浅谈SOA环境下数字教育资源协同共享框架及实现研究的术论论文
【论文关键词】SOA Web服务 数字教育资源 一站式 协同
【论文摘 要】充分利用网络共享优质教育资源，是当前教育数字化深入发展需要解决的关键问题之一。本文对分布式数字教育资源协同的需求进行了分析，提出了SOA环境下数字教育资源协同共享框架模型（MERSCA），论述了系统的主要架构和关键技术实现。希望在对现有各资源站点改动最小的基础上解决资源的共享和增值应用问题，创新数字教育资源公共服务模式，提高资源的利用效率。
一、引言
数字教育通过实现教育从环境、资源到应用的数字化，使现实校园环境凭借信息系统在时间和空间上得到延伸[1]。SOA(Service Oriented Architecture，面向服务架构)是为解决分布式互联网环境下的资源共享和重用而提出的一种新型软件系统架构，它允许不同系统能够进行无缝通信和异构资源共享。
传统的网络教育资源使用模式降低了远程教育系统中的资源通用性能力，造成了大量资源浪费。建设开放共享的数字教育公共服务体系是国家实施现代远程教育工程的核心组成部分，也是《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》的重要主题[2]。SOA（面向服务架构）为数字教育服务体系建设提供了最佳支持，为构建开放的数字教育公共服务支撑平台，建立新型的面向数字教育的公共服务机制，国家支持实施了“数字化学习港与终身学习社会的建设与示范”、“数字教育公共服务示范工程”等多项重大项目，目前已经初步建立了“奥鹏”、“弘成”和“知金”三个覆盖全国的网络教育公共服务体系[3]。
在分布式教育资源服务的集成应用中，信息的交互、共享和数据的安全访问是关键内容[4]。设计一个全局的资源协同和访问框架来屏蔽资源平台差异，实现分布式资源的共享，以支持优质教育资源增值应用，构建开放和便捷的资源整合服务，成为SOA环境下教育资源数字化建设需要解决的首要问题。
本文在对分布式环境下数字教育资源协同的需求进行分析的基础上，设计了SOA环境下数字教育资源协同共享框架模型（MERSCA, Model of E-learning Resources Sharing andCoordination Architecture），然后从协同数字教育资源一站式访问和数字教育资源服务基于序关系的协同两个方面讨论了MERSCA实现的关键技术。实践研究表明，MERSCA模型是分布式数字教育资源协同共享系统建构中一种可行和实用的方案。
二、分布式数字教育资源协同需求分析
数字教育要达到的重要目标是信息共享和应用集成，需要经过一个长期的建设和完善过程[5]，涵盖资源建设、资源集成、知识处理、平台接入和运行、质量监控和资源评价等多个方面，所以在建设之初就应融入基于全局观点、具有可扩展性和新技术兼容等多个方面的考量。
SOA环境下数字教育资源协同共享框架及实现涉及资源协同的可扩展性、资源访问的便捷性、用户身份的管理以及认证、授权、加密等多项技术，框架的整体设计应满足以下目标：
（1）灵活性
数字教育服务架构通过通用性的服务接口调用来实现资源的`跨域整合，个体原子服务独立于实现平台，具有松耦合、可扩展等特点，它们往往在不同时期由不同厂商开发，设计方法和开发技术也有所不同，各自拥有独立的用户认证体系，也因此导致了目前各个系统的用户数据分散，不能统一管理，难以共享数据的现状[6]。数字教育资源一站式协同架构需要从整体上灵活地鉴别用户，为这些多类型的安全服务提供基于整体访问的跨域安全集成，提供统一访问入口，从而提高优质资源整合的敏捷性。
（2）信任迁移
面向服务的思想使得资源应用逐渐趋向于分布式和相互合作的形式，用户的身份和授权也不再局限于某一特定的信任域。当资源来源于多个安全域，为保证资源交互活动安全，每次访问都需要对用户进行身份和权限准入确认，降低了资源使用效率[7]。因此需要一种信任迁移机制，能够提供一个整体的、运行时身份验证尽可能少的安全信息共享方案。资源访问主体只需要在某个安全域中进行一次身份认证，就可以访问其被授权的当前安全域其他资源或被当前安全域信任的其他域中的资源，不必通过多次身份验证操作来获得授权。
（3）可伸缩
模型应当能够提供开放式体系结构，实现可扩展的安全访问机制，框架应当将信息系统所面对的教育企业或机构从整体应用的角度统一对待，保持通过增加资源使服务价值产生线性增长的能力。当有新的应用需要部署或增加时，不需要对应用程序本身进行大量修改，通过考量安全方案规划技术发展因素，使新的安全技术和规范可以很方便地融入[8]。
三、数字教育资源一站式协同
架构模型（MERSCA）
SOA环境下数字教育资源协同共享框架模型结构如图1所示。MERSCA采用层次结构建模方法，从数字教育资源服务中协同资源一站式访问与基于序关系的动态协同两个核心技术构建资源的安全整合，把握用户对于教学设计逻辑和资源访问等个性化需求，在进行异构数字教育资源协同架构规划中兼顾目前和未来的发展。MERSCA模型从下至上分为资源管理层、通信层、资源组合层、资源协同层和应用层。
（1）资源管理层
我国教育数字化建设中的一个重要组成部分就是网络教育资源开发。为促进网络教育资源建设，国家投入了大量的人力、物力和财力，目前已经建立起了媒体素材、在线题库、网络课件、网上教学案例、网络课程等多种类型的数字教育资源[9]。
在MERSCA中，资源管理层从分布式的优质教育资源中提取类型资源共性，参照已定义好的统一接口标准，将资源属性对应于标准属性用XML格式字符串描述出来，形成统一的资源描述规范和服务接口。同时通过WSDL协议描述数字教育资源的服务，实现标准的接口绑定和异构资源的服务封装，并进行注册和功能分类的集中管理，在对现有各资源站点改动最小的基础上解决资源的共享和增值应用问题。资源管理层为通信层和资源服务组合层提供了资源的预处理功能，通过服务接口对外提供教育资源服务。
（2）通信层
通信层使用基于XML的SOAP协议（Simple Object Access Protocol,简单对象访问协议）对教育资源交互信息进行描述。应用程序之间基于SOAP进行相互沟通时，不需要知道彼此是在哪一种操作平台上操作或是各自如何实现等细节信息。SOAP代表了一套资源如何呈现与延伸的共享规则，它是一个独立的信息，可以独自运作在不同的操作系统上面，并可以使用各种不同的通讯方式来传输，例如SMTP、MIME，或是HTTP等。
无论基于.net技术开发的教育资源系统，还是应用java技术开发的教育资源系统，通过SOAP协议，系统之间能够相互进行沟通和资源共享，资源系统之间的平台架构和实现细节是彼此透明的。
（3）教育资源服务组合层
资源组合层基于BPEL4WS业务流，在Web服务组合引擎所提供的质量控制、消息路由、信息管理、事务管理和流程管理等功能的支持下进行资源服务集成。通过可视化编排方式，资源组合层将不同的教育资源原子服务依据教学设计者设定的逻辑组合在一起，屏蔽底层信息基础设施的变迁，合理地安排这些服务的运行顺序，以形成大粒度的、具有内部流程逻辑的教育资源整合，充分发挥优质教育资源服务的潜力，形成“1+1>2”的服务资源集成增值效果。
BPEL4WS基于XML Schema、XPath及XSLT等规范，提供了一套标准化语法对业务流程所绑定的Web服务交互特性及控制逻辑进行描述。通过对业务流程中教育服务资源的交互行为建模，BPEL4WS以可视化和有序的方式协调它们之间的交互活动达成教育资源服务的组合应用目标。
（4）教育资源协同层
异构数字教育资源服务的协同应用过程涉及处于不同计算域下的多个资源提供者，当用户访问分布式的多域数字教育资源时，就会涉及安全边界跨越问题，需要登陆不同系统，接受多次安全身份验证，安全与访问效率都无法得到保证。
安全声明标记语言SAML是信息标准化促进组织（OASIS）为产生和交换使用者认证而制定的一项标准规范，它基于XML架构在不同的在线应用场景中决定请求者、请求内容以及是否有授权提出需求等，同时为交易的双方提供交换授权和确认的机制，达到可转移的信任。安全协同层基于SAML实现用户在多个资源提供者之间身份和安全信息的迁移，通过数字加密和签名技术保证系统消息之间的保密性。用户只需在网络中主动地进行一次身份认证登陆，不需再次登陆就能够在达成信任关系的成员单位之间无缝地访问授权资源。资源安全协同层所采用的一站式访问形式减少了认证次数，同时也降低了用户访问资源时的时间成本。
（5）应用层
应用层是系统功能和使用者交互的接口，提供安全管理入口、资源展示、资源新闻发布、知识宣传等功能。E-learning学习信息门户是应用层信息资源集成界面与终端使用者之间进行信息交互的桥梁，它通过一站式服务为学习者提供分布式数字教育资源集成服务中的核心业务。学习者通过信息门户模块进入学习环境，依据自身的需要和意愿选择合适的学习资源，来完成通过多个安全域中的分布式资源整合而形成的系列课程学习。
四、MERSCA模型的关键技术实现
依托国家“十一五”科技支撑计划课题“数字教育公共服务示范工程”，MERSCA模型已在实践应用环境中得到成功实施。MERSCA通过分布式的数字教育资源服务整合来凝聚分布于网络中的各种教育资源，实现了教育资源的共享和协同，并提供安全方便的资源访问模式。MERSCA的成功实施依赖于协同数字教育资源一站式访问和资源服务基于序关系的协同两个关键技术。
1．协同教育资源的一站式访问
协同资源一站式访问技术通过使用SAML安全信牌确保可移植的信任迁移，在分布式的教育资源提供者之间共享用户身份验证信息和授权信息，同时又保证资源提供者对资源的控制权。SAML安全信牌由身份认证权威生成，它的生命周期也由身份认证权威来管理。完整的一站式访问安全认证实现过程如图2所示，主要由六个步骤组成：
（1）学习者向身份认证权威的SOAP安全Agent提交身份验证信息，请求确认身份的合法性；
（2）在确认学习者身份为合法后，身份认证权威为学习者创建含有SAML合法性判决标识文件的安全信牌，并将该信牌返回给学习者；
（3）学习者在教学设计业务流程逻辑的引导下，通过点击目标资源地址的URL来试图访问某个协同学习资源，同时将合法性标识文件作为URL的一部分发送给资源站点，然后被重新定向到资源提供者；
（4）学习资源提供者的SOAP安全Agent收到步骤（3）传递来的信息，从合法性标识文件中解析出身份认证权威的地址信息，然后向身份认证权威的SOAP安全Agent发送包含合法性标识文件的SAML请求；
（5）身份认证权威的SOAP安全Agent收到SAML请求后，从请求中包含的合法性引用信息找到相关认证，然后将认证信息封装在SOAP包中，以SAML响应方式传送给资源提供者；
（6）资源提供者的SOAP安全Agent检查学习者安全信牌信息，如果检查成功则将学习者重新定向到数字学习资源所在的URL，并将所需资源发送到学习者浏览器，否则将拒绝用户访问。
在步骤（2）～（6）中，由于在重定位URL后附有与学习者认证相关的安全信息，可采用签名和加密的方式来保障认证信息的机密性和完整性。为确保发送方和接收方身份的真实性，步骤（4）和（5）中资源提供者和身份认证权威需要进行双向认证，它们在传输身份声明的过程中对学习者是透明的。
协同资源一站式访问的实现让学习者在访问不同的服务资源时避免身份重复认证，节省了学习者的学习时间，提高了系统资源的服务效率。
2. 资源服务基于序关系的协同
资源服务基于序关系的协同技术将分布式环境下的教育资源服务看作独立的功能模块，通过BPEL4WS（Web服务业务流程执行语言）流程活动绑定这些资源模块，通过结构化业务流程活动来定义资源服务活动之间基于序的逻辑关系，实现数字教育资源协同，组成大粒度增值应用服务。BPEL4WS流程引擎为业务流程所绑定的资源提供了控制与管理支持。教育资源设计者可以方便地依据教学设计思想采取可视化的方式编排资源协同关系，更方便地适应学习者的个性化学习需求。
图3展示了一个基于BPEL4WS的简易资源协同实例，BPEL4WS业务该流程通过三个基本活动分别绑定了由不同提供者提供的“C语言基本知识和测试服务”、“C语言高阶知识服务”和“C语言基本知识巩固服务” 分布式资源，基于教学设计序逻辑组成“C语言知识集成服务”组合服务。当E-learning学习门户接收到学习者的服务请求时，组合服务资源主要协同过程描述如下：
（1）流程“Receive”协同服务接口接收开始信息启动业务流程，启动一个资源协同实例；
（2）“C语言基本知识和测试服务”通过基础知识服务接口为学习者提供C语言基础知识学习资源，通过测试接口对学习者进行知识测试；
（3）“C语言基本知识和测试服务”将测试结果得分提交给BPEL4WS学习流程；
（4）BPEL4WS流程对学习者的学习绩效进行逻辑判决；
（5）当学习者得分小于60时，学习流程引导学习者进入“知识巩固服务”，进行知识巩固；当学习者得分大于60时，学习流程将引导学习者进行高阶知识学习；
（6）学习者知识学习结束，学习流程通过“Reply”协同服务输出接口发送终止信息终止业务流程，结束学习过程。
五、结论与展望
屏蔽资源平台差异、构建便捷的一站式数字教育资源整合服务是开放环境下数字教育服务建设需要解决的核心问题之一。本文提出了一种面向SOA环境的数字教育资源一站式协同架构模型MERSCA，MERSCA采用分层结构，通过对数字教育资源的服务包装，实现了资源的共享和可重用；通过基于SAML的安全信息共享技术，实现了一站式访问；通过BPEL4WS绑定，实现数字教育资源基于教学设计思想的增值协同。MERSCA具有良好的扩展性、集成性以及与平台无关等特点，适用于数字教育资源跨部门协同应用中的信息共享和资源整合。模型的实现过程证明，该方案具有可行性和实用性。这些特点在笔者参与的国家科技支撑计划课题“数字教育公共服务示范工程”实践应用中得到了证明。未来的工作将主要集中在业务流程级别安全性的设计与实现方面，以便提供一个更完善的数字教育资源集成服务安全体系。
参考文献:
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