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摘要:网格技术在E-Learning领域的应用逐渐形成了E-Learning Grid这一新的研究方向,为E-Learning的发展带来新机遇,同时解决了分布式、异构环境下的E-Learning资源共享难题,对教育资源的信息化、数字化有着很大的促进作用。
关键词:网格;E-Learning;资源管理
作者简介:刘鹏(1985-),男,河南舞钢人,石家庄铁道学院计算机与信息工程分院硕士研究生,主要研究方向:网络教育及其支撑技术研究;王学军(1968-),男,河北石家庄人,石家庄铁道学院计算机与信息工程分院,教授,工学硕士,主要研究方向:网络教学。(河北 石家庄 050043)
基金项目:本文系河北省教育科学十一五重点规划课题(项目编号:06130061)的研究成果。
目前E-Learning资源建设中普遍存在一些问题:优质资源较少、存储分散、利用率不高、重复开发现象严重、复杂的系统异构性、资源分布性、动态适应性较差等,主要的问题还是没有形成有效的资源共享。如何解决复杂环境下E-Learning资源的共享问题,提高E-Learning资源的质量与利用效率,避免重复开发和浪费,一直是亟待解决的问题。
一、E-Learning及其发展
E-Learning最早出现在20世纪90年代初,是指基于网络的电子化、数字化、多媒体的教学方式,它充分利用现代信息技术所提供的具有全新沟通机制与丰富资源的学习环境,实现一种全新的学习方式,为现代教育开创了一个非常广阔的空间。
E-Learning是信息时代的一种重要学习方式,其目标是不受时空限制地共享资源、快速便捷地获取信息,用丰富多样的交互方式进行跨地域的协作交流。由于具有高度的交互性和最小的时空约束,得到了广泛重视,起步较早的欧美等西方国家对E-Learning的应用已经比较成熟。其应用范围之广,己覆盖到高等教育、中小学教育、继续教育和职业培训等各个方面;其支撑环境之成熟,不但拥有丰富的教学资源,还有大量功能完备的E-Learning支撑平台与产品。[1]
二、网格技术
网格是一种新型的基础设施,它将从根本上改变我们思考和使用计算机的方式。网格这个词来源于可随时随地提供电能的电力网格(Electric Power Grid),它像计算机和其他科技进步的产物一样,对人类的能力和社会有着巨大的影响。网格被认为是继因特网和Web之后,信息革命的第三个浪潮,是下一代互联网技术研究与应用的重要领域之一。[2]
网格技术的发展为E-Learning资源管理问题的解决提供了一种有效的途径,网格的本质就是要实现资源的全面共享。网格技术可以消除信息孤岛和知识孤岛,实现信息资源和知识资源的智能共享,是目前对资源共享问题的较好的解决方案。我们在此基础上将网格技术引入E-Learning应用领域,逐渐形成了E-Learning Grid这一新的研究方向。设计了一个基于虚拟组织管理原理的E-Learning资源管理网格系统平台,目标是实现对分布式、异构环境下的E-Learning资源进行方便的管理和有效的共享。
三、网格环境下的E-Learning资源管理系统设计
根据现有E-Learning资源的分布特点和网格环境下资源管理的相关技术,首先要对E-Learning资源有个统一的元数据描述,为了更好地进行本地资源管理和实现网格统一管理,我们将虚拟组织(Virtual Organizations)引入系统设计,[3]系统的总体环境结构如图1所示,整个E-Learning资源网格环境系统由若干个虚拟组织构成,各虚拟组织间通过既有的网络技术互联,虚拟组织的成员可以随时加入或离开。由于我们所搭建的网格虚拟组织环境是基于Globus Toolkit 4.0.1的,此工具包只有在Linux环境下才能实现其各项功能。我们各个虚拟组织的服务器节点都是用Red Had 9.0。每个虚拟组织由一个资源服务节点、资源元数据信息和资源内容服务器构成。
E-Learning资源内容要经过统一的标准描述成资源元数据,这样资源服务节点才能将本地资源经过现有的网络向网格资源管理中心注册,资源节点存储自身的动态资源和其他相关信息。网格E-Learning资源管理中心服务器具备E-Learning资源的注册、发布、查找、认证、数据管理和安全防护等功能,存储虚拟组织提供资源的相关信息,实现动态更新。这个管理系统方案的总体架构如图2所示,主要可以分为三大层次。
(1)应用层。应用层给用户提供服务,在E-Learning资源网格平台基础上可进行學习管理系统(LMS)的开发。系统的管理者主要对下层的网格核心管理层进行管理,保证网格环境下的E-Learning资源有效合理地分配、组织和共享。学习门户和底层的服务站点也有相应的管理者,保障系统的有效运行。
(2)网格核心管理层。网格核心管理层是E-Learning资源管理系统的关键,提供各种功能服务,完成资源管理的各个中心环节。主要是通过网格中间件实现资源的注册、发现和调度。对于下面一层本层管理节点就是资源的注册中心,收集虚拟组织内的E-Learning资源信息,同时管理着所有虚拟组织内的E-Learning资源。该层通过网格接口为上层用户提供透明的资源视图,为实现统一的资源管理系统提供支撑环境。
(3)低层资源服务层。最低层E-Learning资源服务站点由独立的数据库管理系统构成,它们可以通过资源注册中心加入E-Learning网格虚拟组织,将本地的E-Learning资源和服务贡献给系统。网格资源管理平台可以屏蔽底层的异构环境,那么无论什么样的内容放于服务器中,上层的资源管理网格平台都能提供一个统一的接口,将资源提供给用户。
四、关键技术实现
1.资源注册
资源的注册服务在网格资源管理系统中是最基础的一个服务,资源管理模块把网格内动态产生的资源信息收集存储在数据库。当用户请求使用资源时,资源管理模块就会从数据库中查找,并将请求结果反馈给用户。它在不同层次上为虚拟组织提供服务节点的相关资源信息。整个资源注册可以看作是一个层层汇聚的过程,如图3所示。E-Learning网格资源管理中心处于资源注册中心之上,假设有A和B两个本地服务节点,通过ErdlInformationProvide的信息提供者服务进行资源信息的提供,然后分别通过MDS信息服务节点的配置向资源管理中心提供资源信息,[5]实现了信息的聚合。
2.资源的上传
基于网格的E-Learning资源管理系统,资源的上传可在任何节点实现。当用户在某个资源管理节点发送上传资源元数据的请求后,资源管理中心会根据需要对汇聚子系统收集到的信息进行处理,为用户确定一个合适的资源服务节点。所选取的资源服务节点服务将为整个上传提供资源入库控制。所要上传的数据是经过统一命名的,传到资源服务器指定的位置后,系统会解析并验证该数据包是否符合标准。然后根据结果再做存储或者删除的操作,无论怎样用户都会收到操作结果的信息。
文件上传需要调用本地资源管理服务来对上载流程进行控制。这里我们选用的是Webservice服务发现URL的方式。
3.资源的查找与发现
资源管理中心为用户提供的最重要的一个功能就是对系统信息或者资源信息进行查找,并对查找的信息进行处理,为资源调度的决策提供信息。
在所用的网格实验平台GT4中,MDS4是采用XMLDB来存储收集的信息。查询文档集合可以使用W3C定义的XPATH,XPATH是在抽象的XML文档逻辑结构上操作而不是表面的语法,XPATH从所使用的路径符号中得到名字,就像URL里通过一个层次的XML文档结构用于导航一样。
查找DefaultIndexService中聚合的资源信息,可通过命令行查看:wsrf-query-s[服务地址][XPATH查询语句]
MDS4为资源的信息查找提供了API,也可以编写程序进行资源信息的查询。首先对提交的关键词进行后台处理,构建查询命令,然后调用SearchInf函数,进行查询。[4]
五、结论
本文从网格计算的教育应用出发,利用网格技术实现了分布式、异构E-Learning资源的自治和统一管理相结合,实现了资源的共享。同时利用相关技术很好地实现了网格环境下资源的加入和退出的动态机制,系统有着良好的集成性、自主性和扩展性。
参考文献:
[1]许骏,史美林,李玉顺,等.网格计算与e-Learning Grid——体系结构·关键技术·示范应用[M].北京:科学出版社,2005.
[2]Ian Foster,Carl Kesselman.The Grid 2 Blueprint for a New Computing Infrastructure[M].2003.
[3]Krauter K,Buyya R.Malleswaran M.A TaXonomy and Survey of Grid Resource Management System[J].software Practice and Experience,2002,32(2):135-164.
[4]朱兆敏.教育资源管理系统网格平台的研究与实现[D].北京:北京邮电大学,2007.
(责任编辑:刘辉)
关键词:网格;E-Learning;资源管理
作者简介:刘鹏(1985-),男,河南舞钢人,石家庄铁道学院计算机与信息工程分院硕士研究生,主要研究方向:网络教育及其支撑技术研究;王学军(1968-),男,河北石家庄人,石家庄铁道学院计算机与信息工程分院,教授,工学硕士,主要研究方向:网络教学。(河北 石家庄 050043)
基金项目:本文系河北省教育科学十一五重点规划课题(项目编号:06130061)的研究成果。
目前E-Learning资源建设中普遍存在一些问题:优质资源较少、存储分散、利用率不高、重复开发现象严重、复杂的系统异构性、资源分布性、动态适应性较差等,主要的问题还是没有形成有效的资源共享。如何解决复杂环境下E-Learning资源的共享问题,提高E-Learning资源的质量与利用效率,避免重复开发和浪费,一直是亟待解决的问题。
一、E-Learning及其发展
E-Learning最早出现在20世纪90年代初,是指基于网络的电子化、数字化、多媒体的教学方式,它充分利用现代信息技术所提供的具有全新沟通机制与丰富资源的学习环境,实现一种全新的学习方式,为现代教育开创了一个非常广阔的空间。
E-Learning是信息时代的一种重要学习方式,其目标是不受时空限制地共享资源、快速便捷地获取信息,用丰富多样的交互方式进行跨地域的协作交流。由于具有高度的交互性和最小的时空约束,得到了广泛重视,起步较早的欧美等西方国家对E-Learning的应用已经比较成熟。其应用范围之广,己覆盖到高等教育、中小学教育、继续教育和职业培训等各个方面;其支撑环境之成熟,不但拥有丰富的教学资源,还有大量功能完备的E-Learning支撑平台与产品。[1]
二、网格技术
网格是一种新型的基础设施,它将从根本上改变我们思考和使用计算机的方式。网格这个词来源于可随时随地提供电能的电力网格(Electric Power Grid),它像计算机和其他科技进步的产物一样,对人类的能力和社会有着巨大的影响。网格被认为是继因特网和Web之后,信息革命的第三个浪潮,是下一代互联网技术研究与应用的重要领域之一。[2]
网格技术的发展为E-Learning资源管理问题的解决提供了一种有效的途径,网格的本质就是要实现资源的全面共享。网格技术可以消除信息孤岛和知识孤岛,实现信息资源和知识资源的智能共享,是目前对资源共享问题的较好的解决方案。我们在此基础上将网格技术引入E-Learning应用领域,逐渐形成了E-Learning Grid这一新的研究方向。设计了一个基于虚拟组织管理原理的E-Learning资源管理网格系统平台,目标是实现对分布式、异构环境下的E-Learning资源进行方便的管理和有效的共享。
三、网格环境下的E-Learning资源管理系统设计
根据现有E-Learning资源的分布特点和网格环境下资源管理的相关技术,首先要对E-Learning资源有个统一的元数据描述,为了更好地进行本地资源管理和实现网格统一管理,我们将虚拟组织(Virtual Organizations)引入系统设计,[3]系统的总体环境结构如图1所示,整个E-Learning资源网格环境系统由若干个虚拟组织构成,各虚拟组织间通过既有的网络技术互联,虚拟组织的成员可以随时加入或离开。由于我们所搭建的网格虚拟组织环境是基于Globus Toolkit 4.0.1的,此工具包只有在Linux环境下才能实现其各项功能。我们各个虚拟组织的服务器节点都是用Red Had 9.0。每个虚拟组织由一个资源服务节点、资源元数据信息和资源内容服务器构成。
E-Learning资源内容要经过统一的标准描述成资源元数据,这样资源服务节点才能将本地资源经过现有的网络向网格资源管理中心注册,资源节点存储自身的动态资源和其他相关信息。网格E-Learning资源管理中心服务器具备E-Learning资源的注册、发布、查找、认证、数据管理和安全防护等功能,存储虚拟组织提供资源的相关信息,实现动态更新。这个管理系统方案的总体架构如图2所示,主要可以分为三大层次。
(1)应用层。应用层给用户提供服务,在E-Learning资源网格平台基础上可进行學习管理系统(LMS)的开发。系统的管理者主要对下层的网格核心管理层进行管理,保证网格环境下的E-Learning资源有效合理地分配、组织和共享。学习门户和底层的服务站点也有相应的管理者,保障系统的有效运行。
(2)网格核心管理层。网格核心管理层是E-Learning资源管理系统的关键,提供各种功能服务,完成资源管理的各个中心环节。主要是通过网格中间件实现资源的注册、发现和调度。对于下面一层本层管理节点就是资源的注册中心,收集虚拟组织内的E-Learning资源信息,同时管理着所有虚拟组织内的E-Learning资源。该层通过网格接口为上层用户提供透明的资源视图,为实现统一的资源管理系统提供支撑环境。
(3)低层资源服务层。最低层E-Learning资源服务站点由独立的数据库管理系统构成,它们可以通过资源注册中心加入E-Learning网格虚拟组织,将本地的E-Learning资源和服务贡献给系统。网格资源管理平台可以屏蔽底层的异构环境,那么无论什么样的内容放于服务器中,上层的资源管理网格平台都能提供一个统一的接口,将资源提供给用户。
四、关键技术实现
1.资源注册
资源的注册服务在网格资源管理系统中是最基础的一个服务,资源管理模块把网格内动态产生的资源信息收集存储在数据库。当用户请求使用资源时,资源管理模块就会从数据库中查找,并将请求结果反馈给用户。它在不同层次上为虚拟组织提供服务节点的相关资源信息。整个资源注册可以看作是一个层层汇聚的过程,如图3所示。E-Learning网格资源管理中心处于资源注册中心之上,假设有A和B两个本地服务节点,通过ErdlInformationProvide的信息提供者服务进行资源信息的提供,然后分别通过MDS信息服务节点的配置向资源管理中心提供资源信息,[5]实现了信息的聚合。
2.资源的上传
基于网格的E-Learning资源管理系统,资源的上传可在任何节点实现。当用户在某个资源管理节点发送上传资源元数据的请求后,资源管理中心会根据需要对汇聚子系统收集到的信息进行处理,为用户确定一个合适的资源服务节点。所选取的资源服务节点服务将为整个上传提供资源入库控制。所要上传的数据是经过统一命名的,传到资源服务器指定的位置后,系统会解析并验证该数据包是否符合标准。然后根据结果再做存储或者删除的操作,无论怎样用户都会收到操作结果的信息。
文件上传需要调用本地资源管理服务来对上载流程进行控制。这里我们选用的是Webservice服务发现URL的方式。
3.资源的查找与发现
资源管理中心为用户提供的最重要的一个功能就是对系统信息或者资源信息进行查找,并对查找的信息进行处理,为资源调度的决策提供信息。
在所用的网格实验平台GT4中,MDS4是采用XMLDB来存储收集的信息。查询文档集合可以使用W3C定义的XPATH,XPATH是在抽象的XML文档逻辑结构上操作而不是表面的语法,XPATH从所使用的路径符号中得到名字,就像URL里通过一个层次的XML文档结构用于导航一样。
查找DefaultIndexService中聚合的资源信息,可通过命令行查看:wsrf-query-s[服务地址][XPATH查询语句]
MDS4为资源的信息查找提供了API,也可以编写程序进行资源信息的查询。首先对提交的关键词进行后台处理,构建查询命令,然后调用SearchInf函数,进行查询。[4]
五、结论
本文从网格计算的教育应用出发,利用网格技术实现了分布式、异构E-Learning资源的自治和统一管理相结合,实现了资源的共享。同时利用相关技术很好地实现了网格环境下资源的加入和退出的动态机制,系统有着良好的集成性、自主性和扩展性。
参考文献:
[1]许骏,史美林,李玉顺,等.网格计算与e-Learning Grid——体系结构·关键技术·示范应用[M].北京:科学出版社,2005.
[2]Ian Foster,Carl Kesselman.The Grid 2 Blueprint for a New Computing Infrastructure[M].2003.
[3]Krauter K,Buyya R.Malleswaran M.A TaXonomy and Survey of Grid Resource Management System[J].software Practice and Experience,2002,32(2):135-164.
[4]朱兆敏.教育资源管理系统网格平台的研究与实现[D].北京:北京邮电大学,2007.
(责任编辑:刘辉)