基于开放网格服务结构的文化信息网格研究，本文主要内容关键词为：网格论文,结构论文,文化论文,信息论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
随着第三次互联网浪潮的到来，“即取即用”、“资源共享”已经成为网络服务模式的发展趋势。构建文化信息网格正是在这种信息服务的大背景下，结合网格的现实应用而思考设计的。它将采用开放标准的网格技术，建设性能更高、功能更强、应用更广的文化信息服务网络。
1 有关网格的基本概念
1.1 网格的产生及其基本概念
为深度挖掘互联网潜在的服务能力，改变信息生产、信息传播、信息创新、信息分配的传统方式，网格作为全面资源共享的基础设施应运而生。美国阿岗（Argonne）国家实验室的资深科学家、美国网格计算项目的领导人Ian Foster于1998年这样描述网格：“网格是构筑在互联网上的一组新兴技术，它将高速互联网、高性能计算机、大型数据库、传感器、远程设备等融为一体，为科技人员和普通老百姓提供更多的资源、功能和交互性。互联网主要为人们提供电子邮件、网页浏览等通信功能，而网格功能则更多、更强，能让人们透明地使用计算、存储等其他资源。”[1]
1.2 开放的网格服务体系结构（OGSA）
随着网格应用的不断深入，基于Web Service的网格技术已得到快速发展。目前，通过SOAP（简单对象访问协议）、WSDL（Web服务描述语言）、UDDI（统一描述、查找和集成），WSFL（Web服务流语言）、BPEL4WS（Web服务的业务流程执行语言）等开放协议和标准，Web Service提供了面向Internet应用的统一服务注册、发现、绑定和集成机制。开放的网格服务体系架构（Open Grid Service Architecture，简称OGSA）在Web服务的基础上，利用开放式的网格服务基础结构（OGSI）的核心接口，解决了虚拟化服务间的互操作问题，极大地增强了网格协议和服务的互操作性，使网格应用突破了科学计算的局限性，而向电子商务、电子政务、信息服务领域扩展。[2]
1.3 开放网格服务结构（OGSA）的基本原理
OGSA把计算资源、存储资源、网络、程序、数据库等抽象定义为服务，通过统一的标准接口（包括GridService、NotificationSource、NotificationSink、Registry、Factory、PrimaryKey、HandleMap）来实现服务发现、动态服务创建、服务生命周期管理、消息订阅、通知发放等功能，并对网格资源实施管理和共享。
OGSA的虚拟组织将各种资源包装为服务，通过建立一个注册服务和一个句柄映射服务，将服务发布到注册中心。网格用户通过注册服务访问注册中心中服务工厂信息和已经创建的服务实例信息，再通过请求特定的服务工厂创建的一个实例，并按照服务接口的描述将数据传递给该实例，从而享用网格的服务功能。
Globus Toolkit（4.0）是当前实现OGSADF最有力的工具，Globus Toolkit是建立在Web服务技术的基础之上，用来支持分布式状态的管理、轻量级的检查和发现、异步通知等的中间件，它较好地解决了安全性、信息发现、资源管理、通信、故障检测和可移植性问题。[3]
2 基于OGSA的文化信息网格设计
文化信息网格是以网格技术为基础，以全国文化信息资源共享工程为依托，基于宽带传输和海量信息组织、Web Services等技术和网格基础支撑环境的文化信息应用平台，是进行文化信息生产、传播及服务的信息基础设施。
2.1 构建文化信息网格的技术需求
构建文化信息网格是以先进的技术手段传播先进文化、推动文化信息资源共建共享的举措，是实施知识工程的深入，也是实施科技创新的内在要求。文化信息网格的技术需求归纳如下：
（1）文化信息资源集成与管理：实现对分布式、松散耦合的组织结构中共享资源（包括计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源）管理，从而进行资源的组织、规划、协调和调控。
（2）协同工作支持：在虚拟信息组织间提供相互合作的平台环境，协调网络资源的共建共享工作。
（3）构建以“服务”为中心的信息体系：构建具有高科技、专业化、社会性和公共服务功能的新型信息服务模式。
（4）共享资源维护与安全控制：为实现共享资源的发布、删除、修改等安全化操作提供支持。网格安全管理贯穿系统所有层面，包括资源认证、资源访问控制、用户身份鉴别、数据传输安全管理等。
2.2 文化信息网格框架与功能模块
参考OGSA体系，文化信息网格的框架体系设计为五层结构，自下而上包括资源层、面向服务体系的构造层、面向网络协议的连接层、面向服务的汇集层及网格应用层等五个层次，各层之间相互关联，上层可以调用下层的功能和服务，形成了从信息获取、传输管理到信息共享的完整体系。其主要功能如下：
（1）资源层：这是网格应用的基础，由各种抽象的资源组成，包括主机、存储设备、仪器设备等物理资源，网络带宽、程序软件、服务应用等逻辑资源、信息资源、用户资源、计算资源等。
（2）构造层：这是面向服务应用的关键，其作用在于解决各类资源的协同与共享问题。根据被封装的业务功能与服务对象，通过WEB服务接口描述其共享能力，支持网格服务管理机制。其核心包括资源服务、信息管理、网格系统监控、安全控制等。
（3）连接层：这是处理通信与授权控制的核心协议层。实现构造层各种资源间的数据交换、授权验证、安全控制。采用基于公钥的网格安全协议，提供一次登录、委托授权、安全方案整合、基于用户信任关系等功能。
（4）汇集层：这是汇集资源层的受控资源、提供协调管理的中心。其提供资源分配、目录管理、负载控制、资源监控等功能，具有跨资源集合的交互协议和服务，协调多个资源间的协同作业。
（5）应用层：这是网格应用具体实现层。包括用户代码和网格调用两部分。应用层调用网格各低层提供的服务，如资源管理服务、数据访问服务、资源发现服务等，实现资源共享服务。
文化信息网格体系结构如图1。
图1 文化信息网格体系结构图
文化信息网格是一个松散耦合的系统，它基于当前的Internet网络及将来的高速传输网络，为文化信息资源的共建共享提供了完整的网格服务平台。它对文化系统中的各种资源进行整合，屏蔽网格资源的异构性与动态性，为用户提供更可靠的、安全方便的透明网格服务，实现基于网格开发环境、通过网格门户而进行信息、资源、服务、安全的统一管理。文化信息网格管理平台逻辑功能设计如下：
图2 文化信息网格逻辑结构图
（1）网格门户：为网格应用提供基于Web的统一用户界面，用户通过服务门户选择服务应用、提交任务，并在任务执行结束后，通过网格浏览器得到可视化的结果。
（2）信息管理：负责收集网格系统各个节点的状态信息并做出相应的处理。
（3）统一管理：完成通用的网格服务功能。通过对服务、数据、作业、域管理等的服务抽象，统一实现网格服务的发布与运行。
（4）安全管理：这是网格运行环境的基础支撑系统。其保障网格中分布式资源有效、一致、安全地管理与共享，提供面向异构环境、跨自治域的安全系统集成框架及安全控制策略，包括用户认证、资源、服务授权、加密传输等。
2.3 文化信息网格的运行机制
2.3.1 网格服务运行环境
文化信息网格遵循OGSA开放网格服务体系和OGSI，网格服务的实现基于Globus Toolkit3。OGSA体系结构将网格中所有的软件、硬件、存储和网络等资源抽象于服务的形式，通过服务屏蔽资源之间的差异，为资源的共享和协同奠定基础；通过OGSI规范，对资源的生命周期管理、资源属性、通知机制、服务组和错误处理进行了明确的定义。
2.3.2 聚合目录的分层发现机制
依托于全国文化信息资源共建共享工程的成功实践，本人设计了层次化网格服务模型：即建立国家级网格中心节点，其下设立各省级信息中心分节点，再辐射至市（县）级基层节点，构建为树型的网格信息服务模型（见图3）。
图3 树型的文化信息网格模型
在树型网格系统中，网格节点的结构具有自相似性，所有网格节点的内部逻辑结构相同，实现从上至下的统一管理。父网格节点开发环境可调用子网格结点开发环境，各个网格节点的功能从树型结构的底层向上汇集，网格中心节点具有所有子网格的功能。不同的网格节点可通过统一的管理层进行相互调用，子网格完成各自系统功能，所有负载并不向上聚集。信息服务的调用只存在于上下级的网格节点之间，子网格与子网格之间通过父网格的信息交互完成。
采用层次模型的树型结构，通过国家级网格中心节点的全局控制，系统具有完整性与统一性；各个区域用户可优先使用本区域的资源，系统具有区域性；每层的网格节点可扩展自己的网格子节点，系统具有扩展性。
2.3.3 网格服务示例
在基于OGSA的网格服务中，服务请求者请求服务工厂构建服务实例，每一个服务实例都有惟一的一个GSH（Grid Services Handle，网格服务句柄），作为系统中的惟一标识。如果服务请求需要与服务进行通信，它就将GSH解析为一个GSR（Grid Service Reference，网格服务引用），然后用它与工厂创建的服务实例进行联系。当服务请求者想要销毁这个服务实例时，它可以显式地调用一个销毁操作，或是利用OGSI内置的基于生命期的垃圾回收机制来结束服务。以资源检索为例，实现网格服务过程如下：
图4 基于OGSA的网格服务示例
（1）工厂注册服务信息。在启动网格服务环境时，资源检索工厂就会向服务注册中心发布所有的检索服务接口和调用描述信息。
（2）服务请求者发现服务。服务请求者访问服务注册中心，查询是否有可用的资源检索服务，在得到确认后，通过工厂的网格服务句柄（GSH）与相应的资源检索工厂进行绑定。
（3）服务请求者向工厂请求创建实例。服务请求者将包含了资源检索服务实例的类型信息的具体请求，发送至资源检索工厂。
（4）工厂创建资源检索实例。工厂解析请求，根据创建的服务类型要求，查询工厂配置文件，找到这个服务类型所对应的操作提供者，再将其实例化后，载入到生成的资源检索服务实例中。
（5）工厂返回创建完成的资源检索服务句柄给服务请求者。工厂将此资源检索服务实例的网格服务句柄返回给服务请求者。
（6）服务请求者调用服务请求执行检索操作。服务请求者在收到资源检索服务实例的网格服务句柄后，向资源检索服务实例发出执行检索请求，并持续发出Keepalive消息保持存活，如果在执行过程中发生异常，服务请求者就会根据运行状态，终止运行或进行重新检索等。检索结束后，检索服务实例会即刻通知服务请求者，完成一次检索服务过程。
2.3.4 文化信息网格虚拟组织间的资源共享
在文化信息网格基层节点的基础服务中，用户接口可构造成一个Registry，一个或者多个Factory，一个HandleMap句柄映射服务。在此简单的运行环境中，每个Factory在Registry中记录，用于客户端发现可用的Factory。当一个Factory收到客户端要求创建网格服务实例的请求时，Factory就会激活相应的运行环境的接口来创建新的实例，并且赋给它一个句柄，使用Registry注册该实例。
对于跨越异构、地理分布的文化信息网格的高端全局服务，可构建为虚拟的网格运行环境。其中，创建一个或多个高级的Factory，用于代理创建低级的Factory请求；创建一个高级的Registry，记录高级的Factory和服务实例，定制虚拟组织的服务策略，从而管理虚拟组织的服务。客户端使用虚拟组织的Registry功能来发现Factory和其它虚拟组织相关的服务实例，然后使用Registry返回的句柄直接和服务实例进行交互，从而实现跨越异构平台的资源管理与共享。[4]
3 网格的发展方向
应用新一代的网格标准OGSA，可以实现对互联网上计算资源、存储资源等各种资源的共享。目前，一系列支持网格计算通信协议（如网格计算安全协议、网格计算传输协议、网格计算的信息获取协议等）、网格服务（如网格安全服务、网格信息服务、网格数据传输服务），以及Web服务资源框架（WSRF：Web Services Resource Framework）的发布与应用，为网格技术的应用拓展了广阔的空间，这将直接推动信息网格、知识网格的迅猛发展，使广泛的资源共享得以实施。