（教育技术学专业论文）基于ogsa的教育资源共享研究.pdf

摘要 摘要 现代远程教育的快速发展，促使各网络教育学院开发各自的教学系统及资源 库，由于各系统分散且孤立，导致形成了一个个的“资源孤岛”，给大范围的教育 资源共享及系统互操作带来了很大的困难，网格技术的出现给解决这一问题提供 了新的方案。研究如何将网格技术应用到教育资源建设中，具有一定的理论意义 和实用价值。 本文核心研究如何利用o g s a 技术对分布异构教学资源提供网格环境支持以 实现教育资源的高效共享。论文首先研究o g s a 体系结构的两大支撑技术及其运 行机理；其次着重分析了o g s a 面向服务的模型；并针对教育资源的特点提出了 虚拟组织环境下的三层共享模型，设计了教育资源网格应用系统，其中包括服务 接口、逻辑功能、服务调用流程的设计；基于g l o b u st o o l k i tv 3 开放平台搭建了 网格环境，利用e c l i p s e 统一开发平台，模拟实现教育资源注册和查找服务，验证 了o g s a 在实现网络虚拟环境上的教育资源共享及消除信息孤岛和资源孤岛方面 具有一定的优势。 关键词：网格开放网格服务体系结构w e b 服务教育资源共享模型 a b s t r a c t t h eh i g hd e v e l o p i n go fm o d e r nd i s t a n c el e a r n i n gi m p e l se v e r ys c h o o lo fn e t w o r k e d u c a t i o nt od e v e l o pt h e i ro w i ll e a r n i n gs y s t e m sa n dr e s o u l c zl i b r a r i e s b u tt h e s e s y s t e m sa r es od i s p e r s e da n di s o l a t e dt h a ti tl e a d st oar e s u l tt h a tt h e r ee x i s t sv e r yg r e a t d i f f i c u l t y i ns h a r i n ge d u c a t i o n a lr e s o u r c e sc o m p r e h e n s i v e l ya n ds y s t e m o p e r a t e d m u t u a l l y t h ea p p e a r a n c eo f t h eg r i dt e c h n o l o g ym a k e st h e s ep r o b l e m sb e c o m ep o s s i b l e t os o l v e t h e r ew o u l db es i g n i f i c a n ta n dv a l u a b l et os t u d yh o wt o a p p l yt h eg r i d t e c h n o l o g i e st oe d u c a t i o n a lr e s o u r c e sc o n s t r u c t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o nw em a i n l ys t u d yh o wo g s at e c h n o l o g i e sa r ea p p l i e dt o 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 ye d u c a t i o n a lr e s o n r c c su n d e rt h e 鲥de n v i r o n m e n t , h o wt or e a l i z et h eh i g h - p e r f o r m a n c er e s o u r c e ss h a r i n g f i r s t l y , t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e s t h et w os u p p o r t i n gt e c h n o l o g i e sa n do p e r a t i o nm e c h a n i s mo fo g s ai nd e t a i l ，a n d a n a l y z e s t h es e r v i c e - _ 0 r i e n t e d m o d e l s e c o n d l y , b a s e d o nt h er e s e a r c ha b o u t c h a r a c t e r i s t i co fe d u c a t i o n a lr e s o u r c e s ，i tp r o p o s e st h et h r e e - l a y e rs h a r i n gm o d e la n d d e s i g n se d u c a t i o n a lr e s o u r c e sg r i da p p l i c a t i o ns y s t e m ，i n c l u d i n gs e r v i c e si n t e r f a c e s d e s i g n i n g ，l o g i cf u n c t i o nd e s i g n i n ga n dp r o c e d u r eo fs e r v i c ec a l ld e s i g n i n g t h i r d l y , i t p u t su pt h eg r i de n v i r o n m e n tb yg l o b u st o o l “tv 3 ，r e a l i z e st h ee d u c a t i o n a lr e s o u r c e s r e g i s t r ya n dl o c a t i n gs e r v i c e si ns i m u l a t i o nb yu s i n ge c l i p s ei d e i ti sv e r i f i e dt h a t o g s ah a sa d v a n t a g e sn o to n l yi nr e a l i z i n gt h eh i g h - p e r f o r m a n c ee d u c a t i o n a lr e s o u r c e s s h a r i n g ，b u ta l s oi ne l i m i n a t i n gi n f o r m a t i o ni s l a n da n dr e s o u r c ei s l a n d k e y w o r d s ：g r i d o p e ng r i ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e w e bs e r v i c e s e d u c a t i o n a lr e s o u r c e s s h a n n gm o d e l 声明 创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学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己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：盘苎：自塞日期2 1 盟：生至 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 。 本人签名： 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 网格i jj 是近年来国际上兴起的一种重要信息技术，是继i n t e m e t 之后又一次重 大的科技进步，被称为下一代互联网1 2 1 ，它是集成的计算和资源环境，其目标是实 现网络虚拟环境的高性能资源共享和协同工作，消除信息孤岛和资源孤岛，实现 资源共享( 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) 3 1 。 网格是借鉴电力网【4 】的概念提出来的，其最终目的足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。人们在使用电力时不需要知道它是从哪 个发电厂输送过来，也不需要知道电力是通过什么样的发电机产生，不管是水力 发电还是核反应发电，人们使用的是一种形式统一的“电能”。网格也希望给最终 的使用者提供与地理位置无关，与具体计算设施无关的通用的问题解决能力。 美国阿冈( a r g o n n e ) 国家实验室的l a nf o s t e r 和c a r lk e s s e l m a n 于1 9 9 8 年在 t 1 1 e g r i d ：b l u e p r i n t f o r a n e w c o m p u t i n g i n f r a s t r u c t u r e j ) 一书中把网格例描述为： 。网格是构建在互联网上的一组新兴技术，它将高速互联网、计算机、大型数据 库、传感器、远程设备等融为一体，为科技人员和普通老百姓提供更多的资源、 功能和服务。互联网主要为人们提供电子邮件、网页浏览等通信功能，而网格则 能提供更多更强的功能，它能让人们共享计算资源、存储资源和其他资源。” 2 0 0 2 年l a nf o s t e r 、c a r lk e s s e l m a n 和s t e v e nt u e c k e 在一篇为“t h ea n a t o m yo f t h eg r i d ：e n a b l i n gs c a l a b l e v h t u a lo r g a n i z a t i o n s ”的文章中共同提出了网格中虚拟组 钐 i “( v i r t u a lo r g a n i z a t i o n s ，v o ) 问题，并进一步明确了网格的概念。他们指出， 网格计算关心的是“在动态的、多机构的虚拟组织中协调资源共享和协同解决问 题”。其核心概念是“在一组参与节点( 资源提供者和消费者) 中协商资源共享 管理的能力，利用协商得到的资源池共同解决一些问题。共享主要不在于文件交 换，而在于对计算机、软件、数据和其它资源的直接接入使用。这种共享必须被 高度控制，资源提供者和消费者要清晰和详细的定义哪些资源可被共享，谁可以 享用这些资源，及共享发生的条件，用这样的共享规则定义的一组个人和机构， 称为虚拟组织”。 如何在动态异构的网格环境下实现资源的有效共享是网格计算面对的根本问 题。在传统的单计算机系统和机群系统中，资源分布比较集中，在使用资源之前 可以快速、可靠的进行资源定位：而在网格环境中，由于资源的分布性以及现有 2 基丁o g s a 的教育资源共享研究 i n t e r n e t 存在的带宽和延迟限制以及网络的不可靠性，广域范围的资源共享将在很 大程度上影响系统的性能。网格技术j 下是解决这些问题的，它具有以下优势【7 】： 1 提高或拓展企业内所有计算资源的效率和利用率，满足最终用户的需求， 同时能够解决以前由于计算、数据或存储资源的缺乏而无法解决的问题。 2 建立虚拟组织( v i r t u a lo r g a n i z a t i o n s ，v o ) ，通过让它们共享应用和数据来 对公共问题进行合作。 3 整合计算能力、存储和其他资源，使需要大量计算资源的巨大问题求解成 为可能。 4 通过对这些资源进行共享、有效优化和整体管理，能够降低总成本。 本论文f 是探讨如何利用网格技术的优势来解决分布式异构教育资源共享问 题。并在此基础上进行实际应用，是非常有意义的。 1 2 网格研究现状 国外对网格的研究比国内早，与网格相关的研究项目也比较多。其中包括 g l o b u s 项目、美国能源部( d o e ) 支持的科学网格( s c i e n c eg r i d ) ，美国国家科学 基金( n s f ) 支持的t e r a g r i d ，美国军方正在实施的全球信息网格( g 1 gg i o b a l i n f o r m a t i o ng r i d ) ，i b m 投资的“网格计算创新计划”( g r i dc o m p u t m gi n i t i a t i v e ) ， “英国国家网格”( u kn a t i o n a lg r i d ) ，欧洲还有d a m g r i d 、u n i c o r e 、m o l 等 网格研究项目正在展开。日本，韩国、印度，泰国等国家都开展了建设国家网格 的计划例。 我国的网格研究比国外起步晚，已经完成的网格研究项目主要有中科院的国 家高性能计算环境n h p c e ( n a t i o n a lh i 【g l lp e r f o r m a n c ec o m p u t i n ge n v i r o n m e n t ) 和 清华大学的先进计算基础设施a c i ( a d v a n c e dc o m p u t a t i o n a li n f r a s t r u c t u r e ) 。正在 进行的网格研究项目主要有织女星网格、 格等1 9 j 【l o j 。其中“中国教育科研冈格” 中国教育科研网格、c h i n a g r i d 和仿真网 l l i 】项目充分利用中国国家教育科研网 c e r n e t 和高校的大量计算资源和信息资源，开放相应的网络软件，配合网络计 算机的使用，将分布在教育和科研网上自治的分布异构的海量资源集成起来，实 现c e r n e t 环境下资源的有效共享，提供有效的服务，形成高水平低成本的服务 平台，其下的“大学课程在线网格”【l 副系统，向全国互联网用户提供至少2 4 0 0 个 小时免费视频点播服务。 福，布斯杂志预测i l 引，网格技术正进入迅速发展时期，到2 0 2 0 年网格技术 产业年产值将达到2 0 万亿美元，这个数字是2 0 0 0 年全球信息产业产值的2 0 倍。 网格资源共享的相关研究主要包括理论模型和实验产品两方面。其中理论模 型有的已有实现的产品，有的尚停留在理论研究阶段。另外，通过g l o b u s 等工具 第一章绪论 所提供的协议及服务能实现资源共享的一些基本功能，已推出一些网格试验产品。 但总的来说，目前的网格资源共享技术研究还不够成熟，其中很多都是针对某一 领域、某一范围内的特定应用，且没有形成公共标准的规范，其很多功能还没有 实现或者实现得不够好，实现的也仅仅是低层次的共享，有待进一步的发展。 1 3 教育资源网格需求 现代教育技术以计算机网络为代表，基于网络的远程教育在现代教育中扮演 着重要的角色。而互联网的发展趋势是网格，面对新形势、新技术，远程教育应 该如何发展? 必须从理论上进行深入研究，从技术上进行不断探索。 随着互联网的不断普及，现代远程教育也在不断的发展。从1 9 9 8 年9 月教育 部批准清华大学、浙江大学、湖南大学和北京邮电大学试点现代远程教育至今， 全国已有6 8 所普通高等院校建立了网络教育学院，他们都自行开发了教学系统。 虽然现在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条件，但这 种共享处于较低水平。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 学系统严重依赖操作系统、运行环境，无法跨平台运行，无法进行更大范围的共 享；从实现的方式上来看，大多是静态或动态( 用a s p 或j s p 实现) 的w 曲页面， 只能提供单一具体的服务，不能满足学习者的要求【i5 1 。教育资源不能相互共享， 资源库之间不能进行互操作，学生只能利用其中的一个教育机构的资源进行学习， 不能实现“以学生为中心”的教育模式。其中，资源的缺乏，尤其是优秀教学资 源的缺乏，是制约远程教育发展的瓶颈之一。 教育资源建设存在如下问题1 1 6 1 ：有效资源内容匮乏，而且没有形成资源共享； 资源库互操作缺乏规范指导。资源的重复建设情况严重；对资源检索的技术智能 化水平不高；资源的获取和应用及更新速度慢，动态适应性较差等。其中主要问 题还是没有形成资源的有效共享。 网格技术最大特点是信息资源共享，利用网格技术，实现教育资源共享，可以 最大限度地整合远程教育中的现有资源。网格技术在其它领域已经有了初步的应 用，但是在教育资源共享方面应用得还是很少，研究如何将网格技术应用到教育 资源共享建设中，具有一定的理论意义和实用价值。 1 4o g s a 的提出 2 0 0 2 年2 月，在加拿大多伦多召开的全球网格论坛1 1 7 1 ( g g f 。g l o b a lg r i d f o r u m ) 会议上，g l o b u s 项目组织和i b m 共同倡议了一个全新的网格标准o g s a 。 4基于o g s a 的教育资源共享研究 0 g s a 开放网格服务体系结构f j 菩j ( o p e ng r i ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e ) ，把 g l o b u s 标准与以商用为主的w e b 服务的标准结合起来，将各种资源统一以服务的 形式对外提供。o g s a 为基于网格的应用定义了一个公共的标准的体系框架，这 个框架的核心是网格服务的概念。 o g s a 采用了万维网服务的w s d l 和s o a p 规范，遵循o g s a 标准的系统都 可以连接起来，用户可以很容易地集成、共享各种系统提供的功能，可以节省用 户的丌发成本，提高开发效率。 g l o b u st o o l k i t3 是o g s a 标准的第一个参考实现。o g s a 的诞生，标志羞网 格不仅仅局限于科学计算领域，还能够对各种商业应用进行了广泛的、基础的网 格环境的支持，实现更方便的资源共享和互操作。本文研究的目的正是探讨如何 利用o g s a 技术对教育资源提供网格环境的支持，从而实现资源的高效共享。 1 5 主要研究工作 论文研究工作在教育资源网格项目支持下，分别对以下内容进行了研究： 1 w e b 服务框架原理及面向服务体系结构模型； 2 开放网格服务体系结构及运行机理； 3 基于o g s a 的网格计算环境核心服务组件及其实现原理； 4 对利用网格技术解决教育资源孤岛的方案进行了探讨，设计了基于虚拟组织 的三层共享模型及教育资源网格应用系统； 5 利用g l o b u st o o l k i t3 搭建一个虚拟组织域的网格环境，开发o g s a 应用原 型系统，并实现了教育资源注册和资源查找服务。 由于o g s a 系统相对复杂庞大，几乎涉及到计算科学所有领域的内容。本论 文对它作了比较宏观的研究，分别从框架、核心组件、应用、实现等方面对其作 了相应的研究。 1 6 论文组织结构 论文主要对o g s a 开放网格服务体系结构进行了理论研究和应用探索，全文 共分为6 章： 第一章，对网格的技术背景和国内外研究情况进行了分析，在此基础上介绍 了教育资源的网格需求和o g s a 提出的背景。 第二章，分析了网格体系结构及o g s a 的两大支撑技术：w e b 服务和网格技 术，并对两种体系结构进行了比较。 第三章，详细分析了o g s a 的基本思想及网格服务交互的规范。 第一章绪论 第四章，分析了网格环境中的教育资源范畴，针对教育资源特点提出基于虚 拟组织的三层共享模型，并依据此模型设计教育资源网格应用系统。 第五章，设计与实现了教育资源网格服务。利用g t 3 搭建虚拟组织域，使用 e c l i p s e 统一开发工具开发网格服务，模拟实现教育资源网格原型系统中的资源注 册及资源查找服务( 这部分工作与王伟伟同学合作完成) 。 第六章，对所做的工作进行总结及展望。 第二章网格体系结构及其相关技术7 第二章网格体系结构及其相关技术 网格是一个非常复杂的系统，不仅要了解网格体系包括那些关键的要素部分， 各部分的功能是什么、相互之间有什么联系，而且还必须要了解各部分之间是怎 么协调起来的，组成一个统一的网格体系，从而完成对外服务的。 到目前为止，最重要、最有影响力的网格体系结构有两个，一个是f o s t e r 等 在早些时候提出的五层沙漏结构1 1 9 1 ，另一个是以i b m 为代表的工业界影响下，在 考虑到w e b 技术的发展与影响后，f o s t e r 等结合w e b 服务提出的开放网格服务结 构o g s a ( o p e ng r i ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e ) 。本章重点介绍五层沙漏结构和网格 的支撑技术，下一章详细分析o g s a 的基本思想及其原理。 2 1 网格体系结构概念 网格体系结构是关于如何建立网格的技术，它包括两个层次的内涵。一是要 标识出网格系统由哪些部分组成，清晰地描述出各部分的功能、目的和特点；二 是要描述网格各组成部分之间的关系，如何将各个部分有机地结合在一起，形成 完整的网格系统，从而保证网格有效地运转，也就是将各部分进行集成的方式或 方法。 f o s t e r 将网格体系结构定义为“划分系统基本组件，指定系统组件的目的和功 能，说明组件之间如何相互作用的技术”【1 9 】。 网格体系结构不仅需要强调组件与组件之间的相互作用，还要求说明各个部 分如何集成为一个整体以及通过何种机制实现整体的功能，这在设计网格时是必 须考虑的问题。显然，网格体系结构是网格的骨架和灵魂，是构建网格应用的基 础，只有建立合理的网格体系结构，才能设计、建造好网格，才能使网格有效地 发挥作用。 2 2 五层沙漏结构 五层沙漏结构是一种影响十分广泛的结构，主要特点是以“协议”为中心， 强调协议在网格的资源共享和互操作中的地位，其结构简单、层次清楚。 2 2 1 基本思想 五层沙漏结构的一个重要思想是以“协议”为中心，强调服务与a p i 和s d k 8 基于o g s a 的教育资源共享研究 的重要性。在五层沙漏结构中，共享的概念不仅仅是交换文件，而更强调对计算 机、软件、数据以及其他资源的直接访问。并且共享关系十分灵活，存在三种基 本的形式，即客户端棚臣务器( c s ) 的共享、端到端( p 2 p ) 的共享以及代理( p r o x y ) 共享该结构中的共享还是一种随时间变化的动态共享，而不是静态共享。 五层沙漏结构中的另一个重要概念是互操作，而前面将共享定义为对各种资 源的直接访问，目的就为了支持互操作。共享关系需要在任意的组织、团体之间 在一开始就建立，可以动态增加新的成员，并且可以跨越不同的平台、语言和编 程环境。显然要实现互操作就必须有一个统一的协议，而五层沙漏结构首先是一 个“协议结构”，通过协议实现一种机制，使得虚拟组织的用户与资源之间可以进 行资源使用的协商，建立共享关系，并且可以进一步管理和开发新的共享关系 这一标准化的开放结构对网格的扩展性、互操作性、一致性以及代码共享都很有 好处。 服务是由它使用的协议和实现的行为定义的，标准协议还使得定义标准服务 更加容易。标准服务的定义，如对计算的访问、存取数据、资源发现、协同高度、 数据复制等，可以进一步提供增强的能力，使虚拟组织参与者得到更多的服务。 五层沙漏结构中。同时还提供a p i 和s d k ，使建立网格应用时可简化编程。 五层沙漏结构如图2 1 所示，从上到下划分为五层，分别是应用层、汇聚层、 资源层、连接层和构造层。 工具与应用 应用层 、 目录代理 诊断与监控 汇聚层 、 ， 资源与j 叠l 务 资源层 的安全访问 与连接层 各种资源 如计算资源、存储资 构造层 源、仪器设备、网络 资源、软件等 图2 1 五层沙漏结构分层图皿1 由于各层协议数量的不同，特别是其最核心的部分，既要实现上层各种协议 向自身协议的映射，同时又要实现自身协议向下层协议的映射，并且核心协议在 所有支持网格计算的地方都应该得到支持，因此，核心协议的数量不能太多。由 于这个原因，形成了这种沙漏式的结构。其中细腰部分就是核心协议所在在五 层沙漏结构中，资源层和连接层共同组成了核心瓶颈部分。 第二章网格体系结构及其相关技术 9 最底层是构造层( f a b r i c ) ，构造层面对的是一个个具体的物理或逻辑资源， 通过对这些局部资源的管理，向上层提供对这些资源的管理和控制界面。构造层 的上层是连接层( c o n n e c t i v i t y ) ，它主要是为下层的物理资源提供安全的数据通信 能力，这是资源之间进行互操作的前提，连接层使得孤立的单个资源建立了联系。 连接层的上层是资源层( r e s o u r c e ) ，它反映的是抽象的局部资源的特征，并使资 源集中起来，协调解决多个资源之间的问题。最上层是应用层( a p p l i c a t i o n ) ，它 和资源的距离最远，关心的是有什么样的资源可以由下面提供给虚拟组织，解决 不同虚拟组织的具体问题。 另一方面，这种结构中的核心协议只实现一些关键的基本功能，而把大量与 特定设备和应用有关的部分交给其他部分来完成。并且一个小的核心有利于移植， 比较容易实现和得到支持。网格资源的多样性、应用的复杂性决定了这个核心协 议的重要性。 为便于理解，本文将该五层结构与广为使用的t c p i p 网络协议结构进行粗略 的对比，如图2 2 所示。 五层沙漏结构 应用层 冒 j 筹谬 酬：嚣驾照戮粥豫黝溺 资源层 廖 么幽l 磁熙蕊蹬孵! 搿翳翻弱强瞪隘髅，强潮 连接层 圈 t c p ，i p 图2 2 五层沙漏结构与t c p i p 协议的对比田l 2 2 2 沙漏结构的各层描述 正如前面所述，五层沙漏结构从上到下分别是构造层、连接层、资源层、汇 聚层以及应用层，下面对这五层的功能和特点分别进行描述。 1 构造层 构造层的基本功能是控制局部的资源，并向上提供访问这些资源的接口，让 网络协议控制可以共享访问的资源，例如计算资源、存储资源、目录、网络资源 1 0 基于o g s a 的教育资源共享研究 以及传感器等。由于网络的资源非常丰富，并且如果构造层资源提供的功能丰富， 则构造层资源可以提供的高级共享操作就越多，网格结构就会比较复杂：如果构 造层资源提供的功能较少，则网格结构的组织就可以比较简单，实现起来也相对 容易一些。 2 连接层 连接层的基本功能是实现相互通信。它定义了网格的网络处理需要的核心通 信和认证协议。通信协议允许在构造层资源之白j 交换数据，要求包括传输、路由、 命名等功能。建立在通信服务之上的认证协议提供加密的安全机制，用于识别用 户和资源。其中安全也是一个十分复杂和重要的问题。网格安全方案也应该为通 信保护提供各种灵活的支持，比如：保护级别的控制，不可靠协议独立数据单元 的保护，支持t c p 之外的可靠传输等，允许网格使用者来控制认证策略等。 3 资源层 资源层的主要功能就是实现对单个资源的共享，资源层建立在连接层的通信 和认证协议之上，为独立资源上共享操作的安全启动、监控和控制定义协议。值 得注意的是，资源层协议考虑的完全是单个的局部资源，因此忽略了全局状态和 跨越分布资源集合的原子操作。资源与连接协议形成了沙漏模型的瓶颈部分，因 此这个协议集合要小，而且尽量标准化。这些协议要能够抓住涵盖不同资源类型 的基本共享机制，但是又不能对高层协议的类型和性能有约束。 4 汇聚层 汇聚层的主要功能是协调多种资源的共享，而资源层主要的功能是与单个资 源的交换。汇聚层关注全局的状态以及跨多个资源的交互，实现更加广泛的资源 共享。汇聚层的协议和服务包括目录服务、基于求解问题参数的最佳软件实现和 运行、安全认证、资源分配和调度安排等。 因为在协议的沙漏模型中，汇聚层部件建立在狭窄的沙漏瓶颈上，所以它们 可以实现种类广泛的共享行为而不需要对被共享的资源做出新的要求。 5 应用层 应用层是在虚拟组织环境中存在的，它是根据某些层次上的服务来组建的。 在体系结构中的每一层都定义了相应的协议，以提供对相关服务的访问，比如资 源管理、数据存取、资源发现等。a p i 用来实现特定活动服务的交换协议。从应用 程序员的观点看网格结构，应用是根据在任一层上定义的服务来构造的。这里的 应用可以调用更高级的框架和库调用。这些框架自身可以定义协议、服务和a p i ， 这里只足提出网格巾要求的基本服务与协议。 第二章网格体系结构及其相关技术 2 3o g s a 概述 如果说五层沙漏结构是以“协议”为中心的“协议结构”，则0 g s a 就是以“服 务”为中心的“服务结构”。 o g s a 把g l o b u s 标准与以商用为主的w e b 服务标准结合起来，统一以网格服 务的形式对外界提供，是继五层沙漏结构之后最重要也是目前最新的一种网格体系 结构，被称为下一代的网格结构】。之所以称它为体系结构，是因为它主要描述 和定义一组定义良好的接口，系统根据这些接口进行构建，而“开放”是因为所 有接口都基于如x m l 和w e b 服务描述语言w s d i 。之类的开放标准。 f o s l e r 将服务定义为：具有特定功能的网络化实体【2 钔。在五层沙漏结构中，强 调的是被共享的物理资源( 或者是这些资源所支持的服务) ，在0 g s a 中，将一切 抽象为服务，包括各种计算资源、存储资源、网络、程序、数据库等。五层模型 试图实现的是对资源的共享，而在o g s a 中，实现的足对服务的共享。从资源到 服务，这种抽象将资源、信息、数据等统一起来，十分有利于通过统一的标准接 口来管理和使用网格服务。 在o g s a 中，网格就是可扩展的网格服务的集合，即网格= f 网格服务) 。网格 服务可以用不同的形式聚集起来满足虚拟组织的需要，而虚拟组织也可以部分的 根据它们操作和共享的服务来定义。 网格服务通过定义接口来完成不同的功能，服务数据是关于网格服务的实例 的信息，因此网格服务可以表示为：网格服务= 接口行为+ 服务数据p l 。图2 3 是对 网格服务的简单描述。 服务数据的访向 显式撤销 软装态生命周期 绑定特性 可靠激话 - 认证 g r i d s e r i v c e 其它接口 图2 3 网格服务示意图1 3 1 以网格服务为中心的模型具有以下优点2 5 1 ： 标准接口： 翘知 拔权 服务创建 服务注册 管理 开发 + 面向特黝 应用的接口 基于o g s a 的教育资源共享研究 1 由于网格环境中所有的组件都是虚拟的( 这里的具体含义是对相同接口不同 实现的封装) ，因此，通过提供一组相对统一的核心接1 2 1 ，所有的服务都基于这些 接口实现，就可以很容易地构造出具有层次结构的、更高级别的服务( 如图2 4 所 示) ，这些服务可以跨越不同的抽象层次，以一种统一的方式来看待。 2 虚拟化也使得将多个逻辑资源实体映射到相同的物理资源上成为可能，在对 服务进行组合时不必考虑具体的实现，可以以底层资源组成基础，在虚拟组织中 进行资源管理。通过网格服务的虚拟化，可以将通用的服务语义和行为，无缝地 映射到本地平台的基础设施之上。 高级嘲格服务 、j 叫格服务l嘲格服务2网格服务3 i 、i l 网格服务2 1网格服务2 2 网格服务2 3 l 璺| 2 4o g s a 的服务组成关系 接下来，将对o g s a 的两大支撑技术进行介绍。 2 4w e b 服务 网格服务是o g s a 、o g s i 和g l o b u st o o l k i t3 的核心，丽w e b 服务删又是网 格服务的基础，所以要想更好的理解o g s a 、o g s i 就必须先分析w e b 服务的体系 框架和原理。w e b 服务框架的主要目标是在现有各种异构平台的基础上构筑一个 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 层来实施彼此之自j 的连接和集成，从而实现不同的软件应用之间的互操作【2 7 1 。 2 4 1w e b 服务概述 w e b 服务是一种在i n t e m e t 上进行分布式计算模式( 如c o r b a 、r m i 、f a b 等) ，它关注于用简单的基于i n t e m e t 的标准( 如x m l ) 来解决异构的分布式计算 问题。开放的标准以及用户和应用程序之间的通信协作产生了一个新的环境，在 这种环境下，w e b 服务成为应用集成的平台。w e b 服务有四个主要组成部分 x m l t 2 8 1 、s o a p l 2 9 1 、w s d l l 3 们、u d d i 3 ”，这里不一一介绍。 由于w e b 服务使用标准的x m l 语言，因此它是与平台无关、语言无关的， 而且w e b 服务支持h t t p 。这使得w e b 服务具有明显的优点。但是，使用w e b 服 第二章网格体系结构及其相关技术 务也有许多缺点，比如代码效率不高，而且w e b 服务的用途相对比较狭窄。这主 要是因为目前w e b 服务只支持基本的服务种类，而网格服务则扩展了w e b 服务的 种类。 2 4 2w e b 服务体系结构 w e b 服务由服务过程( s e r v i c ep r o c e s s e s ) 、服务描述( s e r v i c ed e s c r i p t i o n ) 、 服务调用( s e r v i c ei n v o c a t i o n ) 、传输( t r a n s p o r t ) 四部分组成，如图2 5 所示。 区三三三二习一；。一油。 丁h cm o s tp o p u l a rj a v o c a t i o np r o t o c o li ss o a p 卜b i l lw cc o u 坩，i nt | l r y ，u 靶。山盯p r o i o i s t r a n s p o r t i b t i i t h e 。m 。o 。s 。t 毗p o p u j n i l a r h t r a n 吼s p o m r t p 劬r o t 。o c p m o l i t o c s i r 。i i t ，p , 图2 5w e b 服务的体系结构1 3 2 】 具体结构如下： ( 1 ) 服务过程 这一部分包含多种w e b 服务，如服务发现，允许用户寻找满足需求的w e b 服 务：服务整合，对不同的w e b 服务进行整合。 ( 2 ) 服务描述 w e b 服务最有趣特点之一就是它们能够自我描述。这意味着一旦定位了w e b 服务，就要求它能“描述自己”，并说明如果操作和使用它。这是通过w s d l 来处 理的。 ( 3 ) 服务调用 在调用的过程中，包含了在客户端与服务器端之间传送信息的过程。在w e b 服务中采用s o a p 协议来规范送往服务器端的请求信息及服务器端的响应信息。 ( 4 ) 传输 以上所有的信息都可以在服务器端和客户端之间传输。在这部分中采用的协议 是h r r p 。理论上可以使用其它协议，但h 1 r r p 协议目前使用的最广泛。 4 基 二o g s a 的教育资源共享研究 2 4 3w e b 服务调用过程 下面通过一个预报全国各城市天气的w e b 服务为例来说明w e b 服务的调用过 程，如图2 6 所示。 1 客户端提出w e b 服务的请求后，首先要寻求满足要求的w e b 服务的位置。 例如，想找一个能告诉我们西安天气的w e b 服务。通过与d i s c o v e r ys e r v i c e 联系， 可以得到w e b 服务的位置。 2 d i s c o v e r ys e r v i c e 将会返回结果，告诉用户哪个服务器能提供给用户所想要 的服务。 3 现在已经知道了w e b 服务的位置，而且也知道它可以给出西安市的天气情 况，但是真实的服务是如何调用的呢? 调用的方法可能是s t r i n gg e t c i t y f o r e c a s t ( i n t c i t y p o s t a l c o d e ) 方法，也可能s t r i n gg e t c n c i t y w e a t h e r ( s t r i n gc i t y n a m e ，b o o l i s f a r e r d a e i t ) 方法。所以必须问w e b 服务如何描述自己，也就是要告诉用户如何使 用它。 4 w e b 服务用w s d l 语言返回信息。 5 现在已经知道w e b 服务的位置，也知道怎么去调用它。调用的方法通过 s o a p 实现。于是通过发送s o a p 请求得到西安市的天气情况。 6 w e b 服务返回一个包含我们想要的天气信息的s o a p 响应，或者是当请求 信息错误时返回一个出错信息。 图2 6w e b 服务的调用过程田 第二章网格体系结构及其相关技术 2 4 4w e b 服务应用结构 w e b 服务应用的一个重要特点是：利用s t u b 文件来解释请求并将请求重定向 到合适的目的地。s t u b 文件在w e b 服务应用结构中处于重要的位置。由于s t u b 文 件隐藏了w e b 服务的底层实现，开发人员无需关心底层是如何实现的，如s o a p 、 w s d l 等，从而简化了开发过程。开发人员利用基于w e b 服务的w s d l 描述文件， 可以使用工具自动产生程序的s t u b 文件。w e b 服务的应用结构如图2 7 所示。 假设客户端已经定位好了所想用的w e b 服务，而且从w s d l 描述文件产生了 c l i e n ts t u b ，并且服务器端也产生了s c l v e rs t u b 。 c l i e n t 板八一 s e r v ! 矿面、 m y 侗斟 到 w e bs e n i m p l e m e n t a t i o n p r o g r a m 以 竺 图2 7w e b 服务应用结构i ”i ( 1 ) 客户端通过呼叫c l i e n ts t u b 文件来调用服务器端上的w e b 服务。而c l i e n t s t u b 会把本地的请求转换成一个合适的s o a p 请求。这个过程称为序列化 ( m a r s h a l l i n g ) 。 ( 2 ) s o a p 请求使用h 1 v r p 协议通过网络发送出去，w e b 服务器收到这个s o a p 请求后把它提交给$ e l - v a t - s t u b ，而s g a v j e l s t u b 将这个s o a p 请求转换成服务器能理 解并执行的形式。这个过程称为反序列化( u n m a r s h a l l i n g ) 。 ( 3 ) 一旦s o a p 请求被反序列化，l v e l s t u b 调用客户端所要求的服务。 ( 4 ) 服务器把w e b 服务的操作结果返回给i v e i s t u b ，此结果被封装为s o a p 响应。 ( 5 ) s o a p 响应使用h r r p 协议通过网络发送，c l i e n ts t u b 收到这个s o a p 响应 后把它转换成客户端应用能理解的形式。 ( 6 ) 最后，客户端应用收到所调用w e b 服务的结果并使用它。 2 5g l o b u s 项目 w e b 服务的核心是将异构网络上的各种应用连接起来，借助u d d i 、w s d l 和x m l s o a p 等将i n t e r a c t 从一个通信网络进一步发展到一个应用平台。然而， 尽管w e b 服务从开始就被设计为在这个异构网络上工作，当前标准还没考虑其他 方面的复杂性，比如不同操作系统之间的通信问题，访问基于不同文件系统的文 件等，因此w e b 服务需要下层软件提供服务。 1 6基to g s a 的教育资源共享研究 g l o b u s 矧项目是目前国际上犀有影响力的与网格计算相关的项目之一，是来 自世界各地关注网格技术的研究人员和开发入员共同努力的结果。o g s a 把g l o b u s 标准与以商用为主的w e b 服务标准结合起来，统一以网格服务的方式对外界提供。 g l o b u s 工具刨州( g l o b u st o o l k i t ) 是g l o b u s 最重要的实践成果，它是一种开 放结构、开放源码的服务的集合，也是支持网格与网络应用的软件，该工具包解 决了安全、信息发现、数据管理、通信、错误检测以及可移植等问题。g l o b u s 的 系统结构如图2 8 所示。 图2 8g l o b u s 的系统结构p ，】 从总体来说g l o b u s 工具包的实现主要有以下四方面1 3 训的内容： 1 网格安全。这是网格计算环境正常运行的保证，g l o b u s 主要结合目前成熟 的分布式安全技术，并进行一定的扩展，以适合网格环境的特点 2 ，网格信息获取与分析。在网格计算环境中如何发布资源信息，如何查询、检 索资源信息，是有效使用各种资源的前提条件。 3 网格资源管理。由于网格环境中的资源主要分布在广域网环境中，因此采用 目前常用的局域网资源管理