基于網格技術的網絡學習資源共享

【摘要】本文首先簡略介紹了進行網絡學習資源共享的研究的一些背景；其后，對OGSA架構提供的資源共享機制進行了分析，并進而對基于OGSA架構的網絡學習資源共享方案進行了高層與技術上的分析；最后，作者給出了相關結論與建議。

【關鍵詞】網格技術，OGSA架構，面向服務架構SOA，網絡學習，資源共享

【中圖分類號】G434

【文獻標識碼】B

【論文編號】1009—8097（2006）04—0016—05

一、研究背景

我國自1999年實施現代遠程教育工程以來，共計設立68所利用互聯網進行教學的網絡教育學院，其中除中央廣播電視大學以外，其他67所網絡教育學院都依托于一所國內重點高校。經過不斷摸索與改進提高，已經產生出一批優秀的遠程學習資源，尤其是那些充分依托所在高校優秀學科資源的網絡教育學院，例如北京外國語大學、西安電子科技大學、人民大學等著名高校創辦的網絡教育學院，其開發的網絡學習課程中一些專業課程模塊深受網絡學習者的喜愛，但是，各個網絡教育學院低水平重復開發的現象還是比較嚴重。遠程教育的研究者們對于優質資源共享問題十分關注，不僅提出了資源共享的機制（嚴繼昌，2003）（丁新，2003），而且從技術規范上制定了教學資源相關標準（祝智庭，2001）。

本文在對研究者們已提出的資源共享機制理解的基礎上，在對網絡學習環境應用于終身教育的憧憬上，提出了一個具體的學習資源共享的構想，希望該方案能夠使得通過網絡學習的學習者真正獲取到最合適自己學習風格的學習資源，網絡學習的優勢也能夠最好地得到發揮。

圖1 學習資源共享系統分布圖

在本文所構想的學習資源共享情形下（圖1），參加網絡學習的學生，利用網絡學習者終端，通過網絡學習門戶網站進入學習系統，在注冊進入學習系統之后，學習者相關信息將記錄在門戶網站。學習者在門戶網站能夠看到所有按一級學科組織的課程資源目錄，能夠根據自己的喜好，選修來自不同網絡教育學院或其他學習資源提供者（在本文下面，將直接以學習資源提供者代表這2者）提供的所有共享出來的課程。網絡學習者在門戶網站進行課程的選擇，對于需要收費的課程，在將相關費用交給課程資源提供者之后，課程選擇才最終生效。同一名稱的課程資源將根據它們所提供的課程內容的廣度與深度的不同而獲得不同的等級稱謂，同一等級的同一門課程，無論選擇哪個資源提供者所提供的課程，網絡學習的學生在學完之后都能夠獲得統一的學分，并在選修滿一定的課程與學分的基礎之上，學生可以向某一個具有認證資格的機構提出申請以獲取相關專業的學歷文憑。

目前的網絡教學組織形式還沒有提供這樣的資源共享機制，各行業的網絡教育聯盟（如師范院校網絡教育學院聯合成立的教師網聯、農林院校網聯等）希望能夠提供類似的網絡學習形式，但還沒有具體實施。而基于擴展的Web服務的OGSA框架所提供的資源共享則為這樣的網絡學習形式提供了技術上的可能性。本文下面將首先對OGSA提供的資源共享機制進行分析。

二、OGSA架構提供的資源共享機制分析

OGSA（Open Grid Service Architecture，開放網格服務架構）是由 GGF（Global Grid Forum） 標準團體于2002年6月提出的新一代應用于網格技術的開放式標準，其目的在于(1)實現分布式異構平臺資源的管理；(2)交付完全連續的服務質量（Quality of Service，QoS），提供健壯的后臺服務，包括授權、訪問控制和委托等；(3)為自治管理解決方案提供公共基礎；(4)定義開放的、已公布的接口（都志輝等，2002）（Jay Matt， 2003）。

圖2 OGSA總體結構

上圖所示為OGSA架構圖，共分為4層，包括：

1、底層為物理與邏輯資源層，其中物理資源包括服務器、存儲器、網絡，邏輯資源包括安全、工作流、數據庫、文件系統、目錄和消息。物理與邏輯層的所有資源都是我們能夠共享的資源。

2、二層為擴展的Web 服務，包括原有的Web服務以及定義網格服務的 OGSI 擴展，其中原有的Web Service提供了基于XML描述解決異構分布計算的問題的方法，解決了發現和激發永久服務的問題；而定義網格服務的 OGSI進一步擴展了 Web 服務的定義，提供了動態的、有狀態的和可管理的 Web 服務的能力，為軟件開發人員提供了一種統一的建模以及與網格服務進行交互的方式。

Web 服務以及擴展的Web服務提供了面向服務的架構(SOA， Service Oriented Architecture)， 該架構由3個參與者與3個基本操作組成（圖3），3個參與者分別是服務提供者(Service Provider)、服務請求者（Service Requester）和服務代理(Service Broker)，3個基本操作分別為發布(Publish)、查找(Find)和綁定(Bind)。服務提供者將他的服務發布到服務代理的一個目錄上；當服務請求者需要調用該服務時，他首先到服務代理提供的目錄上去搜索該服務，得到如何調用該服務的信息，然后根據這些信息去調用服務提供者發布的服務。在Web服務體系中，使用WSDL（Web Services Discription Language）來描述服務，UDDI（Universal Discription， Discovery， Indentify）來發布、查找服務，而SOAP(Simple Object Access Protocol)來執行服務調用，WSFL（Web Services Flow Language）將分散的、功能單一的Web服務組織成一個復雜的有機應用。上述協議均為基于XML的協議。

圖3 面向服務的架構(SOA) （飛思科技，2002）

進行資源共享時，服務提供者將需要共享的資源以服務的形式發布到服務代理的一個目錄上，需要使用共享資源的服務請求者通過服務代理找到如何獲取共享資源的信息后，根據該信息去服務提供者處獲取所需要的資源。由此實現了在Web服務級的資源共享。

3、第三層為網格架構的服務，提供了4類服務，分別為：網格核心服務，網格程序執行服務，網格數據服務，特定于領域的服務（圖2）。

（1）網格核心服務由4種主要的服務類型組成，包括服務管理、服務通信、策略管理、安全。利用網格核心服務所生成的高級服務可用于支持程序執行或者數據訪問，也可以作為特定于領域的服務。

服務管理部署系統組件并設定相關規定，自動執行分布式網格中所部署的各種服務的安裝、維護、監控和診斷任務，并收集和交換網格操作所產生的各類數據，包括錯誤、事件、問題確定、審核、測量、會計和賬務的信息。

服務通信提供了不同網格服務之間進行有效通信的基本方法，包括消息排隊、發布-訂閱事件通知，以及可靠的分布式日志記錄等多種通信模型。

策略服務提供了一個用于創建、執行和管理系統操作的策略和協定的通用框架，包括控制安全策略、資源分配策略、性能策略，以及一個基礎性的架構，這個架構供那些需要使用策略來控制其操作的各種服務使用。策略和協定文檔用于表示和協定服務提供商與客戶之間的進行交互的應具有的功能、性能和質量方面的條款。

安全服務提供了常用的安全模型、安全機制、安全協議和安全技術，并啟用和擴展了核心 Web 服務所提供的安全協議和綁定，以及面向服務的身份驗證、授權、信任策略強制、證書轉換等機制。

（2）網格程序執行服務是分布式任務執行網格模型所特有的， 專用于支持高性能計算、并行計算、分布式協作以及資源處理的虛擬化。這類服務中，作業調度和工作負載管理實現的規則決定了網格計算和虛擬化處理資源的能力。CSF（Community Scheduling Framework）是這個類別中接口的一個早期規范。

（3）網格數據服務是對程序執行服務所規定的計算虛擬化約定的一個補充，支持數據虛擬化的概念，并支持對多種類型信息進行分布式訪問的機制，這些信息類型包括數據庫、文件、文檔、內容庫和應用程序生成的流。網格數據服務使用各種布局方法來利用和虛擬化數據，這些布局方法包括復制、緩存和高性能數據移動，為應用程序提供了所需的服務質量QoS。

（4）特定于領域的服務利用上述3種服務所提供的功能，為開發設計某一特定領域的網格服務。

（5）網格架構的服務層提供的資源共享機制與Web服務

層不同，該層通過網格程序執行服務與網格數據服務提供了資源處理的虛擬化環境，以及增強的安全機制。虛擬化的環境使得物理上分布的資源在用戶的角度看到的是大規模的單一的邏輯資源，實現了資源共享的透明操作。增強的安全機制則為用戶在使用不同系統的資源時采取統一的認證策略，避免了多次認證的繁瑣。

4、最高層為應用層，由用戶開發的應用系統組成，網格用戶可以使用其他層次的接口和服務完成網格應用的開發。對于主要使用共享資源的用戶，該應用層的程序可以為一個調用虛擬資源的客戶端程序。

三、基于OGSA架構的網絡學習資源共享方案

下圖所示為基于Web服務的網絡學習系統的面向服務架構(SOA)。

圖4 網絡學習系統面向服務架構(SOA)

上圖中，網絡學習資源提供者將學習資源發布到網絡學習公共門戶的目錄樹上，供網絡學習學生查找選擇所需學習的資源。參加網絡學習的學生直接從網絡學習門戶進行注冊、學習資源選擇以及學習進度查詢。本文下面首先對網絡學習門戶節點與資源提供者節點進行系統架構與服務分布分析。其后，以序列圖的形式分別對學習者注冊過程、學習資源選擇過程、學習資源發布過程、學習資源學習過程進行描述。

（一）系統架構分析與服務分布

1、網絡學習資源提供節點系統架構與服務分布

網絡學習資源提供者節點系統架構與服務分布如下圖所示，其應用層程序主要處理來自于網絡門戶學習節點的課程資源選擇請求，向網絡門戶學習節點發布共享的學習資源有關信息，向學習者發送學習資源具體內容，由于執行單純的資源發布與發送任務，因此，網格架構的服務層中網格程序執行服務與網格數據服務弱化。主要提供學習資源對象操作服務。

圖5 網絡學習資源提供者節點系統架構與服務分布

2、網絡學習門戶節點系統架構與服務分布

較之網絡資源提供者節點，網絡學習門戶節點更多地應用了網格服務特性，在本文的設計中，網格程序執行服務主要提供學習資源提供者發布的共享資源的虛擬化服務，使得上層應用對于學習資源執行統一的操作。網格數據服務則對每個學習者提供其已預訂的課程目錄虛擬化服務。學習者對象與學習資源對象操作服務為應用層程序提供統一的操作接口。網絡學習門戶節點應用層程序則接受并處理來自學習資源提供者的學習資源服務發布信息，接受并處理來自網絡學習者的注冊請求、選課請求、學習請求。此外，由門戶網站的網格核心服務統一執行網絡學習者的鑒權與認證。

圖6 網絡學習門戶節點系統架構與服務分布

（二）系統中主要操作流程分析

在基于OGSA架構的網絡資源共享方案中，分布在學習終端、網絡學習資源提供者服務器、網絡學習門戶網站中的主要操作者分別為：網絡學習者，網絡學習門戶，網絡資源提供者，它們也將分別是這3類功能計算機應用程序中所創建的主要對象。下面以序列圖的形式分析學習者注冊進入學習系統、選擇不同課程、進行網絡學習的過程、以及網絡學習資源提供者資源發布流程。

1、學習者注冊過程

如下圖所示，所有網絡學習者統一通過網絡學習門戶注冊進入網絡學習系統，網絡學習門戶應用層程序在接受學習者的注冊信息后，首先驗證注冊信息的有效性，其后為該學生創建一個實例，將有關注冊信息填寫到該學生實例中，并返回注冊成功消息給網絡學習者。完成學習者的注冊過程。

2、學習資源發布過程

學習資源提供者將擬發布的有關提供學習資源服務的信息以WSDL描述，并使用UDDI將提供服務的信息發布到網絡學習門戶，網絡學習門戶為所提供的學習資源創建實例。完成學習資源發布過程。

3、學習資源選擇過程

網絡學習者登陸進入網絡學習門戶，在網絡學習門戶進行鑒權與認證，成功登陸之后，進入學習者主界面，包括學習者在學課程，網絡學習門戶上可選擇的課程目錄等信息。學習者首先從網絡學習門戶的課程目錄獲取有關課程信息，并向網絡學習門戶提交所選擇的課程。網絡學習門戶應用程序繼續將學習者提交的課程資源選擇信息以及學習者有關信息提交給網絡學習資源提供者，網絡學習資源提供者應用程序將課程學習的有關費用信息及其他詳細信息直接返回給網絡學習者，網絡學習者進入繳費流程，資源提供者將繳費確認信息提交給網絡學習門戶，網絡學習門戶應用層程序在接受到繳費確認信息即網絡學習者的學習資源選擇已經獲準生效后，為學習者增加相應的課程實例，并將繳費確認信息發送給網絡學習者，同時將用戶的相關的注冊信息發送給資源提供者，資源提供者應用程序為該用戶創建一個學習者實例。

圖7 學習者注冊過程

圖8 學習資源發布過程

圖9 學習資源選擇過程

4、學生學習過程

如圖10所示，學習者登陸進入網絡學習門戶之后，選擇學習的課程，學習門戶返回相關課程學習進度情況，學習者選擇具體學習內容提交給學習門戶，由網絡學習門戶進一步提交給學習資源提供者，同時將學習者有關數據提交給學習資源提供者，學習資源提供者應用程序直接將學習內容返回給學習者，學習者完成學習之后，將學習完成信息提交給網絡學習門戶，網絡學習門戶應用程序修改學習者相應的學習進度。

四、結論與建議

從上述分析中可見，在基于OGSA架構的學習資源共享過程中，所共享出來的學習資源內容保留在資源提供者服務器上，因此，不存在資源維護與更新的同步問題。此外，只要所提供的資源能夠統一被學習者終端所使用，便也解決了異構平臺上資源的兼容性問題。

從技術上看，網格是下一代互聯網的主要結構形式，從網絡學習資源共享為起點研究網格技術在教育中的應用，可以循序漸進，以擴展的Web服務提供的資源共享機制為基礎，逐步增強基于OGSA架構提供的資源共享能力，為持續開展網格技術在教育中的應用提供技術準備與應用基礎。

參考文獻

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圖10 學生學習過程

Grid Technology Based Online Learning Resources Sharing

Zeng Ling

Institute of Educational Technology， SCNU，Guangzhou Guangdong，510631

Abstract: This paper gave some research backgrounds in the sharing of online learning resources at the beginning; After analysing the resources’ sharing ability afforded by OGSA， the author present a high level technical analyses on online learning architecture and flow related to resources sharing. Finally， the author made some conclusions and suggestions.

Keywords: Grid technology， Open Grid Service Architecture (OGSA)， Servise Oriented Architecture (SOA)， Online Learning， Resources’ Sharing

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