基于服務(wù)網(wǎng)格的教學(xué)資源共享的設(shè)計(jì)與研究

王彥飛 李春林 宋 曼

【摘要】通過分析現(xiàn)階段教學(xué)資源共享的現(xiàn)狀,針對教學(xué)資源的分布性和異構(gòu)性所帶來的教學(xué)資源共享困難,提出了用服務(wù)網(wǎng)格來消除資源孤島,實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源系統(tǒng)的集成,為動(dòng)態(tài)的虛擬學(xué)習(xí)組織解決資源共享和協(xié)同問題。并用這種思想設(shè)計(jì)出“基于服務(wù)網(wǎng)格的教學(xué)資源共享的研究”的總體實(shí)施方案。

【關(guān)鍵詞】網(wǎng)格;資源孤島;OGSA;資源共享;服務(wù)網(wǎng)格

【中圖分類號】G420 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【論文編號】1009—8097(2009)08—0073—02

一 引言

目前網(wǎng)絡(luò)教學(xué)所提供的資源基本上是以HTML格式為主,開發(fā)的教學(xué)資源嚴(yán)重依賴操作系統(tǒng)、運(yùn)行環(huán)境,無法跨平臺運(yùn)行,無法進(jìn)行更大范圍內(nèi)的共享。而現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育的核心和精髓是教學(xué)資源的共享,這種資源包括師資、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)思想等。目前多數(shù)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的資源共享,只做到了單向資源共享,只是把自己所擁有的資源向社會開放,而且各個(gè)教育系統(tǒng)分散孤立,形成了一個(gè)個(gè)獨(dú)立的資源孤島。由于這些問題的存在,促發(fā)了我們將研究聚焦于網(wǎng)格(Grid)[1]理念指導(dǎo)下的軟件集成,即采用網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源系統(tǒng)的集成;使教學(xué)資源系統(tǒng)通過Web服務(wù)的互聯(lián)、集成和協(xié)同,來為動(dòng)態(tài)的虛擬學(xué)習(xí)組織解決資源共享和協(xié)同問題。本文應(yīng)用服務(wù)網(wǎng)格對教學(xué)資源庫之間進(jìn)行動(dòng)態(tài)整合,為上層學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)提供統(tǒng)一的資源接口,從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的共享。服務(wù)網(wǎng)格在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用,將會極大地改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的應(yīng)用現(xiàn)狀,必將使現(xiàn)有的教學(xué)資源得到高度的整合和共享,大大提高教育資源的利用率,帶來教育質(zhì)量的飛躍。

二 網(wǎng)格及其體系結(jié)構(gòu)

1 網(wǎng)格的定義及其特征

網(wǎng)格是將地理上分布異構(gòu)的各種高性能計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、大型檢索存儲系統(tǒng)等通過高速的互聯(lián)網(wǎng)連接集成,對所有資源統(tǒng)一調(diào)配和使用,建立面向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的通用基礎(chǔ)支撐環(huán)境,實(shí)現(xiàn)Internet上計(jì)算資源、數(shù)據(jù)資源和服務(wù)資源的有效聚合和廣泛共享,從而建立一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域或全球合作或協(xié)作的虛擬科研和實(shí)驗(yàn)環(huán)境,支持以大規(guī)模計(jì)算和數(shù)據(jù)處理為特征的科學(xué)活動(dòng)。

網(wǎng)格技術(shù)的基本特征[1]:①分布性與共享性:網(wǎng)格系統(tǒng)由分布在不同地點(diǎn)、不同類型的計(jì)算機(jī)、外部設(shè)備、各種各樣的資源庫、知識庫、網(wǎng)格服務(wù)等構(gòu)成。共享性就是要做到對各種資源的充分共享。②動(dòng)態(tài)性和異構(gòu)性:動(dòng)態(tài)性包括網(wǎng)格資源、網(wǎng)格規(guī)模會隨著時(shí)間的變化不斷調(diào)整,或充實(shí)內(nèi)容,或去除不再使用的資源。異構(gòu)性是指網(wǎng)格內(nèi)存在形式各異的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),同時(shí),網(wǎng)格內(nèi)的信息資源也是多樣的。③自相似性:網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)具有自相似的特征。

2 網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)

網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)是指確定網(wǎng)格服務(wù)系統(tǒng)中的基本系統(tǒng)組件,界定和描述設(shè)置系統(tǒng)基本組件的目的和組件的功能,并說明組件之間如何進(jìn)行交互式的操作的概念模型。目前出現(xiàn)了兩個(gè)比較重要的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu):一是較早提出的五層沙漏結(jié)構(gòu);另一個(gè)是考慮到Web Services技術(shù)的影響和作用,而提出的開放網(wǎng)格服務(wù)結(jié)構(gòu)(OGSA)[2]。支持Web Services的OGSA架構(gòu)如圖1,可抽象為四個(gè)主要層次。從下到上依次為:資源層(包括物理和邏輯資源);Web服務(wù)層;基于OGSA 架構(gòu)的網(wǎng)格服務(wù)層和網(wǎng)格應(yīng)用層[3]。

三 基于服務(wù)網(wǎng)格的教學(xué)資源共享的設(shè)計(jì)

1 基于服務(wù)網(wǎng)格的教學(xué)資源共享的問題提出

傳統(tǒng)方案的資源共享系統(tǒng),屬于“內(nèi)容位于中心”的存儲模式。數(shù)據(jù)資源都集中存放在性能較高的服務(wù)器中,客戶端要得到其上的文件,則要通過網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)器,由服務(wù)器將所需的文件傳輸?shù)娇蛻舳说谋镜赜脖P,并且客戶機(jī)之間不具有交互能力。若服務(wù)器要同時(shí)為多位用戶提供數(shù)據(jù),所占用鏈路的帶寬將擴(kuò)大到單個(gè)數(shù)據(jù)流的多倍。服務(wù)器的負(fù)載也將增長為單個(gè)數(shù)據(jù)流服務(wù)的多倍。資源的更新完全依賴于服務(wù)器端的數(shù)據(jù)更新,服務(wù)器管理者工作強(qiáng)度加大,需不斷整理服務(wù)器中原有的和用戶近來上傳到服務(wù)器上的數(shù)據(jù),并要尋找用戶關(guān)心的各類數(shù)據(jù),將其存放在硬盤中,以便客戶端訪問,因此就需要超大容量的硬盤才能存儲各式各樣的資源文件,滿足不同類型用戶的訪問。對于用戶上傳到服務(wù)器的文件,還存在利用率不高的情況,嚴(yán)重浪費(fèi)服務(wù)器硬盤的空間。而對于訪問量超大的共享系統(tǒng),還需配置集群式服務(wù)器,必然導(dǎo)致系統(tǒng)成本的加倍上升。

2 基于服務(wù)網(wǎng)格的教學(xué)資源共享的體系結(jié)構(gòu)

由上述可知,為了實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的充分共享,應(yīng)該建立基于網(wǎng)格技術(shù)的教學(xué)資源系統(tǒng)的集成。在這個(gè)網(wǎng)格平臺中,應(yīng)解決由于教學(xué)資源的分布性、動(dòng)態(tài)性、異構(gòu)性所造成的教學(xué)資源不能充分共享的問題[4]。因此這個(gè)網(wǎng)格平臺的功能結(jié)構(gòu)應(yīng)包括抽象資源層、網(wǎng)格服務(wù)層和問題提交層。抽象資源層主要解決教學(xué)資源的異構(gòu)性問題,將教學(xué)資源的物理資源和邏輯資源的異構(gòu)性屏蔽,形成適合網(wǎng)格平臺訪問的抽象資源。網(wǎng)格服務(wù)層協(xié)作服務(wù)資源的功能,當(dāng)任務(wù)到達(dá)時(shí),提供最優(yōu)化資源的服務(wù)。問題提交層借助人機(jī)交互機(jī)制為網(wǎng)格應(yīng)用提供人機(jī)界面,建立基于Web的網(wǎng)格門戶。

圖2是以服務(wù)網(wǎng)格技術(shù)建立的教學(xué)資源共享的體系結(jié)構(gòu)模型。由圖可知,服務(wù)網(wǎng)格既是整個(gè)體系的基礎(chǔ),同時(shí)也是整個(gè)體系的核心。在圖2中,底層是網(wǎng)格資源的提供者,包括學(xué)校網(wǎng)站、各種圖書管資源、科研網(wǎng)資源等教學(xué)資源。

網(wǎng)格中間件是網(wǎng)格資源代理和資源提供者之間的聯(lián)系紐帶。它是網(wǎng)格平臺的核心,負(fù)責(zé)提供遠(yuǎn)程進(jìn)程管理、資源分配、存儲訪問、登錄和認(rèn)證、安全性和服務(wù)質(zhì)量等。網(wǎng)格中間件為網(wǎng)格資源代理提供查詢各種資源的功能,同時(shí)能夠?qū)①Y源代理提供的任務(wù),從網(wǎng)格資源層找到最優(yōu)化的資源,任務(wù)完成后把結(jié)果提交給網(wǎng)格資源代理的功能。

網(wǎng)格代理是網(wǎng)格門戶和網(wǎng)格中間件的通信媒介,屏蔽了教學(xué)資源的異構(gòu)性,隱藏了各類資源復(fù)雜的物理分布性,形成對用戶透明的服務(wù)接口。

網(wǎng)格門戶,基于Web技術(shù),是作為與用戶溝通和交互的界面,為用戶提供一個(gè)慣用的、一致的方法,使用標(biāo)準(zhǔn)的Web瀏覽器與復(fù)雜的底層網(wǎng)格工具和服務(wù)進(jìn)行交互。

3 基于服務(wù)網(wǎng)格教學(xué)資源共享的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在基于服務(wù)網(wǎng)格的教學(xué)資源共享的體系結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上,進(jìn)行教學(xué)資源共享的系統(tǒng)設(shè)計(jì),消除信息孤島,實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的透明整合。為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格透明共享思想,提出了如圖3的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案:

在實(shí)現(xiàn)方案中,有一臺注冊服務(wù)器,它的作用是:各個(gè)資源服務(wù)器中所有的網(wǎng)格服務(wù)都要向注冊服務(wù)器注冊;各個(gè)應(yīng)用程序服務(wù)器要用到其他資源服務(wù)器的服務(wù)時(shí),首先在注冊服務(wù)器上查詢,看有多少資源服務(wù)器在注冊服務(wù)器中注冊了相同的網(wǎng)格服務(wù)。實(shí)際應(yīng)用時(shí),若用戶要查詢高二數(shù)學(xué)課件資源,用戶登錄本地服務(wù)器,它先向注冊服務(wù)器查詢,看哪些服務(wù)器向注冊服務(wù)器注冊了課件資源這樣一個(gè)服務(wù)。注冊服務(wù)器返回有這一項(xiàng)服務(wù)的服務(wù)器的信息,然后,應(yīng)用程序服務(wù)器依據(jù)注冊服務(wù)器返回的信息,逐個(gè)訪問有這個(gè)服務(wù)的服務(wù)器上的查詢服務(wù),最后連同本地服務(wù)器上的課件信息返回給用戶,供用戶選擇瀏覽。

在整個(gè)服務(wù)流程中,用戶單點(diǎn)登錄網(wǎng)格,通過應(yīng)用程序服務(wù)器向注冊服務(wù)器查詢所需實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)格服務(wù)由哪些服務(wù)器提供,獲得信息后,向提供服務(wù)的資源服務(wù)器發(fā)出請求,資源服務(wù)器處理數(shù)據(jù)后以通知的形式返回給應(yīng)用程序服務(wù)器,應(yīng)用程序服務(wù)器將處理的結(jié)果返回給用戶。整個(gè)服務(wù)過程對用戶透明,用戶無需了解實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

4 基于服務(wù)網(wǎng)格的教學(xué)資源共享的編程模式

網(wǎng)格應(yīng)用系統(tǒng)使用B/S三層結(jié)構(gòu)的計(jì)算模式,利用WSRF.NET來開發(fā),使用MVC設(shè)計(jì)模式,如圖4所示,用戶通過瀏覽器向系統(tǒng)發(fā)出請求,系統(tǒng)使用控制器程序接收用戶請求,并進(jìn)行安全檢查,首先向注冊服務(wù)器發(fā)出請求,查找在網(wǎng)格環(huán)境中,提供用戶請求服務(wù)的服務(wù)器地址與Grid Service,再根據(jù)注冊服務(wù)器返回的Grid Service情況,訪問網(wǎng)格中所有提供該功能的服務(wù)器,在獲得所有服務(wù)器提供的數(shù)據(jù)后,將這些數(shù)據(jù)匯總,并格式化后,通過Web程序返回給終端用戶,從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的透明共享功能:表面上用戶訪問的是某一臺服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)上后臺有多臺服務(wù)器為他提供服務(wù)。

四 小結(jié)

本文提出一種新的面向網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的服務(wù)網(wǎng)格,充分利用網(wǎng)格技術(shù)支持網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源共享。通過對教學(xué)資源共享平臺框架的設(shè)計(jì),屏蔽了現(xiàn)階段教學(xué)資源的分布性、異構(gòu)性,解決了異構(gòu)教學(xué)資源共享的問題?；诰W(wǎng)格的高校教學(xué)平臺的建設(shè)可以較好地實(shí)現(xiàn)整個(gè)信息系統(tǒng)各類資源的統(tǒng)一管理,加速信息系統(tǒng)的整合,提高資源利用率。本文只是提出了基于服務(wù)網(wǎng)格的教學(xué)資源共享的研究的總體實(shí)施方案,還有相當(dāng)多的研究工作需要進(jìn)行,希望在今后的研究中,能夠很好的實(shí)現(xiàn)它,其中包括系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境的建立以及網(wǎng)格服務(wù)模塊的編寫。