基于IPv6的高校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

夏光峰　黃戈　王曉峰　趙暉

摘要：IPv6為互聯(lián)網(wǎng)帶來了地址數(shù)、速度和安全方面的提升，給網(wǎng)絡(luò)多媒體應(yīng)用帶來了長足發(fā)展的機(jī)會(huì)，但是當(dāng)前基于IPv6的高校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)應(yīng)用案例較少，文章分析對比了國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀，介紹了以開源軟件Moodle為核心構(gòu)建基于IPv6的高校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的方法，并就平臺(tái)IPv6多媒體視頻功能擴(kuò)展和版塊二次開發(fā)給出了實(shí)例，為高校IPv6教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)提供了技術(shù)和架構(gòu)上的參考。

關(guān)鍵詞：IPv6協(xié)議;學(xué)習(xí)管理系統(tǒng);插件集成;版塊開發(fā);教育信息化

中圖分類號(hào)：TP315? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）25-0100-06

Abstract：IPv6 improves the address numbers， speed and security of the Internet， which brings great opportunities for network multimedia applications. However， there are few application cases of IPv6-based college network teaching platform. The article analyzes and compares the application status at China and abroad， introduces the method of constructing IPv6-based college network teaching platform with open source software Moodle as the core， and gives examples of the multimedia video function expansion and secondary block development of IPv6 platform， which provides references for? technology and construction of IPv6 teaching platform in colleges and universities.

Key words：IPv6 protocol; Learning management system; Plugin integration; Block development; Educational informationization

1 引言

2018年5月，中華人民共和國工業(yè)和信息化部發(fā)布了《推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第六版（IPv6）規(guī)模部署行動(dòng)計(jì)劃》[1]，要求用5到10年時(shí)間，形成下一代互聯(lián)網(wǎng)自主技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)生態(tài)，建成全球最大規(guī)模的IPv6商業(yè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)下一代互聯(lián)網(wǎng)在經(jīng)濟(jì)社會(huì)各領(lǐng)域深度融合應(yīng)用，成為全球下一代互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要主導(dǎo)力量。2018年8月24日，教育部辦公廳發(fā)布了關(guān)于貫徹落實(shí)《推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第六版（IPv6）規(guī)模部署行動(dòng)計(jì)劃》的通知，要求到2020年底，教育系統(tǒng)的各類網(wǎng)絡(luò)、門戶網(wǎng)站和重要應(yīng)用系統(tǒng)完成升級改造，支持IPv6訪問;基于IPv6的安全保障體系基本形成。下一代互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)學(xué)科專業(yè)人才培養(yǎng)、技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新工作顯著加強(qiáng)，教育系統(tǒng)人才保障和智力支撐能力大幅提升。創(chuàng)新特色應(yīng)用。鼓勵(lì)高等學(xué)校加強(qiáng)與研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)合作，在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)領(lǐng)域推進(jìn)基于IPv6的融合創(chuàng)新與示范應(yīng)用。鼓勵(lì)高等學(xué)校建設(shè)基于IPv6的特色教育內(nèi)容資源。

當(dāng)前，隨著高校教育信息化建設(shè)的深入，現(xiàn)有IPv4協(xié)議及其應(yīng)用暴露出越來越多的問題，由于IPv4地址數(shù)的匱乏，高校建設(shè)的大量電子資源和學(xué)習(xí)平臺(tái)對運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)開放大多通過NAT[2]轉(zhuǎn)換的方式，MOOC的廣泛應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸能力也提出了更高的要求，與IPv4相比，IPv6有巨大的地址空間、使用更小的路由表（提高了路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的速度）、增強(qiáng)的組播支持以及流控（這使網(wǎng)絡(luò)媒體應(yīng)用有了長足發(fā)展的機(jī)會(huì)，提升了服務(wù)質(zhì)量控制）、具有更高的安全性。IPv6技術(shù)應(yīng)用是國家信息化戰(zhàn)略發(fā)展的要求，是教育信息化建設(shè)發(fā)展的必然，技術(shù)上更是大勢所趨，圖1是2014年至2019年5月我國支持IPv6的用戶增長的百分比統(tǒng)計(jì)圖[3]，雖然2018年后增長迅速，達(dá)到了10.94%，但與同期美國用戶53.95%占比相比還有很大的差距。

安徽省教育和科研計(jì)算機(jī)網(wǎng)1995年建設(shè)至今省內(nèi)所有本科和多數(shù)高職高專院校已接入教育網(wǎng)，IPv6網(wǎng)絡(luò)用戶眾多，圖2是IPv6線路5月份的帶寬使用統(tǒng)計(jì)圖，高峰時(shí)流量穩(wěn)定在2Gbps以上，用戶普遍反映IPv6線路速度快，但由于IPv6應(yīng)用缺乏，鏈路流量分析表明主要流量由出校的BT下載為主。

高校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)是教育信息化最重要的應(yīng)用系統(tǒng)，并發(fā)用戶多，網(wǎng)絡(luò)帶寬使用量大，是IPv6最有價(jià)值的應(yīng)用場景之一，通過域名解析抽樣分析國內(nèi)外著名在線學(xué)習(xí)網(wǎng)站和大學(xué)學(xué)習(xí)平臺(tái)發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)在線學(xué)習(xí)站點(diǎn)和大學(xué)學(xué)習(xí)平臺(tái)對IPv6協(xié)議的支持較少，而國外同類站點(diǎn)和大學(xué)學(xué)習(xí)平臺(tái)對IPv6協(xié)議的支持相對較高，對比如表1所示，可以想見，圍繞在線學(xué)習(xí)網(wǎng)站和學(xué)習(xí)平臺(tái)的在線視頻交互和視頻管理系統(tǒng)對IPv6的支持度就更低了。

將高校已有網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)進(jìn)行IPv4、IPv6雙棧[4]改造，是當(dāng)前提升IPv6應(yīng)用的有效方法，新的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)建設(shè)前期可以考慮基于IPv4、IPv6雙棧，待未來時(shí)機(jī)成熟時(shí)升級到純IPv6環(huán)境。

2 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境規(guī)劃與系統(tǒng)選擇

2.1校園網(wǎng)IPv6環(huán)境

合肥學(xué)院校園信息化建設(shè)始于2000年，現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)出口總帶寬為1600Mbps，其中教育網(wǎng)出口100Mbps，電信出口1000Mbps，中國移動(dòng)500Mbps，校園網(wǎng)主干帶寬萬兆，通達(dá)全部辦公和教學(xué)樓宇，交換機(jī)近400臺(tái)，信息點(diǎn)總數(shù)為二萬余個(gè)，百兆接入用戶桌面，網(wǎng)絡(luò)用戶過萬，拓?fù)淙鐖D3所示。

2012年，學(xué)校正式接入中國教育和科研計(jì)算機(jī)網(wǎng)CERNET2，獲得IPv6地址池范圍為2001：250：5407：：/48，校園網(wǎng)絡(luò)設(shè)備全網(wǎng)支持IPv4/IPv6雙棧協(xié)議，校園網(wǎng)絡(luò)用戶通過有狀態(tài)DHCPv6的方式獲取IPv6地址，校園DNS服務(wù)器采用IPv4/IPv6雙棧部署，通過添加AAAA記錄管理并解析IPv6域名，校園網(wǎng)絡(luò)邊緣采用山石應(yīng)用層防火墻，對進(jìn)出流量實(shí)現(xiàn)IPv6和IPv4的訪問控制。支持IPv6協(xié)議的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)完善、IPv6安全防護(hù)能力提升為校園網(wǎng)內(nèi)各類基于IPv6協(xié)議的應(yīng)用開展打下了良好基礎(chǔ)。

2.2規(guī)劃與系統(tǒng)選擇

當(dāng)前高校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)主要采用兩種方式，一是自建學(xué)習(xí)平臺(tái)，另一種是使用校外云學(xué)習(xí)平臺(tái)（依托服務(wù)提供商），從表1的統(tǒng)計(jì)來看，目前支持IPv6的學(xué)習(xí)平臺(tái)以高校自建居多，這也從側(cè)面反映出高等院校在IPv6應(yīng)用方面走在了前列。Moodle[5]（Modular Object-Oriented Dynamic Learning Environment模塊化面向?qū)ο髣?dòng)態(tài)的學(xué)習(xí)環(huán)境）是國際公認(rèn)、具有先進(jìn)教育理論支撐的LMS（學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)），對IPv6支持度高，基于模塊化和插件功能擴(kuò)展的特性使得Moodle成為諸多國外高校在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)的核心，與我校建立合作關(guān)系的德國高校Moodle使用占比很高，且超過50%的平臺(tái)支持IPv6協(xié)議。利用Moodle學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)插件功能擴(kuò)展，與數(shù)字化校園統(tǒng)一身份認(rèn)證、校園電子郵件、視頻會(huì)議和視頻管理系統(tǒng)無縫融合，可以構(gòu)建出一體化的高校信息化教學(xué)環(huán)境。我校選擇采用了開源的Moodle作為在線學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)的核心，使用Adobe Connect 插件將Moodle與學(xué)?，F(xiàn)有Adobe Connect在線視頻會(huì)議系統(tǒng)集成，采用Panopto插件將Moodle平臺(tái)與Panopto視頻管理系統(tǒng)集成[6]，與校園電子郵件服務(wù)、在線調(diào)查等系統(tǒng)一起，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)管理功能完善、結(jié)構(gòu)合理、視頻功能豐富的一體化的學(xué)習(xí)系統(tǒng)，該學(xué)習(xí)系統(tǒng)既可以通過CERNET2對校內(nèi)外開放，還可以利用IPv6的技術(shù)優(yōu)勢滿足對德交流日益增長的網(wǎng)絡(luò)帶寬使用需求，系統(tǒng)框架如圖5所示。

3 基于IPv6的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 Moodle平臺(tái)的安裝配置

在校園私有云平臺(tái)上安裝一臺(tái)Linux主機(jī)，IPv4和IPv6地址分別配置為210.45.88.149和2001：250：5407：1000：：149，在域名服務(wù)器中分別添加主機(jī)記錄如下：

AAAA記錄 ipv6study? IN? AAAA? 2001：250：5407：1000：：149

A記錄 ipv6study? IN? A? 210.45.88.149

Moodle平臺(tái)安裝配置及優(yōu)化此類文檔較多所以不再贅述，完成后的系統(tǒng)基本運(yùn)行環(huán)境如下表所示：

在Moodle平臺(tái)網(wǎng)站管理à插件à身份認(rèn)證配置中允許基于e-mail的自助注冊，在服務(wù)器à電子郵件選項(xiàng)中進(jìn)行郵件發(fā)送配置，設(shè)定學(xué)校SMTP主機(jī)的地址以及用來轉(zhuǎn)發(fā)電子郵件的賬戶，在賬戶à追加管理字段添加所在學(xué)校或公司字段，以便于外校的學(xué)生或IT技術(shù)公司的指導(dǎo)教師注冊，校內(nèi)學(xué)生的認(rèn)證利用學(xué)校統(tǒng)一身份認(rèn)證平臺(tái)與Moodle直接實(shí)現(xiàn)集成。

在Moodle.org網(wǎng)站下載Completion Progress（學(xué)習(xí)活動(dòng)完成狀況監(jiān)控）、Configurable Reports（自定義分析報(bào)表）、Forum Graph[7]（討論區(qū)帖子關(guān)系可視化）和Statistics插件（網(wǎng)站整體狀況統(tǒng)計(jì)），安裝于Moodle 平臺(tái)上擴(kuò)展學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)管理和分析功能。美化定制學(xué)習(xí)平臺(tái)主題風(fēng)格，同時(shí)滿足各類終端訪問平臺(tái)的界面自適應(yīng)要求。

3.2 IPv6地址顯示Block插件開發(fā)[8]

該Block版塊插件開發(fā)的目的是允許網(wǎng)站管理員設(shè)定在網(wǎng)站特定位置顯示來賓IPv6地址和所在國家，基本配置及代碼示例如下：

在 Moodle的blocks目錄中創(chuàng)建ipaddress目錄，目錄基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。

其中ipaddress/block_ipaddress.php文件中首先從block_base派生block_ipaddress類，然后為該類創(chuàng)建初始化函數(shù) founction init（ ），如下所示：

<？php

class block_ipaddress extends block_base {

public function init（） {

$this->title = get_string（'ipaddress'， 'block_ipaddress'）;

}

}

之后通過設(shè)置get_content（ ）函數(shù)里$this->content：的值設(shè)置該block 的顯示內(nèi)容，如下所示：

public function get_content（） {

if （$this->content ！== null） {

return $this->content;

}

$this->content = new stdClass;

$ip=$_SERVER['REMOTE_ADDR'];

if（（strpos（$ip， "："） === false）） {

$gi = geoip_open（"/usr/share/GeoIP/GeoIP.dat"，GEOIP_STANDARD）;

$country = geoip_country_code_by_addr（$gi， $ip）;

}

else {

$gi = geoip_open（"/usr/share/GeoIP/GeoIPv6.dat"，GEOIP_STANDARD）;

$country = geoip_country_code_by_addr_v6（$gi， $ip）;

}

$this->content->text = $_SERVER['REMOTE_ADDR']. "

". $country;

return $this->content;

}

增加對中文的支持，lang/zh-cn/block_ipaddress.php文件內(nèi)容為

<？php

$string['pluginname'] = 'IP 地址';

$string['ipaddress'] = '你的IP地址';

$string['ipaddress：addinstance'] = '增加一個(gè)新 IP地址版塊';

$string['ipaddress：myaddinstance'] = '增加一個(gè)新 IP地址版塊? 到我的Moodle頁面';

其中pluginname為版塊名稱，出現(xiàn)在網(wǎng)站的版本管理中，ipaddress為版塊的標(biāo)題，當(dāng)版本被頁面調(diào)用時(shí)，出在版塊的標(biāo)題中。

為顯示來源IP地址所在國別，在CentOS中安裝GeoIP[9]和GeoIP-devel，完成后/usr/share/GeoIP目錄中會(huì)包含GeoIP.dat和GeoIPv6.dat兩文件，從maxmind的github下載geoip.inc（包含可調(diào)用函數(shù)）至ipaddress目錄中并將其包含在block_ipaddress.php中，至此該Block即完成，可以在Moodle 中添加IP 地址顯示版塊至相關(guān)頁面，如圖7所示。

3.3? 與Adobe Connect的集成

Moodle的價(jià)值體現(xiàn)在學(xué)習(xí)管理功能強(qiáng)大，其基于建構(gòu)主義和模塊化的設(shè)計(jì)理念，使得Moodle平臺(tái)易于與其他系統(tǒng)集成，從而擴(kuò)充功能。學(xué)校原有Adobe Connect視頻會(huì)議系統(tǒng)在中德視頻答辯和教學(xué)中發(fā)揮了重要作用，通過添加IPv6配置和在Moodle中安裝插件，即可實(shí)現(xiàn)基于IPv6的視頻會(huì)議（利用IPv6網(wǎng)絡(luò)，視頻會(huì)議的網(wǎng)絡(luò)延遲大大降低）和從Moodle系統(tǒng)→Adobe Connect系統(tǒng)的SSO[10]（單點(diǎn)登錄），步驟和方法如下：

l 為Adobe Connect 視頻會(huì)議服務(wù)器增加IPv6地址：2001：250：5407：1000：：51

l 在DNS服務(wù)器上添加AAAA記錄：meeting? IN? AAAA? 2001：250：5407：1000：：51

l 修改Adobe Connect 服務(wù)器操作系統(tǒng)c：＼breeze＼comserv＼win32＼conf文件夾下的server.xml文件，將配置文件中的 修改為，重新啟動(dòng)Adobe Connect services，視頻會(huì)議服務(wù)即可支持IPv6協(xié)議 。

l 在Moodle平臺(tái)上安裝Adobe Connect Plugins ，配置參數(shù)如下：

Host：meeting.hfuu.edu.cn/api/xml

Meeting domain：meeting.hfuu.edu.cn

HTTP Authentication ：adobeid

輸入Admin Login 的用戶名和密碼，測試連接，顯示結(jié)果如下表明Moodle與Adobe Connect已完成無縫集成：

Sending common-info call：

successfully obtained the session key： breezpnktsr57ithxdmm8

successfully logged in as admin user

Testing retrevial of shared content， recording and meeting folders：

successfully obtained shared content folder scoid： 11000

successfully obtained forced-archives （meeting recordings） folder scoid： 11005

successfully obtained meetings folder scoid： 11002

successfully created meeting testmeetingtest scoid： 255404

successfully created user testusertest principal-id： 255405

Moodle平臺(tái)中教師在課程中添加Adobe Connect[11]活動(dòng)，通過Assign roles授權(quán)班級學(xué)生在視頻會(huì)議中的角色，實(shí)現(xiàn)了Moodle平臺(tái)課程內(nèi)師生在線視頻教學(xué)或會(huì)議討論的教學(xué)活動(dòng)，如圖8所示。

3.4 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

單臺(tái)Moodle[12]服務(wù)器的負(fù)載能力可以通過增加CPU處理能力、增加內(nèi)存、使用SSD固態(tài)磁盤和使用更快的網(wǎng)絡(luò)適配器來解決，數(shù)據(jù)庫和相關(guān)服務(wù)的參數(shù)優(yōu)化也是提升Moodle系統(tǒng)服務(wù)能力[13]的重要手段（相關(guān)資料較多，這里不再贅述），在更大規(guī)模并發(fā)用戶應(yīng)用場景中需要考慮將壓力分?jǐn)偟蕉嗯_(tái)服務(wù)器，既需要考慮高負(fù)載，還要提升系統(tǒng)的高可用性，數(shù)據(jù)一致性也必須得到保證。大規(guī)模用戶的應(yīng)用環(huán)境[14]可以使用如圖9所示的架構(gòu)來搭建，即增加一臺(tái)高性能Nginx[15]服務(wù)器進(jìn)行訪問調(diào)度，增加Moodle節(jié)點(diǎn)，使用主從數(shù)據(jù)庫，整體提升業(yè)務(wù)的承載能力。

在測試環(huán)境下分別以單Moodle節(jié)點(diǎn)和單MySQL節(jié)點(diǎn)、單Moodle節(jié)點(diǎn)和雙MySQL節(jié)點(diǎn)、雙Moodle節(jié)點(diǎn)和單MySQL節(jié)點(diǎn)、雙Moodle節(jié)點(diǎn)和雙MySQL節(jié)點(diǎn)四種條件進(jìn)行了負(fù)載能力測試，服務(wù)負(fù)載能力使用了ab-Apache HTTP server benchmarking tool[16]，選取最具有代表性的“每秒鐘處理請求數(shù)量”作為負(fù)載能力的結(jié)果指標(biāo)，測試結(jié)果如下表所示，從壓力測試結(jié)果可以看出，使用了“雙Moodle節(jié)點(diǎn)和雙MySQL節(jié)點(diǎn)”架構(gòu)的系統(tǒng)整體性能獲得了大幅的提升。

3.5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

系統(tǒng)建設(shè)至今，利用Moodle 這一先進(jìn)、成熟的開源課程管理平臺(tái)，進(jìn)行有針對性的二次開發(fā)和集成，已實(shí)現(xiàn)了基于IPv6、IPv4雙協(xié)議棧功能全面的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)（系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如圖10、圖11、圖12、圖13所示），建設(shè)完成了一門IPv6基礎(chǔ)課程，課程管理功能全面，教學(xué)活動(dòng)及學(xué)習(xí)資源豐富，平臺(tái)已通過防火墻對CERNET2開放，與華為、新華三等著名IT公司的資深工程師合作，計(jì)劃將該平臺(tái)打造成為校企IPv6技術(shù)學(xué)習(xí)交流的重要載體。

4 展望

目前支持IPv6協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)數(shù)量不多，隨著IPv6大規(guī)模部署和應(yīng)用深入，基于IPv6協(xié)議開展網(wǎng)絡(luò)教學(xué)活動(dòng)是大勢所趨，在現(xiàn)階段，使用具有教育理論支撐、基于建構(gòu)主義思想的教學(xué)平臺(tái)Moodle 配合 IPv6 技術(shù)，融合多種網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相關(guān)的多媒體、協(xié)作、分析統(tǒng)計(jì)等系統(tǒng)，高?？梢詷?gòu)建出先進(jìn)且基于IPv6的一體化教學(xué)環(huán)境， IPv6 為端到端的多媒體傳輸質(zhì)量提升和網(wǎng)絡(luò)安全提供了更好的技術(shù)支持，高校教育信息化工作者應(yīng)當(dāng)抓緊時(shí)間將現(xiàn)有或新建的學(xué)習(xí)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向支持IPv6協(xié)議，拓展IPv6技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的場景。

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[11]李琳琳，陳志勇，錢偉新. 中芬合作在線課程開發(fā)初探[J].中國教育技術(shù)裝備 2015（13）：182-183.

[12] Moodle官網(wǎng)[OL].

[13]曾棕根，吳志榮，汪志達(dá).Moodle 2大規(guī)模在線考試的實(shí)現(xiàn)方法[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代，2014（12）：8-11 .

[14]曾棕根.基于WAMP的簡體中文Moodle架設(shè)與性能優(yōu)化[J].現(xiàn)代教育技術(shù)， 2011，21（4）：136-139.

[15] Nginx官網(wǎng)[OL].

[16] ab-Apache HTTP server benchmarking tool[OL].

【通聯(lián)編輯：王力】