【摘要】文章介绍了教育信息化的现状和存在的问题，引入了云计算概念和层次结构思想，根据已有云计算分类方法，进而提出了更细致的分类方法，为单位自建基于云模式的信息系统所采用架构提供了依据。论述了高校教务管理及信息系统云模式架构的设计思想。以我校为例，设计了基于云模式的教务管理及信息系统的架构，总结了云模式设计思想的特点。
【关键词】云模式；云计算；云端；教务管理；信息系统
【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009—8097(2012)06-0098-04
一 引言
教育信息化是一个不断创新、不断应用的过程，信息技术在教学活动及教务管理中得到了普遍应用。《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》第十九章明确提出加快教育信息化进程，指出“构建国家教育管理信息系统，制定学校基础信息管理要求，加快学校管理信息化进程，促进学校管理标准化、规范化”。为此，各高校在积极在推进教育信息化建设过程中做了大量的工作。
目前各个教育信息系统多是以独立系统形式存在，由此产生5个问题。(1)软硬件资源重复投入，各个系统相互独立，没有统一利用：(2)数据存储不统一，各系统都是以信息孤岛形式存在，没有统一的数据表示和存储标准；(3)数据内容不一致，来自多个系统的同类数据可能出现不一致，造成信息检索困难与统计不准确；(4)多点登录，用户登录多个系统时必须用不同的账号和密码，造成使用困难；(5)信息系统资源利用率不平衡，由于各个系统相互独立，硬件及网络资源不能共享。因此必须采用一种新技术架构，以解决上述问题。
二 云计算发展现状
计算机网络技术自诞生之初，信息共享的广度和高利用率、硬件资源共享的成本最小化、数据传递的速率最大化是无数科技工作者永远追求的目标。近年来，由于网络服务的海量增加，单台或多台服务器集群已经不能满足服务需求，由此应运而生了云计算。
1 什么是云计算
维基百科的定义是“一种基于互联网的计算，在其中共享的资源、软件和信息以一种按需分配的方式提供给计算机和设备，类似日常生活中的电网”；美国加州大学伯克利分校、IBM等研究机构也都对云计算做出了定义。根据McKinsey公司的研究，至少有22个云计算的定义。这说明云计算的研究和应用还处于起步阶段，尚未形成一套成熟的体系。
2 云计算的层次结构
云端体系又可根据云计算的服务类型分为三类云计算服务，即基础设施云(Infrastructure Cloud)、平台云(PlatformCloud)和应用云(Application Cloud)。对于云计算提供商来说，以三种云对外提供的服务可表述为IaaS(Infrastructure-as-a-Service，基础设施即服务)、PaaS(Platform-as-a-Service，
平台即服务)和SaaS(Sottware-as-a-Service，软件即服务)。如图1所示，三类云计算服务具有层次关系同时又相互独立。
3 云计算的分类
(1)按云计算架构的用途划分
按云计算架构的用途划分，可分为私有云(PrivateCloud)、公共云(PubficCloud)和混合云(HybridCloud)。
(2)综合云计算的层次和用途划分
如果综合考虑云计算的层次和分类，可进一步划分为9种云模式，如表1所示。从用途角度看，私有类云、公共类云和混合类云都可隶属于三个层次；从层次角度看，基础设施类云、平台类云和应用类云又可隶属于三个用途。在信息系统建设过程中，各单位可根据自身的业务需求和成本综合考虑采用合适的云模式。高校自建的信息系统应属于私有应用云模式。
三 教务管理及信息系统云模式设计思想
云模式设计理念就是分层设计、虚拟化硬件和模块化应用系统。如图3所示，教务管理与信息系统核心架构可分为基础设施层、平台层和应用云三层结构。
对于硬件资源来说，大型机群和服务器群统一管理，利用虚拟化等技术将计算能力分别划分给相应的操作系统；存储设施按数据种类分区存储，如系统数据库、多媒体文件和其它类型数据分别部署在不同存储区域，建立统一索引；网络设施以网络设备和光纤为载体连接计算和存储设备。
操作系统根据应用需求采用不同的产品，UNIX系统性能高且稳定，可用于小型机或工作站等高性能服务器，适用于计算能力要求高的应用，如数据库系统；Windows体系通用性强，结合Java运行和开发环境，适用于应用系统中间件的部署及界面设计；LINUX系统可应用于一些特殊的部署。
应用云设计思想考虑分割各个信息子系统，抽取共同的数据，设计基础数据管理模块，再分别设计各子系统。根据系统需求分析，采用合适的开发技术架构，如Java体系或Microsoft.Net体系。所有功能以SaaS服务模式的提供对外接口，根据用户角色定制相应的服务。
四 我校教务管理及信息系统架构设计
作为国内知名的综合性大学，其教务管理复杂性、数据海量性、教学资源多样性等都对构建系统提出了挑战。我校分为两个校区，如何利用网络协同办公、提高管理水平、共享优质教学资源是一个亟待解决的问题。云计算的特点体现计算集中、资源分布，正适合分校区的需求。因此，我们基于云计算模式设计了本科教学管理与信息系统的架构，如图4所示。系统建设由教务处主持，建成覆盖两校区服务于本科教学的综合性管理及信息系统。该系统采用云计算模式，属于部门级私有应用云，分为基础设施层、平台层、应用云和表示层四层结构。
1 基础设施层设计
基础设施层是保证整个系统性能的基础，是系统发挥功能的硬件保障。基础设施层分为两个子层，分别是硬件资源子层和虚拟化软件管理子层。硬件资源子层涉及该系统的全部硬件资源，包括高性能计算机、国际著名品牌服务器、小型机、SAN(Storage Area Network)设备以及路由器、交换机等网络设备，分别以一定的架构部署在主校区和分校区，通过专用高速光缆连接。虚拟化软件管理子层将这些设备统一管理，根据需求划分给不同子系统，并且根据不同时段用户访问量弹性配置如计算能力、存储空间、网络信道带宽等资源的额度。 2 平台层设计
平台层设计主要是根据系统的技术需求分析确定要采取的操作系统平台和软件开发技术架构，分别部署在由基础设施层划分出来的用于不同用途的虚拟服务器主机上。由于我校办学规模大，涉及的数据结构复杂、数据量大，因此采用Oracle数据库部署在UNIX平台上；业务逻辑采用中间件架构，考虑其逻辑功能复杂性，采用Java技术体系，部署在Windows平台上；个别特性需求业务部署在LINUX平台上。
3 应用云及表示层设计
府用云设计是本系统的核心部分，全部功能都由此实现。由图4可知，应用云包括教务信息子系统、教务OA子系统、教务管理子系统、实验管理子系统、网络教学子系统、教学资源制作子系统和系统登录及公共信息管理模块。应用云的技术实现是通过把所有子系统功能业务逻辑以中间件实现，通过对外服务形式(如Web Service)与用户角色接口。
(1)系统功能综述
系统全部功能由7个子系统来实现，分述如下。
教务信息子系统以教务处网站为依托，是教务处对外的窗口。包括常规静态信息，如机制设置、规章制度等；动态信息发布功能是发布信息和通知、提供教务表格下载、相关文件法规下载、发布校历等，后台通过授权用户角色以实现各种权限，所有要发布的信息都通过网络由相关领导审核。
教务OA子系统是实现教务处内部无纸办公业务流程。以工作流技术实现任务流转，每个节点有相应的审核制度。
教务管理子系统是实现全部教务管理业务，包括教学计划制定、排课表、学生选课、教师登录成绩、查询成绩及相关信息统计与查询等功能，该子系统实现教务处办公的核心功能。
实验管理子系统针对全部实验教学设计，整合学校六大实验平台，统一管理，完成在线实验报告提交、审查及录入成绩等功能。
网络教学子系统实现网络教学功能，教师上传课件等课程相关信息，实现网上答疑、在线作业及在线考试等功能。
教学资源制作系统主要是把各类教学资源制作集成到本系统中，先期集成课程录播系统，实现课程录播系统与网络教学子系统的无缝对接。
系统登录及公共信息管理模块实现全系统安全验证和所有公共信息管理。系统登录管理通过设计密码加密及角色审核等技术实现应用级系统安全性；公共信息管理包括用户管理、基础数据管理(如院系、学科、课程、教师、学生等数据)、定制服务等功能等。
(2)服务接口设计
所有系统功能都按需求分析设计成粒度大小不等的服务，由相关用户角色定制。技术实现采用Web Service等技术架构。
(3)表示层与用户角色设计
表示层采用GUI用户图形界面和基于Web的浏览器实现，根据用户角色分别部署。用户角色包括系统管理员、校领导、教务处领导、教务处工作人员、院系工作人员、教师和学生，用户以角色形式定制SaaS提供的服务，由系统管理员统一授权。
五 教务管理及信息系统云解决方案的特点
高校教务管理及信息系统是一个面向广大学生、教师和管理人员的复杂的系统工程。由于功能强大、业务复杂、数据量大等特点，采用合适的架构是一下值得深入研究的问题。如何做到科学管理、如何方便用户使用、如何高效利用资源、如何使系统设计最优化等问题在研究中必须统一考虑。云计算的分层结构、虚拟化、弹性配置及SaaS的设计架构都可以解决复杂的系统问题，具有不可比拟的优点。
1 基础设施高利用率
原来的信息系统多是基于B／S或C／S模式独立存在，利用云技术把所以服务器整合后，统一使用，配以光纤存储及网络设备，设备的计算及存储能力提高到了原来的2.5倍。
2 硬件资源弹性配置
通过对硬件资源进行虚拟化，对不同计算复杂度的子系统弹性划分不同的计算能力、存储空间和信道带宽。如在教务系统选课高峰，全部硬件资源利用率达到80％，满足了压力需求，较之以前独立系统资源利用不平衡有了极大改善。
3 多平台优化组合
针对本系统的不用应用，采用不同的平台和开发体系，如数据库采用Oracle部署在UNIX平台上，中间件采用Java体系部署在Windows平台上，表示层采用Microso，Net体系，较之原来系统架构不合理的情况有了极大改善。
4 应用系统模块化
教务管理与信息系统是一个包含多个子系统的复杂系统，在建设过程中需求也会发生一定的变化，将系统功能设计成粒度大小不等的服务，以SaaS形式提供，改善了因需求变动产生的后续开发困难。
5 数据统一管理
把原来信息孤岛中数据统一到云数据中心，按照国家有关的数据标准，采用统一的存储格式，确保了数据的一致性和正确性，去掉冗余及错误数据近5％。
基于云模式的教务管理及信息系统设计综合考虑了硬件设施的高效利用，采用了适应的系统平台和软件开发架构，以中间件及WEB服务等技术实现系统功能。目前基础设施架构已经初步建成，平台基本部署完毕，数据设计完成。先期教务管理子系统及公共信息管理功能初步完成。系统建成后，将实现科学管理、信息统一、决策支持等功能，为本科教学的高质量提供保障。
编辑：小西