蔣漪漣

0 引言

因為更多的計算機技術滲透到因特網(wǎng)，在90年代末網(wǎng)格繼Internet和WEB之后成為研究熱點。

網(wǎng)格是構筑在因特網(wǎng)上的一組新興技術，它將高速互聯(lián)網(wǎng)、高性能計算機、大型數(shù)據(jù)庫、傳感器、遠程設備等融為一體，為科技人員和普通老百姓提供更多的資源、功能和交互性。網(wǎng)格是從電力網(wǎng)的概念借鑒過來的，其最終目的是希望用戶在使用網(wǎng)格時，就像使用電力一樣方便地使用分布在網(wǎng)絡上強大而豐富的各種資源，如計算資源、存儲資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源、軟件資源、通信資源、知識資源和專家資源等。網(wǎng)格具有高性能、一體化、資源共享、協(xié)同工作、知識生產(chǎn)等特點，是目前關系科研、經(jīng)濟、社會、國防的重要國家基礎設施，在國內(nèi)外己引起了廣泛的關注。隨著網(wǎng)格體系和技術標準的日趨成熟和完善，網(wǎng)格將會在更廣泛的領域得到推廣和應用[1]。

在美國，網(wǎng)格研究人員著重于計算網(wǎng)格和數(shù)據(jù)網(wǎng)格，即TeraGrid[2]和 GIG（全球信息網(wǎng)格）[3]。在歐洲著重于網(wǎng)格應用，其網(wǎng)格工程包括數(shù)據(jù)網(wǎng)格，e-learning和e-culture[4]。而其他國家，如日本、新加坡、印度構建網(wǎng)格程序。

中國也很重視網(wǎng)格研究，目前有一些重點項目得到國家的支持，如863工程支持的國家網(wǎng)格，教育部支持的中國網(wǎng)格工程，上海市政支持的上海網(wǎng)格等等[5]。

1 網(wǎng)格技術

1.1 網(wǎng)格技術的概念及其特點

網(wǎng)格通過高速的共享網(wǎng)絡連接地理上廣泛分布的異構資源 (包括超級計算系統(tǒng)、存儲器、數(shù)據(jù)庫、軟件、科學儀器和分布式文件系統(tǒng)等 )。在同一時間用它們來協(xié)同解決那些通常需要許多 CPU 或存儲器來處理、訪問的單個問題。在形成網(wǎng)格狀的高性能計算網(wǎng)中，各個資源就是網(wǎng)格的節(jié)點[6]。

其特點是可以根據(jù)用戶對資源的需求，動態(tài)地組織網(wǎng)絡上的資源，實現(xiàn)網(wǎng)格的資源共享。這 種資源的共享不僅僅是文件的交換共享，還可以是直接對計算機硬件資源、軟件資源、網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)等資源直接訪問，并且這種共享是動態(tài)的、高度可控的，資源的提供者和消費者、共享內(nèi)容、共享發(fā)生的條件都是被嚴格定義的。所有遵守這些共享規(guī)則的教育科研機構可以構成一個虛擬組織，虛擬組織內(nèi)部的資源共享。

1.2 網(wǎng)格的體系結構

網(wǎng)格體系結構是關于如何建造網(wǎng)格的技術，包括對網(wǎng)格基本組成部分和各部分功能的定義和描述，對網(wǎng)格各部分相互關系與集成方法的規(guī)定，以及對網(wǎng)格有效運行機制的刻畫。顯然，網(wǎng)格體系結構是網(wǎng)格最核心的技術，只有建立合理的網(wǎng)格體系結構，才能夠設計和建造好網(wǎng)格，才能使網(wǎng)格有效地發(fā)揮作用。

到目前為止，比較重要且有影響的網(wǎng)格體系結構是：五層沙漏結構。該結構是基于美國國家實驗室的網(wǎng)格研發(fā)項目Globus 提出來的，是一種以協(xié)議為中心的“協(xié)議結構”[7]。該結構強調(diào)協(xié)議在網(wǎng)格的資源共享和互操作中的地位，通過協(xié)議實現(xiàn)一種機制，使得虛擬組織的用戶與資源之間可以進行資源使用的協(xié)商，建立共享關系，并且可以進一步管理和開發(fā)新的共享關系。這一標準化的開放結構對網(wǎng)格的擴展性、互操作性、一致性以及代碼共享都很有好處。圖1所示為五層沙漏結構的形狀圖。

圖1 五層沙漏結構形狀圖

這五層結構由下至上分別是構造層、連接層、資源層、匯聚層和應用層，各層涵義如下：

(1)構造層（Fabric）是物理或邏輯實體，實現(xiàn)控制局部的資源，并向上提供共享訪問資源，如高性能計算資源、大型數(shù)據(jù)庫存儲資源、高速網(wǎng)絡資源、傳感器和遠程設備等。本層提供的功能性為更上層使用提供了基礎，所提供的功能性越豐富，更上層就越能構造更復雜的應用。

(2)連接層（Connectivity）定義網(wǎng)格中網(wǎng)絡事務的核心通信協(xié)議和安全協(xié)議，其中通信協(xié)議包括傳輸、路由、命名等；安全協(xié)議提供通信服務上的安全加密機制，用于識別用戶和資源，安全協(xié)議為建立用戶和資源之間的信任關系提供了技術支持。 構造層提交的各種資源間的數(shù)據(jù)交換都在這一層的控制下實現(xiàn)，各資源間的認證、安全控制也在這里實現(xiàn)。

(3)資源層(Resource)定義了在一個單獨的資源上提供共享操作的協(xié)議，該協(xié)議實現(xiàn)調(diào)用構造層的功能以訪問和控制本地資源。它包含信息協(xié)議和管理協(xié)議兩個協(xié)議族。在資源層只關心單個的資源，不關心全局的狀態(tài)和跨域的行為。

(4)匯聚層（Collective）完成將資源層提交的受控資源匯聚在一起，供虛擬組織的應用程序共享、調(diào)用。匯聚層不關心單個資源的管理，關心的是全局的狀態(tài)和跨域的交互行為。因此，該層提供的協(xié)議服務是很廣泛的，開發(fā)者可以根據(jù)自己的需要，在使用下層提供的服務基礎上進行再開發(fā)。匯聚層也提出了一些通用的協(xié)議和服務，如目錄服務、協(xié)同分配調(diào)度、經(jīng)紀人服務、數(shù)據(jù)復制服務、軟件發(fā)現(xiàn)服務、團體授權服務、團體記賬和支付服務等。

(5)應用層（Application）是用戶利用下層提供的 API或 SDK 來實現(xiàn)某些特定功能。

2 遠程開放教育資源共享系統(tǒng)的網(wǎng)格體系結構與應用

現(xiàn)代遠程教育的核心和精髓是教育資源的共享，而目前遠程教育只是把自己所擁有的資源向社會開放，共享的范圍和程度還遠遠不夠，充其量只達到部分和單向的資源共享。同時，現(xiàn)有網(wǎng)絡為學習資源的共享、學習活動的合作所提供的技術條件處在較低水平，缺乏在課程知識和教學管理水平層次上的交換，造成現(xiàn)代遠程教育運作模式的僵化。資源的重復建設，資源檢索技術的智能化水平不高，資源的獲取和應用及更新速度較慢，動態(tài)適應性較差等，也影響資源的有效共享。

網(wǎng)格技術的最大特點是信息資源共享。通過建立遠程教育信息網(wǎng)格，可以充分利用現(xiàn)有的遠程教育資源，最大限度地減少各遠程教育系統(tǒng)建

設時的重復投資，快速應對新系統(tǒng)建設的需求，整合和管理分散在各學校的信息化資源，實現(xiàn)網(wǎng)絡虛擬環(huán)境下的資源共享和協(xié)同工作，建設一個統(tǒng)一、靈活、有彈性的遠程教育基礎設施。

2.1 遠程開放教育資源共享系統(tǒng)的網(wǎng)格體系結構

遠程開放教育資源共享系統(tǒng)的網(wǎng)格體系結構如圖 2所示，此系統(tǒng)從下而上分別是網(wǎng)格資源域、網(wǎng)格中間件和應用層。

圖2 遠程開放教育資源共享的網(wǎng)格體系結構

（1）網(wǎng)格資源域。包括地理上分布的可以通

過 Internet訪問到的所有分布式異構資源，包括運行不同操作系統(tǒng)的計算機、工作站、存儲設備、各種數(shù)據(jù)庫、儀器設備和應用系統(tǒng)等，構成整個網(wǎng)格系統(tǒng)的硬件基礎。

（2）網(wǎng)格中間件。真正實現(xiàn)物理上連接、邏輯上孤立的網(wǎng)格資源的有效共享，屏蔽下層結構的分布性和異構性，向上層提供統(tǒng)一、透明的使用接口。網(wǎng)格中間層從下到上由資源網(wǎng)格、信息資源網(wǎng)格、服務網(wǎng)格組成。

資源網(wǎng)格。它是遠程開放教育資源共享系統(tǒng)基礎組成部分，負責本節(jié)點域的創(chuàng)建和屬性的收集，動態(tài)監(jiān)測、調(diào)度本地資源，及時地將本地網(wǎng)格資源的信息傳送給上層的信息服務模塊。此外，負責接收從網(wǎng)格請求代理提交的任務并負責運行相應的資源，為遠程開放教育資源應用提供基本框架。相當于網(wǎng)格的構造層和連接層。

信息資源網(wǎng)格。它基于資源網(wǎng)格創(chuàng)建，是遠程開放教育資源共享系統(tǒng)的重要組成部分。為了能為整個開展遠程教育的學校提供有用的信息服務，就需要對資源網(wǎng)格提供的數(shù)據(jù)信息加以分析整理，并且通過信息網(wǎng)格，將學校所需的信息提供給服務網(wǎng)格。

服務網(wǎng)格。它是遠程開放教育資源共享系統(tǒng)的核心組成部分，對全局資源進行統(tǒng)一的管理和分配，服務網(wǎng)格提供資源共享系統(tǒng)所支持的各種服務，同時對各應用系統(tǒng)提供服務支持，這種服務支持包括信息服務、計算服務和信息處理服務等。服務網(wǎng)格可以提供通用性的服務接口，也可以根據(jù)虛擬組織或應用領域的需要提供特定服務接口。

開發(fā)規(guī)范與管理控制平臺。整個系統(tǒng)的中央控制單元，通過該平臺的集中統(tǒng)一控制，使得服務網(wǎng)格、信息資源網(wǎng)格、資源網(wǎng)格的各個子系統(tǒng)符

合統(tǒng)一的規(guī)范，利于實現(xiàn)各子系統(tǒng)間的互通、互連和互操作，進而在管理控制平臺的統(tǒng)一控制、協(xié)調(diào)下發(fā)揮出系統(tǒng)的最大效用。

（3）應用層。通過調(diào)用網(wǎng)格中間件，共享網(wǎng)格上的資源來完成任務。應該根據(jù)不同學校的具體要求，建立相應的應用系統(tǒng)來滿足各個學校的不同要求。

2.2 行業(yè)資源共享系統(tǒng)的資源管理模式

遠程開放教育資源共享系統(tǒng)采用圖 3所示的網(wǎng)絡拓撲圖。學校內(nèi)部通過局域網(wǎng)實現(xiàn)資源的互連、互通，其資源信息通過其所在的局域網(wǎng)內(nèi)的服務器統(tǒng)一管理。學校中各個部門、教師、學生通過接入廣域網(wǎng)而集合海量網(wǎng)格計算所需的網(wǎng)格資源。通常這些人員在地域上廣泛分布，難以集中管理，因此采用分布式的資源管理方法較為實際，即對于分布于不同局域網(wǎng)中的網(wǎng)格資源，各服務器通過分布式數(shù)據(jù)庫建立自己的資源信息庫，服務器之間通過分布式數(shù)據(jù)庫交互信為資源分配、作業(yè)調(diào)度服務；對于一個具體的任務可以通過各個局域網(wǎng)服務器，獲得各自的局域網(wǎng)資源信息，從而形成學校動態(tài)的資源聯(lián)盟。

圖3 遠程開放教育資源共享系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲圖

在這個網(wǎng)格系統(tǒng)中，不存在全局控制的調(diào)度系統(tǒng)，每個學校的部門、教師、學生的地位都是平等的。這樣的網(wǎng)格具有很強的可擴展性和容錯能力，系統(tǒng)內(nèi)任何一個節(jié)點發(fā)生故障，都不會對整個系統(tǒng)造成太大的影響。

2.3 遠程開放教育資源共享系統(tǒng)的應用流程

系統(tǒng)應用的基本流程：①用戶通過應用系統(tǒng)從網(wǎng)格節(jié)點登錄，在用戶通過登錄中間件的身份認證后，用戶向系統(tǒng)提交任務；②服務網(wǎng)格對任務進行分割，通過信息資源網(wǎng)格查找可利用資源及節(jié)點，并進行協(xié)商，然后下達任務到指定資源；③任務被分配給資源網(wǎng)格上的不同節(jié)點來共同完成，然后將任務結果連同任務完成報告返回，再由服務網(wǎng)格將結果合并后通過用戶應用系統(tǒng)提交回用戶。

為了說明遠程開放教育資源共享系統(tǒng)的特點，現(xiàn)舉一個具體的例子。在開展遠程教育的學校中，學校 A想分析整個遠程開放教育的發(fā)展現(xiàn)狀和未來的趨勢，需要用到各個學校的相關數(shù)據(jù)，同時需要進行大量的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)挖掘。但是學校 A并沒有處理大量數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)挖掘的能力，而學校B有一高性能計算機群，學校C有一套數(shù)據(jù)挖掘軟件。只要學校 A，B，C都在網(wǎng)格系統(tǒng)中，可以很容易通過網(wǎng)格技術將各個學校的數(shù)據(jù)資源，學校 B的高性能計算機群和學校 C的數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)組織成一個虛擬聯(lián)盟，完成學校 A的應用請求，而不需要購買任何新的軟、硬件系統(tǒng)。一旦任務結束，虛擬聯(lián)盟自動解散。

不難看出網(wǎng)格技術的虛擬成員不是單個的實際的某個部門，而是一個個具體的計算機、存儲器之類的資源節(jié)點。通過遠程開放教育資源共享系統(tǒng)之后，可以最大限度地整合整個開放教育現(xiàn)有資源，實現(xiàn)資源重用。

3 結論

網(wǎng)格技術是新一代互聯(lián)網(wǎng)技術。將網(wǎng)格技術應用于遠程開放教育資源共享，可以增強學校間資源的互操作性，即可以與遠程的資源進行協(xié)同工作，打破現(xiàn)有的壁壘。本文提出的遠程開放教育資源共享的網(wǎng)格體系結構和資源管理模式，對實現(xiàn)遠程開放教育資源重用具有重要指導作用。

[1]Foster I,Kesselman C,Tuecke S.The anatomy of the grid:Enableing scalable virtual organizations. International J.Supercomputer Applications,2001.

[2]http://www.teragrid.org.

[3]http://disain.disa.mil/ncow.html.

[4]http://www.e-learningcentre.co.uk.

[5]http://www.chinagrid.net.

[6]高宏卿,王曉東,張際平.基于網(wǎng)格的遠程教學研究[J].電化教育研究,2005,(5)53-56.

[7]顧容,王永固,張莉.遠程教育網(wǎng)格的設計與應用研究[J].浙江工業(yè)大學學報(自然科學版),2005,(33)53-56.