国家开放大学远程教育云网络架构研究

2011-10-20袁亚兴吴淑苹

中国教育信息化 2011年21期

关键词：专网节点大学

袁亚兴，孙雨，吴淑苹

（中央广播电视大学信息管理处，北京 100031）

国家开放大学远程教育云网络架构研究

袁亚兴，孙雨，吴淑苹

（中央广播电视大学信息管理处，北京 100031）

本文根据国家开放大学信息化建设目标和任务，对承载国家开放大学远程教育云运行的网络环境进行需求分析，在此基础上对建立覆盖全国城乡的国家开放大学网络体系结构进行规划。

国家开放大学；网络架构；云计算

一、引言

国家开放大学信息化建设即“一朵云，一条信息高速路，一个学习终端”，其中，一朵云是指国家开放大学远程教育云，一条信息高速路是指国家开放大学虚拟专网。国家开放大学远程教育云利用虚拟化、云存储技术，用网络连接的计算资源统一管理和调度，构成一个计算资源池向用户按需服务，建立海量优质资源快速集聚和存储的数据中心，利用标准化、开放接口集成或开发支撑交互学习、海量资源推送、资源共享的一体化、一站式服务平台，将海量优质资源应用以云服务的等方式推送到全国各地学习者，尤其是边远山区、农村等基础设施欠发达地区。作为国家开放大学信息化建设中的重要建设内容，建立覆盖全国的国家开放大学虚拟专网是未来国家开放大学面向社会成员推送优质教育资源、提供高质量网上教学支持服务的首要保证，也是体现国家开放大学服务社会、促进教育公平的重要途径。

使用云计算技术建立的国家开放大学远程教育云，其网络性能将会决定云计算的性能。[1]本文在对国家开放大学网络基础设施现状分析的基础上，联合互联网、移动互联网和卫星网等运营机构，以联盟或租用的方式建立国家开放大学虚拟专网，实现总部与分部、数据中心与节点的高速互联，不断提升国家开放大学网络服务水平，有效避免了各类远程教育机构网络基础设施的重复建设。

二、国家开放大学远程教育云网络建设需求与规划

国家开放大学物理办学网点覆盖全国城乡的特性决定了国家开放大学网络建设不同于普通高校的网络建设，而应该从实现国家开放大学各级机构之间网络高速互联、满足构建适应“人人、时时、处处”的学习环境两个角度来设计整个网络架构。当然，作为办学实体机构的国家开放大学办学，普通高校校园网络所面临的网络带宽瓶颈、安全和管理问题以及多业务需求等也是网络规划必须吸取的经验。[2]

1.国家开放大学网络需求分析

（1）国家开放大学网络需求分析

单纯从 “实现国家开放大学各级机构之间网络高速互联”完成教育资源快速推送以及满足总部、分部和学院等内部办公和管理需要，在原有的卫星传输资源、互联网保证网上业务互通的基础上，综合利用中国电信、中国联通等运营商提供的基础网络建立总部至分部的虚拟专线网络，即可实现网络建设的目标（如图1所示）。

但是，国家开放大学未来“要为全社会提供非学历和学历继续教育，每年有3500万人次接受培训，450万国家开放大学的学历继续教育学生在线学习”，因此国家开放大学服务对象和服务目标远非仅满足优质教育资源的推送和提升管理水平需要，而应该是建立一种能将资源方便快捷推送到分布广泛、层次不同的用户终端，同时还满足百万用户并发访问国家开放大学一站式远程教育云服务平台享受其提供的各种教育支持服务，这其中需要考虑多种综合因素，例如：如果学习者主要集中在国家开放大学学习中心授课，在基础网络方面可主要考虑CERNET，如果也在家里登录平台访问教育资源，就必须考虑选择广电或电信网；此外，如果学生数量少且只集中在特定城市，可以考虑组建虚拟专网，但如果生源数量多、分布在全国各地且网上教学时间不统一、交互性强，这就需要考虑采用多种技术来建设网络。

按以上需求来规划网络（如图2所示），整个网络带宽（F）由总部链路（Fz）、分部链路（Fp）、教学点链路（Fs）带宽三部分共同确定，这些变量之间的关系如表1所示。按在国家开放大学总部部署一个面向全国提供远程教育服务的数据中心模式，如果每个学生访问云服务平台平均产生流量为120Kbps且百万用户并发在线计算，总部带宽将需要120Gbps，不难看出这种网络建设方式不但每年网络带宽租赁投入巨大，而且当海量、来自不同地区的用户频繁在线访问视频课程时，其网络QoS难以保证。因此，按大集中模式建立国家开放大学远程教育云服务平台网络环境在现实中不可行。

（2）使用云计算技术构建国家开放大学远程教育云的网络承载环境

通常，业内如 Google、百度、淘宝、Facebook、土豆网等大型网络平台面向海量用户提供服务时，一般都利用云计算技术通过建立多级网络架构、在用户边缘缓存内容以减少网络流量并分担计算能力等方式为用户提供高可靠、高体验的远程教育服务。云计算的超大规模、虚拟化、高可靠性、通用性、高可扩展性、按需服务、廉价等特点使得对于承载面向分布广泛、数量庞大、需求各异的用户提供学习支持与服务的国家开放大学远程教育云服务平台网络环境建设非常适合。因此，使用云计算技术构建国家开放大学远程教育云的网络承载环境能有效满足国家开放大学未来面向社会公众提供优质教育服务的需求——一方面基于云计算技术建立的网络支持环境可以作为一种基础设施，供任何远程教育办学单位使用，实现了云计算中基础设施即服务（IaaS）；另外一方面，云计算中虚拟化、按需服务等概念使得原有广播电视大学系统基础设施都能充分利用，并与新增基础设施一起通过统一的资源调度管理后对外集成服务，这其中包括对用户访问的管理、服务器管理虚拟化、逻辑上一个但物理上多个数据中心计算能力动态分配、网络负载均衡等关键技术（如图3所示）。

表1 国家开放大学网络链路带宽计算模型

2.国家开放大学网络规划

为满足国家开放大学各项业务以及未来国家开放大学内部数据传输的要求，结合国家开放大学虚拟专网及数据中心未来的发展需求，采用层次化网状结构设计国家开放大学虚拟专网——采用三层结构：核心层、汇聚层和接入层，以合理利用并汇总现有网络链路、设备、人力资源，提高网络的整体服务质量，使网络利用效益最大化。考虑建立以三层结构为核心的国家开放大学虚拟专网，主要的出发点是借鉴业界普遍解决大规模网络应用部署的一般经验，充分利用

CDN（内容分发）[3]、P2P技术，将一些非实时的资源推送到离用户更近的汇聚节点上去，实现用户就近访问网络应用，避免都集中到核心节点来访问。

国家开放大学虚拟专网将会是一个能承载各种业务应用的高速IP交换网络，考虑未来各种业务应用之间的安全需求，通过MPLS VPN虚拟专用网技术在广域网上的部署，为每种安全级别不同的业务分配一个MPLS VPN。VPN使用与专网相同的策略，在共享的基础设施上实现整个业务的互连。基于VPN运行的业务系统可以像在他们自己的专用网中一样，享受同样的安全性、优先级别、可靠性和可管理性。而广域网络是承载VPN的网络平台，或称作VPN服务网，它利用核心网络提供的服务，可以方便灵活地进行接入，能保证各业务系统网络的安全性。而MPLS VPN技术可以保证网络达到这种要求。同时，所有业务集中在一个网络中运行，便于网络备份方案的实施。

国家开放大学虚拟专网的建设目标将围绕MPLS VPN服务网的概念来确定，以满足在单个IP的网络平台上运行的各个业务系统相互独立的需求，并且作为VPN的服务平台，应具有易操作、易管理、易维护、扩展性强并且经济高效的特点。MPLS（Multiprotocol Label Switching，多协议标记交换）是一种基于MPLS技术的IPVPN，是在网络路由和交换设备上应用MPLS技术、简化核心路由器的路由选择方式，利用结合传统路由技术的标记交换实现的IP虚拟专用网络，满足多种灵活的业务需求。采用MPLS VPN技术可以把现有的IP网络分解成逻辑上隔离的网络，这种逻辑上隔离的网络的应用可以是千变万化的。MPLS是由Cisco创新的标记交换技术演变而来的IETF的标准协议，目前在国内广域网项目中使用广泛，技术成熟、协议开放。优化后的国家开放大学虚拟专网拓扑结构设计如图4所示。

国家开放大学虚拟专网核心层是网络的高速交换主干,提供可靠、高效、容错和低延的技术核心，对整个网络的连通起到至关重要的作用，其拓扑连接主要采用环式，网络节点部署全局负载均衡设备，实现透明访问和智能引导。采用最先进的RPR（Resilient Packet Ring）技术，这样可以保证骨干网络的安全，充分利用双数据中心的冗余备份保证网络出现意外时也能正常的运转。RPR弹性分组数据环技术集IP的智能化、以太网的经济性和光纤环网的高带宽效率、可靠性于一体，为宽带IP城域网运营商提供了一个良好的组网方案。RPR技术使得运营商在城域网内以低成本提供电信级的服务成为可能，在提供类似SDH级网络可靠性的同时降低了传送费用，并支持处理多业务传送。在路由协议方面，设计中采用现在比较流行的OSPF、BGP、MPLS VPN 等路由协议，保证了网络的路由的优化和各个节点通信的安全。国家开放大学骨干网采用2.5G的RPR板连接三个主干节点，以保障了网络的主干的带宽，网络拓扑连接方式如图5所示。

国家开放大学虚拟专网汇聚层负责对区域内流量进行汇接，[4]它是网络接入层和核心层的 “中介”,就是在CDN接收各类音视频资源作为缓存的地方，以减轻核心层设备的负荷。该层拟按通行做法在国内选取6个区域中心为节点，实现接入网其他省级节点的汇聚和转接，并通过汇聚层传输系统传送至核心节点。接入网选取27个省中心为节点，实现本省范围内网络访问的就近接入。接入层是提供本地的运营商（联通，中国电信，广电等），客户终端的接入点，是CDN的边缘节点产生作用的地方——可以大大减少跨地的网络流量、提高网络QoS，作为国家开放大学虚拟专网的末端，具有节点多分布区域广的特点。

采用三层架构并融合CDN技术设计整个网络，不仅可以大大降低核心层数据中心的访问压力，而且充分利用分布式负载均衡的优势实现用户就近访问边缘节点Cache服务器中已有资源，同时还能充分利用P2P技术实现热点资源上下级节点及同层节点之间自动更新，提高带宽的利用率以及用户高访问量时访问网络的满意度。

三、国家开放大学网络应用场景分析

视频应用将是未来网络教育的一个发展方向，鉴于视频对网络时延、丢包给用户体验带来的决定性影响，必须对承载国家开放大学远程教育云服务平台的网络架构进行优化。作为国家开放大学网络节点的一部分，总部节点和分部节点通过网络组合成一个庞大的视频授课源。通过这个庞大的视频授课源，44个分部可以聘请一流师资建成辐射全国的远程授课中心。通过优化后的网络视频授课源可以将内容资源直播给终端学习者，数量、地点、时间没有任何限制，分布在全国各地的学习者可以通过不同终端，如手机、互联网电视、电脑等在任何地方享受到开放大学系统提供的优质教育资源（如图6），这为未来国家开放大学面向全体社会成员提供多样化终身教育服务提供了良好的技术支撑，也为更广泛的教育机构从事远程教育提供了集成的技术支撑平台。