基于Hadoop技术的远程教学智慧云平台设计

王晓晗

(咸阳师范学院 数学与信息科学学院, 陕西 咸阳 712000)

0 引言

信息技术的高速发展以及云计算技术的普及，为教育领域的信息化建设提出了新的技术方向[1]。当前各级学校以及各类开展远程教育的教学机构所应用的教育平台规模较小、结构各异且互相独立，导致了大量优质教学资源的浪费，不利于教学水平的快速提升[2]。为了解决这些问题，本文在Hadoop数据库技术的基础上设计了一种智能教育云平台，利用Hadoop集群的数据存取优势和云计算的数据处理能力整合各类教育资源并实现了大范围共享，通过教育存储、远程课堂、教务管理、教育门户等服务实现了资源存取、在线教学、用户管理和教育单位内的资源整合。本平台的设计思路能够为智能教育平台的技术应用提供有价值的参考。

1 总体设计

1.1 框架设计

智能教育平台通过应用服务、平台构建、基础设施3个结构层来实现其服务功能，平台逻辑架构如图1所示。

图1 智能教育平台逻辑架构

平台基于应用服务层与用户进行可视化交互。利用Jquery、Bootstrap、HTML5等技术开发出了功能全面、交互友好的客户端显示界面。平台所有的应用服务都由云服务中心集中管理，在处理用户访问请求时服务中心会根据身份与权限为其分配对应的资源。

基础设施层为平台提供软硬件运行环境。在该层中，基于虚拟技术整合了PC集群、数据库服务器、高速集成网络等硬件设备，基于分布式框架、编程语言、Web服务器等技术实现软件运行环境，为平台运行提供了基本保证。

智能教育平台的物理结构如图2所示。

图2 智能教育平台物理架构

平台采用高速交换机与路由器构建集成网络，通过VMWare虚拟化技术创建多个网络节点。

平台基于Heartbeat对PC集群进行统一管理并通过Nginx来均衡其资源负载量，以多节点同时处理的方式来应对大量访问请求的涌入[3]。本平台采用Hadoop架构来满足海量数据信息的存储与计算需求，同时通过MySQL数据库实现了扩展数据库环境，以节点的冗余和切换来保证数据信息的读取和写入。

1.2 云服务中心设计

云服务中心是智能教育服务平台与用户进行教育信息交互的纽带，对平台服务和用户实行双向管理，其结构如图3所示。

图3 云服务中心结构示意图

云服务中心包含用户和服务2个功能模块。用户需要通过注册获取合法的访问身份，用户登入平台后，用户模块为其附加一个Ticket认证标志，平台在处理用户的请求时根据Ticket验证用户身份和访问权限。在服务模块中，通过服务注册确定服务的接口地址，描述服务的形式与内容；通过服务授权验证用户身份、权限及服务绑定情况；通过服务管理平台管理员可根据实际需求创建或删除资源服务。本文的结构和流程对云服务中心进行核心类设计,如图4所示。

图4 云服务中心核心类结构设计

由图4可知，平台服务通过Service Center向用户提供，由App Service和User Service完成服务项目。将User Service设计为公共类，利用get User Config接口为不同身份的用户分配不同的权限，用户的资源访问请求则由Search Service接口为其提供资源地址。

《政府会计制度》强化了财务会计功能，扩大了资产负债核算范围，在财务会计要素中新增了“其他货币资金”“预提费用”“待摊费用”“长期待摊费用”“研发支出”“应收股利”“坏账准备”“应付利息”“预计负债”“非同级财政拨款收入”“投资收益”“捐赠收入”“利息收入”“租金收入”“资产处置费用”“权益法调整”“本期盈余”“本年盈余分配”“无偿调拨净资产”“以前年度盈余调整”等科目。《政府会计制度》进一步完善了预算会计功能，在预算会计要素中新增了 “债务预算收入”“非同级财政拨款预算收入”“投资预算收益”“投资支出”“债务还本支出”“资金结存”等科目。

2 平台功能设计与实现

2.1 教育存储服务

本平台的教育存储服务功能基于Hadoop分布式架构在存储集群中的应用而实现，其结构模型如图5所示。

图5 教育存储服务结构模型

存储服务的对象包括平台管理员和普通用户2个部分。平台管理员负责教育资源的统计、整合与分类，并为其分配动态存储空间，同时有权对其他用户的信息和权限进行编辑；普通用户又分为教师、学生、教育管理者等，按照角色的不同在平台中进行教育资源的录入、下载、管理等操作。

教育资源的存储服务由Storage Service提供，由App Service和User Service完成服务项目。由Manager Service、Ext Resource Service、Dictionary Service Service、Storage Service Resource Servicr实现具体功能。其中,Resource Servicr负责数据的管理和存取，Storage Service为用户个人空间创建目录树，Ext Resource Service允许按需求对资源进行整合与扩充，Manager Service满足平台管理员的管理需求。

2.2 远程课堂服务

远程课堂服务功能由远程教学和在线考试2个部分组成。教师用户拥有自己的远程教学空间，能够通过远程课堂进行在线教学，录制教学视频并进行上传，此外，教师用户通过本平台可以组织进行在线考试。学生用户则可以借助该功能在线听课，下载教学视频和课件。

本文对远程课堂服务进行核心类实现的结构和流程如图6所示。

图6 远程课堂服务核心类结构设计

远程课堂服务通过Online Service提供，由Online Exam Service和Online Class Service实现具体功能。Online Class Service负责提供远程课堂环境，通过RTSP协议发起或结束在线视频会话；Online Exam Service负责在线考试环境的创建，为学生提供答题接口。

2.3 教务管理服务

教务管理的主体是学校和各种开展远程教学的教育机构，该项功能主要用于远程教育的组织和管理。教务管理服务功能由信息管理、课程管理、成绩管理3个部分组成，学校或教学机构的教务人员对其所管辖范围内的师生信息进行管理，在平台中发布教学任务和课程表，学生依据教学课程设置进行报名和在线学习并参加考试，教师可以公布考试成绩并根据考试情况进行教学总结。

本文对教务管理服务进行核心类实现的结构和流程如图7所示。

图7 教务管理服务核心类结构设计

教务管理服务通过Edu Admin Service提供，由Mark Service、Class Service和User Info Service实现具体功能。User Info Service用于教务人员对师生信息的编辑和更新；Class Service用于在线教学课程的发布；教师通过Mark Service对成绩和答题情况进行统计和发布，学生通过其getMark接口进行成绩查询。

2.4 教育门户服务

教育门户服务的具体功能是整合教育单位中各站点的教育资源，将其视为一个整体向用户提供资源服务，其结构设计如图8所示。

图8 教务门户服务结构设计

教育门户服务由站点群和管理平台两个模块实现其具体功能。每个教育单位都拥有一个独立的站点空间用于资源的存储和业务的处理，由教育单位指定的管理员对教育资源按其自身特色进行集中的统计与分类。

本文对教务管理服务进行核心类设计的结构和流程如图9所示。

图9 教务管理服务核心类结构设计

教务管理服务通过Content Service提供，由Page Service、Plate Service、Site Service和Template Service实现具体功能。Template Service负责配置站点模板，其它3类服务则分别用于内容、板块、站点的创建，完成各级数据的CURD处理。

3 平台技术实现

3.1 服务接口

本文将平台的服务接口设计为具有REST风格的接口。具体流程[4]：将Apache CXF制定的JAX-RS规则应用到Spring MVC模式下的application Context-server.xml配置文件中；通过定义@Path注解创建资源标识符URI；在通过@DELETE、@PUT、@POST、@GET注解建立不同方式的HTTP指令的基础上，对应到各种资源处理业务[5]；利用@Produces实现对JSON- MIME类型的支持。该过程的部分执行代码如下。

在完成对application Context-server.xml文件的配置后，服务接口的形式即转换为REST Web Service。该过程的部分执行代码如下。

接口服务形式确定后，用户即可对资源进行访问。基于Web Client对象的编程能够实现平台其余各项服务与服务接口的通信。

3.2 业务逻辑

本平台的业务逻辑基于Service编程进行实现，将各Service所具备的实际功能划分成Check Param与Process两个部分，其中Check Param用于验证用户权限以及访问请求的合法性，Process用于按照访问请求进行业务处理[6]。业务逻辑的实现流程如下。

3.3 数据持久化

本平台基于Hbase进行数据的存储与处理，以HBase Dao对Hbase的操作进行封装，进而完成数据库的通信、事务、基本CURD等过程，在对此类进行继承的基础上实现各类数据模型的持久化。该过程的部分执行代码如下。

4 平台应用测试

本平台的应用测试主要考核平台的资源负载能力。第一步是检验平台Hbase的负载能力，向Hbase中批量载入百万数量级的教育资源数据，利用专项测试工具分别进行random Write、random Read、sequential Write、sequential Read测试，结果如表1所示。

表1 平台Hbase负载测试结果

由表1可见，Hbase数据库足以应对海量数据信息的存取，能够为本平台提供性能优异的数据存储环境。

第二步是基于Webbench检验教育存储服务和教育门户服务的负载能力，其余各项服务的测试流程与之基本相同。选取以上两种服务所涉及的服务接口各3个，通过平台客户端在60 s内持续输入并发指令，记录该段时间内平台的资源输出数量，应用测试结果如图10所示。

图10 平台Hbase负载测试结果

由图10可见，在高并发指令输入的条件下，服务能够稳定的得以执行，输出量并无明显变化，可见平台的服务具有很高的负载能力。

5 总结

为了有针对性地解决当前各种教育平台所存在的规模小、共享度差的问题，本文提出并设计了一种基于Hadoop数据库技术的智能教育云平台。介绍了由应用服务、平台构建、基础设施3个结构层所组成的平台框架，详细阐述了教育存储、远程课堂、教务管理、教育门户等服务功能的设计与实现过程，通过平台测试验证了平台优异的负载能力，为同类平台的研发提供了一定的技术参考。