高校智慧實驗室資源融合治理與共享機(jī)制研究

張建華，肖中正

（1廣西財經(jīng)學(xué)院實驗教學(xué)中心 廣西 南寧 530007）

（2國海證券 廣西 南寧 530028）

1 智慧實驗室資源融合治理與共享研究現(xiàn)狀

智慧實驗室資源共享理念是隨著信息技術(shù)的發(fā)展、教育教學(xué)變革逐步發(fā)展起來的，已有學(xué)者對實驗室資源的開放共享模式進(jìn)行了研究。張凱[1]構(gòu)建了一個智慧實驗室架構(gòu)模型，在服務(wù)層利用云計算、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，建立一個包括統(tǒng)一身份認(rèn)證、直播與錄播、服務(wù)器集群的綜合服務(wù)平臺，以此消除各個應(yīng)用系統(tǒng)之間的信息孤島。林寶燈[2]通過虛擬實驗室的平臺架構(gòu)實現(xiàn)高校數(shù)據(jù)資源共享。馬躍[3]以SAMP(中科院儀器設(shè)備共享管理平臺)為依托，將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于儀器設(shè)備共享實驗室。雖然這些研究對資源開放共享提出了一些解決方案，但由于普適性差、實施運營成本高等多種原因，目前實驗室的資源治理和共享問題還未得到有效解決。

1.1 資源融合治理問題

為了充分利用高校虛擬實驗室信息資源的開放共享，相當(dāng)一部分高校嘗試了通過仿真技術(shù)建設(shè)虛擬機(jī)實驗室[4]。高校虛擬實驗室信息資源的開放共享，源于開源文化理念的推動，這一理念不僅促進(jìn)了信息資源利用效益的最大化，還填補(bǔ)了數(shù)據(jù)的空白，并修正、提高了信息資源數(shù)據(jù)質(zhì)量。伴隨著“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的迅速發(fā)展，盡管虛擬實驗室應(yīng)用態(tài)勢良好，但仍然存在許多問題，如數(shù)據(jù)開放不成熟、部分高校缺少開放共享平臺、信息資源共享普及度低。虛擬實驗室是從實體資源向數(shù)字資源轉(zhuǎn)變、再升級成為虛擬仿真資源，但是并未從根本上解決實體、數(shù)字和仿真等全類別實驗資源共享的問題。并非所有的應(yīng)用場景都適用于仿真實現(xiàn)，大量的實驗需要實體實驗器材。

1.2 中心化共享模式問題

在實驗室資源共享信息化建設(shè)方面，通常的共享模式是建設(shè)一個實驗室資源門戶系統(tǒng)，校內(nèi)、校外用戶可以通過門戶進(jìn)行預(yù)約，或者直接訪問相關(guān)授權(quán)的實驗資源。其核心仍然是中心化的實驗資源門戶系統(tǒng)；該模式中的共享體現(xiàn)在：將校內(nèi)原先閑置的實驗室資源開放給校內(nèi)人員或校外人員，實際上就是S2C模式（School to Client）。從單個學(xué)校來說，這種模式可以有效的將校內(nèi)的既有資源進(jìn)行有效合理利用。但從行業(yè)視角來看這種模式顯然不利于校際資源共享的實施：雖然在單機(jī)構(gòu)內(nèi)解決了實驗室資源孤島問題，但由于中心化的門戶系統(tǒng)并不具備橫向資源接入、治理能力，在全行業(yè)范圍內(nèi)造成了更大的資源孤島。

2 智慧實驗室資源融合治理與共享機(jī)制

針對行業(yè)資源孤島問題，本文提出一種基于統(tǒng)一資源注冊中心架構(gòu)的S2S2C模式實驗資源共享機(jī)制。實體實驗室資源、虛擬仿真資源和數(shù)字資源廣泛分布在各個參與機(jī)構(gòu)中，通過資源注冊協(xié)議有效對資源進(jìn)行共享和治理。參與共享機(jī)構(gòu)通過統(tǒng)一資源網(wǎng)關(guān)，可以有效對已有資源進(jìn)行代理、認(rèn)證和授權(quán)，實現(xiàn)安全的資源共享。

2.1 資源發(fā)現(xiàn)與治理

2.1.1 統(tǒng)一資源注冊中心

統(tǒng)一資源注冊中心是所有平臺中資源的注冊登錄處，具備資源查詢、申請能力，并且具有資源的認(rèn)證和授權(quán)能力。統(tǒng)一注冊中心是分布式集群的架構(gòu)，每個參與的資源提供方部署至少一個結(jié)點。高校想要共享自身資源，需部署一個統(tǒng)一資源注冊中心結(jié)點在本機(jī)構(gòu)內(nèi)。統(tǒng)一資源注冊中心各個實例結(jié)點完全對等組成P2P網(wǎng)絡(luò)，通Gossip協(xié)議保證數(shù)據(jù)的一致性。統(tǒng)一資源注冊中心是整個平臺的中樞，除了資源的注冊查詢等功能外，還具備資源健康檢查、資源調(diào)度等一系列資源治理的功能。

2.1.2 統(tǒng)一資源網(wǎng)關(guān)

統(tǒng)一資源網(wǎng)關(guān)是系統(tǒng)中每個資源提供方的對外出入口，每個資源提供方具備一個統(tǒng)一資源網(wǎng)關(guān)。統(tǒng)一資源注冊中心是機(jī)構(gòu)間的共識通道，而統(tǒng)一資源網(wǎng)關(guān)則是實際資源請求的真實入口。統(tǒng)一資源網(wǎng)關(guān)依賴于統(tǒng)一資源注冊中心提供的服務(wù)，具備資源的代理、認(rèn)證、授權(quán)等功能。

2.2 資源共享管理系統(tǒng)架構(gòu)

圖1 資源共享系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，基于統(tǒng)一資源注冊中心的資源網(wǎng)格架構(gòu)下，一個智慧實驗室資源共享管理原型平臺，從網(wǎng)絡(luò)視圖看是一種類似P2P的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。主要包括以下幾大模塊。

（1）統(tǒng)一資源注冊中心。實驗資源共享平臺的核心中樞是資源注冊中心。注冊中心并非傳統(tǒng)的中心化的信息系統(tǒng)，而是基于分布式數(shù)據(jù)共享協(xié)議的分布式數(shù)據(jù)庫。該組件的數(shù)據(jù)訪問控制由所有的參與者根據(jù)協(xié)議共同決定。因此這是一個扁平化的、公平的資源共享協(xié)議。統(tǒng)一資源注冊中心提供了資源的定義抽象、注冊、查詢、配額等能力。

（2）參與機(jī)構(gòu)。構(gòu)建資源共享網(wǎng)絡(luò)必須多個參與到共享網(wǎng)絡(luò)的機(jī)構(gòu)共同實現(xiàn)。通過統(tǒng)一注冊中心，各個機(jī)構(gòu)可以有效的將可共享資源按照資源共享協(xié)議，注冊到統(tǒng)一注冊中心；其他機(jī)構(gòu)用戶可以通過協(xié)議申請獲取到注冊中心上的資源。要成為參與機(jī)構(gòu)，必須按照資源共享平臺的規(guī)范，加入到統(tǒng)一資源共享網(wǎng)絡(luò)中：通過部署統(tǒng)一資源網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)統(tǒng)一認(rèn)證、統(tǒng)一賬戶，并對自身的資源進(jìn)行抽象定義，最后將資源注冊到資源注冊中心。

（3）統(tǒng)一資源網(wǎng)關(guān)。統(tǒng)一資源網(wǎng)關(guān)是參與機(jī)構(gòu)具體加入統(tǒng)一資源共享平臺的核心組件。統(tǒng)一資源網(wǎng)關(guān)包含了實現(xiàn)統(tǒng)一賬戶、統(tǒng)一認(rèn)證、資源共享協(xié)議和資源治理接口。統(tǒng)一賬戶是將本機(jī)構(gòu)的內(nèi)部用戶體系接入到共享體系中的賬戶體系，實現(xiàn)本機(jī)構(gòu)用戶可以訪問其他機(jī)構(gòu)的資源。統(tǒng)一認(rèn)證是實現(xiàn)本機(jī)構(gòu)資源授權(quán)給平臺所有其他機(jī)構(gòu)用戶的功能。資源共享協(xié)議即是將抽象定義好的共享資源注冊到注冊中心，并進(jìn)行管理。資源治理則是實現(xiàn)對本機(jī)構(gòu)共享資源的可用性、健康狀況進(jìn)行監(jiān)控。

（4）資源抽象。共享資源是對可對外部用戶開放的資源的抽象。共享資源可以是硬件資源也可以是實驗相關(guān)的信息服務(wù)。只要該資源按照資源共享協(xié)議，實現(xiàn)對外部用戶進(jìn)行授權(quán)獲取、使用或訪問，皆可注冊到系統(tǒng)中?？梢?，共享資源是靈活可配置的，其核心是滿足可共享性，即實現(xiàn)共享協(xié)議。統(tǒng)一共享資源平臺將共享資源分為數(shù)字資源、仿真資源和實體資源。數(shù)字資源包括圖片、文檔、視頻以等。數(shù)字資源是相對簡單的一類資源，提供統(tǒng)一的內(nèi)部云存儲將數(shù)字資源進(jìn)行管理，然后將資源授權(quán)到資源網(wǎng)關(guān)，完成共享。仿真資源一般指虛擬類的仿真系統(tǒng)，這類資源的抽象定義必須通過一個外部的適配器進(jìn)行權(quán)限控制。適配器一般是直接繞過仿真資源的內(nèi)部認(rèn)證體系，直接使用資源網(wǎng)關(guān)的認(rèn)證，省去仿真系統(tǒng)的改造工作。實體資源共享的前提必須是硬件智能化。智能硬件是實現(xiàn)實驗室智能化的基礎(chǔ)支撐，由兩個層次組成：傳感器設(shè)備和設(shè)備控制層?；A(chǔ)的智能設(shè)備通過相應(yīng)的控制器，實現(xiàn)指令操控，實現(xiàn)信息系統(tǒng)自動化控制，有了自動化能力的硬件即可以接入到統(tǒng)一資源網(wǎng)關(guān)進(jìn)行共享。

3 結(jié)論

本文期望通過資源共享治理，可以盡快消除校內(nèi)、校間實驗資源孤島。校內(nèi)層面促進(jìn)實驗室資源扁平化管理，極大提高實驗資源利用率；機(jī)構(gòu)層面，實現(xiàn)校際實驗室資源互通有無，充分發(fā)揮各自資源優(yōu)勢，節(jié)省資源的重復(fù)投資。