基于Hadoop 數(shù)據(jù)總線的大學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用平臺研究

劉紅梅，鄧嘉明

(嘉應(yīng)學(xué)院，廣東 梅州 514015)

一、引言

隨著大學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用軟件應(yīng)用服務(wù)建設(shè)的不斷深入，面向師生的應(yīng)用服務(wù)層出不窮，學(xué)?，F(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)和部分服務(wù)器均在幾年前完成，軟件和硬件已無法滿足學(xué)校發(fā)展的需要，隨著技術(shù)發(fā)展及校園應(yīng)用規(guī)模的越來越大，傳統(tǒng)校園應(yīng)用軟件基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)計(jì)也存在不少問題，難以持續(xù)性的進(jìn)行擴(kuò)展，給學(xué)校信息化進(jìn)一步發(fā)展帶來極大的困擾。本文主要通過建立一種基于Hadoop 數(shù)據(jù)總線的數(shù)字化大學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用平臺，通過應(yīng)用開放服務(wù)模式，高效地推廣與使用校園應(yīng)用服務(wù)，探索一種師生共同參與數(shù)字化校園建設(shè)的新模式［1］。通過搭建大學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用平臺，建設(shè)統(tǒng)一的應(yīng)用業(yè)務(wù)平臺、統(tǒng)一的基礎(chǔ)支撐體系，集中承載業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，同時面向用戶服務(wù);實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理、統(tǒng)一運(yùn)維、統(tǒng)一支撐、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，建立健全一套信息化協(xié)調(diào)發(fā)展的運(yùn)行機(jī)制，創(chuàng)新業(yè)務(wù)應(yīng)用模式和管理機(jī)制，提升校園應(yīng)用服務(wù)提高和運(yùn)行維護(hù)的專業(yè)化水平。

二、大學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用APP 教學(xué)優(yōu)勢

1.大學(xué)英語教學(xué)手機(jī)應(yīng)用軟件普及。

2.粵教云平臺的建設(shè)為大學(xué)英語教學(xué)提供良好平臺。

三、區(qū)域教育云平臺環(huán)境下大學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用建設(shè)思路

(一)基于SaaS 的應(yīng)用開放平臺布局

基于各高校已經(jīng)建立數(shù)字化校園的基礎(chǔ)應(yīng)用，基本完成三大平臺建設(shè)，包括統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心、統(tǒng)一身份認(rèn)證平臺和統(tǒng)一門戶。通過應(yīng)用開放平臺方式可以實(shí)現(xiàn)從數(shù)字化校園的傳統(tǒng)應(yīng)用模式向中小學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用平臺服務(wù)模式轉(zhuǎn)變，改變以往的由信息網(wǎng)絡(luò)中心或者數(shù)字化校園建設(shè)小組統(tǒng)一開發(fā)，到各部門、院系、甚至學(xué)生用戶、第三方開發(fā)者共同開發(fā)的第三方應(yīng)用與大學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用平臺的結(jié)構(gòu)布局。SaaS 應(yīng)用開放平臺布局是將大學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用平臺建設(shè)成一個軟件集散平臺、一個軟件服務(wù)平臺［2］。一個可以對開發(fā)者和作品進(jìn)行認(rèn)證的體系結(jié)構(gòu);一個可以讓開發(fā)者上傳作品，并展示這些作品的平臺;一套向用戶推薦各種用戶可能喜歡的作品的機(jī)制;一個用戶購買軟件時所需的計(jì)費(fèi)和支付體系;一個供用戶查找所需功能應(yīng)用的搜索引擎;一些供開發(fā)者參考相關(guān)運(yùn)用數(shù)據(jù)的接口［3］。通過分析學(xué)校已有校園應(yīng)用的界面設(shè)計(jì)特點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)總線接口做到應(yīng)用中心與已有應(yīng)用系統(tǒng)的基本協(xié)調(diào)與統(tǒng)一，通過整合數(shù)字化校園資源，以SaaS 應(yīng)用開放平臺布局搭建中小學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用平臺。

(二)基于數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)集成模式

傳統(tǒng)的校園應(yīng)用必須每個應(yīng)用建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，而在數(shù)據(jù)應(yīng)用開放中，通用數(shù)據(jù)可以由各個應(yīng)用共同建立?；跀?shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)挖掘模式，在制定統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建數(shù)據(jù)集成平臺，保證業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間能夠通過該平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與集成。數(shù)據(jù)集成平臺是大學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用平臺的重要組成部分，是整個系統(tǒng)的信息傳輸、信息交換總線。通過數(shù)據(jù)集成平臺將各APP 數(shù)據(jù)庫中需交換的數(shù)據(jù)自動上傳到數(shù)據(jù)集成中心庫中，并按各APP 的數(shù)據(jù)需求將數(shù)據(jù)集成中心庫的數(shù)據(jù)分發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一集成和標(biāo)準(zhǔn)化，為提供數(shù)據(jù)的綜合查詢、統(tǒng)計(jì)分析奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)［4］。為滿足海量數(shù)據(jù)的分布式計(jì)算和處理需求，采用基于無共享集群架構(gòu)的并行化數(shù)據(jù)處理方式完成海量數(shù)據(jù)的組織、檢索、傳輸?shù)裙ぷ?，提高業(yè)務(wù)效率［5］。同時，建立標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的開發(fā)平臺向編程人員屏蔽底層分布式計(jì)算細(xì)節(jié)，提高業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)效率。

(三)基于分布式計(jì)算的數(shù)據(jù)存儲模式

為了使用數(shù)據(jù)總線集成模式更好的針對海量數(shù)據(jù)的智能分析和深度挖掘應(yīng)用，大學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用平臺將在建立分布式計(jì)算的數(shù)據(jù)倉庫。數(shù)據(jù)倉庫是建立在Hadoop 上的數(shù)據(jù)倉庫基礎(chǔ)構(gòu)架，通過數(shù)據(jù)提取轉(zhuǎn)化加載(ETL)，實(shí)現(xiàn)一種可以存儲、查詢和分析存儲在Hadoop 中的大規(guī)模數(shù)據(jù)的機(jī)制，并提供完整的SQL 查詢功能，可以將SQL 語句轉(zhuǎn)換為MapReduce 任務(wù)進(jìn)行運(yùn)行［6］。大學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用平臺通過分布式處理技術(shù)可以將大量服務(wù)器計(jì)算存儲節(jié)點(diǎn)整合成為一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲、處理集群，為海量音視頻、圖像、互聯(lián)網(wǎng)等大數(shù)據(jù)的處理提供超大的計(jì)算能力和海量的存儲空間，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方法無法實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)存儲和邏輯運(yùn)算，在基于分布式計(jì)算的數(shù)據(jù)存儲模式基礎(chǔ)上開發(fā)和運(yùn)行處理海量數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序，完成校園應(yīng)用開放開發(fā)。

四、基于Hadoop 數(shù)據(jù)總線的大學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用平臺架構(gòu)

(一)大學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用平臺整體架構(gòu)

大學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用平臺總體架構(gòu)分為三層，包括APP 層、分布式數(shù)據(jù)總線層和硬件層。校園應(yīng)用中心的核心是APP 層。APP 層是各種應(yīng)用的功能服務(wù)體現(xiàn)和訪問入口。APP 層通過建設(shè)開放式APP 應(yīng)用平臺，第三方開發(fā)者可以根據(jù)平臺接口，自行開發(fā)平臺上傳至應(yīng)用中心，并運(yùn)行在整體架構(gòu)上。數(shù)據(jù)總線層是基于Hadoop 的分布式數(shù)據(jù)協(xié)作平臺，平臺所有數(shù)據(jù)以總線形式集成，為平臺上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)分布式存儲和分布式數(shù)據(jù)管理，完成數(shù)據(jù)挖掘等應(yīng)用所需功能。硬件層包括服務(wù)器和存儲，通過虛擬化操作系統(tǒng)與數(shù)據(jù)總線層相連。

圖1 大學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用平臺整體架構(gòu)

(二)大學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用平臺服務(wù)框架

大學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用平臺整個服務(wù)框架由用戶平臺(各教職工、學(xué)生用戶平臺)、開發(fā)者平臺(各部門、院系、甚至學(xué)生用戶、第三方開發(fā)者平臺)及應(yīng)開放平臺管理中心三個部分組成。

用戶平臺通過注冊、訂閱、購買形式使用平臺中的APP，在統(tǒng)一的應(yīng)用開放平臺中，獲取各種格式的APP，包括手機(jī)、平板和WEB 端，并實(shí)現(xiàn)不同的操作系統(tǒng)，包括IOS、android 等，通過訂閱、購買來構(gòu)建應(yīng)用列表，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的個性化定制與快速訪問。

開發(fā)者平臺是開發(fā)者建立新應(yīng)用的平臺。應(yīng)用功能可以由部門、院系、甚至學(xué)生用戶發(fā)起，可以是一些簡單的WEB 集成應(yīng)用，通過開放平臺的組件即可完成;也可以由第三方開發(fā)者完成，可以由計(jì)算機(jī)學(xué)院組織學(xué)生按照組件方式進(jìn)行開發(fā)。開放平臺通過數(shù)據(jù)總線模式完成，每一個組件都可以建立成工具形式進(jìn)行共享［7］。

開放平臺管理中心是所有應(yīng)用的管理中心，包括三方面功能。一是用戶訂閱、購買、下載管理，作為整個開放平臺的運(yùn)營機(jī)構(gòu)，直接對用戶負(fù)責(zé)。二是開發(fā)者軟件管理，包括應(yīng)用的注冊、組件使用、版本維護(hù)等。三是數(shù)據(jù)管理，包括數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)的安全性維護(hù)。管理中心肩負(fù)著整個平臺的運(yùn)維職責(zé)，對各種用戶負(fù)責(zé)。管理中心還需要提供數(shù)據(jù)挖掘任務(wù)，包括用戶興趣數(shù)據(jù)挖掘，對校園應(yīng)用中哪些數(shù)據(jù)是學(xué)生感興趣的，哪些數(shù)據(jù)是校領(lǐng)導(dǎo)關(guān)注的，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，定期提供各種關(guān)鍵數(shù)據(jù)的組件，以推動軟件更新，通過興趣驅(qū)動使數(shù)字化校園的應(yīng)用更加完善。

五、大學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用平臺Hadoop 數(shù)據(jù)總線核心技術(shù)開發(fā)與探索

(一)HDFS 分布式文件系統(tǒng)

大學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用平臺的文件存儲系統(tǒng)采用分布式文件系統(tǒng)，通過建立一個高度容錯性的系統(tǒng)。和以往的整體部署思路不同，分布式部署適合部署在相對性能要求較低的服務(wù)器上，通過提供高吞吐量的數(shù)據(jù)訪問，來完成大規(guī)模數(shù)據(jù)集上的應(yīng)用［8］。分布式文件系統(tǒng)特點(diǎn)主要包括:使用低成本存儲和服務(wù)器構(gòu)建，能夠存放PB 以上級數(shù)據(jù);高可擴(kuò)展性，實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境可擴(kuò)展至4000 個節(jié)點(diǎn);高可靠性和容錯性，數(shù)據(jù)自動復(fù)制，可自我修復(fù);高帶寬，支持高并發(fā)I/O 訪問。

大學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用平臺的分布式文件系統(tǒng)HDFS 運(yùn)行在使用通用服務(wù)器構(gòu)建的大規(guī)模集群之上，采用鍵值對(key/value)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。整個HDFS 系統(tǒng)采用元數(shù)據(jù)集中管理、數(shù)據(jù)塊分布存儲的架構(gòu)，包括一個主服務(wù)器和多個塊服務(wù)器，支持多個客戶端訪問。大規(guī)模數(shù)據(jù)被分割成固定大小的塊(64 MB 或128 MB)，塊服務(wù)器將塊以文件形式保存至硬盤，并根據(jù)塊句柄和字節(jié)范圍讀寫數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)容錯以確保可靠性，每個塊被缺省的復(fù)制3 個備份。主服務(wù)器采用B+樹管理文件系統(tǒng)的名字空間、文件映射、塊物理位置等元數(shù)據(jù)。此外，HDFS 的設(shè)計(jì)充分考慮了互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用負(fù)載和環(huán)境特征，通過服務(wù)端與客戶端的聯(lián)合設(shè)計(jì)，使性能和可用性達(dá)到最優(yōu)，實(shí)現(xiàn)四個方面的功能，包括:考慮到節(jié)點(diǎn)的失效問題，以軟件方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障恢復(fù);采用特殊的文件系統(tǒng)參數(shù)，文件大小以GB 計(jì)并支持大量小文件;適應(yīng)應(yīng)用特征，增加追加寫文件操作以優(yōu)化磁盤順序讀寫速度;部分文件操作不再透明，由應(yīng)用程序完成。

圖2 HDFS 分布式文件系統(tǒng)

(二)基于MapReduce 計(jì)算框架的數(shù)據(jù)總線計(jì)算框架

為滿足對海量數(shù)據(jù)的智能分析和深度挖掘需求，大學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用平臺采用Hadoop MapReduce并行計(jì)算框架對各類結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析［9］。Hadoop 是一個利用key/value 數(shù)據(jù)并行性進(jìn)行分布運(yùn)算而后匯總結(jié)果的計(jì)算框架，適合作用于具有可劃分屬性(時間、空間等)的數(shù)據(jù)集合的，利于線性擴(kuò)展;采用數(shù)據(jù)本地化處理優(yōu)化，通過移動計(jì)算，而非移動數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)處理;同時，Hadoop 通過與HDFS 配合使用和容錯設(shè)計(jì)，具有高可靠性。

為了簡化集群環(huán)境下的并行編程負(fù)擔(dān)，大學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用平臺使用Hadoop 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)MapReduce編程模型，使得程序員只需關(guān)注應(yīng)用處理邏輯，而由運(yùn)行環(huán)境負(fù)責(zé)集群應(yīng)用的任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)通信、可靠性和可伸縮性保障等底層處理細(xì)節(jié)。計(jì)算框架中，通過MapReduce 把數(shù)據(jù)處理過程分解為Map階段和Reduce 階段兩個階段，編寫map 和reduce方法即實(shí)現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的并行處理。map 方法處理key/value 鍵值對數(shù)據(jù)生成一系列key/value 中間結(jié)果，reduce 方法合并具有相同鍵值的中間結(jié)果得到最終結(jié)果。MapReduce 的執(zhí)行過程，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊并分配給多個Map 任務(wù)執(zhí)行map 方法，然后根據(jù)某種規(guī)則對中間結(jié)果進(jìn)行劃分(partition)并寫入本地硬盤;Map 階段完成后進(jìn)入Reduce 階段，具有相同key 值的中間結(jié)果被從多個Map 任務(wù)節(jié)點(diǎn)收集(shuffle)到Reduce 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合并排序(sort)，并執(zhí)行reduce 方法，輸出結(jié)果寫入分布式文件系統(tǒng)。

圖3 MapRednce 模型

大學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用平臺MapReduce 模型為:

Map:k1，v1→＇List(k2，v2)

Reduce:k2，List(v2)→＇list(v2)

其中，Map 方法將key/value 數(shù)據(jù)［k1，v1］轉(zhuǎn)換為［k2，v2］，Reduce 方法針對每個k2 的值列表List(v2)做list 操作。此外，MapReduce 模型中還包括partition、combine 和sort 等方法，可根據(jù)需要進(jìn)行定制。

將已有智能分析和挖掘應(yīng)用MapReduce 化的一般過程為:分析問題并行性，即輸入數(shù)據(jù)集是否可被切分處理;編寫Map 函數(shù)，在第一階段計(jì)算＜Key，Value ＞對。Map 方法可以完成選擇、投影等運(yùn)算;編寫Reduce 函數(shù)，在第二階段用于匯總Map 函數(shù)的結(jié)果，Reduce 方法可以完成表中定義的其他key/value 代數(shù)運(yùn)算。通過MapReduce 模型，完成大學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用平臺的分布式計(jì)算任務(wù)。

(三)HBase 分布式數(shù)據(jù)庫

HBase 是一個分布式的、按列存儲的、多維表結(jié)構(gòu)的實(shí)時數(shù)據(jù)庫，為高速在線數(shù)據(jù)服務(wù)而設(shè)計(jì)。HBase 的特點(diǎn)主要包括:

采用NoSQL 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，面向列存儲、可壓縮，有效降低磁盤I/O，提高利用率;多維表結(jié)構(gòu)，在四個維度中三個維度可變，適合描述復(fù)雜嵌套關(guān)系;靈活的表結(jié)構(gòu)，可動態(tài)改變和增加(包括行、列和時間戳);支持單行的ACID 事務(wù)處理。

基于分布式架構(gòu)，高性能，支持高速并發(fā)寫入和高并發(fā)查詢;可擴(kuò)展，數(shù)據(jù)自動切分和分布，可動態(tài)擴(kuò)容，無需停機(jī);高可用性，建立在HDFS 分布式文件系統(tǒng)之上［10］。

圖4 HBasewv 分布式數(shù)據(jù)庫

為了支持互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的格式化和半格式化數(shù)據(jù)，可構(gòu)建了弱一致性要求的大規(guī)模數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)HBase。HBase 數(shù)據(jù)模型包括行、列以及時間戳，多個行組成一個子表(Tablet)，保存在子表服務(wù)器中。為使性能最大程度地適應(yīng)需求，HBase 體系結(jié)構(gòu)也是基于客戶端和服務(wù)器架構(gòu)設(shè)計(jì)的(如圖5)。HBase 依賴于集群任務(wù)調(diào)度器、HDFS 文件系統(tǒng)以及分布式鎖服務(wù)ZooKeeper。HBase 使用具有魯棒性的分布式鎖ZooKeeper 來保存根元數(shù)據(jù)表的指針，客戶端應(yīng)用首先通過程序庫從ZooKeeper 中獲得根表的位置，然后與主服務(wù)器進(jìn)行元數(shù)據(jù)通信，進(jìn)而與子表服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信［11］。HBase 使用一臺服務(wù)器作為主服務(wù)器管理元數(shù)據(jù)，并對子表服務(wù)器進(jìn)行監(jiān)控、故障處理和負(fù)載調(diào)度。

圖5 HBase 體系結(jié)構(gòu)

六、總結(jié)

大學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用平臺并不僅僅是一個軟件的平臺架構(gòu)，而是一種完善的數(shù)字化校園生態(tài)圈。這個生態(tài)圈包含了用于部署應(yīng)用的那些相對標(biāo)準(zhǔn)的軟件開放平臺，也就是通常所說的電腦操作系統(tǒng)、手機(jī)操作系統(tǒng)等，任何一個應(yīng)用開放平臺環(huán)境都必然有其服務(wù)的特定軟件平臺，所有大學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用平臺中的程序，都基本能夠兼容于這些目標(biāo)平臺;大學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用平臺系統(tǒng)，也就是那個應(yīng)用分發(fā)和銷售的服務(wù)體系;一套完善、安全、方便的用戶認(rèn)證、服務(wù)、應(yīng)用體系;最終用戶，也就是真正通過那些目標(biāo)平臺來使用應(yīng)用開放的人，他們通常是使用手機(jī)之類的移動設(shè)備，到設(shè)備相對應(yīng)的應(yīng)用開放中查找自己所需要的軟件、服務(wù)或特定的功能，并為這些功能支付相應(yīng)的費(fèi)用;提供應(yīng)用開放平臺或通過應(yīng)用平臺來為用戶提供服務(wù)的個人或組織機(jī)構(gòu);為校園應(yīng)用開放開發(fā)應(yīng)用的一個人或很少的幾個人組成團(tuán)隊(duì)就能夠開發(fā)出非常絢麗的軟件;廣告商、運(yùn)營商等附屬參與者［12］。所有的這一切構(gòu)成了大學(xué)英語教學(xué)應(yīng)用平臺的完整生態(tài)圈，對于推進(jìn)大學(xué)英語教學(xué)改革，實(shí)現(xiàn)有效教學(xué)具有參考價值。

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