（管理科学与工程专业论文）web+services及grid+computing在远程教学中的应用.pdf

摘要 摘要 网格在产生的初期主要集中在高性能科学和工程计算领域中，但随着i 酬格研 究的小断发展，网格的应用领域不断地扩大，出现了适用于4 i 同应用领域的嘲格 技术，直接服务于生产和各种商业活动。此时，如何恰当地利用现有工具和技术， 更好地实现网格应用变得越来越重要了。 而互联网的发展趋势是网格，面对新的形式，新的技术，教育资源该如何充 分利用，必须从理论卜进行深入的研究，从技术上进行不断探索。 教育资源的分布性和异构性是教育资源共享困难的两个原因，而网格的目标 是将地理上广泛分布的、系统平台异构的多种资源用高速网络连接起来，形成虚 拟超级计算平台，实现互联网卜所有资源的全面连通。因此利用网格技术将教育 网卜的资源有效地聚合起来，实现网上资源广泛共享必将为高等院校的科学研 究和资源苁享提供先进的技术手段，进而推动教育的发展。 论文介绍了网格的概念和特点，对网格服务进行了深入研究。网格体系结构 主要有两种：五层沙漏结构和开放网格服务体系结构( o g s a ) 。五层沙漏结构侧 重于定性的描述而不是具体的协议，从下至上，依次由构造层、连接层、资源层、 汇集层和应用层组成。o g s a 是在五层沙漏结构的基础上，结合最新的w e bs e r v i c e 技术提出来的，是以服务为中心的协议。将计算机设备、应用程序、数据、仪器 设备等一切都抽象为服务有利于通过统一的标准接口来管理和共享网格上功能 各异的资源。网格技术包括汁算网格、数据网格、信息服务网格。本论文主要针 对教育资源的数据网格应用进行研究和实现。 网格远程教学系统的核心是教学资源的共享和教学服务系统的建立。尽管传 统的网络教学系统或者基于网络的远程教学系统都强调共享，但这种共享还是处 于相对较低的水平上。从教学资源上来看，形式多样，格式不统一。无法进行统 一有效的协调和管理；从硬件和操作系统来看，各种异构系统并存，许多远程教 学系统无法在不同的平台上运行：从实现的方式上来讲，大多是静态或动态的 w e b 页面，没有体现服务的概念。而网格远程教学系统通过为用户提供统一的服 务接口，实现更高层次的共享，这种共享不仅仅体现在教学资源上，而且包括各 种硬件资源的共享。对于学习者来讲，不必知道学习服务由谁来提供和怎样提供， 对于教学资源的开发者来讲，可以通过统一的接口，来实现更为快速的开发在网 格远程教学系统理论研究的基础上，进行了网格远程教学的实际应用研究。 目前，网格技术可以应用在很多方面，但是大多数都还处于理论和实验阶段。 本文提出的教育资源共享模型，将不同高校的教育资源连接起来，利用数据网格 实现校际间的数据资源共享。它是在校园网格的基础上，增加了校园之间的通信 功能，通过网格门户可以查询网格中所有的教育资源，更进一步地实现了教育资 源的协同共享。 关键词：w e b 服务，网格，网格计算，远程教育，o l o b u s 一 垒! ! 堡型 a b s t r a c t “g r i d ”h a se m e r g e da sa j li m p o r t a n tn e w f i e l d d i s t i n g u i s h e df r o mc o n v e n t i o n a l d i s t r i b u t e d s y s t e mb yi t s f o c u so nl a r g e s c a l er e s o u r c e s h a r i n g ，i n n o v a t i v e a p p l i c a t i o n s ，a n d ，i ns o m ec a s e s ，h i g h p e r f o r m a n c eo r i e n t a t i o n “g r i d i sat y p eo f p a r a l l e la n dd i s t r i b u t e ds y s t e mt h a te n a b l e st h es h a r i n g , s e l e c t i o n ，a n da g g r e g a t i o no f g e o g r a p h i c a u yd i s t r i b u t e d “a u t o n o m o u s ”r e s o u r c e sd y n a m i c a l l ya tr u n t i m ed e p e n d i n g o nt h e i ra v a i l a b i l i t y , c a p a b i l i t y , p e r f o r m a n c e ，c o s t ，a n du s e r s q u a l i t y o f - s e r v i c e r e q u i r e m e n t s t h o u g hg r i dt e c h n o l o g yh a sn o tb e e nw i d e l yu s e di np r a c t i c e ，i ti sn o d o u b tt h a ti tw i l lh a v eap r o s p e r o u sp r o s p e c ti n m a n ya r e a so fr e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n d i s t a n c e l e a r n i n gb a s e do ni n t e r n e tb r i n g sg r e a tl e a r n i n go p p o r t u n i t i e s t o s t u d e n t sa n do t h e rl e a r n e r s ，c o m p a r ew i t hc l a s s i c a lm o d e l so fi n s t r u c t i o na n dl e a r n i n g ， d i s t a n c el e a r n i n gh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sl e a r n i n ga n y t i m ea n da n y p l a c e ，b e t t e r i n t e r a c t i v eb e t w e e nt h el e a r n e ra n dl e a r n i n gr e s o u r c e s ，e t c ，b u tt h e r ea r ea l s os o m e d r a w b a c k sr e l a t e dt oc u r r e n td i s t a n c el e a r n i n g f i r s to fa l li ti s m a i n l yf o c u s e do nt h e c o n t e n td e l i v e r y , l e a v i n gi nt h eb a c k g r o u n dt h ec o l l a b o r a t i v ev i e w t h i si sa l s od u et o t h ei m p l e m e n t a t i o no fd i s t a n c el e a r n i n gp l a t f o r mt h e m s e l v e s i ni n t e r n e tw o r l d ，t h e r e e x i s t sv a r i o u sh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m ，m u c hd i f f e r e n to p e r a t i o ns y s t e ma n d g r e a td e a lo fl e a r n i n gr e s o u r c e sw h i c hs h o wi nm a n yt y p e s s ol e a r n i n go b j e c t sa r e p l a t f o r m - d e p e n d e n ta n dc a n n o tb eu s e do u t s i d et h es y s t e m t h i sm a k e sm o r e c o m p l i c a t e dt h ec o l l a b o r a t i o nb e t w e e na c t o r so fd i f f e r e n ts y s t e m s f u r t h e r m o r e ， c u r r e n tl e a r n i n gp l a t f o r m so n l ys u p p o r tas p e c i f i cl e a r n i n g d o m a i na n da r en o ta b l et o s u p p o r tl e a r n i n gi nd i f f e r e n td o m a i n s g r i dt e c h n o l o g i e sc a nh e l pt os o l v et h e s ep r o b l e m s b yg r i dt e c h n o l o g i e si ti s p o s s i b l e t o a c h i e v et h e t a r g e t t h a taw i d e s c a l el e a r n i n gr e s o u r c es h a r i n gi n h e t e r o g e n e o u sa n dg e o g r a p h i c a l l yd i s t r i b u t e ds y s t e m ，s od i f f e r e n ta c t o r s ( u n i v e r s i t i e s ， t e a c h e r s ，l e a r n e r ) c a nc o o p e r a t ee a c ho t h e r ，l e a r n i n gr e s o u r c e sc a nb er e u s e d ，l e a r n e r s c a ng e tg r i ds e r v i c et r a n s p a r e n t l yn e e dn o tt ok n o wh o wt og e tt h es e r v i c ea n dw h o p r o v i d et h es e r v i c e g r i dt e c h n o l o g i e sc a nb ep r a c t i c e db a s e do nt w oa r c h i t e c t u r e s t h eo p e n s e r v i c ea r c h i t e c t u r e ( o g s a ) a n dt h el a y e r e dg r i da r c h i t e c t u r e ( l g a ) ，b u to g s ai s m o r ep o p u l a r o g s aj o i n i n gw e bs e r v i c ea n dg r i dt e c h n o l o g i e s ，d e f i n e sa no p e na n d e x t e n s i b l ef r a m e w o r kf o rd i s t r i b u t e da nh i g h l yc o l l a b o r a t i v ea p p l i c a t i o n s t h i si sd o n e i i a b s t r a c t t h r o u g ht h ed e f i n i t i o no fg r i ds e r v i c e s ，a ne x t e n s i o nt os t a n d a r dw e bs e r v i c e sa b l et o m a n a g el i f e t i m ea n dt op e r m i ti n t r o s p e c t i o no ft h es e r v i c ei t s e l et h i sc o u l db et h e m i s s i n gl i n ki no r d e rt oo b t a i na ni n t e r a c t i v e ，o p e na n dc o l l a b o r a t i v ee n v i r o n m e n tf o r d i s t a n c el e a r n i n gb u i l du p o ne m e r g i n gn e t w o r kt e c h n o l o g i e sa n du p c o m i n gs t a n d a r d s ， o p e nt ot h ei n t e g r a t i o no f t h i r dp a r t ys o l u t i o n sa n d o rs e r v i c e s i nt h i st h e s i sw em a i n l yd i s c u s sa n ds t u d yh o wg r i dt e c h n o l o g i e sa r ea p p l i e dt o d i s t a n c el e a r n i n g ，h o wt os e tu pd i s t a n c el e a r n i n gp l a t f o r mb a s e do ng r i dt e c h n o l o g i e s i nc a m p u sn e t w o r k ，a n dw h a tr e s u l tc a nb eg o tw h e nu s eg r i dt e c h n o l o g i e si nd i s t a n c e l e a r n i n g k e yw o r d s ：w e bs e r v i c e s ，g r i d ，g r i dc o m p u t i n g ，r e m o t ee d u c a t i o n ，g l o b u s i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：z j 丰 7 2 0 0 6 年 月，3 - e 1 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中咀明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：z 并 f 2 0 0 6 年 月j 日 第1 章研究概述 第1 章研究概述 1 1 远程教育当前研究和发展现状 1 1 1国外远程教育的发展情况 经济发达国家，对远程高等教育都给予了极火的重视，其中，最有代表性的 是美国、英国和日本英国开放大学建于19 69 年，是英国目前最大的大学也 是世界上第二代远程教育虽有影响的代表，在19 63 年英国倡议建立开放大学 时，全英国大学在校学生仅1 3 0 ，0 0 0 人在19 94 年英国开放大学创办25 周 年时，其在校学生已超过l 3 0 ，0 0 0 人，到i998 年已达到2 0 0 ，0 0 0 。人经英 凼大学拨放委员会评估，在英国l0l 所大学中，英国开放大学的学科教学质量 排名第27 位进入九十年代以来，英国传统大学也纷纷举办远程教育最近， 英国政府在“信息政策”中提出，在20 00 年成立网上工业大学；到20 0 2 年，所有小学、巾学、图书馆、学院和大学全部接入全国学习网；为全国的教师 提供机会，更新其信息资料和通信技能美国大学的远程教育起源于19 世纪后 半叶的大学推广运动和传统大学举办的校外函授教育本世纪以来，许多大学开 始教学电视网进行大学后研究生层次的教育佛罗里达大学、科岁拉多灿i 大学和 斯坦福大学已分别于l964 年、l9 67 年、和19 68 年建立了各自的教学 电视网斯坦福大学教学电视网在19 95 年发展成为斯坦福专业教育发展中 心，为教育、企业界和政府机构提供各种类型的教育课程和节目服务，包括卫星、 光缆电视，双向交互电视会议系统，多媒体和计算机网络等教育基础设施19 84 年建于科罗拉多州的美国国家技术大学现已发展成为有4 7 所美国名理工科 大学加盟的远程教育联合体，应用卫星电视网向个美10 76 个公司接收点，播 放大学后t 程技术和经济管理硕士课程此外，美国西部17 个州的州政府正在 筹办西部州长虚拟大学，而宾夕法尼亚州立大学也在l9 98 年推出取名“世 界校园”的虚拟大学课程美国已成为当今世界发展第三代远程教育中心之一日 本的远程教育始办于己l9 35 年，l953 年开办电视教育，著名的日木放送 大学成立于l9 91 年7 月，19 85 年4 月正式开学目本政府还委托邮政省 下属的通信放送机构组织实旌跨国问的远程教育系统的研究 1 1 2 我国远程教育的发展情况 我国从5 0 年代初期开始发展高等函授教育，60 年代初期发展广播电视教 第1 章研究概述 育，目前已发展到第三代远程教育清华大学从l9 96 年开始筹建远程教育 卫星电视传播网1 9 9 7 年4 月已在校园内建立4 5 米ku 频段卫星上行站一 座，存十四个企业建立单收站，并于同年下半年对5 个站点试播了8 门课程；北 京邮电大学于己19 96 年利用光纤通信网进行远程教学实验，并对湖南长沙等 地进行了实时交互式教学：浙江大学与航科集团合作，计划建立多媒体教育系统， 以培养社会急需的高级人才：湖南大学19 97 年19 月与湖南省邮电管理局合 作，利用公众多媒体通信网，共建湖南大学多媒体信息教育学院，开展实时可视 的交互式远程教育：哈尔滨工业大学l9 97 年l0 月与本省邮电合作，利用在 全省开通的a t m 网建立视频方式的多媒体教室，传输教学节目；南京大学与日本 合作组织实施跨国问的远程教育系统的研究，该系统于已于l9 96 年建成，同 年l0 月开始进行教学实验；上海交通大学于l995 年l2 月，和上海市教委 联合兴建上海交大远程教育研究室，承担上海地区远程教育规划与实施，同时还 承担国家“九五”科技重点攻关项目远程教育技术 我圆台湾省的远程教育系统主要由isdn ， atm a n 互联网三种网络 技术组成，台北第一个远程教育系统，是由台海中华电信公司的电信培训学院于 199 。年建立和投入使用，当时是利用psd n 网拨号电话线路建立的，l9 97 年以isdn 网络技术的新开发系统取而代之；19 95 年以来，基于a t m 的远程教育系统，一直是台北国家信息基础设施的主要试点项目之一该项目 由台湾三所主要大学负责计划和试验工作，l9 96 年圆满完成第一次现场试 脸，台湾有7 所大学参加了此次现场试脸在台北信息基础设施试点项目中， 共开发三类远程学习系练，它们是实时组播远程学习系统、虚拟教室系统和即时 电视教育系统在这三个系统中实时组播远程学习系统是最成功的一个利用 a t m 技术的国际远程学习系统正处于发展阶段台湾中华电信公司的a t m 网络与 新加坡电信公司、香港电信公司、美国斯普林特公司的a t m 网络之间的国际a t m 试验台互联已经顺利完成，利用互联网全球网建立远程学习的虚拟教室项目正存 开发国内外远程教育的发展情况表明，以电子信息技术为基础的现代远程教育， 必将使教育领域j “生深刻的变革，远程教育的发展趋势锐不可档，它将促进教育 现代化，突破传统教育时空的局限，扩展教育资源，推进教育现代化和终身化它 将以覆盖面广，全方位为各类社会成员提供教育服务的优势，对人力资源的开发 产生强大的推动作用它将会推动我国信息产业的发展，进一步扩大信息产品和 信息服务的需求，促进优秀软件的开发和应用，带动一批高新技术产业的发展和 高校科研成果的转化，成为国家信息产业发展的新的经济增长点，推动知识经济 的形成和发展 第i 章研究概述 1 2 研究的重要性和价值 1 2 1 远程教育出现的问题和研究的重要性 i 远程教育中存在许多需要解决的问题 ( 一) 缺乏广泛的资源合作 现代远程教育的核心和精髓是教育资源的共享，这种资源包括师资、教学内 容和教学思想等。而目前多数网校则只是把自己所拥有的资源向社会开放，虽然 做到了部分资源共享。但这种共享的范围和广度还远远不够，充其量只达到单向 的资源共享，造成了现代远程教育运作模式的僵化和成不变。南于历史的原因， 远程教育站点，往往都是自行建立远程教育系统，分散而且孤立。虽然现有的网 络技术为学习资源的共享、学习活动的台作提供了基本技术条件，但这种共享只 是处在较低水平，缺乏在课程知识和教学管理水平层次上的交换，妨碍了网上教 育资源的大范围共享与交流。 ( 二) 远程教育标准还不完善 现代远程教育以计算机网络( 以及卫星数字通讯) 技术为支撑，具有时空 自由、资源共享、系统升放、便于协作等优点。由于网络教育，特别是基于 i n t e r n e t 的远程教育，具有地域广泛性、技术复杂性、文化多样性等特点，使 得大量的网上学习资源难以实现共享，不同的教育系统也难以互相沟通。解决这 些问题的根本m 路是制订网络教育技术标准，用标准化办法保障网上学习资源共 事和系统互操作。学习资源菇享是指一个学习对象可被多个学习系统利用；系统 互操作性是指多个系统及组件之间能够交换与使用彼此的信息。世界各国在发展 网络远程教育时深刻认识到，学习资源的可荚享性和系统的互操作对于教育系统 的实用性和经济性具有决定性意义。因此国际上育不少企业机构和学术团体致力 于网络教育技术标准的研究与开发，并且已经产生了一大批标准化成果。针对我 国远程教育的现状和发展需要，我国也开始投入人力开展这方而研究工作。教育 部于2 ( 0 0 年成立了现代远程教育标准化委员会，力求在跟踪国际远程教育标准 的基础上，制定出一系列符合我国国情的远程教育标准。目前标委会已经制定 了现代远程教育标准体系，并将远程教育标难分成2 6 个子标准，包括总标准、 教学资源相关标准、学习者相关标准、教学环境相关标准、教育服务质量相关标 准、本地化标准等。但目前这些标准还不够完善，有些标准还是草案，有些标准 还正在研究制定，真正符合标准的远程教育系统还非常少，这也是妨碍远程教育 进一步发展的因素。 ( 三) 大量的异构系统，使得远程教育技术越来越复杂 计算机网络是典型的异构系统”，随着网络技术的不断改进和演化，不同时 计算机网络是典型的异构系统”，随着网络技术的不断改进利演化，不同时 第l 牵研究概述 1 2 研究的重要性和价值 1 2 1 远程教育出现的问题和研究的重要性 1 远程教育中存在许多需要解决的问题 ( 一) 缺乏广泛的资源合作 现代远程教育的核心和精髓是教育资源的共享，这种资源包括师资、教学内 容和教学思想等。而目前多数网校则只是把自己所拥有的资源向社会开放，虽然 做到了部分资源共享，但这种共享的范围和广度还远远不够，充其量只达到单向 的资源共享，造成了现代远程教育运作模式的僵化和一成不变。由于历史的原因， 远程教育站点，往往都是自行建立远程教育系统，分散而且孤立。虽然现有的网 络技术为学习资源的共享、学习活动的合作提供了基本技术条件，但这种共享只 是处在较低水平，缺乏在课程知识和教学管理水平层次上的交换，妨碍了网上教 育资源的大范围共享与交流。 ( 二) 远程教育标准还不完善 现代远程教育以计算机网络( 以及卫星数字通讯) 技术为支撑，具有时空 自由、资源共享、系统开放、便于协作等优点。由于网络教育，特别是基于 i n t e r n e t 的远程教育，具有地域广泛性、技术复杂性、文化多样性等特点，使 得大量的网上学习资源难以实现共享，不同的教育系统也难以互相沟通。解决这 些问题的根本出路是制订| 】c ) 9 络教育技术标准，用标准化办法保障网上学习资源共 享和系统互操作。学习资源共享是指一个学习对象可被多个学习系统利用：系统 互操作性是指多个系统及组件之间能够交换与使用彼此的信息。世界各国在发展 网络远程教育时深刻认识到，学习资源的可共享性和系统的互操作对于教育系统 的实用性和经济性具有决定性意义。因此国际上有不少企业机构和学术团体致力 于网络教育技术标准的研究与开发，并且已经产生了一大批标准化成果。针对我 国远程教育的现状和发展需要，我国也开始投入人力开展这方而研究工作。教育 部于2 0 0 0 年成立了现代远程教育标准化委员会，力求在跟踪国际远程教育标准 的基础上，制定出一系列符合我国国情的远程教育标准。目前，标委会已经制定 了现代远程教育标准体系，并将远程教育标准分成2 6 个子标准，包括总标准、 教学资源相关标准、学习者相关标准、教学环境相关标准、教育服务质量相关标 准、本地化标准等。但目前这些标准还不够完善，有些标准还是草案，有些标准 还正在研究制定，真正符合标准的远程教育系统还非常少，这也是妨碍远程教育 进一步发展的因素。 ( 三) 大量的异构系统，使得远程教育技术越来越复杂 计算机网络是典型的异构系统”，随着网络技术的不断改进和演化，不同时 第l 章研究概述 期的网络技术会在网络中共存。不同的机型，不同的操作系统，不同的计算机编 程语言，运行在各式各样机型、操作系统上的应用软件等等，使得开发分布式系 统软件十分困难。当一个远程教育系统移植到另外一个网络平台的时候，可能会 发现，该系统与其硬件平台或者操作系统不兼容，导致应用系统的重新开发，另 外，目前许多的远程教育系统，教学资源不能在不同的操作系统和硬件甲台上移 植，导致巨大的重复劳动。 2 解决的方法 如何远程教育中出现的问题，国际上著名的软件公司、技术组织和厂商都在 寻求解决方案。比如：j a v a 、x m l 、c o r b a 等技术的出现，都是在不同层次和角 度来解决问题。但由于技术相对比较复杂，综合运用这些技术比较困难，使得这 些技术的运用并不普及。在网络上，大量存在的还是h t m l 格式的信息，真正采 用上述技术进行远程教育系统开发的并不多见。 远程教育的目标是实现4a ，即a n y o n e ( 任何人) 、a n y t i m e ( 任何时间) 、 a n y p l a c e ( 任何地点) 、a n y t h i n g ( 任何内容) ，也就是说，任何人在任何时间、 任何地点都可以进行任何内容的学习。如何实现4a 目标，需要在教育技术的理 念上、技术上、资源建设上进行全方位的研究，而本人试图在异构环境下，如何 建立符合远程教育标准的远程教学系统和教学资源进行理论上的研究。应用网格 的理念来解决远程教育中出现的问题，并在此基础上进行实际上的应用，是非常 有意义的。 3 研究的重要性和用网格解决问题的优点 “网格是继网络之后的又大商机。”i b m 公司网格计算业务总经理t o mh o k e 这样来描述网格。网格的目标就是提供给人们即取即用的资源，是诸多节点的动 态连接体，每个节点上都是现存的一个或多个企业或其他机构实实在在的it 架 构，包括硬件、软件、数据库等资源。当然，每个节点可能还派生出诸多类似的 子节点。网格技术可以通过一定的方式整合这些节点，在已有的it 架构之上， 实现cpu 、存储和数据库等计算资源的动态共享。 美国福布斯杂志的科技版( f o r b e sa s a p ) 2 0 0 1 年9 月1 0 日发表组 文章，预测信息技术的下一波大浪潮将在不久出现，这一波浪潮的本质特征就是 万维网( w o r l dw i d ew e b ) 升华为网格，2 0 2 0 年，由此产生的互联网将成长为一个 20 万亿美元产值的大产业我国863 计划在“十五”期间支持网格的研究和 应用工作。在欧美国家，越来越多的计算机研究人员、企业、风验投资者拒绝接 受“因特网泡沫破灭”，他们认为目前的低迷实际上是计算机工业下一个黄金时 代的起点。网格技术就是继因特网、万维网之后计算机工业下一波大浪潮的主线， 以后人们说“上网”可能指的是上“网格”。 4 第1 章研究概述 中国科学院计算所所长李国杰院士解释说，网格实际上是继传统因特网、万 维网之后的第三代因特网应用。传统因特网实现了计算机硬件的联通，万维网实 现了网页的联通，而网格试图实现互联网上所有资源的全面联通，包括计算资源、 存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源等等，最终实现网络虚拟 环境上的资源共享和协同工作，消除信息孤岛和资源孤岛。与因特网相比，网格 是有大脑的，因为它能根据用户的器求自动地生产知识。电力网的模式是网格努 力的方向。几乎不会有人在打开电灯的时候考虑电是从哪个电站来的。因特网的 情形如何呢? 人们获取信息并不直接从因特网本身获取，必须告诉电脑去访问某 一个网站，这就好比我们在打开电灯的开关时必须告诉它我们需要某一电站来的 电一样笨拙。网格的目标就是让人们使用网络资源像用电一样简单。 英国政府已投资i 亿英镑，用来研制“英国国家网格”。美国政府用于网格 技术的基础研究经费则已达5 亿美元。美国军方正规划实施一个宏大的网格计 划，叫做“全球信息网格”，预计在2024 年完成。学术界在网格方面研究的 加速也启动了惠普、ib m ，微软、s u n 等信息产业界巨头对于网格的研发计划。 我国的科学研究、国民经济和社会发展也己对网格技术提出了很多需求，只 是使用了不同的术语。比如，在银行界叫“业务集中”，航空、船舶、汽车行业 叫“广域虚拟设计环境”，资源环境领域叫“单一数据源”，电子商务和电子政 务中则称为“资源共享”与“协同工作”。这些行业都感到目前的互联网技术 已不够用，它们需要新的技术，而网格技术就是这样应运而生的。 互联网曾经改变了人们的生活方式和学习方式，而网格技术作为下一代的 i n t e r n e t ，将会对人类生活的各个方面产生重大影响。当然，嗍格技术进入教育 领域，也会极大地改变远程教育的模式。在理想的教育网格环境中，学习者只需 要提出自己的学习( 服务) 要求，网格系统就可以为你提供相应的学习资源和知 识。对学习者来讲，服务是透明的，不必关心学习资源是谁来提供和怎样提供的 整个网络可以看成一个超级的计算机，计算资源、存储资源、数据资源、信息资 源、知识资源、专家资源等可以得到全面共享。 教育部也正在组织全国1 2 所高等院校的专家，联合建立“中国教育科研网 格”体系，力争在20 05 年建成聚合能力超过l5 万亿次量级的教育科研网格， 形成世界上最大的超级网格之一。 前面所提到的远程教育中存在的问题，实际上也是互联网目前夺在的问题在 远程教育中的反映。网格技术的发展，必然会像其它新技术一样，渗透到教育应 用中。而现代教育技术，实际上是以计算机网络和多媒体技术为代表，可以预计， 将来的远程教育，会以网格为代表网格与教育，已经密不可分，网格在远程教 育中的应用研究，其重要性是不言而喻的。 第l 章研究概述 1 2 2 研究的价值 网格作为下一代互联网，将极大地改变人们的生活方式，学习方式，并对全 球的经济产生巨人的推动作用。而现代教育技术已经十分依赖计算机和网络，可 以设想，随着互联网向网格的过渡，现代教育、远程教学也将逐渐与网格密不可 分。因此，研究网格环境下的远程教育不但具有理论上的价值，而且是非常具有 实际价值。 分散孤立的远程教育系统已经成为阻碍远程教育系统快速发展的一个因素， 随着我国教育科研网带宽的不断提高，校内各服务站点的数据以及应用程序共 享、校际间的远程教育合作，也越来越受到人们的关注。怎么样消除信息孤岛， 使各信息站点能够共享资源( 各类资源) ，使得教育站点之间能够优势互补，避 免重复开发，节省开发教育资源和应用系统的人力和财力，是摆在人们面前的重 要课题。尽管网络计算技术发展迅猛，但在i n t e r n e t 上还无法实现资源的“广 泛共享、有效聚合、充分释放”，而网格的一个很重要的特征就是能够最大限度 的信息共享。 对于提供教育资源的计算机服务器来讲，其能力总是有限的，而从网格的概 念来讲，整个网络可以看成是一台虚拟的超级计算机。用户只需要通过网格门户， 就可以透明地访问整个网络上的资源。这种模式突破了以往强加于网络资源之上 的种种限制。使人们可以以种全新的更自由更方便的方式使用网络资源。网格 可以提供强大的教育资源服务能力。 第2 章网格韵基本概念 2 1 网格基础 第2 章网格的基本概念 本节通过介绍网格的基本概念、分类、目的以及最主要的特征，从而建奇： 个宏观的整体认识。为此，本章从网格的概念、需求、网格的目的和意义以及网 格的特点这几个方面进行论述。 2 1 1 网格的概念 1 网格的定义 什么是网格? 网格就是一个集成的计算与资源环境，或者说是一个计算资源 池，它是把地理位置上分散的资源集成起来的一种基础设施，它能够充分吸纳各 种计算资源，并将它们转化成一种随处可得的、可靠的、标准的同时还是经济的 计算能力。分布式资源和通信网络是网格的物理基础。除了各种类型的计算机， 这里的计算资源还包括网络通讯能力、数据资料、仪器设备甚至是入等各种相关 的资源。 什么是网格计算? 基于网格的问题求解就是网格计算。这样定义网格和 网格计算，其实是相对抽象的，而且是广义的定义，其实网格计算还有狭义 的定义。狭义网格定义中的网格资源主要是指分布的计算机资源，而网格计 算就是指将分布的计算机组织起来协同解决复杂的科学与t 程计算问题。狭 义的网格一般被称为计算网格，即主要用于解决科学与工程计算问题的网 格。 网格是借鉴电力网的概念提出来的，网格的最终目的是希望用户在使用 网格计算能力时，就如同现在使用电力一样方便。 2 网格的要求 对于网格能提供各种计算能力，我们对它有什么样的要求呢? 我们对它有四 个基本的要求，这是任何网格计算都必须有的要求，分别是：可靠性要求、标准 化要求、易访问要求和价格低廉的要求。网格的可靠性是指网格提供的计算能力 必须保证是持续、稳定和安全的，不应该因为网格内部个别资源的变化而对网格 应用造成影响，即网格内部局部资源的变动对网格应用应该是透明的。网格的标 准化一方面是指网格资源之间应该有一个同意的可以相互访问的接口或者协议 标准，另一方面是指网格对用户提供的计算能力应该满足一定的标准，有一种比 第2 章网格的基本概念 较统一的形式，从而便于以一种统一的方式进行访问。网格的易访问性是指用户 可以在任何时间、任何地点，以自己习惯的统一的形式访问和使用各种网格资源。 最后个要求就是网格费用的低廉性，它是网格网格能够被普遍接受和推广的前 提。不管网格有多少有点，如果大多数的使用者无法承受其费用，网格就不可能 被普及，它的各种有事也就根本无法得到体现。 3 网格的意义 网格概念的提出，从根本上改变了人们对“计算”的看法，因为网格提供的 是与以往根本不同的计算方式。网格概念的核心就是突破了以往强加在计算资源 之上的种种限制，使人们可以以一种全新的、更自由、更方便的方式使用计算资 源，解决更复杂的问题。网格，首先是突破了计算能力大小的限制，其次突破了 地理位置的限制，最后也是非常重要的一点就是网格打破了传统的共享和协作方 面的限制。以前对资源的共享往往停留在数据文件传输的层次，而网格资源的共 亭允许直接控制其他资源，而且共享资源的各方在协作时可以以多种方式更广泛 地交流信息，充分利用刚格提供的各种功能。 2 1 2 网格需求 i 计算的重要性 “计”与理论和试验并列，已经成为第三种重要的科学研究方式。并且计算 将理论和试验连接起来，成为二者之间的桥梁。目前大量问题的解决，只有网格 提供的能力才可以满足要求，例如：许多问题根本无法给出解析解，但是通过计 算机模拟，就可以得到比较可靠的近似解，而且还可以把误差控制在一定的范围 之内。 2 问鼯的需求 随着人们求解问题领域的不断拓展，所遇到的问题也越来越复杂，而且规模 也越来越大，解决这些问题所需要的计算能力也在大幅度提高。比如：基因组研 究、天文学、医学、晶体学等研究中，都需要超大规模的计算和数据分析能力。 在这些新问题的求解过程中，局部的计算资源是无法满足这样的需求的，因此必 须使用广大的分布式资源，将它们集中起来协同解决问题。因此，网格这种以更 大范围的资源共享为目的的计算方式的出现就具有一定的必然性。 3 网格的应用领域 网格的应用领域包括：分布式超级计算、高吞吐率计算、数据密集型计算、 基于广泛信息共享的人与人交互、更广泛的资源贸易。 2 1 3 网格特点 第2 章网格的基本概念 1 分布与共享 分布性是网格的一个最主要的特点。网格的分布性首先是指网格的资源是分 布的，组成网格的计算能力不同的计算机，各种类型的数据库乃至电子图书馆， 以及其他的各种设备与资源，是分布在地理位置互不相同的多个地方而不是集 中在一起的。分布的网格一般涉及的资源类型复杂，规模较人，跨越的地理范围 较广。 网格资源虽然是分布的，但是它们却是可以充分共享的。即网格上的任何资 源都口j 以提供给网格上的任何使用者。共享是网格的目的，没有共享便没有网格， 解决分布资源的共享问题是网格的核心内容。分布是网格硬件在物理上的特征， 而共享是在网格软件支持下实现的逻辑上的特征，这两者对于网格来说都是十分 重要的。 2 自相似性 网格的局部和整体之间存在着一定的相似性，局部往往在许多地方具有全局 的某些特征，而全局的特征在局部也有一定的体现。 3 动态性与多样性 对于网格来说，绝不能假设它是一成不变的。网格的动态性包括动态增加和 动态减少两个方面的含义。网格资源是异构和多样的。在网格环境中可以有不同 体系结构的计算机系统和类型不同的资源，因此网格系统必须能够解决这些不同 结构、不同类型资源之间的通讯和互操作问题。 4 自治性与管理的多重性 网格上的资源，首先是属于某一个组织或者个人的，因此网格资源的拥有者对该资源具 有最高级别的管理权限，网格应该允许资源拥有者对他的资源有自主的管理能力，这就是网 格的自治性。但是网格资源也必须接受网格的统一管理，否则不同的资源就无法建立相且之 问的联系，无法实现共享和互操作，无法作为一个整体为更多的用户提供方便的服务。因此 网格的管理具有多重性，一方面它允许网格资源的拥有者对网格资源其有自主性的管理另 一方面又要求网格资源必须接受网格犬环境的统一管理。 2 2 网格安全基础设施 2 2 1分布式安全技术和网格计算的安全需求 t c p i p 协议群在网际且联网中的广泛使用，导致了由主机和网络组成的全球网际互联系 统，即i n t e r n e t 。今天。一个与i n t e m e t 相连的信息网络正面临着来自多方面的安全威胁：( i ) 技术缺陷复杂信息系统中的任一部分发生问题都会危及整个系统的安全。( 2 ) 外界入侵这 包括无组织或自发的入侵活动，即黑客和病毒的入侵，也包括有组织或者敌意的入侵活动， 9 第2 章网格的基本概念 即信息战。( 3 ) 内部泄密 内部人员有意无意地外泻机密信息也是需要防范地问题。从本质 上讲i n t e r n e t 的安全保障一般提供下面两方面的安全服务：( 1 ) 访问控制服务，用来保护 各种资源不被非授权使用；( 2 ) 通信安全服务，用来提供认证、数据保密性与完整性和各通 信端的不可否认性服务。但是这两方面的安全服务不能完全解决网格计算环境中的安全需 求。为了保证网格计算环境的安全，我们主要：( 1 ) 支持在网格计算环境中卡体 之间的安全通讯，防止主体假冒和数据泄密；( 2 ) 克服不能采用集中管理的安全 系统问题：( 3 ) 支持网格计算环境中用户的单点登录，包括跨多个资源和地点的 信任委托和信任转移等。 2 2 2 简单网格安全架构 图2 1 简单网格安全架构示意图 上图描述了网格安全架构的一个概貌，我们来描述了一下它的几个组成部分： 实体、证书、协议。粗线代表了下面将要讲解的协议，上图中把用户和图形其他 部分分开的蓝曲线表示一旦用户代理创建后，用户随时可能和系统失去联系。进 程之间的虚线表示进程间通讯也需要互相鉴别( 由相同的用户代理资源代理创 建的进程除外) 。一个计算过程包含许多进程，而每一个进程都代表一个用户。 在计算环境中的主体包括用户( 确切的说应该是用户代理) 和进程，客体必须包 含网格环境中所有可得到的资源：计算机、数据仓库、网络、显示设备、精密仪 器等等。 1 0 第2 章网格的基本概念 网格计算在需要解决问题的时候动态请求资源，在不冉需要的时候动态撤销资 源。每一次个计算都代表一个特定的用户获得资源。然而，为了认证的需要让 用户直接和每个资源接触是不切实际的：涉及的资源数量可能很大，或者因为一 些应用需要运行更长一段时间( 如：几天或者几个星期) ，用户希望一旦计算过 程启动就不再需要用户的介入来完成仟务。由此我们引入了代表用户而又不需要 用户介入的用户代理的概念。 用户代理创建协议，用户代理就是在一个有限时间内代表用户行使一定权限的 个进程。实际上，用户代理是一个由用户肩动并且在主