基于IPv6的智慧教學(xué)服務(wù)平臺

文/顧亦然 莊嚴(yán)

隨著智慧城市、智慧教育概念的提出和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，教學(xué)信息化建設(shè)正由多媒體教室向智慧教學(xué)服務(wù)平臺轉(zhuǎn)變。雖然，智慧教學(xué)服務(wù)未有統(tǒng)一的定義，但是人們對其認(rèn)識存在的共同點就是利用新興技術(shù)構(gòu)建教與學(xué)的環(huán)境，形成一個以多元化互動為核心，提供個性化師生服務(wù)、教室智能化管理的物理與虛擬環(huán)境相融合的教學(xué)環(huán)境。

目前，大多數(shù)高校的教室信息化建設(shè)還處在多媒體教學(xué)階段，這與當(dāng)前IPv4的網(wǎng)絡(luò)布局有很大關(guān)系，當(dāng)前大多學(xué)校的教學(xué)、音響、互動、監(jiān)控等系統(tǒng)為避免地址匱乏，因此大多鋪設(shè)專網(wǎng)，各成體系，難以集成。同時，受帶寬限制，IPv4環(huán)境下的多媒體視頻流量組播能力差，難以實現(xiàn)互動性遠(yuǎn)程視頻教學(xué)，各種硬件優(yōu)勢也難以發(fā)揮[1]。

為此，對于各大高校來說，如何實現(xiàn)基于 IPv6 的智慧教學(xué)服務(wù)平臺是面臨的首要問題。本文通過對 IPv6 技術(shù)及智慧教學(xué)服務(wù)平臺的介紹及分析，秉持“整合資源、共享信息”的原則，提出了一套基于IPv6的智慧教學(xué)服務(wù)平臺設(shè)計方案，可以實現(xiàn)課堂實時直播、錄播、教學(xué)互動、巡課評課、教務(wù)管理、遠(yuǎn)程會議等教學(xué)服務(wù)內(nèi)容。

IPv6技術(shù)介紹及智慧教學(xué)管理系統(tǒng)現(xiàn)狀

IPv6技術(shù)

IPv6是“Internet Protocol Version 6”的縮寫，也被稱作下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，它是由IETF設(shè)計的用來替代現(xiàn)行的IPv4協(xié)議的一種新的IP協(xié)議。

今天的互聯(lián)網(wǎng)大多數(shù)應(yīng)用的是IPv4協(xié)議，IPv4協(xié)議已經(jīng)使用了20多年，在這20多年的應(yīng)用中，IPv4獲得了巨大的成功。隨著應(yīng)用范圍的擴大，它也面臨著越來越不容忽視的危機，例如地址匱乏等等。IPv6是為了解決IPv4所存在的一些問題和不足而提出，同時它還在許多方面做出了改進(jìn)，如路由、自動配置方面。經(jīng)過一個較長的IPv4和IPv6共存的時期，IPv6最終會完全取代IPv4在互聯(lián)網(wǎng)上占據(jù)統(tǒng)治地位。對比IPv4，IPv6有如下的優(yōu)點：簡化的報頭和靈活的擴展；層次化的地址結(jié)構(gòu)；即插即用的連網(wǎng)方式；服務(wù)質(zhì)量的滿足；對移動通訊更好的支持[2]。

智慧教學(xué)管理系統(tǒng)現(xiàn)狀

國外智慧教學(xué)管理系統(tǒng)的發(fā)展和使用已領(lǐng)先國內(nèi)很多年，智慧教學(xué)管理系統(tǒng)的在線學(xué)習(xí)在國外已經(jīng)很普遍，其中的課程采集系統(tǒng)可以把課堂教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)活動通過自動化采集和投放，開發(fā)成適合在線學(xué)習(xí)的混合教學(xué)內(nèi)容。國外幾乎每個大學(xué)生的每門課都在不同程度上參與了在線學(xué)習(xí)。通過自動化采集課程內(nèi)容和學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)的互動學(xué)習(xí)環(huán)境，使課堂面對面的教學(xué)與在線學(xué)習(xí)緊密結(jié)合。

目前，國內(nèi)部分學(xué)校已建成智慧校園，部分學(xué)校處于規(guī)劃立項或建設(shè)階段。由于對智慧教學(xué)尚沒有統(tǒng)一的認(rèn)識，建設(shè)內(nèi)容比較龐雜、牽涉到的相關(guān)部門較多，規(guī)劃建設(shè)周期均比較長。當(dāng)前，國內(nèi)高校已建成部分信息化應(yīng)用支撐平臺，雖然各校側(cè)重點各有不同，但基本都涵蓋網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、物聯(lián)網(wǎng)感知、綜合信息服務(wù)平臺等，為師生提供智能化的管理和個性化的信息服務(wù)[3]?？傮w而言，現(xiàn)階段的智慧教學(xué)等服務(wù)還側(cè)重于校園環(huán)境建設(shè)，但還處于起步和摸索階段，在內(nèi)容上需要系統(tǒng)化完善，在應(yīng)用上需要深入。

設(shè)計方案

功能及模塊化設(shè)計

智慧教學(xué)服務(wù)平臺的設(shè)計需從教師、學(xué)生、教學(xué)管理三個維度出發(fā)，采用課程體系、職位體系和知識體系的三位一體化設(shè)計，對接校園一卡通、教務(wù)系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)、多媒體設(shè)備等進(jìn)行有機地整合，通過課程體系、知識體系和職位體系的多維度關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)課程學(xué)習(xí)互動。

教學(xué)資源平臺是一個可不斷擴充的開放式教學(xué)支持系統(tǒng)，其建設(shè)不應(yīng)是一次性項目，而應(yīng)是一個可持續(xù)發(fā)展的工程?；贗Pv6的智慧教學(xué)服務(wù)平臺將會不斷完善，從多個方面繼續(xù)發(fā)展，例如課程網(wǎng)站的資源自動選擇和分析、教學(xué)資源的共享機制。另外，可以將資源系統(tǒng)應(yīng)用擴展到軟件工程以外的其他知識體系中，并嘗試進(jìn)行基于案例的知識資源呈現(xiàn)研究[4]。在功能上還可以對教學(xué)督導(dǎo)、標(biāo)準(zhǔn)化考場、教師作業(yè)資源的布置功能、學(xué)生提交作業(yè)、綁定學(xué)生與課程資源和教師資源、資源好友分享、相關(guān)資源推薦等方面進(jìn)一步提高完善，其平臺規(guī)劃和發(fā)展思路，如圖1所示。

圖1 智慧教學(xué)管理服務(wù)平臺的功能定位

主控端設(shè)計

如圖2所示，智慧教學(xué)服務(wù)平臺的主控是整個智慧教學(xué)服務(wù)的核心部分，它既要與高校現(xiàn)有的智慧校園中的教務(wù)信息、校園一卡通、教學(xué)錄播系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互與傳輸，同時其包含的終端設(shè)備控制模塊又連接著多個教學(xué)終端設(shè)備，如攝像頭、麥克風(fēng)、投影儀等設(shè)備，一方面要維持正常設(shè)備的普通數(shù)據(jù)的傳輸，另外一方面，需要通過向服務(wù)器發(fā)送請求以及異步調(diào)用的目的，控制終端以及滿足自身主控交互的需求[5]。

圖2 主控端框架

圖3 智慧教學(xué)服務(wù)平臺的功能架構(gòu)

IPv6組網(wǎng)設(shè)計

目前，各高校大多是IPv4/IPv6雙協(xié)議棧校園網(wǎng)絡(luò)，此時智慧教學(xué)服務(wù)平臺IPv6網(wǎng)絡(luò)的組建與實現(xiàn)，需要通過IPv6雙協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)與CNGI-CERNET2 聯(lián)通測試、應(yīng)用服務(wù)器平臺的搭建與測試、隧道技術(shù)的仿真測試、翻譯技術(shù)的仿真測試和IPv6測試網(wǎng)頁的搭建等實驗與測試來獲得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[6]。同時，涉及IPv6 的地址劃分、組網(wǎng)邊界以及邊界的協(xié)議轉(zhuǎn)換、路由技術(shù)與路由器配置與測試、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器配置與調(diào)試、網(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)絡(luò)互通等問題。

具體實施路線

隨著現(xiàn)在校園網(wǎng)規(guī)模的擴大、功能的疊加，原有校園網(wǎng)中設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性降低，管理維護(hù)壓力越來越大。因此要對原有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于IPv6的扁平化架構(gòu)改造。

功能架構(gòu)

智慧教室的結(jié)構(gòu)化部署，需要兼顧信息采集，集中監(jiān)控，數(shù)據(jù)存儲，可視化展示及各子系統(tǒng)的管理，如圖3所示。

1.基礎(chǔ)設(shè)施層：為智慧教學(xué)服務(wù)平臺提供必要和完善的硬件環(huán)境。主要包括：教室基礎(chǔ)設(shè)施、多媒體教學(xué)系統(tǒng)、互動錄播系統(tǒng)、視頻會議系統(tǒng)、信息發(fā)布系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)感知系統(tǒng)、服務(wù)器集群等基礎(chǔ)應(yīng)用系統(tǒng)和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。

2.應(yīng)用支撐層：智慧教學(xué)服務(wù)平臺架構(gòu)的核心層，主要整合各種軟件系統(tǒng)，促進(jìn)應(yīng)用系統(tǒng)的貫通與集成，形成統(tǒng)一數(shù)據(jù)環(huán)境的智能信息平臺；負(fù)責(zé)智慧教學(xué)服務(wù)平臺的設(shè)備與設(shè)備之間，設(shè)備與人員之間，人員與資源之間，人員與管理、服務(wù)之間的運行控制和分析計算，總控智慧教學(xué)服務(wù)平臺的各項應(yīng)用和服務(wù)；將現(xiàn)有的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，為智慧教學(xué)服務(wù)平臺提供計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)安全等服務(wù)，實現(xiàn)信息資源的按需分配；實現(xiàn)智慧教學(xué)服務(wù)平臺與教學(xué)類系統(tǒng)、教務(wù)類系統(tǒng)、一卡通類系統(tǒng)、安防類系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通和信息共享。

圖4 IPv6的智慧教學(xué)服務(wù)平臺網(wǎng)與校園網(wǎng)的部署

3.綜合管理層：依托應(yīng)用支撐層提供全面的支撐和保障，通過統(tǒng)一門戶、統(tǒng)一認(rèn)證、統(tǒng)一權(quán)限管理的可視化綜合管理平臺，為智慧教學(xué)服務(wù)平臺的環(huán)境、服務(wù)、管理和資源等方面提供全新運行模式，并且具有強大的移植性和伸縮性，可為良好的綜合教學(xué)信息化提供保障。

4.綜合服務(wù)層：不同的用戶可以采用臺式電腦、平板電腦、智能手機、自助終端等設(shè)備，在教室內(nèi)任何時間進(jìn)行教學(xué)互動、教學(xué)資源訪問、視頻會議等活動。

基于IPv6的組網(wǎng)部署

1.主網(wǎng)設(shè)計

IPv6網(wǎng)絡(luò)適合點到點視頻語音綜合通信、組播視頻會議、遠(yuǎn)程教育等大型高性能試驗平臺和各級分應(yīng)用的特點，適用于智慧教學(xué)服務(wù)平臺的網(wǎng)址多，高流量組播的要求；同時根據(jù)高校學(xué)?，F(xiàn)有光纖系統(tǒng)的現(xiàn)狀，只需布設(shè)少量光纖和設(shè)備就可以達(dá)到智慧教學(xué)服務(wù)平臺純IPv6網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)要求[7]。

圖5 DHCPv6 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

智慧教學(xué)服務(wù)平臺的 IPv6網(wǎng)絡(luò)主要是以更新路由器為主的設(shè)備，因為路由器一般具備隨時升級和擴展的功能，同時它的接口豐富功能齊全，IPv6諸多的新應(yīng)用都可以在該網(wǎng)中運行。

IPv6智慧教學(xué)服務(wù)管理平臺網(wǎng)沒有直接連通CNGI-CERNET2，而是由教育城域網(wǎng)轉(zhuǎn)接至CNGI-CERNET2。IPv6 智慧教學(xué)服務(wù)管理平臺通過一臺 IPv6 邊緣路由器R1以雙協(xié)議棧方式接入教育城域網(wǎng)雙協(xié)議棧路由器R2。智慧教學(xué)服務(wù)管理平臺中路由器、匯聚交換機和接入交換機均采用華為設(shè)備。IPv6邊緣路由器R1選擇的是一臺華為S5700-SI-28C，接口 eth0/0 與一臺 S5700-SI-28C出口交換機相連，再通過 100M 光纖與校外教育城域網(wǎng)雙協(xié)議棧路由器 R2 對接；IPv6 邊緣路由器 R1 另一個接eth0/1 連接校內(nèi) IPv6 智慧教學(xué)服務(wù)管理平臺網(wǎng)。實現(xiàn)校內(nèi) IPv6 智慧教學(xué)服務(wù)管理平臺網(wǎng)可以訪問外部 IPv6 資源，順利接入CNGI-CERNET2 純 IPv6 網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。

2.服務(wù)器平臺的搭建

智慧教學(xué)服務(wù)平臺的IPv6網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器虛擬化平臺，包括DHCPv6、DNS、Web等IPv6 基本應(yīng)用。DHCPv6服務(wù)器的建立可以緩解路由器的壓力，同時DHCPv6相較于手動配置和通過路由器公告消息中的網(wǎng)絡(luò)前綴無狀態(tài)自動配置，便于學(xué)校網(wǎng)絡(luò)的自動配置和后期管理，可以分配IPv6地址、IPv6前綴、DNS服務(wù)器、域名等網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)；可以記錄為主機分配的地址/前綴，還可以為特定主機分配特定的地址/前綴，可以更好地控制地址的分配，如圖5所示。

路由協(xié)議的選擇對整個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。根據(jù)高校校園的實際情況，可構(gòu)建層次化的網(wǎng)絡(luò)，采用可以實現(xiàn)區(qū)域劃分、分級的OSPF路由協(xié)議，在IPv6網(wǎng)絡(luò)中采用OSPFv3路由協(xié)議。可以將整個校園網(wǎng)路由視為1個OSPF自治路由系統(tǒng)，并將其劃分為多個相互獨立的路由區(qū)域，通過區(qū)域邊界路由器，把主干和非主干網(wǎng)絡(luò)連接起來，實現(xiàn)跨校區(qū)之間的教學(xué)互動。

本文通過對 IPv6 技術(shù)及智慧教學(xué)服務(wù)平臺的介紹及分析，秉持“整合資源、共享信息”的原則，提出了一套基于IPv6的智慧教學(xué)服務(wù)平臺設(shè)計方案，可以實現(xiàn)課堂實時直播、錄播、教學(xué)互動、巡課評課、教務(wù)管理、遠(yuǎn)程會議等教學(xué)服務(wù)內(nèi)容。該平臺的建設(shè)不僅能顯著改善資源的傳輸效率及播放效果， 對于變革教學(xué)資源共享模式也具有深遠(yuǎn)意義。