云计算教学参考资源平台架构研究

王家兵 彭 红

（1.重庆交通大学图书馆；2.重庆交通大学科技处，重庆 400074）

1 引言

教学参考资源平台以课程为中心，以数字化教学参考书、多媒体课件为主要内容，实现了高校的优质数字化教学资源共享，相关平台建设成为高校信息化建设的重要组成部分，也是高校数字化校园建设的一项重要内容。目前，教学参考资源平台已成为各高校图书馆自建特色电子资源的重要部分，是图书馆服务教学、服务科研的重要平台，受到国内外各高校图书馆的广泛重视。经过近十年的发展，教学参考资源平台在国内外高校图书馆得到广泛应用，对数字化教学资源共享、在线教学以及开展慕课、翻转课堂、微课等新兴教学方法发挥了重要的支撑作用[1-2]。

早期的教学参考资源平台大多是单服务器模式，采用Web浏览器、Web服务器、数据库服务器三层架构，如江苏广播电视大学基于.NET三层架构实现的开放教育课程资料库[3]、重庆工商大学采用JSP+Tomcat+SQLServer技术方案开发的基于B/S/D三层体系结构教学参考资源系统[4]等。随着应用规模的增长，这类教学参考资源表现出存储空间难以满足日益增长的电子资源量的需求，并随着移动终端的广泛应用，出现了移动终端支持差、用户交互体验差等方面的问题，影响系统的使用。随着云计算相关技术的日益成熟与移动学习的广泛兴起，越来越多的高校认识到建设基于云计算模式的教学参考资源平台的优越性与必要性。教学参考资源云服务平台通过云平台实现学习资源集中存储与分散使用，使相关学习资源得到了良好的保存、保护，支持使用移动终端，使其突破时间与地点的限制，已成为教学参考资源建设发展的一个必然趋势。越来越多机构与学者都在积极研究采用云计算架构来构建教学参考资源平台[5-6]。

2 功能与架构

2.1 平台功能

教学参考资源平台的功能是为本校各类课程与专业的相关学习电子资源，包括电子教参书、视频、软件、随书光盘等进行网络数字化存储，为学校师生读者提供一个不受时间、地点限制的在线学习与交流平台。相对单机模式的教学参考资源平台，云教学参考资源平台在底层采用了新型的架构，能更好地实现相关功能，实现存储资源的动态扩展，对移动用户有更好的支持。实现的主要功能具体有以下方面：

①教参资源上传、下载、在线阅读，以及资源评论与收藏；

②对课程和教参资源进行管理；

③用户管理、登录，与学校一卡通统一身份认证系统集成；

④个人学习社区建立，包括个人信息，以及资源推荐、用户互动等功能；

⑤辅助功能，如访问量、资源量、热门资源统计等；

⑥移动APP提供移动终端对系统的访问。

2.2 平台架构

传统教学参考资源平台大多采用Web浏览器、Web服务器、数据库服务器三层应用程序架构模式构建，整个系统部署在静态的网络和服务器上，此架构使得教学参考资源平台的应用规模增大时，需要彻底对整个硬件平台升级，应用程序需重新配置以适应新服务器，另外在基础硬件发生故障时，直接影响平台的可用性。采用云计算平台构建的教学参考资源平台，应用部署在多个虚拟服务器上，应用不会因为个别的服务器故障而失效，扩展也无需进行全面的更新硬件基础。同时云教学参考资源平台需要对移动用户提供支持。图1显示了采用云计算平台技术的教学参考资源平台系统架构。

图1 教学参考资源云服务平台系统架构

整个体系结构由5部分组成，分别是基础设施层、数据资源层、应用层、用户访问层和管理层，基础设施层是基础架构层面的云计算服务，为上层提供虚拟化的资源，包括物理服务器、虚拟服务器、网络设备、安全防火墙等；数据资源层以文件服务器、数据库服务器，为用户提供对资源数据层服务的封装；应用层主要提供各种资源的应用，包括教学参考资源的教参资源上传、下载、检索、在线阅读，用户交流社区，用户访问认证等；用户访问层则提供Web访问服务接口、APP访问服务接口、各种Web Service接口等功能；管理层是提供对所有层次的管理功能，包括安全管理、资源管理、用户管理、服务监控以及各种统计功能等。

3 实现方案与平台构建

3.1 方案选择

云教学参考资源平台实现方案选择需要从技术、经济等多个方面进行考虑比较。技术方面要考虑采用方案所需硬件能否满足使用要求，采用的软件技术是否符合相关的业界标准，具有安全性、先进性、可靠性、适用性，方便以后进一步扩展。另外所使用软件与资源需考虑其合法性，不得侵犯彵人版权与隐私。经济方面要考虑初期所需投入的软硬件费用是否符合预算，相关设备与资源的投入应与其实际应用规模相符，同时还需要考虑后期服务器等基础设备维护费用问题，保证其在服务期内可有效使用。

教学参考资源云服务平台投入使用需完成两方面的内容，即软件平台构建与电子资源收集。软件平台有自主开发、外购或外包、采用开源程序定制等多种方式，几种方式各有优缺点。自主开发需要组织专业技术团队，对技术要求较高，开发周期较长；外购与外包费用相对较高，特别是后期的维护及功能更新费用，较难保证。综合比较，利用开源程序定制比较适合，优先考虑选用开源软件进行适当的定制来实现教学参考资源云平台构建。在基础设施方面，可充分利用现有IT基础架构平台，减少自主采购、上架过程，加快业务上线进程，有效降低IT运维成本。在应用设计方面，可以充分利用已有的开源代码，减少开发费用与难度，节省开发时间。但开源软件往往需要修改定制，这要求具有一定的技术力量。电子资源的收集主要通过外购、用户上传的方式，如果以前具有教学参考资源平台，初期可以把相关资源迁移到新的云架构平台使用。

3.2 构建实施

对于中等规模的高校，学生用户人数约20000人左右，教师用户约2000人左右，按每个学生用户10G，教师用户50G计算，总共需要300T存储空间。考虑到实际应用中，并非所有用户均会使用全部所有空间，300T的空间预算基本可满足要求。另一个需要考虑的问题是网络带宽需求，由于教学参考资源很多是多媒体音频、视频，在上传、下载时对网络带宽要求较高，同时对服务器的处理能力也有一定要求。此外还需要考虑到除有线接入外，移动终端通过无线接入，需要考虑网络连接并发数的余量。根据以上需求，考虑采用三台联想ThinkSystem SR650机架式服务器，各服务器配置双Intel Xeon Silver 4110 CPU，256GB内存，10块10T 7.2K热插拔SATA硬盘，2块480G热插拔固态硬盘，采用RAID 5，实际可用存储空间约270T，在服务器上安装虚拟机，用虚拟机来作为文件服务器、数据库服务器和应用服务器。

平台部署从层次上可以分为4层，即文件存储层、数据库层、Web应用层、负载均衡层。选择Virtu⁃albox作为虚拟机，在物理机上共创建5台Virtualbox虚拟机[7]，3 台虚拟机上安装 RHEL（Red Hat Enter⁃prise Linux）6.5 64位操作系统，运行以ownCloud定制的教学参考资源软件平台，以MySQL Galera Clus⁃ter[8]作数据库存储，以 GPFS（General Parallel File System）[9]作共享文件存储，另以两台虚拟机安装haproxy[10]与keepalived[11]实现负载均衡功能，在其中一台虚拟机上以ClusterControl监测和管理数据库集群[12]。相关功能节点如图2所示。

图2 教学参考资源云服务平台功能节点

应用层教学参考资源管理软件采用ownCloud定制来实现。ownCloud[13]是一款开源代码的文件同步和共享应用软件，采用php与mysql开发，适合于采用私有服务器搭建云存储，支持跨平台文件共享服务、图片音乐和文档等文件预览、开放API，支持第三方应用整合。ownCloud提供了大部分教学参考资源平台所需的功能，需要定制的方面集中在汉化、界面定制、用户登录认证接口设计以及教学参考资源平台所需功能模块的安装等几个方面。ownCloud原生提供多语言支持，汉化只需要下载提供的简体中文汉化包到对应目录，然后在后台设置即可实现汉化。ownCloud提供了文件同步和共享功能，通过安装应用插件可提供教学参考资源平台所需音乐、视频在线播放、图片在线预览、PDF在线阅读等功能应用。登录认证方面，现高校数字化校园建设都建有统一身份认证平台，其采用轻量目录访问协议（lightweight directory access protocol，LDAP），own⁃Cloud默认支持AD、LDAP和OAuth 2.0集成，通过使用ownCloud AD/LDAP插件应用，配置好目录服务器的地址、协议、过滤条件，就可以转到校统一认证目录上认证，实现统一身份认证登录，同时在管理后台还可以对用户组成员关系、配额、自定义用户属性、失败登录账户锁定次数等进行设置。

平台功能实现以后，需要导入初始数据，投入运行。考虑到新旧平台数据库表结构相差较大，以程序化方法导入原有的教学参考资源难以实现，而初期的高校教学参考资源平台所含资源数量不大，可采用手工导入来完成初始资源迁移。

3.3 测试运行

平台所需的测试包括功能测试和性能测试。功能测试验证平台是否实现了所需要的功能，性能测试验证平台能否在实际运行时满足多用户并发的要求。功能方面，ownCloud提供教学参考资源的文件存储与共享功能，通过添加插件可以实现一些其他在线查看文档、讨论社区等功能。在虚拟学习环境空间方面，由于缺乏相关插件，单机模式教学参考资源平台的在线学习功能需要定制开发。

性能测试通过观察物理服务器与各虚拟机实际运行时的CPU负荷、内存占用来进行。三台物理服务器安装五个虚拟机，观察发现，物理机与虚拟机的CPU负荷基于处于在0-35%之间，在并发数达到100并发用户时，各物理机与虚拟机的CPU负荷仍低于35%。每个虚拟机分配内存32G，内存占用平均在15%左右，峰值不足25%。

4 结语

采用云存储模式构建教学参考资源平台具有计算资源与存储资源可动态管理、自适应，能更好实现教学资源的共享与移动存取，有效提升教学参考资源管理与服务的水平。选用开源软件来构建教学参考资源云服务平台，有效降低了建设成本，可充分利用相关软件的社区服务，保持平台的可持续发展。

采用开源软件方案来构建云教学参考资源平台，对自有技术能力提出了一定的要求，需要组建相应技术团队来保证项目的完成。项目实施中，需要在预算内选择性能良好的服务器，保证网络带宽，防止基础设施低劣影响整体用户体验。本方案采用3台物理服务器，安装5台virtualbox虚拟机，3台虚拟化机部署Galera MySQL数据库和GPFS分布式文件系统，另两台虚拟机安装ownCloud提供Web应用服务和负债均衡，满足了20000用户规模的应用场景，在充分发挥硬件资源性能的同时，也带来了良好的用户体验，得到了用户的好评。平台投入应用的前两月，平均日访问用户在150人左右。可以预测，随着资源量的进一步增加，用户会进一步增加。后期需进一步收集用户反馈，进行功能与资源方面的改进，同时开发更多的定制功能模块。