（计算机应用技术专业论文）教育资源网格副本管理策略研究.pdf

摘要 网格技术用于实现广泛的分布式资源共享和协同工作。为了一体化组织和管理地理上 分布的教育资源，实现教育资源的共享，教育资源网格应运而生并成为当今研究热点之。 教育资源网格旨在解决教育资源共享的问题，即在保护知识产权的前提下共同使用教育资 源，避免盲目地重复开发。副本管理是教育资源网格资源共享的基础，在网格环境下能否 通过副本管理高效地访问共享资源，已经成为衡量网格系统好坏的重要标准之一。 本文以国家自然科学基金项目“基于因特网的教育资源网格模型及服务理论研究”为 背景，以提高资源访问效率与稳定性为目标，对教育资源网格的副本管理策略进行了深入 研究。在总结前人工作的基础上，本文的主要研究工作及创新如下： 1 对国内外教育资源网格的研究现状进行了综述，阐述了教育资源网格的特点及发展 前景，分析了目前教育资源共享存在的问题。根据教育资源网格物理网络的特点，定义出 其网络体系结构，即将相互访问延迟较短或位置相近的节点组成一个城市域。然后根据教 育资源的特点提出了教育资源网格的副本管理模型，给出了副本管理主要问题的数学描 述，为后续的研究奠定了基础。 2 根据教育资源网格物理网络的特点，基于c a n 寻址技术给出了一个改进的寻址算 法d c c a n 。该算法通过将相同城市域中的节点分配到一个连续的c a n 区域中去，避免 了寻路时在两个域之间多次跳转，因此该算法能够有效地适应教育资源网格的网络特点。 然后在此基础上提出了一种副本定位策略，在平衡负载的前提下，降低了副本定位的平均 延迟。 3 在教育资源网格物理结构的基础上，提出了基于访问量预测的副本放置策略 ( f a t b r s ) 。该策略通过对访问量的预测确定下一个周期的访问热点文件集，并维护这些 文件的副本，保证热点文件的访问质量，从而提高了数据资源访问的稳定性和平均速率。 最后给出了两种访问量的预测方法。 4 将各种教育资源网格副本管理的功能模块标准化为服务接口，给出经济模型的网格 副本管理服务调度框架( g s a e m ) 。然后提出基于边际原理价格调节机制，旨在经济模型下 对网格服务的价格调节给出一个数学模型，利用边际原理推导出各种资源约束情况下的网 格服务最优价格，从而优化面向服务网格的资源调度。 5 对于网格环境提出的思想和算法，需要模拟验证其正确性与性能。本文首先编程实 现了副本管理模型的数据访问部分，并将其与传统的文件共享模式进行比较，得到良好的 实验结果。其次，利用b r i t e 按照一定的规则生成教育资源网格拓扑结构，接着通过仿 真模拟了教育资源网格副本定位策略( d c c a n ) ，证实了该算法在副本定位时平均延时少、 负载平衡的性能。最后，仿真模拟了副本管理服务调度算法，验证了基于边际原理价格调 节机制在服务调度上的优越性。 关键字：教育资源网格；副本管理；副本放黄；副本定位；服务调度 中图分类号：t p 3 9 3 r e s e a r c ho i lr e p l i c am a n a g e m e n ts t r a t e g i e si ne d u c a t i o nr e s o u r c e g r i d a b s t r a c t g r i dt e c h n o l o g ye n a b l e st h es h a r i n ga n dc o l l a b o r a t i o no fw i d ev a r i e t yo fr e s o u r c e s i n o r d e rt oo r g a n i z ea n dm a n a g ed i s c r e t e l yd i s t r i b u t e de d u c a t i o nr e s o u r c e sa n da c h i e v et h es h a r i n g o fe d u c a t i o nr e s o u r c e s ，e d u c a t i o nr e s o u r c eg r i da p p e a r s e d u c a t i o nr e s o u r c eg r i da i m sa t e d u c a t i o nr e s o u r c e ss h a r i n g i no t h e rw o r d s ，u s e r sc a ns h a r ee d u c a t i o nr e s o u r c e so nt h ep r e m i s e o fp r o t e c t i n gi n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s ，a n dr e p e t i t i v eb l i n de x p l o i t a t i o no fs o 俄v a r e sc a nb e a v o i d e di ne f f e c t r e p l i c am a n a g e m e n ti st h eb a s i so f 鲥dr e s o u r c e ss h a r i n g ，a n di ti so n eo ft h e m o s ti m p o r t a n ts t a n d a r d st oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo f 卯ds y s t e m t om a k eat a r g e to f i m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c ya n ds t a b i l i t yo fr e s o u r c ea c c e s s ，r e p l i c am a n a g e m e n ts t r a t e g i e si n e d u c a t i o nr e s o u r c eg r i da r er e s e a r c h e dt h o r o u g h l yi nt h ec o n t e x to fn a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n o fc h i n au n d e rg r a n t b a s e do np r e v i o u sr e s e a r c h e s ，m a j o rr e s e a r c hw o r k sa n di n n o v a t i v ep o i n t si nt h i st h e s i s a r e ： f i r s t l y , t h i st h e s i sa n a l y s e st h em a j o rp r o b l e m st h a te d u c a t i o nr e s o u r c e ss h a r i n ge x i s t ， s u m m a r i z e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd e v e l o p i n gp r o s p e c t so fe d u c a t i o nr e s o u r c e 鲥d ，a n dg i v e s t h ed e f i n i t i o no ft h a te d u c a t i o nr e s o u r c e s 鲥d a c c o r d i n gt h ep h y s i c a ln e t w o r kc h a r a c t e r i s t i c so f e d u c a t i o nr e s o u r c e 鲥d ，i t sn e t w o r ka r c h i t e c t u r ei sd e f i n e d i nt h i sn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，t h ec i t y d o m a i n sa r ec o m p o s e do fn o d e sw h i c hh a v es h o r ta c c e s sd e l a yw i t he a c ho t h e ro ra r ei na l l a d j a c e n ts i t e b a s e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe d u c a t i o nr e s o u r c e ，t h em o d e lo fr e p l i c am a n a g e m e n t i ne d u c a t i o nr e s o u r c eg r i di sp r o p o s e d ，a n dt h em a i np r o b l e mo fr e p l i c am a n a g e m e n ti sg i v e ni n m a t h e m a t i c a lf o r m u l a t i o n ，w h i c hl a yt h ef o u n d a t i o nf o r t h ef o l l o w u pr e s e a r c h e s s e c o n d l y , a c c o r d i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep h y s i c a ln e t w o r ki ne d u c a t i o nr e s o u r c e 鲥d ， a ni m p r o v e dr o u t i n ga l g o r i t h m ，d c c a n ，i sg i v e no nt h eb a s i so ft h ec a na l g o r i t h m i nt h e d c c a na l g o r i t h m ，t h en o d e si nt h es a m ec i t yd o m a i na r ea l l o c a t e dt oac o n t i n u o u sc a n r e g i o n ，w h i c ha v o i d sm a n yh o p sb e t w e e nt w od i f f e r e n tc i t yd o m a i n si nt h er o u t i n gp r o c e s s t h e r e f o r e t h ed c c a nc a na d a p tt h ep h y s i c a ln e t w o r ko fe d u c a t i o nr e s o u r c eg r i de f f e c t i v e l y t h e n ，ar e p l i c al o c a t i o ns t r a t e g yo nt h eb a s i so fd c - c a ni sp r o p o s e d ，w h i c hr e d u c e st h e a v e r a g ed e l a yo fr o u t i n go nt h ep r e m i s eo fl o a db a l a n c i n g t h i r d l y , t h ef o r e c a s to fa c c e s st r a f f i cb a s e dr e p l i c ap l a c e m e n ts t r a t e g yi sg i v e na c c o r d i n gt o t h en e t w o r ka r c h i t e c t u r e i nt h es t r a t e g y , t h es e to fh o tf i l e sw i l lb ep i c k e du pb yf o r e c a s t i n gt h e f i l e sa c c e s st r a f f i ci nn e x tm a n a g e m e n tp e r i o d ，a n dt h eq u a l i t yo ft h eh o tf i l e sa c c e s sw i l lb e a s s u r e db ym a n a g i n gt h er e p l i c ao ft h eh o tf i l e s t h e r e f o r e ，t h es t a b i l i t ya n dt h ea v e r a g es p e e do f a c c e s s i n gr e s o u r c e sa r ei m p r o v e d a tt h ee n dt h et h e s i sg i v e st w of o r e c a s t i n gm e t h o d so f a c c e s s i n gt r a f f i c f i n a l l y , i td e f i n e se a c hf u n c t i o nm o d u l eo ft h er e p l i c am a n a g e m e n ti ne d u c a t i o nr e s o u r c ea s s e r v i c ei n t e r f a c e s ，a n dp r o p o s e sag r i ds e r v i c es c h e d u l i n ga r c h i t e c t u r eb a s e do ne c o n o m i cm o d e l ( g s a e m ) t h e n ，i no r d e rt og i v eap r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e lt ot h ep r i c er e g u l a t i o no f 鲥d s e r v i c eu n d e rt h ee c o n o m i cm o d e l ，t h em a r g i n a lp r i n c i p l eb a s e dp r i c er e g u l a t i o ni sp r o p o s e d i t d e d u c e st h eb e s tp r i c e so f 鲥ds e r v i c eu n d e ra l lc o n d i t i o n si nv a r i o u sr e s o u r c ec o n s t r a i n t sb y m a r g i n a lp r i n c i p l ea n a l y z i n g ，a n dt h e r e f o r ei to p t i m i z e st h ep e r f o r m a n c eo fs e r v i c e o r i e n t e d i i ! s c h e d u l i n g t h ea l g o r i t h mi n 鲥de n v i r o n m e n t sn e e d ss i m u l a t i n gi no r d e rt ov a l i d a t et h ea c c u r a c ya n d h j g hp e r f o r m a n c e f i r s t ，t h ei m p l e m e n to fd a t ea c c e s s i n gi nr e p l i c am a n a g e m e n ti sp r o g r a m m e d i nt h et h e s i s ，w h i c hg e t sb e t t e re x p e r i m e n t a lr e s u l t sb yc o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a lf i l e - s h a r i n g m o d e l s e c o n d ，a c c o r d i n gt os o m er u l e s ，t h en e t w o r ka r c h i t e c t u r et o p o l o g yo fe d u c a t i o n r e s o u r c e 鲥di sg e n e r a t e db yu s i n gt h et o o l so fb r i t e t h et h e s i sd e s i g n st h es i m u l a t i o no f d c - c a n ，a n dt h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o nc o n f i r mt h a tt h ea l g o r i t h mh a ss h o r ta v e r a g ed e l a yi n r e p l i c al o c a t i o na n db e t t e rp e r f o r m a n c ei nl o a db a l a n c i n g l a s t ，i ts i m u l a t e st h ea l g o r i t h mo ft h e r e p l i c am a n a g e m e n ts e r v i c es c h e d u l i n g ，a n dd e m o n s t r a t e st h a tm a r g i n a lp r i n c i p l eb a s e dp r i c e r e g u l a t i o nm e c h a n i s ma c h i e v es u p e r i o r i t yi ns c h e d u l i n g k e y w o r d s ：e d u c a t i o nr e s o u r c eg r i d ；r e p l i c am a n a g e m e n t ；r e p l i c al o c a t i o n ；r e p l i c a p l a c e m e n t ；s e r v i c es c h e d u l i n g 独创声明 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( 注：如没有其他需要特别声明的， 本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。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。 签易f i f 乏 导师签字： 学位论文版权使用授权书 讪另艮 本学位论文作者完全了解兰邀有关保留、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。本人授权兰越可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，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 签字日期：2 0 0 导师签字： 1 同 签字同期： 副另锭 2 0 0 尹年岁月同 山彖 i 叶j 抱人学顺i j 学位论义 第一章绪论_ 弟一草箔化 1 1 本文研究对象、目的和意义 网格自从9 0 年代中期被提出以来，得到了迅速的发展，被称为是“因特网的第三次 革命 。所谓网格( g r i d ) ，是指将机群、超级计算机、大规模存储系统、数据库以及其他地 理上分散的特殊仪器设备，甚至个人计算机等所有的计算资源、存储资源、通信资源、软 件资源、信息资源、知识资源等连接起来作为单个统一资源使用。网格为各种应用提供了 一个高性能、大容量、高速传输的并行分布广域计算平台，是提供对高端计算能力进行可 靠、一致、全面和廉价访问的硬件和软件基础设施。网格的出现起源于现代科学探索中对 于高性能计算、大型数据库、昂贵的科学仪器灵活共享的要求，它将属于不同管理域的异 构资源灵活有效的组织起来形成虚拟组织( v i r t u a lo r g a n i z a t i o n ，v o ) ，共同完成计算任务 【i 】【2 1 。网格技术强调的是全面地共享资源和应用服务，它实现了各种资源的全面共享。 目前，教育资源的异构性、动态性和自治性使教育资源的共享和协作存在诸多问题， 极大阻碍了用户获取有用信息。网格的目标是实现对地理上分布的大量异构资源的共享和 分布式协作。为了解决中小学的教育资源共享问题，研究分布式教育资源的管理策略1 3 】， 教育资源网格应运而生。教育资源网格平台提供一种无缝的、集成的资源共享和协作环境， 其目标是协调网格中资源的使用，以便及时响应网格用户的资源请求。网格技术在教育资 源中的应用【4 】主要是将分布在教育领域中的图书馆数字资料、数字博物馆、论文、中小学 校多媒体及课件和数字教学视频等各种教育资源集成起来，建立一个教育信息网格，覆盖 各个地区，提供统一的、高效的信息服务，提供主动的学习方法和交互式的教学方式，使 在家学习和交流成为现实。 为了实现教育资源网格的共享与融合，需要许多技术的支持，其中副本管理是教育资 源网格的关键技术之一，是数据管理的一项重要服务，主要针对大型远程数据文件的访问。 虽然网络速度提高很快，但要达到高性能地频繁访问和处理大量远程数据仍然很困难。副 本管理技术为用户应用提供一个能够快速访问和处理远程数据的局部数据拷贝，避免大量 数据的远程传输。良好的副本管理除了可以增加系统的可用性，还可以减轻单个信息服务 结点的通信和访问压力，同时减轻由于频繁远程访问造成的网络带宽的过度消耗，从而提 高应用程序的数据访问效率和任务执行速度，最终提高整个数据网格的计算运行效率和服 务性能【5 】o 教育网格系统面对的是一个动态的、异构的分布式广域环境，参与一个网格文件系统 的网格节点可多可少。如何组织这些节点及其各自共享的文件、如何让用户能够方便快捷 地发布自己的文件及搜索自己所需的文件是要解决的第一个问题副本定位( r e p l i c a l o c a t i n g ) i 占- j 题。 教育网格文件系统中的每一个节点都可能随时失效或主动退出，系统中各个节点的性 能及网络带宽状况干差万别，确保系统的可靠性并提高文件存取的性能是教育网格副本系 t 【j 东师范人学硕：学位论文 统的第二个问题副本放置( r e p l i c ac r e a t i n g ) 。副本放置是将各个文件按照一定策略动 态地在多个站点建立备份、让这些备份同时为用户服务，以提高稳定性及存取速度。 为了方便教育资源网格各模块之问的整合和配置，并适应面向服务的体系架构，把所 有的副本管理都抽象成服务。当一个数据网格节点中要处理多个副本管理服务请求时，如 何有效的分配系统中的各种资源给服务，以使服务任务最快、成本最低的完成，这就是教 育网格副本系统的第三个问题一一副本管理服务调度( r e p l i c am a n a g e m e n ts e r v i c e s c h e d u l i n g ) 。 总之，本文的研究工作正是围绕这些问题来展开的。本文将重点研究教育资源网格中 副本定位技术、副本放置策略，并给出副本管理调度方法，旨在提出一种灵活、有效的教 育资源副本管理机制，以适应大规模分布网格环境的需求，为用户提供准确、及时、扩展 性高的资源请求服务。 1 2 研究现状 教育资源具有与网格资源相似的特征，故已有副本管理技术同样适用于教育资源。针 对副本管理问题，在国际上针对网格副本研究也做了大量的工作，g l o b u s 、s r b 、e d g 、 g i g g l e t 6 1 、d a t af a r m 7 等许多研究项目给出了相应的解决方案。g l o b u s 是较早开展副本管 理研究的网格项目，它提供了一个简单的副本管理服务和副本定位服务，同时还提供了高 速文件传输服务。s r b 引( s t o r a g er e s o u r c eb r o k e r ) 提供了自动创建副本的异步复制、同步 复制等复制模式。e d g ( 欧洲数据网格) 系统提供安全、高效的数据复制功能，它提供了将 数据文件从一个网格节点复制到另一节点的功能。g i g g l e 框架提供了基于本地副本目录 ( l o c a lr e p l i c ac a t a l o g ，l r c ) 和副本定位索i j l ( r e p l i c al o c a t i o ni n d e x ，r l i ) 的层次式副本目 录，通过改变参数的取值，可以改变副本目录的结构和性能。d a t af a r m 可以根据设定的 数目创建文件的副本，也可以在事先指定的多个节点上创建文件的副本，且还提供了文件 组复制的功能。 以上的项目给出了很多的研究和实验模型，但是很多数据网格系统在副本管理上仍存 在很多问题例。首先，这些项目有的尚未给出能够综合描述数据网格系统中副本管理技术 相关问题的系统模型，或者只给出各自关注的问题的相关模型，不能适应教育资源网格的 特点，无法针对一个对动态性，自利性有较高要求的网格环境形成一个综合高效的教育资 源网格的副本模型。其次，副本定位策略及副本创建策略没有考虑基于教育网格系统的非 统一的拓扑结构、自由的数据发布、较低网络通信能力等特点，因此无法满足教育网格系 统的需求。再次，已有的副本管理服务存在以下缺陷：功能不够全面、不能适应不同数据 网格应用的要求和不能有效集成不同服务提供商提供的副本管理功能，且功能的发布和配 置复杂不能够自动完成。因此，副本管理技术的实现需要提供一个开放、灵活、透明的副 本管理服务实现框架。最后，没有考虑到副本管理服务请求的数量压力性。副本管理服务 的发布和执行也需要考虑具体网格的环境，以平衡负载、优化服务质量。 1 3 本文方案和主要创新点 论文的选题背景是：国家自然科学基金项目基于因特网的教育资源网格体系结构和 2 山东帅地人学硕i ：学位论文 服务理论研究。项目的目标是：通过i n t e m e t 实现一定范围内( 如省、国家等) 所有小学、 初中及高中课程课件的共享，各个学校可以查询满足自己需求的课件，并从其它学校购买 自己所需的课件。其中，教育资源包括各学科的教学课件、优秀教师的教学案例、实验案 例、各类教学管理软件等。 根据当前数据网格副本管理相关研究的优点和不足，结合教育资源网格的特点本文主 要做了以下工作： 一、针对现有的中小学教育资源特点，提出教育资源网格副本管理模型，更有效、快 捷的共享教育资源。本文首先给出教育资源网格副本管理模型的相关概念，其次分析了其 副本管理存在的问题，最终基于o g s a 服务提出了教育资源网格副本管理模型( o e r m ) 。 其研究成果己发表在计算机技术与发展上。 二、提出了一种在教育资源网格环境下，基于p 2 p 覆盖网络的数据网格副本定位策略 ( d c c a n ) 。该策略对c a n 技术进行了改进，d c c a n 具有高效灵活、负载平衡、自适应 的特点，有较好的实用性。其研究成果己发表在计算机工程与设计上。 三、提出了一种基于访问量预测的副本放置策略，该策略适用于教育资源网格环境。 并介绍了两种访问量的预测方法基于历史数据的访问量预测( f a t t h d ) 和基于人工神 经网络的访问量预测( f a t a n n ) 。其研究成果已发表在计算机工程与应用上。 四、将各种网格副本的功能模块标准化为服务接口，给出基于经济模型的网格副本管 理服务调度框架( g s a e m ) 。然后提出基于边际原理价格调节机制，其在经济模型下对网格 服务的价格调节给出一个精确的数学模型，并推导出最优价格，从而优化面向服务网格的 资源调度。该机制的主要贡献是在利用经济模型对网格服务进行调度的基础上，给出了服 务价格调节详细具体的介绍，特别是解决了多资源约束的网格服务定价问题。其研究成果 已发表在7 t hi n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo ng r i da n dc o o p e r a t i v ec o m p u t i n ga n ds e c o n d e c h o g r i dc o n f e r e n c e ) ) 上。 1 4 本文组织结构 本文针对教育资源网格相关问题，提出了符合教育资源特点的副本模型，以及副本定 位和放置算法，并给出了副本服务的调度方法。全篇将按照如下章节进行展开： 第一章绪论介绍了本文研究的目的、意义和背景，并总结了本文所做工作和创新点。 第二章提出了本文对教育资源网格的定义、特征及其体系结构的理解。分析已有的 网格副本模型的优缺点，针对教育资源网格，给出教育资源网格副本管理模型。 笫三章在教育资源网格副本管理模型的基础上，分析教育资源网格的物理网络以及 资源发布的特点，提出一种副本定位策略。 。 第四章提出基于访问量预测的副本放置策略，并给出两种预测模型。 第五章给出了基于边际原理的网格副本管理服务调度的框架及算法。 第六章编程了实现副本管理模型的数据访问部分，对副本定位策略( d e c a n ) 及基于 边际原理的网格副本管理服务调度算法( m s m r c ) 进行仿真模拟，验证了策略及算法的性 能。 3 山东l j j i j 他人学坝l ：q - 位论文 4 第七章总结论文的研究成果并提出未来的工作方向。 山东帅池人学坝i j 学位论文 第二章教育资源网格及其副本管理模型 为了实现教育资源的分布式共享，本章将网格技术应用到教育资源管理领域，提出教 育资源网格的概念。教育资源网格是一种特殊的应用网格系统，既有网格的特点，也有与 网格不同之处。副本管理是教育资源网格系统的关键技术之一，在研究副本管理的各项策 略之前，必须给出教育资源网格的副本管理模型的定义。 本章首先结合网格的定义，介绍教育资源网格及其特点，结合国家自然科学基金项目 定义教育资源网格的体系结构。然后给出教育资源网格的副本管理模型的相关概念，分析 了副本管理问题，最终基于o g s a 服务技术提出了教育资源网格副本管理模型( o e r m ) 。 2 1 教育资源网格简介 教育资源网格是在网格技术基础上发展而来的。网格技术是在缺少中央控制、没有全 知者以及强的信任关系的情况下，将很大范围上地理分布的异构计算机系统集合在一起形 成大规模的计算平刽j 。网格概念中体现出来的灵活、按需的异构资源和服务集成的思想 非常符合人们对更高层次的资源共享的需求，因而在更广泛的领域得到接受和发剧1 1 】。 而教育资源网格提供一种无缝的、集成的教育资源共享和协作环境，即在保护知识产 权的前提下，将各种多媒体教学软件、数字信息资源和数据库资源等通过网格“集中”使 用，避免资源建设的重复劳动和投资浪费。 2 1 1 教育资源网格发展现状 现在很多科研和教学都需要用到各个学校的资源，如果没有网格的话，势必很难实现。 网格计划使这些资源可以随意地集成和共享。基于对网格计算与教育科研重要性的认识， 各国政府和大学都投入巨资开展网格技术研究，许多主要的i t 厂商也加入进来。 目前国外的许多教育网格项目都在进行中。美国典型的大学网格项目主要包括威斯康 星大学麦迪逊分校的c o n d o # 1 2 】、弗杰尼亚大学的l e g i o n t b 】、田纳西大学的可伸缩的校园 内部研究格网0 4 ( s c a l a b l ei n t e r c a m p u sr e s e a r c hg r i d ，s i n r g ) 矛n 宾夕法尼亚大学网斟j 。 c o n d o r 项目是由美国威斯康星大学开发的一个高吞吐量计算环境，其目标是开发支持高 吞吐量计算的分布式计算资源的收集机制和工作负荷管理系统。c o n d o r 环境遵循的是一 种分层的体系结构，c o n d o r 可视为平板结构的计算网格。l e m o n 是一个基于对象的网格 系统，可以把不同体系结构、不同操作系统和不同物理位置的计算机资源连接成为一个系 统。其设计目标是将网格计算环境视为一个世界范围的抽象计算机，而网格计算用户在这 台大计算机上进行程序设计。在l e m o n 中，切都是对象。其缺点是由于采用面向对象 方法，很难支持与已有应用和服务的交互。s i n r g 则用于田纳西大学k n o x v i l l e 校区内部 的医学图象处理、交互式分子设计、高级机械设计等跨学科研究领域的校园高性能计算基 础设施。宾夕法尼亚大学正在使用种功能强大的网格计算，旨在为全国的患者提供一种 先进的乳癌筛查和诊断方法，同时有助于降低治疗成本。 j i 东帅抱人学硕i j 学位论义 2 0 0 2 年8 月，设在爱丁堡大学的“英国国家e 科学中心 在欧洲成立，该中心将协 调英国全国以及国际网格技术工作，使上网的计算机能合力进行复杂的科学运算。英国政 府选中i b m 负责国家网格( n a t i o n a lg r i d ) 项目【i 6 】【l7 。，用于把8 所大学的计算机相连。同时， i b m 宣布在网格计算领域投资4 0 亿美元，在全球建设4 0 家数据中心，并与美国的宾夕 法尼亚大学合作，将数家医院联接，构建一个复杂的计算网格。 另外，美国教育部的g e m ( g a t e w a yt oe d u c a t i o n a lm a t e r i a l s ) t l s l 项目和澳大利亚教育网 络e d n a ( e d u c a t i o nn e t w o r ka u s t r a l i a ) t 】项目是较著名的真正意义上的教育资源网格项 目。 在国内教育资源网格在也有了初步的发展。基于对网格计算重要性的认识，2 0 0 3 年4 月，国家教育部启动了一项构建下一代国家教育领域分布式计算平台计划中国教育网 格计划( c 1 1 i n a g r i d ) 【2 0 1 ，它是迄今为止由政府推出的最宏大的网格工程，由1 2 所大学联合 推出，到网格建成时，它将在教育科研网上把全国1 0 0 所2 1 1 建设重点大学的资源广泛共 享。中国教育科研网格c h i n ag r i d 力图解决中国教育科研i 网( c e r n e t ) 中网络计算面临的 无序性、自治性和异构性等问题，将c e r n e t 上分散、异构、局部自治的巨大资源整合 起来，通过有序管理和协同计算，消除信息孤岛，发挥综合效能，满足高校科学研究的迫 切需要。目前，项目组已成功开发和部署了生物信息学、图像处理、计算流体力学、海量 信息处理和大学课程在线等5 类应用网格，聚合计算能力超过每秒1 6 万亿次，存储容量 超过1 7 0 t b ，成为世界上最大的超级网格之一。 在c h i n a g r i d 中，“生物信息网格”和“大学课程在线 两个项目最先进行。生物信息 网格是由中国教育部生物信息重点实验室和清华大学牵头主持的网格应用项目，旨在建立 一个对用户透明并被广泛应用的生物信息学研究环境，在集成计算资源与存储资源的基础 上重点完成生物信息学一些通用和专用软件的集成，为用户提供一个软件共享门户，并为 生物信息学领域复杂的计算( 如蛋白质结构分析等) 提供一个公共平台。“大学课程在线 是 北京大学的一个应用网格，通过使用分布在不同地点的服务器分发信息的方式，为学生提 供更快捷的名师课程。 教育网格计划的发布和实施也极大地推动了大学的网格研发进程，一些大学制定了相 应的工作计划，搭建各自的“校园网格”。如西安交通大学国家高性能计算中心( 西安) 与 i b m 开展合作建设教育科研网格西安交通大学网格结点；华中科技大学网格项目j 下式 落成并投入科研应用，投入使用的网格节点包括5 0 台使用双核奔腾2 处理器的集群系统， 峰值计算能力达到5 0 0 0 亿次，将为该校的科学计算可视化及生命科学项目提供强大的计 算能力；华南理工大学通过实施“校园网格”计划，将在华南理工大学建立一个高水平的校 园网格计算平台，并在华南理工大学的优势研究领域开发一些富有特色的典型应用，为教 学和科研服务；另外，北京大学网格计算实验室、清华大学网格计算研究组、浙江大学网 格计算中心、中国科技大学网络中心、上海交通大学网格计算中心、华中科技大学网格与 集群实验室、中山大学网络与教育技术中心等都在与其他研究机构以及大型r r 公司合作 规划建设各自的“校园网格”。 6 ij l 东帅池人学坝l j 学化论义 2 1 2 教育资源共享存在问题 教育资源共享是信息化教学的基础，随着教育信息化的深层次推进，互联网中的信息 资源以指数方式增长。海量教育资源既为教育带来了强大的服务功能，也为资源的建设和 管理带来了新的挑战。教育资源存在的问题总结如下【2 1 】【2 2 】【2 3 】： ( 1 ) 有效资源匮乏。目前市场上出现了各种各样的教育资源库产品，几乎每个产品都号 称有几十到上百g 的数据量，可谓是“资源丰富”，但这些产品安装到学校真正使用后， 教师又普遍反映有效资源内容匮乏，需要的资源难以找到，没有参考价值的垃圾资源很多。 ( 2 ) 知识产权意识的薄弱。不同厂商之问存在相互抄袭的现象，使得不同资源产品出现 内容雷同的局面。更为严重的是，版权意识的薄弱严重打击了原创资源建设者的积极性， 造成当前教育资源总体质量不高。 ( 3 ) 信息孤岛。一直以来，各类学校都是自己配置硬件设备，单独建立各自的教育资源 库，耗费大量的财力购置教学软件、建立自己的数字信息资源库等，这些重复建设不仅造 成了资源的浪费，而且软件、硬件的多样性和异构性使现有w e b 服务器犹如信息孤岛，大 量信息被锁在各个小岛的数据库中，不能按照用户需求实现有意义的共享。 ( 4 ) 搜索困难。从网上海量结构化和非结构化教育资源中搜索到有用资源绝非易事。一 是信息搜索的智能程度不高，每次输出许多无关信息、重复信息、虚假信息；二是许多搜 索引擎没有覆盖所有信息资源，极大影响了查全率；三是异构复杂的教育资源之间缺乏互 操作性，为了获得资源，用户必须知道所需资源位置，并访问不同网站的检索接口。 ( 5 ) 数据传输能力不足。这是所有网格都面临的问题，一方面是硬件问题，另一方面是 资金问题。随着用户的增多，访问质量要求的提高，单源数据资源的访问已经无法满足要 求。建立副本机制是有效的解决方法。 ( 6 ) 进一步解决教育资源网格动态适应性、可扩展性，以及资源的动态配置等资源管理 问题。这是网格系统的核心问题之一。 教育资源共享的上述问题极大阻碍了用户获取有用信息，因此整合分散、无序的资源 和高效资源发现算法在教育资源管理中是必不可少的，是分享、利用教育资源的前提。 2 2 教育资源网格特点及体系结构 为了解决教育资源存在的问题，一体化组织和管理地理上分布的教育资源，教育资源 网格应运而生。本文以国家自然科学基会项目“基于因特网的教育资源网格模型及服务理 论研究 为背景，对教育资源网格做了以下分析：教育资源网格就是将中小学闲置的服务 器利用起来，共享教师的教学成果，形成一个教育资源共享系统。具体一点说，是教师将 自己的劳动成果制作成电子文件的形式，放置到教育资源网格中，其他教师或学生通过网 络访问这些资源。 2 2 1 教育资源网格的特点 教育资源网格，跟普通网格样，具有数据量巨大、数据存储和应用节点广域分布、 相互异构的特点，同时i n t e m e t 较大的传输延迟和较低的传输速率也降低了教育资源网格 7 山东师范人学形 l j 学位论文 的性能和可用性。但是教育资源网格具有其单独的特点，本文总结如下： ( 1 ) 有一定的区域性质和层次结构。从网络延迟和地理位置区分，可以将相邻的资源节 点组成不同的城市域，而在层次上则分成资源节点层和普通节点层。 ( 2 ) 各节点在物理层上都能相互连通，但是它们相互访问的带宽不同。不同学校由于资 金、地区等的不同，导致传输性能相差较大，并且各学校的配置不同，安装的操作系统也 不同。这是教育资源网格逻辑结构和物理结构上的异构性表现。 ( 3 ) 教育资源网格中，资源以只读的方式访问。这在一定程度上使得教育资源网格的数 据管理变得简单。 ( 4 ) 普通用户最有可能通过w e b 方式访问数据( 课件) 网格资源。用户界面包括图形用户 界面、命令行用户界面和应用开发界面等。教育资源网格应提供给用户人性化的使用界面， 目前通过w e b 方式访问资源最能被用户接受，并且在性能上也能实现。 2 2 2 教育资源网格体系结构 网格体系结构是关于如何建造网格的技术和规范的定义，包括划分和定义网格的基本 组成部分、定义各部分的功能、描述不同部分之间的关系以及把这些不同的部分集成在一 起的方法。针对教育资源网格的定义和特点，本小节给出教育资源网格的体系结构。 本文对教育资源网格定义两种节点：资源服务节点和普通节点。资源服务节点由各个 中小学闲置的、性能较高的服务器组成，通过i n t e r n e t 向外界提供w e b 访问、文件存储等 服务。普通节点，一般指普通用户( 教师、学生) 使用的、性能较低的个人电脑，它们是教 育资源网格的纯消费者，并不提供网格服务。 资源服务节点通过i n t e r n e t 连接在一起。各个中小学的服务器广泛分布在各个城市或 地区，因此资源服务节点之间访问的延迟会有所不同。将相互访问延迟较短或位置相近的 节点组成一个城市域，多个城市域就可组成一个教育资源网格。图2 1 列举了由三个城市 域所组成的教育资源网格。它采用r t t (