发展中国家教育机构利用云计算的可行性研究

© 2013年。出版社：Elsevier B.V.信息工程研究院负责评选和同行评议可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectIERI Procedia 4（2013）74 - 802013年电子工程与计算机科学NIGEDU云：发展中国家Azubuike Ezenwokea *，Nicholas Omoregbea，Charles Korede Ayoa，MisraSanjaya计算机和信息科学系，圣约大学，KM 10 Idiroko road，Ota，112232，尼日利亚摘要为了实现全球竞争力，发展中国家政府正在制定和执行信息技术政策，以使其国家能够参与当前的信息和通信技术革命。实现这些政策的教育目标的一个障碍是国家信通技术基础设施和服务不足。信通技术基础设施和服务不足的原因是政府供资不足，这反过来又使教育机构难以拥有和使用先进的信通技术设施。尽管资金不足，但如果发展中国家的教育机构能够利用发达国家现有的信通技术基础设施，这一差距是可以缩小的。使这成为可能的技术平台是云计算。提出了国家级云计算模型的设计方案。这一模式被视为实现尼日利亚国家信息技术政策中与教育有关的目标的一项良好战略。根据这种模式，政府将负责为该国的教育机构提供高端计算基础设施和电子教育服务。这一模式将提供负担得起的电子教育技术，使发展中国家能够开展更多的合作，取得更好的教育成果。© 2013作者。由Elsevier B. V.在CC BY-NC-ND许可下开放获取。信息工程研究院负责评选和同行评议关键词：云计算;电子教育; SaaS; PaaS; IaaS;国家云基础设施* 通讯作者。联系电话：+234-803-062-6181;电子邮件地址：azu. ezenwoke@covenantuniversity.edu.ng。2212-6678 © 2013作者由Elsevier B. V.在CC BY-NC-ND许可下开放获取。信息工程研究所负责的选择和同行评审doi：10.1016/j.ieri.2013.11.012Azubuike Ezenwoke等人/ IERI Procedia 4（2013）74751. 介绍为了实现全球竞争力，发展中国家（如印度、巴基斯坦和尼日利亚）的政府正在制定和实施信息技术政策，以使其国家能够参与当前的信息和通信技术革命。在尼日利亚，政府通过国家信息技术局（NITDA）制定了国家信息技术政策，目标是该政策指出，信息技术将用于教育，创造财富，消除贫困，创造就业机会，并获得全球竞争力[1]，第三页]。实现国家信息技术政策教育目标的一个障碍是国家信息和通信技术基础设施和服务不足[2]。这些基础设施和服务包括国家互联网骨干网、电子教育软件和服务、高性能服务器、存储和电力。这一障碍是发达国家和发展中国家之间数字鸿沟的根本[3]。用于教育的信通技术基础设施和服务不足的原因是政府资金不足[4]，这反过来又使教育机构难以拥有和使用先进的信通技术设施和服务。如果发展中国家的教育机构能够获得发达国家提供的同样的信通技术基础设施和服务，这一差距就可以缩小[5]。云计算（CC）将使发展中国家（如尼日利亚）能够从任何地方访问与教育相关的基础设施、应用程序和内容，提供低成本、负担得起的按使用付费的访问这些设施的机会[6]。尽管CC很受欢迎，但要在全国范围内采用，需要有足够的云准备。CC是分布式计算的一种形式，其操作完全依赖于互联网[7]。由于云就绪指数的属性之一是互联网（宽带）的可用性[8]，因此在尼日利亚提出CC教育模式的动机是基于尼日利亚拥有非洲最高的互联网增长率[9]。在本文中，提出了一个国家CC电子教育基础设施的模型的设计。这一模式被视为实现尼日利亚国家信息技术政策中与教育有关的目标的一项战略。通过这种电子教育模式，政府将负责为该国的教育机构提供计算基础设施和电子教育服务。这一模式将提供负担得起的技术，促进更多的合作，并在发展中国家取得更好的教育成果。本文的其余部分结构如下：第二部分包含CC及其参考架构的概述。第三部分介绍了相关的工作。第四部分讨论了实施国家信息技术政策的挑战，并提出了云计算作为解决方案。第五节的主题是设计和说明拟议的CC模式，以推动在教育主流中使用信息和通信技术。第六部分总结了进一步的研究方向。2. 云计算分布式计算和网格计算的不断发展使个人和组织能够通过网络访问计算资源[10; 11; 12]。近年来，CC的出现使人们能够随时随地访问高级数据存储和管理设施[13]、计算周期和业务应用程序。CC为IT基础设施提供了更低的成本，可随着需求的增加或减少而扩展[7]。CC被定义为：“一种使无处不在、方便、按需的网络访问能够 可配置计算资源的共享池（例如，网络、服务器、存储、应用程序和服务），可以通过最少的管理工作或服务提供商交互快速提供和发布[14]"。CC的一些特征包括：可扩展性，弹性，虚拟化，可用性[15; 16]，较低的基础设施成本和可靠性[10]。CC规定了三种主要类型的服务产品-基础设施作为76Azubuike Ezenwoke等人/ IERI Procedia 4（2013）74服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS）[14; 15];有四种部署模式-私有云、公共云、混合云和社区云[10]。2.1.云计算参考架构（CCRA）CCRA是一个技术中立的抽象，它定义了CC上下文中参与者之间的角色和关系[17; 18]。最近的一项调查[19]基于业务和架构级别的关注点分析了九个CCRA之间的关键差异。据报道，IBM CCRA [20]提供了更多的服务管理细节。在本文中，我们采用了IBM CCRA的体系结构概念。IBM CCRA是一个模块化架构，它定义了CC操作的角色（云消费者、云提供商、云开发人员）和相应的架构元素。IBMCCRA中的提供商提供基础设施和通用云管理平台（CCMP）。可用的服务交付模型有IaaS、PaaS、SaaS和业务流程即服务（BPaaS）。CCMP负责业务支持服务（BSS）和运营支持服务（OSS）。BSS支持业务相关活动，而OSS支持CCMP的基础设施和运营服务。3. 相关工作一些发达国家（日本、美国和英国）的政府已经开始探索国家云战略。麦哲伦计划[21]由美国能源部高级科学计算研究办公室资助。该项目的目标是利用CC的潜在作用，为DOE科学办公室提供计算需求，满足数据密集型计算工作负载的需求。美国政府通过其联邦云计算计划（FCCI）[22]宣布了其第一个云计算项目Apps.gov（apps.gov）。FCCI的主要目标是使联邦机构能够获得和容易获得CC服务。IBM/Google Academic CC Initiative（ACCI）[23]是一个联合大学计划，旨在帮助计算机科学专业的学生获得开发云基础设施和应用程序所需的技能。英国政府的CIO办公室宣布建立一个私人政府CC基础设施：G-Cloud [25]。G-Cloud计划将通过政府应用商店向公共部门提供IaaS、PaaS和SaaS [26]。日本总务省概述了ICT鸠山计划。该计划包括在2015年之前创建一个名为Kasumigaseki Cloud的全国性CC基础设施。关于云在教育相关活动中的使用，Masud等人，[28]引入CC以提高电子学习系统的可扩展性、灵活性和可用性。在考虑了传统电子学习模式的问题和进步之后，作者探讨了将电子学习系统从学校迁移到CC基础设施的问题。在他们的提案中，学校将专注于教育过程，内容管理和交付，而云提供商负责系统的构建，维护，开发和管理。Vujin等人，[6]，展示了使用CC基础设施来有效地改善教学过程。拟议的模型是一个私有云，作为机构现有基础设施的一部分实施，为用户（学生和教师）提供对虚拟化基础设施、环境和服务的访问。本文提出的方法扩展了这些模型，提出了一个国家的云基础设施，为电子教育提供更低的成本，并降低了操作的复杂性。Tan等人，[20]将教育机构中使用的CC技术分为教师、学生和管理人员使用的电子学习、通信和管理。在本文中，我们将教育云的用户定义为包括教师（讲师），研究人员，学生和行政人员。Azubuike Ezenwoke等人/ IERI Procedia 4（2013）7477云服务消费者云服务提供商云服务控制管理面板（CM-Panel）A P IIaaS基础设施云服务创建者安全和治理PaaSSaaS第三方服务服务开发工具功率存储服务器网络云服务集成工具业务支持服务（BSS）业务支助服务（OSS）服务学习内容目录服务配置管理订单履行管理服务监控计费计量报告生成云提供商服务（CPS）图1：Nigedu云平台4. 国家信息技术政策执行战略：云计算电子教育云的部署使尼日利亚有机会增加其在ICT革命中的参与[29]，具有许多优势，例如;处理此类电子教育解决方案的预期平均和峰值资源利用率的有效手段[7; 30]。这些解决方案为数百到数千名具有不同资源需求的学生提供服务，使其成为云计算的候选者。CC的弹性使得能够添加或/和移除资源[30]。因此，由于能够快速扩展和缩小，使用静态数据中心的过度配置（最小化巨大IT资源的利用）和配置不足（IT资源不足）的风险降低了[30]。此外，教育中的CC消除了存储限制，数据丢失和崩溃恢复过程，因为数据存储在云中[1]，并为研究人员，教师，学生和管理员提供无处不在的教育服务和资源访问。采用CC进行教育可以通过数据中心整合、需求聚合和多租户为政府节省大量成本[16]。在下面的小节中，我们将介绍一个电子教育云的设计，我们称之为：Nigedu Cloud（图1）。Nigedu Cloud是政府资助和管理的电子教育云平台的典范。Nigedu云架构的设计改编自IBM CCRA[20]。4.1. Nigedu云平台Nigedu云定义了三个角色：云服务消费者、云服务提供者和云服务创建者。政府（通过其技术机构）是云服务提供商。政府为消费者提供并维护云服务。云消费者是高等院校，包括尼日利亚的大学、理工学院和教育学院。云客户请求、使用和管理云服务，其中一些可能包括课程管理系统、注册A P IA P I78Azubuike Ezenwoke等人/ IERI Procedia 4（2013）74云服务是根据提供商采用的计费模式提供的。高等教育机构可以通过Nigedu云的管理和控制平台上可用的目录访问可用的云服务产品，并可以从那里管理其服务配置文件。云服务创建者是独立的第三方政府或私人实体，负责设计、开发、部署和维护通过Nigedu云平台提供的云服务。这些第三方承包商利用Nigedu云提供的开发功能来构建新的云服务。4.2. Nigedu云设计注意事项Nigedu云可以部署为混合云，其中设施的某些方面来自公共领域的服务提供商。例如，计算服务可以来自Amazon EC2、Serv Path或GoGrid。第三方开发人员可以创建API，用于教育相关的自由和开源软件（例如Moodle）的机构特定定制。可重复使用的学习内容和资源可以通过Google Drive或Dropbox公开共享。这些内容也可以在第三方服务创建者提供的学习内容商店上购买。其他潜在的第三方服务和提供商包括：计费-Aria Systems，eVapt，OpSource或Zuora。存储-Amazon S3或CTERA Portal。备份和恢复-JungleDisk或Zmanda Cloud Backup。PaaS数据库-Google Bigtable或Amazon SimpleDB。5. 结论和今后的工作尽管存在安全和隐私问题，以及与CC相关的法律和供应商锁定挑战[32]，但CC仍然是IT资源提供和使用的最流行模型。开展国家云项目将为发展中国家带来巨大的经济优势，并增加发展中国家对正在进行的信通技术革命的参与。采用国家云战略将需要政府、教育部门和私营部门之间的积极合作。政府必须通过利用现有的电信基础设施来促进国家互联网骨干网的发展和改善。此外，政府必须为云安全、隐私和服务可靠性建立明确的法律框架和标准。政府、高等教育机构和私营部门IT公司之间需要就如何最好地将云计算融入高等教育的现行做法进行积极的讨论和交流。作者希望本文提出的模型，将引发国家基础设施倡议的演变，为教育落后地区提供多种学习内容和教育资源。进一步的研究应寻求确定最佳实践，以解决围绕采用此类国家云基础设施和服务的各种教学，社会文化，技术，政治和经济问题。引用[1] 尼日利亚的国家信息技术政策。2010. 2012年5月3<日http：www.nitda.gov.ng>[2] 苏丹，纳比尔。云计算教育：一个新的黎明？International Journal of InformationManagement（2010）; 30.2：109-116.[3] 海军陆战队，苏赫尔，让-玛丽·布兰查德。弥合数字鸿沟：21世纪的增长机遇.阿尔卡特电信评论2004; 3：308-313。[4] Akinsola O，Marlien H，Jacobs SJ.向处境不利的城市社区提供信息和通信技术：在南非和尼日利亚进行的研究。《利用信息和通信技术的教育与发展国际杂志》，2005年; 1.3。Azubuike Ezenwoke等人/ IERI Procedia 4（2013）7479[5] 放大图片作者：David M.信息和通信技术与教育：使肯尼亚西部的两所农村学校能够利用信息技术。教育研究和政策研究新兴趋势杂志（JETERAPS）2012; 3.1：55-60。[6] 克谢特里河发展中经济体的云计算：驱动因素、影响和政策措施。2010年PTC-10会议记录[7] Vujin V et al.高等教育机构电子教育模式的开发和实施。科学研究和论文2012;7.13：1432-1443。[8] 詹格拉河云计算架构的频谱：采用和避免问题。国际计算与商业研究杂志2011; 2.2。[9] 云就绪指数。2011年。2012年10月23<日www.asiacloud.org>[10] 非洲互联网使用.2012年5月22http://www.internetworldstats.com>[11] Jadeja Y，Modi K.云计算概念、架构与挑战。计算、电子和电气技术（ICCEET），2012年IEEE国际会议，2012年。[12] Foster I et al. Grid Services for Distributed System Integration.计算机2002; 35.6：37-46.[13] Kertész A，et al. A holistic service provisioning solution for Federated Cloud infrastructures.软件服务和系统研究-结果和挑战（S-Cube），2012年欧洲研讨会。IEEE，2012; 25-26.[14] Rozsnyai S，Aleksander S，Yurdaer D.用于业务起源的大规模分布式存储系统。云计算（CLOUD），2011 IEEE International Conference on. IEEE 2011; 516-524。[15] 放大图片作者：Timothy G.NIST对云计算的定义NIST特别出版物800 2011; 145.[16] Katica N，Tahirovic A.电信运营商在云计算业务中的机遇。MIPRO，2012年第35届国际公约会议记录。IEEE 2012; 495 - 500。[17] Bohn RB等人，NIST云计算参考架构。服务（SERVICES），2011 IEEE World Congress on.IEEE 2011; 594 - 596.[18] Liu J et al. CCRA：Cloud Computing Reference Architecture.服务计算（SCC），2012 IEEE第九届国际会议，IEEE 2012; 657-665。[19] 云架构参考模型。2012年10月10<日collaborate.nist.gov>[20] Beiddt M，Reinner B，Kopp P，Dieckmann R，Breiter G，Pappe S，et al.（2011，February）.IBM云计算参考架构2.0。2012年10月11日htps：www.opengroup.org>[21] Tan X，Kim Y.云计算教育：在MBA小组项目中使用谷歌云计算的案例。商业计算和全球信息化，国际会议，IEEE 2011;641-644。[22] 杨文龙，李晓梅.麦哲伦云计算科学报告。2011. 2012年5月22<日science.energy.gov>[23] 联邦云计算计划（Federal CloudComputing Initiative）2012年10月29<日info.apps.gov/node/2>[24] IBM/Google ACCI。2012年。29十月，2012www.cloudbook.net/directories/research-clouds/>[25] G-Cloud计划。2010年。2012年10月29<日ht tp：gcloud.civilservice.gov.uk/>[26] G-Cloud云商店2010年。2012年10月29<日gcloud.civilservice.gov.uk>[27] 霞关云2012年10月29日，http://www.cloudbook.net/directories/gov-clouds/>[28] Masud MA，Huang X.一种基于云计算的E-learning系统架构。世界科学、工程和技术学院，2012年;74-78。[29] Truong HL，Pham TV，Thoai N，Dustdar S.云计算在发展中国家的教育和研究。在洛Chao，Cloud Computing for Teaching and Learning：Strategies for Design and Implementation 2012; 64-80.[30] Armbrust M，Fox，A.，格里菲斯河，Joseph，A. D、卡茨河，Konwinski，A.，云之上：伯克利云计算观点2009。[31] 作者声明：A.公共部门的云计算现状2010年。23十月，2012www.frost.com>[32] 放大图片作者：J.探索云计算远程学习。在线杂志80Azubuike Ezenwoke等人/ IERI Procedia 4（2013）74远程教育管理，2011年; 15.3。