校际教育资源的动态共享模型研究

殷常鸿 艾 伦

摘要 随着教育信息化的开展,各高校都投入巨额资金进行网络硬件资源的建设,但对于课程建设、教学资源等软件建设却各自为政,缺乏有效的共享与互联。从实际应用的角度出发,以网格技术为工具,对校际资源的共享进行系统研究。

关键词 动态共享;网格;元数据

中图分类号:TP393.18 文献标识码:A 文章编号: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

随着信息技术的快速发展以及网络技术的进步,各种信息资源迅速膨胀,国家投资大量资金进行网络基础设施建设,但由于缺乏有效的管理与调度,网络资源出现整体无序性、重复性、冗余性。尤其当前的网络教育资源,各个高校都采用局部的自治系统,彼此之间缺乏有效的协同机制,难以将各种资源联合起来完成大型的应用任务。性能优越的计算机可能大部分时间都处于处理简单的办公任务甚至处于空闲状态,而性能、配置较低的计算机又难以实现大规模的数据计算、资源调度等科研任务,这严重地影响了整个网络系统的整体效能的发挥,也造成相当大的重复投资与资源浪费,同时资源的无序性和重复性也给资源的搜索带来极大的难度。特别是教学改革的深入,几乎所有的课程都要通过校园网络建立网络课程。而网络课程通常都包含大量的视频、动画、图片以及声音等多媒体信息,占用大量的空间,再加上教务管理系统、学籍管理系统、人事管理系统、财务管理系统等都需要大量的、重复的调度与运算,使得校园网的资源管理、传输和存储都面临严峻的挑战。针对这种现状,作者从操作系统实时调度的角度出发,利用网格(Grid)技术来搭建网络平台,建立有效的资源调度系统,对资源进行智能管理,实现多点动态共享与传输;同时为各客户端提供协调机制,当客户端处于空闲时可以参与其他任务调度,以提高系统的利用效能;也为整个校园网的出口建立标准,一旦和其他的网络进行互联,就可以参与更广泛的系统调度,实现资源的进一步共享与协同。

1 相关研究

国外具有代表性的网格技术有:SUN网络文件系统,每个文件服务器提供它的本地文件系统的结构化视图,允许大量异构进程共享一个公用的文件系统,进程可以运行于不同的操作系统之上;Globus数据管理系统,它提供一整套SDK和API,用户可以选择其中任意的工具进行高层开发,具有分布式存储代理策略,利用副本选择而不是用集中控制器去进行副本匹配和选择,提高数据存储的效率。国内有关网格的研究是以中国科学院(CAS)计算机网络信息中心为主,他们主持的中国国家网格计划(国家863计划)目前已取得丰硕的成果。该中心设计并开发具有高性能计算和事务处理能力的新一代信息基础设施,通过资源共享、协同工作和服务机制,有效支持科学研究、资源环境、先进制造和信息服务等应用,利用一系列优化软件和Cell BE的硬件,将地震应用的计算速度提高了60倍,地震预报专家可以在短短几分钟内得到以往需要数个小时才能得到的计算结果。

目前网格研究的成果主要应用于天文计算、气象推算等数据量大、计算复杂的科学研究中,而对于网络资源尤其是教育教学资源的管理与传输还处于起步阶段。本研究将就此展开深入研究,为校园网的建设与规划提供理论参考,以有效地缓解教育教学资源的剧增与网络基础设施投资金额巨大之间的供需矛盾。目前对校园网络资源研究主要集中在硬件资源建设、设备更新、课程资源建设上,而对于如何实现资源的优化配置研究则相对较少。纵观现在各大学的网络硬件资源,足以满足建设网格平台。Grid的最大优点是其动态性,同时还包括服务器的具体资源如CPU、内存等资源的共享,特别是计算资源的共享,这是普通资源共享方式难以实现的。换句话说,Grid就是虚拟企业,是异构资源的虚拟池,虚拟池中的资源种类多,资源跨多个信任域,用户无需了解网格资源。

2 建立资源动态共享的环节

2.1 选择系统开发环境本研究以RedHat9.0为平台,采用J2ME为开发环境,这样系统独立于平台,可移植性好,能在便携式计算机、PDA、手机等手持设备和其他大量设备上运行。

2.2 确立网络传输模型传输模型是网格实现资源共享以及动态更新的核心,因此构建出性价比高、适合需求的动态共享网络传输模型非常关键。本研究采用现在已经成熟的P2P技术(例如BT、电驴以及迅雷等软件)实现点对点的传输,模型如图1所示。

2.3 设计网格系统调度采用系统研究方法,对网格的分布式、协同式运算进行分析,设计虚拟化的资源共享与分布式作业调度系统,实现资源的智能分配,克服当前网络传输带宽与存储的瓶颈。

2.4 确定资源标准为资源建设提供SCORM(The Sharable Content Object Reference Model)标准,使课程结构格式(CSF,Course Structure Format)、课程执行时的环境(RTE,Run Time Environment)以及元数据(Metadata)的定义标准化,让资源能较好地进行跨平台间的连接、搜索及移植。

2.5 建立网格平台设计与开发共享目录树以及下载资源客户端列表,为客户提供资源选择路径,实现资源的智能分配。

3 关键技术

3.1 建立教育资源元数据库教育资源是指用于教学和培训过程及其评价、管理的资源(或对象),它们可以是印刷形式的教材、辅导材料、参考资料、习题集、试题集、工具型资料、教学标准与过程规范等,也可以是数字形式的教学软件、网络课件等[1]。随着网络技术和教学需求的发展,教育资源越来越多地以数字形态产生,且种类、数量剧增,但同时也使得各类资源严重冗余、纷杂无序,用户难以发现和共享有效的教育资源,而元数据恰恰是解决该问题的有效手段。元数据就是“关于数据的数据”,它是描述一个资源对象的属性,以便对它进行定位、管理、发现与获取的数据。教育资源元数据通过描述教育资源(或学习对象)的相关属性,如资源的适用对象、获取路径、内容、教学方法、使用目的、技术要求、运行环境等,以帮助用户搜寻、选择、发现、利用和集成教育资源。通过元数据信息,可以实现对教育资源的分类、管理、查找、评价和共享。

目前,世界上教育资源标准化研究中影响较大的教育元数据标准主要有IEEE LTSC(Learning,Technology Standards Committee,学习技术标准委员会)的LOM(learning object metadata,学习对象元数据)、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。而我国在国外研究的基础上,据中国教育的实际情况,修订与创建各项标准,最终形成中国教育信息化技术标准体系(CELTS)。该体系包括《学习对象元数据》(CELTS-3)、《教育资源建设技术规范》(CELTS-41)和《基础教育教学资源元数据规范》(BERMS)(CELTS-42)。3个规范从理论上一脉相承,均以LOM为核,借此,可以如表1所示将教育资源的网格元数据进行划分[2]。

3.2 建立索引和触发服务监控和发现系统MDS(Monitoring and Discovery System)是一组Web服务,用来监控和发现网格中的可用资源和服务。MDS是GT4的信息服务组件,在GT4中MDS称为MDS4。MDS4可以理解为一个“协议沙漏”,定义信息访问和传输的标准协议以及信息表示的标准模式。在“沙漏”底部提供一个接口,可将不同的本地信息源的各自模式转化为适当的XML模式[3]。在“沙漏”上部,可构建各种工具和应用,然后利用统一的Web服务查询、订阅和通知信息源的接口。MDS4建立在由WSRF和WSN规范提供的功能上,提供2个高层服务,分别是索引服务(Index Service)和触发服务(Trigger Service)。索引服务收集网格资源的状态信息,然后将其作为资源属性进行发布。触发服务也要从资源中搜集数据,但它同时还要对所搜集的数据进行监控,这样就可以在数据到达某个极限值时执行某些预定的操作。要采取的操作可以非常复杂,例如当利用率太高时提供更多资源;也可以非常简单,例如通知系统管理员某个文件系统已经满了。触发服务通过Web服务提供此功能,客户机使用这个Web服务来注册触发事件。

3.3 建立聚合框架聚合框架(Aggregation Framework)是一种软件框架,用来构造搜集和聚合数据的高层服务。索引服务和触发服务都构建在聚合框架上。聚合框架负责对聚合源(Aggregator Source)中的数据进行搜集、管理和编索引,并将这些数据发送给一个聚合接收器(Aggregator Sink)进行处理。使用GT4进行发布的聚合源包括:查询服务数据的模块(Query Aggregator Source)、通过订阅/通知来获取数据的模块(Subscription Aggregator Source)以及执行程序来生成数据的模块(Execution Aggregator Source)。聚合接收器包括用来实现索引服务接口和触发服务接口的模块。聚合器工作在一个服务组上,其类型为Aggregator Service GroupRP。资源通过对服务组执行添加操作完成Aggregator Service GroupRP注册,同时在服务组中产生一个包括聚合源配置参数的项[4]。资源注册时,首先通知适当的聚合源和聚合接收器,然后聚合源开始收集数据,并且将其插入对应的服务组项中,聚合接受器处理服务组项中的信息。

3.4 调度查询当用户提交查询后,网格查询系统为每一个查询选定虚拟机器节点做查询处理,称为查询映射。通过查询映射,为各个查询分派执行节点。在网格计算环境中,由于节点分布较广,用户在不同的网格管理域中进行查询,在这种情况下,让网格中所有的节点为一个查询服务是不现实的,通常的做法是把大的网格按照一定的方法划分成若干的小网格,让一个小网格为查询服务。小网格下面又对应着不同的虚拟机器节点,此时,单个小网格可能要为多个查询服务[5]。

中央式查询调度模型共有2层,网格查询调度器自成一层,虚拟机群节点组成另外一层。中央调度器负责对查询的处理,以及按照一定的方法把查询分发给虚拟机群节点。在虚拟机群上设置有自己的代理,通过代理和中央查询调度器进行通信,并且随时向中央调度器报告自己的资源情况。由于中央调度器是网格查询系统中唯一核心,因此必须保证其安全可靠。在现实应用中,通过备份中央查询调度器来提高整个系统的容错性。当调度器接收到一个查询时不是立即就对其进行处理,而是当调度器内的查询达到一定数量,进行统一处理。此种处理方法称为批模式处理。这样中央调度器就可以同时把若干个查询分发到虚拟机群节点上进行处理,提高查询处理的并行性。

针对某一个查询,在把查询传输到虚拟机群节点之前,需要综合考虑2个因素:预测一个查询所需的计算量和通信量。由于同时到达查询调度器的查询个数较多,随机地把所有查询都分发到虚拟机群执行节点上容易造成网络拥塞,而且查询的效率也非常低。因此,要按照一定的法则发送查询。通过估计查询的计算量和通信量,可以知道完成其执行所需的时间,然后根据当前子网格的整体状态做出选择。

4 结束语

校园网作为学校教育教学的不可或缺的平台,它所运行的系统众多,资源繁多,数据流量巨大,客户使用时间相对集中,很容易在短时间内形成“洪流”而阻塞网络。另外,各高校都有自己的特色专业,并为特色专业建设大量的资源,而其他学校则没有必要再耗费巨资去建设。这就需要校际网络资源动态共享,以节约成本。而本文所采用的网格技术动态地实现资源共享,从系统应用的层面上有效地缓解网络负荷,为学校特别是高校的校园网络资源的建设和规划提供理论参考。

参考文献

[1]郑雯译,吴开.国外教育资源元数据标准比较研究[J].图书情报工作,2005,49(1):107-111

[2]刘乃文.教育资源网格体系结构及元数据模型研究[J].计算机应用研究2008,25(8):2 553

[3]张森.存储网格资源管理系统的研究与实现[D].北京:北京交通大学,2007

[4]邱岚.网格技术在远程教育系统中的应用研究[D].南昌大学,2007

[5]贾良鹏,等.网格环境下的查询优化方法[J].现代计算机,2007(7):22-23