基于云模式的教務管理及信息系統架構

【摘要】文章介紹了教育信息化的現狀和存在的問題，引入了云計算概念和層次結構思想，根據已有云計算分類方法，進而提出了更細致的分類方法，為單位自建基于云模式的信息系統所采用架構提供了依據。論述了高校教務管理及信息系統云模式架構的設計思想。以我校為例，設計了基于云模式的教務管理及信息系統的架構，總結了云模式設計思想的特點。

【關鍵詞】云模式；云計算；云端；教務管理；信息系統

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097(2012)06-0098-04

一 引言

教育信息化是一個不斷創新、不斷應用的過程，信息技術在教學活動及教務管理中得到了普遍應用。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020年)》第十九章明確提出加快教育信息化進程，指出“構建國家教育管理信息系統，制定學校基礎信息管理要求，加快學校管理信息化進程，促進學校管理標準化、規范化”。為此，各高校在積極在推進教育信息化建設過程中做了大量的工作。

目前各個教育信息系統多是以獨立系統形式存在，由此產生5個問題。(1)軟硬件資源重復投入，各個系統相互獨立，沒有統一利用：(2)數據存儲不統一，各系統都是以信息孤島形式存在，沒有統一的數據表示和存儲標準；(3)數據內容不一致，來自多個系統的同類數據可能出現不一致，造成信息檢索困難與統計不準確；(4)多點登錄，用戶登錄多個系統時必須用不同的賬號和密碼，造成使用困難；(5)信息系統資源利用率不平衡，由于各個系統相互獨立，硬件及網絡資源不能共享。因此必須采用一種新技術架構，以解決上述問題。

二 云計算發展現狀

計算機網絡技術自誕生之初，信息共享的廣度和高利用率、硬件資源共享的成本最小化、數據傳遞的速率最大化是無數科技工作者永遠追求的目標。近年來，由于網絡服務的海量增加，單臺或多臺服務器集群已經不能滿足服務需求，由此應運而生了云計算。

1 什么是云計算

維基百科的定義是“一種基于互聯網的計算，在其中共享的資源、軟件和信息以一種按需分配的方式提供給計算機和設備，類似日常生活中的電網”；美國加州大學伯克利分校、IBM等研究機構也都對云計算做出了定義。根據McKinsey公司的研究，至少有22個云計算的定義。這說明云計算的研究和應用還處于起步階段，尚未形成一套成熟的體系。

2 云計算的層次結構

云端體系又可根據云計算的服務類型分為三類云計算服務，即基礎設施云(Infrastructure Cloud)、平臺云(PlatformCloud)和應用云(Application Cloud)。對于云計算提供商來說，以三種云對外提供的服務可表述為IaaS(Infrastructure-as-a-Service，基礎設施即服務)、PaaS(Platform-as-a-Service，

平臺即服務)和SaaS(Sottware-as-a-Service，軟件即服務)。如圖1所示，三類云計算服務具有層次關系同時又相互獨立。

3 云計算的分類

(1)按云計算架構的用途劃分

按云計算架構的用途劃分，可分為私有云(PrivateCloud)、公共云(PubficCloud)和混合云(HybridCloud)。

(2)綜合云計算的層次和用途劃分

如果綜合考慮云計算的層次和分類，可進一步劃分為9種云模式，如表1所示。從用途角度看，私有類云、公共類云和混合類云都可隸屬于三個層次；從層次角度看，基礎設施類云、平臺類云和應用類云又可隸屬于三個用途。在信息系統建設過程中，各單位可根據自身的業務需求和成本綜合考慮采用合適的云模式。高校自建的信息系統應屬于私有應用云模式。

三 教務管理及信息系統云模式設計思想

云模式設計理念就是分層設計、虛擬化硬件和模塊化應用系統。如圖3所示，教務管理與信息系統核心架構可分為基礎設施層、平臺層和應用云三層結構。

對于硬件資源來說，大型機群和服務器群統一管理，利用虛擬化等技術將計算能力分別劃分給相應的操作系統；存儲設施按數據種類分區存儲，如系統數據庫、多媒體文件和其它類型數據分別部署在不同存儲區域，建立統一索引；網絡設施以網絡設備和光纖為載體連接計算和存儲設備。

操作系統根據應用需求采用不同的產品，UNIX系統性能高且穩定，可用于小型機或工作站等高性能服務器，適用于計算能力要求高的應用，如數據庫系統；Windows體系通用性強，結合Java運行和開發環境，適用于應用系統中間件的部署及界面設計；LINUX系統可應用于一些特殊的部署。

應用云設計思想考慮分割各個信息子系統，抽取共同的數據，設計基礎數據管理模塊，再分別設計各子系統。根據系統需求分析，采用合適的開發技術架構，如Java體系或Microsoft.Net體系。所有功能以SaaS服務模式的提供對外接口，根據用戶角色定制相應的服務。

四 我校教務管理及信息系統架構設計

作為國內知名的綜合性大學，其教務管理復雜性、數據海量性、教學資源多樣性等都對構建系統提出了挑戰。我校分為兩個校區，如何利用網絡協同辦公、提高管理水平、共享優質教學資源是一個亟待解決的問題。云計算的特點體現計算集中、資源分布，正適合分校區的需求。因此，我們基于云計算模式設計了本科教學管理與信息系統的架構，如圖4所示。系統建設由教務處主持，建成覆蓋兩校區服務于本科教學的綜合性管理及信息系統。該系統采用云計算模式，屬于部門級私有應用云，分為基礎設施層、平臺層、應用云和表示層四層結構。

1 基礎設施層設計

基礎設施層是保證整個系統性能的基礎，是系統發揮功能的硬件保障。基礎設施層分為兩個子層，分別是硬件資源子層和虛擬化軟件管理子層。硬件資源子層涉及該系統的全部硬件資源，包括高性能計算機、國際著名品牌服務器、小型機、SAN(Storage Area Network)設備以及路由器、交換機等網絡設備，分別以一定的架構部署在主校區和分校區，通過專用高速光纜連接。虛擬化軟件管理子層將這些設備統一管理，根據需求劃分給不同子系統，并且根據不同時段用戶訪問量彈性配置如計算能力、存儲空間、網絡信道帶寬等資源的額度。

2 平臺層設計

平臺層設計主要是根據系統的技術需求分析確定要采取的操作系統平臺和軟件開發技術架構，分別部署在由基礎設施層劃分出來的用于不同用途的虛擬服務器主機上。由于我校辦學規模大，涉及的數據結構復雜、數據量大，因此采用Oracle數據庫部署在UNIX平臺上；業務邏輯采用中間件架構，考慮其邏輯功能復雜性，采用Java技術體系，部署在Windows平臺上；個別特性需求業務部署在LINUX平臺上。

3 應用云及表示層設計

府用云設計是本系統的核心部分，全部功能都由此實現。由圖4可知，應用云包括教務信息子系統、教務OA子系統、教務管理子系統、實驗管理子系統、網絡教學子系統、教學資源制作子系統和系統登錄及公共信息管理模塊。應用云的技術實現是通過把所有子系統功能業務邏輯以中間件實現，通過對外服務形式(如Web Service)與用戶角色接口。

(1)系統功能綜述

系統全部功能由7個子系統來實現，分述如下。

教務信息子系統以教務處網站為依托，是教務處對外的窗口。包括常規靜態信息，如機制設置、規章制度等；動態信息發布功能是發布信息和通知、提供教務表格下載、相關文件法規下載、發布校歷等，后臺通過授權用戶角色以實現各種權限，所有要發布的信息都通過網絡由相關領導審核。

教務OA子系統是實現教務處內部無紙辦公業務流程。以工作流技術實現任務流轉，每個節點有相應的審核制度。

教務管理子系統是實現全部教務管理業務，包括教學計劃制定、排課表、學生選課、教師登錄成績、查詢成績及相關信息統計與查詢等功能，該子系統實現教務處辦公的核心功能。

實驗管理子系統針對全部實驗教學設計，整合學校六大實驗平臺，統一管理，完成在線實驗報告提交、審查及錄入成績等功能。

網絡教學子系統實現網絡教學功能，教師上傳課件等課程相關信息，實現網上答疑、在線作業及在線考試等功能。

教學資源制作系統主要是把各類教學資源制作集成到本系統中，先期集成課程錄播系統，實現課程錄播系統與網絡教學子系統的無縫對接。

系統登錄及公共信息管理模塊實現全系統安全驗證和所有公共信息管理。系統登錄管理通過設計密碼加密及角色審核等技術實現應用級系統安全性；公共信息管理包括用戶管理、基礎數據管理(如院系、學科、課程、教師、學生等數據)、定制服務等功能等。

(2)服務接口設計

所有系統功能都按需求分析設計成粒度大小不等的服務，由相關用戶角色定制。技術實現采用Web Service等技術架構。

(3)表示層與用戶角色設計

表示層采用GUI用戶圖形界面和基于Web的瀏覽器實現，根據用戶角色分別部署。用戶角色包括系統管理員、校領導、教務處領導、教務處工作人員、院系工作人員、教師和學生，用戶以角色形式定制SaaS提供的服務，由系統管理員統一授權。

五 教務管理及信息系統云解決方案的特點

高校教務管理及信息系統是一個面向廣大學生、教師和管理人員的復雜的系統工程。由于功能強大、業務復雜、數據量大等特點，采用合適的架構是一下值得深入研究的問題。如何做到科學管理、如何方便用戶使用、如何高效利用資源、如何使系統設計最優化等問題在研究中必須統一考慮。云計算的分層結構、虛擬化、彈性配置及SaaS的設計架構都可以解決復雜的系統問題，具有不可比擬的優點。

1 基礎設施高利用率

原來的信息系統多是基于B／S或C／S模式獨立存在，利用云技術把所以服務器整合后，統一使用，配以光纖存儲及網絡設備，設備的計算及存儲能力提高到了原來的2.5倍。

2 硬件資源彈性配置

通過對硬件資源進行虛擬化，對不同計算復雜度的子系統彈性劃分不同的計算能力、存儲空間和信道帶寬。如在教務系統選課高峰，全部硬件資源利用率達到80％，滿足了壓力需求，較之以前獨立系統資源利用不平衡有了極大改善。

3 多平臺優化組合

針對本系統的不用應用，采用不同的平臺和開發體系，如數據庫采用Oracle部署在UNIX平臺上，中間件采用Java體系部署在Windows平臺上，表示層采用Microso，Net體系，較之原來系統架構不合理的情況有了極大改善。

4 應用系統模塊化

教務管理與信息系統是一個包含多個子系統的復雜系統，在建設過程中需求也會發生一定的變化，將系統功能設計成粒度大小不等的服務，以SaaS形式提供，改善了因需求變動產生的后續開發困難。

5 數據統一管理

把原來信息孤島中數據統一到云數據中心，按照國家有關的數據標準，采用統一的存儲格式，確保了數據的一致性和正確性，去掉冗余及錯誤數據近5％。

基于云模式的教務管理及信息系統設計綜合考慮了硬件設施的高效利用，采用了適應的系統平臺和軟件開發架構，以中間件及WEB服務等技術實現系統功能。目前基礎設施架構已經初步建成，平臺基本部署完畢，數據設計完成。先期教務管理子系統及公共信息管理功能初步完成。系統建成后，將實現科學管理、信息統一、決策支持等功能，為本科教學的高質量提供保障。

編輯：小西