教育管理信息系统互操作通信模型设计与实现

1、教育管理信息系统互操作通信模型设计与实现摘要：针对教育行业信息系统的互操作迫切需要，在分析现有解决方案不足的前提下，提出采用Web Services技术构建异构信息系统互操作框架，设计了异构信息系统互操作通信模型，并基于.Net平台对该模型的可行性进行了实验验证与测试，同时通过对模型的经济成本分析，论证了本设计是高效率低成本的解决方案。关键词：教育信息系统、互操作、通信模型、Web服务Design and Implementation on Communication Model of Education Management Information System Interoperabili

2、tyAbstract: Aiming at the urgent requirement of educational profession information system interoperability, in analyzing the deficiency of the on hand solution project, Proposes using Web Services technology to build interoperability frame of heterogeneous information system. The communication model

3、 of heterogeneous information system is designed; the feasibility of this model is conducted experimental verification and test according to the .Net platform, and demonstration this design is a high efficiency and low cost solution project, through the cost analysis of economy about the model.Keywo

4、rd: Education Information System、 Interoperability、Communication Model、Web Services1引言在教育信息化发展过程中，建立了大量的管理信息系统，但由于缺乏有关教育管理信息模型方面的标准和规范，造成这些信息系统之间存在兼容性差、数据信息资源难以交流共享等问题。教育部发布的教育管理信息化标准1正是为解决这一问题而制定的，从标准已发布第1部分学校管理信息标准来看，其实质上是将我国教育行业内的各类信息进行分类，采用数据字典方法建立信息模型，以实现信息语义的确定性和一致性。与此相对，同样是针对教育行业内的信息系统的互操作问题，

5、国内外某些机构还提出了一些具体的技术方案。如美国软件与信息工业协会在北美地区广泛推行了学校互操作框架（SIF，Schools Interoperability Framework）2。国内的北京师范大学现代教育技术研究所在非等效借鉴SIF的基础上，提出了一个重要概念教育管理信息系统互操作框架（EMIF，Specification for Education Management Information System Interoperability Framework）3。总结起来，现有解决方案的问题在于：a无论是SIF还是EMIF，二者都是基于复杂系统对接模式来实现互操作框架的通信模型，对于

6、每个应用，通过为其数据库编写连接代码来实现互操作性。对于解决现有的教育MIS系统的互操作问题，它不失为一个有效的解决方案。但从发展来看，教育管理信息系统需要摆脱独立解决方案的实现模式，需要舍弃复杂系统连接的实现方法。b要求信息语义与通信数据语义紧密耦合。正因为如此，这两种方案在设计时将信息模型和通信模型都作为标准的主要内容，但在实际应用中，一旦信息模型有变化，将直接导致通信模型的大范围修改。在这种情况下，我们以教育管理信息化标准1作为系统的信息模型，基于Web服务技术，构建异构信息系统互操作通信模型，实现教育管理信息系统建设中信息资源库与各单位、部门自治管理信息系统之间的信息交换。2基于Web

7、 Services 的异构信息系统通信模型设计在网络分布式环境下，异构信息系统“互操作性”（Interoperability）依赖两个基础：信息模型和通信模型。信息模型包括模型结构和模型的语义约定，主要解决数据的相互理解问题；通信模型包括通信系统的体系结构和协议数据的语义规范，主要解决数据互通问题。对于异构信息系统的互操作，现在常规的解决方案是基于复杂系统对接模式实现的。针对每个应用，通过为其数据库编写连接代码来实现互操作性，该方案的缺点在于信息模型与通信模型间是一种紧密耦合关系，在实际应用中，一旦信息模型有变化，将直接导致通信模型的大范围修改。从发展来看，异构信息系统的互操作需要摆脱独立解决

8、方案的实现模式，需要舍弃复杂系统连接的实现方法。有关信息模型的确定，需要从行业本身的特点出发，根据不同行业的实际情况来制订标准或规范，如电力行业的IEC 61850标准、教育行业的教育管理信息化标准等。通过这些标准的建立，实现信息语义的确定性和一致性。在此基础上，需要有合适的通信模型来实现数据互通，基于XML技术的Web Services正是建立异构系统通信模型的有效手段，代表着发展方向。Web Services的主要目标就是在现有各种异构平台的基础上构建一个通用的与平台无关，语言无关的技术层，各种不同平台之上的应用依靠这个技术层来实现彼此的连接和集成。4这样Web Services就可以将分

9、布于不同平台上的异构系统以一种柔性的，松耦合的方式集成为一个灵活的系统，这个系统可以根据要求不同而灵活的变化。2.1通信模型体系架构随着教育信息数据中心的建立，目前主要的数据互操作问题存在于数据中心与下属单位信息系统之间、各单位信息系统之间、单位内部各部门信息系统之间等多个层次，为此，我们设计如图1所示的通信模型总体架构。图1 教育异构信息系统互操作体系架构教育信息互操作服务平台（EISP）服务注册中心（UDDI规范实现）数据交换代理A单位A信息系统数据交换节点A数据交换代理B单位B信息系统DEA数据交换节点B数据交换代理C单位C信息系统DEA数据交换节点C数据中心DEA安全模型嵌入其中该体系

10、结构由教育信息互操作服务平台（EISP）、服务注册中心（SRC）和数据交换代理（DEA）三个部分组成。（1）教育信息互操作服务平台（EISP）教育信息互操作服务平台完成数据中心到下属单位信息系统的数据交换、各单位信息系统间的数据交换，它由一系列中间件、服务、Web服务接口组成。其核心组件包括数据交换引擎、安全管理、系统管理以及Web服务接口。数据交换引擎：基于SOAP消息实现数据交换，提供数据交换模式的管理、数据交换服务、基于元数据的数据变换服务等。安全管理服务：主要解决数据交换过程中可能存在的一系列安全问题，包括SOAP消息的安全通信、用户的统一身份管理、权限管理等。系统管理服务：实现对系统

11、的配置管理和状态监控。通过系统管理服务配置EISP各部分的运行参数，服务的启停控制，监控整个系统的运行状态。Web服务接口：通过WSDL文档向外部应用程序和数据交换节点描述数据交换的相关Web服务以及安全策略。（2）服务注册中心（SRC）服务注册中心提供针对Web服务的注册管理和发布功能。各数据交换节点DEA通过EISP向SRC注册自己的数据交换Web服务，EISP根据注册的信息进行路由，主动调用数据交换节点的数据访问服务来向数据交换节点传送数据或从数据交换节点获取数据。（3）数据交换代理（DEA）数据交换代理代表各单位信息系统来主动参与数据交换事务。根据应用需求，DEA应包含数据转换、服务发

12、布与描述、安全策略应用等功能。数据转换：根据数据交换的要求，基于元数据模型建立XML报文与关系数据库的双向映射。服务发布与描述：发布本地信息系统的数据交换服务，通过WSDL文档对服务的接口和调用方法进行描述，并通过EISP向服务注册中心（SRC）进行注册。安全策略应用：根据EISP安全管理服务的要求，建立相应的安全策略执行机制，并将所使用的具体安全策略通过WSDL进行描述。上述通信模型的实现，重点在于数据交换机制的建立。2.2 数据交换机制在异构信息系统的互操作体系结构中，有关数据交换的事务处理主要包括两类：获取数据和更新数据。根据这两类数据交换，这里定义了两种数据交换机制，即“请求应答模型”

13、和“发布预约模型”。请求应答模型是指当DEA需要数据时即生成一个请求报文发送给EISP，EISP将请求报文转发给应答方DEA，应答方DEA即反馈一个应答报文，并通过EISP转发给原请求方DEA。发布预约模型是指当应用程序更新本地数据后即通过它的DEA制作一个事件报文发送给EISP，EISP负责将该事件报文发布给所有关心该数据的其他DEA。（1）请求应答机制当应用程序需要获取指定数据对象时，应通过DEA向EISP传递一个请求报文。请求报文中一般不需要指明谁是应答者，EISP就会去搜索服务注册中心，看哪些部门提供此方面的服务。服务注册中心返回查询结果，接着EISP将查询到的该数据对象服务的所有提供

14、者作为应答者，并将请求报文传递给它们。在整个区域中，每一类数据对象都可以有多个应答者，并且非提供者也可以成为应答者。数据对象的每一个应答者都有权等待和处理请求，并返回一个或一组应答报文，通过EISP转发给原请求者。DEA在发送请求报文时也可以明确指定某DEA作为请求的应答者。这时请求方DEA应在它的请求报文中指定应答者。EISP在收到请求报文时会检查请求报文中是否存在指定信息，如果存在，还要检查指定的应答者是否具有应答权限。只有当上述条件满足，ZISC才会将请求报文转发给这个指定的应答者。下面举例说明请求应答机制的实现。假设已有学生管理系统、图书馆管理系统和教学管理系统等三个数据交换节点，现在

15、图书馆管理系统和教学管理系统需要从学生管理系统中获取学生数据，那么它们之间的报文传递关系如下所述（见图2）：a、 注册服务：各DEA通过EISP向发送注册服务报文，注册成为服务使用者。（已注册则不必重复此过程）b、 提供：DEA3通过ZISC向服务注册中心发送提供服务注册报文（其中必须包含关于此服务的WSDL文档描述或其URL地址），成为学生数据服务的提供者。（已成为提供者则不必重复此过程）c、请求：DEA1和DEA2分别向EISP发送请求报文，请求获取学生数据。d、 转发：EISP接收DEA1的请求报文1，通过查询服务注册中心，指定DEA3为应答者，并将请求报文1传递给它（同样处理请求报文2

16、）。e、 应答：DEA3处理请求报文1（包括了和学生管理系统的数据转换过程），返回应答报文1给EISP（同样处理请求报文2）。f、 转发：EISP接收DEA3的应答报文1，将该报文转发给DEA1（同样处理应答报文2）g、 转换：DEA1将接收到的基于SOAP标准格式的应答报文1转换为本系统的内部的数据格式（同样处理应答报文2）请求报文1请求报文2应答报文1应答报文2EISP注册服务图书馆管理系统教学管理系统服务注册中心（UDDI）本地数据和制定的标准数据格式转换DEA1DEA2同上DEA3 图2请求应答机制学生管理系统DEA3事件报文事件报文预约报文1预约报文2EISP搜索服务提供者服务注册中

17、心（UDDI）本地数据和制定的标准数据格式转换DEA2DEA1同上图3 发布预约机制学生管理系统教学管理系统图书馆管理系统（2）发布预约机制数据对象的更新事件包括数据的添加、修改和删除。当应用系统更新了它的数据对象时，应通过事件报文将更新事件传递给EISP。数据对象的使用者（其它应用程序）如果希望及时获取数据的更新情况，应向EISP预约数据对象的更新事件。预约通过向EISP发送预约报文实现。事件发布者将数据对象的更新事件传递给EISP后，EISP负责将它传递给所有预约该数据对象更新事件的预约者。EISP转发事件报文时不会通知原事件发布者，因此事件发布者在完成事件发布后，就无需关心将有哪些应用程

18、序接收更新事件，以及更新事件是否已传递给预约者。在整个体系中，每一类数据对象都可以有多个事件发布者，但谁可以取得事件发布权限则取决于EISP的访问控制管理。下面举例说明发布预约机制的实现。假定已有学生管理系统、图书馆管理系统和教学管理系统三个数据交换节点，现在图书馆管理系统和教学管理系统需要与学生管理系统的数据更新同步，那么它们之间的报文传递关系如下所述（见图3）：a、 预约：DEA1和DEA2分别发送预约报文给EISP，预约学生数据的更新事件。b、 发布：DEA3在更新学生数据后即向EISP发送事件报文，发布学生数据的更新事件。c、 转发：EISP将DEA3的事件报文分别转发给各预约者DEA

19、1和DEA2d、 转换：各个DEA负责把网络传输中标准的SOAP格式通信的报文转换为各个本系统内部的数据格式。3 通信模型的实现与测试针对前面设计的通信模型，笔者对其中的核心问题进行了编程实现，主要包括Web服务的发现与注册模块、基于SOAP6和WSDL8的通信模块两大部分。而后，分别对两大模块进行了实验测试与分析。本通信模型实现选择的开发平台是Microsoft公司提供的.NET开发平台，而选择的开发语言是Microsoft公司专为网络开发定制的C#语言。 3.1 基于UDDI的服务发现模块实现作为一个完整的通信模型，首先需要对现有的Web服务进行发现与定位，找到对应的WSDL文档，再由此解

20、析WSDL文档，从而构造相应的SOAP消息实现通信。因此，我们首先设计了服务发现模块。本模块的实现涉及到UDDI规范9。它通过向UDDI接入点（也叫做UDDI注册中心，如Microsoft、IBM等都有提供）查询提供指定Web 服务的实体，获得其Web 服务描述语言（WSDL）文档，而后客户端根据这些信息，请求相应的服务。本模块中对UDDI注册中心数据库的查询是通过SOAP进行通信的，收到的结果也是基于XML格式的SOAP消息。其原理如下图4 。服务器端查找服务发布服务通过SOAP相互通信图4服务发现模块原理图UDDI注册中心（如Microsoft和IBM等都有提供）客户端图5 搜索到的符合要

21、求的信息结果WSDL文挡的位置上图5显示的是查询某一指定服务所获得的XML文档，通过计算机的进一步解析，可以获得此Web 服务的WSDL文挡，从而向服务器发送基于SOAP格式，且符合WSDL标准的请求消息。3.2 基于SOAP和WSDL的通信模块设计和实现在本模块中，设计了一个通用客户程序端，这个通用客户端可以根据用户所输入的WSDL文件的网络位置（URL）（通过上面的模块获得）、或在本地磁盘位置，或者用户直接输入的WSDL字符串来进行解析WSDL文挡，进而自动生成一个或多个访问服务器端相应服务的代理客户端对象。它的应用就是，不管服务器端是提供什么样的服务，我们只要根据提供的服务描述语言（WS

22、DL文挡）就能够自动生成相应的请求对象，去和远端的服务器通信，即一个通用的界面可以访问不同部门提供的不同服务，只要他给出WSDL文档。同时在本模块中还做了在应用层的服务器端和客户端通信信息的加密和解密扩展，以保证信息的安全性。 图6 基于客户代理的访问通信模式SOAPH T T PSoap请求服务器客 户序列化反序列化XMLSoap消息客户代理SOAPXMLSoap消息序列化反序列化SOAPXMLSoap消息Soap响应XML WebServices对象启用解密启用加密Http消息(Http头+XML负载)H T T P启用加密SOAPXMLSoap消息启用解密WSDL文档通过各种方式Inte

23、rnet环境解析WSDL文档动态生成客户代理UDDI注册中心发布服务从上图6可以看出，本模块的设计是基于解析WSDL文档来动态生成客户代理来与服务器相应的服务对象通信的。这也是本模块的思路和重点所在，还有一个重点就是利用了SOAP扩展技术来实现SOAP消息应用层的加密，解密。也就是把封装在SOAP体中的敏感信息通过SOAP扩展技术来实现加密，让加密后的消息在网络中传输，再分别在客户端和服务器实行解密和其它处理。此原理图中客户端与服务器通信的大体过程是：1、发布服务：服务器提供某种服务，在UDDI注册中心注册为某种服务的提供者；2、发现服务：客户端想得到某种服务，通过查询此服务，而获得关于此服务

24、的WSDL文件；3、解析服务：通过解析WSDL文件，而获得关于此服务的详细信息，如接口参数，访问服务的地址等；4、生成代理客户端：根据获得的详细信息而生成相应的代理客户端。5、生成本地消息并序列化消息：产生本地格式的消息（它是基于某种平台和编程语言的特定格式的消息），并予以序列化为所有平台都遵守的统一消息格式SOAP消息格式；6、加密SOAP消息：根据需要在序列化之后加密SOAP消息中的敏感信息；7、消息绑定：SOAP消息和HTTP通信协议绑定；8、服务器端请求消息处理和响应：服务器接收消息，对需要解密的消息予以解密，然后反序列化，生成本地格式的请求消息，并予以处理之后生成本地响应消息，然后又

25、序列化为SOAP格式的标准消息，接着对SOAP消息中的敏感信息予以加密，并发送响应消息；9、客户端响应消息处理：客户端接收响应消息，进行解密和反序列化处理，生存本地格式数据的消息。正常码图7客户端通用模块启动解密模块后接收的SOAP响应消息 图8 客户端通用模块没有启动解密模块时接收的SOAP响应消息乱码上面两图显示了在服务器启动了加密扩展，对发送的SOAP消息加密。而客户端分别在启动解密扩展和没有启动解密扩展的情况下，收到的SOAP消息比较，其中一个是正常消息，一个是加密后的乱码。对于此模块，它是根据获得的WSDL文档，自动解析此文档，获得服务提供方提供的服务相关信息，然后自动生成代理客户端

26、。用户通过此代理客户端和其进行通信。此方案的优点是：可扩展性和伸缩性强，可以把位于不同服务器上提供的各种不同的服务集成在统一的代理客户端下，对于那些同时需要用到位于几种不同系统上提供的服务协同工作时才能完成的任务，采用此模块能很好的解决问题。同时在此模块中融合了对敏感信息的加解密模块，以提高通信安全性能。3.3 异构信息系统互操作性联调测试基于UDDI、WSDL、SOAP等协议，笔者设计并实现了以上模块，构建了异构信息系统互操作通信模型的主体。该模型能否在互操作中取得良好的通信效果，还需要进一步实验验证。根据前面设计的通信模型，笔者针对国家水平考试考务处理系统中存在的异构信息系统互操作问题，和

27、笔者所在学校的教师教学质量调查系统，进行了应用实现。在自助式考务处理过程中，往往存在不同部门使用异种数据库的情况，如教务系统可能使用Access数据库，而图书馆数据库可能使用SQL Server，这两个部门的信息系统之间存在互操作需求。通过对本方案的应用，取得了不错的互操作效果，实现了数据互通。3.4 经济成本分析从经济成本角度分析，采用基于Web Services 技术异构系统通信模型能很大的节约成本，全面提高各个部门的办事效率。由于以前解决异构信息系统通信，普遍采用为异构系统数据库编写连接代码的复杂对接模式，因此对于任何两个异构系统要实现通信，就必须为其编写特定的连接代码。开发好后还要针对

28、特定系统编写的对接代码进行维护管理人员培训。并且每一个系统中要部属针对不同系统对接应用的特定代码，显然增加了维护成本和出错率。而采用本文中设计的通信模型来解决部门异构信息系统间的相互通信，能极大地节约成本，因为它要求所有系统遵循统一标准格式来传输和表示数据。并开发了一种能解析此标准格式的组件，把它部署到这不同的系统中，实现本地数据和标准数据的之间转换，极大的减少了编写代码的量，从而节约了成本，减轻了系统维护工作量和出错率，同时减少了培训费用，促进了部门之间的信息交流，进而提高了各个部门办事自动化效率。4 结束语本文以教育信息化标准作为解决互操作的信息模型，基于Web服务技术构建了适合教育系统数

29、据资源共享与交互的通信模型，并详细设计了通信模型的数据交互机制。本模型的设计并不是采用类似于复杂系统对接的方法，能够较好的满足信息模型与通信模型间的松散耦合要求。同时针对该模型对其核心部分进行了实现与应用测试，并取得了比较好的效果。此模型的设计和实现对于我国的教育信息化建设应该具有重要的借鉴意义。参考文献1 JYGLBZ-XX-2002. 教育管理信息化标准第1部分：学校管理信息标准. 中华人民共和国教育部发布. 2002.2 Schools Interoperability Framework. Schools Interoperability Framework Implementation Specification, Version 1.5. March 5, 20043 CELTS-40-2003 CD 1.1. 教育管理信息系统互操作规范（草案）. 教育部教育信息化技术标准委员会发布. 2004.4 柴晓路等编著.Web Services技术、架构和应用.电子工业出版