CN103167040A - 基于虚拟化与云计算的在线协同学习架构及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟化与云计算的在线协同学习架构及方法，该架构包括：物理层，位于该架构的最底层，向上提供硬件支持；支持层，为资源池的集中地，包括各种资源；管理层，为该架构的决策层，包括虚拟机的调度策略，能源管理策略；以及用户层，提供用户完成请求的配置与再配置，通过本发明，实现了提升在线协同学习效率的目的。

Description

基于虚拟化与云计算的在线协同学习架构及方法
技术领域
本发明关于一种在线协同学习架构及方法，特别是涉及一种基于虚拟化与云计算的在线协同学习架构及方法。
背景技术
教学的目标，是知识的传递，能力的提高，素质的培养。当前，传统的课堂式教学依然是各大高校、中小学主要采用的方式，以面对面、口头传授、教师主讲为特征，是教学的主流方式，得到了广泛发展。
同时，针对这种方式的弊端，如时空限制较大、教学成本较高、学生主动性得不到发挥、社会所看重的团队合作能力未有机会得到历练等，市场上出现了许多辅助学习方式，如E-learning、小组学习、计算机支持的协作学习(CSCL)等。
其中，CSCL能够充分利用当前先进的计算模式，以小组内的协作学习为核心，充分调动学生的学习积极性，近年来受到了诸多专家与教育机构的关注。CSCL的发展总是伴随着计算模式的革新而不断向前推进，如集中式服务器、点对点网络、网格计算等，并以这些技术为底层架构进行学习内容的组织、学习功能的编制。然而，在新的教育形势下，用户群体规模与知识规模持续增长，学生对教育系统的需求不断提升，尤其表现在动态性上，也就是对学习系统在可用性、可扩展性上提出了新的更高的要求。同时，考虑到全国上下对低碳社会与绿色生活的追求，如何提高系统的能源效率，减少碳排放，也是原有系统无法跟上新形势的另一个原因。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种基于虚拟化与云计算的在线协同学习架构及方法，通过建立在线协同学习的架构，并结合利用云计算模式，实现了提升在线协同学习效率的目的。
为达上述及其它目的，本发明提出一种基于虚拟化与云计算的在线协同学习架构，至少包括：
物理层，位于该架构的最底层，向上提供硬件支持；
支持层，为资源池的集中地，包括各种资源；
管理层，为该架构的决策层，包括虚拟机的调度策略，能源管理策略；以及
用户层，提供用户完成请求的配置与再配置。
进一步地，该物理层将许多同构/异构的服务器互联，通过虚拟化技术来构建一统一的、多功能的资源池。
进一步地，该支持层借助虚拟化技术提供的相应支持，包括以下两个组件：
A.学习池，该学习池内有多个虚拟学习机，可以通过中央调度器来向学生分发，并组成多个不同的协同学习小组。
B.数据池，该数据池内有虚拟机镜像、学习内容。
进一步地，该管理层包括以下两个模块：
A.学习管理系统，该学习管理系统基于一些预定义的规则，将用户请求调度到目标虚拟机上，或者新建一个虚拟小组，或者将目标虚拟机加入到已有虚拟小组中去，调度之后，还负责监听，以快速实现虚拟机的请求变更，分发器负责将调度结果落实到学习池中去，包括准备相应的虚拟机镜像与学习内容；
B.学习内容管理系统，该学习内容管理系统接受来自该用户层与该学习内容管理系统的请求，并通过调度器与分发器来执行，该调度器通过评估用户的个人资料与历史情况来做决策，该分发器负责将数据内容分发到指定的虚拟机上。
进一步地，用户通过该用户层可以接入到CSCL系统中，并通过自带的浏览器完成请求的配置与再配置。
进一步地，该架构基于浏览器/服务器模式，采用层次化设计。
进一步地，该架构的层间通信通过Web service接口实现的，信息共享通过数据库实现。
为达到上述及其他目的，本发明还提供一种基于虚拟化与云计算的在线协同学习方法，包括如下步骤：
进行个人学习，以完成全部知识的分部覆盖；
进行双向或多向的讨论，以将个性化的知识进行传递或梳理，实现了知识在每个成员脑内的全覆盖；
根据当前所学知识发布一个或多个工程，成员在组长的协调下进行分工合作，以协作的方式来完成；
根据工程完成情况，对小组进行评估。
进一步地，该方法采用虚拟机节能调度方法，当学生数量较少时，后台的物理节点可以自动进入节能模式来减少能耗，实现资源池的动态收缩；而当学生规模上涨时，又可相应的通过远程指令实现节点工作的正常化，以实现资源池的动态扩张。
进一步地，该方法采用虚拟磁盘节能调度方法，为学生提供虚拟存储空间，方便与任意虚拟机实现实时挂载与卸载。
与现有技术相比，本发明一种基于基于虚拟化与云计算的在线协同学习架构及方法通过基于虚拟化与云计算的基础设施服务层，并在其上构建支持层、管理层与接口层建立在线协同学习架构，实现了提升在线协同学习效率的目的。本发明具有以下优点：(1)以系统虚拟化为基础，提升了系统的可靠性；(2)以云基础设施服务为支撑，方便与公有云服务对接；(3)具有能源效应，节能低碳。
附图说明
图1为本发明一种基于虚拟化与云计算的在线协同学习架构之较佳实施例的架构示意图；
图2为本发明一种基于虚拟化与云计算的在线协同学习方法之较佳实施例的步骤流程图；
图3为本发明之较佳实施例的学习机制示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图1为本发明一种基于虚拟化与云计算的在线协同学习架构的架构示意图。如图1所示，本发明之基于虚拟化与云计算的在线协同学习架构，基于浏览器/服务器模式，采用层次化设计，层间通信通过Web service接口实现的，信息共享通过数据库实现，按照由底向上的次序，本发明之基于虚拟化与云计算的在线协同学习架构，包括以下四层：
(1)物理层(Fabric Layer)：物理层位于系统的最底层，向上提供最一般的硬件支持。它将许多同构/异构的服务器(或廉价PC机)互联，通过虚拟化技术来构建一个统一的、多功能的资源池。由于节能的要求，需要将各个服务器端的能源管理接口置于开放(Enabled)状态。
(2)支持层(Supporting Layer)：支持层是特定资源池的集中地，有计算资源、存储资源等。具体到CSCL，这里就是虚拟学习环境的执行点，也是知识与学生相融合的地方。借助虚拟化技术提供的相应支持，该层包括两个组件：
A.学习池(Learning Pool)。学习池内有多个虚拟学习机，可以通过中央调度器来向学生分发，并组成多个不同的协同学习小组。
B.数据池(本发明之基于虚拟化与云计算的在线协同学习架构DataCenter)。数据池内有虚拟机镜像、学习内容等。
(3)管理层(Management Layer)：管理层是整个系统的决策层，包括虚拟机的调度策略，能源管理策略等，包括两个模块：
A.学习管理系统(LMS)。LMS基于一些预定义的规则，将用户请求调度到目标虚拟机上，或者新建一个虚拟小组，或者将目标虚拟机加入到已有虚拟小组中去。调度之后，还负责监听，以快速实现虚拟机的请求变更。分发器负责将调度结果落实到学习池中去，包括准备相应的虚拟机镜像与学习内容。
B.学习内容管理系统(LCMS)。LCMS可以接受来自用户层与LMS的请求，并通过调度器与分发器来执行。调度器通过评估用户的个人资料与历史情况来做决策，分发器负责将数据内容分发到指定的虚拟机上。
(4)用户层(Web Portal)：用户通过这层可以接入到CSCL系统中去，并通过自带的浏览器完成请求的配置与再配置。
图2为本发明一种基于虚拟化与云计算的在线协同学习方法的步骤流程图。如图2所示，本发明一种基于虚拟化与云计算的在线协同学习方法，包括如下步骤：
步骤201，首先进行自主学习，即进行个人学习，以完成全部知识的分部覆盖；
步骤202，讨论，即，进行双向或多向的讨论，以将个性化的知识进行传递或梳理，实现了知识在每个成员脑内的全覆盖；
步骤203，工程，即根据当前所学知识发布一个或多个工程，成员在组长的协调下进行分工合作，以协作的方式来完成；
步骤204，评估，即根据工程完成情况，对小组进行评估，既包括组员协作程度分数，也包括组长协调能力分数。
较佳的，本发明在系统利用率不高的情况下，包括虚拟机、虚拟磁盘与虚拟网络，可通过休眠(包括迁移后休眠)一些物理节点或磁盘达到节能降耗的目的；同时，对于多个虚拟机组成的虚拟小组，可通过虚拟机迁移或对称多处理虚拟机来提升通信效率，减少能耗。
图3为本发明之较佳实施例的学习机制示意图。以下将通过一具体实施例来进一步说明本发明。
1.架构的框架实施示例：
(1)物理层
在本发明较佳实施例中，在线协同学习架构的物理层可由4台计算机构成，计算机之间通过100Mbps以太网相联。1台计算机作为中央管理节点(LMS、LCMS与数据库)，其余3台作为计算节点，每个计算节点承载4个基本虚拟机。
(2)支持层
支持层中系统虚拟化可通过虚拟化套件KVM，Xen或VMware来实现；存储虚拟化可通过AOE或Hadoop实现；网络虚拟化可通过虚拟局域网(VLAN)实现。
(3)管理层
管理层可通过各种云计算基础设施层的管理中间件来实现，如VMware、Eucalyptus、OpenNebula、XCP等。
(4)用户层
本发明所提出的在线协同学习架构是基于浏览器/服务器架构的，因此用户在连接终端的选择上自由度较大，从台式机到个人电脑，从上网本到智能手机，从嵌入式设备到各种瘦终端，只需基本的I/O设备与到在线协同学习系统的网络连接，就可以完成服务的实时请求与交付。
浏览器方面，Elasticfox、Hybridfox便是不错的选择。
2.学习机制示例
这里以一个单词学习小组为例，阐述在线协同学习方法。小组成员包括Ma，Mb与Mc，其中Ma为小组组长，要学习的单词有Wx，Wy与Wz。
(1)自主学习
首先，组内成员需要完成单独学习任务，也就是对学习内容的初步学习，以方便之后的交流与讨论。为了节省时间，这里设定每个成员只需要学习内容的一部分。内容的分割与分发是由系统完成的。假定Ma学习Wx，Mb学习Wy，Mc学习Wz。
(2)讨论
在个人学习完成后，组长就可以启动组内的讨论。通过成员之间的交流，来实现学习内容的全覆盖。讨论的进行可以通过虚拟讨论组来实现，以加强安全性，提高通信效率。
(3)工程
在完成个人学习与集体讨论之后，小组成员将会以相互协作的方式去完成一个与学习内容直接相关的工程。工程的完成需要每个成员的参与，同时需要有效的交流、分工与协作。
(4)评估
在虚拟小组完成学习任务之后，系统将根据工程的完成情况给予评分。完成情况对于小组及系统均有参考价值，例如内容的分割粒度、工程的难易程度甚至小组的规模等。
3.节能优化示例
(1)虚拟机(个人学习环境)
在一个新申请的虚拟小组中，由于当前学生数目未达到额定的最小要求，因此需要等待新成员的加入。而在此过程中，组长申请的多个虚拟机将有部分未对应到学生，因此最好将这些虚拟机置于休眠状态，以减少能源的浪费。目标节点的休眠可通过中央管理节点向目标节点发送powernap指令，而虚拟机的动态迁移可通过Libvirt接口(virDomainMigrate)实现。
(2)虚拟磁盘
本方案向终端学生提供虚拟存储，方便与任意的学习环境进行挂接。而当磁盘处于孤立状态时，就可通过中央管理节点对虚拟磁盘进行迁移，以调整分配布局，虚拟磁盘(LVM)的迁移可通过快照(Snapshot)实现。
(3)虚拟网络
虚拟网络的节能管理可通过充分利用对称多处理虚拟机(SMP VM)的通信优势，减少通信延迟。
综上所述，本发明一种基于基于虚拟化与云计算的在线协同学习架构及方法通过基于虚拟化与云计算的基础设施服务层，并在其上构建支持层、管理层与接口层建立在线协同学习架构，实现了提升在线协同学习效率的目的。与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)以系统虚拟化为基础，提升了系统的可靠性；(2)以云基础设施服务为支撑，方便与公有云服务对接；(3)具有能源效应，节能低碳。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种基于虚拟化与云计算的在线协同学习架构，至少包括：
物理层，位于该架构的最底层，向上提供硬件支持；
支持层，为资源池的集中地，包括各种资源；
管理层，为该架构的决策层，包括虚拟机的调度策略，能源管理策略；以及
用户层，提供用户完成请求的配置与再配置。
2.如权利要求1所述的一种基于虚拟化与云计算的在线协同学习架构，其特征在于：该物理层将许多同构/异构的服务器互联，通过虚拟化技术来构建一统一的、多功能的资源池。
3.如权利要求2所述的一种基于虚拟化与云计算的在线协同学习架构，其特征在于，该支持层借助虚拟化技术提供的相应支持，包括以下两个组件：
A．学习池，该学习池内有多个虚拟学习机，可以通过中央调度器来向学生分发，并组成多个不同的协同学习小组；
B．数据池，该数据池内有虚拟机镜像、学习内容。
4.如权利要求3所述的一种基于虚拟化与云计算的在线协同学习架构，其特征在于，该管理层包括以下两个模块：
A．学习管理系统，该学习管理系统基于一些预定义的规则，将用户请求调度到目标虚拟机上，或者新建一个虚拟小组，或者将目标虚拟机加入到已有虚拟小组中去，调度之后，还负责监听，以快速实现虚拟机的请求变更，分发器负责将调度结果落实到学习池中去，包括准备相应的虚拟机镜像与学习内容；
B．学习内容管理系统，该学习内容管理系统接受来自该用户层与该学习内容管理系统的请求，并通过调度器与分发器来执行，该调度器通过评估用户的个人资料与历史情况来做决策，该分发器负责将数据内容分发到指定的虚拟机上。
5.如权利要求4所述的一种基于虚拟化与云计算的在线协同学习架构，其特征在于：用户通过该用户层可以接入到CSCL系统中，并通过自带的浏览器完成请求的配置与再配置。
6.如权利要求5所述的一种基于虚拟化与云计算的在线协同学习架构，其特征在于：该架构基于浏览器/服务器模式，采用层次化设计。
7.如权利要求6所述的一种基于虚拟化与云计算的在线协同学习架构，其特征在于：该架构的层间通信通过Web service接口实现的，信息共享通过数据库实现。
8.一种基于虚拟化与云计算的在线协同学习方法，包括如下步骤：
进行个人学习，以完成全部知识的分部覆盖；
进行双向或多向的讨论，以将个性化的知识进行传递或梳理，实现了知识在每个成员脑内的全覆盖；
根据当前所学知识发布一个或多个工程，成员在组长的协调下进行分工合作，以协作的方式来完成；
根据工程完成情况，对小组进行评估。
9.如权利要求8所述的一种基于虚拟化与云计算的在线协同学习方法，其特征在于：该方法采用虚拟机节能调度方法，当学生数量较少时，后台的物理节点可以自动进入节能模式来减少能耗，实现资源池的动态收缩；而当学生规模上涨时，又可相应的通过远程指令实现节点工作的正常化，以实现资源池的动态扩张。
10.如权利要求9所述的一种基于虚拟化与云计算的在线协同学习方法，其特征在于：该方法采用虚拟磁盘节能调度方法，为学生提供虚拟存储空间，方便与任意虚拟机实现实时挂载与卸载。
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