“三通兩平臺”總體架構(gòu)研究與設(shè)計(jì)

徐雅斌，武 裝/Xu Yabin,Wu Zhuang

（1.北京信息科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 北京100101；2.北京市教育委員會(huì) 北京100031）

1 引言

教育信息化程度是衡量一個(gè)國家和地區(qū)教育發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。如何進(jìn)行教育信息化建設(shè)，長期以來沒有一個(gè)確定和有效的模式可以遵循，人們一直在積極地摸索和不斷地嘗試。期間取得了一些可喜的成果，同時(shí)也走了不少彎路，并因此付出了一定的代價(jià)?；ヂ?lián)網(wǎng)等IT 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展和不斷完善以及云計(jì)算和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的出現(xiàn)，為新一代教育信息化的發(fā)展和建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。在此背景下，教育部審時(shí)度勢，及時(shí)提出了“三通兩平臺”建設(shè)的總體要求和建設(shè)規(guī)劃。

“三通兩平臺”中的“三通”是指寬帶網(wǎng)絡(luò)校校通、優(yōu)質(zhì)資源班班通、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間人人通；“兩平臺”是指教育資源公共服務(wù)平臺和教育管理公共服務(wù)平臺。

“三通兩平臺” 建設(shè)有效地反映了當(dāng)代教育發(fā)展對信息化建設(shè)的需求，是對當(dāng)前國內(nèi)外教育信息化建設(shè)的總結(jié)。它的本質(zhì)是促進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，通過信息技術(shù)的深化應(yīng)用促進(jìn)教與學(xué)的變革，提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量和效率?？梢哉f，“三通兩平臺”為我國教育信息化建設(shè)指明了方向，將極大地促進(jìn)我國教育信息化的發(fā)展，為創(chuàng)新教學(xué)模式、提高教育質(zhì)量提供堅(jiān)強(qiáng)的技術(shù)支持和設(shè)施保障[1]。

2 “三通兩平臺”建設(shè)的內(nèi)涵與需求分析

2.1 寬帶網(wǎng)絡(luò)校校通

寬帶網(wǎng)絡(luò)校校通要求每個(gè)中小學(xué)校都有充足的接入帶寬，以便獲取各市、省和國家教育管理機(jī)構(gòu)統(tǒng)一提供的優(yōu)質(zhì)教育資源，這就要求從以下兩個(gè)方面開展工作。

①放眼未來，從全局的角度，高標(biāo)準(zhǔn)地規(guī)劃和建設(shè)教育城域網(wǎng)，或者對已有的教育城域網(wǎng)進(jìn)行升級和改造，滿足各學(xué)校對教育資源公共服務(wù)平臺和教育管理公共服務(wù)平臺以及公網(wǎng)資源的快速、安全訪問需求，并最大限度地共享帶寬資源。同時(shí)，還要制定相應(yīng)的接入標(biāo)準(zhǔn)和管理規(guī)范，以滿足“三通兩平臺” 帶來的數(shù)據(jù)傳輸量高速增長以及對健康、潔凈網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間的需要，而不是簡單地實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)接入，通過公網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

②著重長遠(yuǎn)，從智慧校園的高度進(jìn)行校園網(wǎng)的規(guī)劃和建設(shè)，或者在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行升級和改造，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)高速、可靠的互聯(lián)互通，滿足每個(gè)班級和每個(gè)部門的網(wǎng)絡(luò)接入需要。在有條件的情況下，進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，通過將有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)校園網(wǎng)的無縫覆蓋，使廣大師生在校園中的任何位置都可以接入校園網(wǎng)，訪問各種教育教學(xué)資源。

寬帶網(wǎng)絡(luò)校校通充分體現(xiàn)了以校為本的教育信息化總體建設(shè)思想。

2.2 優(yōu)質(zhì)資源班班通

優(yōu)質(zhì)資源班班通是指加強(qiáng)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的建設(shè)與共享，使每個(gè)班級（課堂）都能夠方便、快速地獲取各種優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源。要想將各種優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源及時(shí)輸送到每個(gè)班級，必須加強(qiáng)3 個(gè)課堂建設(shè)[2]。

（1）專遞課堂（各類新課程資源建設(shè)）

引導(dǎo)學(xué)生利用智能工具在教師組織下進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)。

（2）名師課堂

組織具有一定教育技術(shù)能力的特級教師和學(xué)科骨干教師，利用公共服務(wù)平臺提供的個(gè)人空間和相應(yīng)工具，開設(shè)學(xué)科重點(diǎn)、難點(diǎn)講座，幫助學(xué)生更好地完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

（3）名校網(wǎng)絡(luò)課堂

匯聚若干基礎(chǔ)教育名校和職業(yè)教育示范校的優(yōu)質(zhì)資源，開設(shè)網(wǎng)絡(luò)學(xué)校，為學(xué)校集體組織學(xué)生選名校網(wǎng)絡(luò)課堂、修高中網(wǎng)絡(luò)課程和職業(yè)學(xué)校新開專業(yè)提供服務(wù)。

優(yōu)質(zhì)資源班班通充分體現(xiàn)了以班為本、以實(shí)際應(yīng)用為導(dǎo)向的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源建設(shè)與共享發(fā)展方向。

2.3 網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間人人通

網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間人人通是指建設(shè)實(shí)名制的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間，使每名教師和每名學(xué)生都擁有一個(gè)實(shí)名的網(wǎng)絡(luò)空間，實(shí)現(xiàn)技術(shù)和教育的高度融合，充分利用無所不在的互聯(lián)網(wǎng)帶來的便利性，使廣大師生可以不受地理空間和物理距離的限制，隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)和交流。目的是努力推動(dòng)自主學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)教與學(xué)、教與教、學(xué)與學(xué)的全面互動(dòng)，促進(jìn)教學(xué)方式與學(xué)習(xí)方式的變革。

網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間人人通充分體現(xiàn)了以人為本、適應(yīng)時(shí)代發(fā)展變化的現(xiàn)代教育理念。

2.4 教育資源公共服務(wù)平臺

教育資源公共服務(wù)平臺的核心是資源，因此必須以資源建設(shè)為前提，可以通過政府投資建設(shè)或者購買基礎(chǔ)性教育資源的方式，建立豐富的各級各類優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，并且將這些資源送到每個(gè)班級，在教學(xué)、學(xué)習(xí)過程中得到普遍使用，促進(jìn)教學(xué)模式與教學(xué)方法創(chuàng)新。

教育資源公共服務(wù)平臺建立在目前階段的技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，就是要充分利用云計(jì)算技術(shù)，建立集中的教育云資源服務(wù)平臺。該平臺不僅為各類教育資源的匯聚與共享提供支撐，還為教育資源建設(shè)與應(yīng)用的銜接提供機(jī)制與服務(wù)，也為課堂教學(xué)、學(xué)生自學(xué)提供交流與協(xié)作服務(wù)。

在服務(wù)方式上，讓師生能夠方便地?zé)o償使用這些資源，為學(xué)校、教師開發(fā)的個(gè)性化教育資源提供共享與結(jié)算服務(wù)，也為商品化教育資源提供準(zhǔn)入機(jī)制。并通過建立教育資源目錄，為教育資源檢索與發(fā)布提供服務(wù)。

2.5 教育管理公共服務(wù)平臺

教育管理公共服務(wù)平臺在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上也同樣需要采用云計(jì)算技術(shù)，建立教育云管理服務(wù)平臺。該平臺要為各級各類學(xué)校提供校務(wù)管理服務(wù)，為地方各級教育行政部門提供教育電子政務(wù)（教育基礎(chǔ)信息管理和決策支持）服務(wù)，為社會(huì)公眾提供教育公共信息服務(wù)。

圖1 “三通兩平臺”建設(shè)總體規(guī)劃效果

教育管理公共服務(wù)平臺的典型應(yīng)用包括：在全市乃至全國建立統(tǒng)一的電子學(xué)籍系統(tǒng)和網(wǎng)上辦公系統(tǒng)，基本實(shí)現(xiàn)信息的網(wǎng)上傳遞與共享。為各級學(xué)校提供校務(wù)管理服務(wù)，為地方各級教育行政部門提供教育基礎(chǔ)信息管理和決策支持服務(wù)，為社會(huì)公眾提供教育公共信息服務(wù)。

2.6 “三通兩平臺”之間的關(guān)系

“三通兩平臺”中的“兩平臺”是基礎(chǔ)，而“三通”構(gòu)筑于“兩平臺”上，主要強(qiáng)調(diào)應(yīng)用效果[3]。因此，“三通兩平臺” 最核心和最關(guān)鍵之處在于教育資源公共服務(wù)平臺和教育管理公共服務(wù)平臺的建設(shè)。只有很好地建設(shè)了這兩個(gè)平臺，才能實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源班班通、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間人人通。如果沒有這兩個(gè)平臺的建設(shè)，即使實(shí)現(xiàn)了寬帶網(wǎng)絡(luò)校校通，就好比是建設(shè)了“路”，也沒有“車”可跑。

3 “三通兩平臺”總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

“三通兩平臺”建設(shè)的總體思想是：以區(qū)域云數(shù)據(jù)中心為核心，高性能的教育城域網(wǎng)為承載，智慧校園和云課堂的應(yīng)用為綜合體現(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，以期提高教育教學(xué)質(zhì)量和管理水平，促進(jìn)師生全面發(fā)展。

教育管理公共服務(wù)平臺的建設(shè)原則是兩級建設(shè)（中央、?。?、五級應(yīng)用（中央、省、地市、區(qū)縣、學(xué)校）[4]，目的是實(shí)現(xiàn)教育電子政務(wù)（校務(wù)）一體化管理、數(shù)據(jù)互通和系統(tǒng)互聯(lián)，提升教育監(jiān)管能力與服務(wù)水平，實(shí)現(xiàn)教育管理現(xiàn)代化、決策科學(xué)化、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化，提高公共管理服務(wù)水平。

教育資源公共服務(wù)平臺可以根據(jù)各地實(shí)際情況，由各省、市、區(qū)、校采用靈活多樣的方式進(jìn)行建設(shè)，提供豐富多彩的資源服務(wù)，體現(xiàn)各自的資源特色和服務(wù)特色，為學(xué)生提供個(gè)性化學(xué)習(xí)空間，同時(shí)為教師提供個(gè)性化教學(xué)空間。

目前，中國教育科研網(wǎng)絡(luò)（CERNET）為國家教育資源公共服務(wù)平臺和教育管理公共服務(wù)平臺的教育部數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)免費(fèi)提供10~100 GB 專用接入帶寬及256 個(gè)IPv4 專用地址，并為各省、自治區(qū)和直轄市教育廳（教委）的教育資源公共服務(wù)平臺和教育管理公共服務(wù)平臺的省數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)免費(fèi)提供1~10 GB 專用接入帶寬及16 個(gè)IPv4 專用地址。這為“三通兩平臺”提供了堅(jiān)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)保障[5]。

“三通兩平臺” 建設(shè)的總體規(guī)劃效果可用圖1來描述和展示。

4 公共教育云的規(guī)劃與設(shè)計(jì)

如前文所述，教育資源公共服務(wù)平臺和教育管理公共服務(wù)平臺的建設(shè)，在技術(shù)上都需要采用云計(jì)算技術(shù)，構(gòu)建教育云公共服務(wù)平臺。下面首先介紹云計(jì)算技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，給出公共教育云的技術(shù)方案。

4.1 云計(jì)算

云計(jì)算是能夠通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程提供高可用性計(jì)算和存儲的服務(wù)模式。從獲取云計(jì)算服務(wù)的客戶端角度看，在云計(jì)算環(huán)境下，用戶無需自己購置、管理和維護(hù)大量昂貴的計(jì)算和存儲資源，可以更加專注于自己的業(yè)務(wù)。用戶可按需獲取網(wǎng)絡(luò)上的資源，并按使用量付費(fèi)。

從提供云計(jì)算服務(wù)的后臺角度看，云計(jì)算可以有效地實(shí)現(xiàn)資源的集中化和規(guī)?；?，通過虛擬化技術(shù)構(gòu)建動(dòng)態(tài)資源池，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對各類異構(gòu)軟/硬件資源的兼容和共享，而且還能高效地實(shí)現(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)分配和回收，提高資源的利用率和周轉(zhuǎn)率。

4.2 教育云公共服務(wù)平臺技術(shù)方案

給出的教育云公共服務(wù)平臺的解決方案如圖2所示。該解決方案具有以下技術(shù)特點(diǎn)。

①通過虛擬化技術(shù)，構(gòu)建虛擬化資源池，以IaaS（基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）模式向上提供資源服務(wù)，對數(shù)據(jù)中心內(nèi)的計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲等硬件資源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和管理，屏蔽底層異構(gòu)硬件之間的差異性，消除上層操作系統(tǒng)對硬件設(shè)備及底層驅(qū)動(dòng)的依賴。

②通過PaaS（平臺即服務(wù)），依托下面的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一門戶管理、多租戶管理、資源管理、策略配置管理、服務(wù)目錄管理等服務(wù)。

③以多租戶混合云的方式，通過教育管理公共服務(wù)平臺為各級教育管理部門和各學(xué)校教學(xué)管理人員提供電子學(xué)籍、公文流轉(zhuǎn)、資產(chǎn)管理、人事管理、課題申報(bào)等服務(wù)。通過教育資源公共服務(wù)平臺，為廣大師生提供靈活多樣、豐富多彩的教學(xué)資源。

目前，在部分省市開發(fā)建設(shè)電子學(xué)籍系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，已經(jīng)進(jìn)行了全國范圍內(nèi)的電子學(xué)籍系統(tǒng)建設(shè)。實(shí)行“一生一號，籍隨人走，終身不變”。該系統(tǒng)已采集和存儲2 億多名學(xué)生的信息，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤全國學(xué)生流動(dòng)，全面、及時(shí)掌握全國中小學(xué)生的真實(shí)情況，從而解決在義務(wù)教育和學(xué)生資助中存在的虛假注冊、重復(fù)學(xué)籍等問題。今后，學(xué)生的流動(dòng)、東/中/西部的財(cái)政投入等需要政策加以平衡的問題，將有數(shù)據(jù)可以參照[5]。

5 “三通兩平臺”基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)“三通”，必須要有網(wǎng)絡(luò)的支持。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)包括城域教育網(wǎng)和各個(gè)學(xué)校的校園網(wǎng)，為此，給出了兩個(gè)不同層次網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案。

5.1 教育城域網(wǎng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)

規(guī)劃設(shè)計(jì)的教育城域網(wǎng)分為接入層、光傳輸網(wǎng)、核心層、網(wǎng)管中心、內(nèi)部辦公網(wǎng)、教育云平臺、互聯(lián)網(wǎng)出口等7 個(gè)部分，如圖3所示。

圖2 教育云公共服務(wù)平臺技術(shù)方案

圖3 教育城域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

（1）接入層

每個(gè)學(xué)校的校園網(wǎng)出口采用一臺統(tǒng)一威脅管理設(shè)備（如U200）或者防火墻作為出口網(wǎng)關(guān)，通過運(yùn)營商分配的專用線路接入?yún)^(qū)教育城域網(wǎng)的核心。

（2）教育專網(wǎng)

建立在SDH 光傳輸網(wǎng)基礎(chǔ)上的教育專用網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)實(shí)際情況，可以自建基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，也可以租用運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)。

（3）核心層

采用兩臺核心交換機(jī)（如H3C S10508），通過虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（如IRF2），以保證網(wǎng)絡(luò)核心的可靠性，同時(shí)成倍提升網(wǎng)絡(luò)性能。核心交換機(jī)上除了提供連接各功能區(qū)所必須的以太網(wǎng)接口外，還要部署防火墻、IPS、流量分析等多種業(yè)務(wù)插卡，為整個(gè)教育城域網(wǎng)提供安全保障。

（4）網(wǎng)管中心

作為整個(gè)教育城域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理中心，部署網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)、虛擬化管理平臺等，以便管理人員對整個(gè)城域網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一的管理和維護(hù)。

（5）內(nèi)部辦公網(wǎng)

作為教育管理機(jī)構(gòu)，其內(nèi)部辦公網(wǎng)也需要接入城域網(wǎng)?？紤]到安全性和可管理性，在內(nèi)部辦公網(wǎng)出口處也需要部署一臺統(tǒng)一威脅管理設(shè)備（如U200）。

（6）教育云平臺

通過虛擬化技術(shù)建立計(jì)算資源池和存儲資源池，為教育云公共服務(wù)平臺動(dòng)態(tài)分配資源。教育云公共服務(wù)平臺通過若干臺（依據(jù)具體服務(wù)器數(shù)量而定）數(shù)據(jù)中心級接入交換機(jī)與城域網(wǎng)核心層相連，為“三通兩平臺”提供服務(wù)。

（7）互聯(lián)網(wǎng)出口

整個(gè)教育城域網(wǎng)將擁有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)出口，一個(gè)連接到上一級教育城域網(wǎng)，另一個(gè)連接到公網(wǎng)，作為整個(gè)教育城域網(wǎng)的公共出口。

5.2 校園網(wǎng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)

校園網(wǎng)建設(shè)能夠在很大程度上影響和體現(xiàn)“三通兩平臺”的應(yīng)用效果，因此，校園網(wǎng)的設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。校園網(wǎng)設(shè)計(jì)方案要點(diǎn)歸納如下。

在“三通兩平臺”背景下，盡管大量的資源和服務(wù)都集中在“公有云”的云端，但是對于一些校本課程和學(xué)校特有的資源和管理服務(wù)，則需采用虛擬化和云計(jì)算技術(shù)，建立在各學(xué)校自己的云平臺上，形成“私有云”，服務(wù)本校師生。

為了確保通信的快速性和流暢性，每個(gè)學(xué)?？梢耘渲靡慌_CDN 服務(wù)器，構(gòu)成CDN網(wǎng)絡(luò)。教育云資源服務(wù)平臺可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)衢T教學(xué)資源推送到學(xué)校端的CDN 服務(wù)器，這樣，校內(nèi)師生就可以就近快速訪問這些資源，獲取優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

對于有線網(wǎng)絡(luò)，建議采用萬兆到樓宇、千兆到教室的接入方案，通過出口路由與市教育城域網(wǎng)相連接，滿足訪問各級教育云資源服務(wù)平臺和教育云管理服務(wù)平臺的需求。

針對學(xué)校移動(dòng)學(xué)習(xí)和電子書包應(yīng)用場景，每個(gè)教室安裝一個(gè)無線訪問點(diǎn)AP。確保所有學(xué)生可以通過教室的無線網(wǎng)，訪問各種教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源班班通[6]。

每個(gè)辦公室同樣提供千兆帶寬接入到校園網(wǎng)，而對于辦公區(qū)則采用搭載X-Sense 靈動(dòng)天線的下一代AP，確保覆蓋無死角。重點(diǎn)辦公室采用“墻面式AP”覆蓋方案，不布線、不施工，安裝簡單。室外場景采用防雷擊、耐嚴(yán)寒酷暑的室外無線產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)校園無線覆蓋[6]。

6 結(jié)束語

“三通兩平臺”給出了教育信息化的建設(shè)和發(fā)展方向。經(jīng)過大量的調(diào)研以及深入的分析和研究，結(jié)合實(shí)際建設(shè)情況，分析并闡述了“三通兩平臺”各項(xiàng)任務(wù)的內(nèi)涵以及它們之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，給出了層次化的“三通兩平臺”的總體架構(gòu)。教育資源公共服務(wù)平臺和教育管理公共服務(wù)平臺最有效的解決方案就是基于云計(jì)算技術(shù)，因此給出了公共教育云的解決方案。實(shí)現(xiàn)“校校通”、“班班通”、“人人通”必須要有教育城域網(wǎng)和校園網(wǎng)兩級不同網(wǎng)絡(luò)的支持，為此分別給出了這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。在整個(gè)設(shè)計(jì)中，既融合了很多新技術(shù)，也體現(xiàn)了豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對“三通兩平臺”的建設(shè)具有一定的借鑒意義。

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