（管理科学与工程专业论文）基于网格的农业科研仪器设备共享方法研究.pdf

摘要 我国农业领域的各研究单位在长期的科研活动中购置了很多农业科研仪器设备，但是其利用 率和共享率都不高，使得其他科研单位进行重复性的仪器购置和科研工作，造成了人力、物力和 财力的浪费，而且大大延缓了农业科学研究的速度。如何实现农业科研仪器设备的有效共享，如 何保证可靠及时的服务，如何实现农业仪器设备的远程操作等等都应该进行研究。 农业科研仪器设备共享利用信息技术为一定范围内的仪器设备提供共享平台，其技术特点是 数字化、网络化、智能化和多媒体化，其基本特征是开放、共享、交互、协作。而网格技术正好 可以提供这样的环境，使各种设备资源可以达到开放、共享、交互和协作，并且网格技术也是从 此角度出发来解决实际问题的，所以网格技术可以为农业科研仪器设备共享提供新的技术途径。 本文正是从这个角度出发来展开如何利用网格技术实现农业科研仪器设备共享的方法研究。 本文首先阐述研究背景，并分析和研究了国内外的仪器设备共享现状，说明对农业科研仪器 设备共享方法的研究意义；然后分析和研究了网格的基础理论和当前两种网格体系结构，深入分 析o g s a 开放网格服务体系结构和网格服务，研究o g s a 的关键技术w e bs e r v i c e 和g l o b u s t o o k i t ， 并对g t 4 进行了研究；接下来分析国内外仪器设备共享的特点与相关技术，结合o g s a 的优势， 提出农业科研仪器共享体系结构a s a o ，该体系结构有四层，即应用层、中间层、服务层和资源 层，应用层包括所有参与的应用程序，中间层包括g tc o r e 、网格服务接口和网格服务管理与发 现，服务层包括资源层的仪器g r i ds e r v i c e 、运行和管理每个网格服务容器，资源层包括各种农业 仪器设备资源及其设备模型库、仪器设各的基本信息、仪器设备的动态信息，并在此基础上研究 共享实施方法，如何封装农业科研仪器设备资源，如何注册网格服务，如何发现网格服务，如何 调用网格服务；最后设计和实现a s a o 的原型系统，以x s p 5 c 电脑显微镜作为设备资源，研究 如何实现网格服务的创建、部署、发现和调用。对系统进行总体设计，提出总体设计目标，并对 网格节点设计和网格主节点设计进行阐述；介绍系统的实现，包括系统开发环境的配置，网格节 点开发的实现步骤和开发与实现网格主节点；详细说明系统的运行流程，并用示例验证该系统， 从而验证农业科研仪器设备共享体系结构a s a o 与共享实施方法的有效性和可行性。 关键词：设备网格，农业科研仪器，设备共享，共享方法 a b s t r a c t m a n yr e s e a r c hd e p a r t m e n t si na g r i c u l t u r ed o m a i np u r c h a s eal o to fa g r i c u l t u r a ls c i e n t i f i cr e s e a r c h a p p a r a t u si nt h ep a s tl o n g t e r mr &da c t i v i t i e s b u tt h eu t i l i z a t i o na n ds h a r i n gr a t eo ft h ea p p a r a t u si s n o th i g h a sar e s u l t ，o t h e rr e s e a r c hd e p a r t m e n t sr e p e t i t i v e l yp u r c h a s et h ea p p a r a t u sf o rs c i e n t i f i c r e s e a r c h ，w h i c hw a s t e sal o to fh u m a n ，m a t e r i a la n df i n a n c i a lr e s o u r c e sa n dg r e a t l ys l o w st h ep a c eo f a g r i c u l t u r a ls c i e n t i f i cr e s e a r c h s oi ts h o u l db es t u d i e do nh o wt oi m p o v et h es h a r i n go fa g r i c u l t u r a l a p p a r a t u s ，h o wt oe n s u r ea g r i c u l t u r a la p p a r a t u sr e l i a b l ea n dt i m e l ys e r v i c e s ，h o wt og e tl o n g r a n g e a g r i c u l t u r a la p p a r a t u so p e r a t i o n sa n ds oo n t h ea g 订c u l t u r a ls c i e n t i f i cr e s e a r c ha p p a r a t u ss h a r i n gp r o v i d e sac e r t a i nr a n g eo fa p p a r a t u ss h a r i n g p l a t f o r mb yu s i n gi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e s t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so fp l a t f o r ma r eo p e n i n g ，s h a r i n g 。 i n t e r a c t i v ea n dc o o p e r a t i o na n dt h et e c h n i q u e sa r er e l a t e dw i t hd i g i t a l ，n e t w o r k ，i n t e u i g e n ta n d m u l t i - m e d i a t h e 鲥dc a l lp r o v i d ej u s ts u c ha ne n v i r o n m e n t ，i nw h i c ha l la p p a r a t u sr e s o u r c e sc a l lb e o p e n i n g ，s h a r i n g ，i n t e r a c t i v ea n dc o l l a b o r a t i v et os o l v i n gt h ea b o v ep r o b l e m s s ot h eg r i dt e c h n o l o g y m a yb eu s e df o rt h es h a r i n go fa g r i c u l t u r a lr e s e a r c ha p p a r a t u s t h i sp a p e rt r i e st of i n dam e t h o dw h i c h c a np r o v i d eas e r i a lo ft h et e c h o n o l g i e st om a k et h ea g r i c u l t u r a lr e s e a r c ha p p a t a t u sb es h a r e dt h r o u g ht h e g r i dt e c h n o l o g y t h i sp a p e rf i r s t l yd e s c r i b e st h eb a c k g r o u n do fr e s e a r c h ，a n da n a l y s e sa n dr e s e a r c h e st h es t a t eo f a i to ft h ed o m e s t i ca n df o r e i g na p p a r a t u ss h a r i n gr e s e a r c h s e c o n d l y i ta n a l y s e st h eg r i da n di t s a r c h i t e c t u r e ，a n dm a k e saf u r t h e rs t u d yo no p e ng r i ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r ea n d 鲥ds e r v i c e s i ta l s o r e s e a r c h e st h ek e yt e c h n i q u e so ft h eo g s a ，s u c ha sw e bs e r v i c ea n dg l o b u st o o l k i t ，a n dt h et o o l k i to f o g s a ，g t 4 t h i r d l y ，i tp r o p o s e sas h a r i n ga r c h i t e c t u r e ，a g r i c u l t u r a ls c i e n t i f i cr e s e a r c ha p p a r a t u s b a s e do no g s a ( a s a o ) ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fa p p a r a t u ss h a r i n ga n dr e l a t e dt e c h n i q u e s w i t ht h ea d v a n t a g e so fo g s a t h ea s a oh a sf o u rt i e r si n c l u d i n ga p p l i c a t i o nt i e r ，m i d d l et i e r ，s e r v i c e a n dr e s o u r c et i e r b a s e do nt h ea s a o ，t h ep a p e rs t u d i e st h es h a r i n gm e t h o d s ，i n c l u d i n gh o wt op a c k a g e t h ea g r i c u l t u r a ls c i e n t i f i cr e s e a r c ha p p a r a t u sr e s o u r c e s ，h o wt or e g i s t e rg r i ds e r v i c e s ，h o wt od i s c o v e r y g r i ds e r v i c ea n dh o wt oc a l lg r i ds e r v i c e s l a s t l y 。i td e s i g n e sa n dr e a l i z e st h es y s t e mp r o t o t y p eo fa s a o ， u s i n gx s p 5 cc o m p u t e rm i c r o s c o p ea sa na p p a r a t u sr e s o u r c e ，a n dt h e ns t u d i e so f fh o wt oc r e a t e ，d e p l o y , d i s c o v e ra n dc a l lg r i ds e r v i c e s i tp r o p o s e st h es y s t e m so v e r a l lv i e wa n dd e s i g n e st h eg r i dn o d e sa n d g r i dm a s t e r n o d e i td e s c r i b e st h ei m p l e m e n to ft h es y s t e m , i n c l u d i n gt h ea l l o c a t i o no fs y s t e m d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，t h ed e v e l o p m e n to fg r i dn o d e ，t h ed e v e l o p m e n ta n di m p l e m e n to fg r i d m a s t e rn o d e i td e t a i l st h ep r o c e s so ft h ep r o t o t y p es y s t e ma n du s e sa ne x a m p l et ov a l i dt h es y s t e m , w h i c hp r o v e st h a tt h ea g r i c u l t u r a ls c i e n t i f i cr e s e a r c ha p p a r a t u ss h a r i n ga r c h i t e c t u r ea n dt h es h a r i n g m e t h o d sa r ee f f e c t i v ea n df e a s i b l e k e yw o r d ：d e v i c eg r i d ，a g r i c u l t u r a lr e s e a r c ha p p a r a t u s ，d e v i c es h a r i n g ，s h a r i n gm e t h o d 英文缩略表 英文缩写英文全称中文名称 a p i a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e s应用程序接口 a s a o a g r i c u l t r u a l s & r a p p a r a t u ss h a r i n g农业科研仪器设备共享体 a r c h i t e c t u f eb a s e do no g s a 系结构 g a rg l o b u sa r e h i v e 网格服务文件 g a s sg l o b a la c c e s st os e c o n d a r ys t o r a g e 全局二级存储服务 g g g g r e a tg l o b a lg r i d 巨大全球网格 g r a mg l o b u sr e s o u r c ea l l o c a t i o nm a n a g e r 网格资源分配与管理 g r i d f t pg r i df i l et r a n s f e rp r o t o c o l 网格f t p 服务 g t 4g l o b u st 0 0 i k i t4 g l o b u s 工具包版本4 j d b cj a v ad a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ) j a v a 数据库连接 j n d ij a v an a m ea n dd i r e c t o r yi n t e r f a c e j a v a 命名和目录接口 l d a p l i g h t w e i g h td i r e c t o r ya c c e s sp r o t o c o l轻量目录访问协议 m d s m e t a c o m p u t i n gd i r e c t o r ys e r v i c e元计算目录服务 n g in e x tg e n e r a t i o ni n t e r n e t 下一代因特网 o g s a o p e ng r i ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e 开放网格服务体系结构 o g s i o p e ng r i ds e r v i c e si n f r a s t r u c t u r e开放网格服务基础设施 r m ir e m o t em e t h o di n v o k e 远程方法调用 s d k s o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t s 软件开发工具包 s o as e r v i c e0 r i e n t e da r c h i t e c t u r e 面向服务的体系结构 s o a p s i m p l eo b j e c ta c c e s sp r o t o c o l简单对象访问协议 u d d i u n i v e r s a ld e s c r i p t i o n ，d is c o v e r ya n di n t e g r a t i o n 统一描述发现与集成 u r iu n i f o r mr e s o u t e ei d e n t i f i e r 统一资源标识 w s d dw e bs e r v i c ed e p l o y m e n td e s c r i p t i o n 网络服务部署描述 w s d lw e bs e r v i c ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e 网络服务描述语言 w s r fw e bs e r v i c er e s o u r c ef r a m e w o r k 网络服务资源框架 x m l e x t e n s i b l em a r k u p l a n g u a g e 可扩展标识语言 v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业科学院或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生虢镧日稻 帆瓣歹月彳日 关于论文使用授权的声明 本人完全了解中国农业科学院有关保留、使用学位论文的规定，即：中国农 业科学院有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业科学院可以用 不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 做作者签名胡同福帆矽莎年 导师签名： 姨闻；勺沙舅辱 多月 多月 日 日 平争 中国农业科学院硕f j 学位论文第1 章绪论 詈曼曼曼曼曼曼曼曼鲁曼量曼量舅曼皇量鼍曼皇皇鼍曼曼寡皇曼皇鼍i i i i l l i i i i ii i 量曼量曼量曼曼舅量量曼量曼皇鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 第一章绪论 1 1 论文研究背景 在科技创新成为社会经济发展主要推动力的今天，以生物技术、信息技术为代表的高新技术 在农业上的广泛应用，彻底改变了传统农业小规模生产经营方式，促使世界农业由“资源依存型” 向“科技依存型”、“信息依存型”转变。这种形势对资源依存型为主要发展模式的我国农业来说， 显得尤为重要。它不仅预示着巨大的机遇，更预示着巨大的挑战，单靠任何小的、单一的力量是 不能完成这种重大的任务，需要国家集中力量进行科技攻关。 随着现代科学技术的高速发展，强化科研、开展创新成为各行各业谋求发展的共识，科研仪 器设备的投资迅速增长，现代科研工作对科技装备的依赖性更为突出。对农业科研机构来讲，仪 器设备更是农业科技工作者的生产工具，在一定程度上影响和决定农业科学研究的深度和进展； 实验手段的质量和水平影响和决定农业科学实验规模与科研成果的转化。 我国有较为丰富的农业科研仪器资源。到2 0 0 1 年底，全国农业科研机构科研仪器设备总值 为1 1 8 亿元，其中进口设备5 1 亿元，占设备总值的4 3 2 5 。尤其近几年来，全国共投资5 5 亿 元购买农业科研仪器设备( 不包括农业大学、中科院系统) 。但是，我国的科学仪器设备利用率 只有2 5 ，而发达国家的设备利用率则达到1 7 0 至2 0 0 。据有关部门估计，约有数亿元的农 业科研仪器设备投资没有发挥应有效益。主要原因是科研资源信息不畅，受物理距离限制，出现 了一边仪器设备闲置，另一边缺少必要仪器设备的状况。即使有些科研小组能够通过渠道使用上 这些仪器，也需要千里迢迢从一个地方赶往另一个地方，费时、费力。另外，科学技术发展日新 月异，专业分工越来越细，一个单位越来越难于独立承担较大的研究开发项目，人们也越来越需 要一个异地协同研究与开发的仪器资源共享和协作环境。 我国农业领域的各研究单位在长期的科研活动中购置了很多农业科研仪器设备，但是其利用 率和共享率都不高，使得其他科研单位进行重复性的仪器购置和科研工作，造成了人力、物力和 财力的浪费，而且大大延缓了农业科学研究的速度。如何实现农业科研仪器设备的有效共享，如 何保证可靠及时的服务，如何实现农业仪器设备的远程操作等等都应该进行研究。 农业仪器设备共享是利用信息技术为一定范围内的仪器设备提供共享平台，在此平台上各种 仪器设备可以自由地进入或退出，利用平台的管理功能实现各种农业科研仪器设备的共享；其特 点是数字化、网络化、智能化和多媒体化，其基本特征是开放、共享、交互、协作( 陈昕，2 0 0 5 ) 。 农业科研仪器设备需要提高其利用率，减少财力、物力和人力成本；需要实现其互联互通和 互操作，增强其能力更好地为农业科研服务；要达到这些必须实现农业科研仪器设备共享。针对 这种需求，本论文展开农业科研仪器设备共享的方法研究，为农业科研仪器设备共享提供一种解 决途径。 中同农业科学院硕i j 学位论文 第一章绪论 1 2 立题依据 1 2 1 课题研究的必需性和紧迫性 我国农业领域的各研究单位在长期的科研活动中购置了很多农业科研仪器设备，但是其利用 率和共享率都不高，使得其他科研单位进行重复性的仪器购置和科研工作，造成了人力、物力和 财力的浪费，而且大大延缓了农业科学研究的速度。如何实现农业科研仪器设备的有效共享，如 何保证可靠及时的服务，如何实现农业仪器设备的远程操作等都必须进行研究，以提高农业科研 仪器设备的利用率和减少人力、物力与财力成本。由此可见研究农业科研仪器设备共享是必需和 紧迫的。 1 2 2 支撑信息技术网格 网格技术是近年来国际上兴起的一种重要信息技术，它的目标是实现网络虚拟环境上的高性 能资源共享和协同工作，消除信息孤岛和资源孤岛。其产生主要有以下几个方面的原因： 1 资源的广域分布。随着人们求解问题难度的增加，局部的资源已经无法满足需求。与此 同时，世界范围内却有大量的可以利用的资源没有得到有效的利用。随着需求的逐步提高，这一 矛盾也越来越突出，越来越明显，如何解决这一矛盾变得非常紧迫( 都志辉，2 0 0 2 ) 。 2 广域互联技术的发展。互联网技术的迅速发展，网络带宽的极大提高，为跨地域的资源 共享提供了基础和前提。正如g e o r g eg i l d e r 所说的那样，当外部网络的速度和计算机内部网络的 速度一样时，分布在网络上的计算机将形成一种具有特定目的的联盟。 3 广域范围内资源共享的需求。随着人们求解问题领域的不断拓展，所遇到的问题越来越 复杂，规模也越来越大，解决这些问题所需要的计算能力也越来越高。现有的计算资源根本无法 满足这样的需要，因此必须考虑使用广大的分布式闲置计算资源，将它们集中起来协同解决问题。 网格的发展大约经历了三个阶段，第一阶段是萌芽阶段，开始于9 0 年代早期，研究内容是 关于千兆网试验床以及一些元计算方面的工作；第二阶段是些早期的试验，时间大概从9 0 年 代中期到晚期，出现了一些比较重要的开创性和奠基性的研究项目，比如i - w a y , g l o b u s ，l e g i o n 等；目前是网格的迅速发展阶段，网格的研究和应用项目大量出现，同时网格计算也不再局限于 科学研究领域，工业界与学术界联盟，正致力于使网格计算在更广泛的领域得到推广和应用。 网格的核心就是突破以往强加于计算资源之上的种种限制，使用户可以以一种全新的，更自 由，更方便的方式使用各种资源，解决更复杂的问题( 肖连兵等，2 0 0 2 ) 。总的看来，网格在以 下几个方面体现了重大的意义： 1 突破了计算能力的限制； 以前大部分的用户往往得不到足够的计算能力，许多问题的解决是不能够通过计算或不能够 完全通过计算来实现的，因此只好通过对模型以及算法的化简来取得近似效果。而网格所提供的 计算能力要远远超过我们所能想象的程度，对于大多数用户来说，网格提供给他们的计算能力足 以满足其计算需求，在这种计算能力的支持下，人们可以做很多以前无法想象和无法完成的工作。 2 审凋农谴科擘巯硕| ：学德沧交 第一章绻沦 2 格突破了地理位置的限制； 计算资源是分布在各处的，有些资源是稀缺或不可复制的，有些甚至是无法和特定的地理位 鼹分开的，因此要使用这些资源，在以前酶情况下必须到特定的位置去，这在缀大糕度上限制了 赘源的使用率。而网格把“到资源所在地”对资源进行使用的限制打破了，使用资源与使用者的 地理位置以及资源的所在位置无关。突破了资源黪位置限截，是阙格具番突出意义髓功髓之一。 3 格打破了传统的共享或协作方面的限制； 以前对资源的共攀往往停鼹在数据文件传输的层次，而网格资源的共事允许直接使用或控制 其他资源，两且共享瓷源的各方在协作时可以以多稀方式更广泛地交流信息，充分利用隧格提供 的各种功能。比如为了分析农业气象灾害预警问题，可以通过网格将各个领域的专家、各种大型 专业数据摩、大型计算设备、各种模型疼翱算法库等结合起来，协同研究这一问题。婀格使 ! 譬共 享与协作的方式和方法更加广泛了，而且为这种合作提供了各种控制策略和手段，可以根据需要， 动态地与不同的组织或个人建立各种级别的工作关系。 4 。格技术成果其有商业应爝价值。 对网格计算技术进行深入而广泛的探索，在应用价值方面也有非常熏要的意义。网格研究的 棚应成果具骞最终转化为巨大商业价值的潜力，可以极大地提麓资源利用率，鳃决谗多以现有技 术无法解决的问题或无法支持的应用，极人地促进我国农业现代化前进的步伐。 1 。2 。3 网格技术实现农业科研仪器设备共享的可行性 农业科研仪器设备共享利用信息技术为一定范丽内的仪器设备提供共享平台，其技术特点是 数字亿、网络化、智能化和多媒体化，其基本特征是开放、共享、交互、协作。而阏格技术正好 可以提供这样的环境，使各种设备资源可以达到开放、共享、交互和协作，并且网格技术也是从 戴焦度出发来鳃决实际闻题的，历以露格技术可以必农业科研仪器设备共享提供薪麓技术途径。 1 3 论文研究意义 农业科研仪器设备是进行农业科学研究的物质基础和技术手段，是衡量一个科研单位综合研 究能力的重要标志。农照辩磷仪器设备是人们谈识农侔物酶组成、结构、形态、揭示英变纯规律， 判别其物质特征的有效手段，是农业科研成果质量水平的重要保证( 刘艳斌，2 0 0 3 ) 。 实现农业科研仪器设备资源共享，可以充分发挥农业科研仪器设备在教学、科研和社会服务 中的重要佟用，挖掘现有仪器资源潜力，减少和避免由于大型仪器重复购置可能造成的浪费，有 效缓解经费短缺与相当一部分大型精密仪器利用率低下的矛盾。农业仪器设备共享不受时间、地 域瓣疆麓，用户可以根据实际馕况确定实验内容帮安排实验进度，麸面可以最大限度的满足用户 的不同需要，同时为多部门、多行业、多单位、多研究单位的异地协同研究与开发提供一个良好 的嘲络资源共享环境。 基于网格的农业科研仪器设备共享方法研究目的是实现仪器设备共享，提高农业科研仪器设 备的利用率；能够突破各个行政独立的单位或部门，实现仪器设备共享和实验数据共享，加强合 3 中罔农q p 科学院硕f ：学位论文 第章绪论 作与协作，提高农业科研水平；增强与社会企业或单位的联系，使资源所有者与资源需求者产生 互动服务，获得农业科研仪器设备的使用效益和经济效益。 1 4 国内外仪器设备共享研究现状 国外发达国家从上世纪8 0 年代，已经投入巨大的人力、物力和财力在仪器共享的研究上。 研究的领域已经扩展到海洋学、物理学、分子生物学、化学、核科学以及医学各个领域，正在变 得越来越广泛。 仪器资源共享的应用研究可分为集中式仪器系统的共享和分布式仪器系统共享两类。前者主 要围绕地域位置较为集中式的仪器资源进行，根据仪器资源的特点以及网络化共享的需求进行专 门的设计和开发，研发的系统针对性强，功能较为完善，性能也较高；分布式仪器系统的共享要 涉及到分布式计算技术。所谓分布式计算技术通常是指在网络计算系统上开发、部署、管理和维 护以资源共享和协同工作为主要应用目标的分布式应用系统。 随着w e b 服务、对等计算、网格计算等技术的出现，极大促进了分布式仪器资源的共享应 用。其中，尤其以网格计算技术对仪器共享技术的影响最为深远。网格计算是随广域互连技术的 发展和广域范围内分布计算资源共享的需求而产生。它产主的初期主要集中在高性能科学计算领 域，是为了解决在动态的、异构的虚拟组织间实现协同的资源共享和复杂问题求解。网格将分布 在不同地理位置的计算资源包括c p u 、存储器、数据库等，通过高速的互联网组成充分共享的资 源组合，从而提供一种高性能计算、管理及服务的资源能力。 1 4 1 国外仪器设备共享研究现状 仪器资源的远程共享技术的研究，国际上始于2 0 世纪8 0 年代末。麻省理工学院的w e b l a b 是一个在线实验室，于1 9 8 8 年开发投入使用；9 0 年代，美国政府投入巨大财力在海洋学、天体 物理学、分子生物学以及核科学四大领域建造了各自的远程实验室作为示范工程，开展了一系列 探索性研究并取得了实质性进展。同时在美国各个高校也在进行着远程实验室的研究，代表性的 成果有：美国斯坦福大学的远程光学实验室。学生可以远程登陆该光学实验室做实验，实验室向 用户提供监听和控制功能，及实验室的日程安排，参考资料和分析工具，利用n i i m a q 软件工 具和n ip c i 1 4 0 8 图像采集卡还可以植入动态图像；美国伊利诺伊大学的n m r s c o p e 系统，通过 i n t e m e t 研究人员在任何地方都能使用伊利诺伊大学的仪器，只要向该学校递交一个样品，经授 权后就可以与服务器联机，然后自行填写设置仪器参数和功能清单，点击屏幕上的按钮就可以进 行实验，生成的图像会被传回到研究人员的计算机屏幕上；加拿大达尔豪西大学的远程激光实验 室系统工程学和自然科学的学生能随时随地登陆虚拟的激光实验室做十个激光实验等。 国际上真正开展仪器共享的研究始于近些年，美国于2 0 0 0 年开始了第一个基于网格的仪器 共享协作平台项目x p o r t 。该项目是由美国能源部d o e ( d e p a r t m e n to fe n e r g y ) 下一代因特网 n g i ( n e x tg e n e r a t i o ni n t e r n e t ) 试验床计划资助，由印第安纳州大学、a r g o n n e 国家实验室 a n l ( a r g o n n en a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 和劳伦斯市伯克利国家实验室了l b l ( l a w r e n e eb e r k e l e y 4 中同农、i k 科学院硕 学化论文 第一章绪论 n a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 共同完成的x p o r t ( x 射线设备的科学门户) 项目，建立个基于n g i 和g l o b u s 的x p o r t 平台。该平台将a n l 的先进光子源a p s 和l b l 的先进光源a l s ( a d v a n c e dl i g h t s o u r c e ) ，以及印第安纳州大学的分子结构中心m s c ( m o l e c u l a rs t r u c t u r ec e n t e r ) 共享实现远程的巨 型分子结构的协同分析和设计。 1 4 2 国内仪器设备共享研究现状 国内仪器设备共享的研究也是大部分集中在远程实验室方面。国内远程实验室的组建，目前 从网上可查到的信息和各院校开放的对外服务看，清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测 系统；四川联合大学的“航空电台二线综合测试平台”；华中科技大学机械学院建立了一个工程 测试网上实验室，创建了一个免费网上测试技术，故障诊断技术，学习交流的网站。 在远程实验室的基础上，国内高校也纷纷投入人力、物力来研究仪器共享。近年来北京大学、 复旦大学，南京大学、厦门大学、上海交通大学、西安交通大学、浙江大学等“2 1 1 ”重点高校 纷纷投入大量的人力、物力开展仪器共享的研究工作，都本着“资源共享，信息先行”的原则， 建立一批仪器共享与协作网，使科技资源需求方通过上网享受流动的信息资源，极大的方便了科 研人员。如北京大学已在“九五”、“2 1 l 工程”期间建成了己在c e r n 网上运行的“贵重仪器设 备共享信息系统”，它提供了一个大型贵重仪器共享数据库，具有网上查询，网上登记预约等功 能( 宋智礼等，2 0 0 4 ) 。 从上文可以看出，国内外的许多研究机构和组织都把仪器资源的共享作为一个重要内容来研 究，但是这些研究都基本上还是解决仪器资源的局部共享。很少从全局的角度来考虑。也就是说， 仪器资源的共享都是基于静态的配置建立起来的，缺乏灵活性；其共享只是局限在某一机构或者 单位之内，不能跨越不同的地理位置的限制。而国内兴起的仪器共享与协作网更只是一个仪器信 息资源的的共享，而非对仪器实物资源的共享，不能实现对仪器资源的直接访问。 1 5 论文研究内容和结构 本文主要是利用网格技术对农业科研仪器设备共享方法进行研究和探讨，以期通过高新技术 提高农业科研仪器设备共享程度，主要研究内容如下： 1 述本论文的研究背景，给出了立题依据，研究国内外的仪器设备共享现状，并说明了对 农业科研仪器设备共享方法的研究意义。 2 网格基础理论，并对其进行分析和研究，研究当前两种网格体系结构，并深入分析o g s a 开放网格服务体系结构和网格服务，研究o g s a 的关键技术w e bs e r v i c e 和g l o b u st o o k i t ，并对 g t 4 进行了研究和分析。 3 析国内外仪器设备共享的特点与相关技术，结合o g s a 的优势，提出一种农业科研仪器 共享体系结构a s a o ，在此基础上对共享实施方法进行了详细的研究。 4 计和实现a s a o 的原型系统，以x s p 5 c 电脑显微镜作为设备资源，研究如何实现网格服 务的创建、部署、发现和调用，并开发示例运行原型系统。 5 中用农q p 科学院硕士学位论文第一章绪论 全文分为6 章，每一章内容概括如下： 第一章绪论，主要介绍了论文的研究背景及其立题依据，阐述了课题研究意义，并对国内外 仪器设备共享现状进行了研究，最后给出了本论文的组织结构。 第二章网格与网格体系结构，主要介绍了网格有关的理论基础知识，以及两种比较流行的网 格体系结构五层沙露结构和o g s a 开放网格服务结构，并介绍了o g s a 的运行机制。 第三章仪器共享支撑技术，简要介绍了j a v a 技术，j 2 e e e j b 技术，g l o b u st o o l k i t 技术和 w e bs e r v i c e 技术，并介绍w e bs e r v i c e 的特点、体系结构、模型、协议栈和相关标准与技术。 第四章基于o g s a 的农业科研仪器设备共享，主要是提出了共享系统结构，并描述了其功能 与分析了其性能，并给出了共享的实施方法，包括服务的封装、注册、发现和调用。 第五章a s a o 原型系统的设计与实现，首先阐述了系统总体设计和目标，并对节点进行了设 计，接下来说明了系统的实现，最后描述了系统的运行过程并给出示例验证该原型系统。 第六章结论与展望，总结了本文的工作，指出了其中的不足以及进一步研究的方向。 6 中罔农业科学院硕i j 学位论文第二章网格勺网格体系结构 皇曼量量曼量曼曼曼曼曼量曼曼曼曼皇曼曼曼曼量量量邑曼皇曼曼曼曼量皇舅量量曼毫量皇量量曼量曼量皇曼皇曼鲁曼曼曼曼曼曼鲁曼皇曼曼曼曼m mm m l m 第二章网格与网格体系结构 在“网格”这两个字的背后，到底代表了一种什么样的技术? 网格技术所追求的是一种什么样 的前景和应用效果? 什么是网格? 这些问题，是网格领域研究者需要明确回答的问题，也是目前讨 论得非常热烈的问题。 2 1 网格 2 1 1 网格的概念 什么是网格( g r i d ) ? 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。网格能 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。除了各种类型的计算机，这里的计算资源还包括网络通信能力、数据资料、仪器设备、 甚至是人等各种相关的资源( 肖连兵，2 0 0 2 ) 。 什么是网格计算( g r i dc o m p u t i n g ) 呢? 基于网格的问题求解就是网格计算( 金海等，2 0 0 4 ) 。 这里给出的网格和网格计算的概念是相对抽象的，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工程计算问题。狭义的网格一般被称为计算网格 ( c o m p u t a t i o n a lg r i d ) ，即主要用于解决科学与工程计算问题的网格。 根据求解问题的特点，人们又提出了多种名称的网格，比如以数据密集型问题的处理为核心 数据网格，以解决科学问题为核心的科学网格，以全球地球系统模型问题求解为主要目的的地球 系统网格等等。此外还有地震网格、军事网格，n a s a ( n a t i o n a l a e r o n a u t i c sa n ds p a c e a d m i n i s t r a t i o n ) 的i p g 等行业网格。 那种认为网格就是仅仅通过网络把计算机、人、仪器、数据等连接起来的观点是过时的，它 过分强调了物理的网络和离散的网格资源，而没有将它们作为一个有机的统一整体来看待。另外 一种观点就是把网格看作是中间件系统，这种观点也是不全面的。中间件的确在网格中占有很重 要的地位，但是网格决不仅仅只是中间件。这两种观点都存在一定的片面性，第一种观点是过分 强调网格物理上的资源组成，第二种观点过分强调网格逻辑上的功能，只有将两者结合起来才是 完整的网格系统。物理资源本身和对资源的管理与逻辑上的抽象都是十分重要的，而且两者也是 密不可分的，它们是网格环境的两大核心组成要素( 如图2 1 所示) 。 7 中同农, i k - t - 学院硕f ：学位论文 第一章网格卜了网格休系结构 图2 1 网格资源、网格环境和网格管理三者间的关系 f i g2 - 1t h er e l a t i o n so fg r i dr e s o u r c e s ，e n v i r o n m e n ta n dm a n a g e m e n t 但是关于网格至今还没有一个普遍接受的定义，网格概念的分歧和争议仍然存在。 全球网格研究的领军人物、美国阿岗( a r g o n n e ) 国家实验室的资深科学家、美国g l o b u s 项 目的领导人i a nf o s t e r 曾在1 9 9 8 年出版的网格：2 1 世纪信息技术基础设施的蓝图一书中这样 描述网格：“网格是构筑在互联网上的一组新兴技术，它将高速互联网、高性能计算机、大型数据 库、传感器、远程设备等融为一体，乡科技人员和普通用户提供更多的资源、功能和交互性。互 联网主要为人们提供电任邮件、网页浏览等通信功能，而网格功能则更多更强地，让人们透明地 使用计算、存储等其他资源”。 2 0 0 0 年，i a nf o s t e r 在网格的剖析这篇论文中把网格进一步描述为“在动态变化的多个虚 拟机构间共享资源和协同解决问题”。为了进一步把网格描述清楚，2 0 0 2 年7 月，i a nf o s t e r 在什 么是网格? 判断是否网格的三个标准一文中，限定网格必须同时满足三个条件： 1 非集中控制的环境中协同使用资源； 2 准的、开放的和通用的协议和接口( 1 a nf o s t e r 认为目前只有g l o b u s 才算得上标准协议) ； 3 凡的服务。这三个条件非常严格，像p 2 es u ng r i de n g i n ec o n d o r 、e n t r o p i a 、m u l t i c l u s t e r 等都被排除在网格之外。至此，似乎i a nf o s t e r 已经把他头脑中的网格概念描绘清楚了。 但并不是所有人都同意他的观点，例如，有许多人赞同广义的网格概念，它被称作巨大全球 网格g g g ( g r e a tg l o b a lg r i d ) ，它不仅包括计算网格、数据网格、信息网格、知识网格、商业 网格，还包括一些已有的网络计算模式，例如对等计算p 2 p ( p e e r t op e e r ) 、寄生计算等。可以这 样认为，i a nf o s t e r 赞成狭义的“网格观”，而g g g 是一种广义的“网格观”。 不管是狭义还是广义的网格，其目的不外乎是要利用互联网把分散在不同地理位置的电脑组 织成一台“虚拟的超级计算机”，实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、软件资源、存 储资源、通信资源、知识资源、专家资源等的全面共享。其中每一台参与的计算机就是一个节点， 就像摆放在围棋棋盘上的棋子一样，而棋盘上纵横交错的线条对应于现实