基于云計算的遠程教育信息系統整合研究

[摘要]我國遠程教育事業在近幾年得到了快速發展，當前信息化建設中面臨的問題之一就是如何實現現有系統的整合及擴展，并讓信息系統能夠更好的應對未來需求的變化。云計算技術作為一種共享的網絡交付信息服務的模式，為解決問題提供了方法。通過對現有系統進行軟件服務化、硬件虛擬化改造，探索遠程教育信息系統整合新路。

[關鍵詞]云計算；遠程教育；教育信息化

[中圖分類號]G40-057 [文獻標識碼]B [論文編號]1009－8097(2011)10－0078－05

引言

計算機軟硬件技術的飛速發展使計算模式不斷演化，經歷了單機模式、終端一主機模式、客戶機，服務端模式等幾個重要階段。目前的互聯網大規模應用使人們對于計算的認識和使用產生新的變革。計算模式的不斷變革必將帶來一系列的挑戰，繼分布式計算、并行計算、網絡計算、效用計算之后，計算機業界又提出了云計算模型來滿足人們對于計算的需求。

互聯網的應用使遠程學習、網絡學習被越來越多的學習者所接受，遠程教育信息系統也隨著互聯網的發展不斷建設和擴展。遠程教育事業快速發展的同時，信息系統建設也面臨著一系列的問題。如何使信息系統運維更加經濟便捷、更能隨需應變成為遠程教育信息系統研究的方向之一，云計算技術為解決上述問題提供了可行的方法。

一 現代遠程教育信息化建設現狀分析

1 現代遠程教育信息化建設現狀

遠程教育利用現有的計算機技術、通信網絡技術和多媒體技術，來輔助地域上分散的多個教師和學生構成一個分布式大規模學習環境，為學生提供個性化學習支持服務，讓學生可以在不同地區、不同時間接受教育，這些特性都使遠程教育定義本身就包含著分布式服務的基本要素。

與普通高校一樣，開展遠程教育高校的信息化建設也經歷著三個階段：第一階段是校園網硬件平臺建設階段，主要實現校園范圍內的網絡暢通；第二個階段是各部門應用建設階段，開始建設部門層面的信息應用系統，初步步入辦公信息化的軌道；第三個階段是學校整體系統化集成建設階段。目前，遠程教育信息化依然以信息系統的構建為主要實現方式，通過不斷新增和整合現有系統軟硬件資源來提升各校在遠程教育領域中的能級。開展遠程教育的各所高校，都已將信息化建設的重點轉移到整體系統集成和信息聚合的過程中去。各所高校都將提供個性化支持服務的開放式網絡系統作為未來高校信息化建設的主要目標，體現出遠程教育的開放性、分布性和服務性要素。

2 現代遠程教育信息系統建設中存在的問題

我國的遠程教育事業在近幾年來得到了快速發展，各高校都快速建設和部署了若干信息系統。但是隨著時間的推移，這些信息系統在運維過程中都遭遇了不少共同存在的技術瓶頸。主要表現在三個方面。

(1)系統維護成本逐漸提升。伴隨著遠程教育事業的快速發展，信息化建設一直處在邊實踐邊探索的過程。我國的遠程教育本身帶有前沿性和探索性，因此在實踐的過程中，不可避免地遇到一些新問題。業務流程的不斷調整和變更，使遠程教育信息系統經常需要隨著業務流程變更而進行升級改造，這給遠程教育信息系統運行維護提出了很高的要求，系統維護和升級給高校信息化帶來的壓力也越來越大。

(2)現有系統功能難以集成及重用。在信息化建設的第二階段，各部門、學習中心都依據自己的實際情況，先期逐步建設了符合自身業務需要的信息系統。這些信息系統往往開發和立項的時間不同、開發技術及軟件架構不同、投入運行的時間也不同。這些差異使逐步投入應用的各信息系統間難以進行功能集成和重用。

(3)缺乏統一規劃，易于形成信息孤島。先建設、后規劃的遠程教育信息化建設思路，經常使信息系統建設規范以及統一平臺開發架構往往滯后于各類信息系統的實際應用。由于各類信息系統在應用的過程中積累了大量的數據，使對已有信息系統改造和部署調整變得十分困難，而數據遷移以及異地存儲都存在一定的技術風險和困難，因此易于產生分布于各部門以及學習中心的信息孤島。

二 基于云計算的遠程教育信息系統整合設計

1 云計算概述

云計算是虛擬化(virtualization)、效用計算(utilitycomputing)、IaaS(基礎設施即服務)、PaaS(平臺即服務)、SaaS(軟件即服務)等概念混合演進并躍升的結果，也是分布式計算(distributed computing)、網格計算(grid computing)和并行計算(parallel computing)的最新發展，或者說是這些計算機科學概念的商業實現。

IBM認為云計算是一種共享的網絡交付信息服務的模式，云服務的使用者看到的只有服務本身，而不用關心相關基礎設施的具體實現。在這個定義中，有四個關鍵要素[4j：

(1)硬件和軟件都是資源，通過互聯網以服務的方式提供給用戶。(2)這些資源都可以根據需要進行動態擴展和配置。(3)這些資源在物理上以分布式的共享方式存在，但最終在邏輯上以單一整體的形式呈現。(4)用戶按需使用云中的資源，并按需付費。

根據云計算的關鍵要素，圖l給出了一個云架構的基本層次。與傳統三層軟件架構不同，用戶交互層只是提供對用戶使用資源分配和訪問權限控制：服務應用層將對軟件資源進行管理并提供各種服務，如軟件即服務等；虛擬化層通過硬件虛擬化技術，提供服務部署的虛擬主機環境，并將分散的、有限的計算機硬件資源進行管理。

2 基于云計算的遠程教育信息系統整合思路

遠程教育信息化建設目前面臨的問題之一是如何實現對現有系統進行整合和擴展，并讓信息系統能夠更好地應對未來需求的變化。解決這個問題的途徑之一就是建設一個高可用的、易于變更和部署的軟件架構，而對軟件資源提供硬件支撐的是一個可移植的，可被整合和重用的硬件資源集。利用云計算技術實現軟硬件資源的整合和擴展，可以滿足上述要求，因此云計算技術是實現遠程教育信息系統整合可以借鑒和應用的核心技術之一。

(1)從架構系統到提供服務

云計算的核心基礎之一是采用面向服務架構，原有以信息系統為單位的系統建構思路必須被打破，轉變為以服務庫為核心的面向服務系統建設。從面向對象過渡到面向服務開發，通過對現有系統功能的服務化改造，逐步實現對現有系統功能重新提取和組合，并將其封裝為可供其他軟件調用的服務。以上海電視大學開放教育學院為例，傳統的遠程教育管理信息系統結構如圖2所示。

從圖2中可知，由于學院信息化建設目標是為教師、學生以及管理者提供多樣化的信息系統，這導致用戶所面對的是一個個獨立的信息系統。系統功能模塊封裝在系統內部，用戶也無法在一個信息系統中完成其所需要的各類功能。每個信息系統都有與之對應的數據庫系統，這些數據庫相互獨立，數據共享困難。

通過對已有信息系統進行服務化改造，以往被系統層層封裝的功能模塊從傳統的系統框架中剝離出來，并以服務的方式獨立存在。這樣就可以通過搭建一個統一服務應用平臺來實現信息系統功能整合和統一規劃。不僅用戶面對的平臺相對統一，系統也在功能和數據兩個層面實現共享。實施系統改造后，今后對于系統升級改造的開發周期和成本都大為降低，也有利于實現對現有業務功能的重用。改造后的統一服務應用平臺結構如圖3所示。

面向服務開發思路使原有系統的功能分類被打破，用戶通過可動態擴展和配置的服務應用平臺完成對功能模塊的調用并將持久層數據展現出來，使用將更加方便和個性化。用戶不再需要知道使用的功能來自于哪個系統分類，而關注于系統所能提供的功能，這些都將極大地增強用戶的系統操作體驗，有效整合現有系統功能。

系統服務模型設計更加關注于業務功能的定位和分類。按照實際業務流程進行建模，將相互聯系的業務通過服務組合起來。如教務過程中的學籍、考務業務相對分離，數據交互處理并不明顯，無論其內部管理的流程如何變化，在業務層面都不會將這兩類工作混為一談。因此在服務模型設計中，將學籍管理過程(入學審核、畢業審核等)歸并到一個服務模型中去，而將考務管理過程(學生報考、考場分配等)歸并到另一個服務模型中去。通過使每一個服務模型都具備不依賴于其他服務而獨立完成相關工作的能力，從而實現軟件模塊“低耦合，高內聚”的設計思路，并實現相應的業務功能。服務模型的建立可以將原本分布在各個信息系統中的功能模塊重新進行劃分和封裝。

(2)承載軟件的服務器虛擬化

一般來說，遠程教育信息系統在運行時所需的硬件環境會根據時段變化分為閑時和忙時。部分時段，如期初學生注冊報到或者期末考試復習時，大量的訪問和數據處理會給承載信息系統的服務器帶來很大的壓力，使服務器硬件資源捉襟見肘；而在假期，由于信息系統的利用率不高，卻讓服務器硬件資源產生浪費。但是在信息系統實際部署中，為了保證系統的正常運行，往往根據系統運行的資源峰值來分配服務器資源。這使信息系統運行所需的硬件環境要求越來越高，也造成服務器硬件資源的極大浪費。

采用云計算技術后，系統硬件資源同樣作為一種服務共享出來，這使物理服務器也并不只用于承載一個或幾個信息系統。硬件虛擬化技術合理整合和重用現有硬件資源，為最大程度上發揮現有服務器性能提供了技術保障。通過服務器虛擬化可以將一個物理服務器虛擬成若干個服務器進行使用，并通過虛擬機管理軟件實現硬件設備的抽象和虛擬機管理。如服務器虛擬化技術可以實現虛擬機間所承載業務服務的非停機轉移，并且使一臺物理服務器具備實現如“雙機熱備”等功能的部署條件。通過虛擬化技術，可以充分利用現有硬件資源并降低系統運維成本。不僅可以對信息系統的高可用性和災難恢復提供了更高層次的保障，也使物理服務器由單一承載信息系統轉變為多角色應用服務器，有效發揮服務器的硬件性能，也使服務器的角色更加多樣化。

(3)構建信息系統私有云

信息系統服務庫的建設為實現基于校園網的信息系統私有云提供了軟件資源基礎，為未來業務需求的擴展和變更提供更便捷的運維思路。按照相對固定的業務流程來構建服務后，一旦服務中的業務流程發生改變，需要改造的僅僅是某些服務中的內容，而其他的服務仍然可以為用戶完成相應的業務功能。同樣的，如果用戶所需的功能在現有服務庫中并沒有提供，則可以通過服務建模，在現有服務中增加功能或者新建服務來滿足未來業務需求。

在硬件資源上，越發成熟的虛擬化技術為軟件資源部署提供了更豐富的應用。在未來的服務器市場上，虛擬化技術無疑是最具發展前景的，因此各大廠商都推出了不少支持硬件虛擬化應用的系統平臺。微軟公司在其推出的WindowsServer 2008 R2操作系統中加入了Hyper-V(hypervisor-based)服務器虛擬化技術，使一臺物理服務器可以負擔多個服務器角色，節省軟件部署的硬件成本。因此，無論是軟件技術和硬件技術都對云計算在遠程教育信息系統整合中的應用提供了技術保證。

云計算技術改變著用戶獲取、使用遠程教育資源的規則。教師、學生和管理者可以通過自主選擇所需要的服務并達成他們所需要的結果，也可以通過管理員的分配完成資源的獲取和使用。圖4描述了基于校園網的信息系統私有云模型。

圖4顯示，無論是管理人員、學生和教師都通過應用服務器中承載的服務調用中心實現功能調用，而具體功能實現卻在云端，用戶不需要知道和了解這些數據是怎么處理，存放在哪里。在云服務系統運維的過程中，通過細粒度的服務功能擴展和變更，使系統始終保持高可用狀態。這些都實現了服務對于最終用戶的透明性。

將云服務系統應用于校園網中實現，可以通過校園網絡的封閉性來提高云服務系統的整體安全性，避免建設公有云、混合云所帶來的一系列軟硬件安全性升級和網絡傳輸開銷。云計算應用的重要基礎是網絡，網絡基礎設施的情況直接影響著云計算應用的效果。一個相對高速和可控的網絡環境，對于實現云服務系統初期應用至關重要。而云服務是可以不斷延伸和擴展的，通過逐步對現有系統進行軟件服務化、硬件虛擬化改造，合理分配和使用現有網絡資源，實現信息軟硬件資源的整合和擴展。

利用云計算技術，可以將存放于不同區域，不同環境中的數據和功能通過服務的方式連接起來，而不需改變數據或者功能存放的位置。將業務功能封裝成服務放在云端，可以讓軟件在部署和維護上提供極大的便利。可以根據具體的使用情況將擴展私有云規模和組織形式，方便地實現功能及數據的云共享。

信息系統私有云的構建，是將信息系統轉變為服務，而將部署系統的硬件設備進行虛擬化重構的過程，逐步將軟硬件資源整合到云端。這樣不僅使云服務系統建設的周期和范圍可控，也為云計算技術在遠程教育信息化建設中的可持續發展奠定了基石。

三 基于云計算的遠程教育信息系統整合實現

系統平臺以微軟.NET平臺為開發環境，Windows Server2008 R2操作系統為服務部署環境，通過四個方面來描述系統設計的實現過程。

1 用戶交互層實現

圖3所示的服務應用平臺結構實際包含圖1所示云架構中用戶交互層以及服務應用層兩個層次的設計。用戶交互層中實現兩部分功能。采用ASP.NET技術進行開發的Web服務平臺不僅作為服務調用中心，也為用戶操作提供一個可視化的操作界面，用戶可以通過系統界面調用所需功能并將結果可視化。管理員通過服務調用中心管理功能服務的調用，并賦予用戶使用功能的權限。

2 服務應用層實現

雖然用戶面對的是一個具有統一操作界面的獨立系統，但是用戶操作的具體功能卻并不是由用戶交互層系統提供的，系統的具體功能被封裝于可獨立部署的WCF服務中。而數據存儲的網絡位置也不一定與WCF服務相一致。WCF服務暴露已整合的系統功能接口并使用WS-Seeurity策略進行接口保護，防止服務非法調用并實現數據加密。服務接口在用戶交互層中的ASP.NET服務中心進行注冊，服務中心根據用戶操作按需調用相應的服務接口。WCF服務作為獨立服務承載于IIS或系統服務中，有利于服務功能的擴展、重新配置和移除。這也使經過整合后的云服務系統更具靈活性，系統運行時更新功能更加便捷。

3 虛擬化層實現

承載WCF服務的主機并不是物理主機，而是由Hyper-V虛擬化技術所生成的虛擬主機，這些主機可以按需安裝各類操作系統，為服務的運行提供個性化的操作系統環境。即便未來操作系統版本不斷更新，管理員也不需要為在有限硬件資源下搭建不同的服務運行環境而發愁。利用微軟Hyper-V虛擬化技術，可以將一臺安裝Windows Server 2008 R2操作系統的服務器配置為專業的虛擬機管理服務器，方便的管理虛擬機并為其動態配置硬件資源。在可靠網絡環境下，實現根據虛擬機運行實際占用資源大小合理調整虛擬機的硬件資源，充分利用物理服務器資源。

4 私有云的建設

完成系統框架及服務環境的搭建后，可以通過Windows域管理技術建立一個統一的邏輯網絡，為私有云的建設提供可信互聯的網絡環境。通過私有云在Windows網絡域中的不斷擴展和延伸，可以將現有的物理網絡及服務器硬件資源整合起來。在新加入的物理服務器中部署虛擬機環境，動態部署相應的服務，完成對現有系統功能的整合與擴展。

四 基于云計算進行信息系統整合的優勢

通過信息系統私有云的建設，不僅可以逐步完成軟硬件資源的整合和再利用，也可以在應用層面獲得相應的好處。

1 實現個性化辦公(按需使用)

利用云計算技術可以實現真正意義上的在線辦公。在以往信息系統建設中，經常按照角色來劃分用戶功能，因此無法滿足每一位用戶個性化需求，云計算的應用優勢之一就是按需服務，實現對于每位用戶定制個性化的功能。

由于用戶處理的數據和所使用的功能都在云端，用戶可以通過互聯網訪問到自己所需要的數據并使用功能對數據進行處理，也可以按照自己的需要調用實際存儲于遠端服務器的數據并實現云端數據備份。靈活的服務擴展使無論哪種類型的用戶都可以獲得自己想要的功能，從而定制出自己的辦公界面，大大增強了系統的可用性和靈活性。

2 搭建可動態擴展和配置的信息服務平臺

無論采用何種方式進行信息系統開發和維護，其核心都在于如何滿足用戶需求——用戶在處理和使用數據的要求，并根據用戶的需求對數據進行匯總和處理。云服務架構有利于實現數據分布式存儲和調用，并且支持數據資源的無限擴展。未來的信息系統建設將更關注如何設計和使用服務。將用戶所需的功能和數據都以服務的方式封裝起來，便于今后的組織和調用，并在此基礎上，按照用戶需求新增新的服務來向現有系統擴展新的功能。對于用戶來說，用戶所使用的是一個強大的能夠滿足功能需求的信息聚合平臺；而對于管理員來說，是一個可動態擴展和配置的軟件服務平臺，這些都將大大延長服務系統的軟件生命周期。

3 實現軟硬件資源分布式共享

采用云計算技術后，通過任意調整服務軟件以及數據文件的部署位置，從而實現軟硬件資源的分布式共享。甚至可以在不需要改變物理硬件資源(如服務器、網絡設備、存儲設備)位置基礎上，實現對于硬件資源的重新分配和使用，這些都極大地提高了硬件資源的利用率。在虛擬硬件環境中靈活部署軟件和數據資源，能夠更好地實現共享和調配。即便一個在地理位置上處于分布式的計算機軟硬件資源，在云端也能構造成為一個邏輯統一的，可供管理和維護的統一的服務系統。這些特性都會對今后遠程教育信息化建設產生深遠的影響。

五 結束語

借助云計算技術，通過軟件服務化、硬件虛擬化來構建存在于校園網的信息系統“私有云”，關鍵在于服務的分類和建模。只有對現有業務流程進行良好的分類和服務建模，才有利于日后擴展和重用功能。將軟硬件功能放在云端，對于用戶來說，他們所面對的是一個長期處于高可用性的Web應用系統，而不需要知道所需功能的實現細節。而利用硬件虛擬化技術，實現對現有硬件資源的整合利用，避免由于以往信息系統升級和擴展過程中的資源浪費。隨著信息系統私有云的不斷擴展和延伸，云計算為遠程教育高校信息系統整合和擴展提出了一條可行的新路。

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