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【中图分类号】 G728【文献标识码】 A【文章编号】1009—458x(2006)03—0026—04
网格简介
随着网络技术和网络应用的发展，人们越来越希望能有一种无处不在的、基于网络的分布式、高性能的网络计算环境。在这个环境中，人们可以充分利用网络上已有的计算资源，高质量、低成本地协同完成大量关键性的计算任务和信息服务。
如在现代军事对抗的恶劣环境下，一个具有抗毁抗灾能力、具有时间约束特征的军事协防指挥系统应当是建立在地理位置分布、甚至是广域网环境上，需要具有动态、主动、自适应、实时、容错的网络计算平台的支持。再比如在生命技术领域，人类基因数据库和蛋白质数据库存放在世界各个不同国家和地区，为了方便全世界科学家能够共享这些信息和资源，需要构建一个基于全球人类基因数据的网络环境。
上述这些基于网络的应用，采用单个计算结点的超级计算机和超级服务器已经远远不能满足需求，完成相同事务处理的多个服务结点必须能够跨越Internet进行协同工作，以响应用户的请求。在目前解决资源聚合与共享的多种解决方案中，网格技术最为突出。
网格是借鉴电力网(Electric Power Grid)的概念提出来的[1]，它希望给最终使用者提供的是与地理位置无关、与具体的计算设施无关的通用的计算能力。网格就是采用新型技术通过高速网络连接并集成地理上分布的、异构的各种高性能计算机系统、软件系统、大型数据存储系统、数字化仪器设备、控制系统以及各种网络资源，使之联为一体，并将它们转化成一种随处可得的、可靠的、标准的、同时还是经济的计算能力，实现跨地域的、分布式的高性能联合、协同计算，为用户提供一体化的高性能计算服务、信息处理服务和决策支持服务，充分发挥网络资源的综合效能。简而言之，网格就是一个集成的计算与资源环境，或者说是一个计算资源池[2]。网格的意义，就如同互联网改变了人们传统的通信方式和通信手段一样，它将改变人们传统的计算方式和计算手段，网格技术将为人们提供更强大、更方便、更高级的问题求解手段。
根据待解决问题的特点，人们又提出了多种名称的网格，比如以数据密集型问题的处理为核心的数据网格，以全球地球系统模型问题求解为主要目的的地球系统网格，以解决教育资源共享和分布式教学模式为目的的教育网格等等。此外还有地震网格、军事网格、生物网格、气象流图网格等行业网格。
网格的主要技术特征和国内外研究现状
网格问题是以分布为基础的，广泛、方便、灵活，可以支持大规模、大粒度、大范围的资源共享问题。网格概念是由实际应用中的、具体的网格问题驱动的，为解决这些网格问题而出现的技术就是网格技术。网格技术按其所处的不同层次可分为网格应用技术、网格编程技术、网格核心管理技术以及网格底层支持技术。对于网格提供的计算能力，有四个基本的要求，它们分别是可靠性要求、标准化要求、易访问性要求和价格低廉的要求[3]。
网格的可靠性要求是指网格提供的计算能力必须保证是持续、稳定和安全的，不应该因为网格内部个别资源的变化而对网格应用造成影响。网格还应该满足各种形式的安全要求，比如数据传输的加密、权限的认证、避免非法入侵和非法使用等。标准化要求一方面是指网格资源之间应该有一个统一的可以相互访问的接口或者协议标准，另外一个含义是指网格对用户提供的计算能力应该满足一定的标准，有一种比较统一的形式，从而便于以一种统一的方式进行访问。易访问性要求是指用户可以在任何时间、任何地点，以自己习惯的统一的形式访问和使用各种网格资源。价格低廉性要求是网格能够被普遍接受和推广的前提，不管网格有多少优点，如果大多数的使用者无法承受其费用，网格就不可能被普及，它的各种优势也就根本无法得到体现。另外网格还具有分布性、自相似性、动态多样性(不可预测性)以及管理的多重性等多个方面的特点。
网格的发展到目前为止基本上可以划分为以下几个阶段[4]：
·萌芽阶段：在20世纪90年代早期，主要是千兆网的测试床以及一些元计算的实验。
·早期实验阶段：在20世纪90年代中期到晚期，比如I-WAY项目，还包括一些学术性的软件项目，比如Globus、Legion，还有一些应用实验。
·迅速发展阶段：2002年以来，出现了大量的应用社团和项目，主要基础设施的开发和使用，工业界对网格计算的兴趣不断增长，同时也出现了一些比较显著的技术基础，如Globus Toolkit，形成了一些具有相当规模和世界影响的学术组织。
目前，网格的研究主要在美国和欧洲。美国自然科学基金会于1997年底开始的高级计算框架计划PACI(Partnership for Advanced Computational Infrastructure)[5]，在美国建立遍及全国的计算网格，支持重大科学与工程计算，其研究重点是网格资源共享，为用户提供桌面上的虚拟高性能计算环境。Globus和Legion是目前网格领域中两个比较著名的、通用目的的网格技术研究项目。
网格在欧洲被看作是提升科研、工业以及商业竞争力的重要手段，是eEurope行动计划的核心主题，已经启动的具有重要意义的项目包括EUROGRID、DATAGRID等，与美国目前强调计算和数据网格有所不同，欧洲强调信息和知识网格，在美国网格技术基础之上强调应用。
在我国，网格技术研究与应用也正处于快速发展时期。由国内12所高校联合承担的中国教育科研网格(ChinaGrid)项目一期工程已经正式启动，其目标是建立聚合能力超过15万亿次量级的教育科研网格，形成世界上最大的超级网格之一，并争取在网格计算的基础研究和应用研究方面走在世界前列。另外还有由中科院牵头的NHPCE(National High Performance Computing Environment)等网格项目。
不难看出，目前国内外在网格计算方面的研究十分活跃，研究范围跨度很大。目前呈现这样的趋势：一是网格计算标准化的呼声越来越高，目的就是为了规范和统一现在大量的网格计算研究，Globus在一定程度上成为事实上的标准；二是专用网格的研究与开发成为一个重要的方向，因为网格是面向具体应用的，而专用网格在这一方面具有独特的优势，可以为通用网格技术提出最直接最具体的需求；三是开放的面向Web Service的框架结构和与工商业界应用的结合是网格技术研究的一个重要趋势，原来的网格计算主要集中在科学计算等学术领域，而目前正在走向实用并与市场结合，直接服务于生产和各种商业活动。
教育技术的发展历程和现代远程教育的现状
在此我们对教育技术的历史作一简要回顾。认识到教育的重要性并不是现代人的专利，可以说古今中外的人早就认识到教育的重要性，因此每一种划时代技术的出现都有人想方设法把它同教育结合起来。总的来说对教育影响最大的到目前为止有声(录音机、收音机等)、光(投影仪、幻灯机等)、电、磁、计算机与网络(传输与存储)技术，根据前四种技术而产生的设备大多由教师使用，在此种情况下学生只是被动接收教师传授的知识，实践表明这种以“教师为中心”的教育模式其效果是比较低下的，无助于培养学生的自主能力、合作素质，因此在教育领域曾经掀起一阵对以“学生为中心、教师起辅助作用”的教学模式的探讨，当时教育领域的建构主义对此种模式起到很大的支持作用，但是在实践中如何做到“以学生为中心、教师起辅助作用”就成了教育技术领域苦苦探索的问题。
计算机与网络技术的出现为实现“以学生为中心、教师起辅助作用”的教学模式提供了可能，以前利用投影仪、幻灯机、电影、收音机、录音机的教学形式逐步全部被多媒体PC所取代；再后来就是局域网(LAN)与广域网(WAN)技术的出现，计算机与网络技术同教育领域的结合更是遍地开花，并产生了很多新的教育形式，如虚拟大学、虚拟图书馆等等，再加上教育界关于素质教育的追求，而LAN与WAN技术能更好地进行个性化教学，有助于形成自主性、合作式、研究性学习形式，教育技术的研究重点也从教的技术转向学的技术。
现代远程教育系统是通过互联网络、卫星传输系统、有线电视传输体系以及其他多媒体手段所进行的实时或非实时的教学活动，使教师和学生能够跨越空间地进行实时或非实时的交互，有利于实现互动式的教学机制；教学资源的非线性结构，使学生能够根据自己的基础条件、学习目标、个性特征和学习需要自主安排学习时间和地点，自由选择学习内容，自行安排学习计划，随时提出学习中的问题并能及时地得到解答，因而能充分体现“以人为本”的教育思想；超越时间和空间的限制，丰富多样的教学资源，能为更多的人提供受教育机会，这也是现代远程教育的目标和方向。实施现代远程教育的最终目标是构建面向社会、面向大众的终身教育体系。
在美、英、日等发达国家，现代远程教育均得到相当程度的重视和发展，利用互联网开展网上教学正呈现出快速发展的态势。我国从1998年开始陆续在一些高校试办现代远程教育，2000年教育部正式批准清华大学等31所高校作为首批远程教育试点院校。目前国内采用的模式主要有三种：基于电信网的视频会议方式、基于卫星的广播电视方式、基于Internet方式。实践经验表明，利用Internet方式是最好、最理想的方式。
基于Internet的现代远程教育，改变了传统的同时、同地、同进度的课堂式教学模式，学生可以通过上网随时随地按照自己的进度安排学习计划，完全不受时间、地点、个人水平等条件限制，学生可以增强自治力，逐渐形成一个“自我安排进度、专家和优秀教师指导、时间和空间独立的学习环境”，是现代远程教育的理想模式，同时也是对全日制在校生课堂教学的一种有益补充。因此利用网络进行教学活动和发展基于Internet的现代远程教育是大势所趋，也是校园网建设的重要内容。
网格技术给现代远程教育带来的影响
现代远程(网络)教育自身的教、学分离等特点决定了视频课程点播是最适合、最受欢迎、也是最主要的教学方式，视频课程既反映了大多数学生在大多数情况下所熟悉的那一种学习方式(即看和听)，还带来了自由点播的时间灵活性，而暂停、跳进等简单功能也给了学生一定的控制手段来适应自己的情况。因此现代远程教育的关键是视频课程以及其他形式的多媒体教学资源建设与共享的使用。
尽管流媒体技术与VRML技术的出现，可以较好地解决较长时间的声音或视频内容的连续播放，画面质量也可按网络带宽达到不同的等级。但由于视频点播服务器通常是集中式管理，而学生数量的不断增长和多媒体教学资源的日益丰富所带来的急剧增加的并发访问量使得视频点播服务器和网络带宽难以承受，因此在我国现已开展的远程教育中往往是将多媒体教学资源复制到一台本地服务器上，学生通过本地局域网进行学习。这显然影响了教学资源的及时更新，增加了维护成本，可以说并没有实现真正意义上的基于Internet的远程教育。
而网格计算技术进入教育领域以后，这一切都会大大改变。正如我们前面所述，网格技术所要解决的主要问题就是大规模、大粒度、大范围的资源共享问题。网格本质上是对大规模分布资源进行管理的实现，这里所说的资源共享与以往所说的共享有很大不同，更具目的性，它已经不再是简单的资源互连和单一使用，而是通过互连、组合、协作解决用户需要解决的问题，产生具有附加值的新服务、数据、信息等资源，满足用户的新需求。
在网格环境中，教学资源已经不再按照学校划分，而是集各校所长于一体。学习者不必考虑所学习的是哪一个大学的资源，也不必要考虑属于哪一个大学，他所得到的是经过网格严格筛选的最优质的教育资源。在网格环境中开展学习，学习资源的定位将会极为准确。教师可以根据学生独特的特点提供资源，而学生则能够非常容易便捷地得到自己需要的与他人不同的学习内容，而且这些资源都是最直接地以最适当的方式传达给最适当的学生的。另一方面，网格所具有的大规模快速计算能力，也为网络远程教育提供了制作模拟实验课件的技术基础。这将大大加强学习的实践性，从而使网络远程教育在实验课程方面上一个新的台阶。
网格环境中的资源是分布的、异构的、动态的、由不同的组织或个人所拥有，每个拥有者都有各自的资源管理策略和不同的访问代价模型，因此管理网格资源是很复杂的，而资源发现、资源调度和分配是目前网格研究的重点问题。网格系统本质上是一种基础设施，它允许位置无关的资源和服务获取，这些资源和服务是由地理上分布的机器和网络提供的，支持这种位置无关计算的一个基本操作就是资源发现。为了完成用户提交的任务和满足用户提出的要求，把网格中所有可用资源(计算资源、存储资源和网络资源)进行匹配，找到最好最合理的资源分配方式和资源调度策略。
此外网格资源共享必须要解决的问题包括：互联网的数据传输能力不足的问题，人机通信问题，网格资源共享中的知识产权问题以及网格计算的安全性问题。
不难看出，网格技术研究的上述问题恰好与利用Internet模式开展网上学习和远程教育需要丰富的教学资源作为支撑的需要相吻合，网格技术的研究与应用能够加速低成本、模块化的服务器和存储器实现标准化，将已知的教学资源数据库整合为更大、更快的集群化数据中心，从而给现代远程教育带来巨大的推动。目前国内一些有关网格技术和网络教学相结合的研究正在积极进行。
由清华大学、华南师范大学、中央广播电视大学等单位合作完成的国家自然科学基金项目“数字化学习网格支撑环境与关键技术研究”，以全球最大的远程教育体系——中央广播电视大学系统作为应用背景，研究远程教育网格支撑环境与关键技术，已经在网格体系结构、网格中间件技术以及基于网格计算环境的资源共享与协同工作平台研究等方面开展了开拓性的工作，在国内外率先将网格计算技术应用于远程学习评价研究，其成果直接服务于国家远程教育的学习评价网格(LAGrid)。
由北京大学李晓明教授牵头组织的“大学课程在线”网格应用项目就是基于CERNET优秀的网络基础设施，实现全国范围内各个高校教育资源的共享。目前已提供了15所著名高校的近3000个小时的优秀课程视频，成为了全国规模最大的公益性大学课程视频网络服务。该项目通过视频资源的透明访问、视频资源的按需流动、视频资源的自动备份和点播服务器的最优选择等网格技术的研究与运用，构建一个大规模的视频点播平台，整个流媒体服务分布在CERNET上的多个网格节点，而不是集中在某一个超级服务器上。系统根据课程点播者的位置，确定哪一台服务器当时能够最好的为他服务，为他建立相应的连接。课程视频资源按照一种优化设计的方式，在服务器之间自动地备份、复制和流动，目前能支持的并发流已经可以上千。随着这种分布式流媒体服务系统规模的扩大，能支持的用户数将会成比例增加。
近几年来，网格作为一种建立在互联网之上的新一代基础设施，越来越受到国内外学术界和工业界的重视，被视为继Internet和Web之后的第三次信息技术浪潮。多年以来，教育信息化建设中一个老大难问题就是各校重复建设的情况还比较严重，资源利用率也很不平衡。通过本文的介绍和分析不难看出，网格技术的自身特征和研究方向非常符合现代远程教育对于大规模教学资源建设与共享的需求，将网格技术的研究与其在现代远程教育方面的应用相结合，对于构建的大规模远程教育平台，避免重复建设，降低教育信息化的成本，推进教育信息化的发展，将具有深远的社会意义。