云计算环境下高校数字化体育教学资源管理平台的 设计与实现

云计算环境下高校数字化体育教学资源管理平台的
设计与实现
摘要：借助云计算的特点、服务方式、层次结构和关键技术理论，针对高校数字化体育教学资源管理平台空白这一现况，从用户接口模块、虚拟网络模块、数字化集成管理模块、云存储节点模块的角度，对高校数字化体育教学资源管理平台的设计与实现提出了一些技术性的措施和方案。

主要研究结论如下：选定非阻塞式（NIO）技术框架中的Netty开源框架实现用户接口模块；虚拟网络模块的实现可以采用System、Static、Managed三种资源配置方式；数字化集成管理系统采用J2EE技术，实现平台使用java ant工具开发实现Web Service；借助重复数据删除技术、hsm技术连续数据保护、容灾技术，选择LVM机制来设计实现云存储节点模块。

关键词：云计算环境；体育教学资源；管理平台；数字化
一、问题的提出
随着高等教育信息化的快速发展，校园门户网站与办公自动化OA系统也日臻完善，大量的体育教学与科研的信息资源为推进高校体育教育改革提供了珍贵的教学资料。

充分利用网络信息平台来开发和利用体育信息资源，提高体育知识信息的更广域范围内的交流与共享，不断提升我国高校体育教育的质量与效益，已成为了知识经济时代对体育教育的客观要求。

但是，由于我国高校体育教学资源建设缺乏规范性，没有统一的数字化管理平台，现行的体育教学资源分布不均，各高校之间的共享渠道尚未开放。

加之，很多高校为了维护本校网络管理系统的安全性，一些入口进行屏蔽或增加设置权限，导致校内的数字化体育教学资源不能进行跨区域查询，滋生了体育知识信息无法共享的“资源孤岛”现象。

云计算（cloud computing）作为一种新型数据密集型计算模式，通过Internet服务方式，以“用户”为中心，将数据存储在“云海”之中，把存储数据存放到“云”中的各个节点，这样Internet就成为了“数据存储”和“数据计算”中心。

[1]借助Internet传输能力把数据信息转移到网络计算机集群，并由大型的数据处理中心负责管理，数据中心按照客户需求来分配计算资源，这样网络用户就可以随时随地方便、快捷地获取资源或与他人分享资源。

因此，本研究针对我国高校体育教育信息化建设过程中存在的问题，结合云计算的相关理论和技术，来搭建高校数字化体育教学资源管理云计算平台，试图探索一种适合我国高等教育发展实际的体育教学资源管理模式，实现数字化体育教学资源的规范与整合，构建一个高性能的基于云环境的虚拟化资源公共服务平台，为校际间体育教学知识信息共享提供服务。

二、云计算环境的相关理论概述
（一）云计算的特点
云计算环境的特点首先具有超大规模性，2010年5月Google发布了Google Storage for Developers，Google拥有100余万台“云”端服务器，并提供存储数据服务。

Amazon、IBM、Yahoo等“云”端服务器也有几十万台，这也使云具备了超强的存储和计算能力；[2]其次，云计算有虚拟化的特点，可以把IT资源、操作系统、存储网络和软硬件置于云平台进行统一管理，用户可以任意位置使用各种终端获取云服务，而不必担心服务的具体位置；第三，云计算的安全可靠性。

云端服务器由专门的技术人员负责管理、存储数据，并且云中心的数据分布在多个节点上服务器，由多个备份数据，即便是中心数据被删除或破坏，终端PC 机硬、软件突然出现故障，也不会影响到用户对数据的调用，保证了系统较高的安全、可靠性。

第四，服务可计量化。

云端服务器在提供服务的过程中，可以通过计量的方法来控制、优化资源，以满足不同的客户服务类型。

（二）云计算的服务方式
云计算面对Internet用户的服务方式分为三种类型（见图1）：公有云、混合云和私有云。

[3]公有云(Public Clouds)通常是通过Internet网络由第三方提供商公开为企业或用户提供共享使用的云环境，其作为一种普遍使用的计算系统，可以通过网址导航系统搜索数据，在博客、微博中免费分享信息、联机聊天等服务。

公有云作为一个支撑平台，通过上游增值业务服务提供给下游客户端，同时，用户也可以把数据转移到公开式的云计算系统上，以创造新的价值链和生态系统；混合云（hybrid Clouds）是目标架构中公有云和私有云的结合，因为考虑到信息安全的因素，并非所有的信息都要放在公有云架构中，这样就为私有云提供了向私有云转移的信息平台；私有云(Private Clouds)是为客户独立享用而搭建的平台，可以向有访问权限的客户提供所需的数据信息和服务，可以部署在企业数据中心的防火墙内，多数以Cobol，C，C++和Java静态语言编写为主，能够利用企业现有的硬件资源来构建云，从而有效降低了企业的cost。

如Sun ，IBM云计算提供商可以设置企业数据中心的专用云。

公有云
私有云
混合云
Internet用户企业或组织Internet用户
图1 云计算的服务方式
（三）云计算的层次结构
云计算的层级结构可分为应用层、平台层和基础设施层三个层次，不同的层次具有不同的服务类型（见图2）。

其中，基础设施层主要是用户通过Internet向用户提供存储空间、网
络连接、负载均衡和防火墙等，并从虚拟化的硬件设施资源（计算、存储、网络资源）获得服务，从而向外部提供动态、灵活的基础设施服务，以及内部流程自动化；云计算的平台层为应用层和基础设施之间的层次结构，为云计算环境提供开发、运行、管理和监控环境，以满足云计算平台的可伸缩性和安全性；云计算的应用层是云应用软件的集合，应用的种类包括满足用户的日常办公需求，提供可定制的解决方案和创新型应用，一般在公有云平台上搭建[4]。

在云计算环境中，每一个层次架构都可以单独为用户提供服务，并出现了IaaS、PaaS、SaaS三种服务类型，以满足不同类型云计算的服务方式。

公有云
私有云
混合云
应用层
软件即服务（Software-as-a- Service）
平台层
平台即服务（Platform-as-a- Service）
基础设施层
基础设施即服务（Infrastructure-as-a- Service）
图2 云计算的层次结构
（四）云计算的关键技术
云计算作为以数据为中心的密集型计算方式，主要的关键技术包括：（1）海量数据信息分布式存储技术，是采用冗余存储的方式，借助可靠的软件来弥补硬件的不足，以满足大量用户的实际需求。

云计算的数据存储系统主要有Google File System和Hadoop Distributed File System；（2）数据管理技术。

云计算数据管理技术是为了高效地对大数据集进行管理，通常采用列存储的数据管理方式，以保证在海量的数据中找到特定的数据，如：Google的Big Table，以及Hadoop开发的开源数据管理模块HBase；（3）分布式资源管理技术是为了保障系统的正常运行，在多个节点之间同步并发执行，当关键节点出现故障时能够进行自动迁移服务，如：Google的Chubby；（4）云计算平台管理技术是云计算的神经网络，为了保障服务器协调工作，发现和恢复系统故障，开展业务部署，实现大规模运营管理所需要的技术。

因为，一个系统的服务器数量较大，有时需要跨越不同物理地点的数据中心，那么，为了保障系统能够长时间不间断的提供服务，Googl云计算平台管理技术维持全球上百万台PC服务器的协同、高效运行就离不开该项技术。

三、高校数字化体育教学资源管理平台的设计
高效体育教育信息化的发展离不开数字化资源管理平台。

我国地域广阔，民族众多，由于受到区域文化的影响，形成了多样的民族传统体育文化，这也导致了不同地域高校之间的体育教学资源信息之间的差异性。

另外，不同高校之间最新学术成果、教学成功经验、学校
精品课程等信息资源在更广域范围内的合作与交流，这就需要从云计算环境的角度构建全国高校数字化体育教学资源公共服务管理平台，这样才能实现我国高校体育教学信息资源的共享。

（一）总体设计
Ungeo LightIT 是基于IT 设施上实现可扩展、效率优化的公有云、私有云及混合云，可以与Amazon 的EC2和S3公共云进行无缝互操作。

云平台管理包括云控制器（UCLC ）、简单存储（US3）、集群控制器（UCC ）、存储控制器（USC ）和节点控制器（UNC ）五个组件。

[5]根据不同控制器的功能，本研究基于云计算环境的高校数字化体育教学资源管理平台分为四个模块（见图3）：用户接口模块、虚拟网络模块、数字化集成管理模块、云存储节点模块。

云存储节点可以按照院校的性质划分为体育院校和综合类院校两类，当然也可以根据省份或学校的区域来进行划分，并在网址页面设置为一级类目导航。

云计算节点用户接口体育院校
防火墙Internet 网
络
集成管理服务器综合类院校云存储节点
图3 高校数字化体育教学资源管理平台的总体设计结构示意图
（二）用户接口模块设计
高校体育教学数字化教学资源管理平台用户接口提供基于云平台的Web 服务，并通过接口进入全国高校体育教学数字化信息平台，并将请求传递给正确的平台组件，收回响应并发送回客户机。

高校体育教学数字化资源管理平台用户接口模块需要具备两个方面的功能，即：计费管理和运营系统。

计费管理需要向高校收取一定的费用应用于网站维护，收费的方式通过云计算的方式读取资源的使用及用户定制虚拟机的参数值来显示收费情况；运营系统主要是用以管理维护物理资源，接受、执行各服务器节点来自上层管理节点的命令，并接过反馈到管理节点，最终通过浏览界面显示系统资源状态及运行情况。

该系统的设计包括读入控制命令，在物理机上部署检测软件，显示各节点物理机的运行情况、网络状态、故障信息等，另外，服务器端接受用户输入命令并执行命令，并根据节点物理机的运行情况和网络状态自动生成状态报告。

（三）虚拟网络模块的设计
计算设备之间是通过虚拟网络来实现，虚拟机实例的互联是构建虚拟化平台层的重要工作，具有复杂拓扑逻辑的物理网络，具有简单、易配置的特点。

[6]高校体育教学数字化网络信息平台虚拟机实例间要建立网络连接，且至少保证一个虚拟机实例与外部公共网络建立连
接，以便提供访问入口以及与其他域实例进行交互。

但是，各高校体育教师在共享的虚拟化平台上协作完成单一任务的虚拟机相互之间可以相互通讯。

每个虚拟机要提供公共接口和私有接口，公共接口是保障用户所管辖的虚拟机在一个有可用的IP环境中进行外部通信。

而私有接口只能在跨域的虚拟机之间进行通讯，在支持外部通讯路由器的私有网络中，用户要分配一个有效的私有地址，经过网址转换路由器来访问外部网络。

高校数字化体育教学资源管理公共接口需要直接连接到Ethernet网桥软件上，由专门的管理人员处理常规的DHCP请求，并允许定义一个动态的IP地址池和静态的MAC/IP地址对。

私有接口通过桥接器连接到VDE的全虚拟Ethernet系统，VDE通过TUN/TAP接口连接到Ethernet上，从而提供了从Linux内核到用户空间的通讯服务。

VDE交换机采用生成树协议来防止环路及网络冗余，并设置安全防火墙的情况下保证VDE网络至少与一个VDE 交换机连接。

除此之外，系统的安全还需要进行网络流量隔绝，用WLAN给特定的用户实例打上网络标签，以实现网络流量的隔绝和转发。

（四）数字化集成管理模块的设计
高校数字化体育教学资源管理需要运用网络技术整合和集成各高校体育教学、科研、管理等信息资源，本系统采用J2EE技术来实现我国高校体育教学数字化跨系统、跨平台的信息应用集成开发和调用。

数字化集成管理重点构建公共基础软件平台，该平台的体系架构分为三个层次，最底层为基础架构层，负责集中数据处理、统一身份认证，并设置权限管理中心、高校体育教学公共基础数据库、体育教学交流中心；中间层为数据互通、应用系统集成和支撑层，把应用系统集成起来构成一个数据共享中心，并借助门户技术和单点登录技术建立高校体育教学综合信息门户，并提供安全和运维服务；最上层为高校体育教学综合信息门户——展示和服务集成层，主要是提供个性化、可定制的体育教学综合信息服务，其中所包含的信息集成包括体育教学资源信息、体育教学管理信息、体育教学后勤服务保障信息和体育办公自动化信息。

（五）云存储节点模块的设计
高校海量的数字化体育教学信息数据最终还是要存储在存储节点模块中。

云存储节点模块的功能主要有数据流（objeet）、镜像文件（image）的上传下载，以及存储卷（volume）的管理。

对于高校数字化体育教学资源云平台上存储效率与可靠性的提升需要解决的一些关键技术如下：（1）重复数据删除技术。

通过统一的存储访问入口（(walru）来检索重复数据，完成元数据的管理，提高云存储平台的存储效率；（2）归档存储管理（hsm）技术。

可以根据体育专业学科来划分数据的类别，并分别保存在不同的存储介质中，从而提高高校数字化体育教学资源的存储利用率；（3）连续数据保护、容灾技术。

随着高校体育教学改革的不断深入，体育教学信息的数据量也不断增加，对于信息的管理难度也不断增加，任何数据的丢失都可能会带来巨大的损失，因此，可以采用连续数据备份的方法，一旦出现数据灾难，可以通过系统恢复数据，以增加云存储节点的数据的可靠性。

四、高校数字化体育教学资源管理平台的实现
（一）用户接口模块的实现
高校数字化体育教学资源管理用户接口模块可以借助多种技术框架来实现，由于不同框架编程中系统调用方式的差异性，也决定了技术框架的多样性。

通过对目前所具备的技术框架的全面分析，结合高校数字化体育教学信息的逻辑分析，本文选定了非阻塞式（NIO ）技术框架中的Netty 开源框架。

因为Netty 简化了网络应用编程的开发过程，可以快速简单地开发出一个网络应用，简化和流线化了网络应用的编程开发过程，吸收了多种协议的实现经验，包括FTP,SMTP,HTTP ，以及各种二进制和文本协议。

另外，Netty 的优势在于处理大量数据、协议编码和单元测试更简单，更可靠的OutOfMemoryError 预防，I/O 超时和idle 状态检测，更可靠的Out Of Memory Error 预防等。

Netty 的实现架构（见图4）：主要分为四个模块，即：传输服务（Transport Services ）、协议支持（Protocol Services ）、安全支持（Security Support ）与容器集成（Container Integration ）、Nety 内核。

其中，传输服务模块支持Non-blocking NIO socket Transport 、Blocking Old I/O socket Transport ；协议支持模块支持HTTP 、Google protopuf 、Text line Protocols 等；安全支持由OOM-Proof Thread Pool 、SSL/StartTLS 组成；容器集成则支持OSGI 、JBossMC 、Spring 、Guice ；Netty 的内核则包括Extensible Event Model 、Universal Communication API 、Zero-Copy-Capable Rich Byte Buffer 。

Transport Services
Extensible Event Model
Universal Communication API
Zero-Copy-Capable Rich Byte Buffer Non-blocking NIO
socket Transport
Blocking Old I/O
socket Transport HTTP Google Text line Binery Codec Framework
Protocol Services Security Support OOM-Proof Thread Pool SSL/Start TLS Container Integration OSGI
JBossMC Spring Guice
图4 Netty 的实现架构
（二）虚拟网络模块的实现
高校数字化体育教学资源管理平台虚拟网络模块的实现可以采用三种资源配置方式，即：System 、Static 、Managed 。

系统System 平台是指虚拟机实例通过网内的DHCP 服务器获取IP ；静态Static 平台则是需要管理员给虚拟平台配置一个map ，虚拟实例机启动则会使DHCP 服务器从Map 中找到一个空闲地址对。

Static 平台的特点是用户不能动态分配IP 给虚拟机实例；Managed 平台则是需要高校配置专门的管理人员定义一个内部网络，并设置IP 和一定的访问权限，用户可以在整个IP 子集中选择、设置IP 地址。

（三）数字化集成管理模块的实现
前文中也谈到，高校数字化体育教学资源管理平台的集成管理模块中采用的是J2EE 技术，要实现不同体育教学信息系统的应用集成，集成方案的实现平台使用java ant 工具开发
实现Web Service方法的具体步骤如下：创建临时目录temp→拷贝编译好的体育教学信息EJB 类文件及相关支持类文件→创建META-INF子目标→ejb- jar. xml和weblogic-ejb-jar. Xml文件拷贝至子目标→创建体育教学信息jar文件。

利用XMLWeb服务来构建高校数字化体育教学资源管理数据库可以做到体育教学信息的共建与共享。

（四）云存储节点模块的实现
云存储节点模块选择逻辑盘卷管理（Logical V olume Manager，LVM）机制，它是建立在硬盘和分区上的一个逻辑层，它是基于一种自由和开放源码Linux的操作系统，通过在盘卷上建立文件系统来屏蔽下层磁盘分区布局，并且可以按照组的方式对文件进行命名、管理和分配。

在对高校数字化体育教学信息平台云存储节点模块进行操作时，主要是通过LVM 命令执行来完成。

云存储节点模块LVM命令实现流程（见图5）。

云存储节点协议建议使用相对较为简单、高效、成本低廉的ATA-over Ethernet轻负载协议。

用户命令
参数参数合法性
检查
系统状态
诊断
参数传入
内核
元数据修
改
Linux内核
模块
图5 云存储节点模块LVM命令实现流程
五、结束语
高效体育教育信息化的不断发展，更好地实现不同校际间体育教学信息资源的整合与共享，构建我国高校数字化体育教学资源管理平台，提供优质的体育教学公共服务已成为一项亟待解决的关键性技术问题。

对于具体的设计与实现方案笔者从云计算环境的视角提出了一些技术性的解决措施，这一尝试性研究有助于推进我国高校数字化体育教学资源管理平台的建设，未来的研究中还需要对资源管理平台系统进行测试，期待平台的出现，并随着研究的深入，在实践中不断得以完善。

六、参考文献
[1]肖斐.虚拟化云计算中资源管理的研究与实现.[D].西安:西安电子科技大学,2010：7.
[2]曹军委.基于云计算的教学资源共享体系的研究与实现[D].马鞍：安徽工业大学硕士学位论文，2012:3-4.
[3]杨志和.教育资源云服务本体与技术规范研究[D].上海：华东师范大学博士学位论文，2012:10.
[4]Apache CouchDB project.Aceessed from[DB/OL]. /
[5]云平台管理工具[DB/OL]./Index/content/id/118/nid/21.html
[6]Whitaker A,Shaw M,GRIBBLE S D.Denali:Lightweight Vrtual Machines for Distributed and Networked Applications[R].University of washington Technical Report,2002.
[7]周强.论体育教育信息化建设[J].武汉体育学院学报，2005,10（39）：120-122.。