淺談SOA環(huán)境下數(shù)字教育資源協(xié)同共享框架及實(shí)現(xiàn)研究的術(shù)論論文
【論文關(guān)鍵詞】SOA Web服務(wù) 數(shù)字教育資源 一站式 協(xié)同
【論文摘 要】充分利用網(wǎng)絡(luò)共享優(yōu)質(zhì)教育資源，是當(dāng)前教育數(shù)字化深入發(fā)展需要解決的關(guān)鍵問題之一。本文對(duì)分布式數(shù)字教育資源協(xié)同的需求進(jìn)行了分析，提出了SOA環(huán)境下數(shù)字教育資源協(xié)同共享框架模型（MERSCA），論述了系統(tǒng)的主要架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)。希望在對(duì)現(xiàn)有各資源站點(diǎn)改動(dòng)最小的基礎(chǔ)上解決資源的共享和增值應(yīng)用問題，創(chuàng)新數(shù)字教育資源公共服務(wù)模式，提高資源的利用效率。
一、引言
數(shù)字教育通過實(shí)現(xiàn)教育從環(huán)境、資源到應(yīng)用的數(shù)字化，使現(xiàn)實(shí)校園環(huán)境憑借信息系統(tǒng)在時(shí)間和空間上得到延伸[1]。SOA(Service Oriented Architecture，面向服務(wù)架構(gòu))是為解決分布式互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的資源共享和重用而提出的一種新型軟件系統(tǒng)架構(gòu)，它允許不同系統(tǒng)能夠進(jìn)行無縫通信和異構(gòu)資源共享。
傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)教育資源使用模式降低了遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)中的資源通用性能力，造成了大量資源浪費(fèi)。建設(shè)開放共享的數(shù)字教育公共服務(wù)體系是國(guó)家實(shí)施現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育工程的核心組成部分，也是《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》的重要主題[2]。SOA（面向服務(wù)架構(gòu)）為數(shù)字教育服務(wù)體系建設(shè)提供了最佳支持，為構(gòu)建開放的數(shù)字教育公共服務(wù)支撐平臺(tái)，建立新型的面向數(shù)字教育的公共服務(wù)機(jī)制，國(guó)家支持實(shí)施了“數(shù)字化學(xué)習(xí)港與終身學(xué)習(xí)社會(huì)的建設(shè)與示范”、“數(shù)字教育公共服務(wù)示范工程”等多項(xiàng)重大項(xiàng)目，目前已經(jīng)初步建立了“奧鵬”、“弘成”和“知金”三個(gè)覆蓋全國(guó)的網(wǎng)絡(luò)教育公共服務(wù)體系[3]。
在分布式教育資源服務(wù)的集成應(yīng)用中，信息的交互、共享和數(shù)據(jù)的安全訪問是關(guān)鍵內(nèi)容[4]。設(shè)計(jì)一個(gè)全局的資源協(xié)同和訪問框架來屏蔽資源平臺(tái)差異，實(shí)現(xiàn)分布式資源的共享，以支持優(yōu)質(zhì)教育資源增值應(yīng)用，構(gòu)建開放和便捷的資源整合服務(wù)，成為SOA環(huán)境下教育資源數(shù)字化建設(shè)需要解決的首要問題。
本文在對(duì)分布式環(huán)境下數(shù)字教育資源協(xié)同的需求進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了SOA環(huán)境下數(shù)字教育資源協(xié)同共享框架模型（MERSCA, Model of E-learning Resources Sharing andCoordination Architecture），然后從協(xié)同數(shù)字教育資源一站式訪問和數(shù)字教育資源服務(wù)基于序關(guān)系的協(xié)同兩個(gè)方面討論了MERSCA實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)踐研究表明，MERSCA模型是分布式數(shù)字教育資源協(xié)同共享系統(tǒng)建構(gòu)中一種可行和實(shí)用的方案。
二、分布式數(shù)字教育資源協(xié)同需求分析
數(shù)字教育要達(dá)到的重要目標(biāo)是信息共享和應(yīng)用集成，需要經(jīng)過一個(gè)長(zhǎng)期的建設(shè)和完善過程[5]，涵蓋資源建設(shè)、資源集成、知識(shí)處理、平臺(tái)接入和運(yùn)行、質(zhì)量監(jiān)控和資源評(píng)價(jià)等多個(gè)方面，所以在建設(shè)之初就應(yīng)融入基于全局觀點(diǎn)、具有可擴(kuò)展性和新技術(shù)兼容等多個(gè)方面的考量。
SOA環(huán)境下數(shù)字教育資源協(xié)同共享框架及實(shí)現(xiàn)涉及資源協(xié)同的可擴(kuò)展性、資源訪問的便捷性、用戶身份的管理以及認(rèn)證、授權(quán)、加密等多項(xiàng)技術(shù)，框架的整體設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下目標(biāo)：
（1）靈活性
數(shù)字教育服務(wù)架構(gòu)通過通用性的服務(wù)接口調(diào)用來實(shí)現(xiàn)資源的`跨域整合，個(gè)體原子服務(wù)獨(dú)立于實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，具有松耦合、可擴(kuò)展等特點(diǎn)，它們往往在不同時(shí)期由不同廠商開發(fā)，設(shè)計(jì)方法和開發(fā)技術(shù)也有所不同，各自擁有獨(dú)立的用戶認(rèn)證體系，也因此導(dǎo)致了目前各個(gè)系統(tǒng)的用戶數(shù)據(jù)分散，不能統(tǒng)一管理，難以共享數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀[6]。數(shù)字教育資源一站式協(xié)同架構(gòu)需要從整體上靈活地鑒別用戶，為這些多類型的安全服務(wù)提供基于整體訪問的跨域安全集成，提供統(tǒng)一訪問入口，從而提高優(yōu)質(zhì)資源整合的敏捷性。
（2）信任遷移
面向服務(wù)的思想使得資源應(yīng)用逐漸趨向于分布式和相互合作的形式，用戶的身份和授權(quán)也不再局限于某一特定的信任域。當(dāng)資源來源于多個(gè)安全域，為保證資源交互活動(dòng)安全，每次訪問都需要對(duì)用戶進(jìn)行身份和權(quán)限準(zhǔn)入確認(rèn)，降低了資源使用效率[7]。因此需要一種信任遷移機(jī)制，能夠提供一個(gè)整體的、運(yùn)行時(shí)身份驗(yàn)證盡可能少的安全信息共享方案。資源訪問主體只需要在某個(gè)安全域中進(jìn)行一次身份認(rèn)證，就可以訪問其被授權(quán)的當(dāng)前安全域其他資源或被當(dāng)前安全域信任的其他域中的資源，不必通過多次身份驗(yàn)證操作來獲得授權(quán)。
（3）可伸縮
模型應(yīng)當(dāng)能夠提供開放式體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的安全訪問機(jī)制，框架應(yīng)當(dāng)將信息系統(tǒng)所面對(duì)的教育企業(yè)或機(jī)構(gòu)從整體應(yīng)用的角度統(tǒng)一對(duì)待，保持通過增加資源使服務(wù)價(jià)值產(chǎn)生線性增長(zhǎng)的能力。當(dāng)有新的應(yīng)用需要部署或增加時(shí)，不需要對(duì)應(yīng)用程序本身進(jìn)行大量修改，通過考量安全方案規(guī)劃技術(shù)發(fā)展因素，使新的安全技術(shù)和規(guī)范可以很方便地融入[8]。
三、數(shù)字教育資源一站式協(xié)同
架構(gòu)模型（MERSCA）
SOA環(huán)境下數(shù)字教育資源協(xié)同共享框架模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。MERSCA采用層次結(jié)構(gòu)建模方法，從數(shù)字教育資源服務(wù)中協(xié)同資源一站式訪問與基于序關(guān)系的動(dòng)態(tài)協(xié)同兩個(gè)核心技術(shù)構(gòu)建資源的安全整合，把握用戶對(duì)于教學(xué)設(shè)計(jì)邏輯和資源訪問等個(gè)性化需求，在進(jìn)行異構(gòu)數(shù)字教育資源協(xié)同架構(gòu)規(guī)劃中兼顧目前和未來的發(fā)展。MERSCA模型從下至上分為資源管理層、通信層、資源組合層、資源協(xié)同層和應(yīng)用層。
（1）資源管理層
我國(guó)教育數(shù)字化建設(shè)中的一個(gè)重要組成部分就是網(wǎng)絡(luò)教育資源開發(fā)。為促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)教育資源建設(shè)，國(guó)家投入了大量的人力、物力和財(cái)力，目前已經(jīng)建立起了媒體素材、在線題庫、網(wǎng)絡(luò)課件、網(wǎng)上教學(xué)案例、網(wǎng)絡(luò)課程等多種類型的數(shù)字教育資源[9]。
在MERSCA中，資源管理層從分布式的優(yōu)質(zhì)教育資源中提取類型資源共性，參照已定義好的統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)，將資源屬性對(duì)應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)屬性用XML格式字符串描述出來，形成統(tǒng)一的資源描述規(guī)范和服務(wù)接口。同時(shí)通過WSDL協(xié)議描述數(shù)字教育資源的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的接口綁定和異構(gòu)資源的服務(wù)封裝，并進(jìn)行注冊(cè)和功能分類的集中管理，在對(duì)現(xiàn)有各資源站點(diǎn)改動(dòng)最小的基礎(chǔ)上解決資源的共享和增值應(yīng)用問題。資源管理層為通信層和資源服務(wù)組合層提供了資源的預(yù)處理功能，通過服務(wù)接口對(duì)外提供教育資源服務(wù)。
（2）通信層
通信層使用基于XML的SOAP協(xié)議（Simple Object Access Protocol,簡(jiǎn)單對(duì)象訪問協(xié)議）對(duì)教育資源交互信息進(jìn)行描述。應(yīng)用程序之間基于SOAP進(jìn)行相互溝通時(shí)，不需要知道彼此是在哪一種操作平臺(tái)上操作或是各自如何實(shí)現(xiàn)等細(xì)節(jié)信息。SOAP代表了一套資源如何呈現(xiàn)與延伸的共享規(guī)則，它是一個(gè)獨(dú)立的信息，可以獨(dú)自運(yùn)作在不同的操作系統(tǒng)上面，并可以使用各種不同的通訊方式來傳輸，例如SMTP、MIME，或是HTTP等。
無論基于.net技術(shù)開發(fā)的教育資源系統(tǒng)，還是應(yīng)用java技術(shù)開發(fā)的教育資源系統(tǒng)，通過SOAP協(xié)議，系統(tǒng)之間能夠相互進(jìn)行溝通和資源共享，資源系統(tǒng)之間的平臺(tái)架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)是彼此透明的。
（3）教育資源服務(wù)組合層
資源組合層基于BPEL4WS業(yè)務(wù)流，在Web服務(wù)組合引擎所提供的質(zhì)量控制、消息路由、信息管理、事務(wù)管理和流程管理等功能的支持下進(jìn)行資源服務(wù)集成。通過可視化編排方式，資源組合層將不同的教育資源原子服務(wù)依據(jù)教學(xué)設(shè)計(jì)者設(shè)定的邏輯組合在一起，屏蔽底層信息基礎(chǔ)設(shè)施的變遷，合理地安排這些服務(wù)的運(yùn)行順序，以形成大粒度的、具有內(nèi)部流程邏輯的教育資源整合，充分發(fā)揮優(yōu)質(zhì)教育資源服務(wù)的潛力，形成“1+1>2”的服務(wù)資源集成增值效果。
BPEL4WS基于XML Schema、XPath及XSLT等規(guī)范，提供了一套標(biāo)準(zhǔn)化語法對(duì)業(yè)務(wù)流程所綁定的Web服務(wù)交互特性及控制邏輯進(jìn)行描述。通過對(duì)業(yè)務(wù)流程中教育服務(wù)資源的交互行為建模，BPEL4WS以可視化和有序的方式協(xié)調(diào)它們之間的交互活動(dòng)達(dá)成教育資源服務(wù)的組合應(yīng)用目標(biāo)。
（4）教育資源協(xié)同層
異構(gòu)數(shù)字教育資源服務(wù)的協(xié)同應(yīng)用過程涉及處于不同計(jì)算域下的多個(gè)資源提供者，當(dāng)用戶訪問分布式的多域數(shù)字教育資源時(shí)，就會(huì)涉及安全邊界跨越問題，需要登陸不同系統(tǒng)，接受多次安全身份驗(yàn)證，安全與訪問效率都無法得到保證。
安全聲明標(biāo)記語言SAML是信息標(biāo)準(zhǔn)化促進(jìn)組織（OASIS）為產(chǎn)生和交換使用者認(rèn)證而制定的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，它基于XML架構(gòu)在不同的在線應(yīng)用場(chǎng)景中決定請(qǐng)求者、請(qǐng)求內(nèi)容以及是否有授權(quán)提出需求等，同時(shí)為交易的雙方提供交換授權(quán)和確認(rèn)的機(jī)制，達(dá)到可轉(zhuǎn)移的信任。安全協(xié)同層基于SAML實(shí)現(xiàn)用戶在多個(gè)資源提供者之間身份和安全信息的遷移，通過數(shù)字加密和簽名技術(shù)保證系統(tǒng)消息之間的保密性。用戶只需在網(wǎng)絡(luò)中主動(dòng)地進(jìn)行一次身份認(rèn)證登陸，不需再次登陸就能夠在達(dá)成信任關(guān)系的成員單位之間無縫地訪問授權(quán)資源。資源安全協(xié)同層所采用的一站式訪問形式減少了認(rèn)證次數(shù)，同時(shí)也降低了用戶訪問資源時(shí)的時(shí)間成本。
（5）應(yīng)用層
應(yīng)用層是系統(tǒng)功能和使用者交互的接口，提供安全管理入口、資源展示、資源新聞發(fā)布、知識(shí)宣傳等功能。E-learning學(xué)習(xí)信息門戶是應(yīng)用層信息資源集成界面與終端使用者之間進(jìn)行信息交互的橋梁，它通過一站式服務(wù)為學(xué)習(xí)者提供分布式數(shù)字教育資源集成服務(wù)中的核心業(yè)務(wù)。學(xué)習(xí)者通過信息門戶模塊進(jìn)入學(xué)習(xí)環(huán)境，依據(jù)自身的需要和意愿選擇合適的學(xué)習(xí)資源，來完成通過多個(gè)安全域中的分布式資源整合而形成的系列課程學(xué)習(xí)。
四、MERSCA模型的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)
依托國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃課題“數(shù)字教育公共服務(wù)示范工程”，MERSCA模型已在實(shí)踐應(yīng)用環(huán)境中得到成功實(shí)施。MERSCA通過分布式的數(shù)字教育資源服務(wù)整合來凝聚分布于網(wǎng)絡(luò)中的各種教育資源，實(shí)現(xiàn)了教育資源的共享和協(xié)同，并提供安全方便的資源訪問模式。MERSCA的成功實(shí)施依賴于協(xié)同數(shù)字教育資源一站式訪問和資源服務(wù)基于序關(guān)系的協(xié)同兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。
1．協(xié)同教育資源的一站式訪問
協(xié)同資源一站式訪問技術(shù)通過使用SAML安全信牌確保可移植的信任遷移，在分布式的教育資源提供者之間共享用戶身份驗(yàn)證信息和授權(quán)信息，同時(shí)又保證資源提供者對(duì)資源的控制權(quán)。SAML安全信牌由身份認(rèn)證權(quán)威生成，它的生命周期也由身份認(rèn)證權(quán)威來管理。完整的一站式訪問安全認(rèn)證實(shí)現(xiàn)過程如圖2所示，主要由六個(gè)步驟組成：
（1）學(xué)習(xí)者向身份認(rèn)證權(quán)威的SOAP安全Agent提交身份驗(yàn)證信息，請(qǐng)求確認(rèn)身份的合法性；
（2）在確認(rèn)學(xué)習(xí)者身份為合法后，身份認(rèn)證權(quán)威為學(xué)習(xí)者創(chuàng)建含有SAML合法性判決標(biāo)識(shí)文件的安全信牌，并將該信牌返回給學(xué)習(xí)者；
（3）學(xué)習(xí)者在教學(xué)設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程邏輯的引導(dǎo)下，通過點(diǎn)擊目標(biāo)資源地址的URL來試圖訪問某個(gè)協(xié)同學(xué)習(xí)資源，同時(shí)將合法性標(biāo)識(shí)文件作為URL的一部分發(fā)送給資源站點(diǎn)，然后被重新定向到資源提供者；
（4）學(xué)習(xí)資源提供者的SOAP安全Agent收到步驟（3）傳遞來的信息，從合法性標(biāo)識(shí)文件中解析出身份認(rèn)證權(quán)威的地址信息，然后向身份認(rèn)證權(quán)威的SOAP安全Agent發(fā)送包含合法性標(biāo)識(shí)文件的SAML請(qǐng)求；
（5）身份認(rèn)證權(quán)威的SOAP安全Agent收到SAML請(qǐng)求后，從請(qǐng)求中包含的合法性引用信息找到相關(guān)認(rèn)證，然后將認(rèn)證信息封裝在SOAP包中，以SAML響應(yīng)方式傳送給資源提供者；
（6）資源提供者的SOAP安全Agent檢查學(xué)習(xí)者安全信牌信息，如果檢查成功則將學(xué)習(xí)者重新定向到數(shù)字學(xué)習(xí)資源所在的URL，并將所需資源發(fā)送到學(xué)習(xí)者瀏覽器，否則將拒絕用戶訪問。
在步驟（2）～（6）中，由于在重定位URL后附有與學(xué)習(xí)者認(rèn)證相關(guān)的安全信息，可采用簽名和加密的方式來保障認(rèn)證信息的機(jī)密性和完整性。為確保發(fā)送方和接收方身份的真實(shí)性，步驟（4）和（5）中資源提供者和身份認(rèn)證權(quán)威需要進(jìn)行雙向認(rèn)證，它們?cè)趥鬏斏矸萋暶鞯倪^程中對(duì)學(xué)習(xí)者是透明的。
協(xié)同資源一站式訪問的實(shí)現(xiàn)讓學(xué)習(xí)者在訪問不同的服務(wù)資源時(shí)避免身份重復(fù)認(rèn)證，節(jié)省了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)時(shí)間，提高了系統(tǒng)資源的服務(wù)效率。
2. 資源服務(wù)基于序關(guān)系的協(xié)同
資源服務(wù)基于序關(guān)系的協(xié)同技術(shù)將分布式環(huán)境下的教育資源服務(wù)看作獨(dú)立的功能模塊，通過BPEL4WS（Web服務(wù)業(yè)務(wù)流程執(zhí)行語言）流程活動(dòng)綁定這些資源模塊，通過結(jié)構(gòu)化業(yè)務(wù)流程活動(dòng)來定義資源服務(wù)活動(dòng)之間基于序的邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)字教育資源協(xié)同，組成大粒度增值應(yīng)用服務(wù)。BPEL4WS流程引擎為業(yè)務(wù)流程所綁定的資源提供了控制與管理支持。教育資源設(shè)計(jì)者可以方便地依據(jù)教學(xué)設(shè)計(jì)思想采取可視化的方式編排資源協(xié)同關(guān)系，更方便地適應(yīng)學(xué)習(xí)者的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求。
圖3展示了一個(gè)基于BPEL4WS的簡(jiǎn)易資源協(xié)同實(shí)例，BPEL4WS業(yè)務(wù)該流程通過三個(gè)基本活動(dòng)分別綁定了由不同提供者提供的“C語言基本知識(shí)和測(cè)試服務(wù)”、“C語言高階知識(shí)服務(wù)”和“C語言基本知識(shí)鞏固服務(wù)” 分布式資源，基于教學(xué)設(shè)計(jì)序邏輯組成“C語言知識(shí)集成服務(wù)”組合服務(wù)。當(dāng)E-learning學(xué)習(xí)門戶接收到學(xué)習(xí)者的服務(wù)請(qǐng)求時(shí)，組合服務(wù)資源主要協(xié)同過程描述如下：
（1）流程“Receive”協(xié)同服務(wù)接口接收開始信息啟動(dòng)業(yè)務(wù)流程，啟動(dòng)一個(gè)資源協(xié)同實(shí)例；
（2）“C語言基本知識(shí)和測(cè)試服務(wù)”通過基礎(chǔ)知識(shí)服務(wù)接口為學(xué)習(xí)者提供C語言基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)資源，通過測(cè)試接口對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行知識(shí)測(cè)試；
（3）“C語言基本知識(shí)和測(cè)試服務(wù)”將測(cè)試結(jié)果得分提交給BPEL4WS學(xué)習(xí)流程；
（4）BPEL4WS流程對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)績(jī)效進(jìn)行邏輯判決；
（5）當(dāng)學(xué)習(xí)者得分小于60時(shí)，學(xué)習(xí)流程引導(dǎo)學(xué)習(xí)者進(jìn)入“知識(shí)鞏固服務(wù)”，進(jìn)行知識(shí)鞏固；當(dāng)學(xué)習(xí)者得分大于60時(shí)，學(xué)習(xí)流程將引導(dǎo)學(xué)習(xí)者進(jìn)行高階知識(shí)學(xué)習(xí)；
（6）學(xué)習(xí)者知識(shí)學(xué)習(xí)結(jié)束，學(xué)習(xí)流程通過“Reply”協(xié)同服務(wù)輸出接口發(fā)送終止信息終止業(yè)務(wù)流程，結(jié)束學(xué)習(xí)過程。
五、結(jié)論與展望
屏蔽資源平臺(tái)差異、構(gòu)建便捷的一站式數(shù)字教育資源整合服務(wù)是開放環(huán)境下數(shù)字教育服務(wù)建設(shè)需要解決的核心問題之一。本文提出了一種面向SOA環(huán)境的數(shù)字教育資源一站式協(xié)同架構(gòu)模型MERSCA，MERSCA采用分層結(jié)構(gòu)，通過對(duì)數(shù)字教育資源的服務(wù)包裝，實(shí)現(xiàn)了資源的共享和可重用；通過基于SAML的安全信息共享技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一站式訪問；通過BPEL4WS綁定，實(shí)現(xiàn)數(shù)字教育資源基于教學(xué)設(shè)計(jì)思想的增值協(xié)同。MERSCA具有良好的擴(kuò)展性、集成性以及與平臺(tái)無關(guān)等特點(diǎn)，適用于數(shù)字教育資源跨部門協(xié)同應(yīng)用中的信息共享和資源整合。模型的實(shí)現(xiàn)過程證明，該方案具有可行性和實(shí)用性。這些特點(diǎn)在筆者參與的國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題“數(shù)字教育公共服務(wù)示范工程”實(shí)踐應(yīng)用中得到了證明。未來的工作將主要集中在業(yè)務(wù)流程級(jí)別安全性的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方面，以便提供一個(gè)更完善的數(shù)字教育資源集成服務(wù)安全體系。
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