淺談SOA環境下數字教育資源協同共享框架及實現研究的術論論文
【論文關鍵詞】SOA Web服務 數字教育資源 一站式 協同
【論文摘 要】充分利用網絡共享優質教育資源，是當前教育數字化深入發展需要解決的關鍵問題之一。本文對分布式數字教育資源協同的需求進行了分析，提出了SOA環境下數字教育資源協同共享框架模型（MERSCA），論述了系統的主要架構和關鍵技術實現。希望在對現有各資源站點改動最小的基礎上解決資源的共享和增值應用問題，創新數字教育資源公共服務模式，提高資源的利用效率。
一、引言
數字教育通過實現教育從環境、資源到應用的數字化，使現實校園環境憑借信息系統在時間和空間上得到延伸[1]。SOA(Service Oriented Architecture，面向服務架構)是為解決分布式互聯網環境下的資源共享和重用而提出的一種新型軟件系統架構，它允許不同系統能夠進行無縫通信和異構資源共享。
傳統的網絡教育資源使用模式降低了遠程教育系統中的資源通用性能力，造成了大量資源浪費。建設開放共享的數字教育公共服務體系是國家實施現代遠程教育工程的核心組成部分，也是《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》的重要主題[2]。SOA（面向服務架構）為數字教育服務體系建設提供了最佳支持，為構建開放的數字教育公共服務支撐平臺，建立新型的面向數字教育的公共服務機制，國家支持實施了“數字化學習港與終身學習社會的建設與示范”、“數字教育公共服務示范工程”等多項重大項目，目前已經初步建立了“奧鵬”、“弘成”和“知金”三個覆蓋全國的網絡教育公共服務體系[3]。
在分布式教育資源服務的集成應用中，信息的交互、共享和數據的安全訪問是關鍵內容[4]。設計一個全局的資源協同和訪問框架來屏蔽資源平臺差異，實現分布式資源的共享，以支持優質教育資源增值應用，構建開放和便捷的資源整合服務，成為SOA環境下教育資源數字化建設需要解決的首要問題。
本文在對分布式環境下數字教育資源協同的需求進行分析的基礎上，設計了SOA環境下數字教育資源協同共享框架模型（MERSCA, Model of E-learning Resources Sharing andCoordination Architecture），然后從協同數字教育資源一站式訪問和數字教育資源服務基于序關系的協同兩個方面討論了MERSCA實現的關鍵技術。實踐研究表明，MERSCA模型是分布式數字教育資源協同共享系統建構中一種可行和實用的方案。
二、分布式數字教育資源協同需求分析
數字教育要達到的重要目標是信息共享和應用集成，需要經過一個長期的建設和完善過程[5]，涵蓋資源建設、資源集成、知識處理、平臺接入和運行、質量監控和資源評價等多個方面，所以在建設之初就應融入基于全局觀點、具有可擴展性和新技術兼容等多個方面的考量。
SOA環境下數字教育資源協同共享框架及實現涉及資源協同的可擴展性、資源訪問的便捷性、用戶身份的管理以及認證、授權、加密等多項技術，框架的整體設計應滿足以下目標：
�。�1）靈活性
數字教育服務架構通過通用性的服務接口調用來實現資源的`跨域整合，個體原子服務獨立于實現平臺，具有松耦合、可擴展等特點，它們往往在不同時期由不同廠商開發，設計方法和開發技術也有所不同，各自擁有獨立的用戶認證體系，也因此導致了目前各個系統的用戶數據分散，不能統一管理，難以共享數據的現狀[6]。數字教育資源一站式協同架構需要從整體上靈活地鑒別用戶，為這些多類型的安全服務提供基于整體訪問的跨域安全集成，提供統一訪問入口，從而提高優質資源整合的敏捷性。
�。�2）信任遷移
面向服務的思想使得資源應用逐漸趨向于分布式和相互合作的形式，用戶的身份和授權也不再局限于某一特定的信任域。當資源來源于多個安全域，為保證資源交互活動安全，每次訪問都需要對用戶進行身份和權限準入確認，降低了資源使用效率[7]。因此需要一種信任遷移機制，能夠提供一個整體的、運行時身份驗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安全域中進行一次身份認證，就可以訪問其被授權的當前安全域其他資源或被當前安全域信任的其他域中的資源，不必通過多次身份驗證操作來獲得授權。
（3）可伸縮
模型應當能夠提供開放式體系結構，實現可擴展的安全訪問機制，框架應當將信息系統所面對的教育企業或機構從整體應用的角度統一對待，保持通過增加資源使服務價值產生線性增長的能力。當有新的應用需要部署或增加時，不需要對應用程序本身進行大量修改，通過考量安全方案規劃技術發展因素，使新的安全技術和規范可以很方便地融入[8]。
三、數字教育資源一站式協同
架構模型（MERSCA）
SOA環境下數字教育資源協同共享框架模型結構如圖1所示。MERSCA采用層次結構建模方法，從數字教育資源服務中協同資源一站式訪問與基于序關系的動態協同兩個核心技術構建資源的安全整合，把握用戶對于教學設計邏輯和資源訪問等個性化需求，在進行異構數字教育資源協同架構規劃中兼顧目前和未來的發展。MERSCA模型從下至上分為資源管理層、通信層、資源組合層、資源協同層和應用層。
�。�1）資源管理層
我國教育數字化建設中的一個重要組成部分就是網絡教育資源開發。為促進網絡教育資源建設，國家投入了大量的人力、物力和財力，目前已經建立起了媒體素材、在線題庫、網絡課件、網上教學案例、網絡課程等多種類型的數字教育資源[9]。
在MERSCA中，資源管理層從分布式的優質教育資源中提取類型資源共性，參照已定義好的統一接口標準，將資源屬性對應于標準屬性用XML格式字符串描述出來，形成統一的資源描述規范和服務接口。同時通過WSDL協議描述數字教育資源的服務，實現標準的接口綁定和異構資源的服務封裝，并進行注冊和功能分類的集中管理，在對現有各資源站點改動最小的基礎上解決資源的共享和增值應用問題。資源管理層為通信層和資源服務組合層提供了資源的預處理功能，通過服務接口對外提供教育資源服務。
�。�2）通信層
通信層使用基于XML的SOAP協議（Simple Object Access Protocol,簡單對象訪問協議）對教育資源交互信息進行描述。應用程序之間基于SOAP進行相互溝通時，不需要知道彼此是在哪一種操作平臺上操作或是各自如何實現等細節信息。SOAP代表了一套資源如何呈現與延伸的共享規則，它是一個獨立的信息，可以獨自運作在不同的操作系統上面，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技術開發的教育資源系統，還是應用java技術開發的教育資源系統，通過SOAP協議，系統之間能夠相互進行溝通和資源共享，資源系統之間的平臺架構和實現細節是彼此透明的。
�。�3）教育資源服務組合層
資源組合層基于BPEL4WS業務流，在Web服務組合引擎所提供的質量控制、消息路由、信息管理、事務管理和流程管理等功能的支持下進行資源服務集成。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依據教學設計者設定的邏輯組合在一起，屏蔽底層信息基礎設施的變遷，合理地安排這些服務的運行順序，以形成大粒度的、具有內部流程邏輯的教育資源整合，充分發揮優質教育資源服務的潛力，形成“1+1>2”的服務資源集成增值效果。
BPEL4WS基于XML Schema、XPath及XSLT等規范，提供了一套標準化語法對業務流程所綁定的Web服務交互特性及控制邏輯進行描述。通過對業務流程中教育服務資源的交互行為建模，BPEL4WS以可視化和有序的方式協調它們之間的交互活動達成教育資源服務的組合應用目標。
（4）教育資源協同層
異構數字教育資源服務的協同應用過程涉及處于不同計算域下的多個資源提供者，當用戶訪問分布式的多域數字教育資源時，就會涉及安全邊界跨越問題，需要登陸不同系統，接受多次安全身份驗證，安全與訪問效率都無法得到保證。
安全聲明標記語言SAML是信息標準化促進組織（OASIS）為產生和交換使用者認證而制定的一項標準規范，它基于XML架構在不同的在線應用場景中決定請求者、請求內容以及是否有授權提出需求等，同時為交易的雙方提供交換授權和確認的機制，達到可轉移的信任。安全協同層基于SAML實現用戶在多個資源提供者之間身份和安全信息的遷移，通過數字加密和簽名技術保證系統消息之間的保密性。用戶只需在網絡中主動地進行一次身份認證登陸，不需再次登陸就能夠在達成信任關系的成員單位之間無縫地訪問授權資源。資源安全協同層所采用的一站式訪問形式減少了認證次數，同時也降低了用戶訪問資源時的時間成本。
�。�5）應用層
應用層是系統功能和使用者交互的接口，提供安全管理入口、資源展示、資源新聞發布、知識宣傳等功能。E-learning學習信息門戶是應用層信息資源集成界面與終端使用者之間進行信息交互的橋梁，它通過一站式服務為學習者提供分布式數字教育資源集成服務中的核心業務。學習者通過信息門戶模塊進入學習環境，依據自身的需要和意愿選擇合適的學習資源，來完成通過多個安全域中的分布式資源整合而形成的系列課程學習。
四、MERSCA模型的關鍵技術實現
依托國家“十一五”科技支撐計劃課題“數字教育公共服務示范工程”，MERSCA模型已在實踐應用環境中得到成功實施。MERSCA通過分布式的數字教育資源服務整合來凝聚分布于網絡中的各種教育資源，實現了教育資源的共享和協同，并提供安全方便的資源訪問模式。MERSCA的成功實施依賴于協同數字教育資源一站式訪問和資源服務基于序關系的協同兩個關鍵技術。
1．協同教育資源的一站式訪問
協同資源一站式訪問技術通過使用SAML安全信牌確�？梢浦驳男湃芜w移，在分布式的教育資源提供者之間共享用戶身份驗證信息和授權信息，同時又保證資源提供者對資源的控制權。SAML安全信牌由身份認證權威生成，它的生命周期也由身份認證權威來管理。完整的一站式訪問安全認證實現過程如圖2所示，主要由六個步驟組成：
�。�1）學習者向身份認證權威的SOAP安全Agent提交身份驗證信息，請求確認身份的合法性；
�。�2）在確認學習者身份為合法后，身份認證權威為學習者創建含有SAML合法性判決標識文件的安全信牌，并將該信牌返回給學習者；
�。�3）學習者在教學設計業務流程邏輯的引導下，通過點擊目標資源地址的URL來試圖訪問某個協同學習資源，同時將合法性標識文件作為URL的一部分發送給資源站點，然后被重新定向到資源提供者；
�。�4）學習資源提供者的SOAP安全Agent收到步驟（3）傳遞來的信息，從合法性標識文件中解析出身份認證權威的地址信息，然后向身份認證權威的SOAP安全Agent發送包含合法性標識文件的SAML請求；
（5）身份認證權威的SOAP安全Agent收到SAML請求后，從請求中包含的合法性引用信息找到相關認證，然后將認證信息封裝在SOAP包中，以SAML響應方式傳送給資源提供者；
�。�6）資源提供者的SOAP安全Agent檢查學習者安全信牌信息，如果檢查成功則將學習者重新定向到數字學習資源所在的URL，并將所需資源發送到學習者瀏覽器，否則將拒絕用戶訪問。
在步驟（2）～（6）中，由于在重定位URL后附有與學習者認證相關的安全信息，可采用簽名和加密的方式來保障認證信息的機密性和完整性。為確保發送方和接收方身份的真實性，步驟（4）和（5）中資源提供者和身份認證權威需要進行雙向認證，它們在傳輸身份聲明的過程中對學習者是透明的。
協同資源一站式訪問的實現讓學習者在訪問不同的服務資源時避免身份重復認證，節省了學習者的學習時間，提高了系統資源的服務效率。
2. 資源服務基于序關系的協同
資源服務基于序關系的協同技術將分布式環境下的教育資源服務看作獨立的功能模塊，通過BPEL4WS（Web服務業務流程執行語言）流程活動綁定這些資源模塊，通過結構化業務流程活動來定義資源服務活動之間基于序的邏輯關系，實現數字教育資源協同，組成大粒度增值應用服務。BPEL4WS流程引擎為業務流程所綁定的資源提供了控制與管理支持。教育資源設計者可以方便地依據教學設計思想采取可視化的方式編排資源協同關系，更方便地適應學習者的個性化學習需求。
圖3展示了一個基于BPEL4WS的簡易資源協同實例，BPEL4WS業務該流程通過三個基本活動分別綁定了由不同提供者提供的“C語言基本知識和測試服務”、“C語言高階知識服務”和“C語言基本知識鞏固服務” 分布式資源，基于教學設計序邏輯組成“C語言知識集成服務”組合服務。當E-learning學習門戶接收到學習者的服務請求時，組合服務資源主要協同過程描述如下：
�。�1）流程“Receive”協同服務接口接收開始信息啟動業務流程，啟動一個資源協同實例；
�。�2）“C語言基本知識和測試服務”通過基礎知識服務接口為學習者提供C語言基礎知識學習資源，通過測試接口對學習者進行知識測試；
�。�3）“C語言基本知識和測試服務”將測試結果得分提交給BPEL4WS學習流程；
�。�4）BPEL4WS流程對學習者的學習績效進行邏輯判決；
�。�5）當學習者得分小于60時，學習流程引導學習者進入“知識鞏固服務”，進行知識鞏固；當學習者得分大于60時，學習流程將引導學習者進行高階知識學習；
�。�6）學習者知識學習結束，學習流程通過“Reply”協同服務輸出接口發送終止信息終止業務流程，結束學習過程。
五、結論與展望
屏蔽資源平臺差異、構建便捷的一站式數字教育資源整合服務是開放環境下數字教育服務建設需要解決的核心問題之一。本文提出了一種面向SOA環境的數字教育資源一站式協同架構模型MERSCA，MERSCA采用分層結構，通過對數字教育資源的服務包裝，實現了資源的共享和可重用；通過基于SAML的安全信息共享技術，實現了一站式訪問；通過BPEL4WS綁定，實現數字教育資源基于教學設計思想的增值協同。MERSCA具有良好的擴展性、集成性以及與平臺無關等特點，適用于數字教育資源跨部門協同應用中的信息共享和資源整合。模型的實現過程證明，該方案具有可行性和實用性。這些特點在筆者參與的國家科技支撐計劃課題“數字教育公共服務示范工程”實踐應用中得到了證明。未來的工作將主要集中在業務流程級別安全性的設計與實現方面，以便提供一個更完善的數字教育資源集成服務安全體系。
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