數(shù)字化校園應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)的研究

文章出處：http://botanicstilllife.com 作者：盛昀 方明   人氣： 發(fā)表時間：2011年11月23日

    數(shù)字化校園已經(jīng)成為目前高等院校發(fā)展信息化建設(shè)的一個重要目標(biāo)。作為數(shù)字化校園的基礎(chǔ)，各個學(xué)校紛紛對校園的硬件和網(wǎng)絡(luò)進行建設(shè)，一些學(xué)校已引入或者自行開發(fā)了很多業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了部分管理的自動化，使得校園網(wǎng)得到充分的利用。但是這種發(fā)展也帶來了一些新的問題，如由于應(yīng)用系統(tǒng)在不同時間由不同人群研發(fā)完成，缺乏全局的系統(tǒng)規(guī)劃，容易造成各應(yīng)用系統(tǒng)彼此分割、各自分散，出現(xiàn)眾多分散的、異構(gòu)的、相互封閉的信息資源系統(tǒng)。每個應(yīng)用系統(tǒng)有自己的數(shù)據(jù)庫，自編的一套應(yīng)用軟件，系統(tǒng)內(nèi)部缺乏合理的通道，系統(tǒng)之間信息無法共享、無法交換，導(dǎo)致資源浪費，并對數(shù)字化校園的信息通、教學(xué)通、資源通和管理通等需求造成嚴(yán)重的障礙。針對這一現(xiàn)象，本文通過比較當(dāng)前數(shù)字化校園應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)路線，提出了一個數(shù)字化校園應(yīng)用系統(tǒng)整體的邏輯架構(gòu)以及技術(shù)實現(xiàn)的手段。

    一、數(shù)字化校園總體架構(gòu)

    數(shù)字化校園的建設(shè)目標(biāo)可借用下面的一幅場景來描述。如某個學(xué)生選擇一門課程之后，當(dāng)他再次登錄或返回自己的個性化頁面時，他應(yīng)該可以看到：①這門課程的授課老師、課程安排和教學(xué)計劃等；② 這門課程在圖書館內(nèi)的參考書籍的鏈接；③ 這門課程的學(xué)分是多少，自己已經(jīng)完成了多少學(xué)分，本學(xué)期還需要幾個學(xué)分；④ 這門課程需要繳納的費用是多少，同時在此頁面提供付費確認(rèn)鏈接。

    在上述4 個步驟中，用戶對一個應(yīng)用系統(tǒng)的動作，觸動其他3個不同的應(yīng)用系統(tǒng)進行工作，最終將結(jié)果通過個性化頁面反饋給用戶，從而實現(xiàn)一站式服務(wù)。從以上描述可以知道一個數(shù)字化校園的應(yīng)用系統(tǒng)必須是一個總的校園信息系統(tǒng)的集成，它從全局的高度分析校園內(nèi)部的關(guān)系，并通過建立統(tǒng)一的信息標(biāo)準(zhǔn)，提供平臺與接口規(guī)范，將各種信息系統(tǒng)以松散耦合的方式集成起來，以統(tǒng)一的形象為用戶提供個性化的服務(wù)。為了解決當(dāng)前校園信息化建設(shè)過程中缺乏發(fā)展規(guī)劃、資源不能共享、應(yīng)用難以集成及用戶使用繁雜等問題，本文提出以下數(shù)字化校園總體架構(gòu)模型（圖1）。

    從圖1可以看出整個系統(tǒng)與操作系統(tǒng)無關(guān)，遵循J2EE 規(guī)范。統(tǒng)一身份認(rèn)證與授權(quán)平臺為各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)加密、數(shù)字簽名、身份認(rèn)證和授權(quán)管理等安全服務(wù)，應(yīng)用集成平臺通過異構(gòu)數(shù)據(jù)接口平臺協(xié)同多個其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行計算。網(wǎng)上校園通過業(yè)務(wù)工作流等中間件實現(xiàn)數(shù)字化校園的應(yīng)用互動。整個系統(tǒng)按照這種一體化的思想設(shè)計，即一體化的安全平臺、一體化的接口技術(shù)及一體化的業(yè)務(wù)平臺。一體化的安全平臺指各業(yè)務(wù)系統(tǒng)都可以建立在統(tǒng)一身份認(rèn)證與授權(quán)服務(wù)平臺之上，這樣解決了一個用戶進入校園網(wǎng)的不同應(yīng)用系統(tǒng)可能需要不同的密碼，甚至不同的身份標(biāo)識的問題；一體化的接口技術(shù)指各個應(yīng)用系統(tǒng)通過統(tǒng)一的Web Service 技術(shù)實現(xiàn)與統(tǒng)一身份認(rèn)證/授權(quán)平臺、異構(gòu)數(shù)據(jù)庫接口平臺、校園內(nèi)部各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的接口，解決了各應(yīng)用系統(tǒng)之間無法直接訪問相互間的數(shù)據(jù)和功能，可能需要人為的處理，如數(shù)據(jù)交換的問題。一體化的業(yè)務(wù)平臺指公網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)在確保安全的前提下合二為一、實現(xiàn)了信息無縫共享，公網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)使用同一個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。這樣一個數(shù)字化校園網(wǎng)體系可以實現(xiàn)一體化的安全、一體化的業(yè)務(wù)和一體化的訪問控制。 

圖1 數(shù)字化校園總體架構(gòu)

    二、技術(shù)路線選型

    就目前的技術(shù)而言，實現(xiàn)數(shù)字化校園有兩條技術(shù)路線：EAI（企業(yè)應(yīng)用集成）解決方案和Web 服務(wù)。EAI 可以說是建立一個靈活的、標(biāo)準(zhǔn)化的企業(yè)應(yīng)用底層架構(gòu)，可以允許新的基于IT 的應(yīng)用能夠更容易更有效地被部署。新的底層架構(gòu)允許企業(yè)中的應(yīng)用能夠?qū)崟r地、無縫地互相通信。從技術(shù)角度來說，EAI 可以看作許多不同集成方法的集合，例如數(shù)據(jù)適配器、消息代理和其他類型的中間件等，來實現(xiàn)對不同應(yīng)用的合并與協(xié)調(diào)，從而實現(xiàn)企業(yè)信息系統(tǒng)的集成。Web服務(wù)則是一種通過URI 識別的模塊化軟件應(yīng)用，它通過標(biāo)準(zhǔn)的 XML 格式接口來訪問網(wǎng)絡(luò)（包括Internet，Intranet，Extranet），通過Internet 的基本協(xié)議和其他軟件代理交換XML 信息。傳統(tǒng)的EAI 是一種緊耦合集成模式，比較適用于那些對性能要求較高的、需要多種層次集成的應(yīng)用集成系統(tǒng)。Web 服務(wù)是一種標(biāo)準(zhǔn)化的松耦合集成模式，比較適用于那些需要更大的靈活性，改動頻繁的應(yīng)用集成系統(tǒng)。結(jié)合了Web 服務(wù)的EAI 系統(tǒng)則實現(xiàn)了一種面向服務(wù)層的松耦合的企業(yè)應(yīng)用集成系統(tǒng)，可以最大限度地同時滿足性能和靈活性的要求。

    所以在數(shù)字化校園的建設(shè)進程中，不能單靠某一技術(shù)或某一廠商的產(chǎn)品一蹴而就。從諸多成功和失敗的案例可以看出：跨多個操作系統(tǒng)、編程語言和硬件平臺集成軟件應(yīng)用程序不可能由任何一個專門的環(huán)境來解決。這個問題一直是一個緊耦合問題，即調(diào)用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序通過自己發(fā)出的函數(shù)調(diào)用和請求的參數(shù)與遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)緊密地聯(lián)系在一起。如果采用固定接口，當(dāng)環(huán)境或需要改變時，就會顯得缺乏靈活性或適用性。

    為了數(shù)字化校園進程的順利推動，采用以技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合廠商產(chǎn)品的方法為主線，兩種技術(shù)相結(jié)合，以EAI 的技術(shù)框架結(jié)構(gòu)實現(xiàn)面向多種層次的集成，如數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、商業(yè)邏輯層、用戶（界面）接口層、服務(wù)層的集成。其中服務(wù)層的集成，通過引入 Web服務(wù)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)。這樣可以做到讓任何平臺上的用任何語言編寫的服務(wù)進行交互；可以將應(yīng)用程序功能概念化成任務(wù)，從而形成面向任務(wù)的開發(fā)和工作流；允許松耦合，每當(dāng)其中某個或多個服務(wù)在設(shè)計或?qū)崿F(xiàn)中發(fā)生變更時，服務(wù)應(yīng)用程序之間的交互作用不會因此而中斷，使現(xiàn)有的應(yīng)用程序能適應(yīng)變化中的業(yè)務(wù)條件和客戶需要；向現(xiàn)有或原有的軟件應(yīng)用程序提供服務(wù)接口，而無需改變原來的應(yīng)用程序，從而使這些應(yīng)用程序完全可以運行在這種服務(wù)環(huán)境下。

    三、實現(xiàn)手段

    （一）應(yīng)用系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)

    根據(jù)上節(jié)的設(shè)計思想，系統(tǒng)可設(shè)計成一個基于J2EE 的Web 應(yīng)用系統(tǒng)，從構(gòu)架結(jié)構(gòu)上來講，采用三層或多層構(gòu)架的組件化設(shè)計思想，這樣做可以滿足系統(tǒng)的性能、縮放性、安全性、可訪性、重用性及可維護性的要求。這一架構(gòu)遵循統(tǒng)一數(shù)據(jù)出口和統(tǒng)一數(shù)據(jù)入口的原則，通過統(tǒng)一的一站式服務(wù)門戶對外給用戶提供閉環(huán)式服務(wù)和共享機制，對內(nèi)整合各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。通過對上層應(yīng)用服務(wù)的請求，調(diào)度下層業(yè)務(wù)邏輯及其相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的資源，完成以事件為驅(qū)動的工作流和數(shù)據(jù)流的運行。

    系統(tǒng)整體的邏輯架構(gòu)以及技術(shù)實現(xiàn)的手段如圖2所示。 

圖2 信息系統(tǒng)邏輯框架示意圖

    系統(tǒng)從邏輯上可劃分為用戶表現(xiàn)層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)訪問層和數(shù)據(jù)庫層。用戶表現(xiàn)層采用MVC（模塊－示圖－控制）構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計，它是由Weblogic 或WebSphere 等主流應(yīng)用服務(wù)器所支持的JavaServlet，JSP 和JavaBean 去實現(xiàn)的。應(yīng)用層采用EJB（Enterprise JavaBean）去執(zhí)行業(yè)務(wù)規(guī)則和形成業(yè)務(wù)對象。由于應(yīng)用程序集中放置在這一層上，由所有用戶共享，使得系統(tǒng)的維護和更新變得簡單。當(dāng)業(yè)務(wù)邏輯發(fā)生變化時，只需更新服務(wù)器上相應(yīng)的應(yīng)用組件，之后所有的用戶就可以使用新的業(yè)務(wù)處理邏輯，避免了用戶端應(yīng)用程序版本控制和更新的困難。而且這些組件可以鏡像到多臺機器上同時運行，從而分擔(dān)多用戶的負(fù)載。

    數(shù)據(jù)訪問層使用JDBC的應(yīng)用層可以訪問多種數(shù)據(jù)資源而不會影響業(yè)務(wù)本身的邏輯。應(yīng)用程序組件可以共享與數(shù)據(jù)庫的連接，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器不再是為每個活動的用戶保持一個連接，從而降低了數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，提高了性能。

    數(shù)據(jù)庫層可以分為三類：信息數(shù)據(jù)庫，業(yè)務(wù)管理綜合數(shù)據(jù)庫以及決策支持使用的數(shù)據(jù)倉庫。這些數(shù)據(jù)庫將存貯所有業(yè)務(wù)信息和管理信息以及一些系統(tǒng)應(yīng)用參數(shù)。

    這樣的體系結(jié)構(gòu)適合大規(guī)模配置的應(yīng)用系統(tǒng)，而在中間層的業(yè)務(wù)邏輯不必信任客戶機，極大地提高了系統(tǒng)的效率，而這些業(yè)務(wù)邏輯共享數(shù)據(jù)庫連接，就可以使大量的用戶有機會使用系統(tǒng)，這樣增加的是用戶數(shù)量而不是數(shù)據(jù)庫的連接數(shù)量，不會影響服務(wù)器的工作效率和增加系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

    （二）統(tǒng)一認(rèn)證和授權(quán)系統(tǒng)的具體實現(xiàn)

    從圖1 可以看出統(tǒng)一認(rèn)證和授權(quán)是實現(xiàn)數(shù)字化校園的前提，統(tǒng)一身份認(rèn)證與授權(quán)屬于安全管理的范疇。通過認(rèn)證與授權(quán)的集中統(tǒng)一，實現(xiàn)授權(quán)主體對客體的安全訪問。由于多應(yīng)用涉及到異構(gòu)系統(tǒng)的互聯(lián)與互操作問題，除應(yīng)用本身考慮跨平臺設(shè)計外，安全設(shè)計要求考慮通用安全服務(wù)機制。技術(shù)發(fā)展趨勢包括Intel CDSA，Microsoft Crypto API 和Sun JCA/JCE等規(guī)范。信息系統(tǒng)的通用安全服務(wù)可以通過建設(shè)應(yīng)用安全服務(wù)平臺來實現(xiàn)，通過安全平臺向各應(yīng)用提供統(tǒng)一的安全服務(wù)如信息加密/解密、數(shù)字簽名/驗證、數(shù)據(jù)完整性校驗及密鑰管理等功能。安全服務(wù)平臺可以基于統(tǒng)一的身份鑒別（如認(rèn)證中心）和統(tǒng)一授權(quán)管理（如訪問控制中心）實現(xiàn)。 

    安全服務(wù)平臺采用安全層次體系和模塊化設(shè)計，并通過標(biāo)準(zhǔn)通用接口向信息系統(tǒng)提供信息安全服務(wù)。通過安全服務(wù)平臺實現(xiàn)：

    （1）一次登錄，全網(wǎng)通行。對整個學(xué)校的信息系統(tǒng)平臺主體（如老師和學(xué)生）的身份標(biāo)識與鑒別，即用戶只需在網(wǎng)絡(luò)的任一臺計算機上登錄一次，經(jīng)過身份驗證后，便可訪問各應(yīng)用系統(tǒng)中其有權(quán)訪問的功能。

    （2）統(tǒng)一資源管理。對網(wǎng)絡(luò)中客體（如應(yīng)用資源）的安全屬性定義和級別劃分，即對整個系統(tǒng)范圍內(nèi)的所有用戶、各種應(yīng)用系統(tǒng)及各種資源進行統(tǒng)一管理。系統(tǒng)管理員對整個網(wǎng)絡(luò)資源有一個清晰的了解。用戶基于一種樹型層次化規(guī)則對資源和應(yīng)用系統(tǒng)進行管理和訪問。

    （3）統(tǒng)一組織、權(quán)限管理。主體對客體的訪問控制與授權(quán)管理。同時，通過應(yīng)用安全服務(wù)平臺提供系統(tǒng)安全審計和統(tǒng)一管理的能力。即將人員按自然的組織結(jié)構(gòu)以樹狀形式組織。人員調(diào)動的操作就好像在目錄間移動一個文件。不同權(quán)限的用戶只能訪問與自己權(quán)限一致的資源。角色權(quán)限改變時，管理人員只需修改角色權(quán)限，該角色所有用戶自動繼承相應(yīng)的權(quán)限。

    1．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    系統(tǒng)設(shè)計的主要思想是應(yīng)用目錄服務(wù)集中存儲用戶的信息和各個應(yīng)用系統(tǒng)的信息，然后通過統(tǒng)一身份認(rèn)證服務(wù)實現(xiàn)對用戶的集中管理、集中認(rèn)證和統(tǒng)一授權(quán)。其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。 

    

圖3 統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    系統(tǒng)主要包括三部分功能：

    （1）用戶的認(rèn)證。為了在校園網(wǎng)中實現(xiàn)基于用戶的網(wǎng)絡(luò)管理，要求所有用戶在使用網(wǎng)絡(luò)資源以前要先登錄認(rèn)證服務(wù)器以確認(rèn)身份，之后，將用戶的身份和他所使用的IP 地址綁定，以解決IP 地址盜用的問題，同時實現(xiàn)基于用戶的計費等管理。用戶登錄應(yīng)用系統(tǒng)申請服務(wù)時，提供一個由統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)發(fā)給的身份認(rèn)證令牌，由應(yīng)用系統(tǒng)將這個認(rèn)證令牌交給統(tǒng)一身份認(rèn)證服務(wù)進行認(rèn)證，確認(rèn)用戶身份后應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)用戶的組別授予用戶相應(yīng)的訪問權(quán)限。

    （2）用戶的集中管理。在學(xué)校里，每個人都有自己的一個身份，它是由學(xué)校相應(yīng)的管理部門負(fù)責(zé)維護和管理的，例如，學(xué)校的人事處管理所有教職工的資料。各個管理部門有自己的一套數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)維護著相應(yīng)的資料。作為網(wǎng)絡(luò)管理部門，進行用戶的身份的集中管理，主要的任務(wù)就是實現(xiàn)用戶的真實身份到用戶的電子身份的一個映射，確保每個校園網(wǎng)的用戶得到一個和他的真實身份相對應(yīng)的電子身份，并享有和他的身份相對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)使用權(quán)限。因此，用戶集中管理部分的設(shè)計重點在于實現(xiàn)和現(xiàn)有用戶管理系統(tǒng)之間的信息交互，實現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)交流。

    （3）應(yīng)用系統(tǒng)注冊。每個應(yīng)用系統(tǒng)要使用統(tǒng)一身份認(rèn)證模式，它必須先向統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)進行注冊，提供必要的信息，包括應(yīng)用系統(tǒng)的身份信息、應(yīng)用系統(tǒng)所有合法用戶的信息、應(yīng)用系統(tǒng)的訪問控制信息和應(yīng)用資源的訪問控制信息等。

    2．授權(quán)策略實現(xiàn)

    授權(quán)策略的具體實現(xiàn)是，應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)用戶權(quán)限的不同將合法用戶分為若干組，根據(jù)用戶的身份信息決定用戶屬于哪個用戶組別。應(yīng)用系統(tǒng)注冊后其用戶組信息存儲在目錄數(shù)據(jù)庫中，應(yīng)用系統(tǒng)要求統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)認(rèn)證用戶身份信息時，統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)根據(jù)用戶身份查找該用戶在應(yīng)用系統(tǒng)中所屬的用戶組，并將該信息返回給應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)用系統(tǒng)再根據(jù)用戶所屬組別決定用戶權(quán)限。

    用戶得到應(yīng)用系統(tǒng)的授權(quán)經(jīng)過下面3個步驟：登錄統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)確認(rèn)身份；向應(yīng)用系統(tǒng)提出服務(wù)申請，并提交身份證明；應(yīng)用系統(tǒng)將用戶的身份證明交統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)認(rèn)證并得到用戶授權(quán)信息，然后根據(jù)用戶授權(quán)信息返回給用戶服務(wù)申請應(yīng)答。

    3．SSO（單點登錄）實現(xiàn)

    有了統(tǒng)一認(rèn)證和授權(quán)的基礎(chǔ)，便可進行SSO 的實施。在用戶通過認(rèn)證之后，可以通過反向代理服務(wù)器結(jié)合策略管理器產(chǎn)生授權(quán)憑證，或利用插件方式攔截會話，從而達(dá)到一次登錄，全網(wǎng)通行的目的。如圖4 所示。 

圖4 SSO 實現(xiàn)

    四、結(jié)束語

    數(shù)字化校園的基礎(chǔ)是解決應(yīng)用系統(tǒng)集成的問題，在進行建設(shè)時要通盤考慮，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上要有可擴展性。本文通過分析討論與應(yīng)用集成相關(guān)的技術(shù)發(fā)展趨勢，指出數(shù)字化校園并不能簡單靠采用新技術(shù)而一蹴而就，它必須由清晰的目標(biāo)和戰(zhàn)略進行管理，關(guān)鍵在于提供方向、控制變更和提高整個系統(tǒng)運行的整體效能，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計已經(jīng)應(yīng)用到一些校園網(wǎng)中并得到認(rèn)可。 

    （文/西安工業(yè)學(xué)院計算機科學(xué)與工程學(xué)院西安：盛 昀，西安石油大學(xué)計算機學(xué)院西安：方明）