伍紹佳，杜 林，廖 麗

(肇慶廣播電視大學(xué)，廣東 肇慶 526060)

基于云平臺(tái)的數(shù)字化校園信息門戶系統(tǒng)實(shí)踐研究

伍紹佳，杜 林，廖 麗

(肇慶廣播電視大學(xué)，廣東 肇慶 526060)

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)大部分院校校園信息化發(fā)展現(xiàn)狀，利用先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出一種基于云平臺(tái)的數(shù)字化校園信息門戶系統(tǒng)建設(shè)方案，并根據(jù)實(shí)踐調(diào)研對(duì)該方案提出了具體的系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)和詳細(xì)設(shè)計(jì)，在關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)部分通過(guò)研究整合JavaWeb技術(shù)、Nginx服務(wù)以及Redis數(shù)據(jù)庫(kù)集群，證實(shí)了云平臺(tái)化的數(shù)字校園信息門戶系統(tǒng)的可行性和先進(jìn)性。

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；云平臺(tái)；集群；JavaWeb技術(shù)；Nginx服務(wù)；Redis數(shù)據(jù)庫(kù)

本文著錄格式：伍紹佳，杜林，廖麗. 基于云平臺(tái)的數(shù)字化校園信息門戶系統(tǒng)實(shí)踐研究[J]. 軟件，2017，38（1）：29-33

0 引言

隨著當(dāng)今信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化校園信息系統(tǒng)也得到了廣泛的應(yīng)用。《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》明確指出：“信息技術(shù)對(duì)教育發(fā)展具有革命性影響，必須予以高度重視”[1]。但是由于最初設(shè)計(jì)模式不盡相同，編碼技術(shù)也多種多樣，導(dǎo)致現(xiàn)今各大高校內(nèi)部的信息系統(tǒng)種類繁多，自成體系，系統(tǒng)之間信息不能共享，且需要不同的訪問(wèn)授權(quán)和認(rèn)證，給用戶帶來(lái)了很多不必要的繁瑣流程；同時(shí)隨著當(dāng)今高等教育擴(kuò)招，師生人數(shù)都有明顯增加，業(yè)務(wù)量和訪問(wèn)量的快速增加導(dǎo)致數(shù)據(jù)流量呈幾何式增長(zhǎng)，導(dǎo)致系統(tǒng)訪問(wèn)資源受限，網(wǎng)絡(luò)擁堵，甚至在某些特殊情況下出現(xiàn)服務(wù)器癱瘓現(xiàn)象。

針對(duì)目前現(xiàn)狀，本文提出了一種基于云平臺(tái)的數(shù)字化校園信息門戶系統(tǒng)建設(shè)方案，能夠有效改善當(dāng)前面臨的困境。使用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)致力于建設(shè)統(tǒng)一、靈活、開(kāi)放的教育信息化平臺(tái)，對(duì)高校教育信息化發(fā)展具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

數(shù)字化校園信息門戶系統(tǒng)目的是將學(xué)校各個(gè)部門之間的應(yīng)用系統(tǒng)集成在一起，把校內(nèi)數(shù)據(jù)資源和網(wǎng)絡(luò)上的資源有效的整合起來(lái)，組建成一個(gè)統(tǒng)一、共享的信息服務(wù)入口[2]。在數(shù)字化校園建設(shè)當(dāng)中，信息門戶系統(tǒng)的建設(shè)尤為重要，不僅要解決目前所面臨的系統(tǒng)離散、重復(fù)建設(shè)等難題，還要綜合考慮未來(lái)系統(tǒng)的可維護(hù)性和高并發(fā)性。為此在現(xiàn)有資源的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)提出以下幾個(gè)建設(shè)方針[3]：

（1）統(tǒng)一門戶系統(tǒng)建設(shè)。統(tǒng)一門戶系統(tǒng)建設(shè)是指應(yīng)用跨平臺(tái)的JavaWeb技術(shù)組建統(tǒng)一的校園系統(tǒng)入口，將各部門的系統(tǒng)服務(wù)接口集成到一個(gè)共享的門戶系統(tǒng)之下，以Web頁(yè)面的形式展現(xiàn)出來(lái)，用戶通過(guò)不同的操作來(lái)進(jìn)入指定的系統(tǒng)，在保證原有功能不變的情況下進(jìn)行相同的業(yè)務(wù)邏輯處理。

（2）統(tǒng)一身份認(rèn)證與授權(quán)管理建設(shè)。統(tǒng)一身份認(rèn)證與授權(quán)管理建設(shè)是為了解決校內(nèi)各服務(wù)系統(tǒng)之間多套賬戶密碼的問(wèn)題。采用共享的賬戶信息統(tǒng)一認(rèn)證，并通過(guò)門戶系統(tǒng)進(jìn)行甄別處理，賦予不同角色用戶不同的授權(quán)方式。

（3）共享數(shù)據(jù)中心建設(shè)。共享數(shù)據(jù)中心是為了方便各子系統(tǒng)之間可以相互進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)，減少共有資源重復(fù)建設(shè)而采取的措施。其本質(zhì)在于保留各部門服務(wù)系統(tǒng)私有數(shù)據(jù)的前提下，抽取共享的數(shù)據(jù)資源集成到門戶系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)公共資源的標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化管理。

（4）高性能存取服務(wù)建設(shè)。高性能存取服務(wù)建設(shè)是指在共享數(shù)據(jù)中心建設(shè)方案下，采用redis內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)作為其中心存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，利用高性能的redis集群搭建保證了即便在高并發(fā)模式下也可以流暢的進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取和存儲(chǔ)。

（5）云平臺(tái)集群建設(shè)。云平臺(tái)集群建設(shè)指充分利用現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)資源，對(duì)整個(gè)信息門戶系統(tǒng)進(jìn)行云端化部署，利用云平臺(tái)的高可伸縮性滿足應(yīng)用和用戶規(guī)模增長(zhǎng)的長(zhǎng)期需要。

基于以上建設(shè)目標(biāo)的剖析，我們可以清晰的認(rèn)識(shí)到云平臺(tái)集群建設(shè)是需要在其他四個(gè)建設(shè)目標(biāo)完成的基礎(chǔ)上才可進(jìn)行，是整個(gè)門戶系統(tǒng)的平臺(tái)支撐。根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)調(diào)研可知，目前已經(jīng)有提供對(duì)外服務(wù)的云平臺(tái)且技術(shù)較為成熟，如Google云平臺(tái)已經(jīng)擁有100多萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器，亞馬遜、IBM、等公司的“云”均擁有幾十萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器，其可靠性和通用性都有保障。因此，我們只要按需租賃相應(yīng)供應(yīng)商提供的基礎(chǔ)硬件設(shè)施即可。

所以統(tǒng)一門戶系統(tǒng)建設(shè)、統(tǒng)一身份認(rèn)證與授權(quán)管理建設(shè)、共享數(shù)據(jù)中心建設(shè)與高性能存取服務(wù)建設(shè)是我們需要重點(diǎn)關(guān)注和實(shí)施的，本文將在下面具體說(shuō)明該系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)。

2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示，在架構(gòu)方面，我

們可以進(jìn)一步將統(tǒng)一身份認(rèn)證與授權(quán)管理歸并為門戶系統(tǒng)建設(shè)下的一個(gè)重要子模塊，采用跨平臺(tái)技術(shù)的JavaWeb技術(shù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)門戶系統(tǒng)的編碼，使用Servlet或者Filter攔截用戶的Http請(qǐng)求，運(yùn)用Java面向?qū)ο蟮奶攸c(diǎn)實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求和響應(yīng)的流程，整個(gè)系統(tǒng)服務(wù)程序運(yùn)行在Tomcat服務(wù)器中。

圖1 信息門戶系統(tǒng)架構(gòu)

在共享數(shù)據(jù)中心和高性能存取服務(wù)建設(shè)方面，采用redis內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)各子系統(tǒng)的公有數(shù)據(jù)，利用redis集群來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式存儲(chǔ)，通過(guò)分片進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，可以盡可能的提高共享數(shù)據(jù)中心的高效性和可靠性。

在云平臺(tái)集群建設(shè)方面，硬件基礎(chǔ)設(shè)施無(wú)需考慮，但若想實(shí)現(xiàn)整個(gè)信息門戶系統(tǒng)的云端集群化，我們?nèi)孕枰褂肗ginx服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，保證每個(gè)Http請(qǐng)求按時(shí)間順序逐一分配到不同的后端服務(wù)器系統(tǒng)，采取多臺(tái)節(jié)點(diǎn)設(shè)備分別處理巨大并發(fā)訪問(wèn)和數(shù)據(jù)流量，這樣可以大幅度減少系統(tǒng)的壓力和提供用戶體驗(yàn)[4]。設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2 信息門戶系統(tǒng)云平臺(tái)集群

3 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 JavaWeb跨平臺(tái)技術(shù)

Java Web，是用Java技術(shù)來(lái)解決相關(guān)web互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的技術(shù)總和。web包括：web服務(wù)器和web客戶端兩部分。目前純Java技術(shù)在解決互聯(lián)網(wǎng)問(wèn)題方面并不常見(jiàn)，因?yàn)榇罅炕贘ava的第三方框架對(duì)Web領(lǐng)域的快速發(fā)展產(chǎn)生了強(qiáng)大的推動(dòng)力。本文中的數(shù)字化校園信息門戶系統(tǒng)將采用當(dāng)前優(yōu)秀的SpringMVC框架進(jìn)行整體架構(gòu)的搭建。

3.1.1 SpringMVC框架的優(yōu)勢(shì)

SpringMVC作為當(dāng)前主流的Web MVC框架，是用Java語(yǔ)言編寫的輕量級(jí)框架，并以控制反轉(zhuǎn)原則和面向切面編程思想為基礎(chǔ)，提供管理業(yè)務(wù)對(duì)象服務(wù)[5]。其主要優(yōu)勢(shì)（與Struct2對(duì)比）如下：

使用singleton單例模式，保證容器中只有一個(gè)實(shí)例對(duì)象，而不用針對(duì)每次Http請(qǐng)求創(chuàng)建新的實(shí)例。這種設(shè)計(jì)模式在系統(tǒng)處于高并發(fā)狀態(tài)下能夠充分保證應(yīng)用程序的高效性。

基于組件技術(shù)，全部的應(yīng)用對(duì)象,無(wú)論控制器和視圖，還是業(yè)務(wù)對(duì)象都是Java組件，并且和Spring提供的其他基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)緊密集成，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。

學(xué)習(xí)曲線低，相對(duì)于Struct2等復(fù)雜的MVC框架，SpringMVC只需將開(kāi)發(fā)框架搭建完成之后，大部分人都能很快適應(yīng)，并快速開(kāi)發(fā)，提高開(kāi)發(fā)效率，節(jié)約時(shí)間成本。

3.1.2 SpringMVC在本系統(tǒng)中的應(yīng)用

在本系統(tǒng)中,無(wú)論從用戶請(qǐng)求到門戶系統(tǒng)的接口部分，還是統(tǒng)一身份認(rèn)證和統(tǒng)一授權(quán)管理建設(shè)都與Spring MVC框架密切相關(guān)，系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯流程圖

共享數(shù)據(jù)中心包括用戶的統(tǒng)一賬戶信息，在進(jìn)入統(tǒng)一門戶系統(tǒng)后，首先進(jìn)入認(rèn)證/授權(quán)層。該層首先向共享數(shù)據(jù)中心獲取當(dāng)前所要登錄賬戶的身份認(rèn)證信息和訪問(wèn)權(quán)限，完成統(tǒng)一身份認(rèn)證和授權(quán)管理，只有認(rèn)證成功的用戶才能進(jìn)行共享數(shù)據(jù)中心和校內(nèi)子系統(tǒng)不同授權(quán)級(jí)別的訪問(wèn)。

對(duì)于擁有認(rèn)證和授權(quán)的用戶，其訪問(wèn)過(guò)程中，Http請(qǐng)求將從Web頁(yè)面發(fā)送到信息門戶系統(tǒng)，由SpringMVC中的DispatcherServlet類接收并分發(fā)到下一級(jí)業(yè)務(wù)層，在業(yè)務(wù)層有兩種處理策略：

其一，針對(duì)公有共享數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，我們將在業(yè)務(wù)層調(diào)用數(shù)據(jù)DAO層，通過(guò)DAO組件提供的統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)接口來(lái)訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)中心，最后返回需要的數(shù)據(jù)包，完成一次Http請(qǐng)求。

其二，根據(jù)用戶發(fā)起的Http請(qǐng)求種類，業(yè)務(wù)層有針對(duì)性的作出判斷，統(tǒng)一轉(zhuǎn)發(fā)到校內(nèi)各部門子系統(tǒng)中。

3.1.3 SpringMVC詳細(xì)配置

Spring MVC的配置主要包括前置控制器、映射請(qǐng)求和視圖解析器[6]。具體配置如下代碼：

添加Web.xml配置文件中關(guān)于SpringMVC的配置

3.2 redis數(shù)據(jù)庫(kù)集群

3.2.1 redis性能研究

Redis是一個(gè)開(kāi)源的高性能鍵值對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)。它通過(guò)提供多種鍵值數(shù)據(jù)類型來(lái)適應(yīng)不同場(chǎng)景下的存儲(chǔ)需求，支持字符串（String），哈希（Map），列表（list），集合（sets）和有序集合（sorted sets）等類型的存儲(chǔ)。同時(shí)redis是一個(gè)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)，所有數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在內(nèi)存中，由于內(nèi)存的讀寫速度遠(yuǎn)快于硬盤，性能明顯優(yōu)勢(shì)，無(wú)時(shí)延情況下Redis讀的速度是11 W次/s,寫的速度是8.1 W次/s。除此之外，Redis的列表類型鍵可以實(shí)現(xiàn)隊(duì)列，并且支持阻塞式讀取，可以很容易實(shí)現(xiàn)一個(gè)高性能的優(yōu)先隊(duì)列。

3.2.2 redis集群設(shè)計(jì)

redis支持主從同步，在Slave啟動(dòng)并連接到Master之后，它將主動(dòng)發(fā)送一條SYNC命令。此后Master將啟動(dòng)后臺(tái)存盤進(jìn)程，同時(shí)收集所有接收到的用于修改數(shù)據(jù)集的命令，在后臺(tái)進(jìn)程執(zhí)行完畢后，Master將傳送整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)文件到Slave，以完成一次完全同步。本系統(tǒng)將基于主從同步模式創(chuàng)建讀寫分離的高性能Redis集群，步驟如下：

設(shè)計(jì)讀寫分離，創(chuàng)建4個(gè)Redis節(jié)點(diǎn)，一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，三個(gè)從節(jié)點(diǎn)。如圖4所示，一個(gè)主節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)從節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)寫，從節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)讀，分別提高數(shù)據(jù)庫(kù)的讀寫能力。

利用Sentinel（哨兵）機(jī)制，由一個(gè)Sentinel監(jiān)控多個(gè)主服務(wù)器，以及這些主服務(wù)器屬下的所有從服務(wù)器，并在被監(jiān)視的主服務(wù)器進(jìn)入下線狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)將下線主服務(wù)器屬下的某個(gè)從服務(wù)器升級(jí)為新的主服務(wù)器，然后由新的主服務(wù)器代替已下線的主服務(wù)器繼續(xù)處理命令請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)主從切換的功能。

圖4 Redis讀寫分離設(shè)計(jì)圖

3.2.3 集群配置實(shí)現(xiàn)

準(zhǔn)備五個(gè)redis服務(wù)，依次命名文件夾子Master，Slave1，Slave2，Slave3，Sentinel。分別使用端口號(hào)為：6000，6001，6002，6003，6004。分別配置前四個(gè)Redis服務(wù)器中redis.conf文件和最后一個(gè)Sentinel 服務(wù)器中sentinel.conf如表1所示，分別啟動(dòng)對(duì)應(yīng)服務(wù)即可實(shí)現(xiàn)Redis集群化。

3.3 Nginx負(fù)載均衡實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)集群

3.3.1 Nginx服務(wù)器介紹

Nginx是一款輕量級(jí)的Web服務(wù)器，同時(shí)也是一個(gè)高性能的HTTP和反向代理服務(wù)器。不僅可以按照調(diào)度規(guī)則實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)頁(yè)面的分離，還能按照輪詢、ip哈希、URL哈希、權(quán)重等多種方式對(duì)后端服務(wù)器做負(fù)載均衡，同時(shí)支持后端服務(wù)器的健康檢查。因它的穩(wěn)定性、豐富的功能集、示例配置文件和低系統(tǒng)資源的消耗而聞名。

目前很多企業(yè)級(jí)系統(tǒng)都采用多臺(tái)服務(wù)器來(lái)共同支撐企業(yè)的網(wǎng)站，這樣不僅可以加快企業(yè)網(wǎng)站的訪問(wèn)速度，還可以避免突發(fā)情況造成的災(zāi)難，但是會(huì)由于服務(wù)器本身原因或者某些外界因素會(huì)造成各個(gè)服務(wù)器的訪問(wèn)速度不一，這時(shí)候我們就需要配置Http服務(wù)器的負(fù)載均衡來(lái)降低資源的浪費(fèi)。

表1 Redis讀寫分離代碼配置

3.3.2 Nginx負(fù)載均衡實(shí)現(xiàn)

在本系統(tǒng)中，利用Nginx輪詢機(jī)制對(duì)后端服務(wù)器做負(fù)載均衡，如果云平臺(tái)后端某個(gè)服務(wù)器掛掉，則能自動(dòng)剔除。找到Nginx服務(wù)器中 Nginx安裝目錄下的文件：nginx. conf，需要在Http節(jié)點(diǎn)里添加upstream和Server的配置。具體配置代碼如下所示：

Down：表示當(dāng)前的server暫時(shí)不參與負(fù)載。

weight：表示輪詢權(quán)重值，默認(rèn)為1，weight 和訪問(wèn)比率成正比，當(dāng)服務(wù)器性能不均時(shí)，可通過(guò)該值合理調(diào)整服務(wù)器負(fù)載。weight越大，負(fù)載的權(quán)重就越大[7]。

max_fails：允許請(qǐng)求失敗的次數(shù)，默認(rèn)為1，當(dāng)超過(guò)最大次數(shù)時(shí)，返回fail_timeout:max_fails次失敗后，暫停的時(shí)間。

backup：其它所有的非backup機(jī)器down或者忙的時(shí)候，請(qǐng)求backup機(jī)器。所以這臺(tái)機(jī)器壓力會(huì)最輕。

如果云平臺(tái)集群數(shù)目增加，則只需要在upstream節(jié)點(diǎn)中增加一個(gè)對(duì)應(yīng)ip的server，即可快速完成Http請(qǐng)求的分流操作。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)利用先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將校園門戶系統(tǒng)云端化，提出一套集群化的建設(shè)方案，不僅能夠解決當(dāng)前校內(nèi)系統(tǒng)分散，信息孤島，資源浪費(fèi)等問(wèn)題，還能彈性擴(kuò)容，即便面對(duì)高并發(fā)狀態(tài)，系統(tǒng)也能高效運(yùn)行，滿足應(yīng)用和用戶規(guī)模增長(zhǎng)的需要。另外云平臺(tái)的虛擬化和高可靠性為校園門戶系統(tǒng)快捷、安全的運(yùn)行提供了最大的保障，比本地服務(wù)器更加可靠。

本文為各大高校提供了一種實(shí)用的數(shù)字化校園門戶系統(tǒng)建設(shè)方案，尤其針對(duì)師生基數(shù)較大的高校有顯著的效果，從系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)、架構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)證明了該解決方案的可行性和高效性。

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Research on The Practice of Digital Campus Information Portal System Based on Cloud Platform

WU Shao-jia, DU Lin, LIAO Li

(Zhaoqing Radio＆Television University, Zhaoqing 526060, Guangdong, China)

According to most of the domestic campus informationization’s development, this paper uses an advanced Internet technology to put forward a scheme of the construction of digital campus information portal Solution based on cloud platform. And on the basis of the research, we propose the concrete system construction goal and the detailed design. In the realization part of system’s key technology, through the integration of JavaWeb technology, Nginx service technology and Redis database cluster technology, we also prove the feasibility and progressiveness of the digital campus information portal system which is based on cloud platform.

Internet technology; Cloud platform; Cluster; JavaWeb technology; Nginx service; Redis database

TP311

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.01.007

廣東遠(yuǎn)程開(kāi)放教育科研基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：YJ1332)

伍紹佳，男，(1969-)，講師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。杜林，男，(1978-），講師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。廖麗，女，(1967-)，高級(jí)講師，主要研究方向：軟件技術(shù)應(yīng)用。