校园网格系统设计方案

随着教育信息化的深入和因特网的发展，校园网上的教学资源越来越丰富，而网络资源也呈几何级数增长。而校园网络中心或计算中心对各院系的现有资源缺乏有效的整合和管理。使得各种单一资源利用率相对较低，很难实现校园网内的资源充分共享与协同工作。

网格的出现为实现网络资源共享提供了技术支持。网格是一种将地理上分布的、异构的计算及存储资源和设备通过高速网络连接起来。形成高性能的计算环境，从而实现广泛资源共享的新技术。校园网格与一般的计算网格、信息网格不同，其资源提供者是各院系、部的各类资源，包括集群、数据库、高性能计算机、个人PC机、存储设备等。用户一般是学校的教职员工和学生。他们通过校园网格共享计算、信息、存储、专家、数据、教学等资源。因此，网格技术在校园网中的应用使得校园网的资源能够在更大范围内共享，极大地改变现有校园网的应用现状。

1 网格技术简介

1.1 数据网格

数据网格是一种面向大型分布式数据存储和处理的网格，它将全球范围内分布的、异构的存储和数据资源通过高性能网络连接起来，并提供相关机制使用户能够透明地访问和处理大型分布式数据集。数据网格研究聚集于大型分布式数据的存储和管理、传输、数据访问的优化、数据可靠性与可获取性，以及计算资源的调度等。数据网格的主要目标就是为分布式的数据密集型的应用程序提供服务以及基础设施，因此数据网格必须提供一组安全的高性能的协议用来保证大型数据集的传输，以及确保数据能够根据用户的需要在全网范围内复制、分发。

1.2 元数据

元数据是描述数据的数据，是关于数据的结构化数据。它用于描述数据的内容、覆盖范围、质量、管理方式、数据的所有者、数据的提供方式等信息，是数据与数据用户之间的桥梁。

2 校园网格设计

2.1 设计目标

随着校园网络资源的快速增长，校园网络内形成了越来越多的信息孤岛。一方面是用户对网络资源的需求，而另一方面大量网络资源不能得到有效的使用。校园数据网格系统就是为了解决此矛盾而提出来的。它可以很好地实现异构数据的统一访问和数据共享，充分利用网络的存储资源，为科学研究和协同学习提供一个广阔的资源平台。校园数据网格系统主要实现目标如下：1)统一、透明的访问接口：校园数据网格系统为用户提供一个一致的、方便的访问资源方法；2)为用户提供高效的数据访问：使用复制技术在网格系统中产生多个数据副本，以平衡系统负载，提高数据访问的响应时间和系统的容错性；3)统一的资源命名：采用全局统一的命名机制来访问和操作数据，给用户提供一个全局统一视图，方便用户对资源的管理和操作；4)资源定位的透明性：系统通过副本目录元信息和存储资源代理来完成资源的定位以及对资源的操作；5)灵活性和容错性：系统采用局部自治，全局协调的结构；6)安全性：通过有效的安全机制保障系统的数据安全。

2.2 校园数据网格系统的结构设计

校园数据网格系统是基于校园网的现有资源构建的，该系统具有分布式、层次式的体系结构，既避免了集中式管理带来的系统瓶颈问题，也有效解决了对于资源的统一管理问题。如图1所示，该系统主要由2部分构成：元信息管理和存储资源代理。元信息管理主要为系统功能的实现提供元信息支持。存储资源代理主要完成数据的访问和操作。在系统的每个自治内部署存储资源代理以实现自治域系统的功能。用户可以通过存储资源代理透明的访问各种资源而不必关心底层的物理操作。通过存储资源代理和元信息管理为用户提供一个统一、透明的访问方式，实现所需功能。用户请求存储资源代理，通过存储资源代理和元信息管理的交互获取所需元信息，并调度到合适的资源来实现访问、修改以及数据传输等操作。

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校园数据网格系统的功能主要分为3部分：元信息管理、数据管理和安全管理。如表l所示。

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1)元信息管理用户元信息管理、数据元信息管理和副本元信息管理。用户元信息管理：负责管理网格用户的相关信息，实现对用户的统一管理和控制。数据元信息管理：负责管理数据网格系统中的各种资源，为用户提供一个统一的逻辑视图。副本元信息管理：负责管理数据网格系统中的所有副本，为副本的创建、选择与定位以及副本的一致性管理提供支持。

2)数据管理 数据访问的调度、数据传输和数据复制。数据访问的调度：负责应答用户的访问请求，并根据用户的请求执行相应的操作。数据传输：负责完成相应节点之间数据安全、高效地传输。数据复制：负责完成数据网格系统中的数据复制操作，产生相应的数据副本。

3)安全管理 分别完成对数据网格系统中用户的身份和资源的认证，并为符合条件的用户或资源授予一定的访问权限。

2.3 校园网格框架模型及访问过程

2.3.1 校园网格框架模型

服务网格的最大特点就是把一切资源包装成服务，其核心问题就是如何生成服务，并最终提供给所需用户。根据开放网格体系结构(OGSA)思想，文献设计了服务网格框架，如图2所示。

1)资源池 包括系统的所有资源(动态变化)，资源可以根据类型划分成多个组。

2)网格核心中间件WSRF 实现与资源池和服务池的双向通讯，通过网格核心中间件Web服务资源框架(WS-Re-source Framework，WSRF)，资源可以被包装成服务或者将服务部署到相应的资源上。

3)服务池 包括所有虚拟服务，根据服务的类别可以把整个网格系统中的服务分类归并成多个虚拟服务，具有相同访问接口的服务属于同一虚拟服务。

4)虚拟组织VO 用户或应用完成一次访问是通过服务池选择匹配(能满足用户条件的服务并构建一个虚拟组织)来实现的，虚拟组织为服务提供者或服务消费者(用户或应用)提供一个“临时”的市场，通过服务协商的方式建立服务消费者和服务提供者之间的供求关系。一个虚拟组织的表示通常应包含服务参与者集合、多个参与者之间上下文集合、多个政策规则组成的集合。

2.3.2 服务访问过程

由多个用户和服务参与的网格系统上的一次活动即服务过程(见图2)，描述如下：

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1)服务发布 服务注册到中介者或目录服务系统。

2)服务发现 服务发现是根据服务查询的结果决定发现目标。用户或应用通过目录服务系统查询服务，包括虚拟服务，真实服务；如果没有合适的服务能从所需要的虚拟服务组中选出，则某一资源将被选出，用来部署该类服务，以使得其功能满足用户请求的需求；如果没有资源可被选择，则用户请求不能被完成，用户请求的状态被设置成失败。

3)服务绑定 服务池中的服务能满足用户请求的各个功能需求，用户则基于双方的协议和政策与选择服务的提供者进行协商；当对所有需要的服务协商成功，并且基于这些服务的组合服务能满足用户的功能需求，那么虚拟组织就被创建，用户通过虚拟组织与服务提供者签订合同，并通过合同与组合服务绑定。

4)选择备份服务 当一个服务失败或者不能满足用户服务质量需求时，一个服务失败事件就会触发，如果服务被恢复而且不违反服务质量协议，虚拟组织活动就照常进行；否则在同一虚拟服务中的备份服务将被选择。备份服务必须为该用户提供访问权限并满足该请求的服务质量需求。如果这种备份服务找不到，则用户请求不能满足，其状态被设置成失败，虚拟组织也被撤销，活动失败。如果活动正常完成，关于活动正常结束的事件被触发，虚拟组织的管理者获取该事件后，撤销该虚拟组织，活动顺利执行完成。

3 结束语

针对校园网格资源多、差别大、范围广的特点，设计了面向服务的层次式系统架构及服务访问模型。在此层次模型中，把物理资源包装成服务，并归类为虚拟服务，使得网格服务具有更好的抽象性并具有统一接口。在此模型中，目录服务是关键，它把服务提供者信息提供给服务消费者，服务提供者和服务消费者(用户和应用)通过虚拟组织提供的“临时”市场，以服务协商的方式建立两者之间的供求关系。