基于IPv6的智慧教学服务平台

文/顾亦然 庄严

随着智慧城市、智慧教育概念的提出和相关技术的发展，教学信息化建设正由多媒体教室向智慧教学服务平台转变。虽然，智慧教学服务未有统一的定义，但是人们对其认识存在的共同点就是利用新兴技术构建教与学的环境，形成一个以多元化互动为核心，提供个性化师生服务、教室智能化管理的物理与虚拟环境相融合的教学环境。

目前，大多数高校的教室信息化建设还处在多媒体教学阶段，这与当前IPv4的网络布局有很大关系，当前大多学校的教学、音响、互动、监控等系统为避免地址匮乏，因此大多铺设专网，各成体系，难以集成。同时，受带宽限制，IPv4环境下的多媒体视频流量组播能力差，难以实现互动性远程视频教学，各种硬件优势也难以发挥[1]。

为此，对于各大高校来说，如何实现基于 IPv6 的智慧教学服务平台是面临的首要问题。本文通过对 IPv6 技术及智慧教学服务平台的介绍及分析，秉持“整合资源、共享信息”的原则，提出了一套基于IPv6的智慧教学服务平台设计方案，可以实现课堂实时直播、录播、教学互动、巡课评课、教务管理、远程会议等教学服务内容。

IPv6技术介绍及智慧教学管理系统现状

IPv6技术

IPv6是“Internet Protocol Version 6”的缩写，也被称作下一代互联网协议，它是由IETF设计的用来替代现行的IPv4协议的一种新的IP协议。

今天的互联网大多数应用的是IPv4协议，IPv4协议已经使用了20多年，在这20多年的应用中，IPv4获得了巨大的成功。随着应用范围的扩大，它也面临着越来越不容忽视的危机，例如地址匮乏等等。IPv6是为了解决IPv4所存在的一些问题和不足而提出，同时它还在许多方面做出了改进，如路由、自动配置方面。经过一个较长的IPv4和IPv6共存的时期，IPv6最终会完全取代IPv4在互联网上占据统治地位。对比IPv4，IPv6有如下的优点：简化的报头和灵活的扩展；层次化的地址结构；即插即用的连网方式；服务质量的满足；对移动通讯更好的支持[2]。

智慧教学管理系统现状

国外智慧教学管理系统的发展和使用已领先国内很多年，智慧教学管理系统的在线学习在国外已经很普遍，其中的课程采集系统可以把课堂教学内容和教学活动通过自动化采集和投放，开发成适合在线学习的混合教学内容。国外几乎每个大学生的每门课都在不同程度上参与了在线学习。通过自动化采集课程内容和学习管理系统的互动学习环境，使课堂面对面的教学与在线学习紧密结合。

目前，国内部分学校已建成智慧校园，部分学校处于规划立项或建设阶段。由于对智慧教学尚没有统一的认识，建设内容比较庞杂、牵涉到的相关部门较多，规划建设周期均比较长。当前，国内高校已建成部分信息化应用支撑平台，虽然各校侧重点各有不同，但基本都涵盖网络环境、物联网感知、综合信息服务平台等，为师生提供智能化的管理和个性化的信息服务[3]。总体而言，现阶段的智慧教学等服务还侧重于校园环境建设，但还处于起步和摸索阶段，在内容上需要系统化完善，在应用上需要深入。

设计方案

功能及模块化设计

智慧教学服务平台的设计需从教师、学生、教学管理三个维度出发，采用课程体系、职位体系和知识体系的三位一体化设计，对接校园一卡通、教务系统、信息管理系统、多媒体设备等进行有机地整合，通过课程体系、知识体系和职位体系的多维度关联，实现课程学习互动。

教学资源平台是一个可不断扩充的开放式教学支持系统，其建设不应是一次性项目，而应是一个可持续发展的工程。基于IPv6的智慧教学服务平台将会不断完善，从多个方面继续发展，例如课程网站的资源自动选择和分析、教学资源的共享机制。另外，可以将资源系统应用扩展到软件工程以外的其他知识体系中，并尝试进行基于案例的知识资源呈现研究[4]。在功能上还可以对教学督导、标准化考场、教师作业资源的布置功能、学生提交作业、绑定学生与课程资源和教师资源、资源好友分享、相关资源推荐等方面进一步提高完善，其平台规划和发展思路，如图1所示。

图1 智慧教学管理服务平台的功能定位

主控端设计

如图2所示，智慧教学服务平台的主控是整个智慧教学服务的核心部分，它既要与高校现有的智慧校园中的教务信息、校园一卡通、教学录播系统实现数据交互与传输，同时其包含的终端设备控制模块又连接着多个教学终端设备，如摄像头、麦克风、投影仪等设备，一方面要维持正常设备的普通数据的传输，另外一方面，需要通过向服务器发送请求以及异步调用的目的，控制终端以及满足自身主控交互的需求[5]。

图2 主控端框架

图3 智慧教学服务平台的功能架构

IPv6组网设计

目前，各高校大多是IPv4/IPv6双协议栈校园网络，此时智慧教学服务平台IPv6网络的组建与实现，需要通过IPv6双协议栈网络与CNGI-CERNET2 联通测试、应用服务器平台的搭建与测试、隧道技术的仿真测试、翻译技术的仿真测试和IPv6测试网页的搭建等实验与测试来获得基础数据[6]。同时，涉及IPv6 的地址划分、组网边界以及边界的协议转换、路由技术与路由器配置与测试、网络服务器配置与调试、网络安全、网络互通等问题。

具体实施路线

随着现在校园网规模的扩大、功能的叠加，原有校园网中设备的稳定性、可靠性降低，管理维护压力越来越大。因此要对原有网络结构进行基于IPv6的扁平化架构改造。

功能架构

智慧教室的结构化部署，需要兼顾信息采集，集中监控，数据存储，可视化展示及各子系统的管理，如图3所示。

1.基础设施层：为智慧教学服务平台提供必要和完善的硬件环境。主要包括：教室基础设施、多媒体教学系统、互动录播系统、视频会议系统、信息发布系统、物联网感知系统、服务器集群等基础应用系统和基础网络设施。

2.应用支撑层：智慧教学服务平台架构的核心层，主要整合各种软件系统，促进应用系统的贯通与集成，形成统一数据环境的智能信息平台；负责智慧教学服务平台的设备与设备之间，设备与人员之间，人员与资源之间，人员与管理、服务之间的运行控制和分析计算，总控智慧教学服务平台的各项应用和服务；将现有的信息数据进行统一管理，为智慧教学服务平台提供计算、存储、网络安全等服务，实现信息资源的按需分配；实现智慧教学服务平台与教学类系统、教务类系统、一卡通类系统、安防类系统之间的互联互通和信息共享。

图4 IPv6的智慧教学服务平台网与校园网的部署

3.综合管理层：依托应用支撑层提供全面的支撑和保障，通过统一门户、统一认证、统一权限管理的可视化综合管理平台，为智慧教学服务平台的环境、服务、管理和资源等方面提供全新运行模式，并且具有强大的移植性和伸缩性，可为良好的综合教学信息化提供保障。

4.综合服务层：不同的用户可以采用台式电脑、平板电脑、智能手机、自助终端等设备，在教室内任何时间进行教学互动、教学资源访问、视频会议等活动。

基于IPv6的组网部署

1.主网设计

IPv6网络适合点到点视频语音综合通信、组播视频会议、远程教育等大型高性能试验平台和各级分应用的特点，适用于智慧教学服务平台的网址多，高流量组播的要求；同时根据高校学校现有光纤系统的现状，只需布设少量光纤和设备就可以达到智慧教学服务平台纯IPv6网络的建设要求[7]。

图5 DHCPv6 网络拓扑

智慧教学服务平台的 IPv6网络主要是以更新路由器为主的设备，因为路由器一般具备随时升级和扩展的功能，同时它的接口丰富功能齐全，IPv6诸多的新应用都可以在该网中运行。

IPv6智慧教学服务管理平台网没有直接连通CNGI-CERNET2，而是由教育城域网转接至CNGI-CERNET2。IPv6 智慧教学服务管理平台通过一台 IPv6 边缘路由器R1以双协议栈方式接入教育城域网双协议栈路由器R2。智慧教学服务管理平台中路由器、汇聚交换机和接入交换机均采用华为设备。IPv6边缘路由器R1选择的是一台华为S5700-SI-28C，接口 eth0/0 与一台 S5700-SI-28C出口交换机相连，再通过 100M 光纤与校外教育城域网双协议栈路由器 R2 对接；IPv6 边缘路由器 R1 另一个接eth0/1 连接校内 IPv6 智慧教学服务管理平台网。实现校内 IPv6 智慧教学服务管理平台网可以访问外部 IPv6 资源，顺利接入CNGI-CERNET2 纯 IPv6 网络，如图4所示。

2.服务器平台的搭建

智慧教学服务平台的IPv6网络的服务器虚拟化平台，包括DHCPv6、DNS、Web等IPv6 基本应用。DHCPv6服务器的建立可以缓解路由器的压力，同时DHCPv6相较于手动配置和通过路由器公告消息中的网络前缀无状态自动配置，便于学校网络的自动配置和后期管理，可以分配IPv6地址、IPv6前缀、DNS服务器、域名等网络配置参数；可以记录为主机分配的地址/前缀，还可以为特定主机分配特定的地址/前缀，可以更好地控制地址的分配，如图5所示。

路由协议的选择对整个网络的稳定性至关重要。根据高校校园的实际情况，可构建层次化的网络，采用可以实现区域划分、分级的OSPF路由协议，在IPv6网络中采用OSPFv3路由协议。可以将整个校园网路由视为1个OSPF自治路由系统，并将其划分为多个相互独立的路由区域，通过区域边界路由器，把主干和非主干网络连接起来，实现跨校区之间的教学互动。

本文通过对 IPv6 技术及智慧教学服务平台的介绍及分析，秉持“整合资源、共享信息”的原则，提出了一套基于IPv6的智慧教学服务平台设计方案，可以实现课堂实时直播、录播、教学互动、巡课评课、教务管理、远程会议等教学服务内容。该平台的建设不仅能显著改善资源的传输效率及播放效果， 对于变革教学资源共享模式也具有深远意义。