（计算机应用技术专业论文）教育资源网格中资源的组织与发现技术.pdf

山东师范人学硕士学位论文 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。目前，许多领域的资源均需要 分仰存放、分布管理和分布共享。为了一体化组织和管理地理上分布的教育资源，实现教 育资源的共享提出了教育资源网格。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。资源发现是网格资源共享 的基础，在网格环境下能否高效的发现资源，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为背景，以提高资源发现的效率和减轻系统负担为目标，对 教育资源网格的资源组织与发现技术进行了深入研究。 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 ) 本文分析了目前教育资源存在的问题，总结了教育资源网格的特点、体系结构及 发展前景，并且探讨了将小世界原理应用到资源发现机制的可行性与优越性。少量的长程 联系使得消息在小世界网络中比在规则网络中有更快的传播速度。 ( 2 ) 提出了一种适合中小学教育资源共享要求的元数据规范。该规范符合最小化，跟 踪国际标准和标准的本土化、专业化相结合，应用项目推进标准建设的编制原则，并且给 出了资源的基本属性描述、区域范围描述和个性偏好描述，为高效的资源发现奠定了基础。 ( 3 ) 使用r d f ( r e s o u r c ed e s c r i p t i o nf r 锄e w o r k ) 描述教育资源和请求，提出了符合 教育资源区域性和虚拟特区特点的资源组织方式一索引链表( i n d e xl i n kt a b l e ) 结构。应用 分类的组织方式可实现资源的快速定位，较好地处理了教育信息资源分布与集中的关系。 ( 4 ) 提出了簇的概念和一种在教育资源网格中基于n w 模型的小世界网络的构建方 法，并对小世界网络中选择远程节点的方法进行了改进，即将资源访问量最频繁的节点的 信息路由表添加到其n e i 曲b o u r 表中，而非简单地使用曼哈顿距离。 ( 5 ) 在对教育资源网格节点和网格用户分类的基础上，提出了节点的加入离丌协议， 以及与用户检索( 一般检索与高级检索) 方式相关的基于小世界簇的教育资源发现算法 s w e r d 。高级检索应用小世界簇原理，相应的发现算法分为簇内发现和簇间发现两步。 簇的中心节点通过存储本地簇和邻居簇的信息，实现了邻居间的快速跳转，簇中心环内的 长程联系则帮助用户发现感兴趣的簇的中心节点，即最有可能存在所请求资源的簇，极大 剪枝了查询空间。该算法在中心管理的高效性和完全分布的扩展性之间取得了平衡。 对于网格环境提出的算法，需要模拟验证其正确性与性能。本文分析了几种网络协议 或优化模块的评价方法，着重介绍了网络拓扑结构生成器b r i t e 和网络协议模拟器n s 2 ， 并使用b r i t e 和n s 2 对s w e r d 算法进行模拟。一方面实验证明了引入小世界原理的教 育资源网格架构优于普通架构，另一方面证明了s w e r d 算法在查询成本、查询效率和查 询准确率等指标方面优于随机漫步算法与选择性扩散算法，能改善网格的整体性能。 关键字：教育资源网格；资源发现；资源组织；小世界；簇；r d f 中图分类号：t p 3 9 3 山东师范大学硕士学位论文 r e s o u r c e s o r g a n i z a t i o na n dd i s c o v e r yt e c h n o l o g i e si ne d u c a t i o nr e s o u r c e g r j d a b s t r a c t g “d st 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 n a b o r a t i n go fw i d ev a r i e t yo fr e s o u r c e s a t p r e s e n t ，r e s o u r c e si nm a n yf i e l d sn e e dd i s t r i b u t e ds t o r i n g ，d i s t r i b u t e dm a n a g i n ga n dd i s t r i b u t e d s h a r i n g i i lo r d e rt oo 唱a n i z ea n dm a n a g eu n i f o m 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 e t h es h a r i n g0 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 d a i m sa te 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 e p r e m i s eo 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 n yr i g h t s ，a n dr 印e t i t i v eb l i n de x p l o i t a t i o no fs o f t w a r e s c a nb ea v o i d e di ne 丘- e c t g r j dr e s o u r c ed i s c o v e r yi st h eb a s i s0 fg r i dr e s o u r c e ss h a r i n g ，a n d w h e t h e ro rn o tt od i s c o v e rr e s o u r c e se f f i c i e n t l yi so n eo ft h em o s ti m p o n a n ts t a n d a r d st 0v a l u a t e t h ep e 面咖a n c eo f 掣i ds y s t e m t bm a k eat a r g e t0 fi m p r o v i n gt h ee f f j c i e n c yo fr e s o u r c e d i s c o v e r ya n da l l e v i a t et h el o a d so fs y s t e m ，t h ee d u c a t i o nr e s o u r c eo 唱a n i z a t i o na n dd i s c o v e r y t e c h n o l o g i e sa r er e s e a r c h e dt h o r o u 曲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 no fc h i n a u 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 sa r e ： f i r s t ly 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 se x i s t ，s u m m a r i z e s t h ec h a r a c t e r i s t i c s ，a r c h “e c t u r ea 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 g r i d ， a n d d i s c u s s e st h ef 色a s i b i l i t ya n ds u p e r i o r i t yt h a ta p p l y i n gs m a l l - w o r l dp r i n c i p l et or e s o u r c e d i s c o v e r ym e c h a n i s m af e wl o n g r a n g ee d g e sm a k em e s s a g e st r a n s f e rf a s t e ri ns m a nw o r l d n e t w o r kt h a ni nr e g u l a rn e t w o r k s e c o n d l y ，i tp r o p o s e sa ne d u c a t i o nr e s o u r c em e t a d a t as p e c i f i c a t i o nm e e t i n gt h es h a r i n g d e m a n d so f p r i m a r ya n ds e c o n d a r ys c h o o l s ， w h i c hi si na c c o r d w i t ht h es p e c i f i c a t i o n e s t a b l i s h m e n tc r i t e r i a ：m i n i m i z i n g ，c o m b i n i n gi n t e m a t i o n a lr u l e sw i t hs t a n d a r dl o c a l i z a t i o na n d s p e c i a l i z a t i o n ，a p p l i c a t i o np r o j e c t sp r o p e n i n gc r i t e r i o nc o n s t m c t i o n t h es p e c i f i c a t i o np r e s e n t s t h eb a s i cd e s c r i p t i o na t i r i b u t e s ，a r e ac o v e r a g ed e s c r i p t i o na t t r i b u t e sa n dp e r s o n a lp r e f e r e n c e d e s c “p t j o na t t r j b u t e s ，w h i c hl a y saf b u n d a t i o no fv a l i dr e s o u r c ed i s c o v e r y t h i r d l y ；i tu s e sr d f ( r e s o u r c ed e s c r i p t i o nf r a m e w o r k ) t od e s c r i b ee d u c a t i o nr e s o u r c e sa n d q u e r yr e q u e s t s ，a n dp r o p o s e sak i n do fr e s o u r c eo 唱a n i z a t i o ns t l l l c t u r e ( i n d e xl i n kt a b l e ) t h a t m e e t st h er e g i o n a la n dv i n u a l0 略a n i z a t j o nt r a i t so fe d u c a t i o nr e s o u r c e s t h ew a y0 fc l a s s i f i e d o r g a n i z a t i o np r o c u r e st h er a p i d0 r i e n t a t i o no fe d u c a t i o nr e s o u r c e s ，a n dd e a l sw e l l w i t ht h e r e l a t i o n s h i po fr e s o u r c ed i s t r i b u t i o na n di n f b 册a t i o nc e n t r a l i z a t i o n f o u n h l y ，i tp r o p o s e st h ec o n c e p t i o no fc l u s t e ra n dac o n s t r u c t i o nm e t h o do fs m a uw o r l d n e t w o r kb a s e do nt h en wm o d e li ne d u c a t i o nr e s o u r c e 伊i d i ta l s oi m p r 0 v e st h ew a yo f c h o o s i n gr e m o t en o d e si ns m a uw o r l dn e t w o r l 【，w h i c hi sc a r r i e d0 u tb ya d d i n gt h ei n f 0 硼a t i o n o fn o d e st h a ta r ev i s i t e dm o s tf r e q u e n t l yt oi t sn e i 曲b o rt a b i e s ，n o tb ym a n h a t t a nd i s t a n c e f i n a i l y ，i tp r o p o s e sa ne d u c a t j o nr e s o u r c ed i s c o v e r ya l g o r i t h mp e n i n e n tt ou s e rr e t r i e v a l n l o d eb a s e do ns m a 儿一w o r l dc l u s t e r a f t e ra s s o n i n gt h en o d e sa n du s e r si ne d u c a t i o nr e s o u r c e g r i da n dp r e s e n t i n gt h ee n t r y l e a v i n gp r o t o c o l so fg r i dn o d e s a d v a n c e dr e t r i e v a le m p l o y st h e t h e o r yo fs m a uw o r l dn e w o r k i ti sd i v i d e di n t ot w os t e p s ：i n t e r c l u s t e rd i s c o v e r ya n d i i 山东师范人学硕士学位论文 i n t r a c l u s t e rd i s c o v e r y t h ec e n t e r so fc l u s t e r sa c t u a l i z et h er a p i dj u m pt h r o u g i ls t o r i n gt h e i n f o r m a t i o n0 fl o c a lc l u s t e ra n dn e i g h b o rc l u s t e r s ，w h i l et h el o n g d i s t a n c ee d g e si nt h el o o po f c e n t r a ln o d e sc a nh e l du s e r sd i s c o v e ri n t e r e s t e dn o d e st h a th a v et h em o s tp o s s i b l er e q u e s t e d r e s o u r c e s s w e r dg r e a t l yp r u n e ss e a r c h i n gs p a c e ，a n ds t r i k eab a l a n c eb e t w e e nt h eh i g h e f f i c i e n c vo ft o t a lc e n t r a lm a n a g e m e n ta n dt h es c a l a b i l i t yo fa b s o l u t ed i s t r i b u t e dd i s p o s a l t h ea l g o r i t h mi ng r i 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 i g hp e l l f o m a n c e t h et h e s i sa n a l y s e saf e we v a l u a t i n gm e a n so fn e t w o r kp r o t o c o l sa n d o p t i m i z e dm o d e l s ，h i g h l i 曲t st h eb r i t ea n dn s 2s i m u l a t o r a n ds i m u l a t e st h es m a l l w o r l d e n v i r o n m e n t sa n ds w e r da l g o r i t h mu s i n gb r l t ea n dn s 2 o nt h eo n eh a n d ，t h ee x p e r i m e n t p r o v e st h ea r c h i t e c t u r eb a s e do ns m a l l w o r l dp r i n c i p l ei sm o r ee f f i c i e n tt h a nt h ec o m m o n a r c h i t e c t u r e ；o nt h eo t h e rh a n d ，i tp r o v e st h a tt h es w e r da l 叩r i t h mi sb e t t e rt h a nr a n d o m w a l k sa n ds e l e c t i v ed i f f h s i o na l g o r i t h mo nt h ea s p e c t so fq u e r yc o s t s ，q u e r ye f f i c i e n c ya n d q u e r ya c c u r a c y ，a n dt h ea l g o r i t h mm a k e se d u c a t i o nr e s o u r c e 伊i dh a v eh i g hp e r f o 彻a n c e s k e y w o r d s ： e d u c a t i o nr e s o u r o eg r i d ；r e s o u r c ed i s c o v e r y ；r e s o u r c eo 唱a n i z a t i o n ； s m a l l w o r l d ；c l u s t e r ；r d f ( r e s o u r c ed e s c r i p t i o nf r a m e w o r k ) n i 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 做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 召榴 导师签字： 学位论文版权使用授权书 套1 ) 锣啜 本学位论文作者完全了解兰墩有关保留、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! 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) 学位论文作者签名： 弓袍l 签字日期： 2 0 0p 年g 月；o 日 导师签字： 氯) 方啄 签字日期：2 0 0 年月同 山东帅范火学硕：j ：学位论义 第一章绪论 1 1 本文研究对象、目的和意义 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 n u a l o r g a n i z a t i o n ，v o ) ，共同完成计算任务【l l 【2 1 。网格技术强调的是全面地共享资源和应用服务， 它实现了计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源和专家资源等 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 j ， 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、高等院 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。 为了实现网格资源的共享与融合，需要许多技术的支持，网格资源发现作为最重要技 术之一，主要解决如何根据网格用户资源请求来发现相应的资源问题。网格资源发现是资 源共享和分布式协作的前提，它为其他网格资源管理，如网格资源调度、网格资源监控等- 提供满足需求的可用资源集。有了资源发现机制，资源请求者才能使用自己请求的资源， 否则，大量的资源放在网格上，请求者不知道自己能够使用哪些资源1 5 j i 引。资源发现技术 是决定网格计算是否成功的关键要素之一。但是由于资源在广域上分布、本质上异构、由 不同的个人或组织拥有、有不同的存取和花费模式、负载和可用性动态变化，使得资源发 现颇具挑战性。 而资源组织技术作为资源发现的基础，直接决定着信息资源的查找性能和资源定位方 式【7 l 【8 1 。资源组织技术包括资源属性信息如何描述，具体资源如何存放，资源目录结构如 何选择等。选择合适的资源描述语言既可以保证资源提供者给出资源的细节描述，又可以 使资源请求者自描述他们的请求；合理的资源存放方式能够提高资源发现的效率和保证系 统的负载均衡性；使用高效的目录数据组织结构可以提高资源发现的准确性和减少不必要 的网络延迟、带宽消耗等查询成本。 基于以上分析，本文将重点研究教育资源网格中资源的组织与发现技术，旨在提出一 种灵活、有效的教育资源组织和发现机制，以适应大规模分布网格环境的需求，为用户提 供准确、及时、扩展性高的资源发现服务，并最终提高整个网格系统的服务性能和计算运 算性能。 山东师范大学硕士学位论文 1 2 研究现状 教育资源具有与网格资源相同的特征，故已有资源发现技术同样适用于教育资源。 传统上，网格资源发现主要基于集中或层次模式，如g l o b u s 、c o n d o r 等项目。g l o b u s 以层次结构建立，低层次的服务为高层次的服务开发提供基础，g l o b u s 的元计算目录访问 协议m d s ( m e t a c o m p u t i n gd i r e c t o r ys e r v i c e ) 1 9 j 采用轻型目录访问协议l d a p ( l i g l l t w e i 曲t d i r e c t o r v a c c e s sp r o t o c 0 1 ) 来对资源注册和查找。用户可以通过直接查询运行在某个节点上 的服务器或虚拟组织的专用信息服务器得到资源信息，实现了两层的资源发现结构。虽然 信息服务器之间的交互可以实现，但是通用的分布式资源发现机制是空缺的。c o n d o r 的 m a t c h m a k e r l l o j 部件负责资源发现与调度，资源的请求和应答使用c l a s s i f i e d a d v e n i s e m e n t ( c l a s s a d ) 语言表示。它使用半结构化数据模型描述资源，能在异构环境下工作，但是它采 用集中管理机制来匹配请求者和提供者间的广告，实现了不依赖全局资源命名而依靠属性 匹配的集中式的资源共享系统。许多项目的实验结果证明，集中管理机制降低了用户请求 的响应时间，但当节点规模变大时，容易形成系统瓶颈和中心数据库的单点失效，并且扩 展性较差。 为提高系统的扩展性，许多网格资源发现引入了p 2 p 系统1 1 l 】。i a i lf 0 s t e r 指出随着网格 规模越来越大以及网格集成资源越来越丰富，网格技术借鉴p 2 p 技术并相互融合将成为网 格技术发展的必然【1 2 l 。p 2 p 系统中没有一个中央服务器负责资源的发现及调度，所有系统 的状态信息也没有被集中在单个的结点上，因此消除了集中式资源发现的通讯瓶颈；同样， 单个组织的失效也不会影响整个的计算网格系统，从而容错性和可靠性更高。但是不同的 分布式系统也存在着多种多样的性能问题。如文献【1 3 j 引入非结构化p 2 p 系统，采用随机漫 步算法来进行查找资源，但不适用于大型系统，不易扩展：文献1 1 4 j 应用超级节点将集中与 分布管理方式结合起来；文献【”】1 1 6 j 提出了引入了d h t ( d i s t r i b u t e dh a s ht a b l e ) 的p 2 p 系统， 具有较高的效率和可扩展性，但是不支持复杂查询；文献【1 7 】引入基于d h t 的多属性查询， 但求解结果交集时需要大的传输负载和高的发布更新开销。 小世界网络的优越性决定了其应用的广泛性【1 8 j ，目前许多网格资源发现引入了小世界 原理。文献i l 圳提出策略：如果两个节点的请求数在固定时间段内超过阈值，则两节点就关 联一边，大大降低了网络直径；文献【2 0 j 在存储目录信息和定位文件的技术中引入小世界图； 文献1 2 l j 提出了小世界覆盖网，着重于提出构建网络的方法，而不是提出请求前向策略。引 入小世界的资源发现算法具有较好的查询效率和可扩展性，查询成本也大大降低。 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 服务理论研究。项目的目标是：通过i i l 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。 为了更快速、准确地发现和共享教育资源，本文提出的方案是：按照项目提出的中小 2 坐变堑苎查堂堡：兰兰竺笙三兰 学教育资源元数据规范，使用数据结构中的索引链表和复杂网络中的小世界原理对资源组 织及发现技术进行优化，其基本思想如下： 一、为了保证负载均衡、降低查询成本，提高系统容错性和查询效率，本文在原有教 育资源网格体系结构上引入小世界原理：将节点按照地理位置划分为簇，簇内采用树状的 层次结构，簇的中心节点之间形成小世界覆盖网。小世界网络构建过程中，对传统的n w 小世界模型进行了改进，并提出了教育资源网格中使用逻辑信息选择远程节点的思想。其 研究成果已发表在计算机工程与设计上。 二、根据教育资源的特点和基础教育教学资源元数据规范c e u s 【2 2 j ，提出项目所 需的中小学教育资源元数据规范，并用r d f ( r e s o u r c ed e s c r i p t i o nf r a m e w o r k ) 元数据来描 述网格中的教育资源和查询请求，使查询变得更加准确和灵活；借鉴m d s 的经验，提出 了一种新的网格节点分类方法和加入离丌协议，并提出用索引链表结构来组织教育资源， 实现了某类资源的快速定位。其研究成果已发表在计算机技术与发展上。 三、在分析借鉴已有发现技术的基础上，提出了用户检索方式的分类方法和资源存放 的目录信息结构，扩充了簇中心节点的信息存放量，并进一步提出了基于小世界簇的教育 资源网格资源发现算法s w e r d 。该算法根据用户检索方式的不同，采用不同的发现策略， 实验证明该算法较好地保证了系统的高效性和扩展性。其研究成果已发表在计算机工程 与设计上。 “ 1 4 本文组织结构 本文重点研究了教育资源网格相关问题，并提出了符合教育资源特点和c e l t s 规范的 资源组织和发现技术。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。 第二章通过分析网格技术和教育资源存在的问题，提出了对教育资源网格的定义、特 征及其体系结构的理解，并对教育资源网格的发现现状和研究前景作了总结。 第三章已有资源发现技术同样适用于教育资源网格，本章着重对现有的资源发现模型 进行介绍和分析，并找出了不足。 第四章分为两大部分，第一部分根据c e l t s 提出中小学教育资源的元数据规范，并 通过对几种网格资源描述语言的分析比较，得出r d f 能更准确地描述教育网格资源；第 二部分提出适合教育资源特点的组织方式( 索引链表结构) ，分析证明了索引链表结构可 剪枝查询空间，提高查询效率，并给出了关于改进组织技术的几点见解。 第五章简单介绍小世界网络的基本知识后，引入基于小世界簇的教育资源网格体系结 构，在n w 模型基础上对传统的使用曼哈顿距离选择远程节点的方法进行改进，并提出了 不同节点的加入离开协议和与用户检索方式相关的教育资源网格资源发现算法s w e r d ， 该算法兼具了中心管理的高效性和完全分柿的扩展性。 第六章使用b r i t e 和n s 2 模拟基于小世界原理的教育资源网格模型，并与s e l e c t i v e d i 肌s i o n 和r a n d o mw a l k s 算法做性能比较，证明s w e r d 算法更有效和易于扩展。 第七章总结论文的研究成果并提出未来的工作方向。 山东师范大学硕i 二学位论文 第二章教育资源网格 2 1 网格技术 为了实现教育资源的分布式共享，本文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。本节将简单介绍网格技术的基础知识。 网格计算由最初的元计算发展而来，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台 【2 3 1 。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展1 2 4 1 。 2 1 1 网格定义及特征 网格不仅可以连通各种硬件设备、共享信息资源，而且能够共享硬件设施、共享存储、 共享计算，并生成新的知识资源。网格之父i a nf o s t e r 在n ea n a t o m vo fg r i d 中指出， “网格是构筑在因特网上的一组新兴技术，它将高速互联网、高性能计算机、大型数据库、 传感器、远程设备等融为一体，为科技人员和百姓提供更多的资源、功能和交互性。因特 网主要为人们提供电子邮件、网页浏览等通行功能，而网格功能更多更强，能让人们透明 地使用计算、存储等其他资源 【矧。网格的根本特征并不在于它的规模，而是消除资源 孤岛、实现资源共享，这种共享强调直接对计算机、软件、数据及其它资源的直接访问， 而不是简单的文件交换。 网格计算技术基于分布计算技术发展而来，两者有许多公共特性。然而，由于网格计 算概念的真工f 和特别的问题是解决在动态、异质的多管理策略虚拟组织中的协同资源共享 问题，因而网格计算环境具有和分布计算环境不同的如下特性1 2 5 j 【2 6 】： ( 1 ) 自治的多策略组织。网格计算环境必须支持采用不同管理策略的多个组织之间的 互操作，同时保留各个组织的自治性。这是网格计算和分布计算最本质的区别之一。 ( 2 ) 资源的协同共享。网格计算概念的真正和特别的问题是资源共享，以消除资源孤 岛。这种共享具有协同性，它以资源互连为基础，既包括资源使用时不同用户因时间、空 间和权限等差异引起的协商，也包括资源的组合，通过互连、组合和协作解决用户需要解 决的问题，产生具有附加值的新服务、数据和信息等资源，从而满足用户的新需求。 ( 3 ) 可伸缩性。在一个网格计算环境中，采用面向对象的细粒度设计往往会导致对象 的数量以百万计，甚至更多。因此，如何组织这些对象，以方便高效性查找和定位是网格 计算环境必须要考虑的一个关键问题，即网格计算环境必须是可伸缩的。 ( 4 ) 动态性。组成网格计算环境的各组织的自治性导致了其具有动态性。由于资源提 供者拥有相应资源的最高权限，他可以随时决定将资源加入或退出环境，以及替换或升级 资源，因而资源状态，包括可用性与运行速度等动态属性随时可能发生变化。 ( 5 ) 适应性。各个自治组织提供的资源往往已经在遗留系统中，因而网格计算技术要 大规模商用还必须提供适应性支持，即必须在尽量不破坏遗留系统的前提下为应用提供单 一的分布资源全局视图并汇聚各种分布的自治资源成为一个统一的环境。 4 山东师范人学坝士学位论文 ( 6 ) 异构性。网格资源多种多样，分布的同种资源在体系结构等多个层次上也不同。 ( 7 ) 可扩展性。随着网格系统的完善，资源逐步增多，网格必须能够适应规模的变化。 ( 8 ) 容错性。在广域环境下，网格环境中的协同任务往往需要使用多个共享的相关服 务，网格必须提供一个可靠的容错功能。 ( 9 ) 安全性。只有安全问题得到充分的解决，网格才会真正进入同常的商业领域中。 ( 1 0 ) 通信时间不可预测。通信带宽等资源是共享的，因此通信延迟更为不确定。 2 1 2 网格的基本功能与研究方向 网格系统应该屏蔽资源的分布、异构特性，向网格应用提供透明、一致的使用接口。 一个理想的网格系统应该可以在当前所有硬件和软件平台上，给用户提供完全透明的使用 环境。为此，网格系统必须提供如下基本功能【2 7 】： ( 1 ) 管理等级层次：它定义网格系统的组织方式、确定管理层次体系。 ( 2 ) 通信服务：提供不同的服务( 可靠的，不可靠的，点对点和广播方式) 、通信协 议以及q o s 支持。 ( 3 ) 信息服务：提供资源的全局访问。 ( 4 ) 名称服务：网格中为所有资源提供统一的名称空间，以便引用各种资源。 ( 5 ) 文件系统：提供分布式文件系统机制、全局存储和缓存空间，支持文件存取。 ( 6 ) 安全认证：提供登录认证、可信赖、完整性和记账等方面的安全性。 ( 7 ) 系统状态和容错：提供监控系统资源和运行情况的工具。 ( 8 ) 资源管理和调度：提供透明的资源管理和进程调度。 ( 9 ) 资源交易机制：提供一种资源的交易机制，以鼓励不同组织或资源的拥有者加入 网格系统。 。 ( 1 0 ) 节点自治：允许远程节点加入或退出系统，不影响各节点的本地管理和自主性。 ( 1 1 ) 编程工具：提供丰富的用户接口和编程环境。 ( 1 2 ) 用户图形界面：提供直观的用户访问接口，提供可视化工具。 为了实现网格的基本功能，科研工作者展开了多方面深入的研究，目前网格的主要研 究方向有以下几个方面1 2 6 】【2 8 】： ( 1 ) 资源调度和管理：在不干扰各局域调度系统的前提下，网格调度程序必须能够和 各局域调度系统进行交互。目前的调度问题可大致可分为三类：一类集中于如何有效地调 度相互独立的一组任务；另一类试图采用资源预留( a d v a n c e dr e s e a t i o n ) 和协同分配 ( c o - a l l o c a t i o n ) 的方法以解决并行任务的执行问题：另外，采用经济机制配置网格资源也 是目前研究热点之一。 ( 2 ) 系统安全：单点登录、授权、局域安全系统整合等网格认证需求： ( 3 ) 用户服务：集中在好用性方面，及针对用户层次而提供相应的技术支持等： ( 4 ) 数据存取：需解决命名透明性、位置透明性、协议透明性和时间透明性等问题； ( 5 ) 编程模式：目前仍没有一致意见认为哪种编程模式最适合网格环境； ( 6 ) 性能评测。 山东师范人学硕：t 学位论文 2 1 3 网格的关键技术 网格( g r i d ) ，是一个集成的计算与资源环境，或者说是一个计算资源池【2 9 】。网格能够 充分吸纳各种计算资源，并将它们转化成一种随处可得的、可靠的、标准的同时还是经济 的计算能力。网格要发挥其功能，需要关键技术的支持，主要的关键技术包括： ( 1 ) 元数据管理和信息服务技术 元数据( m e t a d a t a ) 是关于数据的数据，它是面向某种特定应用的用于描述资源属性的 机器可理解的信息，通过规范语法结构和语义结构使得机器能够无二义性地表现和获取信 息。元数据可以用于资源的标识、集成、交换、检索等工作，利用元数据机制，可以更加 精确地描述资源信息，从而使得网络资源信息从机器可读转化为机器可理解。常用的元数 据有：都柏林核心( d u b l i nc o r e ) 、因特网内容选择平台( p i c s ) 、资源描述框架( r d f ) 。 信息服务涉及三个方面：资源发现、资源选择和应用配置。资源发现解决什么资源可 以利用；资源选择回答资源的状态如何；应用配置解决如何优化资源的使用。任何网格活 动都是在网格信息服务模块提供的信息基础上进行的。为了保证信息的正确获取，必须做 到信息的表示与信息的获取请求表示与具体的平台无关。u d d i 、l d a p 、m d a 及x m l 都是信息服务相关技术。 ( 2 ) 资源管理技术 资源管理负责的事务主要包括三方面：解析和处理任务请求中的资源描述，针对可用 资源等情况对请求做出拒绝处理或执行等操作；管理远程监控启动的任务；根据所管理的 资源可用情况更新信息服务。资源管理要进行资源的抽象，把资源的细节对访问者隐藏起 来，以提供一个抽象的统一对象。资源管理具体包括资源信息收集、资源信息更新、资源 发现、资源调度、资源分配、资源定位、资源迁移、资源预约等。 ( 3 ) 数据管理技术 数据资源不同于其它计算、存储、仪器等资源，数据可以无限复制，同时数据源不受 任何损失。数据管理主要涉及到远程数据传输和远程文件管理，包括三个方面：数据传输 ( 并行传输、容错传输、第三方控制传输、断点续传、分布传输及汇集传输等) 、数据存 储( 分布存储、聚集存储、缓存存储及高性能文件访问模式) 、副本管理( 副本创建、目 录管理、一致性维护及删除移动等) 。g l o b u s 数据管理模块g r a m 是通过g r i d f l p 、全 局二级存储服务g a s s ( g l o b u sa c c e s st os e c o n d a r ys t o r a g e ) 、可靠文件传输r f l ( r e l i a b l e f i l et r a n s f e r ) 实现上述功能的。 ( 4 ) 网格安全技术 网格系统较一般分布式系统更加注重了安全性，很好地保证了信息的机密性、完整性 和不可抵赖性。网格安全一般实现三个目标：计算网格的通信安全( 安全认证和信息私有) ； 建立包含多个管理域的分布式安全系统：用户的单一登录。网格主要安全技术手段包括安 全认证、安全身份相互鉴别、通信加密、私钥保护、安全委托与单点登录等。 2 2 教育资源网格简介 在掌握了网格技术的基本概念后，本节我们给出作者对教育资源网格的理解。 6 山东师范入学硕上学位论文 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 2 1 教育资源存在问题 教育资源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【3 0 】【3 1 】【3 2 】： ( 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。不同厂商之间存在相互抄袭的现象，使得不同资源产品出现 内容雷同的滑稽局面。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