網(wǎng)格技術(shù)在遠(yuǎn)程開放教育資源共享中的應(yīng)用研究

蔣漪漣

0 引言

因?yàn)楦嗟挠?jì)算機(jī)技術(shù)滲透到因特網(wǎng)，在90年代末網(wǎng)格繼Internet和WEB之后成為研究熱點(diǎn)。

網(wǎng)格是構(gòu)筑在因特網(wǎng)上的一組新興技術(shù)，它將高速互聯(lián)網(wǎng)、高性能計(jì)算機(jī)、大型數(shù)據(jù)庫、傳感器、遠(yuǎn)程設(shè)備等融為一體，為科技人員和普通老百姓提供更多的資源、功能和交互性。網(wǎng)格是從電力網(wǎng)的概念借鑒過來的，其最終目的是希望用戶在使用網(wǎng)格時(shí)，就像使用電力一樣方便地使用分布在網(wǎng)絡(luò)上強(qiáng)大而豐富的各種資源，如計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源、軟件資源、通信資源、知識(shí)資源和專家資源等。網(wǎng)格具有高性能、一體化、資源共享、協(xié)同工作、知識(shí)生產(chǎn)等特點(diǎn)，是目前關(guān)系科研、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、國防的重要國家基礎(chǔ)設(shè)施，在國內(nèi)外己引起了廣泛的關(guān)注。隨著網(wǎng)格體系和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的日趨成熟和完善，網(wǎng)格將會(huì)在更廣泛的領(lǐng)域得到推廣和應(yīng)用[1]。

在美國，網(wǎng)格研究人員著重于計(jì)算網(wǎng)格和數(shù)據(jù)網(wǎng)格，即TeraGrid[2]和 GIG（全球信息網(wǎng)格）[3]。在歐洲著重于網(wǎng)格應(yīng)用，其網(wǎng)格工程包括數(shù)據(jù)網(wǎng)格，e-learning和e-culture[4]。而其他國家，如日本、新加坡、印度構(gòu)建網(wǎng)格程序。

中國也很重視網(wǎng)格研究，目前有一些重點(diǎn)項(xiàng)目得到國家的支持，如863工程支持的國家網(wǎng)格，教育部支持的中國網(wǎng)格工程，上海市政支持的上海網(wǎng)格等等[5]。

1 網(wǎng)格技術(shù)

1.1 網(wǎng)格技術(shù)的概念及其特點(diǎn)

網(wǎng)格通過高速的共享網(wǎng)絡(luò)連接地理上廣泛分布的異構(gòu)資源 (包括超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)、存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)庫、軟件、科學(xué)儀器和分布式文件系統(tǒng)等 )。在同一時(shí)間用它們來協(xié)同解決那些通常需要許多 CPU 或存儲(chǔ)器來處理、訪問的單個(gè)問題。在形成網(wǎng)格狀的高性能計(jì)算網(wǎng)中，各個(gè)資源就是網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)[6]。

其特點(diǎn)是可以根據(jù)用戶對(duì)資源的需求，動(dòng)態(tài)地組織網(wǎng)絡(luò)上的資源，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的資源共享。這 種資源的共享不僅僅是文件的交換共享，還可以是直接對(duì)計(jì)算機(jī)硬件資源、軟件資源、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)等資源直接訪問，并且這種共享是動(dòng)態(tài)的、高度可控的，資源的提供者和消費(fèi)者、共享內(nèi)容、共享發(fā)生的條件都是被嚴(yán)格定義的。所有遵守這些共享規(guī)則的教育科研機(jī)構(gòu)可以構(gòu)成一個(gè)虛擬組織，虛擬組織內(nèi)部的資源共享。

1.2 網(wǎng)格的體系結(jié)構(gòu)

網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)是關(guān)于如何建造網(wǎng)格的技術(shù)，包括對(duì)網(wǎng)格基本組成部分和各部分功能的定義和描述，對(duì)網(wǎng)格各部分相互關(guān)系與集成方法的規(guī)定，以及對(duì)網(wǎng)格有效運(yùn)行機(jī)制的刻畫。顯然，網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)是網(wǎng)格最核心的技術(shù)，只有建立合理的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)，才能夠設(shè)計(jì)和建造好網(wǎng)格，才能使網(wǎng)格有效地發(fā)揮作用。

到目前為止，比較重要且有影響的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)是：五層沙漏結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是基于美國國家實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)格研發(fā)項(xiàng)目Globus 提出來的，是一種以協(xié)議為中心的“協(xié)議結(jié)構(gòu)”[7]。該結(jié)構(gòu)強(qiáng)調(diào)協(xié)議在網(wǎng)格的資源共享和互操作中的地位，通過協(xié)議實(shí)現(xiàn)一種機(jī)制，使得虛擬組織的用戶與資源之間可以進(jìn)行資源使用的協(xié)商，建立共享關(guān)系，并且可以進(jìn)一步管理和開發(fā)新的共享關(guān)系。這一標(biāo)準(zhǔn)化的開放結(jié)構(gòu)對(duì)網(wǎng)格的擴(kuò)展性、互操作性、一致性以及代碼共享都很有好處。圖1所示為五層沙漏結(jié)構(gòu)的形狀圖。

圖1 五層沙漏結(jié)構(gòu)形狀圖

這五層結(jié)構(gòu)由下至上分別是構(gòu)造層、連接層、資源層、匯聚層和應(yīng)用層，各層涵義如下：

(1)構(gòu)造層（Fabric）是物理或邏輯實(shí)體，實(shí)現(xiàn)控制局部的資源，并向上提供共享訪問資源，如高性能計(jì)算資源、大型數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)資源、高速網(wǎng)絡(luò)資源、傳感器和遠(yuǎn)程設(shè)備等。本層提供的功能性為更上層使用提供了基礎(chǔ)，所提供的功能性越豐富，更上層就越能構(gòu)造更復(fù)雜的應(yīng)用。

(2)連接層（Connectivity）定義網(wǎng)格中網(wǎng)絡(luò)事務(wù)的核心通信協(xié)議和安全協(xié)議，其中通信協(xié)議包括傳輸、路由、命名等；安全協(xié)議提供通信服務(wù)上的安全加密機(jī)制，用于識(shí)別用戶和資源，安全協(xié)議為建立用戶和資源之間的信任關(guān)系提供了技術(shù)支持。 構(gòu)造層提交的各種資源間的數(shù)據(jù)交換都在這一層的控制下實(shí)現(xiàn)，各資源間的認(rèn)證、安全控制也在這里實(shí)現(xiàn)。

(3)資源層(Resource)定義了在一個(gè)單獨(dú)的資源上提供共享操作的協(xié)議，該協(xié)議實(shí)現(xiàn)調(diào)用構(gòu)造層的功能以訪問和控制本地資源。它包含信息協(xié)議和管理協(xié)議兩個(gè)協(xié)議族。在資源層只關(guān)心單個(gè)的資源，不關(guān)心全局的狀態(tài)和跨域的行為。

(4)匯聚層（Collective）完成將資源層提交的受控資源匯聚在一起，供虛擬組織的應(yīng)用程序共享、調(diào)用。匯聚層不關(guān)心單個(gè)資源的管理，關(guān)心的是全局的狀態(tài)和跨域的交互行為。因此，該層提供的協(xié)議服務(wù)是很廣泛的，開發(fā)者可以根據(jù)自己的需要，在使用下層提供的服務(wù)基礎(chǔ)上進(jìn)行再開發(fā)。匯聚層也提出了一些通用的協(xié)議和服務(wù)，如目錄服務(wù)、協(xié)同分配調(diào)度、經(jīng)紀(jì)人服務(wù)、數(shù)據(jù)復(fù)制服務(wù)、軟件發(fā)現(xiàn)服務(wù)、團(tuán)體授權(quán)服務(wù)、團(tuán)體記賬和支付服務(wù)等。

(5)應(yīng)用層（Application）是用戶利用下層提供的 API或 SDK 來實(shí)現(xiàn)某些特定功能。

2 遠(yuǎn)程開放教育資源共享系統(tǒng)的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)與應(yīng)用

現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育的核心和精髓是教育資源的共享，而目前遠(yuǎn)程教育只是把自己所擁有的資源向社會(huì)開放，共享的范圍和程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，充其量只達(dá)到部分和單向的資源共享。同時(shí)，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)為學(xué)習(xí)資源的共享、學(xué)習(xí)活動(dòng)的合作所提供的技術(shù)條件處在較低水平，缺乏在課程知識(shí)和教學(xué)管理水平層次上的交換，造成現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育運(yùn)作模式的僵化。資源的重復(fù)建設(shè)，資源檢索技術(shù)的智能化水平不高，資源的獲取和應(yīng)用及更新速度較慢，動(dòng)態(tài)適應(yīng)性較差等，也影響資源的有效共享。

網(wǎng)格技術(shù)的最大特點(diǎn)是信息資源共享。通過建立遠(yuǎn)程教育信息網(wǎng)格，可以充分利用現(xiàn)有的遠(yuǎn)程教育資源，最大限度地減少各遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)建

設(shè)時(shí)的重復(fù)投資，快速應(yīng)對(duì)新系統(tǒng)建設(shè)的需求，整合和管理分散在各學(xué)校的信息化資源，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境下的資源共享和協(xié)同工作，建設(shè)一個(gè)統(tǒng)一、靈活、有彈性的遠(yuǎn)程教育基礎(chǔ)設(shè)施。

2.1 遠(yuǎn)程開放教育資源共享系統(tǒng)的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程開放教育資源共享系統(tǒng)的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)如圖 2所示，此系統(tǒng)從下而上分別是網(wǎng)格資源域、網(wǎng)格中間件和應(yīng)用層。

圖2 遠(yuǎn)程開放教育資源共享的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)

（1）網(wǎng)格資源域。包括地理上分布的可以通

過 Internet訪問到的所有分布式異構(gòu)資源，包括運(yùn)行不同操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)、工作站、存儲(chǔ)設(shè)備、各種數(shù)據(jù)庫、儀器設(shè)備和應(yīng)用系統(tǒng)等，構(gòu)成整個(gè)網(wǎng)格系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)。

（2）網(wǎng)格中間件。真正實(shí)現(xiàn)物理上連接、邏輯上孤立的網(wǎng)格資源的有效共享，屏蔽下層結(jié)構(gòu)的分布性和異構(gòu)性，向上層提供統(tǒng)一、透明的使用接口。網(wǎng)格中間層從下到上由資源網(wǎng)格、信息資源網(wǎng)格、服務(wù)網(wǎng)格組成。

資源網(wǎng)格。它是遠(yuǎn)程開放教育資源共享系統(tǒng)基礎(chǔ)組成部分，負(fù)責(zé)本節(jié)點(diǎn)域的創(chuàng)建和屬性的收集，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、調(diào)度本地資源，及時(shí)地將本地網(wǎng)格資源的信息傳送給上層的信息服務(wù)模塊。此外，負(fù)責(zé)接收從網(wǎng)格請(qǐng)求代理提交的任務(wù)并負(fù)責(zé)運(yùn)行相應(yīng)的資源，為遠(yuǎn)程開放教育資源應(yīng)用提供基本框架。相當(dāng)于網(wǎng)格的構(gòu)造層和連接層。

信息資源網(wǎng)格。它基于資源網(wǎng)格創(chuàng)建，是遠(yuǎn)程開放教育資源共享系統(tǒng)的重要組成部分。為了能為整個(gè)開展遠(yuǎn)程教育的學(xué)校提供有用的信息服務(wù)，就需要對(duì)資源網(wǎng)格提供的數(shù)據(jù)信息加以分析整理，并且通過信息網(wǎng)格，將學(xué)校所需的信息提供給服務(wù)網(wǎng)格。

服務(wù)網(wǎng)格。它是遠(yuǎn)程開放教育資源共享系統(tǒng)的核心組成部分，對(duì)全局資源進(jìn)行統(tǒng)一的管理和分配，服務(wù)網(wǎng)格提供資源共享系統(tǒng)所支持的各種服務(wù)，同時(shí)對(duì)各應(yīng)用系統(tǒng)提供服務(wù)支持，這種服務(wù)支持包括信息服務(wù)、計(jì)算服務(wù)和信息處理服務(wù)等。服務(wù)網(wǎng)格可以提供通用性的服務(wù)接口，也可以根據(jù)虛擬組織或應(yīng)用領(lǐng)域的需要提供特定服務(wù)接口。

開發(fā)規(guī)范與管理控制平臺(tái)。整個(gè)系統(tǒng)的中央控制單元，通過該平臺(tái)的集中統(tǒng)一控制，使得服務(wù)網(wǎng)格、信息資源網(wǎng)格、資源網(wǎng)格的各個(gè)子系統(tǒng)符

合統(tǒng)一的規(guī)范，利于實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)間的互通、互連和互操作，進(jìn)而在管理控制平臺(tái)的統(tǒng)一控制、協(xié)調(diào)下發(fā)揮出系統(tǒng)的最大效用。

（3）應(yīng)用層。通過調(diào)用網(wǎng)格中間件，共享網(wǎng)格上的資源來完成任務(wù)。應(yīng)該根據(jù)不同學(xué)校的具體要求，建立相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)來滿足各個(gè)學(xué)校的不同要求。

2.2 行業(yè)資源共享系統(tǒng)的資源管理模式

遠(yuǎn)程開放教育資源共享系統(tǒng)采用圖 3所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。學(xué)校內(nèi)部通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)資源的互連、互通，其資源信息通過其所在的局域網(wǎng)內(nèi)的服務(wù)器統(tǒng)一管理。學(xué)校中各個(gè)部門、教師、學(xué)生通過接入廣域網(wǎng)而集合海量網(wǎng)格計(jì)算所需的網(wǎng)格資源。通常這些人員在地域上廣泛分布，難以集中管理，因此采用分布式的資源管理方法較為實(shí)際，即對(duì)于分布于不同局域網(wǎng)中的網(wǎng)格資源，各服務(wù)器通過分布式數(shù)據(jù)庫建立自己的資源信息庫，服務(wù)器之間通過分布式數(shù)據(jù)庫交互信為資源分配、作業(yè)調(diào)度服務(wù)；對(duì)于一個(gè)具體的任務(wù)可以通過各個(gè)局域網(wǎng)服務(wù)器，獲得各自的局域網(wǎng)資源信息，從而形成學(xué)校動(dòng)態(tài)的資源聯(lián)盟。

圖3 遠(yuǎn)程開放教育資源共享系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

在這個(gè)網(wǎng)格系統(tǒng)中，不存在全局控制的調(diào)度系統(tǒng)，每個(gè)學(xué)校的部門、教師、學(xué)生的地位都是平等的。這樣的網(wǎng)格具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性和容錯(cuò)能力，系統(tǒng)內(nèi)任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，都不會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成太大的影響。

2.3 遠(yuǎn)程開放教育資源共享系統(tǒng)的應(yīng)用流程

系統(tǒng)應(yīng)用的基本流程：①用戶通過應(yīng)用系統(tǒng)從網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)登錄，在用戶通過登錄中間件的身份認(rèn)證后，用戶向系統(tǒng)提交任務(wù)；②服務(wù)網(wǎng)格對(duì)任務(wù)進(jìn)行分割，通過信息資源網(wǎng)格查找可利用資源及節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行協(xié)商，然后下達(dá)任務(wù)到指定資源；③任務(wù)被分配給資源網(wǎng)格上的不同節(jié)點(diǎn)來共同完成，然后將任務(wù)結(jié)果連同任務(wù)完成報(bào)告返回，再由服務(wù)網(wǎng)格將結(jié)果合并后通過用戶應(yīng)用系統(tǒng)提交回用戶。

為了說明遠(yuǎn)程開放教育資源共享系統(tǒng)的特點(diǎn)，現(xiàn)舉一個(gè)具體的例子。在開展遠(yuǎn)程教育的學(xué)校中，學(xué)校 A想分析整個(gè)遠(yuǎn)程開放教育的發(fā)展現(xiàn)狀和未來的趨勢(shì)，需要用到各個(gè)學(xué)校的相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)挖掘。但是學(xué)校 A并沒有處理大量數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)挖掘的能力，而學(xué)校B有一高性能計(jì)算機(jī)群，學(xué)校C有一套數(shù)據(jù)挖掘軟件。只要學(xué)校 A，B，C都在網(wǎng)格系統(tǒng)中，可以很容易通過網(wǎng)格技術(shù)將各個(gè)學(xué)校的數(shù)據(jù)資源，學(xué)校 B的高性能計(jì)算機(jī)群和學(xué)校 C的數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)組織成一個(gè)虛擬聯(lián)盟，完成學(xué)校 A的應(yīng)用請(qǐng)求，而不需要購買任何新的軟、硬件系統(tǒng)。一旦任務(wù)結(jié)束，虛擬聯(lián)盟自動(dòng)解散。

不難看出網(wǎng)格技術(shù)的虛擬成員不是單個(gè)的實(shí)際的某個(gè)部門，而是一個(gè)個(gè)具體的計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)器之類的資源節(jié)點(diǎn)。通過遠(yuǎn)程開放教育資源共享系統(tǒng)之后，可以最大限度地整合整個(gè)開放教育現(xiàn)有資源，實(shí)現(xiàn)資源重用。

3 結(jié)論

網(wǎng)格技術(shù)是新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。將網(wǎng)格技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程開放教育資源共享，可以增強(qiáng)學(xué)校間資源的互操作性，即可以與遠(yuǎn)程的資源進(jìn)行協(xié)同工作，打破現(xiàn)有的壁壘。本文提出的遠(yuǎn)程開放教育資源共享的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)和資源管理模式，對(duì)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開放教育資源重用具有重要指導(dǎo)作用。

[1]Foster I,Kesselman C,Tuecke S.The anatomy of the grid:Enableing scalable virtual organizations. International J.Supercomputer Applications,2001.

[2]http://www.teragrid.org.

[3]http://disain.disa.mil/ncow.html.

[4]http://www.e-learningcentre.co.uk.

[5]http://www.chinagrid.net.

[6]高宏卿,王曉東,張際平.基于網(wǎng)格的遠(yuǎn)程教學(xué)研究[J].電化教育研究,2005,(5)53-56.

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