数字化教学资源存储系统的构建研究

摘要：伴随着我国高等教育课程改革的不断深化，课程资源的重要性日益凸显。课程资源的丰富性对课程目标的实现范围和实现水平有着直接关系。因此，对课程资源的研究、建设和利用，是深化教学改革，提高人才培养质量的必要条件。教学资源的存储作为课程资源建设的基础而关键的问题，必须面对大容量存储、海量小文件存储、高可用、可扩展以及视频存储与播放等一系列实际问题，值得我们架构课程资源存储系统时深入研究。

关键词：教育 资源 存储 构建

中图分类号：G642.0 文献标识码：C DOI：10.3969/j.issn.1672-8181.2013.21.116

1 大数据量存储

高水平的教育首先应该表现为教学资源的丰富。由于信息技术和互联网技术的飞速发展，世界已经步入到以数据为中心的“大数据”时代。数以亿计的计算机和各种移动智能终端正在持续不断地创造出数量惊人的数据。同时，人们对资源的品质要求也在不断提高。对比我国国家精品课程，录像标准（2010）和国家精品资源共享课程录像标准（2012年版），我们可以看出，仅视频录像的分辨率标准就已从320*240提升至720*576。分辨率的提升，意味着视频文件的增大。可以预见，我们的资源存储系统将不得不面对PB（1PB=1024TB）级、EB（1EB=1024PB）级、甚至更多的数据存储。因此，我们在存储架构时必须为大容量的资源存储做好准备。

2 小文件存储与并发访问

在《教育资源建设规范CELTS-41.1》中，教学资源主要分为9类：媒体素材、试题、试卷、课件与网络课件、案例、文献资料、常见问题解答、资源目录索引和网络课程。媒体素材可以包括文本、图形/图像、音频、视频、动画等。[1]2012年，在教育部提供的精品资源共享课申报提交工具中，资源被细分为：教学录像、演示文稿、习题作业、试卷、教学课件、例题、教学案例、媒体素材、学习手册、电子教材、实验/实训/实习、任务工单、工程图纸、票证账表、模拟实训/实验动画、常见问题、专家讨座、学生作品、文献资料、名词术语、人物、教学软件、虚拟仿真、电子教案、其他等25种实体资源。为了方便学习者进行移动学习和碎片时间学习，这些资源都不会被设计得太大，因此教学资源存储系必将要面对海量小文件和由此引发的高并发、大流量以及热点不集中等一系列问题。

3 高可用

随着数字化教学资源在教学中的应用越来越广，提高资源系统的高可用性成为建设稳健系统的首要任务之一。高可用系统是目前机构防止核心计算机系统因故障停机的最有效手段。高可用性H.A.（High Availability）指的是通过尽量缩短因日常维护操作（计划）和突发的系统崩溃（非计划）所导致的停机时间，以提高系统和应用的可用性。数字化教育资源的存储系统是一种典型的WEB应用系统，故障点较多，因此高可用问题也是数字化教学资源存储系统必须考虑的问题之一。

4 可扩展性问题

在存储领域，单一服务器无法存放庞大数据集时，必须增添容量。因此教学资源存储系统还必须面对系统的扩展问题：纵向扩展或是横向扩展。纵向扩展是为了使单个服务器能够自己处理更多数据的方法，意味着对单一服务器增添更多资源，因此受到硬件系统本身的限制，扩展能力有限。对于分布式系统还可采用横向扩展，这需要增加更多的节点。应对庞大的数据集，可以用两台甚至多台服务器来存放数据，理论上可以无限扩容，但成本大于纵向扩展。因此，在设计教学资源存储系统时，需要综合考虑两种扩展方式。

5 视频存储与在线播放问题

由MOOC带来的视频课程的潮流，导致视频资源空前丰富。视频资源由于文件较大，易造成存储系统的瓶颈。同时视频资源作为一种特殊的教学资源，还需要解决在线播放所带来的视频传输协议选择等一系列问题，因此有必要对视频的存储与访问问题深入研究。

以上五个基本问题，笔者认为一个可行的解决办法就是使用分布式文件系统构建服务器集群。笔者通过实践认为基于分布式文件系统FastDFS和WEB服务器Nginx架构的解决方案可以有效应对教学资源的存储和视频在线播放的问题。

6 分布式文件系统FastDFS

FastDfs是一个基于 c 语言实现的开源分布式文件系统，专门为互联网应用，充分考虑了如高可用性、负载均衡、可扩展性、负载均衡等网络应用的特点，特别适合以中小文件为载体的在线服务。FastDFS的优势主要表现在：轻量级、分组方式和对等结构等三个方面[2]。

同时FastDFS还具有以下特点：灵活的同步机制；强大而灵活的扩展功能，支持横向扩展和纵向扩展且不影响现有服务；大并发访问，采用libevent取代传统的网络通信模型，支持10K级的并发；低负载，磁盘I/O由专门的线程处理，系统负载与连接数之间不存在线性关系，系统负载基本上不受连接数影响。调查发现包括京东、UC、支付宝等网站均在使用FastDFS分布式文件存储系统，其中不乏PB级别的网站。因此，FastDFS是一个成熟可靠的分布式文件存储方案，非常适合教育资源的存储。

7 Web服务器Nginx

由于FastDFS提供的是基于http协议的在线访问，教学资源的传输主要通过http协议进行Web传输。目前在UNINX-LIKE系统下，主流的Web服务器有Apache和Nginx。作为后起之秀的开源软件Nginx由于其出色的性能，在世界范围内受到了起来越多的关注。 Nginx使用了最新的epoll（Linux 2.6内核）和kqueue（freebsd）网络I/O模型，而Apache仍使用传统的select模型。因此能Nginx每秒能处理数倍于Apache的请求，并且在系统负载、CPU使用率远低于Apache。另外Nginx还引入了Apache的模块开发支持机制，可通过丰富的开源模块扩展其功能。Nginx 有着超越 Apache 的高性能和稳定性，国内许多大型网站的均已向Nginx迁移。因此Nginx是教学资源访问服务理想的Web服务器。

8 视频在线点播

目前在线播放主要依赖于http协议和rtmp协议。基于http协议时，学习者通过Web服务器将视频文件先下载到本地缓存后播放。其优点是，当视频下载完成后就没有服务器消耗了。其缺点是视频文件会缓存在客户端，文件的保密性不好。而基于rtmp协议时，采用服务器实时播放，视频文件不会缓存在客户端。其优点是保密性好，但其缺点是必须要有实时的服务器连接。而且FMS（Flash Media Server）等服务端软件收费高昂，可支持的连接数也十分有限。国内大部分的视频分享网站均采用http方式，通过普通的Web服务器（虚拟主机）完成在线点播，因此在设计视频资源在线访问时可以完全选用http协议，而且Nginx已经内置了在线播放模块。

9 结语

教育资源存储系统的架构是教育资源系统基础而核心的问题。笔者经过实践认为FastDFS和Nginx组合，为高校教学资源存储系统的建设提供了一种高效、可靠、低成本的解决方案。限于篇幅笔者没有论及教学资源建设中，互联网环境下异构系统间的信息交换和资源共享等应用层问题，这将是下一步重点研究的问题。

参考文献：

[1]教育部教育信息化技术标准委员会.CELTS中国教育部教育信息化技术标准[S].中国标准出版社，2002.

[2]余庆.分布式文件系统FastDFS剖析[J].程序员，2010，（11）.