校際教育資源的動(dòng)態(tài)共享模型研究

殷常鴻 艾 倫

摘要 隨著教育信息化的開展,各高校都投入巨額資金進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)硬件資源的建設(shè),但對(duì)于課程建設(shè)、教學(xué)資源等軟件建設(shè)卻各自為政,缺乏有效的共享與互聯(lián)。從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā),以網(wǎng)格技術(shù)為工具,對(duì)校際資源的共享進(jìn)行系統(tǒng)研究。

關(guān)鍵詞 動(dòng)態(tài)共享;網(wǎng)格;元數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào):TP393.18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-489X(2009)27-0087-03

Research about Dynamic Shared Model of Intercollegiate Teaching Resource//Yin Changhong, Ellen

Abstract Along with rapid development of the information-based education, all most colleges and universities have invested huge funds for the construction of network hardware resources. But the curriculum construction and the developing of teaching resource are fragmented, individual, and lack of effective sharing. The paper systematically research the sharing of teaching resource between university through the using the grid technology from the perspective of practical application.

Key words dynamic shared; grid; metadata

Authors address

1 Jiangsu Teachers University of Technology, Changzhou, Jiangsu, 213001, China

2 The Capital Normal University, Beijing, 100037, China

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步,各種信息資源迅速膨脹,國(guó)家投資大量資金進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),但由于缺乏有效的管理與調(diào)度,網(wǎng)絡(luò)資源出現(xiàn)整體無序性、重復(fù)性、冗余性。尤其當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)教育資源,各個(gè)高校都采用局部的自治系統(tǒng),彼此之間缺乏有效的協(xié)同機(jī)制,難以將各種資源聯(lián)合起來完成大型的應(yīng)用任務(wù)。性能優(yōu)越的計(jì)算機(jī)可能大部分時(shí)間都處于處理簡(jiǎn)單的辦公任務(wù)甚至處于空閑狀態(tài),而性能、配置較低的計(jì)算機(jī)又難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的數(shù)據(jù)計(jì)算、資源調(diào)度等科研任務(wù),這嚴(yán)重地影響了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體效能的發(fā)揮,也造成相當(dāng)大的重復(fù)投資與資源浪費(fèi),同時(shí)資源的無序性和重復(fù)性也給資源的搜索帶來極大的難度。特別是教學(xué)改革的深入,幾乎所有的課程都要通過校園網(wǎng)絡(luò)建立網(wǎng)絡(luò)課程。而網(wǎng)絡(luò)課程通常都包含大量的視頻、動(dòng)畫、圖片以及聲音等多媒體信息,占用大量的空間,再加上教務(wù)管理系統(tǒng)、學(xué)籍管理系統(tǒng)、人事管理系統(tǒng)、財(cái)務(wù)管理系統(tǒng)等都需要大量的、重復(fù)的調(diào)度與運(yùn)算,使得校園網(wǎng)的資源管理、傳輸和存儲(chǔ)都面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。針對(duì)這種現(xiàn)狀,作者從操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)度的角度出發(fā),利用網(wǎng)格(Grid)技術(shù)來搭建網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),建立有效的資源調(diào)度系統(tǒng),對(duì)資源進(jìn)行智能管理,實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)動(dòng)態(tài)共享與傳輸;同時(shí)為各客戶端提供協(xié)調(diào)機(jī)制,當(dāng)客戶端處于空閑時(shí)可以參與其他任務(wù)調(diào)度,以提高系統(tǒng)的利用效能;也為整個(gè)校園網(wǎng)的出口建立標(biāo)準(zhǔn),一旦和其他的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián),就可以參與更廣泛的系統(tǒng)調(diào)度,實(shí)現(xiàn)資源的進(jìn)一步共享與協(xié)同。

1 相關(guān)研究

國(guó)外具有代表性的網(wǎng)格技術(shù)有:SUN網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng),每個(gè)文件服務(wù)器提供它的本地文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化視圖,允許大量異構(gòu)進(jìn)程共享一個(gè)公用的文件系統(tǒng),進(jìn)程可以運(yùn)行于不同的操作系統(tǒng)之上;Globus數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),它提供一整套SDK和API,用戶可以選擇其中任意的工具進(jìn)行高層開發(fā),具有分布式存儲(chǔ)代理策略,利用副本選擇而不是用集中控制器去進(jìn)行副本匹配和選擇,提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的效率。國(guó)內(nèi)有關(guān)網(wǎng)格的研究是以中國(guó)科學(xué)院(CAS)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心為主,他們主持的中國(guó)國(guó)家網(wǎng)格計(jì)劃(國(guó)家863計(jì)劃)目前已取得豐碩的成果。該中心設(shè)計(jì)并開發(fā)具有高性能計(jì)算和事務(wù)處理能力的新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施,通過資源共享、協(xié)同工作和服務(wù)機(jī)制,有效支持科學(xué)研究、資源環(huán)境、先進(jìn)制造和信息服務(wù)等應(yīng)用,利用一系列優(yōu)化軟件和Cell BE的硬件,將地震應(yīng)用的計(jì)算速度提高了60倍,地震預(yù)報(bào)專家可以在短短幾分鐘內(nèi)得到以往需要數(shù)個(gè)小時(shí)才能得到的計(jì)算結(jié)果。

目前網(wǎng)格研究的成果主要應(yīng)用于天文計(jì)算、氣象推算等數(shù)據(jù)量大、計(jì)算復(fù)雜的科學(xué)研究中,而對(duì)于網(wǎng)絡(luò)資源尤其是教育教學(xué)資源的管理與傳輸還處于起步階段。本研究將就此展開深入研究,為校園網(wǎng)的建設(shè)與規(guī)劃提供理論參考,以有效地緩解教育教學(xué)資源的劇增與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施投資金額巨大之間的供需矛盾。目前對(duì)校園網(wǎng)絡(luò)資源研究主要集中在硬件資源建設(shè)、設(shè)備更新、課程資源建設(shè)上,而對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置研究則相對(duì)較少?？v觀現(xiàn)在各大學(xué)的網(wǎng)絡(luò)硬件資源,足以滿足建設(shè)網(wǎng)格平臺(tái)。Grid的最大優(yōu)點(diǎn)是其動(dòng)態(tài)性,同時(shí)還包括服務(wù)器的具體資源如CPU、內(nèi)存等資源的共享,特別是計(jì)算資源的共享,這是普通資源共享方式難以實(shí)現(xiàn)的。換句話說,Grid就是虛擬企業(yè),是異構(gòu)資源的虛擬池,虛擬池中的資源種類多,資源跨多個(gè)信任域,用戶無需了解網(wǎng)格資源。

2 建立資源動(dòng)態(tài)共享的環(huán)節(jié)

2.1 選擇系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境本研究以RedHat9.0為平臺(tái),采用J2ME為開發(fā)環(huán)境,這樣系統(tǒng)獨(dú)立于平臺(tái),可移植性好,能在便攜式計(jì)算機(jī)、PDA、手機(jī)等手持設(shè)備和其他大量設(shè)備上運(yùn)行。

2.2 確立網(wǎng)絡(luò)傳輸模型傳輸模型是網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)資源共享以及動(dòng)態(tài)更新的核心,因此構(gòu)建出性價(jià)比高、適合需求的動(dòng)態(tài)共享網(wǎng)絡(luò)傳輸模型非常關(guān)鍵。本研究采用現(xiàn)在已經(jīng)成熟的P2P技術(shù)(例如BT、電驢以及迅雷等軟件)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸,模型如圖1所示。

2.3 設(shè)計(jì)網(wǎng)格系統(tǒng)調(diào)度采用系統(tǒng)研究方法,對(duì)網(wǎng)格的分布式、協(xié)同式運(yùn)算進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)虛擬化的資源共享與分布式作業(yè)調(diào)度系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)資源的智能分配,克服當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬與存儲(chǔ)的瓶頸。

2.4 確定資源標(biāo)準(zhǔn)為資源建設(shè)提供SCORM(The Sharable Content Object Reference Model)標(biāo)準(zhǔn),使課程結(jié)構(gòu)格式(CSF,Course Structure Format)、課程執(zhí)行時(shí)的環(huán)境(RTE,Run Time Environment)以及元數(shù)據(jù)(Metadata)的定義標(biāo)準(zhǔn)化,讓資源能較好地進(jìn)行跨平臺(tái)間的連接、搜索及移植。

2.5 建立網(wǎng)格平臺(tái)設(shè)計(jì)與開發(fā)共享目錄樹以及下載資源客戶端列表,為客戶提供資源選擇路徑,實(shí)現(xiàn)資源的智能分配。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 建立教育資源元數(shù)據(jù)庫(kù)教育資源是指用于教學(xué)和培訓(xùn)過程及其評(píng)價(jià)、管理的資源(或?qū)ο?,它們可以是印刷形式的教材、輔導(dǎo)材料、參考資料、習(xí)題集、試題集、工具型資料、教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)與過程規(guī)范等,也可以是數(shù)字形式的教學(xué)軟件、網(wǎng)絡(luò)課件等[1]。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和教學(xué)需求的發(fā)展,教育資源越來越多地以數(shù)字形態(tài)產(chǎn)生,且種類、數(shù)量劇增,但同時(shí)也使得各類資源嚴(yán)重冗余、紛雜無序,用戶難以發(fā)現(xiàn)和共享有效的教育資源,而元數(shù)據(jù)恰恰是解決該問題的有效手段。元數(shù)據(jù)就是“關(guān)于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)”,它是描述一個(gè)資源對(duì)象的屬性,以便對(duì)它進(jìn)行定位、管理、發(fā)現(xiàn)與獲取的數(shù)據(jù)。教育資源元數(shù)據(jù)通過描述教育資源(或?qū)W習(xí)對(duì)象)的相關(guān)屬性,如資源的適用對(duì)象、獲取路徑、內(nèi)容、教學(xué)方法、使用目的、技術(shù)要求、運(yùn)行環(huán)境等,以幫助用戶搜尋、選擇、發(fā)現(xiàn)、利用和集成教育資源。通過元數(shù)據(jù)信息,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)教育資源的分類、管理、查找、評(píng)價(jià)和共享。

目前,世界上教育資源標(biāo)準(zhǔn)化研究中影響較大的教育元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)主要有IEEE LTSC(Learning,Technology Standards Committee,學(xué)習(xí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì))的LOM(learning object metadata,學(xué)習(xí)對(duì)象元數(shù)據(jù))、DCED(Dublin Core Education Working Group)、GEM(The Gateway to Education Material)、IMS(Instructional Management System)、ADL/SCORM(Advanced Distributed Learning/Sharable Content Object Reference Model)等。而我國(guó)在國(guó)外研究的基礎(chǔ)上,據(jù)中國(guó)教育的實(shí)際情況,修訂與創(chuàng)建各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn),最終形成中國(guó)教育信息化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系(CELTS)。該體系包括《學(xué)習(xí)對(duì)象元數(shù)據(jù)》(CELTS-3)、《教育資源建設(shè)技術(shù)規(guī)范》(CELTS-41)和《基礎(chǔ)教育教學(xué)資源元數(shù)據(jù)規(guī)范》(BERMS)(CELTS-42)。3個(gè)規(guī)范從理論上一脈相承,均以LOM為核,借此,可以如表1所示將教育資源的網(wǎng)格元數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分[2]。

3.2 建立索引和觸發(fā)服務(wù)監(jiān)控和發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)MDS(Monitoring and Discovery System)是一組Web服務(wù),用來監(jiān)控和發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格中的可用資源和服務(wù)。MDS是GT4的信息服務(wù)組件,在GT4中MDS稱為MDS4。MDS4可以理解為一個(gè)“協(xié)議沙漏”,定義信息訪問和傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)協(xié)議以及信息表示的標(biāo)準(zhǔn)模式。在“沙漏”底部提供一個(gè)接口,可將不同的本地信息源的各自模式轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)腦ML模式[3]。在“沙漏”上部,可構(gòu)建各種工具和應(yīng)用,然后利用統(tǒng)一的Web服務(wù)查詢、訂閱和通知信息源的接口。MDS4建立在由WSRF和WSN規(guī)范提供的功能上,提供2個(gè)高層服務(wù),分別是索引服務(wù)(Index Service)和觸發(fā)服務(wù)(Trigger Service)。索引服務(wù)收集網(wǎng)格資源的狀態(tài)信息,然后將其作為資源屬性進(jìn)行發(fā)布。觸發(fā)服務(wù)也要從資源中搜集數(shù)據(jù),但它同時(shí)還要對(duì)所搜集的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控,這樣就可以在數(shù)據(jù)到達(dá)某個(gè)極限值時(shí)執(zhí)行某些預(yù)定的操作。要采取的操作可以非常復(fù)雜,例如當(dāng)利用率太高時(shí)提供更多資源;也可以非常簡(jiǎn)單,例如通知系統(tǒng)管理員某個(gè)文件系統(tǒng)已經(jīng)滿了。觸發(fā)服務(wù)通過Web服務(wù)提供此功能,客戶機(jī)使用這個(gè)Web服務(wù)來注冊(cè)觸發(fā)事件。

3.3 建立聚合框架聚合框架(Aggregation Framework)是一種軟件框架,用來構(gòu)造搜集和聚合數(shù)據(jù)的高層服務(wù)。索引服務(wù)和觸發(fā)服務(wù)都構(gòu)建在聚合框架上。聚合框架負(fù)責(zé)對(duì)聚合源(Aggregator Source)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集、管理和編索引,并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給一個(gè)聚合接收器(Aggregator Sink)進(jìn)行處理。使用GT4進(jìn)行發(fā)布的聚合源包括:查詢服務(wù)數(shù)據(jù)的模塊(Query Aggregator Source)、通過訂閱/通知來獲取數(shù)據(jù)的模塊(Subscription Aggregator Source)以及執(zhí)行程序來生成數(shù)據(jù)的模塊(Execution Aggregator Source)。聚合接收器包括用來實(shí)現(xiàn)索引服務(wù)接口和觸發(fā)服務(wù)接口的模塊。聚合器工作在一個(gè)服務(wù)組上,其類型為Aggregator Service GroupRP。資源通過對(duì)服務(wù)組執(zhí)行添加操作完成Aggregator Service GroupRP注冊(cè),同時(shí)在服務(wù)組中產(chǎn)生一個(gè)包括聚合源配置參數(shù)的項(xiàng)[4]。資源注冊(cè)時(shí),首先通知適當(dāng)?shù)木酆显春途酆辖邮掌?然后聚合源開始收集數(shù)據(jù),并且將其插入對(duì)應(yīng)的服務(wù)組項(xiàng)中,聚合接受器處理服務(wù)組項(xiàng)中的信息。

3.4 調(diào)度查詢當(dāng)用戶提交查詢后,網(wǎng)格查詢系統(tǒng)為每一個(gè)查詢選定虛擬機(jī)器節(jié)點(diǎn)做查詢處理,稱為查詢映射。通過查詢映射,為各個(gè)查詢分派執(zhí)行節(jié)點(diǎn)。在網(wǎng)格計(jì)算環(huán)境中,由于節(jié)點(diǎn)分布較廣,用戶在不同的網(wǎng)格管理域中進(jìn)行查詢,在這種情況下,讓網(wǎng)格中所有的節(jié)點(diǎn)為一個(gè)查詢服務(wù)是不現(xiàn)實(shí)的,通常的做法是把大的網(wǎng)格按照一定的方法劃分成若干的小網(wǎng)格,讓一個(gè)小網(wǎng)格為查詢服務(wù)。小網(wǎng)格下面又對(duì)應(yīng)著不同的虛擬機(jī)器節(jié)點(diǎn),此時(shí),單個(gè)小網(wǎng)格可能要為多個(gè)查詢服務(wù)[5]。

中央式查詢調(diào)度模型共有2層,網(wǎng)格查詢調(diào)度器自成一層,虛擬機(jī)群節(jié)點(diǎn)組成另外一層。中央調(diào)度器負(fù)責(zé)對(duì)查詢的處理,以及按照一定的方法把查詢分發(fā)給虛擬機(jī)群節(jié)點(diǎn)。在虛擬機(jī)群上設(shè)置有自己的代理,通過代理和中央查詢調(diào)度器進(jìn)行通信,并且隨時(shí)向中央調(diào)度器報(bào)告自己的資源情況。由于中央調(diào)度器是網(wǎng)格查詢系統(tǒng)中唯一核心,因此必須保證其安全可靠。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中,通過備份中央查詢調(diào)度器來提高整個(gè)系統(tǒng)的容錯(cuò)性。當(dāng)調(diào)度器接收到一個(gè)查詢時(shí)不是立即就對(duì)其進(jìn)行處理,而是當(dāng)調(diào)度器內(nèi)的查詢達(dá)到一定數(shù)量,進(jìn)行統(tǒng)一處理。此種處理方法稱為批模式處理。這樣中央調(diào)度器就可以同時(shí)把若干個(gè)查詢分發(fā)到虛擬機(jī)群節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行處理,提高查詢處理的并行性。

針對(duì)某一個(gè)查詢,在把查詢傳輸?shù)教摂M機(jī)群節(jié)點(diǎn)之前,需要綜合考慮2個(gè)因素:預(yù)測(cè)一個(gè)查詢所需的計(jì)算量和通信量。由于同時(shí)到達(dá)查詢調(diào)度器的查詢個(gè)數(shù)較多,隨機(jī)地把所有查詢都分發(fā)到虛擬機(jī)群執(zhí)行節(jié)點(diǎn)上容易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞,而且查詢的效率也非常低。因此,要按照一定的法則發(fā)送查詢。通過估計(jì)查詢的計(jì)算量和通信量,可以知道完成其執(zhí)行所需的時(shí)間,然后根據(jù)當(dāng)前子網(wǎng)格的整體狀態(tài)做出選擇。

4 結(jié)束語

校園網(wǎng)作為學(xué)校教育教學(xué)的不可或缺的平臺(tái),它所運(yùn)行的系統(tǒng)眾多,資源繁多,數(shù)據(jù)流量巨大,客戶使用時(shí)間相對(duì)集中,很容易在短時(shí)間內(nèi)形成“洪流”而阻塞網(wǎng)絡(luò)。另外,各高校都有自己的特色專業(yè),并為特色專業(yè)建設(shè)大量的資源,而其他學(xué)校則沒有必要再耗費(fèi)巨資去建設(shè)。這就需要校際網(wǎng)絡(luò)資源動(dòng)態(tài)共享,以節(jié)約成本。而本文所采用的網(wǎng)格技術(shù)動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)資源共享,從系統(tǒng)應(yīng)用的層面上有效地緩解網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷,為學(xué)校特別是高校的校園網(wǎng)絡(luò)資源的建設(shè)和規(guī)劃提供理論參考。

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