（计算机应用技术专业论文）网格环境下基于语义的信息检索研究.pdf

摘要 科学技术的发展使得教育可以从传统方式转变为电子化学习方式，从而满 足人们各种学习的要求。由于教育资源的繁多，e l e a r n i n g 系统通过本体和元 数抓埘教育资源进行组织，提出了教育资源库的元数据和木体，建：立了大量的 e l e a r n i n g 无数据标准，如s c o r m 、d u b l i nc o r e 、i e e el o m 、a r i a d n e 、和 i m s 等，并且形成了多种网格中的元数据层次分类体系。随街网络的发展以及 e l e a r n i n g 的不断普及，需要为e l e a r n i n g 提供更好的基础设施，使得能提供更 好的e l e a r n i n g 服务。 网格是一种分布式解决问题的方案，实现资源共享，虚拟组织等。网格中 f h j 件可以对负载的监控从而合理分配资源。将网格环境引入剑e l e a r n i n g 中， 使得学爿者能够共享网格虚拟组织上的学习资源，同时达到另人满意的互操作、 资源访问、资源共享的效果。随着网格技术的不断发展，人们逐渐认识到了网 格环境的优点，在e - l e a r n i n g 的教育过程中，通过网格为川，、提供协同的学习 环境，埘异构的资源进行利用，利用强大计算能力和存储能力术提高服务的质 量。网格可以使得e l e a r n i n g 达到不仅仅是信息上的共享，而且还有资源上共 享的效果。 在网格环境下e l e a r n i n g 的最关键问题便是信息的检索。除了一般的信息 检索外，由于网格是地理位置分散的设施，且会由于组织1 ：的变化而发生虚拟 纽纵的变化，所以给检索带来了更多的问题。 本文采用语义检索的方式实现网格环境下e l e a r n i n g 的检索，利用本体比 较容易实现语义上的推理，以及更加准确的对用户的搜索清求响应。在建立关 于内容的本体的同时也建立了关于用户以及网格的本体，将e l e a r n i n g 资源和 例格结合起来，并提高网格在e l e a r n i n g 中的作用。具体做法是分析现有的本 体建模方式，七步法等方法的基础上，总结出适应于e l e a r n i n g 的本体建模方 j , ( g e o m m g r i de - l e a r n i n go n t o l o g i e sm o d e l i n gm e t h o d ) 。在此基础上，对网格 叫：境下e l e a r n i n g 给出构架模型，在模型的基础上，对元数据进行分层。在以 j ：备种总结分析下，利用p r o t 6 9 6 本体建模工具，建立在网格叫：境下e l e a r n i n g 本体，本体d a t a t y p e 属性和o b j e c t p r o p e r t y 。由p r o t 6 9 6 本体建模工具自动生成 本体描述文档。参考已有的语义检索框架，结合网格的特点，建立网格环境下 基j 二语义检索的框架。最后利用j e n a 操纵本体，实现网格环境下e l e a r n i n g 基 于语义的检索。 关键字：网格，e - l e a m i n g ，本体，语义，检索 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yh a sc h a n g e de d u c a t i o nf r o mi t st r a d i t i o n a lw a y t on o w a d a y se l e c t r o n i cw a yt os a t i s f yp e o p l e sd i f f e r e n tn e e d s s i n c et h e r ea r e v a r i o u se d u c a t i o nr e s o u r c e s ，e - l e a r n i n gs y s t e m sh a v ep r o p o s e dm e t a d a t aa n d o n t o l o g yt oo r g a n i z et h ee d u c a t i o nr e s o u r c e s ，a n ds e tu pal a r g en u m b e ro fm e t a d a t a s t a n d a r d ss u c ha ss c o r m ，d u b l i nc o r e ，i e e el o m ，a r i a d n e ，i m sa n ds oo n ， a n df o r mm e t a d a t ah i e r a r c h i c a lc a t e g o r i z a t i o na r c h i t e c t u r ei ng r i d w i t ht h e d e v e l o p m e n to fn e t w o r ka n dt h ec o n s t a n tp o p u l a r i t yo fe - l e a r n i n g t h e r ei st h en e e d o fe l e a r n i n gi n f r a s t r u c t u r et op r o v i d eb e t t e r ，m a k i n gb e t t e re - l e a r n i n gs e r v i c e s g r i di sad i s t r i b u t e ds c h e m es o l v i n gv a r i o u sp r o b l e m st oa l l o wr e s o u r c es h a r i n g ， v i r t u a lo r g a n i z a t i o n ，a n dg o o di n t e r - o p e r a t i o n ，w h i l ew e be l e a r n i n go n l yp r o v i d e s l e a r n e r sw i t hi n f o r m a t i o n ，i n s t e a do fp r o v i d i n gr e a le x p e r i e n c e ，s u c ha se x p e r i m e n t ， i n t e r a c t i o na n ds oo n w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fg r i dt e c h n o l o g y ，p e o p l e g r a d u a l l yr e a l i z e dt h ea d v a n t a g e so fg r i de n v i r o n m e n t i nt h ee - l e a r n i n ge d u c a t i o n a l p r o c e s s ，u s i n gt h eg r i dp r o v i d e su s e r sw i t hc o l l a b o r a t i v el e a r n i n ge n v i r o n m e n t ，t h e u s eo fh e t e r o g e n e o u sr e s o u r c e s ，t h eu s eo fp o w e r f u lc o m p u t i n gc a p a c i t ya n ds t o r a g e c a p a c i t yt oi m p r o v et h eq u a l i t yo f s e r v i c e s g r i de l e a r n i n gc a nb em a d et oa c h i e v e n o to n l yt h es h a r i n go fi n f o r m a t i o n ，b u ta l s ot h ee f f e c to fs h a r i n gr e s o u r c e s t h em o s tc r i t i c a li s s u e so fe - l e a r n i n gg r i de n v i r o n m e n ti si n f o r m a t i o nr e t r i e v a l i na d d i t i o nt og e n e r a li n f o r m a t i o nr e t r i e v a l ，s i n c et h eg r i di sag e o g r a p h i c a l l y d i s p e r s e df a c i l i t i e s ，a n da sar e s u l to fc h a n g e si no r g a n i z a t i o n a lc h a n g e so c c u r r e di n t h ev i r t u a lo r g a n i z a t i o n ，m o r er e t r i e v a lp r o b l e m sb r i n gt ot h eg r i de l e a r n i n g o n t o l o g yr e s e a r c h i nt h i sp a p e r ，s e m a n t i cr e t r i e v a lm e t h o d sa r ea p p li e dt oe l e a r n i n gg r i d e n v i r o n m e n t i ti sm u c he a s i e rr e a l i z eo n t o l o g yr e a s o n i n g ，a sw e l la sm o r ea c c u r a t e r e s p o n st ou s e r s r e t r i e v a lr e q u e s tu s i n go n t o l o g y w en oo n l yb u i l dt h eo n t o l o g y a b o u tl e a r n i n gc o n t e n tb u ta l s oa b o u tu s e ra n dg r i d ，t h r o u g hw h i c hr e l a t e st h e e l e a r n i n g r e s o u r c ea n dg r i d ，a n de n c h a n c e st h ee f f e c to fg r i di n e - l e a r n i n g 1 i s p e c i f i ca p p r o a c hi st oa n a l y s ee x i s t i n go n t o l o g i c a lm o d e l i n ga p p r o a c h e s ，s e v e n s t e p m e t h o da n do t h e rm e t h o d se t c a n ds u mu pt h e mt or e a c ht h eg e o m m ( g r i d e - l e a r n i n g o n t o l o g i e sm o d e l i n gm e t h o d ) b a s e do nt h i s w ep r o p o s e d t h e a r c h i t e c t u r eo ft h ee - l e a r n i n gb a s e do ng r i d t h e n ，w eg a v eh i e r a r c h i c a lm e t a d a t a m o d e l a c c o r d i n gt ot h ea b o v ea n a l y s i s ，u s i n gp r o t 6 9 6o n t o l o g ym o d e l i n gt o o l ，w e b u i l dt h eo n t o l o g i e s ，d m a t y p ep r o p e r t ya n do b j e c tp r o p e r t yo ft h ee l e a r n i n gg r i d t h e nw ec a ng e to w la u t o m a t i c a l l yb yp r o t 6 9 6 r e f e rt ot h ee x i s t i n gf r a m e w o r kf o r s e m a n t i cr e t r i e v a l ，c o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eg r i d ，w ee s t a b l i s h e d f r a m e w o r kf o rs e m a n t i cr e t r i e v a lo fg r i de - l e a r n i n g f i n a l l y ，w eu s ej e n ao n t o l o g y t o o lt oa c h i e v es e m a n t i cr e t r i e v a lb a s e do i le - l e a r n i n gg r i d k e y w o r d s ：g r i d ，e - l e a r i n g ，o n t o l o g y ，s e m a n t i c ，r e t r i e v a l i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。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 武汉理工大学或其它教育机构的学位或征书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究昕傲的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：查! 互 日期：塑呈：竺：竺 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 套囊导师( 签名) 锄多日期卅【 武汉理r 人学颂l j 学位论文 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 随着科学技术的不断发展，已经将很多学习资源进行了数字化，出现了大 量e l e a r n i n g 学习平台，人们也对e l e a r n i n g 的要求越来越高。与此同时，随 着语义网的提出和不断发展，基于语义的应用也在不断增加，且也有关学习资 源的元数据标准的出现。虽然也有关于e l e a r n i n g 本体和语义的技术的研究， 同时也有不少基于w e b 的e l e a m i n g 平台的实现，但关于如何在网格环境下应 用基j ：语义的e l e a r n i n g 仍然鲜有论述和研究。网格的概念在发7 l 三着r 新月异 的变化，从简单的概念，简单的虚拟化发展为更细粒度的虚拟化，且商业也开 始为网格和云计算投入大量的资金。本文主要基于网格平台，以e l e a r n i n g 为 研究内容，将应用语义、本体等技术运用到基于语义的检索上为研究课题。这 样结合研究有一些优点。一方面网格为e l e a r n i n g 提供了更好的甲台背景，可 以更好的提高e l e a r n i n g 的效果；另一方面本体将e l e a r n i n g 和网格紧密推理 结合在一起，有利于网格下e l e a r n i n g 的整体化。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 存国外，网格之父i a n f o s t e r 和c a r lk e s s e l a m 提出开放式的网格构架并如 何使用s o a ，网格机制如何能够和w e b 服务相结合，以及展现这样的丌放式的 网格构架在一个组织内部或者是跨组织的分布式系统集合的基础；提出开放 式的网格服务架构【2 8 】；分析了分布式的信息服务需求，以及分析j 式的信息服务 提供者，以及网格信息服务可能出现的问题，最后提出了信息服务的构架有利 于查询以及发现策略，并且提出了g a s s ，可以通过g a s s 获取远地可执行程 序，从远程访问文件。g r u b e r 提出本体是概念化的明确的规范说明一j 。b o r s t 等 武汉理t 人学顺卜学位论文 提出了本体是共享概念模型的形式化规范的 兑明l l0 1 。s t u d e r 等对上述两个定义 进行了深入研究认为本体是共享概念模型的明确的形式化的规范说明i | j 。t i m b e m e r s l e e 一直致力于语义w e b 技术的研究，提出了语义w e b 的七层模型1 1 2 1 。 由i a nf o s t e r 主要主持的开放源代码的g o l b u s 已经和i b m 实现企业级的网格， 并实现数掘的共享，资源的共享，大大提高工作效率【1 3 1 6 】。以及一些使t e f j 智能 方法进行数据的检索，文档，数据之间的相互关系【” 2 3 1 。 从2 0 世纪9 0 年代中期开始，就已经开始将元数据的概念引入到e l e a r n i n g 的建设中，并建立了大量的e l e a r n i n g 元数据标准，如s c o r m 、d u b l i n c o r e t 2 5 i、i e e el o m 、a r i a d n e 、和i m s 等。g u r m e e ts i n g h 。s h i s h i rb h a r a t h i 等提出了网格下的元数据，以及网格下元数据的层次结构【26 | ，e w ad e e l m a n ， g u r m e e ts i n g h 等提出了g r i d b a s e dm e t a d a t as e r v i c e s t 2 7j ，o g s a d a i 包含服务群 注册( d a i s g r ) 、网格数据服务工厂( g d s f ) 和i 网格数据服务( g d s ) 3 部分。在这 样的框架基础之上，o g s a d a i 对元数据分为了4 类，分别是：技术元数据 ( t e c h n i c a lm e t a d a t a ) 、上下文元数据( c o n t e x t u a lm e t a d a t a ) 、派生元数据( d e r i v e d m e t a d a t a ) 、映射元数据( m a p p i n gm e t a d a t a ) 瞄引。 信息检索和本体技术的结合是目前信息检索领域的研究热点之一，国内外 众多科研人员在这一领域进行了探索。l k h a n 和d m c l e o d 主要研究本体技术 在音频检索领域的应用【2 9 3 0 1 。m a r c ob e r t i n i 等探讨了如何将本体用于视频检索 【3 l 】。l h o l l i n k 等进一步提出了为视频检索构建可视化本体的技术3 2 1 。a p p l ew pf o k 将本体技术应用于个性化教育中的内容搜索，取得了较好的效剁3 3 1 。 a t & t 建直的f i n d u r 系统【3 4 1 是一个应用了本体技术的信息检索系统。通过使 用描述逻辑系统c l a s s i c 3 5 】规定的描述逻辑语法来表达w o r d n e t l 3 6 1 中定义的词 汇间的同义上义下义关系，得到的背景知识；调用c l a s s i c 推理系统来完成 推理任务，得到某个词汇的同义词集合、上义词集合、下义词集合，对查询输 入的词汇使用该词汇的同义词集合和下义词集合来扩展，从而可以实现查询扩 展。但该系统从本质上讲仍然是基于语法的，因为它并没有使用本体中的词汇 去标记文档，只是强调利用本体来实现查询扩展，而查询输入的词汇本身也并 非是依据本体中的词汇来书写的。 2 武汉理t 人学f ! i 学位论义 1 2 2 国内研究现状 近年柬，人们对语义信息检索、网格进行了研究。在国内，张娜研究了基 于语义网络的信息检索关键技术，提m 了在网络环境中信息检索将会遇到的困 难，以及展现了本体的建立和应用p7 | 。史阳华对国内外在语义检索上的项目进 行了研究【3 引。廖明宏研究了本体与信息检索，启发式信息检索的思想及其实现 【3 9 1 。王娟，刘明迪利用r d f ，建立分布式资源相关库来描述了一个动态语义检 索算法【4 0 1 。栾艳，丁二玉，骆斌分析了语义网的语义检索的基本结构。李普 聪利用智能中问件设计信息集成框架1 4 3 i 。陈凤娟提出跨语言检索技术，机器 翻译技术运用到信息检索中畔】。杨永吉研究了跨语言的信息检索的特点，指出 这个研究热点【4 5 1 。张晓林描述网络环境语义检索的需求，分析s e m a n t i cw e b 的 组成框架【4 7 1 。张柯，沈夏炯等计算概念格的相关度【4 9 1 。班磊，方启明等基 于语义进行潜在的发现的实现【5 0 】。张晨残，穆斌研究了在异构本体的情况下的 信息检索1 5 。李楠，孙济庆提出一种新的信息检索模型在其中引入熵的概念 【5 2 5 3 】。金海等研究了在不同环境下语义网格中如何进行有效的信息检索，提出 优化查询路径算法【5 引。桂小林提出了信息网格的软件框架以及信息搜索的次 序【5 9 1 。廖明宏等提出层次化的元数据模，型，将层次化的元数据运用到信息网格 中，对网格中层次化的分析，并实现铁路信息网格【鲫j 。金海等在设计中按照开 放式的网格服务构架实现了“昊瀚”信息服务网格【6 。中科院计算所智能信息 处理开发研究实验室建立的基于本体论和多主体的信息检索服务器1 62 l 是一种利 用多智能主体和本体理论设计的信息检索服务器，集成了界面主体、预处理主 体、管理主体、信息处理主体和具有移动性的信息搜索主体，并利用本体对文 档进行领域分类，同时对用户的查询信息进行规范。武汉大学信息资源研究中 心设计丌发了一个基于本体的智能化知谚 检索原型_ k r e t r i e v a l ，依据本体原 理和存储检索领域知识，实现动态启发式概念扩展算法和相关反馈，对情报学 和人工智能领域的文献知识进行检索i 1 。文【6 4 】介绍了一个基于本体的信息检索 主体m e l i s a ，用于在医疗专业领域检索参考文献。 1 3 主要研究内容 本文主要研究网格环境下基于语义的信息检索。首先，研究网格的概念与 武汉理t 人学硕t j 学 辽论义 特点，使用g l o b u st o o l k i t 4 实验，了解网格特性：接着俄，研究各种知i ； 表示 方法，技术，在研究各种本体建模方法的基础之e ，结合网格的特征，以及本 系统中建模工具p r o t 6 9 6s 特点，总结出网格环境下e l e a r n i n g 本体建模方法 ( g e o m m ，g r i de l e a r n i n go n t o l o g i e sm e t h o d ) 。依照此方法在p r o t 6 9 6 下建立本 体；最后通过j e n a 工具包完成对本体的操纵，实现本体检索中部分算法。 1 4 论文的组织 本论文章节安排如下： 第章介绍了本课题的研究背景，固内外研究现状，并总结了本论文的主 要研究内容。 第二章介绍网格概念和特点。 第三章首先分析了语义描述所基于的各种技术，以及语义建模的各种方法。 在各种技术和方法的基础上，提出本e l e a r n i n g 网格的架构，本体建模和元数 据。 第四章首先分析了各种基于语义的检索方法，构建网格环境下基于语义的 信息检索。 第五章对研究方法进行实验和分析。 第六章总结本论文研究内容以及展蠼。 4 武汉理t 人学顺i j 学位论文 2 1 网格基础 2 1 1 网格概念 第2 章网格概念与特点 网格( g r i d ) 的概念，来源于电力网格( p o w e r g r i d ) ，希望用户使用网格计算， 就如同使用电力一样方便，给最终的使用者提供与地理位置无关的，与其体的 计算设施无关的通用计算能力。网格利用高速发展的计算机网络的传输速度的 发展快于c p u 摩尔定律的特点，高效的利用各种计算、存储、数据资源【6 5 , 6 6 】。 网格因为其各种不同的应用以及特点，人们对其有着各种各样的定义。 g l o b u s 项日的主持者、网格之父i a nf o s t e r 认为网格必须同时满足三个条件【67 】： ( 1 ) 在非集中式控制的环境中协同使用资源； ( 2 ) 使用标准的、开放的和通用的协议和接口； ( 3 ) 提供非平凡的服务。 并认为刚格计算是动态多机构虚拟组织中的一个协调共享资源和解决问题 的过程。 网格技术有两个核心概念，一是“虚拟组织”。虚拟组织是指在地理位置上 分散的，独立的多个组织为了实现某个i 、u j 题，动念的组成一个虚拟的计算组织。 另一个核心概念便是“体系结构”【6 6 1 。在2 3 节中将具体介绍两种网格的体系 结构。 2 1 2 网格特点 网格是地理位置广泛分布的基础设施，用户数量巨大，资源多且各不相同， 需求应用多。网格具有的特点：分布与共享；自相似性与整体性；异构性；可 扩展性；动态自适应；自治性与管理的多重一 6 8 , 6 9 】。 ( 1 ) 分布与共享：所谓分布是在网格的各种资源在地理位置上分布在不同 的区域，而所谓共享是指在逻辑上网格节点可以共享网格中的各种资源。 武汉理t 人学硕i j 学位论文 分稚足网格硬件在物理上的特征，而共享是在网格软件支持下实现的逻 辑上的特征。 ( 2 ) 自相似性与整体性：网格的局部和整体之间存在着一定的相似性，每个 网格都有管理节点，只是功能强大程度、计算能力不同而己。当然不同 级别网格之f h j 必然有其不同之处。 ( 3 ) 异构性：网格可以包含多种资源，这些资源可以在各个方面异构，包 括在体系结构，操作系统平台等上的异构。 ( 4 ) 可扩展性：构架过程中需要考虑网格的可扩展性，方便构建者能够先 构造一个网格原型，逐渐从原型扩展为城域网格，以及全球网格。 ( 5 ) 动念臼适应：网格具有管理和监控的组织，来动态调整网格，适应需 求。 ( 6 ) 自治性与管理的多重性：网格资源的拥有者对该资源具有最高管理权 限，网格允许资源拥有者对它的资源具有自主管理能力，这就是它的自 治性。l 司时，网格资源又是一个网格的局部，它必然要接受统一的管理， 否则，就无法实现共享和互操作。网格的多重性就体现在自j i 管理的同 时还要接受统一管理。 2 2 网格研究现状 ( 1 ) 国外研究现状 网格的研究起源于9 0 年代，主要集中在美国、欧洲、日本等科技发达国家。 由美国自然科学基金会( n f s ) 资助的网格项目n c s a l 7 0 】，n p a c l l 1 和 t e r a g r i d i7 2 】，美国宇航管理局( n a s a ) 构造的网格计划i p g ( i n f o r m a t i o np o w e r g r i d ) ，美国国防部( d o d ) 的h p c m p 网格，美国能源部( d o e ) 的d o es c i e n c eg r i d 网格和连接三大国家实验室( l l n l ，l a n l ，s n l ) 的a s c ig r i d 网格，欧洲的 d a t a g r i d ，同本的n i n f 等，都是有影响的网格研究计划。 早在2 0 0 0 年，在美国、欧洲、亚太地区的网格研究者的大力推动下，币式 成立了全球网格论坛g l o b a lg r i df o r u m ( 简称g g f ) ，并全面推动网格计算相关 规范和标准的制定工作。2 0 0 6 年，全球网格沦坛g g f 与企业网格联盟e g a 通 过重新组合相关工作组以后，成立了开放网格论坛o g f ( o p e ng r i df o r u m ) 7 3 1 。 6 武汉理丁人学硕i j 学化论文 同时，商业界也丌始探求网格的应用。商业界各大型企业纷纷投入臣资大 力开发网格产品、技术和服务，典型的比如i b m 的g r i dt o o l b o x 、o r a c l e l o g 数 据库网格等系统和工程，都试图在以网格为核心的技术竞争中取得主导地位。 ( 2 ) 国内研究现状 我国也对网格计算进行了深入的研究。2 0 0 1 年中科院计算所开始织女星网 格计；它1 ( v e g ag r i d ) ，该计划包括从低到高的网络操作系统、信息网格、知识网 格三个层次。它设计并实现了织女星网格操作系统，并把它当作网格计算环境， 在其上丌始梢关的研究工作【7 4 , 7 5 1 。中国国家网格( c h i n an a t i o n a lg r i d ) 是国家 8 6 3 计划重大专项支持项目，是聚合了高性能计算和事务处理能力的新一代信 息基础设施的试验床。通过资源共享、协同工作和服务机制，有效支持科学研 究、资源环境、先进制造和信息服务等应用。以技术创新，推动国家信息化建 设及相关产业的发展f 7 6 】。中国教育科研网格( c h i n a g r i d ) 已经整合了、2 0 所高校的 教育资源，且协同高校的计算机计算能力去完成一些科学计算工作。除此之外 还有e s c i e n c e 网格研究计划、中国空间信息网格、上海城市信息网格等重大网 格计划。 ( 3 ) 网格相关新技术 随着计算机技术的发展，网格计算成为了一些新技术的基础。其中包括p 2 p 技术、云计算。 对等网络( p e e rt op e e r ，p 2 p ) 技术是分布式系统与计算机网络相组合的产物， 是采用对等模式工作的计算机网络。在对等网络中，每个网络节点在行为上是 自由的，在功能上是平等的，在连接上是互联的，所有节点分布式地白组织成 一个整体网络，因此，它能够极大程度地提高网络效率，充分利用网络带宽， 开发每个网络节点的潜力【7 川。 云计算( c l o u dc o m p u t i n g ) 是一种新兴的商业计算模型。它将计算任务分布 在大量计算机构成的资源池上，使各种应用系统能够根据需要获取计算力、存 储空问和各种软件服务1 7 引。 7 武汉理r t 人学形! i j 学位论义 2 3 网格体系结构 2 3 1 面向协议的网格体系结构 所谓面向协议的网格体系结构，也就是h 层沙漏模型。该模型将对共享资 源进行操作、管理和使用的功能分散在五个不同的层次，由底向上分别是构造 层( f a b r i c ) 、连接层( c o n n e c t i v i t y ) 、资源层( r e s o u r c e ) 、汇聚层( c o l l e c t i v e ) $ n 应用 罢( a p p l i c a t i o n ) 。越在下层就越接近物理资源，而越向上就越接近于抽象资源 6 8 , 7 9 】。如图2 1 所示。 图2 1 五层结构与t c p i p 的对比 在五层沙漏结构中，具体的描述如下： ( 1 ) 构造层( f a b r i c ) ，构造层面对的是具体的物理( 也可以是逻辑) 资源，它通过对 这些局部资源的管理，向上层提供对这砦资源的管理和控制； ( 2 ) 连接层( c o n n e c t i v i t y ) ，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，连接层使得孤立的资源之间建立了联系； ( 3 ) 资源层( r e s o u r c e ) ，它反映抽象的局部资源的特征； ( 4 ) 汇聚层( c o l l e c t i v e ) 完成的功能是如何将下面以单个资源形式表现出来的资 源集中起来，协调解决多个资源之间的问题； ( 5 ) 应用层( a p p l i c a t i o n ) $ h 资源的距离最远，它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； 离里 武汉理丁人学硕l ：学位论义 i 具勘渊 应用层 日求代理 汇聚层 与诊断监控等 资源与服务i 资源与连接层 的安全访问 各种资源， 石e 如计算机，存储介质， 构造层 嗍熊勰等 图2 - 2 沙漏形状的五层结构 五层沙漏结构，如图2 2 所示，主要侧鼋于定性的描述而非具体的协议定 义。在沙漏的瓶颈部分便是进行传输的协议的核心，核心部分向下扩展，使得 网格能够真正的达到面向异构资源，屏蔽底层传输，设备等各种差异。同时核 心部分向上扩展，使得网格能够实现多种功能，适应需求。 2 3 2 开放式的网格体系结构 开放网格服务构架( o p e ng r i ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e ，o g s a ) 7 5 ，8 0 1 定义了网格 计算的架构，由g l o b u sg r i df o r u m ( g g f ) 的o p e ng r i d s e r v i c e s i n f r a s t r u c t u r e ( o g s i ) 作小组于2 0 0 2 年6 月制定的，g l o b u st o o l k i t3 ( g t 3 ) 是 o g s a 标准的第一个主要实现。o g s a 架构由四个主要的层构成，如图2 3 所 示，从下到上依次为：物理资源和逻辑资源；、b 服务；基于o g s a 架构的服 务和网格应用程序。o g s a 把网格上的一切都表示成服务，通过提供各种各样 的服务集成来达到网格资源的共享。如果说五层沙漏结构是以协议为中心的“协 议结构”，则o g s a 就是以服务为中心的“服务结构”。 以网格服务为中心的模型具有如下的好处1 6 酬： ( 1 ) 由于网格环境中所有的组件都是虚拟的，因此，通过提供一组相对统一 的核心接口，所有的网格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，这些服务可以跨越不同的抽象 层次，以统一的方式来看待。 9 武汉理i 大学硬l 学位论立 ( 2 ) 虚拟化也使得将多个逻辑资源实例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为基 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。 u np r o b l e md o m a i n p p l m mp m b l e md o m a l a a p p l t i o i n t e g r a t i o n lc c h n o l o “f o r m b l e md o g c v i r i u a ls e m i t e a c c e d i n t e g r a t i o n l a y e r m 程 可靠性 ! a 竺兰堇 w o n o w u s a g e a u t h o s r c d 事物 消息目 安全性 i 国。yi99 图2 - 3 开放式体系架构o g s a 2 4 网格中间件g l o b u st o o l k i t g l o b u st o o l k i t4 是一个由松散组件组成的开源工具。组件中包括关于服 务、程序库和开发网格应用使用的工具。如图2 - 4 所示，g t 组件分为5 个主要 的部分：安全，数据管理、执行管理、信息服务和公共运行库。 武汉理t 人学顾f ：学化论文 g r i d f t p r f t r l s o g s a d a l x l o p r 争w s g r a m w s 如r a m ( w s r f ) c s f m d s 2 w s i n d e x i ( w s r f ) 匿m a n a g 匿m a n 习a g 匪s e r v 圜i c e |i 图2 4g l o b u s 组件图 j a v a w s i c o r e c w s b c o r e i ( 1 ) 安全( s e c ur i t y ) g l o b u st o o l k i t 4 的安全组件，也就是指g s i ( g r i ds e c u r i t yi n f r a s t r u c t u r e ，网 格安全基础设施) 。安全组件使得安全的通信和在完全不同的系统之间的安全统 一策略成为可能。 认定和授权：包括控制接入服务和资源的库文件和工具，在使用这样的框 架的同时也呵以使用其他的授权方法，包括用户写方法。 委派：这个工具包括委派凭证于一个容器。 社区授权：虚拟组织能够使用c a s ( c o m m u n i t ya u t h o r i z a t i o ns e r v i c e ，社区 授权服务组件) 来授权使用虚拟组织的资源。 凭证管理：这个组件包括s i m p l e c a ( s i m p l ec e r t i f i c a t ea u t h o r i t y ) ，能够给予 用户进入网格的认证和m y p r o x y 。s i m p l e c a 是网格的凭证存储库。 ( 2 ) 数据管理( d a t am a n a g e m e n t ) 数据管理组件提供发现、传输和访问大量数据的功能。 g r i d f t p ：这个组件包括一个完全功能的网格g r i d f t p 服务器和几个客户 端的应用。g r i d f t p 协议对于传输大量的文件是比较有优势的。 r f t ：r f t ( 可靠文件传输服务，r e l i a b l ef i l et r a n s f a r ) 是一个w s r f 支持的 服务，有时使用g r i d f t p 来传输大量的数据。这个服务相对于g r i d f t p 提 供一些有意思的服务，比如能够恢复中断传输的文件。 复制位置服务( r e p l i c al o c a t i o n ) ：r l s ( r e p l i c al o c a t i o ns e r v i c e ，复制位置 武汉理- t 人学硕l ：学位论文 服务1 保证在虚拟组织内对于副本的跟踪。 数据复$ 1 ( d a t ar e p l i c a ) ：d r s ( d a t ar e p l i c a t i o ns e r v i c e ，数据复制服务) 使用 r l s 和r f t 保证本地的复制文件能够提供主机使用。 o g s a d a i ( o g s ad a t aa c c e s sa n di n t e g r a t i o n ，o g s a 数据使用和整合) ： o g s a d a i 提供使用和整合数据集的一个框架，这个数据集合可能会使用 不同的格式( 纯文档格式，数据库，x m l 文件等等) 。 ( 3 ) 执行管理( e x e c u t i o nm a n a g e m e t ) 执行管理是部署、安排和监控执行程序( 或称为任务) 的组件。 网格资源配置和管理( g r i dr e s o u r c ea l l o c a t i o n & m a n a g e m e n t ) ：g r a m 是 g t 执行管理的核心，提供配置和监控任务的服务。 社区调度框架( c o m m u n i t ys c h e d u l e rf r a m e w o r k ，c s f ) ：这个组件为各种 调度，例如p b s ，l s f 和s g r 等，提供单一的界面。 工作空间管理( w o r k s p a c em a n a g e m e n t ) ：一个新的组件使得用户能够动态 的管理工作窄问和远端的主机。 网格远程控制协议( g r i dt e l e c o n t r o lp r o t o c 0 1 ) ：这个组件提供w s r f 允许 服务接口去远程控制( 远程控制远端的仪器) 。 ( 4 ) 信息服务( 1 n f r o m a t i o ns e r v i c e ) 信息服务通常被称做m d s ( m o n i t o r i n ga n dd i s c o v e r ys y s t e m ，监控和发现 系统) ，其中包括一些在虚拟组织中去监控和发现资源的组件。 索引服务( i n d e xs e r v i c e ) ：这个组件的作用是聚集虚拟组织中的资源。 引发服务( t r i g g e rs e r v i c e ) ：和索引服务一样，引发服务也能够收集虚拟组 织中的资源。 ( 5 ) w