基于網(wǎng)格技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)學習資源共享

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

【關(guān)鍵詞】網(wǎng)格技術(shù)，OGSA架構(gòu)，面向服務(wù)架構(gòu)SOA，網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)代遠程教育工程以來，共計設(shè)立68所利用互聯(lián)網(wǎng)進行教學的網(wǎng)絡(luò)教育學院，其中除中央廣播電視大學以外，其他67所網(wǎng)絡(luò)教育學院都依托于一所國內(nèi)重點高校。經(jīng)過不斷摸索與改進提高，已經(jīng)產(chǎn)生出一批優(yōu)秀的遠程學習資源，尤其是那些充分依托所在高校優(yōu)秀學科資源的網(wǎng)絡(luò)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(chuàng)辦的網(wǎng)絡(luò)教育學院，其開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)學習課程中一些專業(yè)課程模塊深受網(wǎng)絡(luò)學習者的喜愛，但是，各個網(wǎng)絡(luò)教育學院低水平重復開發(fā)的現(xiàn)象還是比較嚴重。遠程教育的研究者們對于優(yōu)質(zhì)資源共享問題十分關(guān)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(shù)規(guī)范上制定了教學資源相關(guān)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(chǔ)上，在對網(wǎng)絡(luò)學習環(huán)境應(yīng)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(gòu)想，希望該方案能夠使得通過網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)學習的優(yōu)勢也能夠最好地得到發(fā)揮。

圖1 學習資源共享系統(tǒng)分布圖

在本文所構(gòu)想的學習資源共享情形下（圖1），參加網(wǎng)絡(luò)學習的學生，利用網(wǎng)絡(luò)學習者終端，通過網(wǎng)絡(luò)學習門戶網(wǎng)站進入學習系統(tǒng)，在注冊進入學習系統(tǒng)之后，學習者相關(guān)信息將記錄在門戶網(wǎng)站。學習者在門戶網(wǎng)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(jù)自己的喜好，選修來自不同網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)學習者在門戶網(wǎng)站進行課程的選擇，對于需要收費的課程，在將相關(guān)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(jù)它們所提供的課程內(nèi)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(wǎng)絡(luò)學習的學生在學完之后都能夠獲得統(tǒng)一的學分，并在選修滿一定的課程與學分的基礎(chǔ)之上，學生可以向某一個具有認證資格的機構(gòu)提出申請以獲取相關(guān)專業(yè)的學歷文憑。

目前的網(wǎng)絡(luò)教學組織形式還沒有提供這樣的資源共享機制，各行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)教育聯(lián)盟（如師范院校網(wǎng)絡(luò)教育學院聯(lián)合成立的教師網(wǎng)聯(lián)、農(nóng)林院校網(wǎng)聯(lián)等）希望能夠提供類似的網(wǎng)絡(luò)學習形式，但還沒有具體實施。而基于擴展的Web服務(wù)的OGSA框架所提供的資源共享則為這樣的網(wǎng)絡(luò)學習形式提供了技術(shù)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(gòu)提供的資源共享機制分析

OGSA（Open Grid Service Architecture，開放網(wǎng)格服務(wù)架構(gòu)）是由 GGF（Global Grid Forum） 標準團體于2002年6月提出的新一代應(yīng)用于網(wǎng)格技術(shù)的開放式標準，其目的在于(1)實現(xiàn)分布式異構(gòu)平臺資源的管理；(2)交付完全連續(xù)的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS），提供健壯的后臺服務(wù)，包括授權(quán)、訪問控制和委托等；(3)為自治管理解決方案提供公共基礎(chǔ)；(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(jié)構(gòu)

上圖所示為OGSA架構(gòu)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(wù)器、存儲器、網(wǎng)絡(luò)，邏輯資源包括安全、工作流、數(shù)據(jù)庫、文件系統(tǒng)、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(wù)，包括原有的Web服務(wù)以及定義網(wǎng)格服務(wù)的 OGSI 擴展，其中原有的Web Service提供了基于XML描述解決異構(gòu)分布計算的問題的方法，解決了發(fā)現(xiàn)和激發(fā)永久服務(wù)的問題；而定義網(wǎng)格服務(wù)的 OGSI進一步擴展了 Web 服務(wù)的定義，提供了動態(tài)的、有狀態(tài)的和可管理的 Web 服務(wù)的能力，為軟件開發(fā)人員提供了一種統(tǒng)一的建模以及與網(wǎng)格服務(wù)進行交互的方式。

Web 服務(wù)以及擴展的Web服務(wù)提供了面向服務(wù)的架構(gòu)(SOA， Service Oriented Architecture)， 該架構(gòu)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(wù)提供者(Service Provider)、服務(wù)請求者（Service Requester）和服務(wù)代理(Service Broker)，3個基本操作分別為發(fā)布(Publish)、查找(Find)和綁定(Bind)。服務(wù)提供者將他的服務(wù)發(fā)布到服務(wù)代理的一個目錄上；當服務(wù)請求者需要調(diào)用該服務(wù)時，他首先到服務(wù)代理提供的目錄上去搜索該服務(wù)，得到如何調(diào)用該服務(wù)的信息，然后根據(jù)這些信息去調(diào)用服務(wù)提供者發(fā)布的服務(wù)。在Web服務(wù)體系中，使用WSDL（Web Services Discription Language）來描述服務(wù)，UDDI（Universal Discription， Discovery， Indentify）來發(fā)布、查找服務(wù)，而SOAP(Simple Object Access Protocol)來執(zhí)行服務(wù)調(diào)用，WSFL（Web Services Flow Language）將分散的、功能單一的Web服務(wù)組織成一個復雜的有機應(yīng)用。上述協(xié)議均為基于XML的協(xié)議。

圖3 面向服務(wù)的架構(gòu)(SOA) （飛思科技，2002）

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

3、第三層為網(wǎng)格架構(gòu)的服務(wù)，提供了4類服務(wù)，分別為：網(wǎng)格核心服務(wù)，網(wǎng)格程序執(zhí)行服務(wù)，網(wǎng)格數(shù)據(jù)服務(wù)，特定于領(lǐng)域的服務(wù)（圖2）。

（1）網(wǎng)格核心服務(wù)由4種主要的服務(wù)類型組成，包括服務(wù)管理、服務(wù)通信、策略管理、安全。利用網(wǎng)格核心服務(wù)所生成的高級服務(wù)可用于支持程序執(zhí)行或者數(shù)據(jù)訪問，也可以作為特定于領(lǐng)域的服務(wù)。

服務(wù)管理部署系統(tǒng)組件并設(shè)定相關(guān)規(guī)定，自動執(zhí)行分布式網(wǎng)格中所部署的各種服務(wù)的安裝、維護、監(jiān)控和診斷任務(wù)，并收集和交換網(wǎng)格操作所產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)，包括錯誤、事件、問題確定、審核、測量、會計和賬務(wù)的信息。

服務(wù)通信提供了不同網(wǎng)格服務(wù)之間進行有效通信的基本方法，包括消息排隊、發(fā)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(wù)提供了一個用于創(chuàng)建、執(zhí)行和管理系統(tǒng)操作的策略和協(xié)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(chǔ)性的架構(gòu)，這個架構(gòu)供那些需要使用策略來控制其操作的各種服務(wù)使用。策略和協(xié)定文檔用于表示和協(xié)定服務(wù)提供商與客戶之間的進行交互的應(yīng)具有的功能、性能和質(zhì)量方面的條款。

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

（2）網(wǎng)格程序執(zhí)行服務(wù)是分布式任務(wù)執(zhí)行網(wǎng)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(xié)作以及資源處理的虛擬化。這類服務(wù)中，作業(yè)調(diào)度和工作負載管理實現(xiàn)的規(guī)則決定了網(wǎng)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(guī)范。

（3）網(wǎng)格數(shù)據(jù)服務(wù)是對程序執(zhí)行服務(wù)所規(guī)定的計算虛擬化約定的一個補充，支持數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫、文件、文檔、內(nèi)容庫和應(yīng)用程序生成的流。網(wǎng)格數(shù)據(jù)服務(wù)使用各種布局方法來利用和虛擬化數(shù)據(jù)，這些布局方法包括復制、緩存和高性能數(shù)據(jù)移動，為應(yīng)用程序提供了所需的服務(wù)質(zhì)量QoS。

（4）特定于領(lǐng)域的服務(wù)利用上述3種服務(wù)所提供的功能，為開發(fā)設(shè)計某一特定領(lǐng)域的網(wǎng)格服務(wù)。

（5）網(wǎng)格架構(gòu)的服務(wù)層提供的資源共享機制與Web服務(wù)

層不同，該層通過網(wǎng)格程序執(zhí)行服務(wù)與網(wǎng)格數(shù)據(jù)服務(wù)提供了資源處理的虛擬化環(huán)境，以及增強的安全機制。虛擬化的環(huán)境使得物理上分布的資源在用戶的角度看到的是大規(guī)模的單一的邏輯資源，實現(xiàn)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(tǒng)的資源時采取統(tǒng)一的認證策略，避免了多次認證的繁瑣。

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

三、基于OGSA架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)學習資源共享方案

下圖所示為基于Web服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)學習系統(tǒng)的面向服務(wù)架構(gòu)(SOA)。

圖4 網(wǎng)絡(luò)學習系統(tǒng)面向服務(wù)架構(gòu)(SOA)

上圖中，網(wǎng)絡(luò)學習資源提供者將學習資源發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)學習公共門戶的目錄樹上，供網(wǎng)絡(luò)學習學生查找選擇所需學習的資源。參加網(wǎng)絡(luò)學習的學生直接從網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)學習門戶節(jié)點與資源提供者節(jié)點進行系統(tǒng)架構(gòu)與服務(wù)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(fā)布過程、學習資源學習過程進行描述。

（一）系統(tǒng)架構(gòu)分析與服務(wù)分布

1、網(wǎng)絡(luò)學習資源提供節(jié)點系統(tǒng)架構(gòu)與服務(wù)分布

網(wǎng)絡(luò)學習資源提供者節(jié)點系統(tǒng)架構(gòu)與服務(wù)分布如下圖所示，其應(yīng)用層程序主要處理來自于網(wǎng)絡(luò)門戶學習節(jié)點的課程資源選擇請求，向網(wǎng)絡(luò)門戶學習節(jié)點發(fā)布共享的學習資源有關(guān)信息，向?qū)W習者發(fā)送學習資源具體內(nèi)容，由于執(zhí)行單純的資源發(fā)布與發(fā)送任務(wù)，因此，網(wǎng)格架構(gòu)的服務(wù)層中網(wǎng)格程序執(zhí)行服務(wù)與網(wǎng)格數(shù)據(jù)服務(wù)弱化。主要提供學習資源對象操作服務(wù)。

圖5 網(wǎng)絡(luò)學習資源提供者節(jié)點系統(tǒng)架構(gòu)與服務(wù)分布

2、網(wǎng)絡(luò)學習門戶節(jié)點系統(tǒng)架構(gòu)與服務(wù)分布

較之網(wǎng)絡(luò)資源提供者節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)學習門戶節(jié)點更多地應(yīng)用了網(wǎng)格服務(wù)特性，在本文的設(shè)計中，網(wǎng)格程序執(zhí)行服務(wù)主要提供學習資源提供者發(fā)布的共享資源的虛擬化服務(wù)，使得上層應(yīng)用對于學習資源執(zhí)行統(tǒng)一的操作。網(wǎng)格數(shù)據(jù)服務(wù)則對每個學習者提供其已預(yù)訂的課程目錄虛擬化服務(wù)。學習者對象與學習資源對象操作服務(wù)為應(yīng)用層程序提供統(tǒng)一的操作接口。網(wǎng)絡(luò)學習門戶節(jié)點應(yīng)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(wù)發(fā)布信息，接受并處理來自網(wǎng)絡(luò)學習者的注冊請求、選課請求、學習請求。此外，由門戶網(wǎng)站的網(wǎng)格核心服務(wù)統(tǒng)一執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)學習者的鑒權(quán)與認證。

圖6 網(wǎng)絡(luò)學習門戶節(jié)點系統(tǒng)架構(gòu)與服務(wù)分布

（二）系統(tǒng)中主要操作流程分析

在基于OGSA架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)資源共享方案中，分布在學習終端、網(wǎng)絡(luò)學習資源提供者服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)學習門戶網(wǎng)站中的主要操作者分別為：網(wǎng)絡(luò)學習者，網(wǎng)絡(luò)學習門戶，網(wǎng)絡(luò)資源提供者，它們也將分別是這3類功能計算機應(yīng)用程序中所創(chuàng)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(tǒng)、選擇不同課程、進行網(wǎng)絡(luò)學習的過程、以及網(wǎng)絡(luò)學習資源提供者資源發(fā)布流程。

1、學習者注冊過程

如下圖所示，所有網(wǎng)絡(luò)學習者統(tǒng)一通過網(wǎng)絡(luò)學習門戶注冊進入網(wǎng)絡(luò)學習系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)學習門戶應(yīng)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(chuàng)建一個實例，將有關(guān)注冊信息填寫到該學生實例中，并返回注冊成功消息給網(wǎng)絡(luò)學習者。完成學習者的注冊過程。

2、學習資源發(fā)布過程

學習資源提供者將擬發(fā)布的有關(guān)提供學習資源服務(wù)的信息以WSDL描述，并使用UDDI將提供服務(wù)的信息發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)學習門戶，網(wǎng)絡(luò)學習門戶為所提供的學習資源創(chuàng)建實例。完成學習資源發(fā)布過程。

3、學習資源選擇過程

網(wǎng)絡(luò)學習者登陸進入網(wǎng)絡(luò)學習門戶，在網(wǎng)絡(luò)學習門戶進行鑒權(quán)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(wǎng)絡(luò)學習門戶上可選擇的課程目錄等信息。學習者首先從網(wǎng)絡(luò)學習門戶的課程目錄獲取有關(guān)課程信息，并向網(wǎng)絡(luò)學習門戶提交所選擇的課程。網(wǎng)絡(luò)學習門戶應(yīng)用程序繼續(xù)將學習者提交的課程資源選擇信息以及學習者有關(guān)信息提交給網(wǎng)絡(luò)學習資源提供者，網(wǎng)絡(luò)學習資源提供者應(yīng)用程序?qū)⒄n程學習的有關(guān)費用信息及其他詳細信息直接返回給網(wǎng)絡(luò)學習者，網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)學習門戶，網(wǎng)絡(luò)學習門戶應(yīng)用層程序在接受到繳費確認信息即網(wǎng)絡(luò)學習者的學習資源選擇已經(jīng)獲準生效后，為學習者增加相應(yīng)的課程實例，并將繳費確認信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)學習者，同時將用戶的相關(guān)的注冊信息發(fā)送給資源提供者，資源提供者應(yīng)用程序為該用戶創(chuàng)建一個學習者實例。

圖7 學習者注冊過程

圖8 學習資源發(fā)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(wǎng)絡(luò)學習門戶之后，選擇學習的課程，學習門戶返回相關(guān)課程學習進度情況，學習者選擇具體學習內(nèi)容提交給學習門戶，由網(wǎng)絡(luò)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(guān)數(shù)據(jù)提交給學習資源提供者，學習資源提供者應(yīng)用程序直接將學習內(nèi)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(wǎng)絡(luò)學習門戶，網(wǎng)絡(luò)學習門戶應(yīng)用程序修改學習者相應(yīng)的學習進度。

四、結(jié)論與建議

從上述分析中可見，在基于OGSA架構(gòu)的學習資源共享過程中，所共享出來的學習資源內(nèi)容保留在資源提供者服務(wù)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(tǒng)一被學習者終端所使用，便也解決了異構(gòu)平臺上資源的兼容性問題。

從技術(shù)上看，網(wǎng)格是下一代互聯(lián)網(wǎng)的主要結(jié)構(gòu)形式，從網(wǎng)絡(luò)學習資源共享為起點研究網(wǎng)格技術(shù)在教育中的應(yīng)用，可以循序漸進，以擴展的Web服務(wù)提供的資源共享機制為基礎(chǔ)，逐步增強基于OGSA架構(gòu)提供的資源共享能力，為持續(xù)開展網(wǎng)格技術(shù)在教育中的應(yīng)用提供技術(shù)準備與應(yīng)用基礎(chǔ)。

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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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