文科實驗中心教學資源平臺建設研究

龐雨濱

（大連大學 實驗中心，遼寧 大連 116622）

文科實驗中心教學資源平臺建設研究

龐雨濱

（大連大學 實驗中心，遼寧 大連 116622）

文科實驗中心建設中的關鍵問題是設備整合、服務提升和資源共享。在設備整合的過程中，新舊問題交叉出現，影響了服務質量，阻礙了教學資源的充分共享。本文從實際出發，分析問題，探討解決問題的途徑。結合大連大學文科綜合實驗教學中心建設的實例，充分利用現有的物理設備，以滿足教學和學習的實際需求為目標，從服務器群、網絡服務、存儲服務和用戶應用等四個角度，探討了建設統一的、融合的教學資源平臺的設計方案。

文科實驗中心，資源共享，教學資源平臺

計算機技術的發展促進了教育手段的提升和教育理念的轉變。計算機網絡技術為教育提供了豐富的資源。各種教學組織越來越重視網絡技術在教學過程中的應用，尤其是高校在網絡資源的研究和利用方面從理論走向實踐，各種教學資源平臺紛紛投入使用。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020）》也強調要“充分利用優質資源和先進技術，創新運行機制和管理模式，整合現有資源，構建先進、高效、實用的數字化教育基礎設施”[1]。2015年的《國務院辦公廳關于深化高等學校創新創業教育改革的實施意見》中也提到創新創業人才的培養要跨院系，跨學科，跨專業交叉培養，要促進實驗教學平臺共享[2]。

2013年，大連大學科技樓竣工，英語等多個文科實驗室搬遷到新樓。2014年，大連大學成立了文科綜合實驗教學中心，將原分布在英語學院、師范學院、經管學院、旅游學院等教學單位的具有實驗、實踐功能的實驗室和功能室的設備和實驗技術人員予以整合。新成立的文科綜合實驗教學中心將從加強管理入手，運用虛擬技術、大數據技術等新技術整合設備資源成立數據中心，集中技術優勢，為學科發展、教學和科研提供更好的服務。

整合后的數據中心的設備狀況比較復雜，來自原實驗室的設備新舊并存，類型多樣，分布在不通的樓層，相互隔離，承擔著獨立的教學任務。數據中心也面對著更復雜的應用需求和來自不通專業、不通層次的服務對象。由此而帶來的問題不斷突顯，在現有條件下如何解決這些問題成為一個新的技術課題。

目前已經有學者對數據中心建設和文科實驗中心建設等方面做了大量的研究。陳巧[3]在研究中利用云技術構建教學資源大平臺，以用戶需求為中心，提出平臺建設的思路，重點闡述了設計模式。謝陽[4]在碩士論文中闡述了基于虛擬化平臺構建技術，在參考了大量國內外相關文獻后，對相關技術做出多角度的闡述，提出虛擬化教學平臺的構建方案并對方案進行了測試。朱三元[5]等在研究過程中重點關注了應用管理模塊的設計和建設。針對網絡平臺建設的研究主要是針對于理工實驗或者是學校層的信息中心開展的，與文科實驗中心的實際情況還不太一樣，設備情況、學校投入以及服務對象都存在著很大的差別，不能套用已有的研究。程世紅，孫純學[6]等對文科實驗中心的建設模式和方案做了探討，但是并未探討實際的數據中心建設問題。還有孫純學[7]，趙晶[8]等學者針對文科實驗中心的研究重點關注了管理模式方面的問題。本文針對大連大學文科綜合實驗教學中心建設中的實際問題，從立足現狀，分析問題，解決問題的思路出發，設計和建設大連大學文科綜合實驗教學中心的數據中心。

一、存在的問題

在研究開始之前，梳理所有硬件設備資源和服務需求，發現目前數據中心存在的問題有：

（一）硬件資源利用單一，性能過剩

文科專業的應用對計算機硬件的需求基本相似或者相同，差別體現在不同的環境需求。各教學單位分散建設，造成這些服務器的使用率并不高。而且服務也僅供本單位教師和學生使用,導致用戶規模小、服務功能單一、對外開放性不足和設備使用率低下等一系列問題。尤其是后期購買的高性能服務器，資源浪費嚴重，往往一臺服務器上只運行一個WEB服務，計算性能嚴重浪費。

（二）網絡訪問需求復雜，分散的布局不能滿足需求

整合之前的服務通過一些特殊途徑提供給教師和學生，統一管理之后，需要借助于一個統一的端口提供服務，這個服務是基于校園內主干網絡：校園網。但校園網并不是唯一的網絡，電信寬帶、企業寬帶、WIFI、移動運營商的4G網絡等接入方式也在廣泛使用。在這樣復雜的網絡環境下，教師和學生會通過不同的方式登錄資源平臺，并希望得到多樣化的資源服務。但是由于一些資源、軟件由于版權限制，并不允許在互聯網上被訪問，這就為資源的獲取、管理和發布帶來問題。在數據中心內部，原來分散的實驗室之間沒有內部網絡連接，設備分散在不同的樓層，相互隔絕。

（三）軟硬件資源部署分散，共享率低

各教學單位自建實驗室的目的是服務本專業和本學院的教學和科研，功能有局限性，服務對象局限于小范圍。因此硬件的部署以方便本部門使用為主，大型設備存放在實驗室內，通過局域網連接，相對比較分散。教學平臺等服務的對象是本專業的教師和學生，沒有對其他專業和學院共享。

（四）大量同類應用統一部署后有沖突

整合后的數據中心建立了一個硬件服務的基礎平臺，合理分配硬件資源，提供跨越專業、年級限制的應用服務。原有的部分教學平臺、新聞系統具有相同的Cookies和請求端口，統一部署后，軟件沖突表現得十分明顯。

（五）負載均衡和高可用性不足

原有的管理和服務都不是十分規范，由于硬件限制，沒有冗余服務器，無法備份等問題十分普遍。由于不同的服務器部署了不同的應用服務，在時間段和用戶數據的差異化請求下，會造成服務器間的負載不均衡，處理效率降低。應用系統正在呈現集中化發展趨勢，全采用物理冗余的高可用性方案成本高，系統維護時需要停機，不能滿足實時性強的服務需求[9]。

二、設計

（一）系統需求分析

數據中心成立后的第一件事是硬件整合，重新規劃服務器和網絡等硬件設施，搭建教學資源平臺。平臺的搭建是建立在需求分析的基礎上，了解目前數據中心存在的問題，以及要達到的目標，進而分析解決問題的途徑以及優化方案。

數據中心利用現代信息技術為教師提供各種類型的教學和研究環境，為學生提供仿真學習環境、學習資源、學習平臺等服務。硬件整合的目的是建立服務池，為不同的需求提供應用池，既要滿足原有的應用需求，又能夠承擔跨專業、跨學科的綜合實驗，以及創新性實驗。主要的需求有以下三點：

1.提供多種穩定的途徑訪問教學資源平臺

在已經完成的項目《大學英語網絡自主學習行為的調查與分析研究》的研究過程中，我們發現：有個人電腦的學生更愿意在宿舍登陸學習平臺完成學習任務、獲取自主學習信息，他們認為網吧、其他機房或者數據中心的機房并不是最佳的學習場所。對于教師而言，他們更愿意在家訪問學習平臺上傳課件和講義；在教學過程中，QUIZ等測試任務，他們更愿意在數據中心機房進行，以保證成績的有效性。

因此，數據中心必須提供多種訪問平臺的途徑，并且這些訪問是穩定高效的。

2.統一規劃、合理利用硬件資源

前期的基礎建設工作已經結束，不適合再做較大的線路改造，盡可能少地改動網絡布局；整理現有的功能性需求，重新定義服務器的服務功能，通過設備的再次組合充分挖掘硬件設備的資源利用率。有的軟件的訪問量比較大，比如Unipus高校外語教學管理平臺為全校大學英語學生提供服務，并發流量非常大，資源的內容包括音頻和視頻，對帶寬的占用很高；而同是大學英語課程的精品課申報網站，只在特定時段使用，日常訪問量很低，如果單獨占用一臺服務器，資源大量浪費。

現有的應用和服務要同時滿足，包括各類 B/S、C/S結構常規軟件、數據庫服務、流媒體等。同時滿足承擔大學英語網絡化考試等對穩定性要求較高的服務。

所以對不同的用戶，不同的需求，我們需要從新設計數據中心的基礎設施，讓基礎設施得到充分利用，緩和用戶訪問應用需求和物理設施之間需求的緊張關系。

3. 資源共享

重新規劃網絡拓撲，以滿足中心內部各實驗室之間數據高速通信，資源共享。數據中心的成立，打破了原來相互隔離的狀態，實現數據中心所有實驗室機房互通。重新規劃服務器位置和功能，實現場地資源、硬件資源、服務資源高度共享。在保證數據的完整性和獨立性的基礎上，將分散的資源存儲方式逐步整合到網絡存儲，建立共享資源庫。

（二）系統設計

數據中心的設計既要解決已有的問題，又要滿足教學和學習的需求，從物理設備層面來看，要符合這些需求，需要從四個方面去考慮，探索解決問題的方案。我們將數據中心的基礎設施分為四個模塊，分別是：服務器模塊，網絡模塊，存儲模塊，用戶接口模塊。

1. 服務器模塊設計

數據中心承擔著不同專業的信息化建設工作和網絡化教學任務，原有的各類應用和服務需要部署在不同的操作系統平臺上，主要有，RedHat Enterprise 6，CentOS， Windows2008，Windows2003，運行的數據庫軟件有Access，MySQL，SQL Server等。對服務器進行虛擬化，通過VMware等虛擬機服務，對服務器進行整合，統一管理。服務器平臺虛擬化的目的就是削弱物理基礎設施和服務平臺之間的耦合，在邏輯上，用一種直接友好的方式管理物理資源，在應用者看來，物理設施透明的，他們不必去關心物理設備而只需要考慮如何使用軟件即可。服務器平臺的虛擬化可以借助于多款虛擬化軟件，如：VMware，Citrix等。

利用虛擬化軟件的群集功能建立服務器集群，如VMware軟件可以通過VMware vSphere建立群集，建立集群的目的是將服務器的負擔分配到多臺主機上，并且當運行某一個服務的物理服務器出現問題時，另一臺服務器可以快速恢復服務。

服務器虛擬化之后，綜合各個服務模塊的資源占用率，重新分配服務所在虛擬機，動態地對物理服務器進行虛擬資源劃分，提供可供擴展的資源池。并且有新的應用加入到平臺時，可以在短時間內利用定制模板，部署新的虛擬機，開啟相關服務。節省了時間和人力資源。

2. 網絡模塊設計

圖3　.1　整合后的網絡架構

數據中心位于校園網的主干節點上，同時為內部機房和校園網用戶提供服務。中心整合后的網絡設備布局是：1樓2樓的外語語言實驗室、3樓4樓的經管實驗室都有獨立的、功能成熟的網絡系統，其他實驗室分布在0層、4-6層，直接接入校園網；外語語言實驗室服務器以WEB服務為主，經管實驗室服務器以虛擬仿真類軟件應用為主。二者同時具備接入校園網，為機房等接入設備提供訪問互聯網服務的能力。網絡整合的第一項工作是內部網絡互聯，資源共享，這是所有文科實驗中心建設過程中必須解決的實際問題；第二是配置內部網絡和互聯網之間的不同權限的訪問。內部網絡互聯是：外語語言實驗室和經管實驗室的核心交換機 RG-S8606實現互聯，重新規劃VLAN，均以房間號命名，為保障互聯互通的穩定性，兩臺核心路由器之間的連接線路采用了雙線路熱備；其他實驗室就近接入兩臺核心交換機并統一設定VLAN。

復雜的網絡環境中，VPN解決了互聯網用戶對內部網絡資源的訪問。功能是：在公用網絡上建立專用網絡，進行加密通訊。VPN網關通過對數據包的加密和數據包目標地址的轉換實現內部網絡資源的訪問。我們建立VPN的目的是允許教師和部分學生能夠在家里、宿舍等環境中訪問科研、教學等資源平臺。

規劃一個專用的VLAN，用于VPN用戶分配IP地址，啟用新的專用VLAN的好處是，可以針對這個網段設置特殊的訪問權限，避免用戶登錄內網后，借機攻擊內網設備和服務。還可以限制用戶查看不同資源的權限。

新的網絡平臺實現了文科綜合實驗教學中心內部網絡互聯互通，統一部署，統一管理。在資源利用方面，避免了重復投入，又充分利用了現有的設備。保留兩臺核心交換機，保證了實驗室內機房訪問互聯網的性能，不會因為整合而造成網速下降；又實現了實驗中心內部所有機房都可以通過內部網絡訪問服務器平臺。VPN功能的搭建，使內部網絡和外部網絡的通信的控制能力增強。通過對ACL的精確設置，端口的映射等安全配置，保障服務器數據的安全，又能實現教師、學生在任何工作和學習的位置上都可以接入到內部網絡，訪問受版權限制的資源。

3.專業存儲模塊搭建

存儲設備是對信息進行存儲的物理設備，存儲系統是“大數據”基礎架構中非常關鍵的核心。但是在數據中心的實際應用中，搭建專業存儲的目的是解決資源共享和數據量不斷膨脹的問題，在量級上與專業的 IDC對存儲的要求有所不同。存儲服務就是在物理存儲系統和服務器之間增加一個虛擬層，由這個層管理和控制所有物理存儲單位，并統一向服務器提供存儲服務。在物理上，存儲設備不再直接與服務器相連，而是作為一個節點存在于網絡環境中。物理硬件對服務來說是透明的，它直接讀寫的是虛擬層。虛擬存儲主要有三種實現形式，一種是基于主機的，將連接到主機的存儲劃分虛擬卷；第二種是基于SAN網絡；第三種是基于磁盤陣列。數據中心的存儲服務器按照原有的布局存放在經管服務器機房，通過光纖提供服務。主要是將衛星電視錄制、視頻資源、數據庫服務等占用空間較大的數據存放在存儲服務器上。服務器群的虛擬機根據需要訪問存儲上的資源和數據。從各學校不同的現狀來看，并不一定都有存儲設備，但是從技術的角度來說，數據中心的存儲設備是將來必須部署的設備之一。今后隨著應用需求的不斷提升以及新的基于存儲服務的教學設計的開展，數據中心服務的研究將重點圍繞數據服務方面進行新的研究，而此研究的基礎就是存儲服務。

4.高可用性（HA）配置

高可用性體現在服務器平臺和網絡互聯上。在服務器平臺上，利用虛擬機軟件創建群集，實現服務業務的不中斷或者短暫中斷。

高可用性群集實現的方式是基于資源切換的，這些資源包括節點的地址、主機名、卷和應用程序等。資源狀態的監控和業務的切換時利用軟件來實現的，就是此類軟件。在服務器平臺虛擬化過程中，借助于VMware HA等軟件來實現。

在網絡互聯方面，首先是在兩個一級節點的物理鏈路上配置雙光纖線路，然后利用VRRP（虛擬路由冗余協議）在RG-S8606中配置熱備功能，一旦虛擬的主路由器不可用，協議提供了動態的故障轉移機制，把另外的虛擬路由器的IP作為默認網關，進而實現雙線路熱備。網絡互聯的高可用性只是體現在實驗室互通和實驗室訪問校園網服務方面。

群集和高可用性配置可以實現資源分配均衡性和高可用性，使得數據中心的應用服務并發訪問量提高，穩定性得到有效保障。并且無需單獨購買容災熱備設備，節省成本，方便管理。

5.用戶應用模塊設計

數據中心提供的服務器平臺、網絡平臺、存儲平臺都是為用戶應用提供基礎服務。用戶應用服務是由三層服務架構組成：IaaS、PaaS和SaaS，通過這三層架構，為教師教學、科研和學生的自主學習、互動提供高質量的網絡化教學服務。

IaaS層為上層平臺提供基礎環境服務，通過調用服務器、網絡、存儲等物理設備搭建網絡系統、網絡安全、存儲、用戶數據和訪問統計等服務。PaaS提供軟件運行環境、權限管理和數據庫服務等軟件環境服務。SaaS層作為最高層，為用戶提供直接的軟件應用服務，包括教學平臺、資源平臺、互動平臺和科研平臺服務。在SaaS層應用過程中，教師和學生通過 WEB頁面、客戶端軟件等途徑使用服務。利用WEB技術，創建導航功能模塊，作為網站的首頁。導航頁面將集成軟件鏈接、信息發布、幫助文件、交互等功能。界面設計友好，簡單容易理解，功能性突出。教師和學生只要能夠登錄到這個頁面，就可以通過點擊按鈕，訪問相應的教學平臺。導航功能要充分考慮到實際的使用需求，在《大學生上網瀏覽行為》研究中，我們發現，學生使用手機訪問主頁查詢信息、通知的比例較高，因此，導航頁面應該自適應不同的瀏覽器。

對于用戶而言，虛擬化后的物理設施是透明的，教學單位和教師不必去關心服務器、網絡和存儲等硬件設備，他們需要考慮的是應用軟件，并借助于應用軟件調用平臺服務層的環境服務和基礎設施層的基礎環境，而對下兩層的調用也是教學單位和教師不必關心的，這兩層的服務以及物理設施的提供均由數據中心負責完成。有新的應用需求，只要通過一定的使用手續完成申請、溝通等工作，數據中心將提供完整的應用軟件的前期準備工作。這就充分發揮了文科綜合實驗教學中心在教學中的提供專業化信息服務的作用。

圖3　.2　應用服務三層架構

三、結 語

文科綜合實驗教學中心的成立，并不是簡單地把人員和設備集中到一起，而是在此基礎上進行的各類資源整合、創新，以達到最大的效果，能夠提供高于原來分散的服務能力和服務質量。

本文是根據當前文科綜合實驗教學中心成立后，整合硬件設備成立新的數據中心，在充分利用原有設備的基礎上，對新舊需求進行對比分析后，結合學者已有的研究和最新的計算機技術，從實際出發，以應用為主，多角度地重新設計了教學資源平臺建設的建設方案。這個方案的一些設計可以立即實現，完全的整合還需要一個過程，并在實踐的過程中不斷修改設計方案以滿足實際的需求。

[1]國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020）[EB/OL].(2010-07-29)[2016-08-20].http://www.gov.cn/jrzg/2 010-07/29/content_1667143.htm.

[2]國務院辦公廳.國務院辦公廳關于深化高等學校創新創業教育改革的實施意見.[EB/OL].(2015-05-13)[2016-08-20].ht tp://www.gov.cn/zhengce/content/2015-05/13/content_9740.h tm.

[3]陳巧等.基于云服務的教學資源大平臺的構建[J].現代教育技術,2011(12):112-116.

[4]謝陽.基于虛擬化的 WEB技術平臺及應用系統研究[D],東華大學,2014.

[5]朱三元,魏文才.實驗教學示范中心教學資源平臺建設研究[J].實驗科學與技術,2013(2)：118-120.

[6]程世紅、孫存學.基于資源共享的文科實驗教學中心建設實踐[J].實驗技術與管理,2012(6):125-130.

[7]孫純學,白德成,高若宇.高校文科跨專業實驗教學中心的建設[J],實驗室研究與探索2009(3):174-178.

[8]趙晶.外語類高校文科實驗教學中心建設與管理模式探索[J].實驗室研究與探索,2013 (6):114-116

[9]王榮生,楊際祥,王凡.負載均衡策略研究綜述[J].小型微型計算機機系統,2010(8):1682-1686

A Study of Establishing Teaching Resource Platform in the Experimental Center for Liberal Arts

PANG Yu-bin
( Experimental Center of Dalian University,Dalian 116622,China )

The key issues to the construction of experimental center for liberal arts is the device integration,service enhancement,and resource sharing,in which device integration,the used and new problems arise alternately,affecting the quality of service and hindering the full sharing of the teaching resources. Starting from the reality,this article analyzes the problems with solutions by combining the examples of comprehensive experimental teaching center for liberal arts in Dalian University and by making full use of existing physical facilities,meeting the actual needs of teaching and learning to design a platform with unified and integrated teaching resources from server farms,network services,storage services and user applications.

Experimental Center for Liberal Arts; resource sharing; teaching resources platform

G642.423

A

1008-2395(2016)05-0126-06

2016-04-05

遼寧省教育科學“十二五”規劃2014年度立項課題（《大學生上網瀏覽行為分析模型構建》（JG14DB035）

龐雨濱（1980-），男，高級實驗師，主要從事教育技術研究。