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基于数据网格技术的远程教育系统的研究 摘要 网格将互联网连接的所有资源整合成一台超级虚拟计算机。它是集成和并行 的计算与资源环境，其核心是在异构和分布式的网络环境中，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) ，消除 信息孤岛。校园网格是网格技术在校园范围内的实现。将校园网内的各种计算资 源以有效的方式动态的组织起来，隐藏其内部异构性和动态性，形成一个可相互 利用、相互合作、对用户相对透明的高性能计算环境，为科研教学提供高效可信 的协同计算服务。 远程教育在全球范围内，都有着急速发展的趋势，但现有的远程教学系统， 普遍存在着一些问题，主要表现在：缺乏广泛的资源合作，远程教育标准不完善， 网络的异构给远程教学系统的开发带来了很大的难度，这些是造成教育资源不能 大范围内共享、教学资源重复开发的主要原因。网格技术的出现，为我们解决这 些问题带来了契机，因为网格技术的核心就是信息、资源共享。网格技术在其它 许多领域都已经有了初步的应用i 但是在远程教育中应用得还很少，研究如何将 网格技术应用到远程教育中，是非常有必要和意义的。 本文首先介绍远程教育发展概况及目前所面临的问题，接着介绍网格的定 义，体系结构及其应用，并且指出网格的特点正好可以解决远程教育发展所面临 的问题。最后将网格技术和远程教育有机地结合了起来，提出了基于校园网的网 格远程教学系统设计方案，着重解决远程教学中如何实现教学资源的发布、注册 和发现，实现了基于网格技术的远程教学应用。 关键词：网格，远程教育，g l o b u s ，j a v a ，x m l ，w e bs e r v i c e s 基于数据网格技术的远程教育系统的研究 a b s t r a c t g r i di n t e g r a t e sa l lr e s o u r c e si ni n t e r n e tt ob e c o m ea s u p e rv i r t u a lc o m p u t e r i ti s ai n t e g r a t e d ，c o l l a t e r a lc o m p u t i n ga n dt h er e s o u r c ee n v i r o n m e n tw h o s ec o r er e a l i z e s r e s o u r c e s s h a r i n g( i n c l u d i n g c o m p u t a t i n gr e s o u r c e s ，m e m o r y r e s o u r c e s ， c o r r e s p o n d i n gr e s o u r c e s ，s o f t w a r er e s o u r c e s ，i n f o r m a t i o nr e s o u r c e ，k n o w l e d g e r e s o u r c e sa n ds oo n ) ，e l i m i n a t i n gt h ei s o l a t e di n f o r m a t i o ni s l a n di ni s o m e r o u sa n d d i s t r i b u t e dn e t w o r ke n v i r o m e n t t h ec a m p u sg r i di st h er e a l i z a t i o no f 咖d t e c h n o l o g y i nt h ec a m p u ss c o p e 。t h ec a m p u sg r i dc a ni n t e g r a t ea l lk i n d so f c o m p u t i n gr e s o u r c e s i na ne f f e c t i v ew a y , h i d ei t si n t e m a li s o m e r i s ma n dd y m a t i cc h a r a c t e rt of o r ma h i g h p e r f o r m a n c ec o m p u t i n ge n v i r o m e n to fm u t u a lu s a g e ，m u t u a lc o l l a b o r a t i o na n d r e l a t i v e l yt r a n s p a r e n c ef o ru s e r si no r d e rt op r o v i d et h eh i g h l ye f f e c t i v ea n dc r e d i b l e c o o r d i n a t i o nc o m p u t i n gs e r v i c e t h el o n g 。d i s t a n c ee d u c m i o nh a st h et e n d e n c yt od e v e l o pr a p i d l yi ng l o b a ls c o p e 。 b u tt h ee x i s t i n gl o n g d i s t a n c ee d u c m i o ns y s t e mh a ss o m ef a u l t sg e n e r a l l ys u c ha s l a c k i n gt h ew i d e s p r e a dr e s o u r c e sc o o p e r a t i o n ，t h ei m p e r f e c tl o n g d i s t a n c ee d u c a t i o n s t a n d a r d sa n dt h ed i f f i c u l t i e sw h i c ht h en e t w o r ki s o m e r i s mb r i n g s t h e s er e a s o n s c a u s et h a tt h ee d u c a t i o nr e s o u r c e sa r en o ta b l et os h a r ei nw i d er a n g ea n dt h et e a c h i n g r e s o u r c e sd e v e l o pr e a p t e d l y t h ea p p e a r a n c eo f g r i dt e c h n o l o g ys o l v e st h e s ep r o b l e m s f o ru sb e c a u s ei t sc o r ei d e ai st os h a r ei n f o r m a t i o na n dr e s o u r c e s 。t h eg r i dt e c h n o l o g y h a sa l r e a d yp r i m a r ya p p l i e dt om a n yf i e l d s b u ti t s a p p l i c a t i o ni sd e f i c i e n c yi nt h e l o n g 。d i s t a n c ee d u c a t i o n s oi ti sn e c e s s a r ya n ds i g n i f i c a n tt os t u d yh o wt oa p p l yg r i d t e c h n o l o g yt ol o n g d i s t a n c ee d u c a t i o n t h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c st h eg e n e r a ls i t u a t i o no ft h el o n g d i s t a n c ea n dt h e p r o b l e m si tf a c e s ，t h e ni n t r o d u c e st h ed e f i n i t i o n ，s t r u c t u r ea n da p p l i c a t i o no fg r i d ，a n d p o i n t so u tt h eg r i dm a ys o l v et h ep r o b l e mw h i c ht h el o n g d i s t a n c ee d u c a t i o nf a c e s f i n a l l yi tp u t sf o r w a r dt h el o n g d i s t a n c ee d u c a t i o np r o j e c ts c h e m ab a s e do nt h e c a m p u sg r i db yc o m b i n i n gg r i dt e c h n o l o g ya n dl o n g d i s t a n c ee d u c a t i o nt os o l v et h e i s s u a n c e 、r e g i s t r a t i o na n dd i s c o v e r yo ft h et e a c h i n gr e s o u r c e s k e yw o r d s ：g r i d ，l o n g - d i s t a n c ee d u c a t i o n ，g l o b u s ，j a v a ，x m l ，w e bs e r v i c e s _ - p - 独创性声明 y 9 2 8 7 5 3 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得南昌大学或其他教育机构 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谢意。 学位论文作者签名：罗i 函 签字日期：肿年占月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌土学有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权南昌土学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ 一 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：罗晶 导师签名： 彳孙 签字日期：) 矿矿缉f ；月p 日 签字日期：彻序占月z ，日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 电话 邮编 基于数据网格技术的远程教育系统的研究 第一章远程教育的发展概况 1 1国i 勾j l - 远程教育发展简介 目前，世界各国对网络教育的发展给予了前所未有的关注，都试图在未来社 会中让教育处于一个优势的位置，从而走在社会发展前列。世界经合组织的研究 表明，从1 9 9 5 年至u 2 0 0 0 年，全世界的远程教育市场规模正以每年增力1 4 5 的速度 扩张着。到目前，全世界有上亿的人通过远程教育方式进行学习。 1 1 1 国外网络教育发展概况 美国是普通高等教育发达的国家，有很多世界一流的大学，但他们仍投入大 量的人力和财力发展现代远程教育。目前，美国几乎所有的大中小学都已经接入 i n t e r n e t ，并不同程度地开展远程教育。美国政府推出了i n t e r n e t 2 计划。该计 划称要把教育广泛架构在i n t e r n e t 上。无论是政府教育部门，还是科研机构及各 级学校，都通过i n t e r n e t 2 连接起来，要将其教育的最终端口连接到每一个家庭， 每一所学校，甚至每一间教室，以形成广泛的协作式学习和资源共享，使全体美 国国民在未来都可以享受到i n t e r n e t 带来的全新学习环境。 在英国，政府对在线教育的投资力度也非常大，在全国各级学校几乎都建立 起了自己的网络学校。 在澳大利亚，距离一直是限制教育的主要问题，因此，澳大利亚的现代远程 教育居世界领先地位。网校已成为澳大利亚社会和经济生活中不可缺少的部分。 日本许多大学、高中和企业利用卫星通信或综合业务数字网将授课现场和听 课现场连接起来，实现同时异地的远程教育。 根据有关资料显示，到目前为止，世界上己经有1 0 0 多个国家和地区开展了 远程教育，远程教育己经成为国际教育发展的共同趋势。比较著名的有美国的斯 坦福大学和加利福尼亚大学、瑞典的l u n d 大学、香港的公开大学、韩国的金南大 学、釜山大学等【ij 。 基于数据网格技术的远程教育系统的研究 1 1 2 我国网络高等教育发展概况 ( 1 )网络高等教育发展的社会基础 中共中央国务院关于深化教育改革全面推进素质教育的决定中提出：通 过多种形式积极发展高等教育，到2 0 1 0 年，我国适龄人口高等教育入学率要提 高到1 5 左右。网络教育是实现这个教育目标的重要渠道之一。 从目前我国高校的教育教学效率来看，依靠传统的教育方式来实现这一基本 目标是非常困难的，借助网络教育形式来发展、扩充高等教育势在必然。教育部 于1 9 9 8 年1 2 月2 4 日制定、国务院1 9 9 9 年1 月1 3 日批准的面向2 1 世纪教育 振兴行动计划对远程教育尤其是网络教育的发展作了宏观上的规划，并给予了 政策上的支持。认为“实施现代远程教育工程”，将“有效地发挥现有教育资源的 优势，是在我国教育资源短缺的条件下办好大教育的战略措施”，教育部对此将 “要作为重要的基础设施加大建设力度”；“为推动现代远程教育的发展，按国际 惯例对现代远程教育网络运行费用实行优惠”。 ( 2 ) 我国网络高等教育现状 我国的远程教育起步较晚，经历了函授教育、广播电视教育阶段，已进入以 网络为基础的新阶段。在国务院批准的教育部面向2 1 世纪教育振兴行动计划 中明确指出，要把发展远程教育作为一种新的教育方式，作为构筑2 1 世纪终生学 习体系的主要手段，作为在我国教育资源短缺的条件下办好大教育的战略措施， 作为国家重要的基础设施来加大建设力度。在基础教育方面，近年来各地自发地 涌现出一大批中小学教育网校；在高等教育方面，自1 9 9 8 年教育部批准在清华大 学、北京邮电大学、湖南大学和浙江大学开展现代远程教育试点工作迄今，已经 发展到6 7 所，接受远程教育的学生已接近1 0 0 万；在成人教育方面，我国各地原 有的远程教育系统正在向网络转移，形成多种媒体共存的新格局。 1 2 远程教育系统的基本模式 教学组织形式作为一个维度( 水平方向) ，从个体的、小组的到集体的；将 学习过程的管理作为另一个维度( 垂直方向) ，从被动的到主动的，则异步讲授 2 基于数据网格技术的远程教育系统的研究 型、同步讲授型、协作学习型、讨论学习型、探索学习型、问题教学型、案例学 习型、掌握学习型、自学辅导型模式均可从中找到其位置弘j 。 理论意义上说，异步讲授和同步讲授型模式比较适合于以集体学习为主的远 程教学，而介于两者之间的协作学习型和( 异步和同步) 讨论型学习模式比较适 合于以小组为主体的远程教学模式，这两类教学模式也因为网络技术的功能而能 发挥很好的教学效果。 1 2 i 以集体学习为主的远程教学模式讲授型模式 讲授型模式来自于传统的课堂教学模式，因其可用于一定规模的学生在短时 间内接受系统知识、技能的培训，被认为是最经济的教学模式之一。在网络环境 中，不仅可以利用网络所提供的功能进行“双主”( 教师的主导作用和学生的主 体作用) 教学，而且其不受传统课堂的人数、时间和地点的限制，更大规模地突 破客观因素的限制。基于网络的远程教学可以根据教师和学生登陆网络的时间差 异划分为异步式讲授和同步式讲授，不同的方式也将采取不同的程序、策略和评 价方式等。 ( 1 ) 同步讲授型 同步式讲授模式是指分布在不同地点的教师和学生在同一时间登陆在网络 上，进行网络教学。这种模式的教学程序同传统的课堂教学一样：诱导学习动机 感知理解教材巩固知识运用知识检查反馈。在这种教学中，教 师在远程授课教室中通过直观演示、口头讲解、文字阅读等手段向学生传递教学 信息，网络将这些信息传递到学生所在的远程学习教室，学生通过观察感知、理 解教材、练习巩固、领会运用等过程进行学习，通过一定的设备可允许学生和教 师进行互动，最后由教师对学习结果进行及时检查。教学材料及学生的作业可通 过网络、通信等系统实时呈现和传送。这些材料通常是以多媒体信息方式呈现， 包括文本、图形、声音，甚至还有一些视频内容。 ( 2 ) 异步式讲授 异步式讲授通常借助于网络课程和流媒体技术来实现，流媒体技术是边下载 边播放的低带宽占用的网络视频点播技术，这种技术可以在i n t e r n e t 上实现包 括音频、视频的教师授课实录的即时播放。 基于数据网格技术的远程教育系统的研究 在异步教学中，学生学习的主要方式是访问存放在w e b 服务器上的事先编制 好的网络课程。这些网络课程的网页左边通常采用树状结构的布局( 类似 w i n d o w s 资源管理器) ，右边就显示出相应的章节内容，能非常方便地在课程结 构中浏览课程的内容，同时听到教师的讲授。这种方式对网络课程的设计和开发 有很高的要求，其中不仅要体现学科的课程结构和内容，还要包含教师的教学要 求、教学内容、以及教学评测等，这些材料可以是文字的，也可以是声音的、或 视频的，以利于学生按照要求进行自我检查。 在异步讲授中，当学生遇到疑难问题时，可以通过e - m a i l 向网上教师或专 家进行咨询，也可以通过b b s 、新闻组或在线论坛等形式和网络上其他学习者进 行讨论交流。 1 2 2 以个体学习为主的远程教学模式 我们将网络上适用的并且以个体学习为主的教学模式归为五大类：自学辅导 型、掌握学习型、案例学习型、问题教学型、探索学习型 尽管存在一些差别，以个体学习为主的远程教学模式在操作上也存在共同 性。如学习支持的方式，有以下途径： ( 1 ) 电子邮件异步非实时地实现； ( 2 ) 通过网上的在线交谈方式实时实现； ( 3 ) 教师编写的存放在特定服务器上的问题库； ( 4 ) b b s 系统不仅能为学生的学习提供强大的交流功能，也能为学习提供支持。 1 2 3 以小组学习为主的远程教学模式 ( 1 ) 讨论学习模式 基于i n t e r n e t 的b b s 可以很轻松地实现网上的讨论学习。讨论学习模式也 可以分为在线讨论和异步讨论。在线讨论类似于传统课堂教学中的小组讨论，由 教师提出讨论问题，学生分成小组进行讨论。在讨论学习模式中，讨论的深入需 要通过学科专家或教师来参与。 ( 2 ) 在线讨论 在网络教学环境中，教师要通过网络来“倾听”学生的发言，并对讨论的话 基于数据网格技术的远程教育系统的研究 题进行正确的引导，最后要对整个讨论过程作总结，对讨论组中不同成员的表现 也要进行点评。最终的目的是保证讨论的顺利进行，解决问题或达成一定的共识。 讨论的主题可由教师或讨论小组的组长来提供。 ( 3 ) 异步讨论 由学科教师或学科专家围绕主题设计能引起争论的初始问题，并在b b s 系统 中建立相应的学科主题讨论组，学生参与到某一讨论组，进行讨论或发言；教师 还要设计能将讨论逐步引向深入的后续问题，让组内的学生获得进一步的学习。 在讨论的过程中，教师通过提问来引导讨论；对于学生在讨论过程中的表现，教 师要适时作出恰如其分的评价。 这种讨论可以由组织者发布一个讨论期限，在这个期限内学习者都可以在平 台上发言或针对别人的发言进行评论，教师要定期对网上的言论进行检查和评 价，并提出一些新的问题供深入讨论。 1 3 远程教育系统存在的问题 远程教育在全球范围内，都有着急速发展的趋势，正因如此，也带来了许多 需要解决的问题，主要有三个方面的问题【3 j 。 1 缺乏广泛的资源合作 一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。 2 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 基于数据网格技术的远程教育系统的研究 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 本出路是制订网络教育技术标准，用标准化办法保障网上学习资料共享和系统互 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 方面研究工作。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，制订出一系列符合我国国情的远程教育标准。目 前，标委会已经制订了现代远程教育标准体系，并将远程教育标准分为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订，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。 3 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平台上移植， 导致巨大的重复劳动。如何解决此类问题，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 ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) 、 c o r b a ( c o m m o no b j e c tr e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e ) 、网格( g r i d ) 等技术的 出现，都是在不同层次和角度来解决异构问题。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。 基于数据网格技术的远程教育系统的研究 远程教育的目标是实现4 a ，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4 a 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。 基于数据网格技术的远程教育系统的研究 2 1 网格概念 2 1 1 网格定义 第二章网格技术及应用 网格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，并将它们转化为一种随处可得的、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、仪器甚至是人等各种相关的资源。这是一个相对抽象和广义的定义， 对于网格，到目前为止还没有一个普遍接受的定义，我们来看一下其他的网格定 义： 网格就是下一代的i n t e r n e t 网格就是方便资源管理、有效支持广域分布的、多领域的科学与工程问题 解决的中间件系统。 网格是建造分布式科学计算环境的一种一体化的集成方法，这一环境包括 计算、数据管理、科学仪器以及人类的协作。 网格是一种无缝的、集成的计算与协作环境。 网格是给予硬件支持的各种服务和功能的提供者。 上述网格的不同定义，分别从网格的影响、网格的功能、网格的存在形式、 网格提供什么样的环境等方面来描述网格，这些都是对网格某个层次、某些方面、 某些特征的抽象【5 1 。 2 1 2 网格的目的 网格是由电力网的概念发展而来的，其最终的目标是我们在使用网络服务 时，能像我们用电一样方便。我们知道，在使用电器时，只需要将电源插头插入 相应的插座就行，我们并不需要知道电是从什么地方来的，由哪个发电厂供应的， 是由哪个发电厂供应的，是火力发电、水力发电还是核电，电力是怎样传输的以 及怎样管理的。对于普通的用户来说，这一切都是透明的。网格也希望给最终用 基于数据网格技术的远程教育系统的研究 户的使用者提供的是与地理位置无关、与具体的计算设施无关的通用的计算能 力。 在i n t e r n e t 上有不可估量的资源，有上千万的网站在提供网络服务，而网 格的目的就是提供给最终用户与地理位置、具体的计算机设施无关的透明服务。 当用户有一个服务请求时，网格系统就会像电力系统那样，通过网格的管理系统， 提供给用户相应的服务，也可能是许多的计算机协同工作的结果，就像是电能是 来自整个电力网，你无法分别你使用的是哪个发电厂的电能一样。 2 1 3 网格的特点 网格作为一种新出现的重要的网络基础设施，在地理位置上分布广泛，用户 数量巨大，资源千差万别，需求种类繁多，应用功能各异。网格要给用户、资源 提供畅通的渠道，提供安全、高效、高质量的服务。它与其他的系统相比有四个 特性：分布与共享：自相似性：动态性与多样性；自治性与管理的多重性。 分布性与共享性 一个网格系统是由分布在不同地点、不同类型的计算机、外部设备、各种 各样的资源库、知识库、网格服务等构成。分布性是网格最根本最典型和最重要 的特征，因为网格设计的原始动机就是要把物理上分散的资源整合、协调工作的。 而共享性则可以看作是网格的一个非常重要的目的，网格就是要做到对各种资源 的充分共享，从计算机资源、设备资源到服务资源。 动态性和异构性 网格作为一个系统，其规模、资源、服务都是在不断的变化之中。网格的动 态性包括动态增加和动态减少这两方面的含义。原来拥有的资源或者功能，在下 一时刻可能就会出现故障或者不可用；而原来没有的资源，可能随着时间的推移 会不断地加入进来。异构性是指网格内存在形式各异的计算机系统，同时网格内 的信息资源也是多样的，各种媒体信息、各种知识库、由不同语言开发的应用等 由! 号予o 自相似性 网格的结构，具有自相似的特征。自相似是自然界非常普遍的现象，在自然 和社会现象中大量存在，一些复杂系统都具有这种特点，网格就是这样。网格的 9 茔三墼塑堕垫垫查塑望堡墼亘至竺竺塑窒 局部和整体之间存在着一定的相似性，局部往往在许多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。 2 1 4 网格的分类 按照网格主体把网格分成面向不同应用领域的网格。应用网格有科学网格、 地球系统网格、地震网格、军事网格、物理网格、游戏网格、教育网格等等。 按照网格客体的不同层次，可将网格分为资源网格、信息网格和知识网格三 个从低到高的层次，分别对应于处理内容为资源、信息、知识层次的网格，如图 所示： 网格应用 知识网格 信息网格 资源网格( 计算网格、数据网格) 网格物理基础( 国际互联网、各种局域网) 图2 - 1 网格客体的层次 这里的资源网格包括我们平常所说的计算网格和数据网格。直接坐落在w w w 之上的是资源网格，它为上层应用提供数据层面的连通和共享。信息网格坐落在 网格操作系统之上，它的功能是为上层应用提供信息的无缝共享，包括信息数据 库的构建、信息的发现、连通、处理等。知识网格坐落在信息网格之上，它是网 格的高层应用，它的主要功能是从底层的数据和信息中发掘知识、处理知识、应 用知识。 根据网格客体对象不同，可以把网格分为数据网格、计算网格、服务网格。 数据网格中共享的基本单位是数据，主要解决数据的共享问题；计算网格中共享 的基本单位是计算资源，计算网格为用户提供共享资源的良好接口和机制；服务 网格中共享的对象是服务，以服务的形式提供共享的手段。在服务网格中，人们 可以把不同的资源经过封装用服务的形式提供给网格主体使用。 ( 1 ) 计算网格 1 0 基于数据网格技术的远程教育系统的研究 网格计算是伴随着互联网技术而迅速发展起来的，专门针对复杂科学计算机 的新型计算模式。这种计算模式是利用互联网把分散在不同地理位置的电脑组织 成一个“虚拟的超级计算机”，其中每一台参与计算的计算机就是一个“节点”， 而整个计算是由成千上万个“节点”组成的“一张网格”，所以这种计算方式叫 网格计算【7 j 。 根据网格计算侧重点不同，网格计算分为分布式超级计算( d i s t r i b u t e d s u p e r c o m p u t i n g ) 、大吞吐量计算( h i g h t h r o u g h p u tc o m p u t i n g ) 、即时计算 ( 0 n d e m a n dc o m p u t i n g ) 、数据密集型计算( d a t a i n t e n s i v ec o m p u t i n g ) 和协同 计算( c o l l a b o r a t i v ec o m p u t i n g ) 五种类型。 网格计算技术将解放人们使用计算的方法，使人们可以轻而易举地成为一些 科研工作常见和使用大规模、多学科、动态的、分布式的、高性能的应用环境， 而这些科研工作以前是不可能展开的或者是展开起来代价很高，如高能物理数据 分析、气候建模、宇宙观测、实时遥感数据分析和数据同化、大型数据集交互分 析和虚拟显示可视化等。 ( 2 ) 数据网格 数据网格是一种分布式数据管理体系结构，包括各种类型的数据库、文件系 统以及数据采集器等数据资源，数据网格的应用一般涉及对海量数据的共享、访 问和处理，而且这些数据常常存储在不同地点、不同格式的数据载体( 数据库、 文件系统) 中。数据网格系统为用户提供统一的数据访问接口和共享机制，统一、 透明、高效地访问和操纵网格环境中各种分布、异构的数据资源，研究方便管理 和访问分布异构的各种存储系统和数据的方法，快速地将数据资源进行共享、转 化和操作。从各种数据存储系统中抽象出共同的存储系统抽象模型并定义相应功 能，为不同的数据存储系统提供统一的数据访问接口和a p i 规范，在应用层和资 源层之间增加统一访问信息的分布式数据组件模块以屏蔽数据存储的异构性，供 系统开发员和用户使用。 数据网格的特性包括【踟：( 1 ) 底层结构无关性：数据网格与计算机硬件、操作系 统、存储系统等底层结构无关。( 2 ) 实现方法无关性：在不更改数据网格体系结构 的前提下，允许用户自己定义及修改功能的实现方法。( 3 ) 与计算网格的兼容性： 可以直接使用计算网格中的授权、认证、资源管理等服务。( 4 ) 体系结构的统一 基于数据网格技术的远程教育系统的研究 性：不同数据网格之间的协议、接口必须统一，以实现互访。 2 2 网格体系结构 到目前为止，比较重要的网络体系结构有两个：一个是f o s t e r 等在早些时 候提出的五层沙漏结构；另一个是以i b m 为代表的工业界的影响下，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 bs e r v i c e 提出的开放网络服务结构 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 ) 。5 1 2 2 1 五层沙漏结构 五层沙漏结构是以协议为中心，同时非常重视应用程序接口a p i 和s d k 的结 构，主要对网格的体系结构进行定性的描述，但是不进行具体协议的定义，其结 构如图所示： 应用层 汇聚层 1r 资源层 1r 连接层 i 图2 - 2 五层结构及其t c p i p 网络协议的对比 让我们来看一下五层结构的组成及其与i n t e r n e t 结构的对应关系，虽然这 种对应不是非常严格的对应关系，但是通过比较更容易理解五层沙漏网格的结 构。 最下层是构造层( f a b r i c ) ，其基本功能就是控制局部的资源，向上提供访 问这些资源的接口。构造层资源是非常广泛的，可以是计算资源、存储资源、目 录、网络资源以及传感器等等。构造层的构成可以十分复杂，也可以相对简单， 冒囤 基于数据网格技术的远程教育系统的研究 从原理上来讲，没有大的区别，只是构成网格的复杂度不大一样。构造层有自身 的协议，来保证其自身的通信和功能。比如说，一个局域网作为网络构造层的一 个资源，其内部有自身协议，但这种协议和网格协议是不同的。构造层必须提供 访问其资源的接口才能被上层顺利访问到。构造层应该实现的基本功能包括：查 询机制( 发现资源的结构和状态等信息) 、控制服务质量的资源管理能力等。 第二层是连接层( c o n n e c t i v i t y ) ，其基本功能就是实现相互的通信。定义 了核心的通信和认证协议，用于网格的网络事务处理之中。通信协议允许在构造 层资源之间交换数据，要求包括传输、路由、命名等功能。在实际中这些协议大 部分是从t c p i p 协议栈中抽出的，比如网络层( i p ，i c m p ) 、传输层( t c p ，u d p ) 和 应用层( d n s ) 。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。 第三层是资源层( r e s o u r c e ) ，主要功能就是实现对单个资源的共享。资源 层的协议建立在连接层的协议之上，定义的协议主要包括安全初始化、控制单个 资源共享、监视、审计等。资源层仅仅考虑单个资源的协议，把全局和分布式资 源交给上层来考虑。资源层的协议主要由两部分组成，其一是信息协议，功能是 得到资源的结构信息如配置、负载等。另一部分是管理协议，负责访问共享资源、 提供对资源的操作等等。 第四层是汇聚层( c o l l e c t i v e ) ，其功能是协调“多种”资源的共享，以提 供给高层应用。汇聚层的服务可能是永久性的，并且其协议也应该是通用的。对 于特定的资源，也应该有面向问题的协议，但这些协议只存在在特定的虚拟组织 或特定的领域中。汇聚层也要包含与应用相关的a p i 和s d k ，以便使用资源层的 协议来管理和操纵下层的资源。 最上层是应用层( a p p l i c a t i o n ) ，和任何一个计算机系统一样，应用层总 是最高层，构建在所有其它协议之上的，面对的是程序开发者。在下层协议的基 础上，可以选择一种语言，或者构建一个平台，用来进行网格服务的开发。 五层沙漏结构是以协议为中心的结构，而该结构中从底层到高层的协议数量 存在很大的差别。从沙漏情况可以看出核，心协议应该是数量少、利于移植、容易 实现、能够得到广泛支持。资源层和连接层的协议承担着承上启下的作用。网格 系统就是通过高层的应用系统作为与用户的界面，而具体的工作必须要有物理的 基于数据网格技术的远程教育系统的研究 构造层通过通信来完成工作。就像一台普通的计算机一样，最重要的部分是操作 系统。操作系统之上可以有许许多多的应用，操作系统之下可以有许许多多的硬 件资源，而操作系统的功能就是完成应用程序到物理的硬件之间的映射关系。资 源层和连接层协议就是起到这样的一个作用，不但能实现到高层协议的映射，同 时也能实现到下层协议的映射。而网格的工作就是通过这种纽带，实现高层的应 用程序到各种硬件资源的访问。因此，资源层和连接层协议，是五层沙漏结构的 核心协议，因为其数量相对与高层和底层协议比较少，所以形象地表示为沙子漏 斗的形状。如下图所示： 、工具与应用 应用层 目录代理 汇聚层 诊断与监控等 资源与服务 资源与 连接层 的安全访问 各种资源， 构造层 介质、网络、传感器等 图2 - 3 沙漏形状的五层结构 2 2 2 开放网格服务体系的基本思想 1 以服务为中心的模型 开放网格体系结构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 ) 是以服务为 中心的协议，被称之为下一代的网格结构。这里的服务是指具有特定功能的网络 化实体。在o g s a 框架中，将一切都抽象为服务，包括计算机、程序、数据、仪 器设备等。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络。 为了使服务的思想更为明确和具体，o g s a 定义了“网格服务”的概念。网 格服务是一种w e bs e r v i c e ，虽然w e bs e r v i c e 提供一种基于服务的框架结构， 但是，w e bs e r v i c e 面对的一般都是永久服务，而在网格应用环境中，大量的是 临时性的短暂服务，所以o g s a 结合w e bs e r v i c e 提出了网格服务，用于解决服 务的发现、动态服务的创建、服务生命周期的管理等临时服务有关的问题。 基于数据网格技术的远程教育系统的研究 在o g s a 中，所有一切请求和操作都可以看作是服务，因此网格就可以看作 是可扩展的网格服务的集合，即可以表示为网格= 网格服务) 。网格服务可以以 不同的方式聚集起来满足虚拟组织的需要，虚拟组织自身也可以部分地根据它们 操作和共享的服务来定义。 简单的定义如下：网格服务= 接口行为+ 服务数据。 下图给出了网格服务的示意图，从图中看到，一个网格服务下层是运行环境， 也可以说是支撑或者构建网格服务的平台，如c 、j a v a 、n e t 环境，再上一层 是建立在服务数据元素基础上的服务接口的具体实现，最上层是网格服务的接 口，网格服务与外界联系就是靠这些接口来实现的。 暇务数据访i d 疆式擞锅 软r l ：状念冬螽周期 g r i d s e r v i c e ( 必需的) 其它棱| - i l ：f 选的) 物、援接l j ： 一通知 一授权 一服务戳建 一暇务注册 一符艘 一，1 ：发 - i f i i l ；q 特；l i 成j i 3 的接l 一1 图2 3 网格服务示意图 o g s a 允许应用程序和用户创建瞬时服务、发现和确定可用服务的属性。o g s a f a c t o r y 、r e g i s t r y 、g r i d s e r v i c e 和h a n d l e m a p 接口支持创建瞬时服务实例， 并支持发现与实际的组织相关联的服务实例以及确定这些服务实例的特征。 网格服务的主要接口及其功能如下： ( 1 ) 服务接口( g r i d s e r v i c e ) 在o g s a 中，服务接口是唯一必须的服务，其功能是进行服务数据的访问、 显式撤销、软件状态生命周期等的管理。 在o g s a 中，其服务实际上是由临时服务完成的。当有服务的请求时，相对 应的网格服务会创建一个服务实例，那么就存在这个服务实例的生命存活期问 基于数据网格技术的远程教育系统的研究 题。当服务完成时，该服务要被撤销，以便释放所占用的资源。如果因为某些原 因，该中止的服务没有中止，或者不该中止的服务中止了，就是一个失败的服务。 在有些情况下，服务的存活期也需要改变，总之，对网格服务来说，生命存活期 是一个非常现实的问题，必须要解决好管理好，这个任务就是由服务接口来实现 的。为了更好地完成生命周期的管理，o g s a 引入了显式撤销和软状态生命周期 操作，当网格服务能够按照正常的服务程序结束时，就用显式撤销操作予以撤销， 释放资源。如果在服务的过程中，由于任何因素，导致了服务存活期的变化，但 是因为有软状态生命周期管理的操作，可以处理好这些问题。 当服务请求者要求网格某种服务时，需要一些服务数据。这些服务数据提供 一些有关服务的特征。服务数据用x m l 格式的数据进行封装，包括网格服务实例 的名字、类型、存活时间等信息。怎么样来发现这些数据元素，g r i d s e r v i c e 接 口对数据元素的表示进行了统一规范，同时提供了f i n d s e r v i c e d a t a 操作，以对 服务数据进行检索和查询。并且用注册服务来实现网格服务实例信息的管理。 ( 2 ) 句柄映射( h a n d l e m a p ) 网格服务相对网格服务实例来讲是抽象的，网格服务实例是由网格服务动态 地创建，并且有存活期。每个网格服务有一个全局唯一的名字，以区别其它网格 服务，这就是网格服务句柄g s h ( g r i ds e r v i c eh a n d l e ) 。网格服务可以在生 命周期内升级，这体现了网格的动态性，因此网格服务句柄不携带与网格实例和 具体网络协议或者网络地址相关的信息。开放网格服务体系把网格句柄的有关信 息封装起来，和网格服务实例相关的信息一起，构成网格服务引用g s r ( g r i d s e r v i c er e f e r e n c e ) 。 在o g s a 体系结