王婧李寰宇

摘 要：系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)是各種應(yīng)用平臺建設(shè)的核心問題之一，搭建高效可行的系統(tǒng)架構(gòu)是基于云計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺研究中必須解決的一個關(guān)鍵問題?；谠朴?jì)算技術(shù)的特點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺建設(shè)現(xiàn)狀，分析基于云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺的建設(shè)需求，明確系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)?；诜謱铀悸泛蛿?shù)據(jù)流驅(qū)動架構(gòu)理論，提出一種新的基于云計(jì)算的多媒體學(xué)習(xí)平臺系統(tǒng)架構(gòu)。該系統(tǒng)能夠根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用需求和服務(wù)場景，快速作出適應(yīng)和調(diào)整，從而使系統(tǒng)資源利用最大化，為推進(jìn)云計(jì)算技術(shù)在教育信息化中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和實(shí)現(xiàn)途徑。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：云計(jì)算；網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)；系統(tǒng)架構(gòu)；信息教育

DOIDOI：10.11907/rjdk.162256

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號文章編號：16727800（2016）011009103

0 引言

當(dāng)前，我國教育信息化整體推進(jìn)已步入全面發(fā)展階段?；诮逃畔⒓夹g(shù)、網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)等構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)教育系統(tǒng)成為教育信息化服務(wù)的重要平臺[13]。云計(jì)算因能夠提供海量數(shù)據(jù)存儲和方便快捷的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)而逐漸應(yīng)用于教育領(lǐng)域，在云計(jì)算環(huán)境下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源的全面共享，能夠有效避免重復(fù)建設(shè)，對推進(jìn)教育信息化發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義[45]。如何將云計(jì)算技術(shù)和云服務(wù)更好地用于網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺建設(shè)，對提高信息化環(huán)境下的教育服務(wù)質(zhì)量，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源有效共享具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。探討基于云計(jì)算的多媒體網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺系統(tǒng)架構(gòu)，可為推進(jìn)云計(jì)算技術(shù)在教育信息化中的應(yīng)用提供參考。

1 網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)與云計(jì)算

網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)也稱在線學(xué)習(xí)，是通過在網(wǎng)絡(luò)教育平臺，利用網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行學(xué)習(xí)的一種全新學(xué)習(xí)方式。與傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式相比，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)打破了傳統(tǒng)教學(xué)時空的局限，能夠滿足學(xué)習(xí)者隨時隨地學(xué)習(xí)的需求。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺作為連接學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)者的載體，有效整合了教學(xué)資源，學(xué)習(xí)者通過學(xué)習(xí)平臺能夠不受時間、地點(diǎn)的限制，自主控制學(xué)習(xí)進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)更加個性化的學(xué)習(xí)。然而，目前我國網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺建設(shè)資源分布不均勻、共享程度較低、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算方式較落后[610]。

云計(jì)算是并行計(jì)算、分布式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)存儲、虛擬化、負(fù)載均衡、熱備份冗余等傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合發(fā)展的一種新型計(jì)算模型，面對的是超大規(guī)模的分布式環(huán)境，核心是提供數(shù)據(jù)存儲和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[11]。云計(jì)算的出現(xiàn)為我國網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺建設(shè)提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)解決途徑。

不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)開發(fā)，云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺更重要的是如何基于云計(jì)算的基礎(chǔ)架構(gòu)來構(gòu)建系統(tǒng)，使得系統(tǒng)能夠充分利用云計(jì)算技術(shù)的優(yōu)勢，提供更為全面、實(shí)用、高效的服務(wù)[1213]。基于云計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺應(yīng)該滿足以下幾點(diǎn)需求：①充分利用網(wǎng)絡(luò)計(jì)算資源，降低系統(tǒng)建設(shè)成本；②充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，使學(xué)習(xí)者能夠了解更多課程相關(guān)知識；③充分利用學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的學(xué)習(xí)軌跡大數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)挖掘分析平臺用戶習(xí)慣，為其提供更精準(zhǔn)有效的學(xué)習(xí)建議。

2 總體目標(biāo)與需求分析

已有關(guān)于云計(jì)算學(xué)習(xí)平臺的研究主要關(guān)注云計(jì)算技術(shù)的基本情況和學(xué)習(xí)平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，忽視了平臺建設(shè)的需求分析[1415]。而需求分析是應(yīng)用軟件開發(fā)的前提，是一切應(yīng)用研究的基礎(chǔ)。

基于云計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺的核心服務(wù)是提供網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)?；诠芾砉こ痰难芯克枷?，學(xué)習(xí)平臺設(shè)計(jì)和管理的核心目標(biāo)可以用6個 R表示：即將正確的學(xué)習(xí)資源（Right Resource），在正確的時間（Right Time），按照正確的數(shù)量（Right Quantity）、正確的質(zhì)量（Right Quality）、正確的狀態(tài)（Right Status），送給準(zhǔn)確的目標(biāo)用戶（Right Learner）。同時，出于成本考慮，還應(yīng)當(dāng)綜合管控整個學(xué)習(xí)過程在時間、人力、物力、財(cái)力等多方面的綜合花費(fèi)。

在此核心目標(biāo)的基礎(chǔ)上，按照“信息通透、交流方便，功能務(wù)實(shí)、系統(tǒng)健壯、應(yīng)用靈活、結(jié)構(gòu)開放”的基本原則，設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能目標(biāo)如下：①提供更加豐富的學(xué)習(xí)內(nèi)容，使學(xué)習(xí)者實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)；②有機(jī)組合多種功能模塊，實(shí)現(xiàn)教師導(dǎo)學(xué)、學(xué)生自主學(xué)習(xí)、在線練習(xí)測試以及多人交互；③整合各門課程所需的課程內(nèi)容，提供教案、知識點(diǎn)、練習(xí)題庫、測試題庫、輔助軟件等多種資源；④系統(tǒng)框架清晰，操作界面友好，符合教育學(xué)習(xí)理論的認(rèn)知習(xí)慣；⑤注重安全，根據(jù)云計(jì)算平臺數(shù)據(jù)安全需求，從云計(jì)算各層全面考慮安全預(yù)防和管控措施，增強(qiáng)平臺整體安全性。

3 基于云計(jì)算的在線學(xué)習(xí)平臺架構(gòu)

3.1 基于分層思路的云計(jì)算應(yīng)用平臺的架構(gòu)模型

一個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用平臺通常包含3個部分：①核心基礎(chǔ)。指在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的平臺軟件和支撐功能，如操作系統(tǒng)、存儲資源、標(biāo)準(zhǔn)庫等；②基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)。指由其它計(jì)算機(jī)提供的基本服務(wù)，如遠(yuǎn)程存儲服務(wù)、集成服務(wù)等；③應(yīng)用服務(wù)。指封裝后的面向服務(wù)化的應(yīng)用，這些應(yīng)用提供的功能可為新的應(yīng)用使用。

基于云計(jì)算的平臺是一種更為高級的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用平臺，其本質(zhì)是通過網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)，因此其體系結(jié)構(gòu)以服務(wù)為核心。基于分層思路可以將云計(jì)算應(yīng)用平臺架構(gòu)模型分為4層，其中橫向三層，分別為應(yīng)用層、平臺層和資源層，據(jù)此可以提供非常豐富的云計(jì)算能力和友好的用戶界面；縱向一層，為管理層，用來實(shí)現(xiàn)對橫向三層的管理和維護(hù)，具體如圖1所示。

資源層將分布式系統(tǒng)中分散的資源進(jìn)行匯聚。平臺層首先將資源層的資源封裝成通信、存儲和計(jì)算能力，提供資源描述、分配和調(diào)度功能，然后將封裝好的資源能力以服務(wù)形式展現(xiàn)，提供面向服務(wù)和能力的管理和調(diào)度功能。應(yīng)用層由基于平臺層提供的系統(tǒng)能力所實(shí)現(xiàn)的諸多業(yè)務(wù)邏輯模塊構(gòu)成，這些模塊通過定義好的接口對外提供服務(wù)，模塊之間的交互通信則通過管理層的各種服務(wù)管理功能來完成。

圖1系統(tǒng)架構(gòu)能夠充分發(fā)揮云計(jì)算技術(shù)在面向大規(guī)模數(shù)據(jù)的分布式系統(tǒng)資源匯聚、資源管理和資源調(diào)度上的優(yōu)勢，提供高性能、可延展的分布式通信、存儲和計(jì)算能力。并且因?yàn)槿诤狭薙OA理念，在系統(tǒng)范圍內(nèi)能夠提供數(shù)據(jù)統(tǒng)一支撐，支持服務(wù)的安全管理、生命周期管理、交互管理、可靠性管理和可用性管理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)范圍內(nèi)的架構(gòu)松耦合。

3.2 基于云計(jì)算的多媒體網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺的架構(gòu)模型

根據(jù)基于分層思路的云計(jì)算應(yīng)用平臺架構(gòu)模型，結(jié)合云計(jì)算在線學(xué)習(xí)平臺建設(shè)的總體需求分析，提出如圖2所示總體結(jié)構(gòu)。

學(xué)習(xí)是平臺最主要的服務(wù)，所有應(yīng)用都是圍繞支撐學(xué)習(xí)來提供的。用戶終端包括用戶和客戶端，是整個云計(jì)算系統(tǒng)的消費(fèi)者。應(yīng)用層、管理層、平臺層和基礎(chǔ)設(shè)施資源層是整個云計(jì)算體系的支撐和服務(wù)提供者。各種支持學(xué)習(xí)的應(yīng)用都是該平臺中的一個應(yīng)用業(yè)務(wù)，圍繞使業(yè)務(wù)應(yīng)用具有良好的適應(yīng)性來構(gòu)建應(yīng)用層、平臺層、資源層和管理層。通過實(shí)現(xiàn)云計(jì)算的分層式架構(gòu)，更好地反映學(xué)習(xí)業(yè)務(wù)應(yīng)用的基本元素和功能構(gòu)成，從而滿足以功能為目標(biāo)導(dǎo)向的學(xué)習(xí)平臺應(yīng)用開發(fā)需求。

在此總體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步結(jié)合基于分層式架構(gòu)設(shè)計(jì)思路的云計(jì)算應(yīng)用平臺架構(gòu)模型，按照以學(xué)習(xí)應(yīng)用為中心，以功能為目標(biāo)的建設(shè)思路構(gòu)建體系架構(gòu)，將分層的思路從單一業(yè)務(wù)應(yīng)用的架構(gòu)中延伸到系統(tǒng)范圍，將整個信息系統(tǒng)按照分層的思路統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計(jì)，得到如圖3所示的系統(tǒng)架構(gòu)。

以上基于云計(jì)算平臺的多媒體學(xué)習(xí)平臺貫徹了系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)分層的思路，在邏輯上將系統(tǒng)分為：

（1） 平臺層。包括分布式數(shù)據(jù)總線（通信能力）、分布式統(tǒng)一存儲系統(tǒng)（存儲能力）、分布式工作流程和調(diào)度引擎（計(jì)算能力和資源調(diào)度），統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理和訪問，統(tǒng)一服務(wù)管理框架，統(tǒng)一服務(wù)交付框架，自動化運(yùn)維管理系統(tǒng)。

（2）資源層。學(xué)習(xí)平臺資源層由虛擬化和實(shí)體化的分布式服務(wù)器集群和存儲設(shè)備構(gòu)成。

（3）應(yīng)用層。學(xué)習(xí)平臺應(yīng)用由運(yùn)行在平臺層之上的服務(wù)化軟件模塊構(gòu)成。軟件模塊的服務(wù)管理和交付都通過平臺層提供的服務(wù)交付模塊實(shí)現(xiàn)。如此設(shè)計(jì)的分層框架能夠封裝資源抽取和能力，根據(jù)上層業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，方便靈活地動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)中各個支撐模塊的組織模式，從而適應(yīng)學(xué)習(xí)活動中復(fù)雜的學(xué)習(xí)科目和學(xué)科支撐工具對技術(shù)上的需求。

該體系架構(gòu)設(shè)計(jì)符合以數(shù)據(jù)流為中心的數(shù)據(jù)驅(qū)動架構(gòu)理論，在功能構(gòu)架上將整個系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)交付等4個關(guān)鍵功能模塊。映射平臺中數(shù)據(jù)流動的基本流程，通過分布式數(shù)據(jù)總線聯(lián)接各功能模塊，實(shí)現(xiàn)高效可靠的數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)流向清晰，數(shù)據(jù)交換模式和接口明確。因此，可以有效地控制分布在網(wǎng)絡(luò)上的眾多組件之間的數(shù)據(jù)流向和順序，使得即使在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性不佳的情況下，仍然能夠保證數(shù)據(jù)通道暢通、數(shù)據(jù)交換安全可靠。實(shí)現(xiàn)高速、可信、易于擴(kuò)展和管理的數(shù)據(jù)交換、傳輸和存儲，滿足基于云計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺對實(shí)時數(shù)據(jù)同步、海量數(shù)據(jù)集中存儲、海量數(shù)據(jù)統(tǒng)一訪問的要求。此外，它還具備高效的基于策略的資源調(diào)度和管理機(jī)制，能夠?qū)崿F(xiàn)資源的自動部署和靈活調(diào)度，從而大幅提升學(xué)習(xí)服務(wù)的執(zhí)行效率和可靠性。

4 結(jié)語

隨著云計(jì)算模式的逐漸發(fā)展和普及，學(xué)校、 教育機(jī)構(gòu)和個人的信息處理逐漸遷移到“云”上，研究基于云計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺關(guān)鍵技術(shù)勢在必行。本文深入研究基于云計(jì)算的多媒體網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺的系統(tǒng)架構(gòu)，基于分層思路和模塊化思想提出了一種符合數(shù)據(jù)驅(qū)動架構(gòu)理論的系

統(tǒng)架構(gòu)設(shè)想。基于云計(jì)算平臺的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)架構(gòu)能夠根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求和服務(wù)場景，快速作出調(diào)整，適應(yīng)需求和環(huán)境，從而使網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)資源利用最大化。通過平臺建設(shè)，可以使未來的在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)及時收集和分析各區(qū)域及各子系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在全系統(tǒng)范圍內(nèi)實(shí)時監(jiān)控、動態(tài)調(diào)整、智能決策的高效信息網(wǎng)絡(luò)，為網(wǎng)絡(luò)教育領(lǐng)域的信息共享、信息協(xié)作和交互學(xué)習(xí)提供新的環(huán)境和模式。

參考文獻(xiàn)：

[1] 焦建利，賈義敏，任改梅. 教育信息化的宏觀政策與戰(zhàn)略研究[J]. 遠(yuǎn)程教育雜志，2014（1）：2532.

[2] 王竹立. 我國教育信息化的困局與出路——兼論網(wǎng)絡(luò)教育模式的創(chuàng)新[J]. 遠(yuǎn)程教育雜志，2014（2）：312.

[3] 陳琳，陳耀華，喬燦，陸薇. 教育領(lǐng)域綜合改革開局之年我國教育信息化新發(fā)展——2014年中國教育信息化十大新聞解讀[J]. 中國電化教育，2015（1）：138145

[4] 陳全，鄧倩妮. 云計(jì)算及其關(guān)鍵技術(shù)[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009（9）：25622567.

[5] 何克抗. 我國教育信息化理論研究新進(jìn)展[J]. 中國電化教育，2011（1）：119.

[6] 許又泉. 一種網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].長沙：湖南大學(xué)，2006.

[7] 唐日照. 網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長春：吉林大學(xué)，2006.

[8] 蔣福德，鐘誠. 智能化網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與開發(fā)[J]. 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)：專業(yè)版，2010（12）：6368.

[9] 高振國，劉彥文，趙蘊(yùn)龍，王春生. 基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的Java網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J]. 實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2011（5）：116119.

[10] 謝明鳳，孫新. 基于本體知識管理的遠(yuǎn)程個性化網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)模型研究[J]. 中國電化教育，2012（11）：4753.

[11] MELL P， GRANCE T. The NIST definition of cloud computing[J]. Communications of the Acm， 2011，53（6）：5050.

[12] BUYYA R， YEO C S， VENUGOPAL S， et al. Cloud computing and emerging IT platforms： vision， hype， and reality for delivering computing as the 5th utility[J]. Future Generation Computer Systems， 2009，25（6）：599616.

[13] CHEN KANG， ZHENG WEIMIN. Cloud computing： system instances and current research [J]. Journal of Software， 2009， 20（5）：13371348.

[14] 樊凌. 基于云計(jì)算環(huán)境的個性化網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)構(gòu)建探究[J]. 信息系統(tǒng)工程，2016，07：23.

[15] 李樹波. 基于云計(jì)算的移動學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)平臺構(gòu)建研究[J]. 軟件導(dǎo)刊，2010（12）：115117.

（責(zé)任編輯：陳福時）