云計算教學(xué)參考資源平臺架構(gòu)研究

王家兵 彭 紅

（1.重慶交通大學(xué)圖書館；2.重慶交通大學(xué)科技處，重慶 400074）

1 引言

教學(xué)參考資源平臺以課程為中心，以數(shù)字化教學(xué)參考書、多媒體課件為主要內(nèi)容，實現(xiàn)了高校的優(yōu)質(zhì)數(shù)字化教學(xué)資源共享，相關(guān)平臺建設(shè)成為高校信息化建設(shè)的重要組成部分，也是高校數(shù)字化校園建設(shè)的一項重要內(nèi)容。目前，教學(xué)參考資源平臺已成為各高校圖書館自建特色電子資源的重要部分，是圖書館服務(wù)教學(xué)、服務(wù)科研的重要平臺，受到國內(nèi)外各高校圖書館的廣泛重視。經(jīng)過近十年的發(fā)展，教學(xué)參考資源平臺在國內(nèi)外高校圖書館得到廣泛應(yīng)用，對數(shù)字化教學(xué)資源共享、在線教學(xué)以及開展慕課、翻轉(zhuǎn)課堂、微課等新興教學(xué)方法發(fā)揮了重要的支撐作用[1-2]。

早期的教學(xué)參考資源平臺大多是單服務(wù)器模式，采用Web瀏覽器、Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器三層架構(gòu)，如江蘇廣播電視大學(xué)基于.NET三層架構(gòu)實現(xiàn)的開放教育課程資料庫[3]、重慶工商大學(xué)采用JSP+Tomcat+SQLServer技術(shù)方案開發(fā)的基于B/S/D三層體系結(jié)構(gòu)教學(xué)參考資源系統(tǒng)[4]等。隨著應(yīng)用規(guī)模的增長，這類教學(xué)參考資源表現(xiàn)出存儲空間難以滿足日益增長的電子資源量的需求，并隨著移動終端的廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了移動終端支持差、用戶交互體驗差等方面的問題，影響系統(tǒng)的使用。隨著云計算相關(guān)技術(shù)的日益成熟與移動學(xué)習(xí)的廣泛興起，越來越多的高校認(rèn)識到建設(shè)基于云計算模式的教學(xué)參考資源平臺的優(yōu)越性與必要性。教學(xué)參考資源云服務(wù)平臺通過云平臺實現(xiàn)學(xué)習(xí)資源集中存儲與分散使用，使相關(guān)學(xué)習(xí)資源得到了良好的保存、保護(hù)，支持使用移動終端，使其突破時間與地點的限制，已成為教學(xué)參考資源建設(shè)發(fā)展的一個必然趨勢。越來越多機(jī)構(gòu)與學(xué)者都在積極研究采用云計算架構(gòu)來構(gòu)建教學(xué)參考資源平臺[5-6]。

2 功能與架構(gòu)

2.1 平臺功能

教學(xué)參考資源平臺的功能是為本校各類課程與專業(yè)的相關(guān)學(xué)習(xí)電子資源，包括電子教參書、視頻、軟件、隨書光盤等進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化存儲，為學(xué)校師生讀者提供一個不受時間、地點限制的在線學(xué)習(xí)與交流平臺。相對單機(jī)模式的教學(xué)參考資源平臺，云教學(xué)參考資源平臺在底層采用了新型的架構(gòu)，能更好地實現(xiàn)相關(guān)功能，實現(xiàn)存儲資源的動態(tài)擴(kuò)展，對移動用戶有更好的支持。實現(xiàn)的主要功能具體有以下方面：

①教參資源上傳、下載、在線閱讀，以及資源評論與收藏；

②對課程和教參資源進(jìn)行管理；

③用戶管理、登錄，與學(xué)校一卡通統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)集成；

④個人學(xué)習(xí)社區(qū)建立，包括個人信息，以及資源推薦、用戶互動等功能；

⑤輔助功能，如訪問量、資源量、熱門資源統(tǒng)計等；

⑥移動APP提供移動終端對系統(tǒng)的訪問。

2.2 平臺架構(gòu)

傳統(tǒng)教學(xué)參考資源平臺大多采用Web瀏覽器、Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器三層應(yīng)用程序架構(gòu)模式構(gòu)建，整個系統(tǒng)部署在靜態(tài)的網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器上，此架構(gòu)使得教學(xué)參考資源平臺的應(yīng)用規(guī)模增大時，需要徹底對整個硬件平臺升級，應(yīng)用程序需重新配置以適應(yīng)新服務(wù)器，另外在基礎(chǔ)硬件發(fā)生故障時，直接影響平臺的可用性。采用云計算平臺構(gòu)建的教學(xué)參考資源平臺，應(yīng)用部署在多個虛擬服務(wù)器上，應(yīng)用不會因為個別的服務(wù)器故障而失效，擴(kuò)展也無需進(jìn)行全面的更新硬件基礎(chǔ)。同時云教學(xué)參考資源平臺需要對移動用戶提供支持。圖1顯示了采用云計算平臺技術(shù)的教學(xué)參考資源平臺系統(tǒng)架構(gòu)。

圖1 教學(xué)參考資源云服務(wù)平臺系統(tǒng)架構(gòu)

整個體系結(jié)構(gòu)由5部分組成，分別是基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、應(yīng)用層、用戶訪問層和管理層，基礎(chǔ)設(shè)施層是基礎(chǔ)架構(gòu)層面的云計算服務(wù)，為上層提供虛擬化的資源，包括物理服務(wù)器、虛擬服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安全防火墻等；數(shù)據(jù)資源層以文件服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，為用戶提供對資源數(shù)據(jù)層服務(wù)的封裝；應(yīng)用層主要提供各種資源的應(yīng)用，包括教學(xué)參考資源的教參資源上傳、下載、檢索、在線閱讀，用戶交流社區(qū)，用戶訪問認(rèn)證等；用戶訪問層則提供Web訪問服務(wù)接口、APP訪問服務(wù)接口、各種Web Service接口等功能；管理層是提供對所有層次的管理功能，包括安全管理、資源管理、用戶管理、服務(wù)監(jiān)控以及各種統(tǒng)計功能等。

3 實現(xiàn)方案與平臺構(gòu)建

3.1 方案選擇

云教學(xué)參考資源平臺實現(xiàn)方案選擇需要從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等多個方面進(jìn)行考慮比較。技術(shù)方面要考慮采用方案所需硬件能否滿足使用要求，采用的軟件技術(shù)是否符合相關(guān)的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，具有安全性、先進(jìn)性、可靠性、適用性，方便以后進(jìn)一步擴(kuò)展。另外所使用軟件與資源需考慮其合法性，不得侵犯彵人版權(quán)與隱私。經(jīng)濟(jì)方面要考慮初期所需投入的軟硬件費(fèi)用是否符合預(yù)算，相關(guān)設(shè)備與資源的投入應(yīng)與其實際應(yīng)用規(guī)模相符，同時還需要考慮后期服務(wù)器等基礎(chǔ)設(shè)備維護(hù)費(fèi)用問題，保證其在服務(wù)期內(nèi)可有效使用。

教學(xué)參考資源云服務(wù)平臺投入使用需完成兩方面的內(nèi)容，即軟件平臺構(gòu)建與電子資源收集。軟件平臺有自主開發(fā)、外購或外包、采用開源程序定制等多種方式，幾種方式各有優(yōu)缺點。自主開發(fā)需要組織專業(yè)技術(shù)團(tuán)隊，對技術(shù)要求較高，開發(fā)周期較長；外購與外包費(fèi)用相對較高，特別是后期的維護(hù)及功能更新費(fèi)用，較難保證。綜合比較，利用開源程序定制比較適合，優(yōu)先考慮選用開源軟件進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩ㄖ苼韺崿F(xiàn)教學(xué)參考資源云平臺構(gòu)建。在基礎(chǔ)設(shè)施方面，可充分利用現(xiàn)有IT基礎(chǔ)架構(gòu)平臺，減少自主采購、上架過程，加快業(yè)務(wù)上線進(jìn)程，有效降低IT運(yùn)維成本。在應(yīng)用設(shè)計方面，可以充分利用已有的開源代碼，減少開發(fā)費(fèi)用與難度，節(jié)省開發(fā)時間。但開源軟件往往需要修改定制，這要求具有一定的技術(shù)力量。電子資源的收集主要通過外購、用戶上傳的方式，如果以前具有教學(xué)參考資源平臺，初期可以把相關(guān)資源遷移到新的云架構(gòu)平臺使用。

3.2 構(gòu)建實施

對于中等規(guī)模的高校，學(xué)生用戶人數(shù)約20000人左右，教師用戶約2000人左右，按每個學(xué)生用戶10G，教師用戶50G計算，總共需要300T存儲空間。考慮到實際應(yīng)用中，并非所有用戶均會使用全部所有空間，300T的空間預(yù)算基本可滿足要求。另一個需要考慮的問題是網(wǎng)絡(luò)帶寬需求，由于教學(xué)參考資源很多是多媒體音頻、視頻，在上傳、下載時對網(wǎng)絡(luò)帶寬要求較高，同時對服務(wù)器的處理能力也有一定要求。此外還需要考慮到除有線接入外，移動終端通過無線接入，需要考慮網(wǎng)絡(luò)連接并發(fā)數(shù)的余量。根據(jù)以上需求，考慮采用三臺聯(lián)想ThinkSystem SR650機(jī)架式服務(wù)器，各服務(wù)器配置雙Intel Xeon Silver 4110 CPU，256GB內(nèi)存，10塊10T 7.2K熱插拔SATA硬盤，2塊480G熱插拔固態(tài)硬盤，采用RAID 5，實際可用存儲空間約270T，在服務(wù)器上安裝虛擬機(jī)，用虛擬機(jī)來作為文件服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器。

平臺部署從層次上可以分為4層，即文件存儲層、數(shù)據(jù)庫層、Web應(yīng)用層、負(fù)載均衡層。選擇Virtu?albox作為虛擬機(jī)，在物理機(jī)上共創(chuàng)建5臺Virtualbox虛擬機(jī)[7]，3 臺虛擬機(jī)上安裝 RHEL（Red Hat Enter?prise Linux）6.5 64位操作系統(tǒng)，運(yùn)行以ownCloud定制的教學(xué)參考資源軟件平臺，以MySQL Galera Clus?ter[8]作數(shù)據(jù)庫存儲，以 GPFS（General Parallel File System）[9]作共享文件存儲，另以兩臺虛擬機(jī)安裝haproxy[10]與keepalived[11]實現(xiàn)負(fù)載均衡功能，在其中一臺虛擬機(jī)上以ClusterControl監(jiān)測和管理數(shù)據(jù)庫集群[12]。相關(guān)功能節(jié)點如圖2所示。

圖2 教學(xué)參考資源云服務(wù)平臺功能節(jié)點

應(yīng)用層教學(xué)參考資源管理軟件采用ownCloud定制來實現(xiàn)。ownCloud[13]是一款開源代碼的文件同步和共享應(yīng)用軟件，采用php與mysql開發(fā)，適合于采用私有服務(wù)器搭建云存儲，支持跨平臺文件共享服務(wù)、圖片音樂和文檔等文件預(yù)覽、開放API，支持第三方應(yīng)用整合。ownCloud提供了大部分教學(xué)參考資源平臺所需的功能，需要定制的方面集中在漢化、界面定制、用戶登錄認(rèn)證接口設(shè)計以及教學(xué)參考資源平臺所需功能模塊的安裝等幾個方面。ownCloud原生提供多語言支持，漢化只需要下載提供的簡體中文漢化包到對應(yīng)目錄，然后在后臺設(shè)置即可實現(xiàn)漢化。ownCloud提供了文件同步和共享功能，通過安裝應(yīng)用插件可提供教學(xué)參考資源平臺所需音樂、視頻在線播放、圖片在線預(yù)覽、PDF在線閱讀等功能應(yīng)用。登錄認(rèn)證方面，現(xiàn)高校數(shù)字化校園建設(shè)都建有統(tǒng)一身份認(rèn)證平臺，其采用輕量目錄訪問協(xié)議（lightweight directory access protocol，LDAP），own?Cloud默認(rèn)支持AD、LDAP和OAuth 2.0集成，通過使用ownCloud AD/LDAP插件應(yīng)用，配置好目錄服務(wù)器的地址、協(xié)議、過濾條件，就可以轉(zhuǎn)到校統(tǒng)一認(rèn)證目錄上認(rèn)證，實現(xiàn)統(tǒng)一身份認(rèn)證登錄，同時在管理后臺還可以對用戶組成員關(guān)系、配額、自定義用戶屬性、失敗登錄賬戶鎖定次數(shù)等進(jìn)行設(shè)置。

平臺功能實現(xiàn)以后，需要導(dǎo)入初始數(shù)據(jù)，投入運(yùn)行?？紤]到新舊平臺數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)相差較大，以程序化方法導(dǎo)入原有的教學(xué)參考資源難以實現(xiàn)，而初期的高校教學(xué)參考資源平臺所含資源數(shù)量不大，可采用手工導(dǎo)入來完成初始資源遷移。

3.3 測試運(yùn)行

平臺所需的測試包括功能測試和性能測試。功能測試驗證平臺是否實現(xiàn)了所需要的功能，性能測試驗證平臺能否在實際運(yùn)行時滿足多用戶并發(fā)的要求。功能方面，ownCloud提供教學(xué)參考資源的文件存儲與共享功能，通過添加插件可以實現(xiàn)一些其他在線查看文檔、討論社區(qū)等功能。在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境空間方面，由于缺乏相關(guān)插件，單機(jī)模式教學(xué)參考資源平臺的在線學(xué)習(xí)功能需要定制開發(fā)。

性能測試通過觀察物理服務(wù)器與各虛擬機(jī)實際運(yùn)行時的CPU負(fù)荷、內(nèi)存占用來進(jìn)行。三臺物理服務(wù)器安裝五個虛擬機(jī)，觀察發(fā)現(xiàn)，物理機(jī)與虛擬機(jī)的CPU負(fù)荷基于處于在0-35%之間，在并發(fā)數(shù)達(dá)到100并發(fā)用戶時，各物理機(jī)與虛擬機(jī)的CPU負(fù)荷仍低于35%。每個虛擬機(jī)分配內(nèi)存32G，內(nèi)存占用平均在15%左右，峰值不足25%。

4 結(jié)語

采用云存儲模式構(gòu)建教學(xué)參考資源平臺具有計算資源與存儲資源可動態(tài)管理、自適應(yīng)，能更好實現(xiàn)教學(xué)資源的共享與移動存取，有效提升教學(xué)參考資源管理與服務(wù)的水平。選用開源軟件來構(gòu)建教學(xué)參考資源云服務(wù)平臺，有效降低了建設(shè)成本，可充分利用相關(guān)軟件的社區(qū)服務(wù)，保持平臺的可持續(xù)發(fā)展。

采用開源軟件方案來構(gòu)建云教學(xué)參考資源平臺，對自有技術(shù)能力提出了一定的要求，需要組建相應(yīng)技術(shù)團(tuán)隊來保證項目的完成。項目實施中，需要在預(yù)算內(nèi)選擇性能良好的服務(wù)器，保證網(wǎng)絡(luò)帶寬，防止基礎(chǔ)設(shè)施低劣影響整體用戶體驗。本方案采用3臺物理服務(wù)器，安裝5臺virtualbox虛擬機(jī)，3臺虛擬化機(jī)部署Galera MySQL數(shù)據(jù)庫和GPFS分布式文件系統(tǒng)，另兩臺虛擬機(jī)安裝ownCloud提供Web應(yīng)用服務(wù)和負(fù)債均衡，滿足了20000用戶規(guī)模的應(yīng)用場景，在充分發(fā)揮硬件資源性能的同時，也帶來了良好的用戶體驗，得到了用戶的好評。平臺投入應(yīng)用的前兩月，平均日訪問用戶在150人左右。可以預(yù)測，隨著資源量的進(jìn)一步增加，用戶會進(jìn)一步增加。后期需進(jìn)一步收集用戶反饋，進(jìn)行功能與資源方面的改進(jìn)，同時開發(fā)更多的定制功能模塊。