基于四层架构的网络教学平台的研究与实现*

吕会红 李心广

广东外语外贸大学思科信息学院 广州 510420

基于四层架构的网络教学平台的研究与实现*

吕会红 李心广

广东外语外贸大学思科信息学院 广州 510420

针对高等院校校园网良好的带宽现状和基于网络教学应用的实际需要，讨论如何有效运用Web服务器集群负载均衡技术和网络存储技术，构建一个基于四层架构的具有万用户数级别和高鲁棒性的数字化网络教学平台。

网络教学平台；四层架构；负载均衡；网络存储技术

随着计算机技术、网络技术和多媒体技术的迅速发展，网络教学在高等教育中得到越来越广泛的应用。构建这种新型的教学模式不仅是教育信息现代化建设的需要，而且能充分发挥信息技术在高等教育教学中的优势，遵循现代教育技术模式，促进教育理论、教学观念、教学方法和教学内容的改革，提高教学质量和效益，培养学习者高效的学习能力与方法，以及在信息社会生存发展中解决实际问题的能力[1]。

随着网络教学的进一步深入，校园网中的数据流量和并发用户数迅猛增长。各个学校开始面临海量数据超负荷传输，网络服务器超载的问题，经常会出现因网络服务器超载、服务器速度太慢而影响学生学习兴趣和效率的现象，严重时服务器会因不堪重负而中断服务，所以构建能够满足大量的、并发的请求的服务系统越来越重要。

1 数字化网络教学平台的建设目标

在教育教学活动中，为了更好地促进教育信息现代化建设，提高教学整体性水平和教育教学效率，优化教育教学资源，网络教学的开展、实施需要一套开放、方便、高效的网络教学支撑平台，则该教学平台的构建成为首要问题和关键所在。在本课题中需要实现的这个平台主要有下面几点要求。

1）数据存储共享：为了提高某一应用的并发访问量，需要多台服务器作为同一种应用服务器，因此需要在这些服务器之中实现存储数据的共享。

2）数据读写速率：作为应用服务器，校园网用户使用过程要求读写速度快，不能出现应用被中断的情况。

3）存储容量要求：首次需求大约10 TB容量的光纤磁盘阵列，满足3～5年的在线扩容需求。

4）扩展性需求：服务器和应用可以平滑增设。

5）能够对存储网络进行集中的和远程的管理和监控，并实现存储单元的优化管理。

6）定期数据备份需求。

7）可靠性需求：保证各应用的365×24小时运行。

2 基于四层架构的数字化网络教学平台的构建

要构建一个能支持万级用户的，能提供稳定服务的高性能的网络教学平台，不能简单地在一台高性能的服务器上安装任意一套网络教学软件，而必须对教学平台的每一个要素进行仔细的研究。下面探讨如何有效运用Web服务器集群负载均衡技术，结合网络存储系统，构建具有万用户数级别和高鲁棒性的数字化网络教学平台。

2.1 网络教学平台的四层体系结构

目前的网络教学平台大部分采用Browser/Server（下文中用简写B/S表示）三层体系结构，通过对这种体系结构的网络教学平台的研究，发现这种三层结构的系统不能很好地满足万用户数级别的数字化网络学习的需求。其主要原因是网络教学中教学资源种类繁多，数据量大，随着在线学习人数的不断增多，使Web服务器的负载急剧增加，严重时Web服务器会因不堪重负而中断服务。因此，采用基于四层架构的数字化网络学习平台体系结构，四层分别为表示层（Presentation）、业务层（Business Logic）、应用层（ApplicationsService）、数据层（Data Service），如图1所示。

四层的体系结构是把三层B/S结构的大量的事务处理逻辑模块从Web服务器的任务中分离出来，由单独组成的应用层来担负其任务，把负荷均衡地分配给应用服务器，这样大大减轻Web服务器的负载，基本上消除Web服务器可能产生的性能瓶颈。于是，体系结构由原来的三层B/S结构转变成四层Browser/Web Server/Applications Server/Data Server结构。这种结构不仅兼备Client/Server和Browser/Server的特点，而且负责业务处理的应用服务器和数据处理的数据库服务器可以是一到多个，使得大型系统中的数据库和应用程序组件可以被分布于不同的服务器上运行，使系统更合理、更灵活、更具扩展性。

2.2 服务器集群解决方案

在数字化网络教学中，由于各种网络应用随着业务量的提高，访问量和数据流量的快速增长，其处理能力和计算强度也相应地增大，服务器必须具备提供大量并发访问服务的能力。在仅靠不断增加带宽和提高单台服务器的性能的方式提高访问速度收效甚微的情况下，可以使用多台服务器通过网络设备相连组成一个服务器集群，每台服务器都提供相同或相似的网络服务。服务器集群前端部署一台负载均衡设备，负责根据已配置的均衡策略将用户请求在服务器集群中分发，为用户提供服务，并对服务器可用性进行维护。

网络负载均衡提高了诸如Web服务器、FTP服务器和其他关键任务服务器上的因特网服务器程序的可用性和可伸缩性。通过将两个或两个以上高级服务器的主机连成群集，网络负载均衡就能够提供关键任务服务器所需的可靠性和性能。因此，负载均衡技术是建立一个高负载Web站点的关键性技术，负载均衡为提高网络教学平台的可靠性、服务能力有很大的帮助。

1）关于负载均衡。负载均衡（Load Balancing）是基于现有网络结构，以扩展原有网络设备和服务器的带宽、增加网络吞吐量、加强数据处理能力、提高网络的灵活性和可用性为目的，解决网络供应量和业务需求量之间矛盾的一种廉价、有效、透明的方法[2]。负载均衡是一种策略，它能让多台服务器或多条链路共同承担一些繁重的计算或I/O任务，从而以较低成本消除网络瓶颈，提高网络的灵活性和可靠性。

通常，采用负载均衡的目的有两个，一是将大量的并发访问或数据流量分担到多台节点设备上分别处理，以减少用户等待响应的时间；二是将单个重负载的运算分担到多台节点设备上做并行处理，每个节点设备处理结束后，将结果汇总，然后返回给用户，使系统处理能力得到大幅度提高。

在数字化网络教学平台中应用负载均衡技术的主要原因是高校校园网具有良好的网络环境，而网络教学平台具有面向大规模用户群体，对系统的实时性、稳定性以及数据的一致性、完整性要求高，且集多种服务于一体的应用特点。

2）负载均衡的实现。本课题研究的负载均衡是采用Cisco Catalyst 6500系列内容交换模块，属于硬件负载均衡方式。Cisco内容交换模块（CSM）是一个Catalyst 6500线卡，可将客户机流量均衡分配至服务器、防火墙、SSL设备或VPN终端设备。CSM为企业和互联网服务供应商（ISP）网络提供一个高性能、经济有效的负载均衡解决方案。CSM能满足为高速内容提供网络的需要，实时跟踪网络会话和服务器负载情况并将每个会话传送至最适当的服务器。容错型CSM配置保持全状态信息，并提供关键功能所需的真正无中断故障转换。

内容交换模块CSM提供三方面的主要优势。①市场领先的性能。每秒建立多达20万条第4层连接并提供高速内容交换，且同时维持100万条同步连接。②为大型数据中心和ISP提供杰出性价比，具有较低连接成本且仅占较少空间。CSM安装于新型或现有Catalyst 6500的一个插槽中，可使Catalyst 6500中所有端口用于第4层到第7层内容交换。多个CSM能安装于同一Catalyst 6500中。③方便的配置。与配置Catalyst 6500交换机使用相同的Cisco IOS命令行界面（CLI）。

网络教学平台的负载均衡实现方案：第一步，建立2台真实服务器，在本课题中，2台服务器的IP地址分别为202.201.96.13和202.201.96.14；第二步，建立IP地址为222.201.96.114的虚拟服务器，该服务器存在于网络交换机内容交换模块中，是永远在线的；第三步，建立虚拟服务器如何判断真实服务器是否在线的方式，在本课题中运用“心跳协议”技术实时监控，采用ping的方式中的内容交换机来检查真实服务器的健康状况；第四步，当虚拟服务器收到服务请求后，采用自适应负载均衡策略，选择在线的真实服务器提供服务。

经过上述负载均衡配置后，服务器222.201.96.13与服务器222.201.96.14对外提供服务器的IP为222.201.96.114，用户在4个小时内连接222.201.96.114，都会与相同的服务器（222.201.96.13或者222.201.96.14）进行连接，并且Cisco内容交换模块CSM会根据这两台服务器的工作状态和能力来分配服务器负载，保证服务的可靠性，使整个系统能更高效地响应用户的请求。

2.3 数字化网络教学平台存储解决方案

存储系统作为校园网应用与数据的底层保障架构，它的结构决定了这个校园网的应用服务能否正常运行。

1）存储模式的选择。从架构上来分，现有的网络存储系统主要包括直接附加存储（DAS）、网络附加存储（NAS）和存储区域网络（SAN）。

直接附加存储（DAS）是以服务器为中心的存储结构，服务器实际上起到一种存储转发的作用。当客户连接数增多时，I/O总线将会成为一个潜在的瓶颈，并且会影响到服务器本身的性能，严重情况下甚至会导致系统的崩溃。

网络附加存储（NAS）实际上是一个带有瘦服务器的存储设备，其作用类似于一个专用的文件服务器。为方便存储到网络之间以最有效的方式发送数据，NAS专门优化系统硬软件体系结构，多线程、多任务的网络操作系统内核特别适合于处理来自网络的I/O请求，不仅响应速度快，而且数据传输速率也很高。但是NAS存储技术基于文件传送，而在数据库中是基于数据块（Block）传送，如果存储要应用于大型数据库中，需要频繁地传送数据块。当它存入NAS设备前，必须经过拆分，转为文件，方可存入；而读取数据时，又必须由多个文件组成块，方可为数据库所识别和调用。反复地转换势必影响I/O速率，降低数据库应用效率。

存储网络（SAN）把数据以块为单位进行管理，采用具有更高传输速率的光纤通道（Fiber Channel）连接方式和相关基础结构。它的设计和实现途径为它带来更高的处理速度，而且SAN还是基于自身的独立的网络，它允许数据流直接从主网络上卸载，并降低请求响应时间。由于SAN存储系统是建立一个独立的网络存储系统，因此，它的扩展能力在理论上可以达到无限扩展，因而对于中小企业转变为大型企业时，并不需要组建另外的存储系统，只需要增加存储设备就可以满足需要。

SAN克服传统存储技术难以实现高效能存储的特点，为高速存取共享信息提供良好的解决方案，它将成为未来存储系统的主流模式。根据不同存储系统的分析、系统需求分析和设计原则，在网络教学平台中采用的是SAN网络存储系统。

2）服务器存储空间的实现。本课题研究的SAN存储系统为Dell EMC CX700网络存储系统。CX700配备有4个3 GHz的处理器和8个后端光纤通道磁盘端口，还具有最大的可扩展性：CX700的线性磁盘可扩展到240个驱动器，高速缓存性能为200 000 IOP和1 520 MB/s。CX700配备有全套的高级CLARiiON存储软件，是业界最全的。这些软件包括：通过EMC Navisphere Management Suite提供的简单、自动化、基于Web的管理功能；通过SnapView软件提供的基于阵列的本机复制功能；通过MirrorView提供的同步和异步远程镜像功能，该功能在保护业务连续性方面非常有效（构建SAN必须购买）；通过metaLUN设备配置功能和多阵列管理功能实现的强化能力；通过PowerPath软件提供的动态负载均衡和故障I/O切换功能。

CX700在设计上可同时支持多达256部HA主机，故可大大简化存储的整合过程。CX700符合绝大多数常用服务器操作环境的要求，例如Windows、UNIX、Linux和NetWare等平台，而且在SAN、NAS、DAS和iSCSI环境中运行时具有高度的灵活性。本课题的存储解决方案如图2所示。

根据实际情况，重点考虑系统的高可用性和高鲁棒性（Robustness），采取冗余的拓扑结构。具体情况：①采用双Fabric结构，由2台2 GB的16口光纤交换机构成冗余的SAN基础通道；②服务器通过2个HBA卡分别连接2台光纤交换机，全光纤磁盘阵列EMC CX700也同时通过2条主机通道与每台交换机相连，消除了服务器端到存储端的单点故障；③核心交换机配置负载均衡模块，为多应用服务器提供负载均衡。

网络教学平台的存储空间由通过FC（光纤通道）交换机连接在一起的多台主机和全光纤磁盘阵列构成，在SAN架构中实现集中存储功能、数据备份功能，为每个应用提供共享的、安全的、高效的数据存储服务。

2.4 网络教学平台的拓扑

本课题研究的数字化网络教学平台采用全光纤SAN架构的网络存储系统。配置EMC CX700光纤磁盘阵列、SUN V890服务器、DELL各类服务器、磁带库以及与服务器连接的各类HBA卡等硬件设备，对网络、主机、存储设备进行整合，建立教学平台存储系统，为今后的数字化校园的建设和各项应用服务奠定硬件基础。其中4台SUN V890服务器分配情况为：1台为协作服务器、1台为数据库服务器（数据库系统为Oracle）、2台为应用服务器做负载均衡提供服务。网络教学平台安装完成后的拓扑如图3所示。

3 结束语

目前广东外语外贸大学数字化网路教学平台主要实现下面一些功能。

1）整合原有的服务器，实现多台服务器共享存储设备，建立文件共享机制，为校园网用户和部分互联网用户提供数据的共享访问。

2）由于配置了10 TB容量的全光纤磁盘阵列，可以将至少3 000名教师（每个教师课件存储容量为2 G）的课件全部存入磁盘阵列中，使得用户读写速度大幅度提高，极大地方便了校园网用户。

3）建立网络存储系统和备份平台。

4）SAN提供200 MB/s的网络访问速度，对于校园网用户的访问提供很高的带宽，极大地提高读者的访问、检索速度。

5）网络存储系统实现管理和维护的自动化。通过该系统的实时监控，实现故障自动诊断功能、对存储空间的重新分配功能，从而避免硬件上的重新分配，减少操作和维护的复杂性。

广东外语外贸大学数字化网络教学平台使用的实践证明，在网络教学平台中采用四层的体系结构是充分可行的。运用Web服务器集群负载均衡技术，结合网络存储技术来解决由于大规模并发访问引起的核心网络设备过载、网络瓶颈和网络拥塞等问题，有效地提高系统服务性能，使系统支持的用户数量达到数万，对数字化校园可持续发展的需求也是很有必要的，对各级各类学校进行网络建设与应用具有一定的参考意义。

[1]邱艳敏,武晓璐.基于Web的网络教学平台的设计与实现[J].电脑知识与技术,2009(33)∶9406-9408

[2]杨威,苑戎.一种基于Agent的电子学习体系模型的研究[J].计算机工程与应用,2004(11)∶156-158

[3]康小军,邵虹,刘吉涛.负载均衡在网络教学平台中的研究与实现[EB/OL].http∶//www.edu.cn/zheng_wen_1793/20060323/t20060323_160762.shtml

[4]陈平仲,吕会红.存储硬盘接口技术比较及发展趋势[J].中国教育信息化,2007(07)∶81-83

[5]邱静怡,陈平仲.网络存储系统的构建及应用[J].现代计算机,2006(04)∶94-96

Research and Implementation of Network Education Platform based on Four Tiers’ Architecture

Lv Huihong, Li Xinguang

Based on the characteristics and the current situations of campus’ network and according to the needs of network teaching, discusses how to build a high performance network education platform based on four tiers’ architecture, which will be integrated with server cluster technology, load balancing technology and network storage technology.

network education platform; four tiers’ architecture; load balancing; network storage technology

Author’s address Cisco School of Informatics, Guangdong University of Foreign Studies, Guangzhou,China 510420

TP393.02

A

1671-489X(2011)03-0079-04

10.3969/j.issn.1671-489X.2011.03.079

*2009年广东省普通高等学校非计算机专业计算机公共课程教改与实践项目。课题名：广东外语外贸大学计算机应用基础课程改革探索与实践；项目编号：A01。