數(shù)字校園和一卡通集成方案研究

文章出處：http://linbycaravans.com 作者：張兆雷 杜炤 佟秋利   人氣： 發(fā)表時間：2011年11月23日

    隨著高校信息化的推進，校園一卡通的應用越來越廣泛，在一卡通建設的過程中，不可避免要實現(xiàn)和數(shù)字校園其他應用系統(tǒng)的集成。統(tǒng)觀各高校建設校園一卡通的過程，這種集成工作主要面臨兩種情形：數(shù)字校園尚未建設或數(shù)字校園已經(jīng)完善。對前一種情形，可以將一卡通系統(tǒng)作為校園信息化的基礎，通過推動一卡通的建設，部署和完善網(wǎng)絡基礎、管理平臺，實現(xiàn)各種應用系統(tǒng)，這種開發(fā)方式結構清晰、易于實施，各校園卡集成系統(tǒng)供應商可提供成熟產(chǎn)品。

    后一種情形在國內高校中更具有普遍性，這是由于一卡通技術的成熟相對較晚。在這種情形下實現(xiàn)一卡通和數(shù)字校園的集成時，必須遵循不能破壞現(xiàn)有數(shù)字校園的原則，這給一卡通的實施帶來許多困難。當前主要的集成方案是，在數(shù)字校園提供的硬件和軟件基礎上，建設各種使用IC卡的應用系統(tǒng)，如門禁系統(tǒng)，食堂消費系統(tǒng)等。這種方案在不改變數(shù)字校園基礎架構的前提下，引入一卡通應用，為實現(xiàn)一卡通和數(shù)字校園的集成提供了一條有效途徑。但是，這種方案有許多內在的缺陷。首先，它不能充分發(fā)揮一卡通的功能，例如，不能通過校園卡對學校的教學系統(tǒng)提供支持；其次，各高校的數(shù)字校園基礎架構形式多樣，因此，每個高校開發(fā)一卡通應用都是一份新的工作，相互之間無法形成可以借鑒的經(jīng)驗，開發(fā)成本很高。

    針對這些問題，本文提出一種新的數(shù)字校園和一卡通集成的方案。首先明確了校園卡包含的內容和校園卡在數(shù)字校園中的定位，然后描述集成方案的具體內容和方法，并展示集成后數(shù)字校園的架構。

    1 一卡通在數(shù)字校園中的定位

    一卡通是一個簡稱，狹義上它通常指一卡通應用，即可以使用IC卡的各種應用系統(tǒng)。廣義上是指一卡通體系，這個體系的主體是提供基于IC卡的管理和應用服務的一卡通平臺，同時還包括底層的硬件和軟件基礎架構，以及安全體系和運行維護體系。一卡通平臺提供的管理包括卡務管理和財務管理，提供的應用服務包括身份認證類服務和消費類服務。

    數(shù)字校園是校園信息化的主要組成部分，使用信息技術為高校的日常教學、科學研究、校務管理提供支持。數(shù)字校園的信息建設分為兩大類，即數(shù)字校園基礎設施和數(shù)字校園應用系統(tǒng)。數(shù)字校園基礎設施的建設包括網(wǎng)絡、硬件、基礎軟件和公共平臺；應用系統(tǒng)包括教務系統(tǒng)、人事系統(tǒng)、科研管理系統(tǒng)、后勤系統(tǒng)等。

    IC卡作為在校師生的身份標志和電子錢包，不僅可以應用于門禁、食堂等一卡通應用系統(tǒng)，也可以用于教務注冊、科研費用管理、圖書館管理等已有的數(shù)字校園應用系統(tǒng)。一卡通平臺對IC卡進行管理，實現(xiàn)IC卡的各種功能，為使用IC卡的應用系統(tǒng)提供公共服務，因此，一卡通應當作為數(shù)字校園的基礎設施，而不是簡單的應用系統(tǒng)。

    2 集成方案

    一卡通建設面臨的現(xiàn)實情況是：首先，數(shù)字校園本身已經(jīng)非常完善，其次，一卡通應當作為數(shù)字校園的基礎設施，完成和數(shù)字校園的集成。因此，新的集成方案應當遵循以下原則： 

    1.一卡通的建設不能破壞現(xiàn)有數(shù)字校園的架構
    2.一卡通的建設能夠提升現(xiàn)有數(shù)字校園的應用，同時要提供完備和標準化的公共服務。

    除此之外，還應當遵循一卡通建設本身的一些原則。

    基于上述原則的一卡通和數(shù)字校園的集成方案，主要內容包括網(wǎng)絡、服務器、一卡通平臺、一卡通應用和數(shù)字校園的集成。下面以清華大學一卡通建設過程為例，說明這種新的集成方案。

    2.1 一卡通專網(wǎng)和校園網(wǎng)的結合

    在完善的數(shù)字校園中，校園網(wǎng)是校內應用和數(shù)據(jù)交流的基礎。一卡通的身份認證業(yè)務和數(shù)據(jù)可以通過校園網(wǎng)來傳輸。由于一卡通具有消費的功能，需要處理大量的財務數(shù)據(jù)。相對與采用基于校園網(wǎng)的虛擬專網(wǎng)，一卡通物理專網(wǎng)能夠更好的保證財務應用和數(shù)據(jù)的安全。
一卡通體系的網(wǎng)絡拓撲結構圖如圖1所示： 

圖1 一卡通體系網(wǎng)絡拓撲結構圖

    一卡通專網(wǎng)和校園網(wǎng)之間是物理隔離的，一卡通體系中，凡是涉及消費、轉賬等財務功能的應用，部署在一卡通專網(wǎng)內，可以保證財務數(shù)據(jù)的安全；完成對身份的認證、查詢等的應用，部署在校園網(wǎng)內，可以方便的和數(shù)字校園其他應用進行對接。財務應用包括一卡通消費數(shù)據(jù)庫、消費交易流水處理前置機和銀行交易流水處理前置機。由于一卡通消費數(shù)據(jù)庫需要從校園網(wǎng)中獲取校園卡的黑白名單信息，同時要向校園網(wǎng)用戶提供對財務數(shù)據(jù)的查詢，所以在一卡通專網(wǎng)和校園網(wǎng)之間通過設置網(wǎng)關和防火墻實現(xiàn)跨網(wǎng)的服務器之間的雙向通訊。防火墻只允許兩種服務通過：數(shù)據(jù)同步服務和Web Services轉發(fā)服務。數(shù)據(jù)同步服務處理校園網(wǎng)中的各數(shù)據(jù)庫服務器和一卡通專網(wǎng)中的數(shù)據(jù)庫服務器之間的數(shù)據(jù)同步，這些服務器對普通用戶都是不可見的。Web Service轉發(fā)服務處理校園網(wǎng)用戶對財務數(shù)據(jù)的查詢請求，為保證一卡通專網(wǎng)的安全性，可以在校園網(wǎng)端新設一個轉發(fā)代理服務器，屏蔽網(wǎng)關設備的可見性。 

    2.2一卡通平臺

    一卡通平臺是校園卡的主體，主要實現(xiàn)對一卡通的卡務管理和財務管理，并提供基于IC卡的身份認證服務和消費服務?；谝豢ㄍㄆ脚_的功能和學校的組織結構，對一卡通的管理分為兩個部分，卡結算中心負責一卡通的財務管理，教務處和人事處負責一卡通的身份管理。

    （1）卡務管理和財務管理

    卡務管理功能基于校園網(wǎng)實現(xiàn)，包括卡狀態(tài)管理和卡信息管理。卡狀態(tài)包括未發(fā)卡狀態(tài)、有效狀態(tài)、掛失狀態(tài)和注銷狀態(tài)。在狀態(tài)轉化過程中，一卡通平臺生成和更新IC卡黑名單。并同步給相關應用系統(tǒng)。

    卡信息包括學生的學籍信息、教職工的基本信息、照片信息等?？ㄐ畔⒐芾硪獙崿F(xiàn)根據(jù)數(shù)字校園中教務和人事數(shù)據(jù)的變動同步更新一卡通平臺中的數(shù)據(jù)；響應校園網(wǎng)用戶對一卡通信息的查詢請求，包括網(wǎng)上查詢、電話查詢等多種方式。

    財務管理功能基于一卡通專網(wǎng)實現(xiàn)，每個校園卡的參與者擁有一個財務帳戶，帳戶分為持卡人帳戶、商戶帳戶、銀行帳戶、個人代發(fā)帳戶等；財務相關的業(yè)務主要包括消費、圈存、代發(fā)、結算等；不同類型的帳戶只和特定的業(yè)務相關。例如，商戶只和消費、結算業(yè)務相關，在消費業(yè)務中，商戶帳戶余額增加；結算業(yè)務中，商戶帳戶余額減少。

    同一種業(yè)務中，對不同的帳戶有不同的處理流程。在消費業(yè)務中，各消費終端將交易流水上傳到上位機，通過網(wǎng)關或代理服務器將上位機收集的交易流水轉發(fā)到一卡通平臺后臺服務器，對每筆交易，從相應的持卡人帳戶中扣除交易的金額，向商戶帳戶中增加交易的金額。

    圈存業(yè)務需要和銀行交互，必須執(zhí)行嚴格的密鑰管理。此業(yè)務包括轉賬過程和對賬過程，一卡通平臺和持卡人、銀行之間的交互過程如圖2所示： 

圖2 圈存業(yè)務流程圖

    代發(fā)業(yè)務是指單位委托一卡通結算中心將發(fā)放的金額轉入持卡人帳戶，需要由單位向一卡通結算中心提供代發(fā)款和代發(fā)名單，一卡通中心核對后，在代發(fā)名單里的持卡人帳戶中添加余額。結算業(yè)務中，在商戶和一卡通中心對結算單核實無誤后，由一卡通中心將結算款劃撥給商戶。

    （2）身份認證服務和消費服務

    一卡通平臺建設的目的是向數(shù)字校園提供公共服務。這些服務主要分為兩類：身份認證類服務和消費類服務。

    身份認證類服務主要應用于校園網(wǎng)內的各種應用，這類服務包括宿舍門禁身份認證、機房通道身份認證、圖書館通道身份認證、會議簽到身份認證等。通過設置讀卡器和上位機，收集IC卡信息并提交認證請求。完成認證的方式包括C/S模式和遠程過程調用（RPC）模式如Web Service。在C/S模式中，在應用系統(tǒng)本地配置一卡通的分服務器，其中包含人員信息的拷貝，通過實時的數(shù)據(jù)同步保證分服務器和一卡通中心服務器數(shù)據(jù)的一致性。上位機將驗證請求提交給分服務器，分服務器通過查詢本地數(shù)據(jù)完成驗證，并將結果返回給上位機。在RPC模式中，如果使用web services, 則由一卡通服務器提供Web服務，并向校內UDDI注冊中心注冊；上位機程序通過查找UDDI注冊中心的注冊服務，獲取身份驗證服務的指針，根據(jù)此指針調用一卡通服務器的web服務，完成驗證。

    消費類服務主要包括應用于校園卡專網(wǎng)內的各種服務，如食堂刷卡消費、超市刷卡消費、醫(yī)療消費等。消費類服務通過刷卡交易來完成，通過POS機完成對IC卡內錢包的讀寫操作，同時，POS機將交易流水上傳到與之相連的上位機。刷卡交易分為在線交易和離線交易，在線交易中，上位機中的交易流水直接通過web服務發(fā)送給一卡通平臺前置機；離線交易中，交易流水暫存在上位機中的數(shù)據(jù)庫中，通過人工的方式向一卡通平臺提交。 

    3 集成了一卡通的數(shù)字校園架構

    這種集成方案在原有的數(shù)字校園中，集成校園卡專網(wǎng)和一卡通平臺。基于它們提供的公共服務，提升了已有的數(shù)字校園應用系統(tǒng)如醫(yī)療、教學、人力等；同時，這種新的集成方案，通過重用數(shù)字校園的網(wǎng)絡、服務器、運維和安全體系，向數(shù)字校園引入了基于IC卡的新應用，如門禁、消費、簽到等。集成了一卡通的數(shù)字校園架構如圖3所示: 

圖3 集成一卡通的清華大學數(shù)字校園架構圖 

    一卡通基礎設施提供的公共服務包括身份認證服務和消費服務，這些服務可以方便地被數(shù)字校園應用所使用。例如，在教務注冊業(yè)務中，通過讀卡器和讀卡助手軟件，可以快速地通過IC卡獲取學生的學籍信息，完成注冊。在這個過程中，原有注冊系統(tǒng)基本不用做新的改變。

    4 總結

    越來越多的高校開始建設和應用校園一卡通，如何將一卡通集成到數(shù)字校園的架構中，一直是一卡通建設過程中不斷探討的問題。將一卡通作為數(shù)字校園的基礎設施，通過建設一卡通平臺提供公共服務，實現(xiàn)一卡通和現(xiàn)有數(shù)字校園應用的松散耦合。這種新的集成方案，能夠在保持現(xiàn)有數(shù)字校園架構的基礎上，以較小的建設成本，充分發(fā)揮校園一卡通的功能。 

    （文/北京清華大學計算中心 張兆雷 杜炤 佟秋利）