基于IPv6的高校網絡教學平臺系統設計與實現

夏光峰　黃戈　王曉峰　趙暉

摘要：IPv6為互聯網帶來了地址數、速度和安全方面的提升，給網絡多媒體應用帶來了長足發展的機會，但是當前基于IPv6的高校網絡教學平臺應用案例較少，文章分析對比了國內外應用現狀，介紹了以開源軟件Moodle為核心構建基于IPv6的高校網絡教學平臺的方法，并就平臺IPv6多媒體視頻功能擴展和版塊二次開發給出了實例，為高校IPv6教學平臺的建設提供了技術和架構上的參考。

關鍵詞：IPv6協議;學習管理系統;插件集成;版塊開發;教育信息化

中圖分類號：TP315? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）25-0100-06

Abstract：IPv6 improves the address numbers， speed and security of the Internet， which brings great opportunities for network multimedia applications. However， there are few application cases of IPv6-based college network teaching platform. The article analyzes and compares the application status at China and abroad， introduces the method of constructing IPv6-based college network teaching platform with open source software Moodle as the core， and gives examples of the multimedia video function expansion and secondary block development of IPv6 platform， which provides references for? technology and construction of IPv6 teaching platform in colleges and universities.

Key words：IPv6 protocol; Learning management system; Plugin integration; Block development; Educational informationization

1 引言

2018年5月，中華人民共和國工業和信息化部發布了《推進互聯網協議第六版（IPv6）規模部署行動計劃》[1]，要求用5到10年時間，形成下一代互聯網自主技術體系和產業生態，建成全球最大規模的IPv6商業應用網絡，實現下一代互聯網在經濟社會各領域深度融合應用，成為全球下一代互聯網發展的重要主導力量。2018年8月24日，教育部辦公廳發布了關于貫徹落實《推進互聯網協議第六版（IPv6）規模部署行動計劃》的通知，要求到2020年底，教育系統的各類網絡、門戶網站和重要應用系統完成升級改造，支持IPv6訪問;基于IPv6的安全保障體系基本形成。下一代互聯網相關學科專業人才培養、技術研發與創新工作顯著加強，教育系統人才保障和智力支撐能力大幅提升。創新特色應用。鼓勵高等學校加強與研究機構、企業合作，在物聯網、大數據、人工智能等新技術領域推進基于IPv6的融合創新與示范應用。鼓勵高等學校建設基于IPv6的特色教育內容資源。

當前，隨著高校教育信息化建設的深入，現有IPv4協議及其應用暴露出越來越多的問題，由于IPv4地址數的匱乏，高校建設的大量電子資源和學習平臺對運營商網絡開放大多通過NAT[2]轉換的方式，MOOC的廣泛應用對網絡視頻傳輸能力也提出了更高的要求，與IPv4相比，IPv6有巨大的地址空間、使用更小的路由表（提高了路由器轉發數據包的速度）、增強的組播支持以及流控（這使網絡媒體應用有了長足發展的機會，提升了服務質量控制）、具有更高的安全性。IPv6技術應用是國家信息化戰略發展的要求，是教育信息化建設發展的必然，技術上更是大勢所趨，圖1是2014年至2019年5月我國支持IPv6的用戶增長的百分比統計圖[3]，雖然2018年后增長迅速，達到了10.94%，但與同期美國用戶53.95%占比相比還有很大的差距。

安徽省教育和科研計算機網1995年建設至今省內所有本科和多數高職高專院校已接入教育網，IPv6網絡用戶眾多，圖2是IPv6線路5月份的帶寬使用統計圖，高峰時流量穩定在2Gbps以上，用戶普遍反映IPv6線路速度快，但由于IPv6應用缺乏，鏈路流量分析表明主要流量由出校的BT下載為主。

高校網絡教學平臺是教育信息化最重要的應用系統，并發用戶多，網絡帶寬使用量大，是IPv6最有價值的應用場景之一，通過域名解析抽樣分析國內外著名在線學習網站和大學學習平臺發現，國內在線學習站點和大學學習平臺對IPv6協議的支持較少，而國外同類站點和大學學習平臺對IPv6協議的支持相對較高，對比如表1所示，可以想見，圍繞在線學習網站和學習平臺的在線視頻交互和視頻管理系統對IPv6的支持度就更低了。

將高校已有網絡學習平臺進行IPv4、IPv6雙棧[4]改造，是當前提升IPv6應用的有效方法，新的網絡學習平臺建設前期可以考慮基于IPv4、IPv6雙棧，待未來時機成熟時升級到純IPv6環境。

2 網絡環境規劃與系統選擇

2.1校園網IPv6環境

合肥學院校園信息化建設始于2000年，現有互聯網絡出口總帶寬為1600Mbps，其中教育網出口100Mbps，電信出口1000Mbps，中國移動500Mbps，校園網主干帶寬萬兆，通達全部辦公和教學樓宇，交換機近400臺，信息點總數為二萬余個，百兆接入用戶桌面，網絡用戶過萬，拓撲如圖3所示。

2012年，學校正式接入中國教育和科研計算機網CERNET2，獲得IPv6地址池范圍為2001：250：5407：：/48，校園網絡設備全網支持IPv4/IPv6雙棧協議，校園網絡用戶通過有狀態DHCPv6的方式獲取IPv6地址，校園DNS服務器采用IPv4/IPv6雙棧部署，通過添加AAAA記錄管理并解析IPv6域名，校園網絡邊緣采用山石應用層防火墻，對進出流量實現IPv6和IPv4的訪問控制。支持IPv6協議的基礎網絡服務完善、IPv6安全防護能力提升為校園網內各類基于IPv6協議的應用開展打下了良好基礎。

2.2規劃與系統選擇

當前高校網絡教學系統建設主要采用兩種方式，一是自建學習平臺，另一種是使用校外云學習平臺（依托服務提供商），從表1的統計來看，目前支持IPv6的學習平臺以高校自建居多，這也從側面反映出高等院校在IPv6應用方面走在了前列。Moodle[5]（Modular Object-Oriented Dynamic Learning Environment模塊化面向對象動態的學習環境）是國際公認、具有先進教育理論支撐的LMS（學習管理系統），對IPv6支持度高，基于模塊化和插件功能擴展的特性使得Moodle成為諸多國外高校在線學習系統的核心，與我校建立合作關系的德國高校Moodle使用占比很高，且超過50%的平臺支持IPv6協議。利用Moodle學習管理系統插件功能擴展，與數字化校園統一身份認證、校園電子郵件、視頻會議和視頻管理系統無縫融合，可以構建出一體化的高校信息化教學環境。我校選擇采用了開源的Moodle作為在線學習管理系統的核心，使用Adobe Connect 插件將Moodle與學校現有Adobe Connect在線視頻會議系統集成，采用Panopto插件將Moodle平臺與Panopto視頻管理系統集成[6]，與校園電子郵件服務、在線調查等系統一起，實現學習管理功能完善、結構合理、視頻功能豐富的一體化的學習系統，該學習系統既可以通過CERNET2對校內外開放，還可以利用IPv6的技術優勢滿足對德交流日益增長的網絡帶寬使用需求，系統框架如圖5所示。

3 基于IPv6的網絡教學系統實現

3.1 Moodle平臺的安裝配置

在校園私有云平臺上安裝一臺Linux主機，IPv4和IPv6地址分別配置為210.45.88.149和2001：250：5407：1000：：149，在域名服務器中分別添加主機記錄如下：

AAAA記錄 ipv6study? IN? AAAA? 2001：250：5407：1000：：149

A記錄 ipv6study? IN? A? 210.45.88.149

Moodle平臺安裝配置及優化此類文檔較多所以不再贅述，完成后的系統基本運行環境如下表所示：

在Moodle平臺網站管理à插件à身份認證配置中允許基于e-mail的自助注冊，在服務器à電子郵件選項中進行郵件發送配置，設定學校SMTP主機的地址以及用來轉發電子郵件的賬戶，在賬戶à追加管理字段添加所在學?；蚬咀侄?，以便于外校的學生或IT技術公司的指導教師注冊，校內學生的認證利用學校統一身份認證平臺與Moodle直接實現集成。

在Moodle.org網站下載Completion Progress（學習活動完成狀況監控）、Configurable Reports（自定義分析報表）、Forum Graph[7]（討論區帖子關系可視化）和Statistics插件（網站整體狀況統計），安裝于Moodle 平臺上擴展學習數據管理和分析功能。美化定制學習平臺主題風格，同時滿足各類終端訪問平臺的界面自適應要求。

3.2 IPv6地址顯示Block插件開發[8]

該Block版塊插件開發的目的是允許網站管理員設定在網站特定位置顯示來賓IPv6地址和所在國家，基本配置及代碼示例如下：

在 Moodle的blocks目錄中創建ipaddress目錄，目錄基本結構如圖6所示。

其中ipaddress/block_ipaddress.php文件中首先從block_base派生block_ipaddress類，然后為該類創建初始化函數 founction init（ ），如下所示：

<？php

class block_ipaddress extends block_base {

public function init（） {

$this->title = get_string（'ipaddress'， 'block_ipaddress'）;

}

}

之后通過設置get_content（ ）函數里$this->content：的值設置該block 的顯示內容，如下所示：

public function get_content（） {

if （$this->content ！== null） {

return $this->content;

}

$this->content = new stdClass;

$ip=$_SERVER['REMOTE_ADDR'];

if（（strpos（$ip， "："） === false）） {

$gi = geoip_open（"/usr/share/GeoIP/GeoIP.dat"，GEOIP_STANDARD）;

$country = geoip_country_code_by_addr（$gi， $ip）;

}

else {

$gi = geoip_open（"/usr/share/GeoIP/GeoIPv6.dat"，GEOIP_STANDARD）;

$country = geoip_country_code_by_addr_v6（$gi， $ip）;

}

$this->content->text = $_SERVER['REMOTE_ADDR']. "

". $country;

return $this->content;

}

增加對中文的支持，lang/zh-cn/block_ipaddress.php文件內容為

<？php

$string['pluginname'] = 'IP 地址';

$string['ipaddress'] = '你的IP地址';

$string['ipaddress：addinstance'] = '增加一個新 IP地址版塊';

$string['ipaddress：myaddinstance'] = '增加一個新 IP地址版塊? 到我的Moodle頁面';

其中pluginname為版塊名稱，出現在網站的版本管理中，ipaddress為版塊的標題，當版本被頁面調用時，出在版塊的標題中。

為顯示來源IP地址所在國別，在CentOS中安裝GeoIP[9]和GeoIP-devel，完成后/usr/share/GeoIP目錄中會包含GeoIP.dat和GeoIPv6.dat兩文件，從maxmind的github下載geoip.inc（包含可調用函數）至ipaddress目錄中并將其包含在block_ipaddress.php中，至此該Block即完成，可以在Moodle 中添加IP 地址顯示版塊至相關頁面，如圖7所示。

3.3? 與Adobe Connect的集成

Moodle的價值體現在學習管理功能強大，其基于建構主義和模塊化的設計理念，使得Moodle平臺易于與其他系統集成，從而擴充功能。學校原有Adobe Connect視頻會議系統在中德視頻答辯和教學中發揮了重要作用，通過添加IPv6配置和在Moodle中安裝插件，即可實現基于IPv6的視頻會議（利用IPv6網絡，視頻會議的網絡延遲大大降低）和從Moodle系統→Adobe Connect系統的SSO[10]（單點登錄），步驟和方法如下：

l 為Adobe Connect 視頻會議服務器增加IPv6地址：2001：250：5407：1000：：51

l 在DNS服務器上添加AAAA記錄：meeting? IN? AAAA? 2001：250：5407：1000：：51

l 修改Adobe Connect 服務器操作系統c：＼breeze＼comserv＼win32＼conf文件夾下的server.xml文件，將配置文件中的 修改為，重新啟動Adobe Connect services，視頻會議服務即可支持IPv6協議 。

l 在Moodle平臺上安裝Adobe Connect Plugins ，配置參數如下：

Host：meeting.hfuu.edu.cn/api/xml

Meeting domain：meeting.hfuu.edu.cn

HTTP Authentication ：adobeid

輸入Admin Login 的用戶名和密碼，測試連接，顯示結果如下表明Moodle與Adobe Connect已完成無縫集成：

Sending common-info call：

successfully obtained the session key： breezpnktsr57ithxdmm8

successfully logged in as admin user

Testing retrevial of shared content， recording and meeting folders：

successfully obtained shared content folder scoid： 11000

successfully obtained forced-archives （meeting recordings） folder scoid： 11005

successfully obtained meetings folder scoid： 11002

successfully created meeting testmeetingtest scoid： 255404

successfully created user testusertest principal-id： 255405

Moodle平臺中教師在課程中添加Adobe Connect[11]活動，通過Assign roles授權班級學生在視頻會議中的角色，實現了Moodle平臺課程內師生在線視頻教學或會議討論的教學活動，如圖8所示。

3.4 系統優化設計

單臺Moodle[12]服務器的負載能力可以通過增加CPU處理能力、增加內存、使用SSD固態磁盤和使用更快的網絡適配器來解決，數據庫和相關服務的參數優化也是提升Moodle系統服務能力[13]的重要手段（相關資料較多，這里不再贅述），在更大規模并發用戶應用場景中需要考慮將壓力分攤到多臺服務器，既需要考慮高負載，還要提升系統的高可用性，數據一致性也必須得到保證。大規模用戶的應用環境[14]可以使用如圖9所示的架構來搭建，即增加一臺高性能Nginx[15]服務器進行訪問調度，增加Moodle節點，使用主從數據庫，整體提升業務的承載能力。

在測試環境下分別以單Moodle節點和單MySQL節點、單Moodle節點和雙MySQL節點、雙Moodle節點和單MySQL節點、雙Moodle節點和雙MySQL節點四種條件進行了負載能力測試，服務負載能力使用了ab-Apache HTTP server benchmarking tool[16]，選取最具有代表性的“每秒鐘處理請求數量”作為負載能力的結果指標，測試結果如下表所示，從壓力測試結果可以看出，使用了“雙Moodle節點和雙MySQL節點”架構的系統整體性能獲得了大幅的提升。

3.5 系統實現與應用

系統建設至今，利用Moodle 這一先進、成熟的開源課程管理平臺，進行有針對性的二次開發和集成，已實現了基于IPv6、IPv4雙協議棧功能全面的網絡教學系統（系統實現如圖10、圖11、圖12、圖13所示），建設完成了一門IPv6基礎課程，課程管理功能全面，教學活動及學習資源豐富，平臺已通過防火墻對CERNET2開放，與華為、新華三等著名IT公司的資深工程師合作，計劃將該平臺打造成為校企IPv6技術學習交流的重要載體。

4 展望

目前支持IPv6協議的網絡學習平臺數量不多，隨著IPv6大規模部署和應用深入，基于IPv6協議開展網絡教學活動是大勢所趨，在現階段，使用具有教育理論支撐、基于建構主義思想的教學平臺Moodle 配合 IPv6 技術，融合多種網絡教學相關的多媒體、協作、分析統計等系統，高校可以構建出先進且基于IPv6的一體化教學環境， IPv6 為端到端的多媒體傳輸質量提升和網絡安全提供了更好的技術支持，高校教育信息化工作者應當抓緊時間將現有或新建的學習系統轉向支持IPv6協議，拓展IPv6技術應用于教學的場景。

參考文獻：

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[14]曾棕根.基于WAMP的簡體中文Moodle架設與性能優化[J].現代教育技術， 2011，21（4）：136-139.

[15] Nginx官網[OL].

[16] ab-Apache HTTP server benchmarking tool[OL].

【通聯編輯：王力】