云计算应用于远程教育

8.2　云计算应用于远程教育

我国远程教育的现状除了利用电视、卫星媒体外，几乎都是通过Internet来进行教学的现代远程教育模式，他们各自建有自己的独立的系统，独立的教学、教务管理，已经积累了许多经验，各自形成了一个远程教育系统。由于都是通过远程进行教学，都花费了大量的人力、资金、物资在建立各自的远程教育系统，存在资源重复建设、共享性差，系统扩充能力弱、可配置性差、成本昂贵。而云计算的远程教育系统在教育服务能力、资源共享性、可配置和伸缩性方面都有较大的进步，可以保障大规模远程教学活动。云计算技术可以通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的资源（硬件、平台、软件），并且具有随时获取、按使用付费、成本低廉等优势。我们可以建立云计算技术的新型远程教育系统，彻底摆脱远程教育的困境。

8.2.1　建立云计算远程教育系统的意义

当前，国内外的远程教育系统都采用传统的模式设计，这种B／S结构的远程教育系统，只适合在范围比较小、学习者比较少的情况下使用。基于云计算的远程教育系统可以提供传统系统所没有的强大能力，非常适合大规模的远程教育市场，主要体现在以下5点：

1．提供强大的教育服务能力是云计算远程教育系统可以充分发挥云计算的特点，能够统筹使用各系统软、硬件资源，从而提供强大的远程教学能力和资源提供能力。如在中国的中、西部不发达地区，普遍存在着软、硬件建设滞后的现象，而且这个问题也不可能短期内得到解决。通过基于云计算的远程教育系统，可以整合东、西部各地和全国的软、硬件，统一为各地提供强大的服务支撑。

2．有效避免资源重复建设。传统模式的远程教育系统由于结构上的问题，难以建立统一的系统，各地远程教育中心各自建设自己的资源，造成大量重复建设，带来不必要的浪费。基于云计算远程教育系统便于建立全国统一的系统，各地远程教育中心进行统一部署建设资源，有效地避免了资源重复建设。

3．实现高效资源共享和就近访问。云计算的远程教育系统建成以后．可以实现高效的资源共享，资源访问者不需要知道资源在何处的服务器上，系统统筹管理全部的资源，使用统一的资源列表提供最合理的服务，不再受地域、时间的限制。对于任意一个资源访者，系统可以自动分析IP、确定路由，寻找离他最近的资源并建立好连接，提供最快、最好的访问。

4．云计算的可配置和伸缩性。可配置和伸缩性对于不同用户、系统可以做功能上的定制而非代码级定制，不需要独立部署，提供灵活的自定义功能，组织机构、工作流程、文件管理体系和访问权限等均可由用户自定义，能够很好地满足不同学校的教学需求。系统还可方便地进行调整，以支持单位的变化与发展，达到按需使用和随处可用；在用户数激增的情况下，无须更改应用架构，仅需增加硬件设备的数量，就可以支撑应用规模的增长，这一点也适合于远程教育蓬勃发展的中国。

5．成本低廉。基于云计算的远程教育系统不再强求高性能的服务器，由各地普通的服务器组成“云”来提供高质量的服务，节约了硬件投资；“云”的通用性使资源的利用率较之传统系统大幅提升，远程教育单位也无需再负担高昂的数据中心管理费用。

8.2.2　云计算在远程教育中应解决的问题

1．云计算数据库资源发现。在云计算开发环境下，大量云计算数据库资源共存是完全独立于应用，云计算数据库对外界发布共享的数据，运用找到适合的数据源依赖于一套资源注册和发现机制，这也是云计算为所有类型资源提供的一个共有的基本功能。

2．云计算数据融洽，面对多个异质、分布、自治的数据资源，需要对其进行整合，形成一个统一的数据视图，也称为虚拟数据库。

3．云计算的海量数据处理。远程教育教学资源是数据密集型的，在其运行过程中会产生海量数据，这就需要数据库尽可能地保证数据的安全性和存取的效率。

4．云计算的容错性控制。云计算环境下的数据库访问链接受到网络、站点局部控制、突发事件等因素的制约。因此，云计算必须负责实时监控数据库状态，处理异常情况，保证数据操作的正确性和效率。

5．建立云计算学习系统，可以向学生提供租用计算资源等形式的服务。它以消费为基础来计算，也可以像现在69所高校网络教育以收费收看教学资源，买学习卡、输入密码就可以进入系统进行学习。云计算数据库技术应用到远程教育领域有较大的理论意义和应用价值。云计算存在的形态将会是一个个如同Googl、Amazon这样的营运和服务中心，可以简单地将它视为数据中心+计算中心+界面/接口，通过界面或者接口，普通用户将可以利用以往能为少数所拥有的庞大的数据和处理能力获得自己所需要的信息。云计算数据库应当被看做是云计算的一种应用，即数据库服务。

8.2.3　云计算在远程教育系统中的逻辑结构

基于云计算远程教育系统的逻辑结构由于网络环境不理想，集中式访问对网络和服务器压力太大。我国的远程教育单位通常建立多台校外学习中心分流服务器，都采用Browser／Server的网络结构。校本部建立中央教学资源服务器，省级和地市级学习中心也各自建立资源服务器，都安装上课件供学生上网使用，学生就近访问学习中心的资源。从使用情况看这种模式有两个明显的缺陷：一是由于学习资源种类繁多且体积庞大，在现有的条件下传输困难，导致各服务器的资源更新不能同步，部分学习中心的资源残缺或滞后，学生经常无资源可用。虽然有的学校采用了先进的卫星广播方式传输，但这种方式代价昂贵不利于推广，而且广播的单向性也不方便分类选择下载。学生使用这种远程教育系统学习，在市级学习中心资源服务器上找不到资源就要访问省级学习中心，再找不到只有访问中央服务器，使用不方便且容易造成网络阻塞。二是要求学生多次注册，即一个学员要在中央服务器、省级学习中心服务器和地市级学习中心服务器三次注册，非常繁琐。云计算就可以解决这些问题。云计算在远程教育中实际上是服务器虚拟化技术和基础架构相结合，其核心是将中央电大远程教育、普通高校网络教育和其他远程教育的教学、教务管理中心的计算资源虚拟化后，向每个学习中心和学员用计算资源提供服务。简单地讲，就是将很多台同一地点、不同地点的计算机集合起来为每个远程教育学习中心和每个学员提供教学教务服务。云计算的工作是：（1）基于互联网的，也就是以浏览器为基础；（2）数据存储在云端，应用也存储在云端，随时向学生提供优质的教学资源；（3）云计算强调服务，学生按需要服务，按使用多少付费。

远程教育主要通过网络教学，实现优质的教学资源共享，提供灵活、开放、不受时间、地域限制的学习形式。同时还可以让学习者根据自己的知识结构来安排学习计划和学习进度，实现传统教育无法做到的“个性化教育”、“自主学习”。在我国远程教育中，远程教育系统有中央电大的在线学习平台，有67所普通高校网络教育平台，各省电大也有教学平台，有其他远程教育平台，如中国教育电视台的教学平台等。这些虽然从流量分布的角度来说是必需的，但客观上存在很大的教学资源重复建设和资金的浪费。如何更好地为求学者提供更便宜、便利、优质全方位的服务，如何发挥系统优势，整合资源、资金建立

一个更为有效、使用、经济的教学系统是设计建立我国远程教育云计算教育系统的根本和目的，也是云计算数据库系统必须考虑的问题。利用云计算的优势整合我国远程教育，让所有需要学习的人们都可以找到自己想学的知识。我们设想远程教育应该进行整合形成一个云计算系统。首先，我们设计一个云计算的远程教育平台的逻辑结构图，如图8.8所示。

图8.8　云计算的远程教育系统逻辑结构

各远程教育学习中心的资源组成云，远程教育系统应能够自动搜索新的资源并选择最佳路径来传送数据，当一台服务器发生故障时，能自动转向其他服务器；各模块的设计实现高效的资源共享，资源访问者不需要知道资源在何处、在哪台服务器上，使用统一的资源列表就可以任意访问，不再受地域、时间的限制；实现教学资源的就近访问，对于任意的一个资源访问者，系统可以自动分析IP、确定路由，寻找离他最近的资源，并建立好连接，从而提供最快、最好的访问；实现一次注册全部资源服务器共享注册信息的功能，不需多次注册。这种系统能充分利用云中的软硬件资源提供强大的服务能力。

8.2.4　云计算远程教育系统的整体结构设计

云计算远程教育系统的整体结构应该包括3层：基础层（Infrastructure layer）、服务层（Service layer）和应用层（Application layer）；还有4个模块：监测模块（Monitoring module）、策略模块（Policy module）、仲裁模块（Arbitration module）和供应模块（Provision module）。

基础设施层（Infrastructure layer）是远程教育系统的资源池，硬件、软件和虚拟技术都可以用来确保基础层的可靠性和稳定性，基础层为高层提供计算能力和存储容量，它是整个远程教育系统的能源。

应用层包括远程教育系统的核心模块和工具，核心模块可以分成7个子模块：管理子模块、访问控制子模块、工作流子模块、电子签名子模块、文档管理子模块、数据抽取和查找子模块、生命周期支持子模块。应用层也为用户和其他程序提供功能和交互式接口。

服务层（Service layer）主要包括远程教育的各种服务，如Web文件系统服务、数据库服务、Web服务等等。除此之外还为高层提供了标准界面和应用程序接口。这一层提供的“云”服务可以归类为：计算的资源、数据存储和通信。

（1）计算的资源（Computational Resources）

提供计算的资源给“云”用户最普遍的形式是虚拟机，当用户对虚拟机获得超级用户访问权时可以得到更好的灵活性，能够通过虚拟机定制软件栈（stack）获得更好的性能和效率。这样的服务通常称为基础设施即服务（1aaS），这一部分“云”通过虚拟化技术来实现。用户通过配置自己的设定，获得前所未有的灵活性。超虚拟化（Para-virtualization）和硬件辅助虚拟化（Hardware—assisted vir-ualization）这两种新型虚拟技术的应用为这种服务提供了支持。

（2）数据存储（Data Storage）

第二个基础资源是数据存储，它允许用户在远程磁盘存储他们的数据并且可以任何时间任何地方访问这些数据。这种服务通常称为数据存储即服务（Data—Storage as a Service，DaaS），它使得“云”应用能很容易地提供超出本身服务限制的规模。数据存储系统在维护用户的数据和信息时有以下严格的要求，包括高可用性。可伸缩性（Seal·Ability）、可靠性、可复制性和数据一致性等。由于这些要求之间存在自然冲突，因而没有一个系统能全部实现它们。例如，可用性、可伸缩性（Seal·ability）和数据一致性是三个相互冲突的目标。普通的数据存储系统都不会同时有这几个方面的要求，通过各自的SLA指示，可以自由选择某个偏好的方面去实现系统。

（3）通信（Communication）

出于对保证“云”系统不断增长的网络通信服务质量（QoS）的要求，通信成为了“云”组成中的一个极为重要的部分。“云”系统必须提供一些面向服务的、可配置的、可调度的、可预见的和可靠的通信能力。为了这个目的，通信即服务（Communication as a Service，CaaS）的理论被设计为支持这些要求，它为独立通道和专用带宽（Traffic Isolation or Dedicated Bandwidth）动态提供虚拟覆盖，从而保证网络安全、信息延迟、通信加密和网络监视。这个结构中的监视模块监视指定的执行过程，实时配置信息和特定资源的使用水平，包括CPU、内存、输入输出等的健康状况。监视模块得到的数据可以调节整个系统的平衡。策略模块建立并维护教学方式、运行时间和资源安排的方法，按照从监视模块和自身获得的数据，策略模块建立特定的解决方案，并调度供应模块。可以预先制定策略，指定各种资源的优先级，保证关键资源的供应。仲裁模块修订、调整并改善资源的分配和管理，它根据用户不同的学习方式、学习参数和认识水平动态建立使用模式，并提供给策略模块作为新的解决方案执行。仲裁模块是策略模块的补充，它的策略特权高于策略模块。供应模块执行策略模块和仲裁模块制定的资源分配方案，及时为用户或对象部署资源。远程教育系统的资源访问有一些规则，例如，80%的访问集中在20%的资源上，访问需求的高峰往往在考试之前。基于这些规则，策略模块能够预测这些访问负载，并且在访问高峰之前自动预调热点内容和应用资源以保证并发访问的性能，这样可以减少资源冗余，保证服务质量。有些情况系统无法预测，但从监视模块获得的系统平均应答时间是否变长可以获得报警。一旦监控数据到达临界点，策略模块将作为危机报警，它建立相应的解决方案，调度供应模块分配可利用的资源给目标位置以减轻危机。电子学习系统中调度处理的发生，不会影响用户正常的使用。通过预警机制，电子学习系统能处理资源需求的高峰，并且优化资源的分配。系统为了保证高效地使用资源，建立了进化功能。从监视模块处获得数据后，如果一些资源的访问量较低，其附属的资源将被减少。当一些资源的访问量降到最低的临界点时，仲裁模块将标记其为消亡，不再提供对这些资源的服务。

8.2.4　系统的核心模块设计

应用层采用软件即服务（Software as a Service，SaaS）多租户模式（Multi—Tenant Model）设计，核心模块的子模块有7个，分别是管理模块、访问控制模块、工作流模块、电子签名模块、文档管理模块、数据抽取和查找模块，生命周期支持模块。每个模块都有确定的租户并且功能由租户ID号来驱动，每个租户ID号通过安全和元数据服务传递给这些模块，所有模块配合元数据服务去检索中央租户元数据数据库要求的租户元数据。管理模块用于SaaS提供者或应用管理者为每个租户安装和配置系统的关联参数，也用作租户管理者按照租户ID号安装和配置电子文档的关联参数。访问控制模块用三个类别来区别用户：SaaS提供方或应用程序管理者，租户或组织管理者和用户。按照它们的租户ID号和在组织中的角色，通过认证和授权去执行特定的文档管理任务。为了能广泛地向各种客户提供服务，SaaS应用必须能够满足不同工作流程的需要。工作流程模块中的工作流程配置工具支持机构内部和系统内部的工作流程。电子签名模块记录并存储电子文档签名信息，它生成一个可见格式的电子文档签名文件（如PDF文件）和签名信息的水印，这些签名信息也归属特定用户并且都基于租户的元数据。文档管理模块上传、下载、存储和恢复所有的电子文档和关联文档，这些文档都存储在使用租户ID号的共享数据库的同一个表中，在租户之间它们是隔离的。数据提取和查找模块从电子文档中采集数据，为用户提供元数据和关键字查找能力。可以去数据库或其他存储位置查找电子文档和关联文档，查找时也按照租户ID号并使用元数据服务进行。生命周期支持模块是后台服务程序，它自动执行一系列预定的电子文档管理任务，如激活签名文档，清理被拒绝文档，删除到期文档。所有参数被元数据服务存储或检索。

云计算的发展也是IT信息产业发展的一个未来的趋势，正如我们的互联网应用的蓬勃发展一样。随着我国教育事业的飞速发展，远程教育这种新型的教育模式越来越显现其重要性，云计算在远程教育中的应用是可以为学习者提供更好的服务的一种新的IT模式，我们可以说云计算本身带来的是一种新的远程教育的革命。云计算虚拟化技术的广泛使用，为数据中心和应用部署带来了新的管理与部署方式，虚拟化技术的使用，将提高高效便捷的管理，提高资源的利用率，解决远程教育容量大、空间大、受众面广、共享性强的问题。同时，把我国三大分散的远程教育系统整合成一个“云”系统，将会节省大量的人力和重复建设资金，会取得费省效宏的效果。因此，我们必须从思想上认识到云计算在远程教育上的视在和潜在的效力，可将列为未来远程教育发展的一个重要战略之一，或许，云计算的到来会开启远程教育的一个新时代。