù)處理的結(jié)果進(jìn)行返回。

(5)監(jiān)控中心負(fù)責(zé)對(duì)服務(wù)提供者和消費(fèi)者的全部活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控與狀態(tài)統(tǒng)計(jì)。

Dubbo采用了服務(wù)注冊(cè)與發(fā)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)集群無感知的升級(jí)與更新，有效提升了服務(wù)的可擴(kuò)展能力。此外，Dubbo還提供了全面的負(fù)載均衡和容錯(cuò)能力，較好地解決了對(duì)硬件負(fù)載均衡器的強(qiáng)依賴，提升了系統(tǒng)的可靠性。在通信協(xié)議部分， Dubbo對(duì)傳統(tǒng)的通信服務(wù)進(jìn)行了針對(duì)性優(yōu)化，降低了傳統(tǒng)服務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)的需求數(shù)量和并發(fā)量[9-10]。

1.3 Spring Boot

在Java中構(gòu)建微服務(wù)的典型框架就是Spring Boot。Spring Boot是Spring框架中實(shí)踐“約定優(yōu)先于配置”的最具代表性的一種架構(gòu)[11-13]。Spring Boot的程序雖然總體上來說是基于Spring框架，但是其在Spring框架基礎(chǔ)上進(jìn)行了簡易性的升級(jí)改造，消除了Spring框架中固有的復(fù)雜與繁瑣內(nèi)容。Spring Boot新增的鮮明特征相對(duì)于Spring來說讓人耳目一新，主要提供了以下4個(gè)主要功能：

(1)Spring Boot啟動(dòng)器：采用Maven或Gradle的依賴構(gòu)造方式，將項(xiàng)目中常用的依賴項(xiàng)目進(jìn)行整合管理。

(2)自動(dòng)配置：在Spring4對(duì)條件配置的支持的基礎(chǔ)之上，理性分析與推斷程序?qū)ean的依賴程度，并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)配置。

(3)命令行接口(command-line interface，CLI)：基于Groovy編程語言，結(jié)合自動(dòng)配置手段，簡化Spring程序的開發(fā)和命令行控制。

(4)Actuator：強(qiáng)化Spring Boot的監(jiān)控功能，為其提供一系列簡易、強(qiáng)大的監(jiān)控與管理功能。

Spring Boot在上述功能的基礎(chǔ)上，采用Rest方式，可有效獲取線程在運(yùn)行期的關(guān)鍵性能參數(shù)。同時(shí)，Spring Application為Spring Boot的啟動(dòng)提供了自動(dòng)化的解決流程和方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Spring Boot應(yīng)用的“標(biāo)準(zhǔn)化”啟動(dòng)和“模板化”開發(fā)，開發(fā)者在進(jìn)行微服務(wù)設(shè)計(jì)和編排過程中將更加方便和高效[14]。

2 高校教育云平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

高校教育云平臺(tái)架構(gòu)如圖2所示。圖中，高校教育云平臺(tái)劃分為基礎(chǔ)設(shè)施層、應(yīng)用支撐層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和終端顯示層，分層的設(shè)計(jì)方式有效保證了平臺(tái)建設(shè)的規(guī)范性和可擴(kuò)展性[15]。

圖2 高校教育云平臺(tái)架構(gòu)

2.1 基礎(chǔ)設(shè)施層

在該層中主要利用具有高性能計(jì)算能力的硬件系統(tǒng)來搭建穩(wěn)定、可靠、擴(kuò)展性強(qiáng)的底層基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境，從而滿足高校教育云平臺(tái)上的信息化管理、使用和計(jì)算所需的硬件資源。該層主要部署有VMware、Citrix等主流的云計(jì)算平臺(tái)，平臺(tái)可將現(xiàn)有服務(wù)器和存儲(chǔ)進(jìn)行有序整合和集成，對(duì)外提供標(biāo)準(zhǔn)化的共享資源池。采用虛擬化技術(shù)完成了云計(jì)算、云存儲(chǔ)等應(yīng)用服務(wù)的搭建，能夠?qū)τ脩粜枨筮M(jìn)行靈活的按需分配、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和靈活優(yōu)化。同時(shí)，對(duì)與智能化的教室、培訓(xùn)室和感知設(shè)備產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)通過不同類型的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)在線教育環(huán)境的數(shù)據(jù)透明感知，并有效實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)環(huán)境下不同設(shè)備間的信息互通[16-17]。

2.2 應(yīng)用支撐層

應(yīng)用支撐層主要完成了對(duì)統(tǒng)一身份信息、用戶管理信息、數(shù)據(jù)接口信息、業(yè)務(wù)監(jiān)控信息、報(bào)表管理信息、信息門戶信息等的統(tǒng)一化認(rèn)證。該層提供對(duì)平臺(tái)中各類信息系統(tǒng)的狀態(tài)與服務(wù)監(jiān)控，對(duì)平臺(tái)中涉及到的教學(xué)、科研、管理等核心數(shù)據(jù)資源進(jìn)行深度的整合分析，并為上層業(yè)務(wù)應(yīng)用的教改、創(chuàng)新、管理和決策提供基礎(chǔ)支持。

(1)統(tǒng)一身份認(rèn)證：以認(rèn)證和授權(quán)的方式對(duì)云平臺(tái)中的不同應(yīng)用提供統(tǒng)一管理。采用單點(diǎn)登錄方式控制用戶的安全性和合法性。在統(tǒng)一認(rèn)證技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)之上，為用戶提供統(tǒng)一的管理界面，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)在用戶認(rèn)證層面的一致性管理。通過認(rèn)證、授權(quán)控制和管理工具，對(duì)數(shù)據(jù)的訪問和使用進(jìn)行全面、多層次的允許、控制和管理，確保數(shù)據(jù)安全。

(2)用戶管理中心：以樹狀目錄方式實(shí)現(xiàn)基本組織機(jī)構(gòu)模式下的用戶管理，提供對(duì)用戶信息、權(quán)限、認(rèn)證、授權(quán)等多層面的信息管理。

(3)服務(wù)監(jiān)控中心：提供平臺(tái)內(nèi)運(yùn)行的各類服務(wù)的在線監(jiān)管，滿足平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)健康度、數(shù)據(jù)吞吐量、性能與壓力負(fù)載、日志管理等多維度監(jiān)控與管理的實(shí)際需求。

(4)報(bào)表管理中心：完成報(bào)表的定制化工作和日常管理維護(hù)，實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)以圖、表、文等多種形式的報(bào)表輸出，為用戶提供豐富多樣的報(bào)表展現(xiàn)。

(5)統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心：構(gòu)建海量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，完善平臺(tái)中各類實(shí)體的數(shù)據(jù)模型，在進(jìn)行數(shù)據(jù)深層次分析與挖掘的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)教學(xué)、科研和管理等領(lǐng)域的潛在價(jià)值數(shù)據(jù)，對(duì)教育教學(xué)活動(dòng)開展智能化的分析，實(shí)現(xiàn)為教育管理決策部門的數(shù)據(jù)支撐。

2.3 業(yè)務(wù)應(yīng)用層

業(yè)務(wù)應(yīng)用層分別包含有面向教學(xué)、科研和管理類的三大典型應(yīng)用體系。業(yè)務(wù)應(yīng)用層基于面向服務(wù)的體系架構(gòu)為用戶提供交互度好的系統(tǒng)界面，采用圖形化方式對(duì)用戶數(shù)據(jù)、狀態(tài)和行為等信息進(jìn)行圖形化展現(xiàn)，三大典型應(yīng)用體系的描述如下：

(1)群智教學(xué)體系：分別從教學(xué)中的理論學(xué)習(xí)、實(shí)踐運(yùn)用、開放學(xué)習(xí)、研討應(yīng)用這四個(gè)維度，致力于打造出“共享開放、文理結(jié)合、虛實(shí)一體、智能反饋”的群智教學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)線上、線下的教學(xué)資源、數(shù)據(jù)、信息、系統(tǒng)的互聯(lián)互通。

(2)實(shí)踐科研體系：實(shí)踐科研體系突出實(shí)踐的科研導(dǎo)向，構(gòu)建包含項(xiàng)目實(shí)踐、科研協(xié)作、成果交流、專家咨詢決策等功能于一體的實(shí)踐科研體系，從根本上解決科研工作的精細(xì)化管理，加快科研成果向?qū)嶋H生產(chǎn)力的落地對(duì)接和效益變現(xiàn)。

(3)全過程管理體系：針對(duì)辦公行政、教學(xué)資產(chǎn)、教務(wù)管理、學(xué)生管理這四個(gè)重點(diǎn)方面進(jìn)行全過程管理，關(guān)注在校師生的全活動(dòng)過程，推進(jìn)教育過程中的人員、事件、實(shí)物等的智能化管理，提升管理的科學(xué)化、合理化和規(guī)范化水平。

2.4 終端展現(xiàn)層

終端展現(xiàn)層是整個(gè)平臺(tái)的門面，該層以圖形化方式為用戶提供多種形式的內(nèi)容展現(xiàn)，支持移動(dòng)App、Web瀏覽器、客戶端軟件等形式的接入，通過對(duì)使用用戶的身份識(shí)別，進(jìn)行個(gè)性化信息的在線定制和推送。

3 基于LDA用戶興趣模型的課程推薦

近年來，隨著大數(shù)據(jù)分析與挖掘技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)容推薦中的統(tǒng)計(jì)主題模型逐漸成為當(dāng)前學(xué)術(shù)研究的重要內(nèi)容并受到廣泛關(guān)注。統(tǒng)計(jì)推薦模型能夠在對(duì)文本信息部分理解的情況下分析出易于理解和穩(wěn)定的信息結(jié)構(gòu)。潛在的狄利克雷分布(latent Dirichlet allocation，LDA)模型采用服從Dirichlet分布的隱含隨機(jī)變量來對(duì)文本主題內(nèi)容進(jìn)行表達(dá)，達(dá)到了模型結(jié)構(gòu)的完整與清晰化，同時(shí)，采用概率計(jì)算的方式推斷處理文本，大幅降低文本表達(dá)維度，有效避免了維度過大導(dǎo)致的災(zāi)難。LDA模型作為一種自動(dòng)的主題提取算法，主要是基于BOW模型，在實(shí)踐過程中，LDA模型對(duì)信息分析、知識(shí)挖掘和分類有不錯(cuò)的處理效果[18-20]。

3.1 LDA主題模型建模

LDA模型對(duì)課程屬性表征劃分為課程題目、授課人、授課院校、所屬專業(yè)、類別和課程介紹等信息，構(gòu)建課程的特征屬性描述。在課程的特征屬性描述進(jìn)行LDA主題模型建模后，生成課程的分類主題概率分布指標(biāo)，其處理過程類似于文檔的主體分類。如：給定特定的課程集合L={l1,l2,…,ln}，設(shè)置當(dāng)前的主題個(gè)數(shù)為C， 從而得到主題特征序列F={f1,f2,…,fn}和課程-主題概率分布矩陣J，如式(1)所示：

(1)

在進(jìn)行用戶興趣度判斷時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注用戶的歷史、行為和內(nèi)容興趣這三個(gè)子模型。

3.2 用戶歷史興趣模型

用戶對(duì)課程的評(píng)論可以和課程的主題概率模型分布矩陣J進(jìn)行計(jì)算，得出的結(jié)果即為用戶的歷史興趣模型即UHIM，其數(shù)據(jù)表達(dá)式為UHIM={wb1,wb2,…,wbi,…,wbc}。其中，主題詞fi在UHIM中的權(quán)值為wbi。用戶u在UHIM中的主題詞fi體現(xiàn)了用戶的現(xiàn)實(shí)興趣分布，其具體的權(quán)值計(jì)算公式如式(2)所示，該數(shù)值能夠較為客觀地反映用戶的歷史偏好。

(2)

其中，Lu是用戶u參與評(píng)論的課程集合。

3.3 用戶行為興趣模型

用戶的課程評(píng)論可以分析出用戶的行為間相似程度，可對(duì)類似的用戶群體采用協(xié)同過濾方式進(jìn)行信息推送，其F權(quán)值稱為用戶行為模型UAIM，即User Actor Interest Model。UAIM的具體數(shù)學(xué)表述為UAIM={wh1,wh2,…,whi…,whc}，其中whi為UAIM中主題詞fi的權(quán)重?cái)?shù)值。在進(jìn)行類似用戶群選擇時(shí)只選取相似程度最前的h個(gè)用戶，每個(gè)用戶在UAIM中的主題詞權(quán)值計(jì)算如式(3)所示:

(3)

其中，Uact為用戶u的行為相似用戶群。

3.4 用戶內(nèi)容興趣模型

用戶的課程內(nèi)容信息可用于分析出用戶的內(nèi)容間相似度，得到的權(quán)值向量即為用戶的內(nèi)容興趣模型UCIM，即User Content Interest Model。UCIM的數(shù)學(xué)式為UCIM={wc1,wc2,…,wci,…,wcc}，其中wci是在UCIM中主題詞的權(quán)重?cái)?shù)值，在進(jìn)行類似用戶群選擇時(shí)只選取相似程度最前的h個(gè)用戶。用戶u的課程評(píng)論集設(shè)定為Lu={lu1,lu2,…,lus}，用戶u的歷史興趣模型設(shè)定為UHIMu={w1u1,w1u2,…,w1uc}。用戶v的課程評(píng)論集設(shè)定為Lv={lv1,lv2,…,lvt}，用戶v的歷史興趣模型設(shè)定為UHIMv={w1v1,w1v2,…,w1vc}。用戶u與v的內(nèi)容相似度數(shù)值如式(4)：

(4)

用戶u在內(nèi)容興趣模型中的主題詞權(quán)值計(jì)算如式(5)：

(5)

其中，Ucon為用戶u的內(nèi)容相似用戶群。

4 基于Dubbo服務(wù)框架的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展和用戶的增長，系統(tǒng)數(shù)量不斷增加，服務(wù)依賴性變得越來越復(fù)雜。為了保證系統(tǒng)的高可用性和高并發(fā)性，分布式系統(tǒng)架構(gòu)是必不可少的[21-22]。將高校教育云平臺(tái)的各個(gè)功能模塊劃分為N個(gè)功能單元。各功能單元以微服務(wù)的形式提供外部服務(wù)，具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)服務(wù)業(yè)務(wù)單一化：每種服務(wù)都相對(duì)簡單，只關(guān)注一個(gè)業(yè)務(wù)功能，高校教育云平臺(tái)上的每一個(gè)查詢都是一個(gè)微服務(wù)。

(2)服務(wù)業(yè)務(wù)松耦合：微服務(wù)架構(gòu)是松散耦合的，可以提供更大的靈活性。高校教育云平臺(tái)的不同模塊只能通過微服務(wù)調(diào)用。

(3)服務(wù)開發(fā)差異化：微服務(wù)可以通過最好和最合適的編程語言和工具來開發(fā)，并且可以解決有針對(duì)性的問題。

Dubbo是一個(gè)面向服務(wù)治理方案的分布式服務(wù)框架，它提供了高性能、透明的RPC遠(yuǎn)程服務(wù)調(diào)用方案和SOA服務(wù)治理方案。通過Dubbo、透明的遠(yuǎn)程方法調(diào)用、軟負(fù)載平衡和容錯(cuò)機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)服務(wù)的自動(dòng)注冊(cè)和發(fā)現(xiàn)?；贒ubbo框架構(gòu)建分布式服務(wù)，使應(yīng)用程序能夠通過高性能的RPC實(shí)現(xiàn)服務(wù)的輸出和輸入功能。具體如圖3所示。

圖3 Dubbo調(diào)用示意圖

4.1 ZooKeeper集群

ZooKeeper是一個(gè)開源的分布式協(xié)調(diào)服務(wù)，由雅虎創(chuàng)建，是Google Chubby的開源實(shí)現(xiàn)。分布式應(yīng)用程序可以基于ZooKeeper實(shí)現(xiàn)諸如數(shù)據(jù)發(fā)布/訂閱、負(fù)載均衡、命名服務(wù)、分布式協(xié)調(diào)/通知、集群管理、Master選舉、分布式鎖和分布式隊(duì)列等功能，集群部署結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 ZooKeeper集群部署結(jié)構(gòu)

ZooKeeper集群部署通過消息分發(fā)、重置和主節(jié)點(diǎn)選擇等方式保證了其可靠性、一致性、實(shí)時(shí)性、原子性等特點(diǎn)，特別適用于大型分布式系統(tǒng)。在一般的分布式應(yīng)用中，由于工程師不能很好地使用鎖機(jī)制和基于消息的協(xié)調(diào)機(jī)制(不適合某些應(yīng)用)，需要一種可靠的、可擴(kuò)展的、分布式的、可配置的協(xié)調(diào)機(jī)制來統(tǒng)一系統(tǒng)的狀態(tài)。這就是使用ZooKeeper的目的。

在ZooKeeper整個(gè)集群體系中，其包含的節(jié)點(diǎn)數(shù)量一般為大于3個(gè)的奇數(shù)個(gè)，如果集群體系中的主服務(wù)器出現(xiàn)宕機(jī)的情況，其他集群中的剩余從服務(wù)器如果在半數(shù)以上，可以對(duì)新的主服務(wù)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行推選，推選成功后即可以主服務(wù)器方式繼續(xù)對(duì)外提供相應(yīng)的業(yè)務(wù)服務(wù)。ZooKeeper以樹型結(jié)構(gòu)的方式來使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其根節(jié)點(diǎn)以反斜杠進(jìn)行定義，在整個(gè)集群體系中，各節(jié)點(diǎn)按照其類型不同劃分為三種類型，分別為領(lǐng)導(dǎo)者、隨從者、觀察者。其中，領(lǐng)導(dǎo)者負(fù)責(zé)相應(yīng)客戶端寫的相關(guān)請(qǐng)求；隨從者負(fù)責(zé)處理客戶端讀的相關(guān)請(qǐng)求；觀察者是一類特殊的隨從者，其主要接收客戶端讀的請(qǐng)求，但是不參與主服務(wù)器的推選，觀察者主要用于提升系統(tǒng)的讀取數(shù)據(jù)，擴(kuò)充系統(tǒng)的業(yè)務(wù)支撐能力。

ZooKeeper作為采用觀察者設(shè)計(jì)模式開發(fā)的一種分布式服務(wù)體系框架，在接收觀察者注冊(cè)的前提下，滿足了對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理的需求。當(dāng)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)狀態(tài)出現(xiàn)了變更時(shí)，ZooKeeper即可動(dòng)態(tài)感知，并將數(shù)據(jù)的變化信息推送到ZooKeeper集群中關(guān)注數(shù)據(jù)的相關(guān)對(duì)象[23-24]。

4.2 MySQL主備

MySQL具有的內(nèi)建復(fù)制能力是保證其構(gòu)建大規(guī)模、高效、可用應(yīng)用系統(tǒng)與數(shù)據(jù)架構(gòu)的底層基礎(chǔ)。為了將MySQL的數(shù)據(jù)高效分布至多個(gè)系統(tǒng)上，可采用其復(fù)制機(jī)制，將MySQL主服務(wù)器上的數(shù)據(jù)復(fù)制到其他從屬的設(shè)備上。整個(gè)復(fù)制過程需要指定一臺(tái)服務(wù)器為主服務(wù)器，其他機(jī)器充當(dāng)從屬設(shè)備。主服務(wù)器上維護(hù)了相關(guān)工作日志，便于維護(hù)和后期的索引。

在MySQL復(fù)制過程中，主要的類型包括3類，分別為：

(1)基于SQL語句的復(fù)制：采用先后順序分別在主服務(wù)器、從服務(wù)器上執(zhí)行相同的SQL語句。MySQL默認(rèn)情況下是采用基于SQL語句的復(fù)制策略，其執(zhí)行效率較高。但是，如出現(xiàn)無法精確復(fù)制的情況，MySQL將會(huì)自動(dòng)改為選擇基于行的復(fù)制。

(2)基于行的復(fù)制：采用變更內(nèi)容的復(fù)制方式，避免了SQL執(zhí)行語句的重復(fù)執(zhí)行。但是其對(duì)版本有一定要求，需要MySQL 5.0以上。

(3)混合類型的數(shù)據(jù)復(fù)制：該策略為混合策略，可設(shè)定默認(rèn)和備用策略，典型混合策略為默認(rèn)采用基于語句的復(fù)制，備用采用基于行的復(fù)制。

MySQL的復(fù)制技術(shù)具有高可用、負(fù)載均衡、數(shù)據(jù)分布、循環(huán)備份、高容錯(cuò)等鮮明特點(diǎn)。復(fù)制技術(shù)的主要過程為：首先通過主服務(wù)器將需要變更的記錄信息存儲(chǔ)到二進(jìn)制的日志中；然后利用從設(shè)備將主服務(wù)器中的二進(jìn)制日志內(nèi)容拷貝至從設(shè)備的中繼日志；在從設(shè)備上對(duì)中繼日志進(jìn)行重做之后，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的復(fù)制。

4.3 Redis集群

Redis部署在用戶內(nèi)存數(shù)據(jù)庫集群中。Redis作為一種高性能的鍵值數(shù)據(jù)庫，在很大程度上彌補(bǔ)了memcached等鍵值存儲(chǔ)的不足，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中起到了很好的補(bǔ)充作用。同時(shí)，Redis定期將更新后的數(shù)據(jù)寫入磁盤，不僅可以實(shí)現(xiàn)主從同步，而且保證了數(shù)據(jù)的持久性和安全性。

Redis集群模式主要有2種：主從集群、分布式集群。前者主要是為了高可用或是讀寫分離，后者為了更好地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，負(fù)載均衡。

Redis集群提供了以下兩個(gè)好處：

(1)將數(shù)據(jù)自動(dòng)切分(split)到多個(gè)節(jié)點(diǎn)。

(2)當(dāng)集群中的某一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，Redis還可以繼續(xù)處理客戶端的請(qǐng)求。

一個(gè)Redis集群包含16 384個(gè)哈希槽(hash slot)，數(shù)據(jù)庫中的每個(gè)數(shù)據(jù)都屬于這16 384個(gè)哈希槽中的一個(gè)。集群使用公式 CRC16(key)%16 384來計(jì)算鍵key屬于哪個(gè)槽。集群中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)處理一部分哈希槽。集群中的主從復(fù)制集群中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有1個(gè)至N個(gè)復(fù)制品，其中一個(gè)為主節(jié)點(diǎn)，其余的為從節(jié)點(diǎn)，如果主節(jié)點(diǎn)下線了，集群就會(huì)把這個(gè)主節(jié)點(diǎn)的一個(gè)從節(jié)點(diǎn)設(shè)置為新的主節(jié)點(diǎn)，繼續(xù)工作。這樣集群就不會(huì)因?yàn)橐粋€(gè)主節(jié)點(diǎn)的下線而無法正常工作。

5 結(jié)束語

當(dāng)前，人們生活的方方面面都在轉(zhuǎn)型升級(jí)中，如智慧城市、智慧醫(yī)療、智慧交通等，教育的智慧轉(zhuǎn)型也順應(yīng)了時(shí)代潮流。智慧教育從教育理念、學(xué)習(xí)環(huán)境、教學(xué)方法、評(píng)價(jià)體系、管理模式等方面進(jìn)行了創(chuàng)新，但在智慧教育的發(fā)展過程中，必然會(huì)出現(xiàn)一些問題和障礙，因?yàn)檫@是現(xiàn)代教育體制的改革，這就需要多部門、多層次、多途徑的協(xié)調(diào)配合。2020年的“新冠疫情”為在線智能教育提供了前所未有的機(jī)遇。在國家全面建設(shè)智慧校園的背景下，以網(wǎng)絡(luò)教育為切入點(diǎn)，積極推進(jìn)教育形式向智慧教育轉(zhuǎn)變，讓學(xué)習(xí)者真正探索和收獲“智慧”。