【摘要】網(wǎng)格計算技術(shù)為構(gòu)建支持動態(tài)、開放、群體行為的跨組織大規(guī)模協(xié)作提供了良好的技術(shù)和環(huán)境支撐。在分析了語義網(wǎng)格相關(guān)的元數(shù)據(jù)描述、本體服務(wù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于語義網(wǎng)格的教育資源協(xié)同平臺體系結(jié)構(gòu)，通過網(wǎng)格中間件技術(shù)和基于消息的發(fā)布/訂閱(Pub/Sub)機(jī)制提供協(xié)同消息的發(fā)送和接收，實現(xiàn)協(xié)作支持服務(wù)功能，使用戶獲得真正所需要的資源。

【關(guān)鍵詞】語義網(wǎng)格;消息中間件;發(fā)布/訂閱;協(xié)同機(jī)制

【中圖分類號】G40-057【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【論文編號】1009—8097(2010)08—0120—04

一 引言

隨著校園網(wǎng)的普及和發(fā)展，構(gòu)筑在校園網(wǎng)上的網(wǎng)絡(luò)教育平臺數(shù)量劇增，網(wǎng)絡(luò)教育平臺的發(fā)展使教育組織的模式發(fā)生了巨大的變化，網(wǎng)絡(luò)教育進(jìn)入服務(wù)個性化、形式多樣化、資源開放化的階段。目前的網(wǎng)絡(luò)教育模式基本上停留在利用現(xiàn)代信息技術(shù)將傳統(tǒng)教學(xué)模式進(jìn)行堆疊，支持教育資源的低水平共享和學(xué)習(xí)活動的簡單協(xié)作，缺乏針對網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)者的個性化信息反饋處理和交流，從而降低了網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，使之無法通過網(wǎng)絡(luò)教育平臺獲得最有效的資源，或者說無法獲得真正所需要的資源。

語義網(wǎng)格是網(wǎng)格技術(shù)與語義Web技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。它具有通過虛擬組織支持自治的、動態(tài)的社區(qū)創(chuàng)建;強(qiáng)大的計算和存儲能力;支持語義知曉等特征。語義網(wǎng)格的這些技術(shù)特性正好適應(yīng)新的學(xué)習(xí)模式。為此，本文探討將語義網(wǎng)格技術(shù)引入教育資源協(xié)同平臺的構(gòu)建，拓展網(wǎng)格環(huán)境下教育資源協(xié)同平臺應(yīng)用研究。

二 元數(shù)據(jù)、本體和語義網(wǎng)格

網(wǎng)格是在分布、異構(gòu)、自治的網(wǎng)絡(luò)資源環(huán)境上動態(tài)建構(gòu)虛擬組織，實現(xiàn)跨自治域的資源共享與協(xié)同工作。資源的匯聚和共享是網(wǎng)格的重要特征，協(xié)作與共享是網(wǎng)格的基本理念[1]。語義Web(Berners-Lee Connouy， 2001)賦予信息資源更明確、更完備的語義，使得計算機(jī)能夠理解Web資源，進(jìn)而實現(xiàn)Web數(shù)據(jù)和Web服務(wù)處理的語義化和智能化，將Web構(gòu)建為功能強(qiáng)大的、普適的知識共享和信息交換平臺。語義網(wǎng)格是語義Web和網(wǎng)格相結(jié)合產(chǎn)生的新的研究領(lǐng)域。語義網(wǎng)格小組對其進(jìn)行了定義:語義網(wǎng)格就是對當(dāng)前網(wǎng)格的一個擴(kuò)展，其中對信息和服務(wù)進(jìn)行了明確的形式化語義定義，能夠有效地促進(jìn)人與計算機(jī)之間的交流與協(xié)作[2]。

從20世紀(jì)90年代中期開始，人們將元數(shù)據(jù)概念引入到學(xué)習(xí)資源共享環(huán)境建設(shè)，許多國際標(biāo)準(zhǔn)化組織相繼發(fā)布了關(guān)于學(xué)習(xí)資源的元數(shù)據(jù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，為學(xué)習(xí)資源在細(xì)粒度層次上的可控與共享提供了支持。元數(shù)據(jù)被稱為“表示數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)”，它在基本層次上提供了一組公共標(biāo)記，可用于任何資源，而不用去了解這些資源由誰創(chuàng)建、用什么工具創(chuàng)建或者存儲位置，顯然經(jīng)過元數(shù)據(jù)標(biāo)記的資源，就可以跨平臺實現(xiàn)互操作和重用。

元數(shù)據(jù)的使用對用戶意味著全面描述和識別每一個學(xué)習(xí)內(nèi)容片斷，記錄和存儲每一種相關(guān)字段(關(guān)鍵詞)，讓關(guān)鍵詞和文檔或資源關(guān)聯(lián)起來，從而能夠高效地發(fā)現(xiàn)、選擇、查找、組合以及充分利用學(xué)習(xí)資源，甚至將學(xué)習(xí)資源定位到“合適的”使用場景中，實現(xiàn)為學(xué)習(xí)者的按需服務(wù)。元數(shù)據(jù)分為多個層次，從語法元數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)元數(shù)據(jù)、語義元數(shù)據(jù)直到本體，層次越高，所包含的語義信息就越多，就越能方便處理[3]。本體[4]是領(lǐng)域(可以是特定領(lǐng)域，也可以是更廣的范圍)內(nèi)部不同主體(人、機(jī)器、軟件系統(tǒng)等)之間進(jìn)行交流(對話、互操作、共享等)的一種語義基礎(chǔ)，即有本體提供一種明確定義的共識。本體的目標(biāo)是捕獲相關(guān)領(lǐng)域的知識，提供對該領(lǐng)域知識的共同理解，確定該領(lǐng)域內(nèi)共同認(rèn)可的詞匯，并從不同層次的形式化模式上給出這些詞匯(術(shù)語)和詞匯間相互關(guān)系的明確定義。

目前，學(xué)習(xí)資源庫的描述標(biāo)準(zhǔn)還不統(tǒng)一，需要采用語義中的元數(shù)據(jù)與本體的概念來描述學(xué)習(xí)資源，使得機(jī)器可以理解學(xué)習(xí)資源。由于語義網(wǎng)格環(huán)境中充滿著對語義的理解與處理，應(yīng)該采用基于語義的資源組織與基于語義的服務(wù)匹配方法，把資源組織為本體[5]，利用語義Web 技術(shù)，采用元數(shù)據(jù)和本體來描述網(wǎng)格上的資源、服務(wù)、數(shù)據(jù)源，從而更有效地進(jìn)行服務(wù)的發(fā)現(xiàn)、協(xié)作、信息的抽取、處理，把資源的聚集對應(yīng)為本體的集成，是一個有效的方法。在語義網(wǎng)格環(huán)境中，一個新的服務(wù)可以且應(yīng)該由多個資源本體協(xié)作完成，實現(xiàn)語義知識的共享，而不僅僅由單一本體來提供，目前這方面研究還很少。

三 基于語義網(wǎng)格的協(xié)同學(xué)習(xí)平臺體系結(jié)構(gòu)

協(xié)同學(xué)習(xí)平臺體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括網(wǎng)格資源層、網(wǎng)格服務(wù)層、協(xié)同服務(wù)層、應(yīng)用交互層。體系結(jié)構(gòu)以封裝資源和為用戶提供統(tǒng)一、簡單和友好的界面為目標(biāo)，通過服務(wù)提供協(xié)同支持、任務(wù)管理與資源調(diào)度和即時通信支持，滿足異步或同步等多種模式。

1 網(wǎng)格資源層

網(wǎng)格資源層主要功能是控制網(wǎng)格節(jié)點的局部資源向上層服務(wù)提供支持，這些資源主要包括計算資源、網(wǎng)絡(luò)資源(網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施)、存儲資源、數(shù)據(jù)資源和軟件資源等。

計算資源由一系列提供處理能力的網(wǎng)格節(jié)點構(gòu)成，每個節(jié)點可以單獨或者相互協(xié)作來完成一個工作，避免了由于單點失效造成任務(wù)中斷、應(yīng)用不被服務(wù)的情況出現(xiàn);同時，將一個應(yīng)用劃分為不相關(guān)的多個子任務(wù)，調(diào)度到多個網(wǎng)格節(jié)點上分別進(jìn)行處理，能提高整體的處理效率，縮短應(yīng)用執(zhí)行的時間。網(wǎng)絡(luò)資源(網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施)為網(wǎng)格環(huán)境中資源、數(shù)據(jù)的訪問和業(yè)務(wù)流程的調(diào)度執(zhí)行提供通信保證。存儲資源為系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)信息提供穩(wěn)定、大容量的存儲能力，是信息資源的載體。

2 網(wǎng)格服務(wù)層

網(wǎng)格服務(wù)層(即網(wǎng)格中間件)是Globus toolkit 4.0提供的功能。自GT4版本以來，一直致力于從面向科學(xué)計算向商業(yè)領(lǐng)域進(jìn)軍的Globus聯(lián)盟推出了遵循OGSA標(biāo)準(zhǔn)的實現(xiàn)方式，即在融合Web Service技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了有狀態(tài)的Grid Service，為網(wǎng)格環(huán)境下的服務(wù)開發(fā)提供了支持。OGSA-DAI 實現(xiàn)了異地異構(gòu)數(shù)據(jù)庫的集成訪問接口，使得數(shù)據(jù)訪問服務(wù)化、透明化[6]。

網(wǎng)格資源的特點決定了需要有一種不依賴集中控制的、分布式、可擴(kuò)展、能適應(yīng)資源動態(tài)變化并且定位性能好的資源發(fā)現(xiàn)機(jī)制。網(wǎng)格資源發(fā)現(xiàn)機(jī)制不僅應(yīng)考慮資源的位置信息，而且應(yīng)考慮資源的屬性等語義信息。

對元數(shù)據(jù)進(jìn)行描述和處理離不開本體。本體給出了元數(shù)據(jù)描述的詞匯，將不同的概念連接起來，通過建立概念之間的關(guān)系，將元數(shù)據(jù)在語義層次上連接起來。本體服務(wù)支持學(xué)習(xí)資源本體、服務(wù)本體和協(xié)作上下文本體的查詢與使用。

消息中間件對上層提供穩(wěn)定可靠的傳輸保證以及異步通信機(jī)制，在此基礎(chǔ)上可以構(gòu)建松散耦合、可靠的分布式應(yīng)用系統(tǒng)。

這一層是對網(wǎng)格資源層的抽象，是對網(wǎng)格環(huán)境中資源、任務(wù)進(jìn)行管理的核心。負(fù)責(zé)屏蔽各種資源的分布、異構(gòu)特性，向協(xié)同服務(wù)層提供透明、一致的使用接口，同時提供編程接口和相應(yīng)的環(huán)境，支持網(wǎng)格應(yīng)用服務(wù)的開發(fā)。采用了GT4的MDS(metacomputing directory service)實現(xiàn)資源的發(fā)現(xiàn)，GRAM(globus resource allocation manager)實現(xiàn)資源調(diào)度和任務(wù)管理，GridFTP實現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行第三方傳輸和斷點續(xù)傳等功能。利用OGSA-DAI將不同的數(shù)據(jù)源封裝為DataService，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的統(tǒng)一虛擬訪問。

3 協(xié)同服務(wù)層

協(xié)同服務(wù)層(即用戶中間件)是協(xié)同學(xué)習(xí)功能核心支持層，也是滿足協(xié)同學(xué)習(xí)功能需求的具體體現(xiàn)。該層主要提供網(wǎng)格環(huán)境下的協(xié)作支持服務(wù)和資源共享服務(wù)。包括任務(wù)調(diào)度與資源分配、虛擬群組協(xié)作空間、協(xié)作上下文管理、協(xié)作感知服務(wù)等。

為了支持開放、動態(tài)、群體行為的大規(guī)模協(xié)作，實現(xiàn)廣域環(huán)境下協(xié)作流程的跨組織運行，需要提供協(xié)作感知服務(wù)，通過虛擬組織促進(jìn)群組成員和諧自然地開展協(xié)作。

針對資源的分布性、存取的普適性以及完成大協(xié)作任務(wù)的多資源動態(tài)分配問題，需要在統(tǒng)一的調(diào)度框架下協(xié)調(diào)資源的使用以優(yōu)化系統(tǒng)整體性能。不同規(guī)模的協(xié)作群組可以通過虛擬群組協(xié)作空間綁定的協(xié)作工具完成不同的協(xié)作任務(wù)，支持群組成員之間自然持久的在線協(xié)作。

協(xié)作上下文管理是提供協(xié)作者上下文感知的紐帶，它為群組協(xié)同任務(wù)的解決提供上下文信息共享空間。

4 應(yīng)用交互層

應(yīng)用交互層是基于網(wǎng)格服務(wù)協(xié)同學(xué)習(xí)平臺的入口，它給使用協(xié)同學(xué)習(xí)平臺的用戶提供友好的交互界面，簡單、便捷的使用方法。為用戶提供基于Web的使用底層資源的界面，或者提供各種終端用戶的應(yīng)用軟件。用戶包括資源提供者，系統(tǒng)管理者，資源使用者，應(yīng)用交互層為不同的用戶提供了不同的服務(wù)接口。應(yīng)用交互層實際上就是底層的資源和上層的應(yīng)用程序之間的媒介。把應(yīng)用和服務(wù)分離成兩層的好處有兩個方面。首先，由于高內(nèi)聚性和松散耦合，它將最小化代碼重寫的工作并增加應(yīng)用程序的可維護(hù)性。其次，它確保應(yīng)用程序在演進(jìn)過程中能夠符合規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)。

四 協(xié)同機(jī)制和協(xié)作支持服務(wù)

在計算機(jī)系統(tǒng)環(huán)境中必須尋找信息交流和感知機(jī)制以便使各參與者能感知合作者的存在，與其進(jìn)行協(xié)作交互[7]。協(xié)同機(jī)制是一組可被符號化表示的協(xié)議，包含預(yù)先制定的流程和一組顯式的慣例。協(xié)同機(jī)制存在于協(xié)作活動流程的每一個環(huán)節(jié)。根據(jù)協(xié)作活動的明晰程度可分為:確定性協(xié)同機(jī)制、顯式協(xié)同機(jī)制和無序的協(xié)同機(jī)制。其中，確定性協(xié)同機(jī)制適合機(jī)器系統(tǒng)執(zhí)行;無序的協(xié)同機(jī)制適合人在協(xié)作上下文中借助協(xié)作工具執(zhí)行;而顯式協(xié)同機(jī)制適合以人機(jī)交互的方式執(zhí)行。這樣多樣化的協(xié)同機(jī)制在協(xié)作活動中交叉存在，需要通過技術(shù)手段解決協(xié)作環(huán)境中異構(gòu)協(xié)同機(jī)制共存的問題，一種有效手段是協(xié)同機(jī)制的人機(jī)共同解析，協(xié)作感知和協(xié)作上下文是實現(xiàn)協(xié)同機(jī)制人機(jī)協(xié)同解析的重要支撐技術(shù)。

協(xié)作支持服務(wù)包括協(xié)作上下文機(jī)制和協(xié)作感知機(jī)制。協(xié)作感知定義為“理解別人的活動，從而為自己的活動提供上下文信息”[8]。協(xié)作上下文機(jī)制是協(xié)作感知機(jī)制的基礎(chǔ)，是各參與者獲得協(xié)同信息的來源。協(xié)同上下文提供網(wǎng)格應(yīng)用和應(yīng)用實例的基礎(chǔ)信息;協(xié)作感知機(jī)制使業(yè)務(wù)流程的各參與者能通過協(xié)作上下文感知到其他參與者的存在，了解業(yè)務(wù)流程的進(jìn)行狀態(tài)。協(xié)作支持服務(wù)的核心在于協(xié)同系統(tǒng)中的各參與者有相互順暢的聯(lián)系方式，進(jìn)行即時的聯(lián)絡(luò);核心設(shè)計思想就是要及時地捕捉到協(xié)同上下文的變化，并將這種變化及時地通知給感興趣的對象。

五 消息中間件

基于消息的應(yīng)用耦合與傳統(tǒng)基于遠(yuǎn)程調(diào)用(RPC)的分布式應(yīng)用有很大區(qū)別。傳統(tǒng)RPC完成一次數(shù)據(jù)傳輸要在客戶端和服務(wù)端建立連接?；谙⒌膽?yīng)用是將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與接受方的地址等相關(guān)信息封裝成消息，然后完全獨立地傳輸，不必建立連接。消息傳輸體系結(jié)構(gòu)和過程，分別如圖2和圖3所示。

圖3中應(yīng)用1和應(yīng)用2分別通過發(fā)消息和收消息接口與消息中間件通信以完成消息的傳遞。消息中間件可以支持同步和異步兩種方式。按照消息傳輸模式又可以分為2類:點對點(PTP)方式和發(fā)布/訂閱(Pub/Sub)方式。兩者主要區(qū)別是在PTP模式中，每條消息只能有1位接收方，而Pub/Sub模式中的每條消息可以有多個接收方。

消息中間件具有消息交換靈活、傳輸可靠等特點，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中和異構(gòu)平臺間具有廣泛的應(yīng)用前景，在構(gòu)建協(xié)同環(huán)境平臺時具有很大優(yōu)勢。常見消息中間件工具有:SUN公司的Java消息服務(wù)(JMS)、微軟的消息隊列(MSMQ)和IBM的WebSphere MQ等。其中JMS是最常用的消息中間件。

六 技術(shù)實現(xiàn)及應(yīng)用

通過構(gòu)建基于消息的上下文協(xié)同機(jī)制較好地滿足了多樣化的協(xié)同需求，提高了系統(tǒng)的協(xié)同性能。基于消息的上下文協(xié)同機(jī)制的核心設(shè)計思想是及時捕捉到協(xié)作上下文的變化，并將變化及時準(zhǔn)確地通知給感興趣的對象。通過提供協(xié)同消息的發(fā)送和接收機(jī)制來實現(xiàn)協(xié)作感知功能。通過JMS 和GlobusToolkit4 中網(wǎng)格服務(wù)的消息發(fā)布/訂閱(Pub/Sub)機(jī)制實現(xiàn)協(xié)作消息的發(fā)送和接收，如圖所示。

其中發(fā)送消息與分發(fā)消息的方式既支持消息傳遞模式，又支持消息隊列模式。其中發(fā)布端收到代理服務(wù)器的答復(fù)消息后，根據(jù)答復(fù)消息判斷采用發(fā)布/訂閱(Pub/Sub)通信方式，于是將消息發(fā)送給代理服務(wù)器，之后由代理服務(wù)器根據(jù)該消息的類型來選擇是直接轉(zhuǎn)發(fā)還是將該消息放入消息隊列，但不管采用何種方式，都由代理服務(wù)器負(fù)責(zé)向訂閱端發(fā)送消息。

資源發(fā)布者只需向網(wǎng)格節(jié)點提交關(guān)于資源描述的元數(shù)據(jù)信息，資源本身可存放在資源發(fā)布者指定的服務(wù)器上，從而實現(xiàn)資源的分布存儲。當(dāng)資源提供者發(fā)布資源時，網(wǎng)格節(jié)點自動生成包含該資源描述元數(shù)據(jù)信息的消息，并通過網(wǎng)格消息中間件MOM向網(wǎng)格系統(tǒng)廣播，同時消息進(jìn)入消息隊列等待發(fā)送。學(xué)生或教師可根據(jù)個人實際情況與需求向系統(tǒng)訂閱學(xué)習(xí)資源，用戶通過訂閱代理提出訂閱請求，訂閱請求用元數(shù)據(jù)描述，資源發(fā)布者上傳的資源與用戶的訂閱請求相匹配，系統(tǒng)會將該資源的元數(shù)據(jù)信息通過消息中間件向訂閱者發(fā)布通知，該通知內(nèi)容包含資源的屬性以及訪問地址，通過該地址可以訪問到所需要的資源。

網(wǎng)格系統(tǒng)通信中的參與者既可以作為資源發(fā)布者向系統(tǒng)提交信息，也可以作為訂閱者表達(dá)對特定類型的信息感興趣。訂閱者會收到與他們興趣相吻合的信息。參與者不需要彼此知道，參與者不需要同時在線，發(fā)送/接收不會阻塞參與者。發(fā)布/訂閱機(jī)制能夠構(gòu)建一個多到多的通信環(huán)境，參與者可以擺脫時間和空間上的束縛，符合分布應(yīng)用松散耦合的需求。

七 安全體系

協(xié)同學(xué)習(xí)平臺安全體系覆蓋了整個體系結(jié)構(gòu)的每個層次。在應(yīng)用交互層，為了防止用戶敏感數(shù)據(jù)在傳輸過程中被竊聽，客戶端采用基于SSL/TLS的HTTPS方式與Web服務(wù)器交互。在協(xié)同服務(wù)層，通過基于SKI的單一登錄技術(shù)[9]實現(xiàn)了認(rèn)證和授權(quán)，確保合法用戶使用系統(tǒng)，并且用戶的操作不會超越系統(tǒng)授予的權(quán)限。網(wǎng)格服務(wù)層采用消息加密和消息簽名機(jī)制、安全令牌服務(wù)(密鑰動態(tài)生成與安全交換)增強(qiáng)系統(tǒng)安全性。網(wǎng)格資源層主要依靠操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫提供的安全機(jī)制。

八 結(jié)束語

基于網(wǎng)格計算技術(shù)構(gòu)建支持動態(tài)、開放、群體行為的跨組織大規(guī)模協(xié)作平臺是當(dāng)前國際上協(xié)作環(huán)境研究關(guān)注的焦點。文中將語義網(wǎng)格應(yīng)用在教育資源協(xié)同學(xué)習(xí)平臺，通過消息中間件和GlobusToolkit4中網(wǎng)格服務(wù)的消息發(fā)布/訂閱(Pub/Sub)機(jī)制實現(xiàn)協(xié)作消息的發(fā)送和接收，使得用戶獲得真正所需要的資源。由于語義網(wǎng)格是一門新興技術(shù)，仍然存在許多有待解決的問題，下一步研究將針對運行情況，進(jìn)行性能的調(diào)整和優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

[1] Ian Foster， Carl Kesselman， Steven Tuecke. The anatomy of the grid: Enabling scalable virtual organizations [J]. International Journal of High Performance Computing Applications， 2001，15(3):200-222

[2] David Roure， Nicholas R， Jennings Nigel R， Shadbolt. The semantic Grid: Past， Present and Future[A].Proceedings Of The IEEE[C].2005，93(3):669-681

[3] 許駿，史美林，李玉順，等.網(wǎng)格計算與E-learning Grid—體系結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)示范應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，2005:198-201

[4] Gruber T. A translation approach to portable ontology specifications [J].Knowledge Acquisitions， 1993，(5):199-220.

[5] Wache H， Vogele T， Visser U， et al. Ontology-Based Integration of Information-A Survey of Existing Approaches [A].In: Proc. of the UCAI-01 Workshop:Ontologies and Information Sharing[C].Berlin: Springer Lncs，2001:108-117.

[6] Ian Foster， Carl Kesselman. 網(wǎng)格計算(英文版，2版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出社，2005:225-229，408-410.

[7] LIU Min，YAN Junwei，BAI Li. The Inter-operating mechanism of the alliance-collaboration-oriented dynamic grid workflow[A].Proceedings of the 2007 IEEE International Conference on Integration Technology[C].Shenzhen:IEEE Computer Society， 2007:301-306.

[8] Dourish P， V Bellotti. Awareness and Coordination in Shared Workspaces.CSCW’92， Tornto， Canada， ACM Press.1992.

[9] Rolf Oppliger. Microsoft.NET Passport: A Security Analysis. Computer.2003，36(7):29-35.