臧宏業(yè)

目前，國內(nèi)各教育組織和高校都在積極創(chuàng)建在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)，學(xué)習(xí)者可以通過現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)在線學(xué)習(xí)，但現(xiàn)有系統(tǒng)模式很難滿足在線學(xué)習(xí)的需求。如，眾多學(xué)習(xí)者同時在線學(xué)習(xí)造成了網(wǎng)絡(luò)擁塞，學(xué)習(xí)資源的管理和學(xué)習(xí)評價也存在諸多問題。解決這些現(xiàn)實問題，普及在線學(xué)習(xí)，成為教育領(lǐng)域關(guān)注的重點。

云計算操作系統(tǒng)vSphere在商業(yè)應(yīng)用的成功，為解決以上問題提供了方法。設(shè)計開發(fā)基于vSphere的交互式自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)，將學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)策略、學(xué)習(xí)方法在教學(xué)設(shè)計理論指導(dǎo)下以有效的方式動態(tài)地組織起來，為學(xué)習(xí)者搭建一個自主學(xué)習(xí)和交互式協(xié)作學(xué)習(xí)相呼應(yīng)的在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

一、云計算與vSphere

1.云計算

云計算[1]定義的關(guān)鍵在于“云”。云是指一組數(shù)量眾多的、互聯(lián)到一起的計算機。這些計算機可以是個人計算機或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，可以是公共的或私有的。對于基于云計算的系統(tǒng)來說，云計算提供了更多的存儲和處理能力來支持構(gòu)建在該平臺之上的應(yīng)用系統(tǒng)，它消除了傳統(tǒng)系統(tǒng)的局限，基于云計算的系統(tǒng)再也不受有限物理資源的約束，并且云計算的成本更低，因為與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)相比，云能更有效地共享資源。[2]

虛擬化技術(shù)用于實現(xiàn)云存儲，它是指計算元件運行在虛擬的基礎(chǔ)上而不是真實的基礎(chǔ)上。虛擬化是資源的邏輯表示，它不會受物理限制的約束，其主要目的是簡化對資源的訪問和對這些資源的管理，它是一個為了簡化管理、優(yōu)化資源的解決方案。[3]

2.vSphere

vSphere是第一款云操作系統(tǒng)，它將數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)變成極為簡化的云計算基礎(chǔ)架構(gòu)，使 IT 組織能夠提供靈活可靠的IT服務(wù)。[4]vSphere使用虛擬化技術(shù)匯總多個系統(tǒng)間的基礎(chǔ)物理硬件資源，同時為數(shù)據(jù)中心提供大量虛擬資源。

vSphere作為云操作系統(tǒng)擺脫了傳統(tǒng)操作系統(tǒng)只能管理服務(wù)器等單一設(shè)備類型的限制，在數(shù)據(jù)中心里，不管是服務(wù)器、存儲設(shè)備，還是網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，它們都將置于vSphere的統(tǒng)一調(diào)度管理之下。同時vSphere能夠更好地進行內(nèi)部云與外部云之間的協(xié)同，構(gòu)建跨越多個數(shù)據(jù)中心，云提供商的私有云環(huán)境將成為其基本功能。[5]

二、交互式自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

針對目前基于網(wǎng)絡(luò)的遠程學(xué)習(xí)在以學(xué)為主的研究性學(xué)習(xí)與交互式協(xié)作學(xué)習(xí)方面的不足，基于云計算與虛擬化技術(shù)，筆者提出了交互式自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)從下到上分為5層，如圖1所示。

圖1 基于云計算的交互式自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

最底層是物理資源層，用來支持基本的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，包括計算機、存儲器、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備、數(shù)據(jù)庫資源等。

第二層是資源池，即虛擬化層，采用虛擬化技術(shù)將各種資源虛擬為資源池，方便管理與使用。虛擬化是適用于所有云架構(gòu)的一種設(shè)計技術(shù)，在云計算中，它主要指平臺虛擬化，或者是對物理資源的邏輯表示。[6]虛擬化允許將服務(wù)器、存儲設(shè)備和其他硬件視為一個資源池，而不是離散系統(tǒng)，這樣就可以根據(jù)需要來分配這些資源。

第三層是管理中間件層，該層是云計算與學(xué)習(xí)系統(tǒng)之間的橋梁，包括用戶管理、映像管理、安全管理、資源管理4個部分。作為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的中間層管理中間件主要的任務(wù)是完成對物理資源與資源虛擬化的管理工作，并作為系統(tǒng)能夠正常運行的保障。

第四層是應(yīng)用系統(tǒng)層，是學(xué)習(xí)系統(tǒng)為實現(xiàn)以學(xué)為主的學(xué)習(xí)體系的各功能模塊，包括學(xué)科創(chuàng)建、探究式自主學(xué)習(xí)、協(xié)作式學(xué)習(xí)、成果展示交流、學(xué)習(xí)成果測試、學(xué)習(xí)評價以及新功能的預(yù)留接口。

最上層是學(xué)習(xí)系統(tǒng)前臺，教師根據(jù)以學(xué)為主的教學(xué)設(shè)計思想建立學(xué)科內(nèi)容和學(xué)習(xí)目標(biāo)，監(jiān)督學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)狀態(tài)并給予相應(yīng)的指導(dǎo)。學(xué)習(xí)者按學(xué)科進入系統(tǒng)，并根據(jù)所學(xué)內(nèi)容選擇探究式自主學(xué)習(xí)和多人協(xié)作實驗交流學(xué)習(xí)。

基于云計算與虛擬化技術(shù)開發(fā)的系統(tǒng)可以實現(xiàn)個人學(xué)習(xí)環(huán)境的定制和使用界面的個性化，從而滿足學(xué)習(xí)者的個性要求和適合特定學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)特征的內(nèi)容聚集。

三、交互式自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)及實現(xiàn)

1.交互式自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)執(zhí)行邏輯

依照設(shè)計，學(xué)習(xí)者使用交互式自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)的執(zhí)行邏輯如圖2所示。

圖2 學(xué)習(xí)者使用學(xué)習(xí)系統(tǒng)的執(zhí)行過程

(1)用戶進入學(xué)習(xí)系統(tǒng)前臺。學(xué)習(xí)系統(tǒng)根據(jù)存儲用戶信息和訪問權(quán)限的數(shù)據(jù)庫來判斷用戶的身份，當(dāng)用戶為教師時系統(tǒng)賦予其教師權(quán)限，進入教師前臺。當(dāng)用戶為學(xué)習(xí)者時賦予其學(xué)習(xí)者權(quán)限，進入學(xué)習(xí)者前臺。教師前臺和學(xué)習(xí)者前臺兩者是相互獨立的頁面，但兩者的內(nèi)容是相互關(guān)聯(lián)的。

(2)對教師而言，學(xué)習(xí)系統(tǒng)首先是對學(xué)科的建立，教師根據(jù)當(dāng)前學(xué)科的學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)目標(biāo)以相應(yīng)的學(xué)習(xí)策略和學(xué)習(xí)方法為基礎(chǔ)創(chuàng)建學(xué)習(xí)資源,在此過程中，學(xué)習(xí)系統(tǒng)提供學(xué)科與資源創(chuàng)建的向?qū)Ш驮敿氄f明，并提供資源創(chuàng)建后的導(dǎo)航，方便教師及時修改與更新。在學(xué)習(xí)過程中，教師要給予學(xué)習(xí)者相應(yīng)的指導(dǎo)并隨時監(jiān)督學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)狀態(tài)。在學(xué)習(xí)者完成學(xué)科內(nèi)容的學(xué)習(xí)時，教師要根據(jù)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)成果進行學(xué)習(xí)評價，幫助學(xué)習(xí)者更好地完成學(xué)科內(nèi)容的學(xué)習(xí)。

(3)當(dāng)學(xué)習(xí)者登錄到學(xué)習(xí)系統(tǒng)，首先選擇所需要學(xué)習(xí)的學(xué)科，根據(jù)已有的學(xué)習(xí)資源并參考本學(xué)科的學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)策略、學(xué)習(xí)方法開始學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，根據(jù)學(xué)科特點學(xué)習(xí)者可以進行探究式自主學(xué)習(xí)和協(xié)作式學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)者還可以通過交流平臺展示自己的學(xué)習(xí)成果，并根據(jù)展示內(nèi)容和其與教師間交流學(xué)習(xí)的情況，提出自己的觀點和問題。在學(xué)習(xí)結(jié)束后學(xué)習(xí)者通過測試的方式來檢驗自己的學(xué)習(xí)成果。學(xué)習(xí)系統(tǒng)會跟蹤學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程并記錄下來，以便更好幫助其學(xué)習(xí)，而且學(xué)習(xí)系統(tǒng)會自動保存學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)進度，方便學(xué)習(xí)者下次繼續(xù)此學(xué)習(xí)過程。

(4)為了方便管理學(xué)習(xí)系統(tǒng)，管理中間件負責(zé)對用戶、安全、映像、資源進行統(tǒng)一管理，管理內(nèi)容(如圖1所示)，管理中間件由系統(tǒng)管理員進行管理。

(5)資源虛擬化過程是對學(xué)習(xí)資源的整合過程，學(xué)習(xí)系統(tǒng)在使用學(xué)習(xí)資源時不需要考慮資源存儲的物理特性，只需要關(guān)注資源的使用，這也是云計算的一大特點。在這里資源虛擬化是通過云操作系統(tǒng)vSphere來完成的。

2.交互式自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)實現(xiàn)

圖3從邏輯上描述了vSphere下的交互式自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并給出了系統(tǒng)實現(xiàn)方案。

圖3 基于vSphere學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計

由圖3可以看出，整個學(xué)習(xí)系統(tǒng)是以vSphere為基礎(chǔ)的。教師與學(xué)習(xí)者使用Web瀏覽器與學(xué)習(xí)系統(tǒng)交互，學(xué)習(xí)系統(tǒng)通過vCenter Server提供的數(shù)據(jù)中心服務(wù)來管理和使用位于虛擬機群的學(xué)習(xí)資源庫中的學(xué)習(xí)資源。[7]

交互式自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，教師和學(xué)習(xí)者在創(chuàng)建和使用學(xué)習(xí)資源時，首先通過Web瀏覽器訪問學(xué)習(xí)系統(tǒng)，學(xué)習(xí)系統(tǒng)使用vCenter Server創(chuàng)建書簽，書簽會先指向vSphere Web Access。vSphere Web Access解析虛擬機的物理位置，并將Web瀏覽器重定向至虛擬機所在的ESX/ESXi，實現(xiàn)教師和學(xué)習(xí)者通過Web瀏覽器訪問虛擬機控制臺來創(chuàng)建與獲取所需學(xué)習(xí)資源。

學(xué)習(xí)系統(tǒng)通過vSphere API(第三方產(chǎn)品和應(yīng)用程序接口)連接到vCenter Server。vCenter Server用于集中管理數(shù)據(jù)中心，它提供基本的數(shù)據(jù)中心服務(wù)，如訪問控制、性能監(jiān)控和配置功能，它將各服務(wù)器端的資源統(tǒng)一在一起，使這些資源在整個中心的虛擬機之間共享。vCenter Server根據(jù)系統(tǒng)管理員設(shè)置的策略，管理虛擬機到服務(wù)器的分配，以及資源到給定服務(wù)器內(nèi)虛擬機的分配。它包括用戶訪問控件、核心服務(wù)、分布式服務(wù)、插件以及各種界面。

分布式服務(wù)可將vSphere的功能擴展到單個物理服務(wù)器之外，它可以將多個vCenter Server系統(tǒng)組合到單個連接組中。如果vCenter Server主機是連接組的一部分，則可以查看和管理該組中所有vCenter Server主機的清單。vMotion、Storage vMotion、DRS、存儲 I/O 控制、HA和容錯都是分布式服務(wù)，它們可自動有效地管理資源，并實現(xiàn)虛擬機的高可用性。

核心服務(wù)是虛擬數(shù)據(jù)中心的基本管理服務(wù)，它主要包括主機和虛擬機配置、虛擬機置備、事件管理和警報、任務(wù)調(diào)度程序、統(tǒng)計信息日志記錄、資源和虛擬機清單管理。vCenter Server通過數(shù)據(jù)庫接口與Oracle、Microsoft SQL Server或IBM DB2相連，用于存儲信息(如虛擬機配置、主機配置、資源和虛擬機清單、事件、性能統(tǒng)計信息、警報、用戶權(quán)限以及角色)。

ESX/ESXi是在物理服務(wù)器上運行的虛擬化層，它將處理器、內(nèi)存、存儲器和資源虛擬化為多個虛擬機。[7]vCenter Server通過vSphere API與ESX/ESXi主機代理進行通信。當(dāng)?shù)谝淮螌⒅鳈C添加到vCenter Server時，vCenter Server將發(fā)送一個vCenter Server代理到該主機以轉(zhuǎn)發(fā)并執(zhí)行由vCenter Server指定的資源分配決定,它還將虛擬機置備、配置更改命令和主機配置更改命令傳遞給主機代理，并從主機代理收集性能統(tǒng)計信息、警報和錯誤狀況，并將其發(fā)送給vCenter Server。

HA(High Availability)可為虛擬機提供高可用性的功能。HA 監(jiān)控群集內(nèi)的所有物理主機并檢測主機故障。位于每個物理主機上的代理會維護資源池中其他主機的檢測信號,如果檢測信號丟失，將啟動如下過程：重啟其他主機上所有受影響的虛擬機。HA還提供用來監(jiān)控HA群集內(nèi)虛擬機狀態(tài)的虛擬機監(jiān)控功能。如果虛擬機沒有在指定時間內(nèi)生成檢測信號，“虛擬機監(jiān)控”就會認為該虛擬機發(fā)生了故障并重新啟動該虛擬機。

大量的學(xué)習(xí)資源對服務(wù)器來說是一個很大的負擔(dān)，增加了硬件設(shè)備的投入。從圖3中可以看出將學(xué)習(xí)系統(tǒng)構(gòu)建在vSphere云平臺之上，通過vSphere這個業(yè)界最可靠的數(shù)據(jù)中心虛擬化平臺，使建立在此平臺之上的學(xué)習(xí)系統(tǒng)在最低的成本投入和現(xiàn)有設(shè)備的重用的基礎(chǔ)上具備最高級別的可用性和響應(yīng)速度。通過將系統(tǒng)的功能實現(xiàn)與底層硬件分離來實現(xiàn)前所未有的可靠性和靈活性，使學(xué)習(xí)者與教師在使用系統(tǒng)的過程中工作負載均能夠以最低的總體成本履行最高級別的應(yīng)用程序服務(wù)協(xié)議。

四、總結(jié)

基于vSphere云操作系統(tǒng)開發(fā)的交互式自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)，可以在資源最大利用率的基礎(chǔ)上節(jié)約成本，不需再投資購買昂貴的硬件設(shè)備，負擔(dān)頻繁的維護與升級。同時，對于交互式自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)來說，最重要是支持學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)資源，學(xué)習(xí)資源儲存在云端，云平臺將提供專業(yè)、高效和安全的數(shù)據(jù)存儲。

本文在進行云計算與虛擬化技術(shù)的研究之上，對基于vSphere的交互式自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)做了詳細的總體結(jié)構(gòu)分析和系統(tǒng)設(shè)計，進一步提出了學(xué)習(xí)系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，但由于基于云計算與虛擬化技術(shù)的系統(tǒng)開發(fā)在國內(nèi)還處于起步階段，基于vSphere的交互式自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)還需要科研人員投入更大的精力來完成。

[1] Michael Miller．云計算[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2009：4-5．

[2] 王鵬.走近云計算[M] ．北京：人民郵電出版社，2009：35-37．

[3] 蔣海鷗. 虛擬化在中國[J]．程序員, 2010(1)：25-26．

[4] Edward Haletky．VMware vSphere技術(shù)指導(dǎo)手冊[EB/OL]．[2010-09-14]．http:∥ishare.iask.sina.com.cn/f/100094 68.html?from=dl&retcode=0．

[5] 楊曉勇．vSphere 4不一樣的操作系統(tǒng)[EB/OL]．[2010-01-04]．http:∥virtual.it168.com/a2009/1231/831/000000831576.shtml．

[6] 何偉照.隨想“云計算”在互動電視上的商業(yè)應(yīng)用[J]．衛(wèi)星電視與寬帶多媒體，2009(8)：55-58．

[7] ESXi 配置指南 [EB/OL]．[2010-08-06]．http:∥www.docin. com/p-57302575.html．