基于云計(jì)算自主學(xué)習(xí)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

郎振紅

（天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 天津　300350）

基于云計(jì)算自主學(xué)習(xí)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

郎振紅

（天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 天津300350）

為了提升高校學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，依托云計(jì)算的相關(guān)技術(shù)，合理整合軟、硬件資源，構(gòu)建一個(gè)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、有助于教師輔導(dǎo)與答疑、簡(jiǎn)化考核與管理流程、真實(shí)反映學(xué)習(xí)效果的云端學(xué)習(xí)平臺(tái)。本文通過虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)桌面、服務(wù)器及存儲(chǔ)的虛擬操作，以便提高資源利用率與共享性；引入分層設(shè)計(jì)思想完成彈性擴(kuò)展、實(shí)時(shí)播放視頻媒體的直播操作，以便提高視頻播放效率；在分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用分布式B樹的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類存放，以便提高系統(tǒng)信息的檢索速度。

云計(jì)算；自主學(xué)習(xí)；虛擬化；視頻直播；數(shù)據(jù)分類；分布式B樹

目前，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題、積極解決問題、相互溝通交流的團(tuán)隊(duì)精神，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，成為高校人才培養(yǎng)計(jì)劃的重中之重。但是高校已有的資源由于各種原因無法充分發(fā)揮應(yīng)有的作用，具體表現(xiàn)為：第一，實(shí)驗(yàn)設(shè)備相互獨(dú)立。高校中不同學(xué)院都配備了各自的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，例如：組建的計(jì)算機(jī)房，由于設(shè)備的獨(dú)占性，每個(gè)計(jì)算機(jī)房都服務(wù)于某一系部或某一專業(yè)，不僅物理硬件不能隨意遷移，而且安裝的操作系統(tǒng)及各種應(yīng)用軟件也根據(jù)專業(yè)而定，因此，無法高效實(shí)現(xiàn)硬件教學(xué)設(shè)施和軟件教學(xué)資源的利用率與共享性。第二，視頻直播效率低。在傳統(tǒng)校園網(wǎng)中也上傳某些教學(xué)與操作視頻，但由于日益龐大的數(shù)據(jù)傳輸量，過長(zhǎng)的傳輸路徑，大量帶寬被占用，直播視頻必須集中觀看，因此以往視頻播放模式存在網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)大、播放延遲大，畫面的流暢程度和清晰程度大打折扣，導(dǎo)致瀏覽者失去觀看的興趣。第三，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)雜亂無章。隨著網(wǎng)絡(luò)信息量的急劇增加，信息類型的多樣化，尤其是圖形、圖像、音頻、視頻、動(dòng)畫等信息，普通的存儲(chǔ)方式?jīng)]有考慮數(shù)據(jù)的重復(fù)性和訪問規(guī)律，只按照數(shù)據(jù)先后順序進(jìn)行存放。但是數(shù)據(jù)量的快速猛增必然帶來存儲(chǔ)系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，致使存儲(chǔ)能耗上升，運(yùn)營(yíng)成本大幅增加，例如：用于存儲(chǔ)的IT硬件設(shè)備、用于冷卻的散熱設(shè)備等，但信息量增加勢(shì)在必行，數(shù)據(jù)是信息化時(shí)代的基礎(chǔ)，未來發(fā)展的應(yīng)用系統(tǒng)中，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的有效處理占據(jù)核心位置[1]。第四，信息檢索速度過慢。在海量信息中對(duì)數(shù)據(jù)檢索操作必不可少，常用的方法是對(duì)數(shù)據(jù)中關(guān)鍵字進(jìn)行哈希算法，將其分布到多個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上，以便完成海量數(shù)據(jù)的擴(kuò)展性存儲(chǔ)。但是該方法適用于關(guān)鍵字查詢，其檢索效率較高，然而，針對(duì)非關(guān)鍵字查詢效率極低、對(duì)于范圍查詢根本不支持。然而，一般瀏覽者在實(shí)際應(yīng)用中，不僅采用關(guān)鍵字進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的查詢，而且也常用其他屬性實(shí)現(xiàn)查詢操作或者按照規(guī)定的范圍完成查詢。尤其是查詢?cè)诰€視頻的播放，盡管每一個(gè)視頻文件均包含視頻ID、視頻名稱、上傳時(shí)間、播放次數(shù)等信息，其中：視頻ID是關(guān)鍵字，通過它可以快速查詢到相應(yīng)視頻文件，但是瀏覽者可能更習(xí)慣于通過視頻名稱或上傳時(shí)間范圍進(jìn)行搜索相關(guān)視頻內(nèi)容[2]，從而導(dǎo)致系統(tǒng)檢索速度及其低下，嚴(yán)重阻礙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)與資源可用性。

綜上所述，所有高校均建立了自己的校園網(wǎng)，并且配備了相關(guān)的教學(xué)資源及硬件設(shè)備，由于存在上述各種問題，如果延用傳統(tǒng)校園網(wǎng)絡(luò)作為學(xué)生自主學(xué)習(xí)平臺(tái)，不僅嚴(yán)重影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且極大降低軟、硬件資源的有效利用率，甚至無法較好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果。因此，筆者充分利用云計(jì)算領(lǐng)域的相對(duì)技術(shù)，將現(xiàn)有資源、設(shè)備進(jìn)行合理整合，構(gòu)建了基于云計(jì)算技術(shù)的自主學(xué)習(xí)平臺(tái)，旨在為提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，降低系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)安全性，提升資源共享性，實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)系統(tǒng)的效益最大化。

1　基于云計(jì)算自主學(xué)習(xí)平臺(tái)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1云計(jì)算技術(shù)

所謂云計(jì)算技術(shù)是將分布式計(jì)算、虛擬化、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)、負(fù)載均衡等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行匯總?cè)诤?，以至于有效解決網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的信息通訊與交換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與檢索、資源共享與利用等所有問題。顯然，云計(jì)算技術(shù)是以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為依托，憑借服務(wù)器虛擬化技術(shù)與分布式文件存儲(chǔ)技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)中物理位置分散且相互獨(dú)立的存儲(chǔ)設(shè)備、運(yùn)算設(shè)備以及軟件、數(shù)據(jù)等資源整合起來，通過服務(wù)的方式提供給用戶，隨著用戶需求的不斷變化，動(dòng)態(tài)地?cái)U(kuò)展與配置軟件資源和硬件設(shè)備，以便滿足用戶的各種需求，實(shí)現(xiàn)資源共享和按需分配[3]。

1.2總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文構(gòu)建的基于云計(jì)算的自主學(xué)習(xí)平臺(tái)，利用分層設(shè)計(jì)理念，綜合運(yùn)用了虛擬化集群技術(shù)、彈性擴(kuò)展的視頻媒體直播技術(shù)、信息分類存儲(chǔ)的分布式存儲(chǔ)技術(shù)以及分布式B樹的索引技術(shù)等，依靠已經(jīng)建成的校園互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)軟、硬件資源的協(xié)同工作與共享利用，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)搭建有益的平臺(tái)，增強(qiáng)學(xué)生自身的綜合能力，完成人才培養(yǎng)目標(biāo)。該云計(jì)算自主學(xué)習(xí)平臺(tái)的核心架構(gòu)分為六層，從下至上分別是：硬件基礎(chǔ)層、虛擬技術(shù)層、管理控制層、應(yīng)用接口層、應(yīng)用系統(tǒng)層以及云端客戶層，如圖1所示。

圖1　云計(jì)算自主學(xué)習(xí)平臺(tái)的系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.1　The architecture diagram of self-study's platform system based on cloud computing

1）硬件基礎(chǔ)層：為整個(gè)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)系統(tǒng)提供可靠的物理硬件保障，是系統(tǒng)良性運(yùn)行與整體性能最優(yōu)化的基礎(chǔ)，依據(jù)本層中提供的各種硬件設(shè)備，根據(jù)用戶具體需求結(jié)合虛擬技術(shù)將計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間、網(wǎng)絡(luò)帶寬等基礎(chǔ)設(shè)施合理分配給用戶。其中：物理計(jì)算機(jī)既有高性能的機(jī)器，又有普通機(jī)器；服務(wù)器包括主服務(wù)器（負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行管理及資源分配。）、文件服務(wù)器（負(fù)責(zé)文件的存儲(chǔ)、調(diào)度、檢索及使用等，其中最為重要的是基于分類數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的分布式文件系統(tǒng)的管理。）、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器 （負(fù)責(zé)普通數(shù)據(jù)庫(kù)信息的存儲(chǔ)與管理。）、流媒體緩沖服務(wù)器（負(fù)責(zé)多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)信息的存儲(chǔ)與管理，為無障礙、清晰流暢的視頻直播服務(wù)。）、備份服務(wù)器（負(fù)責(zé)備份系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，本系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)熱備份方式，一旦主服務(wù)器出現(xiàn)故障，備份服務(wù)器立刻接替主服務(wù)器，有效避免系統(tǒng)中斷工作。）

2）虛擬技術(shù)層：本層利用VMware WorkStation軟件搭建虛擬化服務(wù)器集群，模擬物理設(shè)備統(tǒng)一管理系統(tǒng)軟件信息及所有硬件設(shè)施，由于每臺(tái)物理服務(wù)器均可以通過接口運(yùn)行服務(wù)器虛擬化功能，因而可以創(chuàng)建多臺(tái)虛擬機(jī)，這些虛擬機(jī)的操作系統(tǒng)都是相互獨(dú)立運(yùn)行的，并且每臺(tái)虛擬服務(wù)器又可以安裝不同類型的操作系統(tǒng)，完成功能各異的需求，如圖2所示。此外，由于所有軟件系統(tǒng)均部署到云端，形成共享資源池，利用桌面虛擬化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)客戶端擺脫操作系統(tǒng)與硬件的約束來使用軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)管理員依據(jù)用戶的實(shí)際請(qǐng)求，按需分配相應(yīng)資源，如圖3所示。將硬件基礎(chǔ)層與虛擬技術(shù)層進(jìn)行有機(jī)結(jié)合共同組成基礎(chǔ)設(shè)施資源池。

圖2　虛擬服務(wù)器集群架構(gòu)圖Fig.2　The architecture diagram of virtual server cluster

圖3　桌面虛擬化架構(gòu)圖Fig.3　The architecture diagram of desktop virtualization

3）管理控制層：本層集中了整個(gè)系統(tǒng)基于云計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括分布式文件存儲(chǔ)、視頻直播與海量數(shù)據(jù)高效索引等。其中：基于數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)的分布式文件存儲(chǔ)功能是針對(duì)平臺(tái)中分散的資源信息進(jìn)行類別劃分、抽象表示與統(tǒng)一管理，不僅完成了資源的共享使用和分布式存儲(chǔ)，而且大大節(jié)約了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的能耗，降低了組建平臺(tái)的投資成本，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)系統(tǒng)的綠色運(yùn)營(yíng)，另外，采用冗余備份和容錯(cuò)機(jī)制來保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性與可靠性。視頻直播是自主學(xué)習(xí)平臺(tái)中的關(guān)鍵一環(huán)，播放畫面清晰流暢是基本需要，在此利用服務(wù)器的虛擬化集群技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)虛擬分發(fā)服務(wù)器，集合流媒體緩沖服務(wù)器和視頻直播管理平臺(tái)與云資源控制平臺(tái)，完成各終端靈活接收、實(shí)時(shí)在線、連貫放映的效果。海量數(shù)據(jù)高效索引主要針對(duì)云計(jì)算環(huán)境中日益增加的數(shù)據(jù)量和分布存放等特點(diǎn)，以分布式B樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過附加日志文件的方式，記錄著節(jié)點(diǎn)的分裂過程，其目的是提高系統(tǒng)信息的檢索速度，實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)整體應(yīng)用效率的提升。

4）應(yīng)用接口層：本層負(fù)責(zé)應(yīng)用系統(tǒng)層與應(yīng)用接口層的以下各層之間連接通信，實(shí)現(xiàn)公用API接口、網(wǎng)絡(luò)接口、用戶環(huán)境配置以及訪問授權(quán)和身份認(rèn)證等權(quán)限的分配與管理功能。

5）應(yīng)用系統(tǒng)層：本層部署并安裝自主學(xué)習(xí)平臺(tái)系統(tǒng)，以Web瀏覽器界面方式呈現(xiàn)，此外還包括視頻直播系統(tǒng)、云控制端、云數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)、云資源管理系統(tǒng)以及安全檢測(cè)系統(tǒng)等。

6）云端客戶層：本層主要實(shí)現(xiàn)云終端系統(tǒng)的功能，具體包含兩個(gè)方面內(nèi)容，即：云計(jì)算客戶端硬件專用機(jī)的終端；云計(jì)算客戶端登錄終端的軟件系統(tǒng)。

1.3系統(tǒng)功能描述

開發(fā)一個(gè)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)主要的目的就是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量，培養(yǎng)自覺學(xué)習(xí)的習(xí)慣，使在校學(xué)生的綜合素質(zhì)有質(zhì)的飛躍，為將來就業(yè)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。這就需要自主學(xué)習(xí)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)課上課下連貫一致，師生交流暢通無阻，解惑答疑實(shí)時(shí)在線，教學(xué)資源豐富多樣，視頻播放清晰流暢，在線課堂身臨其境，設(shè)備使用快速響應(yīng)，考核方式簡(jiǎn)潔靈活等。顯然，將眾多的硬件設(shè)備、軟件系統(tǒng)、教學(xué)資源有機(jī)整合，必將借助云計(jì)算的相關(guān)技術(shù)，所以基于云計(jì)算自主學(xué)習(xí)平臺(tái)的研究與設(shè)計(jì)不僅具有技術(shù)可行性，而且還是未來高校人才培養(yǎng)模式發(fā)展的必然趨勢(shì)。結(jié)合上述需求分析為該系統(tǒng)規(guī)劃了如下的具體功能，系統(tǒng)用戶管理（包括添加、刪除、修改用戶信息管理；審核用戶合法性管理；分配權(quán)限管理等）、實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理（包括設(shè)備隸屬和用戶控制管理；設(shè)備采購(gòu)管理；設(shè)備入庫(kù)管理；設(shè)備預(yù)約管理；設(shè)備運(yùn)行使用管理；設(shè)備維修管理；設(shè)備統(tǒng)計(jì)報(bào)表管理等）、教學(xué)資源管理（包括圖書資源管理；網(wǎng)絡(luò)資源管理；教學(xué)課件管理；精品課程網(wǎng)站管理；教學(xué)資源信息庫(kù)管理；學(xué)生優(yōu)秀作品展示管理；真實(shí)項(xiàng)目案例管理等）、視頻播放管理（包括教學(xué)視頻播放管理；操作視頻錄像管理；微課程視頻在線播放管理；在線教室?guī)熒?dòng)管理；實(shí)時(shí)在線直播管理等）、解惑答疑管理（包括答疑博客管理；留言板與公告欄管理；點(diǎn)擊率管理；重點(diǎn)與難點(diǎn)問題統(tǒng)計(jì)管理；學(xué)生反饋信息分析管理等）、教學(xué)考核管理（包括發(fā)放考核要求管理；監(jiān)督實(shí)施考核流程管理；提交考核成績(jī)管理；增加、刪除、修改考核信息與考核成績(jī)管理；制定考核標(biāo)準(zhǔn)管理等）、電話會(huì)議管理（包括制定電話會(huì)議流程管理；電話會(huì)議在線交流互動(dòng)管理；電話會(huì)議信息提交管理等）、上傳下載管理（包括上傳信息管理；下載信息管理；在線安裝系統(tǒng)管理；在線運(yùn)行系統(tǒng)管理等）、查詢搜索管理（包括精確查詢搜索管理；模糊查詢搜索管理；分類查詢搜索管理等）以及系統(tǒng)維護(hù)管理（包括系統(tǒng)備份與還原管理；系統(tǒng)容錯(cuò)管理；系統(tǒng)安全檢測(cè)管理；信息壓縮與加密管理；參數(shù)添加、刪除、修改管理；系統(tǒng)日志管理等），如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)功能模塊圖Fig.4　The model diagram of system function

2　基于云計(jì)算自主學(xué)習(xí)平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1桌面虛擬化技術(shù)

自主學(xué)習(xí)平臺(tái)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)是讓學(xué)生的自主學(xué)習(xí)變得聲形并茂，理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作并重，這需要對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行管理與控制，進(jìn)而滿足在線學(xué)習(xí)人數(shù)不斷增多，不同專業(yè)對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的需求等，因而，該學(xué)習(xí)平臺(tái)引入桌面虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的管理。

所謂桌面虛擬化技術(shù)是指將系統(tǒng)桌面軟件實(shí)施虛擬化改造的技術(shù)，憑借虛擬化技術(shù)讓用戶在使用現(xiàn)有的桌面軟件時(shí)猶如在操作桌面系統(tǒng)，實(shí)際上，此時(shí)軟件程序的執(zhí)行已經(jīng)不是以往在本地系統(tǒng)的執(zhí)行方式了[3]。實(shí)驗(yàn)教師通過自主學(xué)習(xí)平臺(tái)，將教學(xué)中各種系統(tǒng)軟件或應(yīng)用軟件集中部署、統(tǒng)一安裝到云端服務(wù)器上，依據(jù)各專業(yè)或各門課程的具體要求完成實(shí)驗(yàn)需求，創(chuàng)建內(nèi)容各異的云桌面，實(shí)現(xiàn)按需交付客戶端。由此最大限度地滿足不同專業(yè)、不同課程教學(xué)特點(diǎn)的需求，呈現(xiàn)“一次配置管理，多次交互使用”的效果，通過虛擬化技術(shù)使得構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)環(huán)境具有獨(dú)立性，因此，可以給學(xué)生展現(xiàn)一個(gè)便捷、靈活的桌面應(yīng)用，為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)起到一個(gè)事半功倍的作用。此外，桌面虛擬化技術(shù)可以將不同類型、不同配置的計(jì)算機(jī)一并納入虛擬化管理系統(tǒng)，只要該計(jì)算機(jī)可以正常安裝并運(yùn)行操作系統(tǒng)即可。這樣一來，不僅可以將一些配置較低、性能相對(duì)薄弱的機(jī)器延長(zhǎng)使用壽命，而且通過高端與中、低端機(jī)器的相互融合既可以完成教學(xué)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，又可以極大地縮減實(shí)驗(yàn)設(shè)備的購(gòu)置成本。

2.2服務(wù)器虛擬化集群技術(shù)

自主學(xué)習(xí)平臺(tái)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)在線交互系統(tǒng)，既要完成各種教學(xué)任務(wù)又要完成各類考核任務(wù)，因而對(duì)服務(wù)器的性能及要求是極高的，顯然低端服務(wù)器由于配置和存儲(chǔ)能力的限制被邊緣化，呈現(xiàn)輕負(fù)載狀態(tài)，硬件資源浪費(fèi)極大。若服務(wù)器配置不完善經(jīng)常出現(xiàn)故障，不得不中斷學(xué)生學(xué)習(xí)的連貫性，甚至?xí)霈F(xiàn)某些教學(xué)信息的丟失，無法保證系統(tǒng)信息的安全性。此時(shí)在云平臺(tái)上實(shí)施服務(wù)器的虛擬化技術(shù)可以有效緩解上述困境，通過虛擬化技術(shù)將一臺(tái)高性能物理服務(wù)器虛擬成若干臺(tái)，配以集群技術(shù)將地理位置分散、類型各異的服務(wù)器有機(jī)整合，運(yùn)用平臺(tái)中控制系統(tǒng)統(tǒng)一管理多服務(wù)器資源。并且任何一臺(tái)服務(wù)器均可以運(yùn)行多個(gè)安裝了不同類型操作系統(tǒng)的虛擬機(jī)，因而為各局域網(wǎng)絡(luò)和異構(gòu)CPU的物理服務(wù)器搭建一個(gè)共享資源池，若某一服務(wù)器出現(xiàn)故障，可在不中斷系統(tǒng)服務(wù)的前提下，完成將虛擬機(jī)在線遷移到另一臺(tái)服務(wù)器上，從而服務(wù)器的利用率和系統(tǒng)的可靠性大幅提升。

2.3資源池與數(shù)據(jù)遷移技術(shù)

資源池技術(shù)在云計(jì)算中占據(jù)重要位置，因?yàn)樗菢?gòu)成云端服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施。虛擬化資源池就是憑借服務(wù)器虛擬化、分步存儲(chǔ)虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等技術(shù)，再融合操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件與中間件等軟件資源，對(duì)物理設(shè)備進(jìn)行抽象表示，使其成為易于管理、調(diào)度的邏輯資源，將所有資源匯總聚集，便可形成資源池[3]?；谠朴?jì)算自主學(xué)習(xí)平臺(tái)將虛擬服務(wù)器及云數(shù)據(jù)中心和云管理平臺(tái)有機(jī)結(jié)合，將所有硬件設(shè)備與和軟件系統(tǒng)實(shí)施統(tǒng)一計(jì)算和規(guī)劃管理，構(gòu)成共享性資源池，因而，提高設(shè)備利用率，增強(qiáng)平臺(tái)可移植性，減少系統(tǒng)故障率。

數(shù)據(jù)遷移技術(shù)的本質(zhì)就是將離線存儲(chǔ)與在線存儲(chǔ)匯集融合的技術(shù)[4]。無論是物理服務(wù)器還是虛擬服務(wù)器，都具有保存與備份數(shù)據(jù)的責(zé)任，所以文件被正確復(fù)制后，立刻創(chuàng)建源文件的備份標(biāo)志文件。尤其使用虛擬化服務(wù)器時(shí)該操作尤為重要，因?yàn)楫?dāng)正在使用的物理服務(wù)器出現(xiàn)故障，可以由服務(wù)器的虛擬機(jī)完成在線遷移工作。即：處于運(yùn)行狀態(tài)的虛擬機(jī)從一臺(tái)物理機(jī)器移動(dòng)到另一臺(tái)物理機(jī)器[5]。虛擬機(jī)上存儲(chǔ)的在線數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)保存成離線數(shù)據(jù)，當(dāng)成功實(shí)現(xiàn)了虛擬機(jī)的在線遷移之后，將保存的離線數(shù)據(jù)再模擬成在線數(shù)據(jù)，通常使用中間數(shù)據(jù)庫(kù)與腳本信息等手段完成數(shù)據(jù)信息的遷移。

2.4基于云計(jì)算的視頻直播技術(shù)

自主學(xué)習(xí)平臺(tái)如果在學(xué)生的自主學(xué)習(xí)中激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、引導(dǎo)學(xué)習(xí)方向、發(fā)揮著事半功倍的作用，那么各種教學(xué)及操作視頻的在線播放便成為學(xué)習(xí)過程中的核心，所以該系統(tǒng)以云計(jì)算環(huán)境為依托，設(shè)計(jì)一個(gè)利用虛擬分發(fā)服務(wù)器技術(shù)的視頻直播方案。傳統(tǒng)校園網(wǎng)視頻播放通常采用兩種方式，即：端到端傳輸方式和組播傳輸方式。但對(duì)組網(wǎng)設(shè)備配置不統(tǒng)一、品牌眾多、接口速率參差不齊、對(duì)主干線路承載能力和服務(wù)器性能有更高要求時(shí)，上述兩種傳輸方式無能為力。只得借助云計(jì)算的相關(guān)技術(shù)構(gòu)建一個(gè)適合于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、方便部署與安裝、具有彈性擴(kuò)展能力的并發(fā)視頻直播方案。

作為一個(gè)完整的視頻直播平臺(tái)應(yīng)當(dāng)由視頻信息采集端、視頻源編碼器、視頻服務(wù)器與發(fā)布服務(wù)器等組成[6]，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示[7]。其中：視頻信息采集端完成原始視頻信息的采集工作；視頻源編碼器實(shí)現(xiàn)將原始視頻信息編譯成可識(shí)別的視頻格式文件；視頻服務(wù)器負(fù)責(zé)接收來自視頻源編碼器的數(shù)據(jù)信息并將其存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)；發(fā)布服務(wù)器操作來自視頻服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的視頻數(shù)據(jù)并向網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的客戶端傳輸。對(duì)視頻直播平臺(tái)而言來自客戶端的訪問是處理的難點(diǎn)，因?yàn)槿魏我粋€(gè)客戶端都要消耗網(wǎng)絡(luò)接口帶寬、服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)適配器帶寬、內(nèi)存、CPU及I/O等系統(tǒng)資源，特別是客戶端數(shù)量達(dá)到一定閾值時(shí)，必將超越服務(wù)器的負(fù)載，若采用傳統(tǒng)多機(jī)聯(lián)合平衡負(fù)責(zé)的方式，必須按照滿負(fù)荷計(jì)算服務(wù)器的性能，當(dāng)客戶端訪問數(shù)量較低時(shí)，服務(wù)器性能被閑置導(dǎo)致資源大量浪費(fèi)。所以，本系統(tǒng)通過云環(huán)境下的虛擬分發(fā)服務(wù)器技術(shù)很好地解決了上述問題，當(dāng)客戶端數(shù)量持續(xù)遞增時(shí)，云管理平臺(tái)便分發(fā)大量資源，供給視頻分發(fā)服務(wù)器使用，當(dāng)訪問數(shù)量下降時(shí)，多余的視頻分發(fā)服務(wù)器收回相應(yīng)資源。因此，在保證資源持續(xù)可用的同時(shí)，系統(tǒng)既不會(huì)浪費(fèi)資源又不會(huì)負(fù)載過重。

圖5　云計(jì)算環(huán)境下視頻直播拓?fù)鋱DFig.5　The topology diagram of live video

2.5基于數(shù)據(jù)分類的云存儲(chǔ)節(jié)能技術(shù)

基于云計(jì)算的自主學(xué)習(xí)平臺(tái)隨著使用頻率的增高與使用人數(shù)的增加將有海量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，傳統(tǒng)分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)通過資源冗余和負(fù)載均衡等方法提高系統(tǒng)的可靠性和可用性，但存儲(chǔ)系統(tǒng)的能耗問題卻在視野之外，引起云存儲(chǔ)系統(tǒng)的能量利用呈現(xiàn)高能耗、低效率的趨勢(shì)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響自主學(xué)習(xí)平臺(tái)的正常使用。該系統(tǒng)通過將數(shù)據(jù)進(jìn)行分類的方式進(jìn)行分布式存儲(chǔ)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能的目的。首先，以數(shù)據(jù)訪問頻率和訪問規(guī)律為基礎(chǔ)計(jì)算數(shù)據(jù)塊的活動(dòng)因子和數(shù)據(jù)文件的重復(fù)概率，并配置數(shù)據(jù)塊的存儲(chǔ)區(qū)域，這是未來進(jìn)行數(shù)據(jù)分類的依據(jù)。其次，根據(jù)分類依據(jù)將系統(tǒng)現(xiàn)有數(shù)據(jù)劃分成：訪問頻率高的數(shù)據(jù)塊、訪問頻率中等的數(shù)據(jù)塊、訪問頻率低的數(shù)據(jù)塊、重復(fù)數(shù)據(jù)文件塊等4個(gè)區(qū)域。將這4種類型的文件分別存儲(chǔ)到高頻數(shù)據(jù)區(qū)、中頻數(shù)據(jù)區(qū)、低頻數(shù)據(jù)區(qū)和重復(fù)數(shù)據(jù)區(qū)，以擁有16塊磁盤的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行區(qū)域劃分，如圖6所示。最后，將上述分類數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)域定義為四元組：StorageDomain=其 中 ：HighFrequencyDomain代表系統(tǒng)中處于高頻數(shù)據(jù)塊區(qū)域中所有磁盤的集合；MiddleFrequencyDomain中頻數(shù)據(jù)塊區(qū)域中所有磁盤的集合；LowFrequencyDomain低頻數(shù)據(jù)塊區(qū)域中所有磁盤的集合；ReduplicationDomain重復(fù)數(shù)據(jù)文件區(qū)域中所有磁盤的集合。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載較低可以進(jìn)入存儲(chǔ)節(jié)能模式，將MiddleFrequencyDomain、LowFrequencyDomain、Reduplication Domain中的磁盤實(shí)施休眠處理，如果在存儲(chǔ)重復(fù)數(shù)據(jù)文件ReduplicationDomain中，使用源文件存儲(chǔ)方式而不是數(shù)據(jù)塊副本存儲(chǔ)機(jī)制，將會(huì)最大限度地節(jié)省存儲(chǔ)資源[1-8]。

圖6　基于數(shù)據(jù)分類的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6　The diagram of storage structure based on data classification

2.6基于云環(huán)境的高效索引技術(shù)

海量數(shù)據(jù)高效檢索效率的高低是衡量基于云計(jì)算自主學(xué)習(xí)平臺(tái)整體性能的重要指標(biāo)之一，針對(duì)云計(jì)算環(huán)境中所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的海量性、分布性與并發(fā)性等特點(diǎn)，結(jié)合自主學(xué)習(xí)平臺(tái)對(duì)檢索操作高效性的需求，利用一種改進(jìn)的分布式B樹索引方法有效地縮減海量信息的訪問時(shí)間，提高分布式數(shù)據(jù)的檢索效率。

基于云環(huán)境的高效索引技術(shù)的核心思想就是以分布式B樹為基礎(chǔ)，通過附加日志文件的方式詳細(xì)記錄每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的分裂過程，以此作為高效查詢的依據(jù)。具體而言，為云環(huán)境中每臺(tái)服務(wù)器增添一個(gè)專門記錄該服務(wù)器內(nèi)所有B樹節(jié)點(diǎn)分裂過程的日志文件，B樹中節(jié)點(diǎn)的任意一次分裂都形成一條記錄，按操作時(shí)間的先后順序存放到日志文件中。其中，日志文件中的記錄格式定義為：，Small Value表示索引節(jié)點(diǎn)的最小值，LargeValue表示索引節(jié)點(diǎn)的最大值，二者組成的區(qū)間就是該節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)數(shù)值的范圍；RootPointer代表一個(gè)指針，指向分裂節(jié)點(diǎn)根節(jié)點(diǎn)的指針，用于記錄該節(jié)點(diǎn)在B樹中的路徑；SplitPointer同樣代表一個(gè)指針，指向分裂節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)位置，記錄著該節(jié)點(diǎn)所在服務(wù)器的IP地址與具體存儲(chǔ)位置；Count表示該節(jié)點(diǎn)的分裂次數(shù)，索引節(jié)點(diǎn)每分裂一次，形成的兩個(gè)分裂子節(jié)點(diǎn)的Count值是其父節(jié)點(diǎn)Count值自增1得到的，作為是否要遍歷分裂日志文件的標(biāo)志；PrePointerRecord表示一個(gè)指向上次分裂記錄的指針，在分裂日志文件中通過該指針，將所有分裂記錄連成一個(gè)數(shù)據(jù)鏈表，記載所有節(jié)點(diǎn)分裂過程。當(dāng)數(shù)據(jù)量無限增多時(shí)，分裂之后的節(jié)點(diǎn)可能被存儲(chǔ)到其他服務(wù)器中，無疑對(duì)檢索信息增加了難度，此時(shí)由于分裂日志文件的存在，將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的分裂歷史詳細(xì)存儲(chǔ)，級(jí)聯(lián)分裂日志文件，將分裂的節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)樹型存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高系統(tǒng)檢索效率。

利用分裂日志文件記錄的信息實(shí)現(xiàn)高效并發(fā)訪問，操作流程是：首先，判斷發(fā)出訪問請(qǐng)求的客戶端緩沖的Count值與訪問節(jié)點(diǎn)的Count值是否相同；其次，若相同為該節(jié)點(diǎn)上鎖，以排他方式進(jìn)行訪問，保證數(shù)據(jù)的正確性與安全性，否則遍歷該節(jié)點(diǎn)的分裂日志文件；然后，在遍歷過程中尋找下一個(gè)即將訪問的節(jié)點(diǎn)和該節(jié)點(diǎn)的Count值，用訪問請(qǐng)求和相應(yīng)Count值更新尋找的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，如此繼續(xù)，直至找到需要的數(shù)據(jù)或不存在任何節(jié)點(diǎn)時(shí)，遍歷結(jié)束。

3　基于云計(jì)算自主學(xué)習(xí)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)與分析

利用VMware軟件創(chuàng)建虛擬機(jī)，配置標(biāo)準(zhǔn)為8 GB內(nèi)存、100 GB硬盤空間、標(biāo)準(zhǔn)GE1000M網(wǎng)卡，在虛擬機(jī)之間建立Secure Shell（SSH）無密碼登錄。啟用SQL Server2012開發(fā)版設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。訪問頁面服務(wù)選用Apache+Tomcat的組合方式，安裝media service發(fā)布服務(wù)和視頻直播代理程序。Hadoop環(huán)境由PC機(jī)和DELL PowerEdge T620（數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)）組成，每臺(tái)計(jì)算機(jī)有兩個(gè)2.8 GHz英特爾至強(qiáng)CPU、8 GB內(nèi)存，每個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)是16塊容量為1 TB的磁盤，網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備采用吉比特以太交換機(jī)，物理服務(wù)器可以采用4 核4 GHz CPU、16 GB內(nèi)存、雙GE1000 M網(wǎng)卡、1 TB高速硬盤。

將基于云計(jì)算自主學(xué)習(xí)平臺(tái)與建立在普通校園網(wǎng)中的共享學(xué)習(xí)平臺(tái)進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，其結(jié)果如表1所示。其中：“視頻直播占有帶寬”選取的是19:00～22:30網(wǎng)絡(luò)訪問高峰期的時(shí)間段；“信息檢索吞吐量”的計(jì)算以8個(gè)服務(wù)器為基準(zhǔn)；“存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)總能耗”以4個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)最多休眠60個(gè)磁盤為例；“學(xué)生滿意度”是從全校所有專業(yè)中抽出2 000名學(xué)生作為取樣點(diǎn)。

表1　該平臺(tái)使用前后各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比表Tab.1　The usage of self-study’s platform system parameter comparison

4　結(jié)束語

將云計(jì)算技術(shù)運(yùn)用到高校自主學(xué)習(xí)平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，不僅充分發(fā)揮云計(jì)算技術(shù)的各種優(yōu)勢(shì)，而且極大地拓寬云計(jì)算的應(yīng)用領(lǐng)域，更加有益于高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的實(shí)施。但是，本文中介紹的關(guān)鍵技術(shù)在眾多方面還有待提升，可以肯定的是云計(jì)算技術(shù)的加盟必將是未來各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展方向。

[1]張?zhí)眨跀?shù)據(jù)分類存儲(chǔ)的云存儲(chǔ)系統(tǒng)節(jié)能算法[J]．計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2014，34（8）:2267-2272．

[2]黃斌．云計(jì)算中海量數(shù)據(jù)高效索引方法[J]．計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2014，31（10）:3075-3077．

[3]肖租秀．基于云計(jì)算的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理平臺(tái)的研究與應(yīng)用[J]．玉林師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，34（5）:133-139．

[4]崔超．淺析存儲(chǔ)虛擬化和數(shù)據(jù)遷移技術(shù)[J]．信息與電腦，2010（6）:87-88．

[5]羅軍舟．云計(jì)算：體系架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)[J]．通信學(xué)報(bào)，2011，32（7）:3-21.

[6]白旭．一種網(wǎng)絡(luò)直播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．河北師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，34（4）:401-405．

[7]劉景．基于云計(jì)算環(huán)境的校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)視頻直播設(shè)計(jì)[J]．計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2014，34（2）:572-575，584．

[8]廖彬．基于存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)重配置的分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)節(jié)能算法[J]．計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2013，50（1）:3-18．

A design of self-study’s platform system based on cloud computing

LANG Zhen-hong
（Tianjin Electronic Information College，Tianjin 300350，China）

In order to improving Self-study's ability of college students，a study platform based on cloud computing is built，which depended on Cloud Computing technology，integrated software and hardware resource，inspired student's learn interesting，contributed to teacher's guidance and answer，simplified procedure of checking and management，reflected really study effect.The paper used virtualization technology to realize virtualized operation of desktop and server so that improving resource sharing.It adopted multi-layer construction thoughts to finish efficient live video.The classified data information was stored based on storage structure of distributed B-tree，in order to improving retrieve speed of system information.

cloud computing；self-study；virtualization；live video；data classification；distributed B-tree

TN99

A

1674－6236（2016）01-0035-05

2015-03-02稿件編號(hào)：201503015

教育督導(dǎo)“十三五”科研重點(diǎn)項(xiàng)目規(guī)劃課題（EDUZH130004）

郎振紅（1975—），女，天津人，博士研究生，副教授。研究方向：云計(jì)算與數(shù)據(jù)挖掘。