教育資源網格體系結構及元數據模型研究

摘 要：服務器瓶頸、資源副本管理、資源發現、網絡帶寬問題等若干因素致使傳統的Web方式不能滿足互聯網絡環境下的文件資源管理需求。網格是架構在互聯網絡上的一個全面共享資源的基礎設施，利用網格進行高效的分布式資源管理是解決以上問題的一個有效手段。為此，提出了一種教育資源網格的體系結構模型，分析了其各部分的功能，并給出了一個教育網格資源的元數據模型。

關鍵詞：網格；元數據；體系結構

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A 文章編號：1001-3695(2008)08-2518-03

Research on architecture of educational resources grid and model of metadata

LIU Nai-wen， LIU Fang-ai

(School of Information Science Engineering， Shandong Normal University， Jinan 250014， China)

Abstract:The traditional Web model can′t meet the requirement of file resource management under Internet for reasons of Web server bottleneck， resource replication management， resource discovery and network bandwidth problems. Grid， a infrastructure for resource sharing on Internet， provides an efficient method for distributed resource management. This paper introduced an architecture of educational resourece grid(ERG) and analyzed the component function in detail. It proposed a metadata model of ERG.

Key words:grid； metadata； architecture

架構在Internet上的WWW為互聯網絡環境下的資源共享提供了一個成熟的平臺。Web站點采用C/S模式，客戶可以通過互聯網絡訪問存儲在Web服務器上的文件數據資源。這種集中式文件數據資源管理是一種有效的資源管理方式。但是Web服務器的瓶頸、資源副本管理、資源發現、網絡帶寬問題等若干因素給這種應用模式帶來很大的挑戰，諸多的技術問題亟待解決。互聯網絡環境中，多數情況下資源均分布存儲在不同的地點，因此需要實施分布式管理的方法和技術。

目前，我國各中小學有大量的教育資源（用于教學的資料文檔），包括各學科的教學課件、優秀教師的教學案例、實驗案例等。但是這些資源一般存放在教師本人的計算機或學校服務器上，受網絡帶寬、版權等若干因素的影響不能夠充分共享，這是一種嚴重的資源浪費。如何在保護知識產權的前提下共享這些資源，避免盲目的重復開發是迫切需要研究的問題。解決這些問題，需要研究互聯網絡環境下基于分布式教育資源(文件資源)管理的網絡體系結構、資源管理機制和服務理論。

網格^[1]是架構在互聯網絡上的一個全面共享資源的基礎設施，可以充分挖掘互聯網的潛在能力，是目前研究的一個熱點。建立教育資源網格進行高效的分布式教育資源管理是解決以上問題的一個有效手段。該網格需要解決的關鍵問題有：研究基于中小學教育資源的新一代網絡資源服務體系結構；研究資源的感知模型和互操作模型；研究教育資源的信息交換規范；研究統一的信息和資源表示模型；研究提高教育資源網絡服務質量的方法和措施。

1 教育資源網格的關鍵技術

1.1 網格體系結構

互聯網絡環境下文件資源共享需要首先解決體系結構^[2]問題。目前，P2P系統主要有集中式、非集中式非結構化和結構化網絡。這些結構各有其優劣：集中式結構的服務器是系統瓶頸；非集中式非結構化網絡基于洪泛的查詢機制容易造成網絡擁塞，系統可擴展性差；結構化網絡目前主要采用基于DHT的查詢機制，這種方式使得物理上相鄰的節點經過哈希后邏輯上可能相距很遠，會降低網絡的運行效率。同時，DHT的路由策略、節點的動態離開與加入給系統帶來的振蕩都是需要深入研究的問題。

數據網格是目前文件資源共享的另一種重要方式，目前有歐洲數據網格^[3]、中國科學數據網格^[4]等成功應用，這些項目主要是用于海量科研數據的協同共享。基礎教育教學資源共享的網格體系結構需要進行深入研究，以保證資源的高可用性、易用性。

建立網格的首要任務是建立科學、合理的網格體系結構。網格體系結構是關于如何建造網格的技術和規范的定義，包括劃分和定義網格的基本組成部分、定義各部分的功能、描述不同部分之間的關系以及將這些不同的部分集成在一起的方法。網格可以簡單劃分為分布式資源、網格系統和網格用戶三個層次。網格系統（網格中間件）處在分布式資源和用戶中間，作為用戶與資源之間的一個橋梁，主要作用是將用戶與資源聯系起來，提供用戶對資源的透明使用，支持全方位的資源共享。網格底層是網格的資源層，是分布式資源的集合，是建立網格的基礎。網格資源層是構成網格系統的硬件基礎，它包括各種計算資源，如超級計算機、貴重儀器、可視化設備、應用軟件等，這些計算資源通過網絡設備連接起來。網格資源層僅僅實現了計算資源在物理上的連通，但從邏輯上看，這些資源仍然是孤立的，資源共享問題仍然沒有得到解決。因此，必須在網格資源層的基礎上通過網格中間件層來完成廣域計算資源的有效共享。網格中間件層是指一系列工具和協議軟件，其功能是屏蔽網格資源層中計算資源的分布、異構特性，向網格應用層提供透明、一致的使用接口。網格中間件層也稱為網格操作系統（grid operating system），它同時需要提供用戶編程接口和相應的環境，以支持網格應用的開發。頂層是應用層，這一層的需求就是網格系統要提供的功能，即網格系統要達到的目的。網格應用層是用戶需求的具體體現。在網格操作系統（網格中間件）的支持下，網格用戶可以使用其提供的工具或環境開發各種應用系統。

1.2 資源的感知模型和互操作模型

研究分布式資源存儲模型，并設計相應的資源發現機制，使得用戶能夠很容易地感知系統內其他資源的存在。資源的注冊、發布、發現是資源共享的前提，需要設計靈活的資源目錄結構，使得系統內的用戶可以方便地發現所需的資源，而不受管理域或異質系統的限制，具有較強的資源互操作性。

1.3 資源的元數據模型及副本管理模型

元數據也被稱為是關于數據的數據，它專門用來描述數據的特征和屬性。由于電子文件所具備的多種多樣的格式和控制方法，它們可能不能被每個人直接使用，而元數據能支持用戶決策過程。它包含的數據元素集就是用來描述一個信息對象的內容和位置，以便能在網絡中方便地查找和檢索。元數據能改進文件的檢索能力（特別是搜索的精確性），而各種網絡上的搜索引擎，如Lycos、Alta Vista等，雖然對許多資源有自動索引功能，但其查準率卻極低。一些由專業人員提供的復雜且被結構化的特殊體系方案，如MARC、GILS、TEI header、IAFA模塊（用來描述匿名的FTP檔案和基于主題的信息網關）和FGDC，這些標準雖然能達到一定的查準率，但在數據加工標引工作上既費時又費人工，并且需要專業的從業人員，因此對于充斥于網上的海量信息可以說是無能為力。創立一個簡單的并且在網絡中為各個用戶團體所接受的標準化元數據元素集，成為了網絡發展的迫切需要。1995年制定的元數據集——都柏林核心元素集(Dublin core element set)，由于它的簡練、易于理解、可擴展以及能與其他元數據形式進行橋接等特性，使它成為了一個良好的網絡資源描述元數據集。目前DC在結構和功能上逐漸完善，能較好地解決網絡資源的發現、控制和管理問題，因此對于現在的數字圖書館研究很有意義。

資源副本是互聯網絡環境下文件資源共享時保證資源可用性和降低訪問遲延的有效方式，但是副本如何放置才能達到其最高的使用效率而不浪費網絡帶寬和存儲資源需要在特定環境下進行定性的分析。

2 教育資源網格

教育資源網格（educational resources grid，ERG）體系結構分為三層（圖1），自上而下依次是應用層、網格中間件層和分布式資源層。

2.1 應用層

建立ERG門戶，以網格門戶給三種不同的用戶提供網格服務，分別是資源搜索、資源管理（提交、更改和刪除）和網格管理服務。

資源使用者利用資源搜索服務進行資源的搜索。資源使用者可以在任何位置通過ERG門戶網站進入教育資源網格，實現用戶的單點登錄；用戶登錄和資源搜索具有透明性和平臺無關性。無網格賬號的用戶利用網格門戶可以進行所有資源的查詢和免費資源的使用；具有網格賬號的用戶可以使用付費資源，付費由部署在資源服務器上的記賬系統實現。進行資源查詢時，指定的查詢條件以教育資源的元數據規范為依據，用戶可以根據自己的習慣和需求對元數據項進行定制，支持查詢界面的個性化設置。

資源提供者利用資源管理服務進行資源的搜索和管理。資源提供者具有資源使用者的一切功能；提交的資源需要經過系統審核，審核指確認資源屬性描述是否符合資源表示的元數據規范，若符合則將資源存儲到賬號對應的資源服務器；資源所有者可以刪除資源、更改資源的元數據信息。

網格管理者利用網格管理服務進行網格管理。網格管理者負責管理網格用戶賬號，網格上有一個賬號數據庫存儲網格用戶的賬號信息，記錄用戶的網格行為；管理監控資源服務器和資源路由器；網格管理者可以遠程操作資源服務器上的資源信息，如刪除非法資源信息、過期資源信息等。

2.2 網格中間件層

2.2.1 核心服務

核心服務由信息服務子系統、數據訪問服務子系統、存儲服務子系統和安全體系子系統組成。信息服務子系統為網格中的數據資源提供統一的信息服務，包括數據資源的屬性信息、狀態信息和元數據信息等，實現資源描述和資源發現等功能，同時提供資源服務器和資源路由器的狀態信息；數據訪問服務子系統連接加入教育資源網格的分布式資源服務器，為大規模、分布、自治、異構的教育資源提供統一的訪問接口，以方便教育資源的共享；存儲服務子系統提供具有數據傳輸、存儲管理、副本管理等服務；安全體系子系統提供教育資源網格中的統一安全體系和相應服務，包括訪問數據資源所需的單點登錄、認證、訪問控制和記賬服務，實現對數據資源有控制、有保障、有效率的共享；提供了教育資源網格平臺的數字證書服務。用戶通過使用教育資源網格CA簽發的數字證書能夠安全地訪問教育網格資源，資源服務器利用數字證書對外提供安全的數據服務。

2.2.2 應用服務

ERG應用服務是在核心服務的基礎上提供一些管理和應用工具，包括訪問統計分析工具、元數據管理工具、教育資源庫CA系統、數據目錄管理工具、訪問控制工具包等。限于篇幅，本文不詳細討論這些功能的具體實現。

2.3 ERG資源層

分布存儲的教育資源庫。教育資源庫指各個學校的資源服務器，負責存儲本校教師（或本地賬號用戶）提交的教育資源，維護一個本地資源目錄。該服務器上部署相應的網格中間件系統。在上一層，設置目錄服務器，負責存儲轄域內的全部資源目錄，并保持與底層資源服務器目錄信息的一致性。這些目錄服務器上的資源目錄信息是最終用戶通過網格門戶進行資源搜索的關鍵信息，本文把這一層上的目錄服務器稱為ERG資源路由器。

考慮到一些名校教學資源被訪問頻率高，為了避免該學校服務器的瓶頸問題，可根據訪問統計數據把熱資源（hot resources）按某種機制推送到距離訪問點更近的資源路由器上。

3 教育資源表示規范

3.1 國際上教育資源標準化研究概況

目前，世界上有很多標準化（學術）組織都正在致力于基于網絡的教育資源標準化研究，并起草了一些相應規范。其中影響較大的主要有三種教育元數據標準：IMS 的learning resource metadata（學習資源元數據規范）；IEEE LTSC（Learning Technology Standards Committee，學習技術標準委員會）的LOM（learning object metadata，學習對象元數據）；OCLC（Online Computer Library Center）Dublin core 的Dublin core元數據標準等。其中，Dublin Core 是一個致力于規范Internet 資源體系結構的國際性聯合組織，它定義了一個所有Web資源都應遵循的通用核心標準，標準內容較少，也比較通用，因此，得到了其他相關標準的廣泛支持。關于學習資源的元數據規范，國外起步于1997年，正在研究之中，并沒有達到完善的程度。

3.2 都(多)柏林核心元數據標準

都柏林核心元數據標準是目前國際上關于Web資源表示遵循的通用核心標準，一般其他關于學習資源的數據標準，基本上都兼容Dublin core標準，并對它作一定的擴展。其標準的最新版本是1999年7月2日發布的Dublin core metadata element set，v1.1。Dublin core 規定了Web 資源15 個方面的信息，包括title（標題）、creator（創建者）等。

3.3 國際相關項目

實施應用項目推進信息資源標準化建設，進而實現信息資源的網上共享與互換是國際上的通常做法。都柏林核心元數據標準在這方面較為成功。目前，都柏林核心元數據標準已實施了60個應用項目。其中較為著名的教育項目是美國教育部的GEM（gateway to educational materials）和澳大利亞教育網絡（education network australia，EdNA），加拿大和英國也都制定了相應的學習資源或學習對象元數據標準并實施了一些具體的項目。這就是關于國際上教育資源元數據標準的本土化問題。

GEM集團作為全美國第一個使用的組織，建立了適應于中小學教育的信息資源元數據標準，并開發了基于資源描述框架（RDF）的元數據開發與編輯工具GEMCat，為教師提供豐富的網上課程計劃、課程單元和其他教育資源。GEM的元數據結構包括都柏林核心元數據標準規定的15個核心元素，并根據教育資源特點擴展了8個新元素，分別為audience（觀眾）、cataloging（編目信息）、duration（持續時間）、essential resources（必要的資源）、grade（資源適用年級）、pedagogy（教學要求）、quality （質量評估信息）、standards（標準），合計23個元素。此外，GEM對元素的賦值定義了包括學科、資源類型、教學、適用對象、年級水平和格式六個可控詞匯與相應的詞匯表。在這一規范的框架下，通過教育門戶網站Gateway（http://www.thegateway.org/），成功地實現了網上教育資源的廣泛共享。

EdNA是澳大利亞所有教育與訓練部門之間合作的計劃，EdNA制定了適應澳大利亞教育的元數據標準，包括都柏林核心元數據標準規定的15個核心元素，以及適應澳大利亞本土化與資源網上共享需求而擴充的適用對象、批準單位、目錄代碼、輸入日期、索引、評論、評論者、版本8個元素，合計23個元素。在此基礎上EdNA開發了元數據編輯工具EdNA tool set，創建了覆蓋全澳大利亞教育的門戶網站EdNA online（http://www.edna.edu.au/index.html）。

3.4 中國教育資源國家標準

我國從2001年開始啟動教育信息化技術標準研究項目，成立了中國教育信息化技術標準委員會（CELTSC）。該項目以實現資源共享、支持系統互操作、保障網絡教育服務質量為目標，通過跟蹤國際標準研究工作和引進相關國際標準，并根據我國教育的實際情況修訂與創建各項標準，最終形成中國教育信息化技術標準體系（CELTS）。該體系包括《學習對象元數據》（CELTS-3）《教育資源建設技術規范》（CELTS-41）和《基礎教育教學資源元數據規范》（BERMS）（CELTS-42）。這三個規范從理論上來說是一脈相承的，都是以LOM為核心建立的。其中，《學習對象元數據》屬于上層的抽象規范，規定了描述學習對象的基本方法與準則，它屬于CELTS體系中的基礎標準；《教育資源建設技術規范》是對《學習對象元數據》與具體應用領域結合的產物，它面向資源建設領域（包括基礎教育、高等教育、職業教育和培訓等領域）；《基礎教育教學資源元數據規范》的應用領域則更為具體，主要面向基礎教育的資源建設。

作為具體的應用規范，《基礎教育教學資源元數據規范》^[5]從2001年10月開始編制，到2002年10月正式發布，標志我國基礎教育信息資源建設進入一個新的發展階段。《基礎教育教學資源元數據規范》是在對國外教育資源規范比較、借鑒的基礎上，根據我國的基礎教育特點，遵循相關原則編制而成的。其基本編制原則為：一致性和本土化相統一的原則；最小化原則，即元數據元素選擇的最小化、有效性和可操作性；用項目推進標準建設的原則，即在規范實施中既需要有強制的規范性，又是可修改的，并在應用中逐漸豐富和完善。

4 教育資源元數據模型

國家教育資源建設技術規范中定義教育資源建設可以有四個層次的含義^[5]：a）素材類教育資源建設，主要分為八大類，即媒體素材、試題、試卷、文獻資料、課件、案例、常見問題解答和資源目錄索引；b）網絡課程建設；c）資源建設的評價；d）教育資源管理系統的開發。在這四個層次中，網絡課程和素材類教育資源建設是基礎，是需要規范的重點和核心；第三個層次是對資源的評價與篩選，需要對評價的標準進行規范化；第四個層次是工具層次的建設，網絡課程和素材類資源的具體內容千變萬化，各具特色，對應的管理系統必須適應這種形式的變化，充分利用它們的特色。本文所考慮的問題是如何以最簡單的教育資源元數據模型^[6]對教育資源實現高效的組織管理，也就是教育資源庫的建設問題，需要考慮的是教育資源的分類體系和教育資源庫的功能。結合DC元數據規范和實際教學中的需要，在教育資源網格中使用如表1所示的元數據模型。

表1 教育資源網格元數據模型

名稱標志定義注解標題title賦予資源的標題一般而言，這一名稱指的是資源對象的正式公開的標題學科subject有關資源內容的學科描述一般而言，一個學科通常采用描述資源內容屬性。推薦學科最好是取自一個規范的分類體系關鍵詞keywords有關資源內容關鍵詞描述一般而言，一個關鍵詞通常采用描述資源內容的關鍵詞、短語或分類號。推薦關鍵詞最好是取自于一個限定詞表適用

對象audience應用資源的適用對象的類別包括資源使用適用對象的類別及教育水平描述description對資源內容的概要說明說明元素可以包括但不限于以下部分：文摘、目錄、對以圖形來表示內容的一個參照或者一個有關內容的自由文本描述格式format資源的物理或數字化表現形式一般而言，格式可以包括資源的媒體形式或尺寸。格式元素可以用來決定對資源進行操作或顯示所需的軟件和硬件。例如有關大小及時長的標注。建議采用來自于受控詞表中的值（如因特網媒體類型表[MIME]定義了計算機媒體的格式）費用charge對資源使用的費用說明使用當前資源需支付的費用，以RMB為單位，免費資源的支付額度為0.00 RMB作者creator創建資源內容的主要作者創建者的實例包括一個個人、一個組織或一個服務。一般而言，用創建者的名字來標志這一條目版本version教學資源的版本教學資源的版本信息5 結束語

目前我國多數中小學都具有豐富的電子教學資源，但是不能夠有效地實現資源共享。傳統的Web服務器模式由于其先天的局限性難以滿足資源共享的需求，研究教育資源網格具有重要的現實意義。本文以中國科學數據網格為啟發，提出構建教育資源網格的體系結構，并根據DC元數據標準和我國的CELTS-42提出了一種具有實用意義的基礎教育資源元數據模型。進一步的工作是研究教育資源的感知模型和互操作模型、教育資源的信息交換規范，以及提高教育資源網絡服務質量的方法和措施等。

參考文獻：

[1]FOSTER I，KESSELMAN C. The grid 2 blueprint for a new computing infrastructure [M].Beijing:Electronics Industry，2004.

[2]徐志偉，馮百明，李偉.網格計算技術[M].北京：電子工業出版社，2004.

[3]SEGAL B.Grid computing:the European data project[C]//Proc of IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference.Lyon:[s.n.]，2000.

[4]中國科學院計算機網絡信息中心. 科學數據網格[EB/OL]. [2007-06-05].http://www.sdg.ac.cn/grid-soft/soft.htm .

[5]全國信息技術標準化委員會教育技術分委員會. CELTS-41，教育資源建設技術規范[S].2001.

[6]全國信息技術標準化委員會教育技術分委員會.CELTS-42，基礎教育教學資源元數據應用規范[S]，2001.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文