基于多租户模型的高校校本教学资源大平台研究

陈巧　罗永平　胡新平

[摘要]在分析现有教学资源平台建设现状基础上提出“多租赁单位一单实例进程”的SaaS高校校本教学资源大平台建设思路与方法。重点阐述资源大平台系统的多租户模型架构与数据库设计模式，并对实现中涉及的多租户数据库设计、数据存储及备份方案等关键技术作深入的讨论，经过两年多的运行表明能够为推进高校优质校本资源的共建共享起到很好的促进作用。

[关键字]软件即服务；资源共享；云计算；大平台；多租户

[中图分类号]G40-057 [文献标识码]A [论文编号]1009-8097（2013）03-0055-04 [DOI]10.3969/j.issn.1009-8097.2013.03.011

一.研究背景

作为教育信息化核心的优质教学资源的共建共享，是教育创新、教学改革和质量工程的必由之路，越来越广泛地受到国家和地方教育主管部门的重视。教育部从2004年印发的《关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》就明确指出要“加大教学信息化建设力度，推进优质教学资源共享”，在2007年印发的《关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见》也指出“高等学校要在教学活动中广泛采用信息技术，不断推进教学资源的共建共享”，在2010年教育部颁发的《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》再次强调了“加强优质教育资源开发与应用：加强网络教学资源体系建设；引进国际优质数字化教学资源；促进优质教育资源普及共享”。

目前高校教学资源以网络收集或是商业购买的方式为主，这类资源往往存在资源老化率高、适用性低等现象。而部分来源于高校一线教师制作的如课件等资源受制于教师多媒体表现能力或是积极性的问题，其资源无论在数量还是在展现能力上都难以切实满足教学所需。作为承载数字化教学资源建设与分享工作重要载体的高校，其数字化教学资源共建共享水平的高低直接决定着国家“本科教学工程”质量的好坏。为此，教育部、省教育厅乃至各种教育组织机构都举办了形式多样的高校多媒体资源遴选、评比的竞赛活动，但这种集中模式下的遴选受制于时间、区域、规模等因素，往往只能收集少部分教师自主开发的优秀课件、视频资源等。与此同时各高校为了支撑这些资源共享而搭设的资源信息管理系统，都习惯采用自购相关软硬件并配备专门维护人员的传统建设模式。这种模式下，一套系统只服务于一个单位，存在投资费用高、设备利用率低、维护升级难等弊端。而且由于各系统在数据库的选择的不同与数据字典的表述的差异、通信过程中数据转换的网络延迟，也使得整合异构资源信息系统实现资源共享难以推进。“信息孤岛”现象愈演愈烈，优质校本教学资源难以高效共享。将云计算中软件即服务（SaaS，software-as-a-service）部署思想来支持构建大平台，为推进高校间优质校本教学资源的共建共享系统及平台的建设与应用开拓了一个新的方向。

二.软件即服务

1.软件即服务

SaaS是随着互联网技术发展应运而生的一种新型的软件部署模式。在该模式下服务器统一提供，应用软件集中部署，租户无需购买和维护相关软硬件资源，仅需勾选所需的服务功能并按实际情况付费。它将原本由分散的使用者独立承担软硬件系统构建与技术支撑的费用，转变成支付给SaaS服务提供商的服务费用。而SaaS服务供应商则通过提高服务对象的规模，来实现平摊软硬件及其维护等运营成本，达成多赢的目标。对于中小型企业来说，采用这种基于网络的多重租赁模式服务平台特点的SaaS，实现了信息化建设低成本投入即可获取先进信息化技术，很好地降低了企业信息化建设门槛。

2.SaaS成熟度模型

SaaS软件服务于多个租户，其成熟度模型一般分为四种：①模式一向每个新增的客户提供一个新增的、定制的且不同代码的应用程序的实例；②模式二向每个新增的客户单独提供一份代码相同的应用程序实例，这些运行的实例彼此独立安装并隔离部署，租户要实现如应用外观和行为等的定制都通过修改配置或是部分代码来实现；③模式三向每个新增的客户提供共同运行的实例进程，租户要实现如应用外观和行为等的定制只需采用不同的元数据配置即可实现个性化的功能需求；④模式四是模式三的可伸缩性的扩展模式，它向所有新增的客户提供一个负载平衡的具备权限验证功能平台的硬件水平来扩展实现。

这四种部署模式，都可实现各租户对应用程序的个性定制服务。模式一由服务提供商整合资源并服务于多个客户，与传统相比可以降低软件开发应用的总体成本；模式二由服务提供商提供给每个客户相同的代码，代码的修改变动具有可复制性，能大幅降低软件的维护和升级成本。但这两种模式对于每个租户都要提供一个独立运行的实例，会增加服务商的硬件投资及维护成本。模式三通过代码脚本的权限控制及数据设计上的安全策略实现不同租户的数据相隔离，既能控制其软硬件投资维护成本，又可在提高计算资源的利用效率的同时实现租户的个性化功能：模式四是模式三的扩展，这种模式下的系统无需修改架构设计就能硬件扩展以适应大规模客户的服务需要，具备高度可扩展性，模式四虽然具备模式三的优点，但实现起来过于复杂。

三.Saas模式的校本教学资源大平台设计

1.平台系统目标

构建校本教学资源大平台的目的是各高校可通过菜单模式快速搭建独立的资源平台，各高校的教师可将自主完成的教学资源通过平台分级申报、选择性遴选，实现跨校跨地区共享。基于租户模型的校本教学资源大平台系统的目标如下：①运行实例：多租户模式下的校本资源大平台系统，运行一个应用程序实例进程来应答不同高校的资源服务。虽然各个高校在物理上共享同一程序，但每个高校都可以实现各种独立性特征。②数据安全：从数据库的存储、管理、备份角度看，系统的数据属于有机整体。但由于平台服务于多个租赁单位，将通过身份认证技术、访问控制技术、用户数据隔离策略实现诸如用户信息、遴选过程或是敏感资源的隔离。③硬件系统低成本的扩展：由于平台中如课件、视频、动画等的多媒体资源对存储空间、CPU、内存及网络带宽等资源要求高，租赁单位的增减及平台的推广对硬件资源的需求呈指数上升，而平台底层搭建采用的是高校互助式的构建，这就要求硬件支撑在低成本基础上可方便灵活地进行水平扩展。

2.平台框架设计

根据平台系统的目标，结合分析SaaS模式及云计算的特点，以中心高校为主单位，构建SaaS校本教学资源大平台系统（如图1）。该框架下各高校的教师、教务员、专家或是管理员只需通过Web浏览器即可登录平台，完成各种申报、审核、遴选或综合管理所在学校及公共资源等操作，高校无需考虑硬件支持、服务器配置或是代码开发。

元数据服务中心是由资源大平台提供的定制服务功能的中心，也是各租赁单位用户登录后显示的功能服务模块，主要包含：①资源管理模块，可完成校本资源的审核、增加、删除和修改；②用户管理模块，可完成超级管理员、管理员、专家、教务员、普通教师等级别的用户组的权限的设置；⑨遴选管理模块，可实现教务员对所在学院教师资源的审核、专家对于学院或学校推荐的资源进行遴选及管理员对遴选流程的制定等功能；④统计管理模块，可实现资源的各种方式的统计分析（如下载、浏览、收藏等），各租户单位资源数量、大小等属性的统计，用户相关信息的统计分析。另外SaaS校本资源系统服务于多个学校，较传统的资源平台系统需增加租户管理的相关功能，如：租户申请及其服务功能的定制、租户个性化配置管理、租户权限管理等。

3.平台的数据库设计

达到SaaS应用成熟度模型中模式二要求以上的部署方式才是真正意义上的软件即服务，因此多租户模型下的资源大平台实现SaaS的关键技术在于数据库的设计上。当前数据库的设计模式普遍采用以下两种构建模式：第一种为独立数据库的模式，每个租户拥有自己独立的一套数据，元数据将每个数据库与相应的租户关联，这种模式下的安全机制较高，可以防止租户无意或恶意存取其他租户的数据，实现简单但扩展性差：第二种为共享数据库实例，同一数据库中为每一个租户建立一套完整的、相互独立的数据表群，从逻辑上可以实现各租户的数据隔离，但在数据恢复与备份等的实现上比较复杂。

校本资源大平台采用共享数据库实例和数据表的模式，即设计时将所有租户的结构、数据混存于同一个数据表中，在应用系统的各个流程设计、资源内容及用户群等的相关数据表中增加租户ID来标志每行数据所属的单位租户以实现租户的数据隔离；同时建立实现租户功能定制及权限配置的表，在进行查询、修改、删除和统计等应用的执行前，触发调用租户权限授权认证模块，以保证租系统数据的安全独立性。该方法的数据库设计、实现较复杂，但新增租户单位时数据库及数据表结构基本不做改动、即加即用，成本低，并且扩展性好。

4.数据表扩展设计

校本资源大平台采用所有不同应用需求的租户使用同一数据库实例和数据表的设计。为实现扩展如果采用直接在表结构中增加扩展性的属性字段，则会破坏数据表的规范结构，随着使用时间的推长会造成数据表空间资源浪费度呈指数级上升，并引发数据库性能的严重下降。鉴于此，大平台通过建立扩展数据表并结合基础元数据完成系统的数据扩展，实现通用基本数据和个性化扩展数据的分开存储，能较好地避免上述缺陷。扩展数据表设计如图2所示，租户单位“201”要求记录配套教材和制作时间，因此扩展了这两个属性，而租户“202”需要扩展配套教材，通过数据库三个表的连接操作即可快速满足其扩展需要。该模式下即使新增一个租户，也无需对数据库表结构进行修改或是对字段进行增减，满足了不同租户的个性化数据扩展需求。

5.数据存储备份机制

校本资源大平台区别于一些CRM、财务管理或是文献类的系统，数据除了数据库文件外，还有各租户存储在平台上以供授权使用或是共享访问的海量校本教学资源，传统的存储方式无法满足大资源平台下这种呈指数级增长的数据存储的需求。SaaS模式下的校本资源大平台的数据存储采用Hadoop技术的存储方案，它充分利用了集群的高速运算和大容量存储的特点，能够对大量数据进行分布式处理，并具有高容错、低廉部署、高传输率、支持超大数据集等优点，它是由Apache基金会开发的开源、免费的软件框架，其相关程序和应用示例可从Apache网站下载。

由于校本教学资源都是由一线教师制作完成后通过遴选的方式进入大平台，资源来源分散、缺少商业支撑，一旦硬件损坏或是突发情况下数据丢失后的再次收集、恢复都需巨大的人力物力。因此，资源大平台数据的容灾方案从数据库、应用程序和校本教学资源三个方面进行：①校本教学资源数据量大，采用Linux的开源方案rsync与inotify共同工作的模式进行增量备份；②应用程序实例相对稳定，采用虚拟机的镜像备份和定时增量备份相结合；③数据库文件采用开源软件Heartbeat热备和数据库文件定时增量备份、SQL语句定时备份相结合的多重备份模式，这三种数据的备份技术都具有开放、开源和免费等优点。

四.运行实例

根据本文研究的SaaS资源大平台系统框架，采用PHP技术、MySQL5.1数据库开发，在LinuxAS5.3平台上，使用Apache web服务完成了平台的架构。根据用户需求和调研的情况，平台为租户提供教学资源管理模块和用户管理模块，租户也可勾选多媒体资源分级遴选、个性定制、分析统计等功能。该系统的应用中心程序、数据库己在南通大学试运行，为学院、学校各类层次的资源遴选及多层次的资源共享提供服务，系统运行实例如图3所示。

五.总结

作为云计算最为典型应用的SaaS服务，逐步成为信息化建设和应用的主流模式。针对当前各高校为推进优质校本教学资源共建共享过程中出现的问题，提出了基于租户模式下的校本教学资源大平台框架，并在高校现有的人力物力情况下完成管理系统的开发和架构，它为快速建立各类资源平台提供了解决方案。其低成本、高可靠以及快速、便捷的优点也可为降低教育信息化建设的成本及推进校本优质资源的共建共享等方面起到一定的作用。

编辑：李婷