基于四層架構的網絡教學平臺的研究與實現*

呂會紅 李心廣

廣東外語外貿大學思科信息學院 廣州 510420

基于四層架構的網絡教學平臺的研究與實現*

呂會紅 李心廣

廣東外語外貿大學思科信息學院 廣州 510420

針對高等院校校園網良好的帶寬現狀和基于網絡教學應用的實際需要，討論如何有效運用Web服務器集群負載均衡技術和網絡存儲技術，構建一個基于四層架構的具有萬用戶數級別和高魯棒性的數字化網絡教學平臺。

網絡教學平臺；四層架構；負載均衡；網絡存儲技術

隨著計算機技術、網絡技術和多媒體技術的迅速發展，網絡教學在高等教育中得到越來越廣泛的應用。構建這種新型的教學模式不僅是教育信息現代化建設的需要，而且能充分發揮信息技術在高等教育教學中的優勢，遵循現代教育技術模式，促進教育理論、教學觀念、教學方法和教學內容的改革，提高教學質量和效益，培養學習者高效的學習能力與方法，以及在信息社會生存發展中解決實際問題的能力[1]。

隨著網絡教學的進一步深入，校園網中的數據流量和并發用戶數迅猛增長。各個學校開始面臨海量數據超負荷傳輸，網絡服務器超載的問題，經常會出現因網絡服務器超載、服務器速度太慢而影響學生學習興趣和效率的現象，嚴重時服務器會因不堪重負而中斷服務，所以構建能夠滿足大量的、并發的請求的服務系統越來越重要。

1 數字化網絡教學平臺的建設目標

在教育教學活動中，為了更好地促進教育信息現代化建設，提高教學整體性水平和教育教學效率，優化教育教學資源，網絡教學的開展、實施需要一套開放、方便、高效的網絡教學支撐平臺，則該教學平臺的構建成為首要問題和關鍵所在。在本課題中需要實現的這個平臺主要有下面幾點要求。

1）數據存儲共享：為了提高某一應用的并發訪問量，需要多臺服務器作為同一種應用服務器，因此需要在這些服務器之中實現存儲數據的共享。

2）數據讀寫速率：作為應用服務器，校園網用戶使用過程要求讀寫速度快，不能出現應用被中斷的情況。

3）存儲容量要求：首次需求大約10 TB容量的光纖磁盤陣列，滿足3～5年的在線擴容需求。

4）擴展性需求：服務器和應用可以平滑增設。

5）能夠對存儲網絡進行集中的和遠程的管理和監控，并實現存儲單元的優化管理。

6）定期數據備份需求。

7）可靠性需求：保證各應用的365×24小時運行。

2 基于四層架構的數字化網絡教學平臺的構建

要構建一個能支持萬級用戶的，能提供穩定服務的高性能的網絡教學平臺，不能簡單地在一臺高性能的服務器上安裝任意一套網絡教學軟件，而必須對教學平臺的每一個要素進行仔細的研究。下面探討如何有效運用Web服務器集群負載均衡技術，結合網絡存儲系統，構建具有萬用戶數級別和高魯棒性的數字化網絡教學平臺。

2.1 網絡教學平臺的四層體系結構

目前的網絡教學平臺大部分采用Browser/Server（下文中用簡寫B/S表示）三層體系結構，通過對這種體系結構的網絡教學平臺的研究，發現這種三層結構的系統不能很好地滿足萬用戶數級別的數字化網絡學習的需求。其主要原因是網絡教學中教學資源種類繁多，數據量大，隨著在線學習人數的不斷增多，使Web服務器的負載急劇增加，嚴重時Web服務器會因不堪重負而中斷服務。因此，采用基于四層架構的數字化網絡學習平臺體系結構，四層分別為表示層（Presentation）、業務層（Business Logic）、應用層（ApplicationsService）、數據層（Data Service），如圖1所示。

四層的體系結構是把三層B/S結構的大量的事務處理邏輯模塊從Web服務器的任務中分離出來，由單獨組成的應用層來擔負其任務，把負荷均衡地分配給應用服務器，這樣大大減輕Web服務器的負載，基本上消除Web服務器可能產生的性能瓶頸。于是，體系結構由原來的三層B/S結構轉變成四層Browser/Web Server/Applications Server/Data Server結構。這種結構不僅兼備Client/Server和Browser/Server的特點，而且負責業務處理的應用服務器和數據處理的數據庫服務器可以是一到多個，使得大型系統中的數據庫和應用程序組件可以被分布于不同的服務器上運行，使系統更合理、更靈活、更具擴展性。

2.2 服務器集群解決方案

在數字化網絡教學中，由于各種網絡應用隨著業務量的提高，訪問量和數據流量的快速增長，其處理能力和計算強度也相應地增大，服務器必須具備提供大量并發訪問服務的能力。在僅靠不斷增加帶寬和提高單臺服務器的性能的方式提高訪問速度收效甚微的情況下，可以使用多臺服務器通過網絡設備相連組成一個服務器集群，每臺服務器都提供相同或相似的網絡服務。服務器集群前端部署一臺負載均衡設備，負責根據已配置的均衡策略將用戶請求在服務器集群中分發，為用戶提供服務，并對服務器可用性進行維護。

網絡負載均衡提高了諸如Web服務器、FTP服務器和其他關鍵任務服務器上的因特網服務器程序的可用性和可伸縮性。通過將兩個或兩個以上高級服務器的主機連成群集，網絡負載均衡就能夠提供關鍵任務服務器所需的可靠性和性能。因此，負載均衡技術是建立一個高負載Web站點的關鍵性技術，負載均衡為提高網絡教學平臺的可靠性、服務能力有很大的幫助。

1）關于負載均衡。負載均衡（Load Balancing）是基于現有網絡結構，以擴展原有網絡設備和服務器的帶寬、增加網絡吞吐量、加強數據處理能力、提高網絡的靈活性和可用性為目的，解決網絡供應量和業務需求量之間矛盾的一種廉價、有效、透明的方法[2]。負載均衡是一種策略，它能讓多臺服務器或多條鏈路共同承擔一些繁重的計算或I/O任務，從而以較低成本消除網絡瓶頸，提高網絡的靈活性和可靠性。

通常，采用負載均衡的目的有兩個，一是將大量的并發訪問或數據流量分擔到多臺節點設備上分別處理，以減少用戶等待響應的時間；二是將單個重負載的運算分擔到多臺節點設備上做并行處理，每個節點設備處理結束后，將結果匯總，然后返回給用戶，使系統處理能力得到大幅度提高。

在數字化網絡教學平臺中應用負載均衡技術的主要原因是高校校園網具有良好的網絡環境，而網絡教學平臺具有面向大規模用戶群體，對系統的實時性、穩定性以及數據的一致性、完整性要求高，且集多種服務于一體的應用特點。

2）負載均衡的實現。本課題研究的負載均衡是采用Cisco Catalyst 6500系列內容交換模塊，屬于硬件負載均衡方式。Cisco內容交換模塊（CSM）是一個Catalyst 6500線卡，可將客戶機流量均衡分配至服務器、防火墻、SSL設備或VPN終端設備。CSM為企業和互聯網服務供應商（ISP）網絡提供一個高性能、經濟有效的負載均衡解決方案。CSM能滿足為高速內容提供網絡的需要，實時跟蹤網絡會話和服務器負載情況并將每個會話傳送至最適當的服務器。容錯型CSM配置保持全狀態信息，并提供關鍵功能所需的真正無中斷故障轉換。

內容交換模塊CSM提供三方面的主要優勢。①市場領先的性能。每秒建立多達20萬條第4層連接并提供高速內容交換，且同時維持100萬條同步連接。②為大型數據中心和ISP提供杰出性價比，具有較低連接成本且僅占較少空間。CSM安裝于新型或現有Catalyst 6500的一個插槽中，可使Catalyst 6500中所有端口用于第4層到第7層內容交換。多個CSM能安裝于同一Catalyst 6500中。③方便的配置。與配置Catalyst 6500交換機使用相同的Cisco IOS命令行界面（CLI）。

網絡教學平臺的負載均衡實現方案：第一步，建立2臺真實服務器，在本課題中，2臺服務器的IP地址分別為202.201.96.13和202.201.96.14；第二步，建立IP地址為222.201.96.114的虛擬服務器，該服務器存在于網絡交換機內容交換模塊中，是永遠在線的；第三步，建立虛擬服務器如何判斷真實服務器是否在線的方式，在本課題中運用“心跳協議”技術實時監控，采用ping的方式中的內容交換機來檢查真實服務器的健康狀況；第四步，當虛擬服務器收到服務請求后，采用自適應負載均衡策略，選擇在線的真實服務器提供服務。

經過上述負載均衡配置后，服務器222.201.96.13與服務器222.201.96.14對外提供服務器的IP為222.201.96.114，用戶在4個小時內連接222.201.96.114，都會與相同的服務器（222.201.96.13或者222.201.96.14）進行連接，并且Cisco內容交換模塊CSM會根據這兩臺服務器的工作狀態和能力來分配服務器負載，保證服務的可靠性，使整個系統能更高效地響應用戶的請求。

2.3 數字化網絡教學平臺存儲解決方案

存儲系統作為校園網應用與數據的底層保障架構，它的結構決定了這個校園網的應用服務能否正常運行。

1）存儲模式的選擇。從架構上來分，現有的網絡存儲系統主要包括直接附加存儲（DAS）、網絡附加存儲（NAS）和存儲區域網絡（SAN）。

直接附加存儲（DAS）是以服務器為中心的存儲結構，服務器實際上起到一種存儲轉發的作用。當客戶連接數增多時，I/O總線將會成為一個潛在的瓶頸，并且會影響到服務器本身的性能，嚴重情況下甚至會導致系統的崩潰。

網絡附加存儲（NAS）實際上是一個帶有瘦服務器的存儲設備，其作用類似于一個專用的文件服務器。為方便存儲到網絡之間以最有效的方式發送數據，NAS專門優化系統硬軟件體系結構，多線程、多任務的網絡操作系統內核特別適合于處理來自網絡的I/O請求，不僅響應速度快，而且數據傳輸速率也很高。但是NAS存儲技術基于文件傳送，而在數據庫中是基于數據塊（Block）傳送，如果存儲要應用于大型數據庫中，需要頻繁地傳送數據塊。當它存入NAS設備前，必須經過拆分，轉為文件，方可存入；而讀取數據時，又必須由多個文件組成塊，方可為數據庫所識別和調用。反復地轉換勢必影響I/O速率，降低數據庫應用效率。

存儲網絡（SAN）把數據以塊為單位進行管理，采用具有更高傳輸速率的光纖通道（Fiber Channel）連接方式和相關基礎結構。它的設計和實現途徑為它帶來更高的處理速度，而且SAN還是基于自身的獨立的網絡，它允許數據流直接從主網絡上卸載，并降低請求響應時間。由于SAN存儲系統是建立一個獨立的網絡存儲系統，因此，它的擴展能力在理論上可以達到無限擴展，因而對于中小企業轉變為大型企業時，并不需要組建另外的存儲系統，只需要增加存儲設備就可以滿足需要。

SAN克服傳統存儲技術難以實現高效能存儲的特點，為高速存取共享信息提供良好的解決方案，它將成為未來存儲系統的主流模式。根據不同存儲系統的分析、系統需求分析和設計原則，在網絡教學平臺中采用的是SAN網絡存儲系統。

2）服務器存儲空間的實現。本課題研究的SAN存儲系統為Dell EMC CX700網絡存儲系統。CX700配備有4個3 GHz的處理器和8個后端光纖通道磁盤端口，還具有最大的可擴展性：CX700的線性磁盤可擴展到240個驅動器，高速緩存性能為200 000 IOP和1 520 MB/s。CX700配備有全套的高級CLARiiON存儲軟件，是業界最全的。這些軟件包括：通過EMC Navisphere Management Suite提供的簡單、自動化、基于Web的管理功能；通過SnapView軟件提供的基于陣列的本機復制功能；通過MirrorView提供的同步和異步遠程鏡像功能，該功能在保護業務連續性方面非常有效（構建SAN必須購買）；通過metaLUN設備配置功能和多陣列管理功能實現的強化能力；通過PowerPath軟件提供的動態負載均衡和故障I/O切換功能。

CX700在設計上可同時支持多達256部HA主機，故可大大簡化存儲的整合過程。CX700符合絕大多數常用服務器操作環境的要求，例如Windows、UNIX、Linux和NetWare等平臺，而且在SAN、NAS、DAS和iSCSI環境中運行時具有高度的靈活性。本課題的存儲解決方案如圖2所示。

根據實際情況，重點考慮系統的高可用性和高魯棒性（Robustness），采取冗余的拓撲結構。具體情況：①采用雙Fabric結構，由2臺2 GB的16口光纖交換機構成冗余的SAN基礎通道；②服務器通過2個HBA卡分別連接2臺光纖交換機，全光纖磁盤陣列EMC CX700也同時通過2條主機通道與每臺交換機相連，消除了服務器端到存儲端的單點故障；③核心交換機配置負載均衡模塊，為多應用服務器提供負載均衡。

網絡教學平臺的存儲空間由通過FC（光纖通道）交換機連接在一起的多臺主機和全光纖磁盤陣列構成，在SAN架構中實現集中存儲功能、數據備份功能，為每個應用提供共享的、安全的、高效的數據存儲服務。

2.4 網絡教學平臺的拓撲

本課題研究的數字化網絡教學平臺采用全光纖SAN架構的網絡存儲系統。配置EMC CX700光纖磁盤陣列、SUN V890服務器、DELL各類服務器、磁帶庫以及與服務器連接的各類HBA卡等硬件設備，對網絡、主機、存儲設備進行整合，建立教學平臺存儲系統，為今后的數字化校園的建設和各項應用服務奠定硬件基礎。其中4臺SUN V890服務器分配情況為：1臺為協作服務器、1臺為數據庫服務器（數據庫系統為Oracle）、2臺為應用服務器做負載均衡提供服務。網絡教學平臺安裝完成后的拓撲如圖3所示。

3 結束語

目前廣東外語外貿大學數字化網路教學平臺主要實現下面一些功能。

1）整合原有的服務器，實現多臺服務器共享存儲設備，建立文件共享機制，為校園網用戶和部分互聯網用戶提供數據的共享訪問。

2）由于配置了10 TB容量的全光纖磁盤陣列，可以將至少3 000名教師（每個教師課件存儲容量為2 G）的課件全部存入磁盤陣列中，使得用戶讀寫速度大幅度提高，極大地方便了校園網用戶。

3）建立網絡存儲系統和備份平臺。

4）SAN提供200 MB/s的網絡訪問速度，對于校園網用戶的訪問提供很高的帶寬，極大地提高讀者的訪問、檢索速度。

5）網絡存儲系統實現管理和維護的自動化。通過該系統的實時監控，實現故障自動診斷功能、對存儲空間的重新分配功能，從而避免硬件上的重新分配，減少操作和維護的復雜性。

廣東外語外貿大學數字化網絡教學平臺使用的實踐證明，在網絡教學平臺中采用四層的體系結構是充分可行的。運用Web服務器集群負載均衡技術，結合網絡存儲技術來解決由于大規模并發訪問引起的核心網絡設備過載、網絡瓶頸和網絡擁塞等問題，有效地提高系統服務性能，使系統支持的用戶數量達到數萬，對數字化校園可持續發展的需求也是很有必要的，對各級各類學校進行網絡建設與應用具有一定的參考意義。

[1]邱艷敏,武曉璐.基于Web的網絡教學平臺的設計與實現[J].電腦知識與技術,2009(33)∶9406-9408

[2]楊威,苑戎.一種基于Agent的電子學習體系模型的研究[J].計算機工程與應用,2004(11)∶156-158

[3]康小軍,邵虹,劉吉濤.負載均衡在網絡教學平臺中的研究與實現[EB/OL].http∶//www.edu.cn/zheng_wen_1793/20060323/t20060323_160762.shtml

[4]陳平仲,呂會紅.存儲硬盤接口技術比較及發展趨勢[J].中國教育信息化,2007(07)∶81-83

[5]邱靜怡,陳平仲.網絡存儲系統的構建及應用[J].現代計算機,2006(04)∶94-96

Research and Implementation of Network Education Platform based on Four Tiers’ Architecture

Lv Huihong, Li Xinguang

Based on the characteristics and the current situations of campus’ network and according to the needs of network teaching, discusses how to build a high performance network education platform based on four tiers’ architecture, which will be integrated with server cluster technology, load balancing technology and network storage technology.

network education platform; four tiers’ architecture; load balancing; network storage technology

Author’s address Cisco School of Informatics, Guangdong University of Foreign Studies, Guangzhou,China 510420

TP393.02

A

1671-489X(2011)03-0079-04

10.3969/j.issn.1671-489X.2011.03.079

*2009年廣東省普通高等學校非計算機專業計算機公共課程教改與實踐項目。課題名：廣東外語外貿大學計算機應用基礎課程改革探索與實踐；項目編號：A01。