云聯(lián)盟與SOA架構(gòu)融合的慕課資源整合模型的構(gòu)建

商惠華，戴匯川

（1.韓山師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，廣東 潮州 521041；2.廣東科技學(xué)院 管理學(xué)院，廣東 東莞 523083）

MOOC（大規(guī)模在線公開課）的迅速發(fā)展，給教育帶來了顛覆式創(chuàng)新［1］.為了有效整合慕課資源，一些高校聯(lián)盟形式相繼涌現(xiàn)，如中外合作模式（如清華大學(xué)與北京大學(xué)率先與美國的edX 慕課平臺合作）、地方高校聯(lián)合模式（如由深圳大學(xué)發(fā)起的UOOC 聯(lián)盟）、區(qū)域性高校聯(lián)盟模式（如粵港澳大灣區(qū)高校在線開放課程聯(lián)盟）和行業(yè)內(nèi)高校互助模式（如全國林業(yè)高等院校特色網(wǎng)絡(luò)課程資源聯(lián)盟）［2］等.這些慕課資源的整合模式，在一定程度充分利用了慕課資源，給學(xué)習(xí)者帶來了便利.然而，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用戶的學(xué)習(xí)需求.而且，慕課資源通常限于高等教育，職業(yè)教育和中小學(xué)教育的則相對比較稀缺.如何有效地整合慕課資源，充分地利用相對稀缺的慕課資源，是MOOC發(fā)展的必然要求.為改善云資源提供者的動態(tài)資源擴(kuò)展能力，云資源聯(lián)盟的模式應(yīng)運(yùn)而生［3］.云聯(lián)盟的模式與構(gòu)建在不同的領(lǐng)域有些專家和學(xué)者已做了很多研究.文獻(xiàn)［4］從數(shù)字學(xué)術(shù)信息資源的角度對云聯(lián)盟的構(gòu)建進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)［5］從建設(shè)與工程的視角對于聯(lián)盟進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)［6］從地方信息化教學(xué)服務(wù)的角度去探討云計(jì)算聯(lián)盟，文獻(xiàn)［7］從云聯(lián)盟的角度研究了一種安全的數(shù)據(jù)共享和查詢處理框架，文獻(xiàn)［8］探討云資源提供者的最優(yōu)化算法.本文將從云聯(lián)盟和SOA架構(gòu)融合的角度對慕課資源整合模型展開研究.

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 SOA架構(gòu)

SOA（Service Oriented Architecture）是面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)，它將應(yīng)用程序的服務(wù)（不同的功能單元）通過其之間的接口和契約聯(lián)系起來.而且，接口獨(dú)立于實(shí)現(xiàn)服務(wù)的操作系統(tǒng)、編程語言和硬件平臺.SOA 的實(shí)現(xiàn)可以采用CORBA 組件、DCOM 組件及Web Service 組件等多種技術(shù)，其中Web Service 組件是實(shí)現(xiàn)SOA 的最好方式.以下的SOA 研究及整合模型都是基于Web Service 技術(shù)的.SOA體系結(jié)構(gòu)模型［9］如圖1所示.

圖1 SOA體系結(jié)構(gòu)模型圖

SOA 的工作原理為：服務(wù)提供者用WSDL（Web Services Description Language）描述已實(shí)現(xiàn)的服務(wù)，并用UDDI（Universal Description Discovery and Integration）在服務(wù)注冊中心發(fā)布WSDL文檔并注冊；服務(wù)注冊中心管理已發(fā)布的服務(wù)信息，并按照用戶的要求從注冊表中查找服務(wù)數(shù)據(jù)；服務(wù)的請求者從服務(wù)注冊中心查詢服務(wù)，發(fā)現(xiàn)提供服務(wù)的WSDL文檔，并通過SOAP（Simple Object Access Pro‐tocol）協(xié)議來與要訪問的服務(wù)綁定通信.

1.2 云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)

云計(jì)算作為一種新型的計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)模式，由分布式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)存儲和虛擬化技術(shù)等多種計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合發(fā)展而來［10］.它的核心服務(wù)可以分為3個子層：IaaS（Infrastructure as a Ser‐vice）、PaaS（Platform as a Service）、SaaS（Software as a Service），各層可獨(dú)立提供云服務(wù)，下一層的架構(gòu)也可以為上一層云計(jì)算提供支持［11］.它使用了多種計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)來整合網(wǎng)絡(luò)上動態(tài)擴(kuò)展的硬件和軟件設(shè)施，并進(jìn)行集中化管理.云計(jì)算依靠并利用虛擬化技術(shù)為終端用戶提供按需分配的服務(wù)，極大地方便了用戶對系統(tǒng)的使用.用戶只需要關(guān)心怎么使用云計(jì)算服務(wù)，不必了解提供服務(wù)設(shè)備的具體位置，也不必了解服務(wù)計(jì)算的詳細(xì)過程.云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

圖2 云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)圖

1.3 云計(jì)算聯(lián)盟模式

單一的云計(jì)算服務(wù)功能有限，將云服務(wù)組合和集成是發(fā)展的必然.由于各云平臺的異構(gòu)性，服務(wù)的集成和可移植受到了限制.因此，學(xué)術(shù)界提出了云計(jì)算聯(lián)盟，即一種整合分布式的不同服務(wù)提供商提供的云服務(wù)，共同為用戶提供服務(wù)的機(jī)制［12］.云計(jì)算聯(lián)盟的模式可以對不同的數(shù)據(jù)中心的計(jì)算資源進(jìn)行協(xié)調(diào)［13］.一些專家或?qū)W者對這種模式進(jìn)行了研究和探討，如文獻(xiàn)［12］中的“基于Agent的云聯(lián)盟服務(wù)組合模型”等.

2 云聯(lián)盟與SOA融合的慕課資源整合模型的構(gòu)建

2.1 云聯(lián)盟與SOA融合的慕課資源整合模型的提出

云計(jì)算和SOA架構(gòu)有共同的特征，就是先拆分再組合.SOA架構(gòu)主要解決集成的問題，主要包括應(yīng)用集成和數(shù)據(jù)集成等.為解決集成，SOA 將業(yè)務(wù)系統(tǒng)通過解耦方式拆分，再對服務(wù)進(jìn)行合并和組合，形成標(biāo)準(zhǔn)的可復(fù)用的服務(wù)單元.SOA更多關(guān)注的是軟件架構(gòu).對于云計(jì)算主要通過虛擬化技術(shù)將IT 資源整合成大規(guī)模可擴(kuò)展的資源池［14］，主要強(qiáng)調(diào)終端能力向云端的遷移過程，對資源池的拆分主要是已有硬件環(huán)境通過虛擬化方式的整合，將大的計(jì)算或存儲能力通過虛擬化后形成更小的可以調(diào)度的計(jì)算單元或存儲單元.

每個慕課平臺都是提供服務(wù)的私有云，采用云計(jì)算聯(lián)盟模式，將不同的慕課平臺的資源加以調(diào)動和利用.本文充分利用云計(jì)算聯(lián)盟與SOA的特點(diǎn)，將云聯(lián)盟服務(wù)融合在SOA架構(gòu)中，對各大平臺的慕課資源進(jìn)行整合［15］，該整合模型圖如圖3所示.

圖3 云聯(lián)盟與SOA融合的慕課資源整合模型

在此模型中，各大平臺的基礎(chǔ)設(shè)施資源、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲等能力以及內(nèi)部業(yè)務(wù)系統(tǒng)封裝的慕課服務(wù)全部遷移到云端，構(gòu)成私有云平臺的IaaS、PaaS、SaaS 三層.SOA 架構(gòu)中ESB（Enterprise Service Bus）、BPM（business process management）等這些能力演化為云計(jì)算聯(lián)盟管理系統(tǒng)，提供統(tǒng)一的虛擬化的資源池，形成公有云，使其與用戶、聯(lián)盟的慕課平臺構(gòu)成資源共享的合作型三角關(guān)系.各大慕課平臺本身的三層通過SOA 得到了進(jìn)一步的集成，所有資源被統(tǒng)一管理和利用.特別是基于SOA架構(gòu)的慕課服務(wù)的SaaS化，可支持多用戶同時(shí)按需獲取服務(wù)，且不關(guān)注技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施，只關(guān)注業(yè)務(wù)本身.

云聯(lián)盟的形式為公有云，可從教育部或國家的層面作為各平臺云的外包商，也是第三方服務(wù)提供商，對其進(jìn)行統(tǒng)一的管理和優(yōu)化.公有云中的數(shù)據(jù)作為服務(wù)為用戶提供數(shù)據(jù)的訪問.數(shù)據(jù)所有者失去對自己數(shù)據(jù)的控制，當(dāng)然涉及到對數(shù)據(jù)的加密問題，本文只探討可行的架構(gòu).

2.2 云聯(lián)盟與SOA融合的慕課資源整合模型的構(gòu)建過程

2.2.1 慕課課程的封裝與發(fā)布設(shè)計(jì)

某一門慕課課程的提供者按某一平臺服務(wù)契約，將經(jīng)過測試后的完整的慕課資源發(fā)布到該慕課平臺.慕課平臺將課程封裝成Web服務(wù)，并定義為一個網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)或端口的集合［10］.Web服務(wù)用WSDL文檔進(jìn)行描述，WSDL 是一種標(biāo)準(zhǔn)的XML 語言，WSDL 用來描述網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和終端，將服務(wù)的功能實(shí)現(xiàn)部分隱藏，對服務(wù)的具體信息和調(diào)用信息進(jìn)行描述.這些web 服務(wù)的描述信息中除了必要的接口、調(diào)用、綁定等描述外，將課程的描述信息也加入其中.例如，在類型定義中加入一個element 描述課程的具體信息，與Message 中的每一個part相對應(yīng).以“華南師范大學(xué)胡小勇老師的人工智能教育應(yīng)用”這門課為例，可參考的編寫代碼如下：

在代碼的課程描述信息中，除基本信息外，還加入了所屬的課程體系——新工科，便于后期服務(wù)的組合與集成.

2.2.2 云計(jì)算聯(lián)盟與SOA融合的框架設(shè)計(jì)

提供服務(wù)的平臺如果采用單純的SOA 架構(gòu)不能對IT 硬件進(jìn)行重用，本文采用SOA 與云計(jì)算聯(lián)盟的融合設(shè)計(jì)作為接口層，即集成了云服務(wù)組件的SOA為接口.云計(jì)算聯(lián)盟服務(wù)的基礎(chǔ)層基于各平臺的物理資源——數(shù)據(jù)資源、設(shè)備資源等進(jìn)行構(gòu)建，用虛擬化技術(shù)將各平臺的物理資源抽象成邏輯資源，遷移到了云端.平臺將慕課封裝為服務(wù)后，交付SOA，由SOA對服務(wù)進(jìn)行構(gòu)建.該融合設(shè)計(jì)主要包括核心服務(wù)層、服務(wù)管理和調(diào)度層、用戶訪問接口層三層架構(gòu)，具體設(shè)計(jì)圖［16-17］如圖4所示.

圖4 云聯(lián)盟與SOA融合設(shè)計(jì)圖

該框架在不同階段的工作過程從以下三個步驟進(jìn)行闡述：

步驟1：慕課服務(wù)發(fā)布

存儲在各慕課平臺的慕課資源，經(jīng)平臺通過Web Service 技術(shù)封裝為WEB 服務(wù)后，采用統(tǒng)一的訪問接口和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，發(fā)布到云平臺服務(wù)庫，并注冊到UDDI 服務(wù)注冊中心，由ESB 對服務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一的管理和調(diào)度.

步驟2：慕課服務(wù)的管理

云服務(wù)和SOA 機(jī)構(gòu)融合設(shè)計(jì)的核心為集成了云服務(wù)中間件的ESB，其相當(dāng)于集群的調(diào)度中心和服務(wù)的管理中心.SAAS 和SOA 可以是密切相關(guān)和互補(bǔ)的，服務(wù)由SAAS 發(fā)布后，SAAS 提供SOA 使用的組件，SOA可以搜索和使用已發(fā)布的服務(wù)，也可以快速組合這些服務(wù)組件來創(chuàng)建新的服務(wù)［18］.該設(shè)計(jì)將SAAS 組件功能集成到ESB 的組件.ESB 采用基于消息中間件的異步消息和服務(wù)模式，保證各服務(wù)本身的高內(nèi)聚性，服務(wù)之間松耦合性.而且，其提供一系列的標(biāo)準(zhǔn)接口，采用分布式的運(yùn)行管理機(jī)制，消除了各大異構(gòu)慕課平臺服務(wù)之間的技術(shù)差異，讓不同的平臺服務(wù)器協(xié)調(diào)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)不同服務(wù)之間的通信和整合.融合的云服務(wù)技術(shù)，將各平臺的云端計(jì)算資源通過虛擬化技術(shù)云化，不僅可使資源快速部署，而且也可根據(jù)用戶的需求動態(tài)分配各平臺的物理資源和虛擬資源.用戶也可以隨時(shí)隨地通過任何的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備獲取服務(wù).

步驟3：服務(wù)的應(yīng)用

平臺可提供不同粒度的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)的細(xì)節(jié)與服務(wù)契約/接口明確分離［19］.只要服務(wù)契約/接口不變，用戶就可快速檢索和使用服務(wù).每個慕課服務(wù)本身可以直接提供給用戶使用，也可以依據(jù)用戶的需求進(jìn)行靈活的組合與集成，即服務(wù)的重構(gòu).例如，用戶想學(xué)習(xí)新工科專業(yè)體系的課程，用戶可以直接訂購“云計(jì)算”課程，也可以組合訂購屬于“新工科專業(yè)體系”的多門課程.

2.2.3 搭建統(tǒng)一的檢索平臺

基于該模型，慕課的學(xué)習(xí)者就可通過UDDI注冊表（registry）查找服務(wù)，取得服務(wù)的WSDL 描述，然后通過SOAP 來調(diào)用服務(wù).即學(xué)習(xí)者可在客戶端對自己想要學(xué)習(xí)的課程能夠快速查找和定位.各個階段的學(xué)生即使在學(xué)校不能按興趣和愛好去學(xué)習(xí)和發(fā)揮，在家也可通過互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)學(xué)習(xí)各大平臺的慕課課程，減去了尋找不到合適學(xué)習(xí)資源的苦惱.

客戶的查詢基于統(tǒng)一的檢索平臺，將課程的檢索作為主查詢框，也可以附加其他的信息，如平臺或院校等作為另一條件精確檢索，如輸入檢索“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”，再選擇“愛課程”平臺.學(xué)習(xí)者在界面也可瀏覽到各大平臺，可以直接選擇自己喜歡的平臺進(jìn)行相應(yīng)的檢索，這與直接進(jìn)入獨(dú)立平臺的功能相同.客戶統(tǒng)一檢索平臺圖如圖5所示.

圖5 客戶統(tǒng)一檢索平臺圖

3 客戶端的檢索實(shí)例

為驗(yàn)證模型的可行性，本研究對該模型進(jìn)行了簡單的模擬實(shí)驗(yàn)，用兩臺清華同方超揚(yáng)A8500臺式電腦作為測試硬件環(huán)境，并模擬作為兩個慕課服務(wù)平臺，使用VMware Workstation 作為虛擬機(jī)軟件將其虛擬化為4臺虛擬機(jī)，其中1臺作為服務(wù)管理和調(diào)度中心，其余3臺作為云服務(wù)節(jié)點(diǎn).

選定智慧樹、學(xué)銀在線這2個平臺作為測試平臺，對4門課程——Python 程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、動物病理學(xué)、軟件體系結(jié)構(gòu)，完成檢索.分別在兩臺臺式電腦中發(fā)布課程服務(wù)，數(shù)量與兩測試平臺的實(shí)際檢索到的數(shù)量一致，服務(wù)以.net簡單實(shí)現(xiàn)，開發(fā)環(huán)境為Visual Studio，服務(wù)主要以檢索到課程名稱為主.

客戶端用應(yīng)用程序模擬，向服務(wù)器提交視頻名稱搜索請求，其檢索到課程的數(shù)量結(jié)果對比如圖6所示.

圖6 反映了各平臺檢索課程的數(shù)量的對比，可以看出各平臺都有自己資源豐富的科目類型，也有欠缺的類型，而統(tǒng)一平臺充分發(fā)揮了優(yōu)勢，有效整合了各平臺的資源.如檢索“動物病理學(xué)”，智慧樹檢索結(jié)果為0，而學(xué)銀在線的檢索結(jié)果為7.對于比較多的課程資源，用戶可以根據(jù)自己的需求擇優(yōu)選取，如檢索“Python 程序設(shè)計(jì)”，統(tǒng)一檢索平臺可瀏覽到10個課程.用戶可根據(jù)評論和介紹自由選取適合自己的課程.對短缺資源的充分利用和豐富資源的擇優(yōu)選取，不僅在課程的檢索上提高了效率，而且課程的查準(zhǔn)率和查全率也得到了提升，給用戶帶來了更佳的體驗(yàn).

圖6 各平臺檢索課程的數(shù)量對比圖

4 云聯(lián)盟與SOA融合的慕課資源整合模型的特點(diǎn)及優(yōu)勢

4.1 有效融合了云計(jì)算和SOA結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

該模型設(shè)計(jì)既融合了云計(jì)算和SOA 架構(gòu)的優(yōu)勢，又充分利用了各平臺的硬軟件資源和慕課資源，促進(jìn)了數(shù)據(jù)資源的整合，節(jié)約了成本.慕課資源共享方案用統(tǒng)一的平臺就可實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、動態(tài)、實(shí)時(shí)和異構(gòu).在SOA 服務(wù)總線和UDDI 中的服務(wù)注冊信息由多個根節(jié)點(diǎn)組成，相互之間按一定復(fù)制規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，在邏輯上體現(xiàn)出集中的特性，而在物理上則體現(xiàn)出分布式特性［9］.即使服務(wù)發(fā)布原始平臺出現(xiàn)故障，也不會影響用戶對服務(wù)的使用.SOA 架構(gòu)的松散耦合性，與平臺、語言無關(guān)性等特點(diǎn)，服務(wù)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用被清晰地分離.只要WSDL 描述保持不變，服務(wù)接口不變，無論慕課平臺對服務(wù)如何更新或組合，都不會影響用戶對服務(wù)的檢索和使用.

4.2 利于各平臺間的健康競爭與發(fā)展

慕課服務(wù)的描述均采用WSDL，發(fā)布和查找都采用標(biāo)準(zhǔn)的UDDI，XML是服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)所采用的標(biāo)準(zhǔn)，SOAP是以XML為基礎(chǔ).當(dāng)用戶檢索到希望使用的服務(wù)時(shí)，則通過SOAP與服務(wù)的提供者進(jìn)行綁定.各平臺的MOOC課程有效整合，統(tǒng)一規(guī)劃，支持更多的數(shù)據(jù)開放和傳播.不僅不影響各平臺自身的發(fā)展，還可在良性的平臺資源競爭中促進(jìn)平臺自身的建設(shè)和完善，上線更優(yōu)質(zhì)的慕課服務(wù).

4.3 激勵了慕課發(fā)布者

整合后模型的應(yīng)用，慕課發(fā)布者只要在一個平臺發(fā)布服務(wù)，就可被學(xué)習(xí)者檢索到，而不必在其他平臺重復(fù)發(fā)布.慕課服務(wù)的充分展現(xiàn)［20］有效提高了慕課數(shù)據(jù)的訪問率和利用率，同時(shí)，也對慕課的發(fā)布者提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，這從一定層面上鼓勵和促進(jìn)其提供更優(yōu)質(zhì)的慕課資源.如用戶檢索“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”，會出現(xiàn)多個不同平臺、由不同作者提供的該門課程，用戶會從豐富的同類資源中擇優(yōu)選取.這將有效促進(jìn)MOOC的長期競爭與發(fā)展.

4.4 給慕課學(xué)習(xí)者帶來更大的便利

用戶對服務(wù)的檢索到應(yīng)用，都無需技術(shù)門檻，也無需安裝客戶端，通過構(gòu)建一個MOOC統(tǒng)一檢索平臺，慕課檢索者可以實(shí)現(xiàn)在多個MOOC 平臺之間跨平臺檢索，這不僅在發(fā)現(xiàn)課程服務(wù)上提高了效率，而且對課程的查準(zhǔn)率和查全率都有了大幅提高，更好地滿足了學(xué)習(xí)者的檢索需求，使客戶有了更佳的體驗(yàn).

5 結(jié)語

客戶端的檢索實(shí)例只是簡單的模擬實(shí)驗(yàn)，沒有實(shí)現(xiàn)真正意義上的模型功能，但已展現(xiàn)出一定的優(yōu)勢，充分利用了慕課平臺硬件資源和學(xué)習(xí)資源.慕課學(xué)習(xí)資源的有效整合是慕課長期發(fā)展的一個目標(biāo)和方向.如果能從國家層面將所有的慕課平臺資源都進(jìn)行整合，統(tǒng)一規(guī)劃，對廣大學(xué)習(xí)者來說將是筆巨大的財(cái)富.此模型的研究既充分利用了云計(jì)算平臺的虛擬化技術(shù)與云聯(lián)盟模式的動態(tài)擴(kuò)展性，又結(jié)合了SOA架構(gòu)的垮平臺、松散耦合性等特點(diǎn)，為慕課學(xué)習(xí)資源的有效整合提供了借鑒和參考.

云聯(lián)盟與SOA的完美融合與集成具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ坡?lián)盟中的服務(wù)資源數(shù)量和服務(wù)的客戶數(shù)量都眾多，快速自動地實(shí)現(xiàn)服務(wù)調(diào)配和組合及使用過程中的安全性對云計(jì)算機(jī)聯(lián)盟系統(tǒng)的管理提出了挑戰(zhàn)，也對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和更強(qiáng)壯的基礎(chǔ)設(shè)施平臺提出了更高的要求，這些都是進(jìn)一步的研究中需要改善和解決的問題.