基于IPv6的智慧教學服務平臺

文/顧亦然 莊嚴

隨著智慧城市、智慧教育概念的提出和相關技術的發展，教學信息化建設正由多媒體教室向智慧教學服務平臺轉變。雖然，智慧教學服務未有統一的定義，但是人們對其認識存在的共同點就是利用新興技術構建教與學的環境，形成一個以多元化互動為核心，提供個性化師生服務、教室智能化管理的物理與虛擬環境相融合的教學環境。

目前，大多數高校的教室信息化建設還處在多媒體教學階段，這與當前IPv4的網絡布局有很大關系，當前大多學校的教學、音響、互動、監控等系統為避免地址匱乏，因此大多鋪設專網，各成體系，難以集成。同時，受帶寬限制，IPv4環境下的多媒體視頻流量組播能力差，難以實現互動性遠程視頻教學，各種硬件優勢也難以發揮[1]。

為此，對于各大高校來說，如何實現基于 IPv6 的智慧教學服務平臺是面臨的首要問題。本文通過對 IPv6 技術及智慧教學服務平臺的介紹及分析，秉持“整合資源、共享信息”的原則，提出了一套基于IPv6的智慧教學服務平臺設計方案，可以實現課堂實時直播、錄播、教學互動、巡課評課、教務管理、遠程會議等教學服務內容。

IPv6技術介紹及智慧教學管理系統現狀

IPv6技術

IPv6是“Internet Protocol Version 6”的縮寫，也被稱作下一代互聯網協議，它是由IETF設計的用來替代現行的IPv4協議的一種新的IP協議。

今天的互聯網大多數應用的是IPv4協議，IPv4協議已經使用了20多年，在這20多年的應用中，IPv4獲得了巨大的成功。隨著應用范圍的擴大，它也面臨著越來越不容忽視的危機，例如地址匱乏等等。IPv6是為了解決IPv4所存在的一些問題和不足而提出，同時它還在許多方面做出了改進，如路由、自動配置方面。經過一個較長的IPv4和IPv6共存的時期，IPv6最終會完全取代IPv4在互聯網上占據統治地位。對比IPv4，IPv6有如下的優點：簡化的報頭和靈活的擴展；層次化的地址結構；即插即用的連網方式；服務質量的滿足；對移動通訊更好的支持[2]。

智慧教學管理系統現狀

國外智慧教學管理系統的發展和使用已領先國內很多年，智慧教學管理系統的在線學習在國外已經很普遍，其中的課程采集系統可以把課堂教學內容和教學活動通過自動化采集和投放，開發成適合在線學習的混合教學內容。國外幾乎每個大學生的每門課都在不同程度上參與了在線學習。通過自動化采集課程內容和學習管理系統的互動學習環境，使課堂面對面的教學與在線學習緊密結合。

目前，國內部分學校已建成智慧校園，部分學校處于規劃立項或建設階段。由于對智慧教學尚沒有統一的認識，建設內容比較龐雜、牽涉到的相關部門較多，規劃建設周期均比較長。當前，國內高校已建成部分信息化應用支撐平臺，雖然各校側重點各有不同，但基本都涵蓋網絡環境、物聯網感知、綜合信息服務平臺等，為師生提供智能化的管理和個性化的信息服務[3]。總體而言，現階段的智慧教學等服務還側重于校園環境建設，但還處于起步和摸索階段，在內容上需要系統化完善，在應用上需要深入。

設計方案

功能及模塊化設計

智慧教學服務平臺的設計需從教師、學生、教學管理三個維度出發，采用課程體系、職位體系和知識體系的三位一體化設計，對接校園一卡通、教務系統、信息管理系統、多媒體設備等進行有機地整合，通過課程體系、知識體系和職位體系的多維度關聯，實現課程學習互動。

教學資源平臺是一個可不斷擴充的開放式教學支持系統，其建設不應是一次性項目，而應是一個可持續發展的工程。基于IPv6的智慧教學服務平臺將會不斷完善，從多個方面繼續發展，例如課程網站的資源自動選擇和分析、教學資源的共享機制。另外，可以將資源系統應用擴展到軟件工程以外的其他知識體系中，并嘗試進行基于案例的知識資源呈現研究[4]。在功能上還可以對教學督導、標準化考場、教師作業資源的布置功能、學生提交作業、綁定學生與課程資源和教師資源、資源好友分享、相關資源推薦等方面進一步提高完善，其平臺規劃和發展思路，如圖1所示。

圖1 智慧教學管理服務平臺的功能定位

主控端設計

如圖2所示，智慧教學服務平臺的主控是整個智慧教學服務的核心部分，它既要與高校現有的智慧校園中的教務信息、校園一卡通、教學錄播系統實現數據交互與傳輸，同時其包含的終端設備控制模塊又連接著多個教學終端設備，如攝像頭、麥克風、投影儀等設備，一方面要維持正常設備的普通數據的傳輸，另外一方面，需要通過向服務器發送請求以及異步調用的目的，控制終端以及滿足自身主控交互的需求[5]。

圖2 主控端框架

圖3 智慧教學服務平臺的功能架構

IPv6組網設計

目前，各高校大多是IPv4/IPv6雙協議棧校園網絡，此時智慧教學服務平臺IPv6網絡的組建與實現，需要通過IPv6雙協議棧網絡與CNGI-CERNET2 聯通測試、應用服務器平臺的搭建與測試、隧道技術的仿真測試、翻譯技術的仿真測試和IPv6測試網頁的搭建等實驗與測試來獲得基礎數據[6]。同時，涉及IPv6 的地址劃分、組網邊界以及邊界的協議轉換、路由技術與路由器配置與測試、網絡服務器配置與調試、網絡安全、網絡互通等問題。

具體實施路線

隨著現在校園網規模的擴大、功能的疊加，原有校園網中設備的穩定性、可靠性降低，管理維護壓力越來越大。因此要對原有網絡結構進行基于IPv6的扁平化架構改造。

功能架構

智慧教室的結構化部署，需要兼顧信息采集，集中監控，數據存儲，可視化展示及各子系統的管理，如圖3所示。

1.基礎設施層：為智慧教學服務平臺提供必要和完善的硬件環境。主要包括：教室基礎設施、多媒體教學系統、互動錄播系統、視頻會議系統、信息發布系統、物聯網感知系統、服務器集群等基礎應用系統和基礎網絡設施。

2.應用支撐層：智慧教學服務平臺架構的核心層，主要整合各種軟件系統，促進應用系統的貫通與集成，形成統一數據環境的智能信息平臺；負責智慧教學服務平臺的設備與設備之間，設備與人員之間，人員與資源之間，人員與管理、服務之間的運行控制和分析計算，總控智慧教學服務平臺的各項應用和服務；將現有的信息數據進行統一管理，為智慧教學服務平臺提供計算、存儲、網絡安全等服務，實現信息資源的按需分配；實現智慧教學服務平臺與教學類系統、教務類系統、一卡通類系統、安防類系統之間的互聯互通和信息共享。

圖4 IPv6的智慧教學服務平臺網與校園網的部署

3.綜合管理層：依托應用支撐層提供全面的支撐和保障，通過統一門戶、統一認證、統一權限管理的可視化綜合管理平臺，為智慧教學服務平臺的環境、服務、管理和資源等方面提供全新運行模式，并且具有強大的移植性和伸縮性，可為良好的綜合教學信息化提供保障。

4.綜合服務層：不同的用戶可以采用臺式電腦、平板電腦、智能手機、自助終端等設備，在教室內任何時間進行教學互動、教學資源訪問、視頻會議等活動。

基于IPv6的組網部署

1.主網設計

IPv6網絡適合點到點視頻語音綜合通信、組播視頻會議、遠程教育等大型高性能試驗平臺和各級分應用的特點，適用于智慧教學服務平臺的網址多，高流量組播的要求；同時根據高校學校現有光纖系統的現狀，只需布設少量光纖和設備就可以達到智慧教學服務平臺純IPv6網絡的建設要求[7]。

圖5 DHCPv6 網絡拓撲

智慧教學服務平臺的 IPv6網絡主要是以更新路由器為主的設備，因為路由器一般具備隨時升級和擴展的功能，同時它的接口豐富功能齊全，IPv6諸多的新應用都可以在該網中運行。

IPv6智慧教學服務管理平臺網沒有直接連通CNGI-CERNET2，而是由教育城域網轉接至CNGI-CERNET2。IPv6 智慧教學服務管理平臺通過一臺 IPv6 邊緣路由器R1以雙協議棧方式接入教育城域網雙協議棧路由器R2。智慧教學服務管理平臺中路由器、匯聚交換機和接入交換機均采用華為設備。IPv6邊緣路由器R1選擇的是一臺華為S5700-SI-28C，接口 eth0/0 與一臺 S5700-SI-28C出口交換機相連，再通過 100M 光纖與校外教育城域網雙協議棧路由器 R2 對接；IPv6 邊緣路由器 R1 另一個接eth0/1 連接校內 IPv6 智慧教學服務管理平臺網。實現校內 IPv6 智慧教學服務管理平臺網可以訪問外部 IPv6 資源，順利接入CNGI-CERNET2 純 IPv6 網絡，如圖4所示。

2.服務器平臺的搭建

智慧教學服務平臺的IPv6網絡的服務器虛擬化平臺，包括DHCPv6、DNS、Web等IPv6 基本應用。DHCPv6服務器的建立可以緩解路由器的壓力，同時DHCPv6相較于手動配置和通過路由器公告消息中的網絡前綴無狀態自動配置，便于學校網絡的自動配置和后期管理，可以分配IPv6地址、IPv6前綴、DNS服務器、域名等網絡配置參數；可以記錄為主機分配的地址/前綴，還可以為特定主機分配特定的地址/前綴，可以更好地控制地址的分配，如圖5所示。

路由協議的選擇對整個網絡的穩定性至關重要。根據高校校園的實際情況，可構建層次化的網絡，采用可以實現區域劃分、分級的OSPF路由協議，在IPv6網絡中采用OSPFv3路由協議。可以將整個校園網路由視為1個OSPF自治路由系統，并將其劃分為多個相互獨立的路由區域，通過區域邊界路由器，把主干和非主干網絡連接起來，實現跨校區之間的教學互動。

本文通過對 IPv6 技術及智慧教學服務平臺的介紹及分析，秉持“整合資源、共享信息”的原則，提出了一套基于IPv6的智慧教學服務平臺設計方案，可以實現課堂實時直播、錄播、教學互動、巡課評課、教務管理、遠程會議等教學服務內容。該平臺的建設不僅能顯著改善資源的傳輸效率及播放效果， 對于變革教學資源共享模式也具有深遠意義。