校園網(wǎng)格系統(tǒng)設(shè)計方案

隨著教育信息化的深入和因特網(wǎng)的發(fā)展，校園網(wǎng)上的教學資源越來越豐富，而網(wǎng)絡(luò)資源也呈幾何級數(shù)增長。而校園網(wǎng)絡(luò)中心或計算中心對各院系的現(xiàn)有資源缺乏有效的整合和管理。使得各種單一資源利用率相對較低，很難實現(xiàn)校園網(wǎng)內(nèi)的資源充分共享與協(xié)同工作。

網(wǎng)格的出現(xiàn)為實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享提供了技術(shù)支持。網(wǎng)格是一種將地理上分布的、異構(gòu)的計算及存儲資源和設(shè)備通過高速網(wǎng)絡(luò)連接起來。形成高性能的計算環(huán)境，從而實現(xiàn)廣泛資源共享的新技術(shù)。校園網(wǎng)格與一般的計算網(wǎng)格、信息網(wǎng)格不同，其資源提供者是各院系、部的各類資源，包括集群、數(shù)據(jù)庫、高性能計算機、個人PC機、存儲設(shè)備等。用戶一般是學校的教職員工和學生。他們通過校園網(wǎng)格共享計算、信息、存儲、專家、數(shù)據(jù)、教學等資源。因此，網(wǎng)格技術(shù)在校園網(wǎng)中的應(yīng)用使得校園網(wǎng)的資源能夠在更大范圍內(nèi)共享，極大地改變現(xiàn)有校園網(wǎng)的應(yīng)用現(xiàn)狀。

1 網(wǎng)格技術(shù)簡介

1．1 數(shù)據(jù)網(wǎng)格

數(shù)據(jù)網(wǎng)格是一種面向大型分布式數(shù)據(jù)存儲和處理的網(wǎng)格，它將全球范圍內(nèi)分布的、異構(gòu)的存儲和數(shù)據(jù)資源通過高性能網(wǎng)絡(luò)連接起來，并提供相關(guān)機制使用戶能夠透明地訪問和處理大型分布式數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)網(wǎng)格研究聚集于大型分布式數(shù)據(jù)的存儲和管理、傳輸、數(shù)據(jù)訪問的優(yōu)化、數(shù)據(jù)可靠性與可獲取性，以及計算資源的調(diào)度等。數(shù)據(jù)網(wǎng)格的主要目標就是為分布式的數(shù)據(jù)密集型的應(yīng)用程序提供服務(wù)以及基礎(chǔ)設(shè)施，因此數(shù)據(jù)網(wǎng)格必須提供一組安全的高性能的協(xié)議用來保證大型數(shù)據(jù)集的傳輸，以及確保數(shù)據(jù)能夠根據(jù)用戶的需要在全網(wǎng)范圍內(nèi)復制、分發(fā)。

1．2 元數(shù)據(jù)

元數(shù)據(jù)是描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，是關(guān)于數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。它用于描述數(shù)據(jù)的內(nèi)容、覆蓋范圍、質(zhì)量、管理方式、數(shù)據(jù)的所有者、數(shù)據(jù)的提供方式等信息，是數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)用戶之間的橋梁。

2 校園網(wǎng)格設(shè)計

2．1 設(shè)計目標

隨著校園網(wǎng)絡(luò)資源的快速增長，校園網(wǎng)絡(luò)內(nèi)形成了越來越多的信息孤島。一方面是用戶對網(wǎng)絡(luò)資源的需求，而另一方面大量網(wǎng)絡(luò)資源不能得到有效的使用。校園數(shù)據(jù)網(wǎng)格系統(tǒng)就是為了解決此矛盾而提出來的。它可以很好地實現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一訪問和數(shù)據(jù)共享，充分利用網(wǎng)絡(luò)的存儲資源，為科學研究和協(xié)同學習提供一個廣闊的資源平臺。校園數(shù)據(jù)網(wǎng)格系統(tǒng)主要實現(xiàn)目標如下：1)統(tǒng)一、透明的訪問接口：校園數(shù)據(jù)網(wǎng)格系統(tǒng)為用戶提供一個一致的、方便的訪問資源方法；2)為用戶提供高效的數(shù)據(jù)訪問：使用復制技術(shù)在網(wǎng)格系統(tǒng)中產(chǎn)生多個數(shù)據(jù)副本，以平衡系統(tǒng)負載，提高數(shù)據(jù)訪問的響應(yīng)時間和系統(tǒng)的容錯性；3)統(tǒng)一的資源命名：采用全局統(tǒng)一的命名機制來訪問和操作數(shù)據(jù)，給用戶提供一個全局統(tǒng)一視圖，方便用戶對資源的管理和操作；4)資源定位的透明性：系統(tǒng)通過副本目錄元信息和存儲資源代理來完成資源的定位以及對資源的操作；5)靈活性和容錯性：系統(tǒng)采用局部自治，全局協(xié)調(diào)的結(jié)構(gòu)；6)安全性：通過有效的安全機制保障系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全。

2．2 校園數(shù)據(jù)網(wǎng)格系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

校園數(shù)據(jù)網(wǎng)格系統(tǒng)是基于校園網(wǎng)的現(xiàn)有資源構(gòu)建的，該系統(tǒng)具有分布式、層次式的體系結(jié)構(gòu)，既避免了集中式管理帶來的系統(tǒng)瓶頸問題，也有效解決了對于資源的統(tǒng)一管理問題。如圖1所示，該系統(tǒng)主要由2部分構(gòu)成：元信息管理和存儲資源代理。元信息管理主要為系統(tǒng)功能的實現(xiàn)提供元信息支持。存儲資源代理主要完成數(shù)據(jù)的訪問和操作。在系統(tǒng)的每個自治內(nèi)部署存儲資源代理以實現(xiàn)自治域系統(tǒng)的功能。用戶可以通過存儲資源代理透明的訪問各種資源而不必關(guān)心底層的物理操作。通過存儲資源代理和元信息管理為用戶提供一個統(tǒng)一、透明的訪問方式，實現(xiàn)所需功能。用戶請求存儲資源代理，通過存儲資源代理和元信息管理的交互獲取所需元信息，并調(diào)度到合適的資源來實現(xiàn)訪問、修改以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鳌?/p>

校園數(shù)據(jù)網(wǎng)格系統(tǒng)的功能主要分為3部分：元信息管理、數(shù)據(jù)管理和安全管理。如表l所示。

1)元信息管理用戶元信息管理、數(shù)據(jù)元信息管理和副本元信息管理。用戶元信息管理：負責管理網(wǎng)格用戶的相關(guān)信息，實現(xiàn)對用戶的統(tǒng)一管理和控制。數(shù)據(jù)元信息管理：負責管理數(shù)據(jù)網(wǎng)格系統(tǒng)中的各種資源，為用戶提供一個統(tǒng)一的邏輯視圖。副本元信息管理：負責管理數(shù)據(jù)網(wǎng)格系統(tǒng)中的所有副本，為副本的創(chuàng)建、選擇與定位以及副本的一致性管理提供支持。

2)數(shù)據(jù)管理 數(shù)據(jù)訪問的調(diào)度、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)復制。數(shù)據(jù)訪問的調(diào)度：負責應(yīng)答用戶的訪問請求，并根據(jù)用戶的請求執(zhí)行相應(yīng)的操作。數(shù)據(jù)傳輸：負責完成相應(yīng)節(jié)點之間數(shù)據(jù)安全、高效地傳輸。數(shù)據(jù)復制：負責完成數(shù)據(jù)網(wǎng)格系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)復制操作，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)據(jù)副本。

3)安全管理 分別完成對數(shù)據(jù)網(wǎng)格系統(tǒng)中用戶的身份和資源的認證，并為符合條件的用戶或資源授予一定的訪問權(quán)限。

2．3 校園網(wǎng)格框架模型及訪問過程

2．3．1 校園網(wǎng)格框架模型

服務(wù)網(wǎng)格的最大特點就是把一切資源包裝成服務(wù)，其核心問題就是如何生成服務(wù)，并最終提供給所需用戶。根據(jù)開放網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)(OGSA)思想，文獻設(shè)計了服務(wù)網(wǎng)格框架，如圖2所示。

1)資源池 包括系統(tǒng)的所有資源(動態(tài)變化)，資源可以根據(jù)類型劃分成多個組。

2)網(wǎng)格核心中間件WSRF 實現(xiàn)與資源池和服務(wù)池的雙向通訊，通過網(wǎng)格核心中間件Web服務(wù)資源框架(WS-Re-source Framework，WSRF)，資源可以被包裝成服務(wù)或者將服務(wù)部署到相應(yīng)的資源上。

3)服務(wù)池 包括所有虛擬服務(wù)，根據(jù)服務(wù)的類別可以把整個網(wǎng)格系統(tǒng)中的服務(wù)分類歸并成多個虛擬服務(wù)，具有相同訪問接口的服務(wù)屬于同一虛擬服務(wù)。

4)虛擬組織VO 用戶或應(yīng)用完成一次訪問是通過服務(wù)池選擇匹配(能滿足用戶條件的服務(wù)并構(gòu)建一個虛擬組織)來實現(xiàn)的，虛擬組織為服務(wù)提供者或服務(wù)消費者(用戶或應(yīng)用)提供一個“臨時”的市場，通過服務(wù)協(xié)商的方式建立服務(wù)消費者和服務(wù)提供者之間的供求關(guān)系。一個虛擬組織的表示通常應(yīng)包含服務(wù)參與者集合、多個參與者之間上下文集合、多個政策規(guī)則組成的集合。

2．3．2 服務(wù)訪問過程

由多個用戶和服務(wù)參與的網(wǎng)格系統(tǒng)上的一次活動即服務(wù)過程(見圖2)，描述如下：

1)服務(wù)發(fā)布 服務(wù)注冊到中介者或目錄服務(wù)系統(tǒng)。

2)服務(wù)發(fā)現(xiàn) 服務(wù)發(fā)現(xiàn)是根據(jù)服務(wù)查詢的結(jié)果決定發(fā)現(xiàn)目標。用戶或應(yīng)用通過目錄服務(wù)系統(tǒng)查詢服務(wù)，包括虛擬服務(wù)，真實服務(wù)；如果沒有合適的服務(wù)能從所需要的虛擬服務(wù)組中選出，則某一資源將被選出，用來部署該類服務(wù)，以使得其功能滿足用戶請求的需求；如果沒有資源可被選擇，則用戶請求不能被完成，用戶請求的狀態(tài)被設(shè)置成失敗。

3)服務(wù)綁定 服務(wù)池中的服務(wù)能滿足用戶請求的各個功能需求，用戶則基于雙方的協(xié)議和政策與選擇服務(wù)的提供者進行協(xié)商；當對所有需要的服務(wù)協(xié)商成功，并且基于這些服務(wù)的組合服務(wù)能滿足用戶的功能需求，那么虛擬組織就被創(chuàng)建，用戶通過虛擬組織與服務(wù)提供者簽訂合同，并通過合同與組合服務(wù)綁定。

4)選擇備份服務(wù) 當一個服務(wù)失敗或者不能滿足用戶服務(wù)質(zhì)量需求時，一個服務(wù)失敗事件就會觸發(fā)，如果服務(wù)被恢復而且不違反服務(wù)質(zhì)量協(xié)議，虛擬組織活動就照常進行；否則在同一虛擬服務(wù)中的備份服務(wù)將被選擇。備份服務(wù)必須為該用戶提供訪問權(quán)限并滿足該請求的服務(wù)質(zhì)量需求。如果這種備份服務(wù)找不到，則用戶請求不能滿足，其狀態(tài)被設(shè)置成失敗，虛擬組織也被撤銷，活動失敗。如果活動正常完成，關(guān)于活動正常結(jié)束的事件被觸發(fā)，虛擬組織的管理者獲取該事件后，撤銷該虛擬組織，活動順利執(zhí)行完成。

3 結(jié)束語

針對校園網(wǎng)格資源多、差別大、范圍廣的特點，設(shè)計了面向服務(wù)的層次式系統(tǒng)架構(gòu)及服務(wù)訪問模型。在此層次模型中，把物理資源包裝成服務(wù)，并歸類為虛擬服務(wù)，使得網(wǎng)格服務(wù)具有更好的抽象性并具有統(tǒng)一接口。在此模型中，目錄服務(wù)是關(guān)鍵，它把服務(wù)提供者信息提供給服務(wù)消費者，服務(wù)提供者和服務(wù)消費者(用戶和應(yīng)用)通過虛擬組織提供的“臨時”市場，以服務(wù)協(xié)商的方式建立兩者之間的供求關(guān)系。