基于網(wǎng)格技術(shù)的教學(xué)資源共享系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

網(wǎng)格是構(gòu)筑在Internet上的一項(xiàng)新興技術(shù)，是高性能計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)源、互聯(lián)網(wǎng)三種技術(shù)的有機(jī)組合和發(fā)展。它是利用現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)，把地理上廣泛分布的各種資源，包括計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、帶寬資源、軟件資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源、知識(shí)資源等整合成一個(gè)邏輯整體。隨著信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和普及，對(duì)于教學(xué)資源共享方式提出了新的要求，要求更及時(shí)、更豐富的信息共享。為了更好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的共享，筆者在現(xiàn)有資源共享技術(shù)P2P基礎(chǔ)上提出了新的基于網(wǎng)格技術(shù)的共享方案，利用網(wǎng)格技術(shù)和P2P構(gòu)建了教育資源整合及共享平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、高效、智能的資源發(fā)布、共享、整合與下載。

一、教學(xué)資源共享平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.P2P和網(wǎng)格技術(shù)。P2P和網(wǎng)格都屬于分布式技術(shù)，它們的總體目標(biāo)相似，但二者有明顯的不同。P2P的技術(shù)側(cè)重點(diǎn)傾向于為普通網(wǎng)絡(luò)用戶構(gòu)建一個(gè)使用網(wǎng)絡(luò)資源的良好環(huán)境，并向用戶提供各種計(jì)算服務(wù)，從而有效地利用網(wǎng)上的閑置資源。而網(wǎng)格技術(shù)的重點(diǎn)則是將一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的大型超級(jí)計(jì)算機(jī)整合為統(tǒng)一的計(jì)算平臺(tái)，完成大規(guī)模的科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)分析等密集型任務(wù)。

目前的教育網(wǎng)格體系主要是開(kāi)放服務(wù)網(wǎng)格體系OGSA（Open Grid Server Architecture）。這種體系在構(gòu)建網(wǎng)格系統(tǒng)并對(duì)Grid進(jìn)行拓?fù)湟?guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，整體上都是以分布式模式為主，但是在具體實(shí)現(xiàn)上都沒(méi)有脫離集中式的思維。這樣可以高效地對(duì)網(wǎng)格資源實(shí)現(xiàn)控制，為快速發(fā)現(xiàn)資源提供保障，從而能夠準(zhǔn)確迅速地獲取互聯(lián)網(wǎng)中的資源信息。但是在面對(duì)如視頻這種動(dòng)態(tài)大規(guī)模分布式環(huán)境時(shí)，網(wǎng)格的層次式的集中模型就會(huì)產(chǎn)生瓶頸。而P2P系統(tǒng)是一種全分布式的系統(tǒng)，沒(méi)有需要依賴(lài)的中心服務(wù)器，可以避免瓶頸，充分實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的流量均衡，使得視頻播放流暢、文件傳輸較快。為此，提出P2P與網(wǎng)格技術(shù)結(jié)合來(lái)構(gòu)建教學(xué)資源共享平臺(tái)。利用P2P技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在因特網(wǎng)上的實(shí)時(shí)課堂直播、及時(shí)通信或語(yǔ)音服務(wù)。利用WsRF創(chuàng)建網(wǎng)格服務(wù)，來(lái)提供給用戶一個(gè)統(tǒng)一的全局資源視圖，可以達(dá)到整合學(xué)習(xí)資源的目的。

目前網(wǎng)格系統(tǒng)大多采用開(kāi)放式網(wǎng)格服務(wù)體系結(jié)構(gòu)（OGSA）。OGSA是以“服務(wù)”為中心的“服務(wù)結(jié)構(gòu)”，OGSA描述并定義了基于Web服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)，這個(gè)體系結(jié)構(gòu)由一組接口及其關(guān)聯(lián)的行為組成，用來(lái)方便在異構(gòu)動(dòng)態(tài)環(huán)境中共享分布式資源。OGSA服務(wù)架構(gòu)由四個(gè)主要層構(gòu)成，從下到上依次為：物理和邏輯資源層；Web服務(wù)層；基于OGSA架構(gòu)的網(wǎng)格服務(wù)層；網(wǎng)格應(yīng)用程序?qū)印?/p>

目前所有重大的網(wǎng)格項(xiàng)目都是基于Globus Toolkit提供的協(xié)議與服務(wù)建設(shè)的。Globus Toolkit 4（簡(jiǎn)稱(chēng)GT4）是一個(gè)很有影響力的網(wǎng)格中間件。它對(duì)一組Web服務(wù)進(jìn)行打包，這些服務(wù)為開(kāi)發(fā)者提供了一個(gè)面向服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施，它可以幫助開(kāi)發(fā)者對(duì)分布式基礎(chǔ)設(shè)施組件進(jìn)行訪問(wèn)和管理。GT4的最大特征在于實(shí)現(xiàn)了WSRF和WS-Notification標(biāo)準(zhǔn)。Globus Toolkits4的體系結(jié)構(gòu)中主要包括資源調(diào)度組件、安全管理工具、信息服務(wù)工具、數(shù)據(jù)管理組件，并支持Java Web服務(wù)的開(kāi)發(fā)部署。在GT4中，開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)Appache Ant工具比較方便地實(shí)現(xiàn)和發(fā)布自己的服務(wù)，但這些服務(wù)的實(shí)現(xiàn)與發(fā)布一般采用Java工具。

二、教學(xué)資源共享平臺(tái)的設(shè)計(jì)

利用開(kāi)放網(wǎng)格服務(wù)體系結(jié)構(gòu)OGSA和網(wǎng)格工具包GT4建立教學(xué)資源共享平臺(tái)。該平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)就是一個(gè)以服務(wù)為中心的體系結(jié)構(gòu)，從下到上被分為資源層、服務(wù)層、應(yīng)用層三個(gè)部分，如圖1所示。

1.資源層。它是教學(xué)資源共享平臺(tái)的基礎(chǔ)，包括：硬件資源，如開(kāi)展現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育的基礎(chǔ)設(shè)施、多媒體和網(wǎng)絡(luò)教室以及校外學(xué)習(xí)中心等；軟件資源如教學(xué)平臺(tái)、管理平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)課件、資源庫(kù)（素材庫(kù)、案例庫(kù)、題庫(kù)、答題庫(kù)）以及各種軟件工具等。而軟件資源則是通過(guò)資源虛擬化來(lái)進(jìn)行組織。構(gòu)建的教學(xué)資源平臺(tái)中的資源部分是異構(gòu)的。要將它們置于網(wǎng)格環(huán)境下，需要安裝運(yùn)行GT4的Apache AXIS，并用其作為Web服務(wù)引擎。

2.服務(wù)層。在資源層之上的是服務(wù)層，它實(shí)現(xiàn)了對(duì)資源層各種資源的共享和整合，是實(shí)現(xiàn)服務(wù)功能的關(guān)鍵。該層次定義了一系列的管理工具和協(xié)議規(guī)范來(lái)實(shí)現(xiàn)在資源層中所有資源的共享、整合及協(xié)作問(wèn)題。該層也提供了給上層訪問(wèn)資源和服務(wù)的統(tǒng)一接口。服務(wù)層由三部分組成：WSRF.net、面向服務(wù)的軟件體系結(jié)構(gòu)和P2P平臺(tái)。服務(wù)資源框架（WSRF）是OGSA的最新核心規(guī)范。WSRF是一組Web服務(wù)規(guī)范和約定，用來(lái)描述分布式環(huán)境中的有狀態(tài)資源與Web服務(wù)的關(guān)系。WSRF.NET是一組基于.NET的類(lèi)庫(kù)和軟件工具包，通過(guò)和微軟技術(shù)的配合，可以很容易地創(chuàng)建符合WSRF.NET技術(shù)規(guī)范的服務(wù)器端和客戶端，它提供了一個(gè)面向服務(wù)的軟件體系結(jié)構(gòu)框架。使用WSRF.net來(lái)構(gòu)建索引服務(wù)，可以使P2P平臺(tái)很容易與其它網(wǎng)格平臺(tái)進(jìn)行互聯(lián)和整合，可以利用網(wǎng)格大量的計(jì)算和存儲(chǔ)資源來(lái)擴(kuò)展其服務(wù)容量。利用GT4就能實(shí)現(xiàn)基于WSRF的web服務(wù)。

面向服務(wù)的接口：處理網(wǎng)格平臺(tái)和應(yīng)用層之間的交互、定位網(wǎng)格的調(diào)度、管理多種應(yīng)用程序等問(wèn)題。

P2P平臺(tái)：實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)流媒體的傳輸以及消息或文件數(shù)據(jù)的傳輸。使用Sun公司提供的Java語(yǔ)言環(huán)境下開(kāi)發(fā)P2P網(wǎng)絡(luò)軟件的工具包來(lái)完成該平臺(tái)。

XML（eXtensible Markup Language，可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言）可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的跨平臺(tái)傳輸、交換和共享。它不同于只能提供數(shù)據(jù)格式描述HTML，XML提供了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述，從而有助于進(jìn)行文件內(nèi)容的結(jié)構(gòu)聲明和語(yǔ)義描述。對(duì)于服務(wù)層中所設(shè)計(jì)的服務(wù)均建立在WEB服務(wù)上，對(duì)每個(gè)需要服務(wù)的接口，是用XML語(yǔ)言來(lái)描述的。這樣X(jué)ML語(yǔ)言描述的服務(wù)之間可以進(jìn)行交互，同時(shí)這些服務(wù)接口可以解決服務(wù)發(fā)現(xiàn)、動(dòng)態(tài)服務(wù)創(chuàng)建、生命周期管理及通知等問(wèn)題，從而使得應(yīng)用網(wǎng)格資源就變得非常方便和快捷。

3.應(yīng)用層。應(yīng)用層是直接面向用戶的核心部分，是教學(xué)資源共享平臺(tái)設(shè)計(jì)中相當(dāng)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。為用戶設(shè)計(jì)透明、可擴(kuò)展以及安全的應(yīng)用程序和服務(wù)是該層需主要考慮的問(wèn)題。在該層中我們可以開(kāi)發(fā)智能輔助學(xué)習(xí)智能考試系統(tǒng)、協(xié)同虛擬實(shí)驗(yàn)、安全控制、遠(yuǎn)程沉浸、在線課堂的直播等應(yīng)用。編程語(yǔ)言可以是C、C++或JAVA，運(yùn)行平臺(tái)是在JAVA主機(jī)環(huán)境下的任何操作系統(tǒng)。

三、實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源共享需要解決的關(guān)鍵技術(shù)

一個(gè)理想的資源共享體系應(yīng)類(lèi)似當(dāng)前的Web服務(wù)，給用戶提供完全透明的環(huán)境。對(duì)用戶而言，它把眾多同構(gòu)、異構(gòu)的資源變成了同構(gòu)的虛擬環(huán)境。因此，要實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)格技術(shù)的教學(xué)資源共享還要解決以下關(guān)鍵技術(shù)：

1.高性能調(diào)度技術(shù)。在網(wǎng)格系統(tǒng)中，大量的應(yīng)用共享網(wǎng)格的各種資源，如何使得這些應(yīng)用獲得最大的性能，這就是調(diào)度所要解決的問(wèn)題。任務(wù)調(diào)度是網(wǎng)格應(yīng)用研究必須解決的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。網(wǎng)格調(diào)度技術(shù)比傳統(tǒng)高性能計(jì)算中的調(diào)度技術(shù)更復(fù)雜，這主要是因?yàn)榫W(wǎng)格具有一些獨(dú)有的特征，例如，網(wǎng)格資源的動(dòng)態(tài)變化性、資源的類(lèi)型異構(gòu)性和多樣性、調(diào)度器的局部管理性等。所以網(wǎng)格的調(diào)度需要建立隨時(shí)間變化的性能預(yù)測(cè)模型，充分利用網(wǎng)格的動(dòng)態(tài)信息來(lái)表示網(wǎng)格性能的波動(dòng)。在網(wǎng)格調(diào)度中，還需要考慮移植性、擴(kuò)展性、效率、可重復(fù)性以及網(wǎng)格調(diào)度和本地調(diào)度的結(jié)合等一系列問(wèn)題。

2.資源管理技術(shù)。資源管理包括資源的發(fā)現(xiàn)、描述、定位、組織、分配、監(jiān)測(cè)、更新和信息發(fā)布，收集任務(wù)運(yùn)行時(shí)的資源占用數(shù)據(jù)等，其核心是提高可用資源的效率。實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算和共享異構(gòu)網(wǎng)格資源，必須提供統(tǒng)一的資源管理機(jī)制來(lái)負(fù)責(zé)用戶與網(wǎng)格計(jì)算環(huán)境的交互，提供與網(wǎng)格計(jì)算系統(tǒng)的統(tǒng)一出入口。

3.安全技術(shù)。網(wǎng)格計(jì)算環(huán)境對(duì)安全的要求比Intemet的安全要求更為復(fù)雜。網(wǎng)格計(jì)算環(huán)境中的用戶數(shù)量、資源數(shù)量都很大且動(dòng)態(tài)可變，一個(gè)計(jì)算過(guò)程中的多個(gè)進(jìn)程間存在不同的通信機(jī)制，資源支持不同的認(rèn)證和授權(quán)機(jī)制且可以屬于多個(gè)組織。正是由于這些網(wǎng)格獨(dú)有的特征，使得它的安全要求更高。網(wǎng)格的安全控制機(jī)制主要包括了身份認(rèn)證機(jī)制、信息訪問(wèn)控制機(jī)制和審計(jì)機(jī)制。在建立完善的安全保障機(jī)制的同時(shí)，還要避免安全驗(yàn)證耗費(fèi)過(guò)多的處理能力。如果這一部分工作所消耗的系統(tǒng)資源大于系統(tǒng)所節(jié)約的計(jì)算資源，則網(wǎng)格也就失去了其真正的意義。容錯(cuò)和自動(dòng)修復(fù)也是網(wǎng)格系統(tǒng)必須考慮的問(wèn)題。

P2P網(wǎng)絡(luò)采用的分布式結(jié)構(gòu)在提供擴(kuò)展性和靈活性的同時(shí)，也包括由其自身的技術(shù)缺陷所帶來(lái)的主要安全威脅，如路由攻擊、防火墻穿越、病毒傳播等。在這個(gè)系統(tǒng)中也要解決P2P所帶來(lái)的安全威脅。

（作者單位：廊坊師范學(xué)院）