基于多租戶模型的高校校本教學資源大平臺研究

陳巧　羅永平　胡新平

[摘要]在分析現有教學資源平臺建設現狀基礎上提出“多租賃單位一單實例進程”的SaaS高校校本教學資源大平臺建設思路與方法。重點闡述資源大平臺系統的多租戶模型架構與數據庫設計模式，并對實現中涉及的多租戶數據庫設計、數據存儲及備份方案等關鍵技術作深入的討論，經過兩年多的運行表明能夠為推進高校優質校本資源的共建共享起到很好的促進作用。

[關鍵字]軟件即服務；資源共享；云計算；大平臺；多租戶

[中圖分類號]G40-057 [文獻標識碼]A [論文編號]1009-8097（2013）03-0055-04 [DOI]10.3969/j.issn.1009-8097.2013.03.011

一.研究背景

作為教育信息化核心的優質教學資源的共建共享，是教育創新、教學改革和質量工程的必由之路，越來越廣泛地受到國家和地方教育主管部門的重視。教育部從2004年印發的《關于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見》就明確指出要“加大教學信息化建設力度，推進優質教學資源共享”，在2007年印發的《關于進一步深化本科教學改革全面提高教學質量的若干意見》也指出“高等學校要在教學活動中廣泛采用信息技術，不斷推進教學資源的共建共享”，在2010年教育部頒發的《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》再次強調了“加強優質教育資源開發與應用：加強網絡教學資源體系建設；引進國際優質數字化教學資源；促進優質教育資源普及共享”。

目前高校教學資源以網絡收集或是商業購買的方式為主，這類資源往往存在資源老化率高、適用性低等現象。而部分來源于高校一線教師制作的如課件等資源受制于教師多媒體表現能力或是積極性的問題，其資源無論在數量還是在展現能力上都難以切實滿足教學所需。作為承載數字化教學資源建設與分享工作重要載體的高校，其數字化教學資源共建共享水平的高低直接決定著國家“本科教學工程”質量的好壞。為此，教育部、省教育廳乃至各種教育組織機構都舉辦了形式多樣的高校多媒體資源遴選、評比的競賽活動，但這種集中模式下的遴選受制于時間、區域、規模等因素，往往只能收集少部分教師自主開發的優秀課件、視頻資源等。與此同時各高校為了支撐這些資源共享而搭設的資源信息管理系統，都習慣采用自購相關軟硬件并配備專門維護人員的傳統建設模式。這種模式下，一套系統只服務于一個單位，存在投資費用高、設備利用率低、維護升級難等弊端。而且由于各系統在數據庫的選擇的不同與數據字典的表述的差異、通信過程中數據轉換的網絡延遲，也使得整合異構資源信息系統實現資源共享難以推進。“信息孤島”現象愈演愈烈，優質校本教學資源難以高效共享。將云計算中軟件即服務（SaaS，software-as-a-service）部署思想來支持構建大平臺，為推進高校間優質校本教學資源的共建共享系統及平臺的建設與應用開拓了一個新的方向。

二.軟件即服務

1.軟件即服務

SaaS是隨著互聯網技術發展應運而生的一種新型的軟件部署模式。在該模式下服務器統一提供，應用軟件集中部署，租戶無需購買和維護相關軟硬件資源，僅需勾選所需的服務功能并按實際情況付費。它將原本由分散的使用者獨立承擔軟硬件系統構建與技術支撐的費用，轉變成支付給SaaS服務提供商的服務費用。而SaaS服務供應商則通過提高服務對象的規模，來實現平攤軟硬件及其維護等運營成本，達成多贏的目標。對于中小型企業來說，采用這種基于網絡的多重租賃模式服務平臺特點的SaaS，實現了信息化建設低成本投入即可獲取先進信息化技術，很好地降低了企業信息化建設門檻。

2.SaaS成熟度模型

SaaS軟件服務于多個租戶，其成熟度模型一般分為四種：①模式一向每個新增的客戶提供一個新增的、定制的且不同代碼的應用程序的實例；②模式二向每個新增的客戶單獨提供一份代碼相同的應用程序實例，這些運行的實例彼此獨立安裝并隔離部署，租戶要實現如應用外觀和行為等的定制都通過修改配置或是部分代碼來實現；③模式三向每個新增的客戶提供共同運行的實例進程，租戶要實現如應用外觀和行為等的定制只需采用不同的元數據配置即可實現個性化的功能需求；④模式四是模式三的可伸縮性的擴展模式，它向所有新增的客戶提供一個負載平衡的具備權限驗證功能平臺的硬件水平來擴展實現。

這四種部署模式，都可實現各租戶對應用程序的個性定制服務。模式一由服務提供商整合資源并服務于多個客戶，與傳統相比可以降低軟件開發應用的總體成本；模式二由服務提供商提供給每個客戶相同的代碼，代碼的修改變動具有可復制性，能大幅降低軟件的維護和升級成本。但這兩種模式對于每個租戶都要提供一個獨立運行的實例，會增加服務商的硬件投資及維護成本。模式三通過代碼腳本的權限控制及數據設計上的安全策略實現不同租戶的數據相隔離，既能控制其軟硬件投資維護成本，又可在提高計算資源的利用效率的同時實現租戶的個性化功能：模式四是模式三的擴展，這種模式下的系統無需修改架構設計就能硬件擴展以適應大規模客戶的服務需要，具備高度可擴展性，模式四雖然具備模式三的優點，但實現起來過于復雜。

三.Saas模式的校本教學資源大平臺設計

1.平臺系統目標

構建校本教學資源大平臺的目的是各高校可通過菜單模式快速搭建獨立的資源平臺，各高校的教師可將自主完成的教學資源通過平臺分級申報、選擇性遴選，實現跨校跨地區共享。基于租戶模型的校本教學資源大平臺系統的目標如下：①運行實例：多租戶模式下的校本資源大平臺系統，運行一個應用程序實例進程來應答不同高校的資源服務。雖然各個高校在物理上共享同一程序，但每個高校都可以實現各種獨立性特征。②數據安全：從數據庫的存儲、管理、備份角度看，系統的數據屬于有機整體。但由于平臺服務于多個租賃單位，將通過身份認證技術、訪問控制技術、用戶數據隔離策略實現諸如用戶信息、遴選過程或是敏感資源的隔離。③硬件系統低成本的擴展：由于平臺中如課件、視頻、動畫等的多媒體資源對存儲空間、CPU、內存及網絡帶寬等資源要求高，租賃單位的增減及平臺的推廣對硬件資源的需求呈指數上升，而平臺底層搭建采用的是高校互助式的構建，這就要求硬件支撐在低成本基礎上可方便靈活地進行水平擴展。

2.平臺框架設計

根據平臺系統的目標，結合分析SaaS模式及云計算的特點，以中心高校為主單位，構建SaaS校本教學資源大平臺系統（如圖1）。該框架下各高校的教師、教務員、專家或是管理員只需通過Web瀏覽器即可登錄平臺，完成各種申報、審核、遴選或綜合管理所在學校及公共資源等操作，高校無需考慮硬件支持、服務器配置或是代碼開發。

元數據服務中心是由資源大平臺提供的定制服務功能的中心，也是各租賃單位用戶登錄后顯示的功能服務模塊，主要包含：①資源管理模塊，可完成校本資源的審核、增加、刪除和修改；②用戶管理模塊，可完成超級管理員、管理員、專家、教務員、普通教師等級別的用戶組的權限的設置；⑨遴選管理模塊，可實現教務員對所在學院教師資源的審核、專家對于學院或學校推薦的資源進行遴選及管理員對遴選流程的制定等功能；④統計管理模塊，可實現資源的各種方式的統計分析（如下載、瀏覽、收藏等），各租戶單位資源數量、大小等屬性的統計，用戶相關信息的統計分析。另外SaaS校本資源系統服務于多個學校，較傳統的資源平臺系統需增加租戶管理的相關功能，如：租戶申請及其服務功能的定制、租戶個性化配置管理、租戶權限管理等。

3.平臺的數據庫設計

達到SaaS應用成熟度模型中模式二要求以上的部署方式才是真正意義上的軟件即服務，因此多租戶模型下的資源大平臺實現SaaS的關鍵技術在于數據庫的設計上。當前數據庫的設計模式普遍采用以下兩種構建模式：第一種為獨立數據庫的模式，每個租戶擁有自己獨立的一套數據，元數據將每個數據庫與相應的租戶關聯，這種模式下的安全機制較高，可以防止租戶無意或惡意存取其他租戶的數據，實現簡單但擴展性差：第二種為共享數據庫實例，同一數據庫中為每一個租戶建立一套完整的、相互獨立的數據表群，從邏輯上可以實現各租戶的數據隔離，但在數據恢復與備份等的實現上比較復雜。

校本資源大平臺采用共享數據庫實例和數據表的模式，即設計時將所有租戶的結構、數據混存于同一個數據表中，在應用系統的各個流程設計、資源內容及用戶群等的相關數據表中增加租戶ID來標志每行數據所屬的單位租戶以實現租戶的數據隔離；同時建立實現租戶功能定制及權限配置的表，在進行查詢、修改、刪除和統計等應用的執行前，觸發調用租戶權限授權認證模塊，以保證租系統數據的安全獨立性。該方法的數據庫設計、實現較復雜，但新增租戶單位時數據庫及數據表結構基本不做改動、即加即用，成本低，并且擴展性好。

4.數據表擴展設計

校本資源大平臺采用所有不同應用需求的租戶使用同一數據庫實例和數據表的設計。為實現擴展如果采用直接在表結構中增加擴展性的屬性字段，則會破壞數據表的規范結構，隨著使用時間的推長會造成數據表空間資源浪費度呈指數級上升，并引發數據庫性能的嚴重下降。鑒于此，大平臺通過建立擴展數據表并結合基礎元數據完成系統的數據擴展，實現通用基本數據和個性化擴展數據的分開存儲，能較好地避免上述缺陷。擴展數據表設計如圖2所示，租戶單位“201”要求記錄配套教材和制作時間，因此擴展了這兩個屬性，而租戶“202”需要擴展配套教材，通過數據庫三個表的連接操作即可快速滿足其擴展需要。該模式下即使新增一個租戶，也無需對數據庫表結構進行修改或是對字段進行增減，滿足了不同租戶的個性化數據擴展需求。

5.數據存儲備份機制

校本資源大平臺區別于一些CRM、財務管理或是文獻類的系統，數據除了數據庫文件外，還有各租戶存儲在平臺上以供授權使用或是共享訪問的海量校本教學資源，傳統的存儲方式無法滿足大資源平臺下這種呈指數級增長的數據存儲的需求。SaaS模式下的校本資源大平臺的數據存儲采用Hadoop技術的存儲方案，它充分利用了集群的高速運算和大容量存儲的特點，能夠對大量數據進行分布式處理，并具有高容錯、低廉部署、高傳輸率、支持超大數據集等優點，它是由Apache基金會開發的開源、免費的軟件框架，其相關程序和應用示例可從Apache網站下載。

由于校本教學資源都是由一線教師制作完成后通過遴選的方式進入大平臺，資源來源分散、缺少商業支撐，一旦硬件損壞或是突發情況下數據丟失后的再次收集、恢復都需巨大的人力物力。因此，資源大平臺數據的容災方案從數據庫、應用程序和校本教學資源三個方面進行：①校本教學資源數據量大，采用Linux的開源方案rsync與inotify共同工作的模式進行增量備份；②應用程序實例相對穩定，采用虛擬機的鏡像備份和定時增量備份相結合；③數據庫文件采用開源軟件Heartbeat熱備和數據庫文件定時增量備份、SQL語句定時備份相結合的多重備份模式，這三種數據的備份技術都具有開放、開源和免費等優點。

四.運行實例

根據本文研究的SaaS資源大平臺系統框架，采用PHP技術、MySQL5.1數據庫開發，在LinuxAS5.3平臺上，使用Apache web服務完成了平臺的架構。根據用戶需求和調研的情況，平臺為租戶提供教學資源管理模塊和用戶管理模塊，租戶也可勾選多媒體資源分級遴選、個性定制、分析統計等功能。該系統的應用中心程序、數據庫己在南通大學試運行，為學院、學校各類層次的資源遴選及多層次的資源共享提供服務，系統運行實例如圖3所示。

五.總結

作為云計算最為典型應用的SaaS服務，逐步成為信息化建設和應用的主流模式。針對當前各高校為推進優質校本教學資源共建共享過程中出現的問題，提出了基于租戶模式下的校本教學資源大平臺框架，并在高校現有的人力物力情況下完成管理系統的開發和架構，它為快速建立各類資源平臺提供了解決方案。其低成本、高可靠以及快速、便捷的優點也可為降低教育信息化建設的成本及推進校本優質資源的共建共享等方面起到一定的作用。

編輯：李婷