（计算机应用技术专业论文）学习网格的构架、设计与实现.pdf

一一一一銮星堡墨盔堂堡塑圣生堂堡堕茎 d e s c r i p t i o n c a l lb eu s e di nt h e p r o g r e s s o fd e v e l o p m e n t ，t h e i m p e r f e c t i o n sc a nb ed e t e c t e dp r o m p t l yi nt h es t a g eo fr e q u i r e m e n t a n a l y s i sa n db er e c t i f i e d ，t h e r e u p o na v o i d i n gt h ef u t u r eh a r m f u l c o n s e q u e n c e s i np r a c t i c a ld e v e l o p m e n t ，t h eu m ld i a g r a m sh a v e t h ep r o b l e mo fl o w e rp r e c i s i o n s ot h ec o d ed e s i g n e rc a l ln o tc o d e d i r e c t l y o nt h eb a s i so fu m ld i a g r a ma n du s i n gu m la n d f o r m a l i z a t i o ns i m u l t a n e o u s l yc a r b u i l da b r i d g eb e t w e e nt h e c u s t o m e ra n dc o d e d e s i g n e r b e i n ga no b j e c t o r i e n t e ds y s t e m ， l e a r n i n gg r i di sc o n f o r m a b l ef o ro b j e c t zb e c a u s ei t i sa l s ob a s e d o no b j e c to r i e n t e di d e a s ，a n dt h e r e f o r et h i st h e s i su s e so b j e c t zi n t h e p e r i o d o ff o r m a l d e s c r i p t i o n i n t h e p a r t o fp r o t o t y p e i m p l e m e n t a t i o n ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h em o s tw i d e l yu s e dg r i d p l a t f o r m ：g t 3 ，a n da l s op r e s e n t st h e r e g i s t e r a n d c o u r s e c o m p i l e ”p a r t so fl e a m i n gg r i di m p l e m e n t a t i o n t h ec sm o d ei s a d o p t e di nl e a r n i n gg r i da n dw ec r e a t es e v e r a lg r i ds e r v i c e so n s e r v e r , t h ec l i e n t i m p l e m e n t st h e r e g i s t e r a n d “c o u r s e c o m p i l e ”f u n c t i o nb yi n v o k i n gt h e s eg r i ds e r v i c e s ， k e yw o r d s ：l e a r n i n gg r i d ，g r i dc o m p u t i n g ，o g s a ( o p e ng r i d s e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ) ，o b j e c t - z 太原理工大学硕士研究生学位论文 用现代信息技术所提供的、具有全新沟通机制与丰富资源的学习环 境，实现一种全新的学习方式；这种学习方式将改变传统教学中教师 的作用和师生之间的关系，从而根本改变教学结构和教育本质。” 美国作为信息技术高度发展的国家，在远程教育方面进行了大量 的研究和试点，夏威夷大学、马里兰大学都分别开设了远程教育本科 或硕士学位课程或专业，有的专业则只进行网络远程教育，据调查统 计7 5 的美国大学将提供网上教育，5 0 0 0 万成年人进行学习。1 9 9 7 年美国对其高等教育院校开展远距离教育的分析报告中指出，截至 1 9 9 5 年秋，有1 1 3 的院校已开展了远程教育，另外1 4 的院校计划在 随后3 年内开展远程教育，当年共开设了2 5 7 3 0 门不同的远距离教学 课程，并为选课的本科生或研究生提供学位或结业证书“1 。 在远程教育的实施e l e a r n i n g 系统方面，美国西北大学受美国 n s f 经费赞助下的c o v i s 工程，美国斯坦福大学、瑞典皇家工学院 f k t h ) 和新加坡国立大学( n u s ) - - 校互联的基于i n t e m e t 的远程学 - 3 环 境。在英国，已经实现了英语资格考试的网上学习和水平认证全过程。 在日本，也有由日本邮政省与早稻田大学实施的结合卫星与i n t e r n e t 的全球信息技术学院( g i t i ) 工程“。在国内，继几年前中国教育科研 n ( c e r n e t ) 和众多校园网的建成和应用之后，仅在去年上半年，中 央教育资源库、中国高教考试答疑网等一批现代教育网络先后启动， 并确立了清华大学、北京邮电大学、浙江大学、湖南大学等远程教育 试点单位“3 。典型系统有清华大学开展的试点远程教育系统 ( 丝e 幽鳗：! ! ! ：3 ：21 y 坠垫也h ! 盟) 和上海交通大学远程教育中心 ( h t t p ：w w w d l e s i t u e d u c r l ) 建立的较完善的网上学习环境。 1 2 当今远程教育的不足 1 资源共享 由于远程教育在早期发展中缺少统一的协调，所以造成了很大程 度上的低水平重复建设，大量极为类似的学习资源被重复创建，形成 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 了无数的信息孤岛，而这些的资源至今其共享也是非常棘手的。如： 学习资源存在的形式是多种多样的，有的创建者使用基于w e b 的b s 方式，而有的却是c s 模式；有的用j a v a 编写，有的用d e l p h i ，有 的却是v c + + 抑或v b 编著：有的是基于u n i x 或l i n u x 的，而有的则在 w i n d o w s 平台运行。 我们将这些在构造模式、语言环境、操作系统等方面的不同统称 为异构，即便人们都意识到学习资源的重复创建是一种浪费，大家想 要共享学习资源却也会因异构问题而变得十分艰难。 随着社会的发展，如果资源共享的问题不能及时得到解决，资源 的重复创建必然继续甚至更为严重。如果通过某些技术可以使得学习 资源充分共享，将现在无数的信息孤岛联为一片“广阔而富饶的大 陆”，在节省巨大的人力、物力和财力的同时，也使得用户在进行远 程学习时更为方便。 2 资源管理和调度 资源的管理和调度是另一个问题。由于我们要面对的是共享后海 量学习资源的管理和调度，需要编写大量管理和调度模块，而且这些 模块间融合也是很困难的，往往形成各区域内管理和调度自成一体， 使得刚刚共享的资源成为“死资源”。而上述异构闯题的存在使得这 项工作变得更加困难。与此同时，各个远程教育的提供者有需要用更 多的学习资源来吸引用户，为用户提供更好的服务，这就必然导致： 需求) 创建更多学习资源) 异构性更强) 管理更加 困难 共享更难实现 需求更多这样的恶性循环。 3 安全性 现代社会是商品社会，而且任何远程教育系统都有其开发、维护 及运行成本，从而在进行一定阶段的试运行或普及性宣传后，向在线 学习者收取一定合理的费用也就成为必然。但在网络环境还不是很好 的今天，黑客的攻击，病毒的入侵等安全性问题r 益成为人们关注的 焦点。我们的在线教育平台要在保证用户安全使用的同时使得我们的 经济利益不受损害，就必须保证系统的安全性。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 在现有的技术下，大部分学习资源提供者都使用防火墙等网络防 护方法，但这些方法的效果和经济代价都是需要我们考虑的。加之要 达到学习资源的充分共享就必须使用其他资源提供者所提供的学习 资源，这更是给系统的安全带来了很大的，不可预知的安全隐患。 1 3 网格背景下的远程教育学习网格 由于现行的远程教育存在诸多不足之处，这些不足却可以通过引 入网格技术来很好的解决，从而我们提出了建立网格背景下的远程教 育系统的构想，即构建学习网格。 网格( g r i d ) 概念产生于9 0 年代中期，是从电力网( p o w e rg r i d ) 概念借鉴过来的，网格计算( g r i d c o m p u t i n g ) 就是基于网格的问题 求解5 1 ，它是由美国芝加哥大学教授、阿冈实验室研究员i a nf o s t e r 等人于1 9 9 6 年提出的。说网格是项突破性创新，因为各种迹象都 表明，像计算机历史上的i b ms 3 6 0 系统、操作系统、关系数据库和 w e b 一样，网格会产生计算机领域的新科学与新技术，导致业界重新 洗牌( p a r a d i g ms h i f t ) ，从而淘汰或超越现有产品，开辟庞大的耘 市场”3 。中科院计算所的李国杰所长认为：“一旦关于网格的一系列 协议标准面世，就会推动产生全球网络应用的第三次浪潮( 前两次是 i n t e r n e t 、w e b 的出现) 。因此，李国杰所长将网格称之为第三代因 特网应用。简单地讲，传统因特网实现了计算机硬件的连通，w e b 实 现了网页的连通，而网格试图实现互联网上应用层面的互联互通，这 就意味着所有资源的全面连通，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”。1 。 从以上分析可见，网格的最终目的是希望大家能够像使用电力一 样方便地使用分布在网络上强大而丰富的计算能力。而基于网格环境 下的学习网格将可以把分布在各个信息孤岛上的学习资源统一在一 起，使大家可以极为方便的使用，这正是我们所希望达到的最终目标。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 4 论文的主要工作 本课题的任务是运用网格技术来设计和实现一个学习网格，以弥 补现在远程教育中存在的几个不足。我们首先提出学习网格的体系结 构，并依据此体系结构对系统进行u m l 设计建模；然后我们会对所 建模型进行形式化验证，在使得程序的编制更为方便同时保证模型的 下确性；最后我们会介绍一个实验系统，此实验系统主要包括学习网 格系统中用户注册模块和教师课程编制模块。 1 5 论文的安排 第一章已经对远程教育系统和网格技术进行了初步的探讨，提出 了当今远程教育系统存在的几个不足之处，并提出一种可能的解决办 法建立学习网格。论文以下章节的研究内容如下： 第二章，主要介绍建立学习网格的相关基础知识，包括网格的定 义，网格与w 曲服务( w 曲s e r v i c e s ) 技术的结合以及学习网格相关 知识，这些是建立学习网格的重要理论依据。 第三章，在参考了大量国内外的文献和成功系统的前提下，首先 提出了学习网格的体系结构，然后在学习网格中以用户注册和教师课 程编著为例进行了u m l 设计建模，为整个系统的最后实现打下坚实 的基础。 第四章，丌始介绍了为何要对模型形式化，而后介绍了所使用的 形式化语言z 及o b i e c t z ，然后对所建立的u m l 模型进行形式化验 证。 第五章，在第四章形式化的基础上，以用户注册和教师课程编著 两个模块为例，实现了学习网格酌实验系统。 第六章，总结了论文的研究工作和进一步的展望。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章学习网格的理论基础 2 1 什么是网格 简单地讲，网格是把分散在各地的资源整合起来形成台巨大的 超级计算机，实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识 资源、专家资源和设备资源的全面共享和协同。这样的组织有两个优 势：一个是数据处理能力超强：另一个是能充分利用网上的闲置处理 能力。 当然，网格并不一定非要很大。我们也可以构造地区性的网格( 如 太原理工大学网格) 、企事业内部网格、局域网网格、甚至家庭网格 和个人网恪。网格的根本特征并不一定是它的规模，而是资源共享， 消除了信息孤岛。网格的技术特征包括； 1 资源共享，消除信息孤岛：协同工作。这是网格的基本技术要 求。 2 通用开放标准，非集中控制，非平凡服务质量。这是网格之父 i a nf o s t e r 提出的网格检验标准侧。 2 1 1 网格现状 网格的概念产生于9 0 年代中期，是从电力网( p o w e rg r i d ) 概 念借鉴过来的，网格计算( g r i dc o m p u t i n g ) 就是基于网格的问题求 解。它是由美国芝加哥大学教授、阿冈实验室研究员i a nf o s t e r 等 人于1 9 9 6 年提出的。 2 0 0 1 年9 月l o 日，也就是“9 i i 事件”的前一天，美国福布 斯杂志的科技版f o r b e sa s a p 发表了一组文章，预告了网格技 术的普及。文章分析了计算机技术的发展历史和近几年的趋势，并指 出： 1 信息技术的下一波大浪潮将在2 0 0 4 2 0 0 5 年度出现。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 面仍然是美国最为积极，除了现有的t e r a g r i d ( d t r ) 、t f 、各种应 用网格计划、m i d d l e w a r ei n i t i a t i v e 以外，最值得注意的是n s fb l u e p a n e l 已经酝酿了两年多的c y b e r i n f r a s t r u c t u r e 计划。该计划已经 得到批准，每年会增加6 亿美元的研究经费，其中网格是一个核心技 术。美国国家基金委认为，从1 9 8 0 年代开始支持高性能计算中一h 9 0 年代_ 丌始支持计算网格计划( p a c i ，t e r a g r i d ，i t r 等) ，到2 0 0 5 年左右将开始执行的c y b e r i n f r a s t r u c t u r e 计划，是美国利用高性能 计算保持科技领先的战略步骤“”。 欧洲方面最积极的是英国( e s c i e n c e ) 。荷兰、意大利与德国也 有相当投入。连原来不甚积极的法国，也启动了一个称为a c ig r i d ( a c t i o nc o n c e r t ei n c i d a t i v e ) 的国家网格计划。这个三年计划的 经费约为1 0 0 0 万美元，但不包括人员和设备投入( 另有经费支持) “”。 日本与韩国的网格计划已经启动，并各自成立了全国网格论坛。 韩国的网格计划之是n $ g r i d ，这个2 0 0 2 2 0 0 6 的五年计划将投资 3 j o o 万美元，但不包括网络和高性能计算机的投入，后者每年投入为 1 5 0 0 力美元。日本政府2 0 0 3 年肩动了n a t i o n a lr e s e a r c hg r i d ( 一 亿美元) 和n a t i o n a lb u s i n e s sg r i d 两个研究开发项目。就连台湾， 也启动了“知识创新网格”的三年科研计划( 2 0 0 3 2 0 0 5 ) ，总投资为 3 0 0 0 万美元。 不过，尽管政府的投入不小，产业界的投入就大多了。比如，i b m 于2 0 0 3 年底宣布投入1 0 0 亿美元，启动“按需计算”计划( 0 nd e m a n d c o m p u t i n gi n i t i a t i v e ) ，这个计划由i b m 资深科学家 w l a d a w s k y b e r g e r 领导，其主要内容是网格计算( g r i dc o j i 】p u t i n g ) 与自主计算( a u t o n o m i cc o m p u t i n g ) “。 我国对网格的研究也正在积极的开展，1 9 9 9 年一2 0 0 1 年，在教育 部支持下，李三立院士带领清华大学网格研究组进行了先进计算基础 设施a c i ( a d v a n c e dc o m p u t a ti o n a li n f r a s t r u c t u r e ) 的研究。a c i 将 分布于北京和上海的两台自主研制的超级计算机连接成为聚合计算 能力达到4 5 0 0 亿次的网络计算平台，并提供网页访问界面，让分布 8 太原理= r = 大学硕士研究生学位论文 在大型军事、科学或商业项目上，从而在学习网格方面发展还处于萌 芽阶段。国外的学习网格研究主要集中在欧洲和美国，如美国的n i c e 一一叙事式沉浸的建设者及协同环境( n a r r a t i r ei m m e r s i v e c o l l a b o r a t i r ee n v i r o n m e n t s ) ，欧洲的i w t ( i n t e l l i g e n tw e b t e a c h e r ) 等。在国内容易引起误解的是2 0 0 1 年底教育部“十五”2 l l 工程服务体系建设的重大专项：中国教育科研网格c h i n a g r i d 计划。 实际上它并不是一个学习网格，其目的是充分利用中国教育科研网 c e r n e t 和高校的大量计算资源和信息资源，开发相应的网格软件，配 合网络计算机( n c ) 的使用，将分布在教育与科研网上自治的分布异构 的海量信息资源集成起来，实现c e r n e t 环境下资源的有效共享，消 除信息孤岛，提供有效的服务，形成高水平低成本的计算服务平台， 将高性能计算送到教育与科研用户的桌面上，成为国家科研教学服务 的大平台。目前参加一期建设的有华中科技大学、清华、北大、北航、 上交、华南理工、东南、西交、东北、国防科大、山东、中山等1 2 所高校，其目标是基于教育与科研网的基础，建立聚合能力超过每秒 6 万亿次量级的教育科研网格，总存储容量超过6 0 t b ，争取在网格计 算的基础研究和应用研究方面走在世界前列。可见c h i n a g r i d 仍然是 一个底层平台，而不是在远程教育这个领域内具体应用。但同时这个 底层平台也将对远程教育提供支持，这表明国内在学习网格领域已经 开始酝酿我们将努力先加入到学习网格这个领域中来，为高校教学体 制改革尽自己的一份力。 现在远程教育学习网格方面仍存在不少问题急待我们去解 决，比如构造一个学习网格的整套方案的提出：学习网格用户需求获 取后的形式化验证，也就是系统分析人员和系统开发人员之间的沟通 桥梁的搭建等等。而我们主要准备研究的是学习网格系统结构，学习 网格用例及其形式化方面的课题。在系统结构上，上述的i w t 提出了 其自身的结构，而并没有提出整套系统开发方案；而n i c e 更是集中 在虚拟仿真这个特殊范围，对整个学习网格领域不具有很强的代表 性。对于普通的系统开发，r u p ( r a t i o n a lu n i f i e dp r o c e s s 统一软 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 件过程) 已经是套较为成熟的开发方法，但普通r u p 开发和网格系 统r u p 有着很多的不同，而且r u p 中对于系统分析人员和系统开发人 员间的沟通支持不够。在本论文中我们将把重点放在以上的三个问题 上，努力为学习网格的研究、开发，特别是其普及应用起到有效的推 动作用。 2 1 1 并行计算与分布式计算 网格计算是在并行计算和分布式计算的基础上发展起来的，但它 与这两者又存在很大的不同。 并行计算主要集中在“同构的”系统之上。而分布式计算则主要 面向“异构”系统，那么分布式计算与网格计算的差别又在哪里呢? 应该说：网格是一种分布式系统，但网格不同于传统的分布式系统。 这个问题之所以必须回答，因为人们常常会问另一个相关的问题：“为 什么我们需要网格? 现在已经有很多系统( 比如海关报关系统、飞机 订票系统) 实现了资源共享与协同工作。这些系统与网格有什么区 别? ” 我们把这些系统称为传统的分布式系统，i b mg l o b a ls e r v i c e 与 e d s 是在这个领域最著名的公司。构建分布式系统有三种方法；即传 统方法( 我们称之为e d s 方法) 、分布自律系统( a u t o n o m o u s d e c e n t r a l i z e ds y m e m s ，a d s ) 方法，网格( g r i d ) 方法。a d s 通常用 于工业控制系统中。网格方法与传统方法的区别见下表“： 表2 - 1 网格与传统分布式系统的区别 t a b l e2 - 1d i f f e r e n c eb e t w e e ng r i da n dt r a d i t i o n a ld i s t r i b u t e ds y s t e m 特征传统分布式系统 网格 开放性需求和技术有一定确定性、封闭开放技术、开放系统 性 通用性 专门领域、专有技术 通用技术 集中性很可能是统一规划、集中控制一般而言是自然进化、非集中控 制 太原理： 大学硕士研究生学位论文 图2 一1w e b 服务的目标” f i g 2 一lt a r g e to f w e bs e r v j c e w 曲服务结合面向构件方法和w 曲技术的优势，以封装、消息 传递、动态绑定、服务描述和查询为基本概念，把网络上的所有内容 都封装成服务，利用标准网络协议和基于x m l ( e x t e n s i b l em a r k u p l a i l g u a g e ，可扩展标记语言) 的s o a p ( s i m p l e0 b j e c t a c c e s sp r o t o c 0 1 ， 简单对象访问协议) 进行通信，具有良好的普适性和灵活性，在i n t e m e t 这个巨大的虚拟计算环境中，任何支持这些标准的系统都可以利用 u d d i ( u n i v e r s a ld e s c r i p t i o n ，d i s c o v e r ya n di n t e g r a t i o n 统一描述、发 现和整合) 被动态定位以及与网络上的其它w 曲服务进行交互，突 破了传统的分布式计算模型在通信、应用范围等方面的限制。 w e b 服务作为基于i n t e m e t 的组件技术，可以很好的解决上述资 源共享的问题。 2 。2 用w e b 服务改善现有远程教育系统 上面已经粗略的提到了w 曲服务的优点及其三大支撑技术 x m l 、s o a p 和u d ，那么w 曲服务究竟如何工作，它有如何改 善现有远程教育系统呢? 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 实例 。 冒l ? 蕊服8 a、豳 i ，”4 霍 酿 ，一玲 厂i 险 匕羔美墨些。i 图2 - 4w e b 服务调用实例 f i g 2 - 4i n s t a n c eo f w e bs e r v i c er e v o k e 我们来假设我们的客户端已经定位了这个简单的m a t hw e b 服 务，从w s d l ( w 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 w e b 服务描述 语言) 产生了客户端s t u b ，并且服务端程序也产生了服务端s t u b 。 一、无论客户端什么时候需要调用w e bs e r v i c e ，它都需要调用客 户端s t u b 。这个客户端s t u b 会将这个本地调用转换为合适的s o a p 请求，这步经常被称为编组过程( m a r s h a l l i n g p r o c e s s ) 。 二、s o a p 请求使用h t t p 协议通过网络发送出去。w e b 服务容 器接收到s o a p 的请求后将它交给服务器s t u b 。服务器s t u b 把s o a p 请求转换服务器实现程序能够理解的形式。这步经常被称为解散。 三、服务器实现部分收到从服务器s t u b 转来的请求后，执行所请 求的工作。例如我们调用了i n ta d d ( i n ta ，i mb ) 方法，服务器实现执 行加法功能。 四、执行请求的结果由服务器s t u b 处理转换为s o a p 响应。 s o a p 啊应使用h t t p 协议通过网络发送。客户端s t u b 收到s o a p 响 应并将它转换为客户端应用可以理解的形式。 五、最终客户端应用接受到调用w e bs e r v i c e 的结果并使用这个 结果。 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 通知服务，l i f e c y c l em a n a g e m e n t 生命周期管理，t r a n s a c t i o n 事务服 务等等) ，w 曲服务目前都无法提供。 这两个缺点都可以在网格系统中得以弥补，网格服务( g r i d s e r v i c e ) 相对与w 曲服务来说有以下改进。 1 效率高：由于网格要实现计算资源、存储资源、数据资源、 信息资源、知识资源、专家资源和设备资源的全面共享和协同，所以 形成的是数据处理能力很强的计算平台，从而效率较高。 2 临时性：设想要访问远程的集群服务器执行一个复杂的数学 运算，要执行一连串的彼此相关联的复杂运算。而w 曲服务是无边 界和非临时的。“无边界”意味着w 曲服务不会记住你在从一个调用 到另一个调用之间作过什么，但如果要执行一串相关的操作般来说 是将一次操作的结果作为下一次操作的参数发送出去。此外，即使在 我们解决无边界问题( 诸如w e bs p h e r e 等w c b 服务容器也推在试图 解决这个问题1 的时候，w 曲服务还是非暂时的，这意味着这些服务 要比他们的客户端的持续时间长很多，也就是说当一个客户端使用完 一个w 曲服务后，所有这个w 曲服务所记录的信息都能被下一个客 户端所访问到。事实上这就潜在一个客户端正在使用某个w c b 服务 时另个客户端也能访问同个w 曲服务，并可能妨碍第一个客户 端的操作的危险。可以肯定的是，这不是一个好的解决方案。在网格 服务中这个问题可以通过工厂( f a c t o r y ) 来得到解决：用一个中心服 务工厂代替被所有用户共享的无边界的大的w e b 服务，这个工厂负 责管理一系列服务实例。当个客户端需要调用服务操作时它会通知 这个实例而不是工厂；当客户端需要创建( 撤销) 一个实例时才会与 工厂通信( 如图2 5 ) 。 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 5w e b 服务实例 f i 9 2 5w e bs e f v i c ei n s t c e 3 生命期管理：网格服务提供了一些必须的工具，例如可以在网 格服务生命期内特定时刻( 创建，撤销等等) 的回调函数，用于高效的 管理它自己的生命周期。 4 通知机制：我们可以定义一个网格服务作为通知源而某些客户 端作为通知接收器( 或称为订阅者) 。所以当网格服务发生了改变后 会通知所有的订阅者变化( 不是通知所有的变化，只是网格服务想要 通知的变化内容) 。 5 服务信息：网格服务有一组用来描述自己的相关服务信息。服 务信息和w 曲服务中的w s d l 不同，w s d l 描述了方法、协议等细 节，而服务信息则提供服务的特点和能力等信息，这在索引网格服务 时相当有用n 。 从上面的分析我们可以看出，w 曲服务虽然可以很好的解决资源 共享问题，但它也有效率、临时性及生命周期管理等方面的缺点，而 这些可以通过网格来解决，从而选用网格( g r i d ) + 远程教育来构建 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 学习网格可以很好的解决现行远程教育系统所遇到的问题，下一步就 是选用一个合适的网格基础平台来实现学习网格了。 2 3 2 网格基础平台的选择 网格基础平台是实现学习网格的容器，现在较为有影响力包括 c o n d o r 、l e g i o n 、n i n f 、g i o b u s 等。他们都以填补异构平台之间的差异 为己任，但又互不兼容“。 随着2 0 世纪9 0 年代后期w 曲服务的快速发展，g l o b u s 项目组看到 了w e b 服务的巨大潜力，在2 0 0 2 年迅速将g l o b u st o o l k i t 的开发转向了 w 曲服务平台，推出了0 g s a ( 开放式网格服务体系结构) ，试图用 o g s a 在网格世界一统天下。基于0 g s a 之后，网格的一切对外功能 都以网格服务( g r i ds e r v i c e ) 来体现并借助一些现成的、与平台无关的 技术，如x m l 、s o a p 、w s d l 、u d d i 、w s f l ( w e bs e r v i c e sf 1 0 w l a l l g u a g e ) 等，来实现这些服务的描述、查找、访问和信息传输等功能。 这样，一切平台及所使用技术的异构性都被屏蔽。用户访问网格服务 时，根本就无需关心该服务是c 0 r b a 提供的，还是烈e t 提供豹。像 i b m 、微软、p l a t f o mc o m p u t i n g ( 一家分布式计算软件公司) 、a 、，a k i ( 商用网格解决方案提供商) 、e n t r o p i a ( 基于p c 的分布式计算网格技 术提供商) 等从一开始就宣传支持0 g s a 门町。 o g s a 的实现g j o b u st 0 0 1 k i t3 ( 简称g t 3 ) 更是得到业界的广 泛支持，i b m 、m i c r o s o r 、c o m p a q 、c r a y 、s g i 、s u n 、f 吗i t s u 、 h i t a c h i 、n e c 等公开宣布支持g 1 0 b u st 0 0 d t 。目前大多数网格项目都 是基于g l o b u s ，r o o l k i t 所提供供的协议及服务建设的，例如美国的物理 网格g r i p h y n 、欧洲的数据网格d a t a g r i d 、荷兰的集群计算机网格 d a s - 2 、美国能源部的科学网格和d i s c o m 网格、美国学术界的 t e r a g r i d 等等“。 由于学习网格主要是面向在线教学的，综合考虑技术的稳定性、兼 容性、现实性和自身的能力，o t 3 都是实现学习网格最为理想的网格基 础平台。 2 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章学习网格的设计方案 3 1 体系结构的设计 如同计算机系统结构在计算机工程中的重要作用一样，在设计软 件系统时软件体系结构( s o 胁a r e a r c l l i t e c t u r e ) 的设计也是很重要的 一环。软件体系结构设计不仅关系到软件系统的整体架构，甚至决定 了系统详细设计和实现等环节是否可以顺利进行，所以软件体系结构 的设计是一个软件系统成败的关键。 3 1 1 五层沙漏体系结构 在网格领域中，现今影响最大的体系结构是i a i lf o s t e r 提出的五层 沙漏结构和他与i b m 等提出的开放式网格服务体系结构o g s a ( o p e n g r i ds e r v i c e s 心c h i t e c t u r e ) 。以下便重点介绍一下五层沙漏结构。 图3 1 五层沙漏结构示意图 f i g 3 - 1f i v e1 a y e r ss a n d g l a s ss t r u c t u r e 五层结构是一种简单易行的架构，它主要以协议为核心，辅以应 用程序接口a p i ( a p p i i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e 曲c e s ) 、软件开发包 s d k ( s o 最w a r ed e v e l o p m e n tk i t s ) 以及各种服务。这些都是理解五层沙 太原理工大学硕士研究生学位论文 漏结构的基础，以下对其进行一一叙述。 1 关于共享 在网格环境中，用户要达曼巨引别蚓酗强巍霸基嚯臻强露。犁土 型覆弭霖疆循磐翟堡；而豇j 许蠊鹣雾障荔l ：= m 墓嚣幕描鎏；丽羁鳇 瑟麓嚣嚣菇爱髋舅j 奚型矬翠囊蚤燮氲彩副新引剥篓型颓剿趔孬秘i 器誊褊彝辅螂瞳菇靴蜴秘拜矬譬萋翥骚。塑囊泛鳖犀撞馨斧戛趔矬攀 岳潜鐾鼗甚墨爨i 斛引豇；磊u ( p o r t t y p e ) 相关操作 对应描述 g r i d s e r v i c e fi n d s e r v i c e d a t a 查询网格服务实 例的各种信息 se t t e r m i n a t i o n t i m e 设置网格服务实 例的终止时间 d e s t r o y 终止网格服务实 例 n o t i f i c a t i o n s o u r c e s u b s c r i b e t o n o t i f i c a t i e n t o p i c根据自身需要向j 服务通知提供者l 进行登记 2 8 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 关于服务 标准协议的制定使得对服务的定义更为方便，所谓标准服务便是 授权使用计算能力，授权使用数据，授权发现资源，授权协同调度等。 这些服务存在于各个虚拟组织中，服务越多，用户从虚拟组织中获得 的便越多，这一点与我们日常生活是相同的。 虽然五层沙漏体系结构现在进化为开放式网格服务体系结构 o g s a ，但其对构建一个网格系统来说仍然具有重要的基础价值和指 导意义。以下便具体说明各层的功用： 五层沙漏体系结构是一种简单易行的结构，其主要是定性的对网 格结构进行描述，而不强调具体的协议和规范。与网络的七层结构类 似，五层沙漏体系结构层次关系分明，下层为上层提供服务，以下先 给出五层结构与网络t c p 仃p 协议的对比以加深读者的理解。 图3 2网格五层结构与网络协议之对比 f i g 3 2c o m p a r j s o nb e t w e e ng r dn v el a y e r sa n dn e t w o r kp r o t o c 0 1 构造层 在沙漏结构中构造层包括各种计算资源、存储资源、目录访问资 源、网络资源、分布式文件系统、分布式连接池和传感器等。构造层 的资源可以是比较简单的微机或存储器，也可以是有多台微机组成的 机群，机群内部的互连协议称为内部协议，这与网格结构中资源之间 2 4 器圆 太原理工大学硕士研究生学位论文 汇聚层所关心的资源共享是跨局域的资源共性，也就是说，在本 层上实现的各种a p i s d k 均面向所共享资源的共同特征，实现各项 不同资源之间的相互作用。 我们在网格中所用到的大多数服务均来自汇聚层，而用户所要开 发的系统则属于应用层。应用层可能是很多不同的领域，它能实现的 功能主要取决于汇聚层提供什么服务。以下便列出常用的基本服务 表3 - 2 汇聚层的基本协议 服务名相关描述 目录服务虚拟组织中的用户发现和查询已有资源的服务 协同分配调度 虚拟组织中的用户可以申请一个或多个资源，并可以在所申请的 年【什t 理服务资源上进行任务分配调度和代理服务 监控服务对虚拟组织中存在的资源提供、外在攻击、资源负载等问题提 供监控服务 复制服务对虚拟组织中的数据存储复制、网络和计算管理提供服务 编程模型服务对用户提供基于网格环境上的，用户所熟悉的编程模型 协同i ：作框架对网格环境中存在的同步、异步等问题提供描述、使用羊管理 和负载管理服等服务 务 发现服务针对用户相应的网格问题选择最适宜的软、硬件实现平台的服 务 协作服务对较大的用户群内部提供同步或异步的信息协同交换服务 应用层 应用系统程序员所实际关心的正是本层，基于汇聚层提供的服务， 我们可以在应用层上丌发出多种不同的网格应用。不同的范畴和需求 必然形成不同的应用范围，也就是上文中所提到的虚拟组织，应用层 便是虚拟组织的具体表现”1 。 五层沙漏结构在网格的发展上起了很大的作用，但它不足以完全 满足以服务为中心的动态变化需求。在o g s a 框架中，一切都被抽象 为服务，包括计算机、程序、数据、仪器设备等。这种观念，有利于 通过统一的标准接口来管理和使用网格，这也是o g s a 成为现今网格 2 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 的不同实例。o g s a 中由这样两个基本的操作：d e s t r o y 和 s e t t e m i n a t i o n t i m e 等几个操作来撤销和终止网格服务实例的生命周 期，在服务存在的同时，软状态协议通过接收“k e e p a l i v e ”消息来保 持服务的存在。 下面用一个实例对上述的生命周期管理过程进行说明。 图3 4服务生命周期管理 f j g 3 - 4s e r v j c ei f e c y cj em a n a g 锄e n i 如上图所示，对于一个特定的服务，在a 点通过调用c f e a t e s e r v i c e 操作创建了一个服务实例，从而这个实例就获得一个生命周期，初始 的生命终止点在e 点。我们可以通过上述的s e t t e m i n a t i o n t i m e 操作 来将其生命周期在c 点终止。如果没有调用s e t t e 兀l l i n a t i o n t i m e 操作， 服务实例将一直持续到初始生命周期的e 点。如果在到达e 点前的d 点时，服务的客户端想延长此服务的生命周期，则可以通过向服务器 端发送“k e e p a l i v e ”消息来使此服务实例的生命周期得以扩展。 以上对网格中的临时服务作了简要的概述，我们可以看出，网格 服务的灵活性，正是由于服务的灵活，从而网格服务相对于w e b 服务 就体现了其优点。 3 1 3 学习网格体系结构设计 基于以上对五层沙漏及o g s a 的了解，以下将引入针对远程教育 特定领域的学习网格体系结构。 3 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 e 一1 e r l i i r 嚏i o g s 直 r d h i t t u t h a r 曲8 r ee q u i p m e n t 图3 4 学习网格体系结构 f 9 3 - 4l e a r l l i n gg r i da r c h i t e c t u r e 如上图所示，由于o g s a 构架是基于w 曲服务的，从而其自然 具有消除信息孤岛的功能，而加入了网格自身特点后使得整个学习网 格的基础更加强大( 临时服务、生命周期管理、通知机制等) ，基本 的资源调度及安全性保证也在o g s a 层中进行处理。而对于更高级的 资源共享( 如数据库、影音文件等) ，资源调度和安全性保障则是在 学习服务管理层( l e a r n i n gs e r v i c em a n a g e m e n t ) 进行的。位于架构 顶端的是已有的远程教育系统，在下层的支援下，它可以作为遗产系 统进行改造以适应网格平台的需求。 本论文的工作主要集中在学习网格的资源共享方面，位于整个架 构的中间层，两资源调度和安全性问题由同组的同学负责，在后面的 实验系统也主要集中在资源共享和体现网格优势方面。 3 l 厂 警一 糍 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 2u m l 简介 3 2 1 u m l 基础知识 1 9 9 7 年1 1 月1 7 日，o m g 采纳u m l1 1 作为基于面向对象技术的 标准建模语言。三位面向对象编程的专家b o o c h 、r u m b a u g h 和 j a c o b s o n 是u m l 的主要创立者。 u m l 建立了一整套语义完整的符号集台。这些集合大致上可分 为三类构造块：事物、关系和图。事物是模型中高层的抽象；通过关 系把事物连接起来；利用图的形式把事物及其之间的关系表示出来 【2 4 l 。u m l 包括九种不同的图：类图、对象图、用例图、顺序图、协 作图、状态图、活动图、构件图和配置图。 我们已经有了学习网格的体系结构，在具体实现它的过程中使用 u m l 进行系统详细设计。 因为u m l 是建立在许多面向对象编程的基础上，其中也包括面 向对象分析。所以，u m l 在表示现实世界的实体上是很有效的，如 u m l 的静态和动态建模机制。但是，u m l 也有其局限性的一面，u m l 的图示并不能直接地建立一个软件系统甚至不能直接为编码人员所 接受而且图示也难免有二义性、精确性不高、前后不一致等问题。 因此，为了表示超越其符号集所表示的语义范围，就必须采用一些机 制来解决这个问题。如利用形式化等手段来对其做一些改进和补充。 3 2 2 u m l 建模 从应用的角度看，当采用面向对象技术设计系统时，首先是描述 需求：其次，根据需求建立系统的静态模型，以构造系统的结构：第 三步是描述系统的行为。其中在第一步与第二步中所建模型都是静态 的，包括用例图、类图( 包台包) 、对象图、构件图和配置图，是u m l 的 静念建模机制。