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网格元数据服务中语义元数据的生成和动态管理设计与实现.pdf
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网格元数据服务中语义元数据的生成和动态管理
网格元数据服务中
语义元数据的生成和动态管理
Semantic Metadata Generation and Dynamic Management
In Grid Metadata Service
摘 要
现代科学活动对分布式、跨地域的协同计算和资源共享的迫切需求促进了网格计算的迅
速发展。作为资源与服务的集成的环境,网格计算的核心目标是在分布式、异构性的环境中,
通过共享资源和服务来协同解决科学、工程中的复杂问题。要实现这一目标,必须具备两个
先决条件:
现代科学活动所使用的资源具有多样化、跨管理域、跨地域的特点,需要标准化、
简单、可扩展的描述机制;
现代科学协作所使用的大量资源和对海量数据的实时处理,需要网格资源管理具有
有效发现、选择的方法和同步、动态更新的机制。
因此可见,资源构成了整个网格体系结构的核心。因为,只有对资源的抽象特征进行有
效的描述,才能根据应用层服务的需求发现资源,并达到资源的共享。元数据以及在此基础
上所提供的共享、发现、动态更新等元数据服务也由此成为了解决问题的关键。本文将围绕
上述两个问题展开研究。
本人在网格语义元数据服务项目的背景下,针对语义元数据可扩展描述机制和动态元数
据管理方面的不足,设计并实现了动态元数据管理框架和语义元数据生成模块两个子系统。
原型系统中的工作主要体现在以下两个方面:
针对网格监控体系中对动态的语义元数据进行发布的需求,参照数字图书馆领域中
OAI-PMH 元数据发布-收割原理,设计了针对语义元数据的元数据发布-收割协
议,并在此基础上实现了动态语义元数据管理框架子系统;
参照 Ontology 生成工具 Protégé,为网格中基于语义元数据的资源描述提供扩展性
支持,利用 Jena 推理机实现了基本包含 OWL 语言中所有关系谓词的语义元数据
生成模块。
最后,本文对系统进行了总结和可扩展性分析,并围绕功能模块的 Web 服务化、个性
化的检索需求等几个方面展望了未来的工作。
1
网格元数据服务中语义元数据的生成和动态管理
关键词:元数据服务 语义网 网格监控体系结构 OAI-PMH Ontology
Semantic Metadata Generation and Dynamic Management
In Grid Metadata Service
Abstract
The imperative demand on scientific distributed processing, cross-domain cooperative
computing and resources sharing has greatly accelerated the development of Grid Computing.
Grid Computing is an integrated environment of resource and service. Its major objective is to
solve the complex scientific and engineering problems by sharing resource and services under a
distributed and heterogeneous environment. To achieve this goal, two prerequisites are required:
The cross-domain resource used in modern scientific activities is characterized by its
diversity, so a simple, standard and extensible description mechanism is required.
In modern scientific cooperation, massive data and resource are processed in real-time.
Thus an effective retrieval method and dynamic, synchronous update mechanism is on
demand in resource management.
Under such environment, resource turns into the core of the whole grid architecture. It is only
by effective description of resource that the above goals could be achieved. Metadata and
metadata service has consequently become the key to solve the above two problems. And that is
the research background of the thesis.
As part of the Semantic Metadata Service Project of Peking University, the thesis solved the
problems of dynamic metadata management and extensible resource description by designing and
implementing two sub-systems: dynamic metadata management framework and semantic
metadata generation module. These prototype systems includes the following main facets:
To meet the need of metadata publishing in Grid Monitoring Architecture, the thesis
2
网格元数据服务中语义元数据的生成和动态管理
designed a new semantic metadata publish-harvest protocol by modifying the OAI-PMH
metadata harvest framework. A new dynamic semantic metadata management system is
then developed according to the above protocol.
By referring the Ontology generator Proté gé, the thesis made an extensible support to
semantic description of resources by implementing a semantic metadata generation
module. The module includes almost all the relational verbs in OWL language and is
implemented with the Jena reasoning machine.
At the end, the thesis makes the conclusion and analysis of the expansibility of the system
and overviews the future work of the system in Web Service and personalized information
retrieval.
Key Words: Metadata Service, Semantic Web, Gird Monitoring Architecture, OAI-PMH,
Ontology
目 录
摘 要 ..............................................................................................................................................1
Abstract.............................................................................................................................................2
1 绪论.............................................................................................................................................5
1.1 研究背景..........................................................................................................................5
1.2 项目背景..........................................................................................................................6
1.3 相关领域的研究现状......................................................................................................6
1.4 本人的工作......................................................................................................................7
2 网格语义元数据服务系统概述.................................................................................................8
2.1 系统架构..........................................................................................................................8
2.2 子系统的设计特色和要点..............................................................................................9
2.2.1 动态元数据管理框架...........................................................................................9
2.2.2 语义元数据生成模块.........................................................................................11
3 动态元数据管理框架的设计和实现.......................................................................................12
3.1 基于网格监控体系结构 GMA 的系统设计.................................................................12
3.2 基于 OAI-PMH 的元数据互操作框架.........................................................................13
3.2.1 OAI-PMH 元数据发布-收割原理...................................................................13
3.2.2 语义元数据发布-收割的协议设计.................................................................14
3.3 动态元数据管理框架....................................................................................................17
3.3.1 语义元数据发布的设计与实现.........................................................................17
3.3.2 元数据服务提供者的设计与实现.....................................................................20
3.3.3 增值服务例析.....................................................................................................22
4 语义元数据生成模块的设计和实现.......................................................................................23
4.1 基于语义元数据的资源描述模型................................................................................23
4.2 语义元数据生成模块的设计........................................................................................23
4.2.1 Ontology 生成工具 Protégé 简介.......................................................................23
3
网格元数据服务中语义元数据的生成和动态管理
4.2.2 模块功能设计.....................................................................................................24
4.3 语义元数据生成模块的实现........................................................................................25
4.3.1 利用 Jena 推理机生成 Ontology........................................................................25
4.3.2 系统执行流程和界面演示.................................................................................28
5 总结和展望...............................................................................................................................29
5.1 总结................................................................................................................................29
5.2 工作展望........................................................................................................................29
致谢 ................................................................................................................错误!未定义书签。
参考文献.........................................................................................................................................31
图表目录
图 1 网格语义元数据服务系统的总体结构........................................................................8
图 2 网格监控体系结构........................................................................................................9
图 3 OAI 元数据互操作框架..............................................................................................10
图 4 动态元数据管理系统框架..........................................................................................13
图 5 OAI-PMH 协议框架图................................................................................................14
图 6 GMA-PMH 的协议框架 .............................................................................................15
图 7 语义元数据发布子系统框架图..................................................................................18
图 8 语义元数据发布子系统时序图..................................................................................19
图 9 语义元数据发布子系统请求页面..............................................................................19
图 10 语义元数据发布子系统响应页面............................................................................20
图 11 元数据服务提供者子系统框架图............................................................................20
图 12 资源提供者的基本信息表项....................................................................................21
图 13 元数据格式文件信息表项........................................................................................21
图 14 元数据文件信息表项................................................................................................21
图 15 元数据服务提供者子系统时序图............................................................................22
图 16 元数据服务提供者检索页面....................................................................................22
图 17 Protégé 图形用户界面...............................................................................................24
图 18 语义元数据生成模块类图........................................................................................25
图 19 Jena 推理机工作模型................................................................................................26
图 20 语义元数据生成模块框架图....................................................................................27
图 21 语义元数据生成模块时序图....................................................................................27
图 22 语义元数据生成模块中添加类的表单....................................................................28
图 23 语义元数据生成模块的结果显示页面....................................................................28
4
网格元数据服务中语义元数据的生成和动态管理
1 绪论
1.1 研究背景
随着全球范围内互联网基础设施和应用的迅速普及,分布式、跨地域的协同计算和资源
共享成为现代科学活动的迫切需求,网格计算
1
(Grid Computing)由此应运而生。从概念
上讲,网格是一种资源与服务的集成的环境。网格计算的核心目标是在分布式、异构性的环
境中,通过共享资源和服务来协同解决科学、工程中的复杂问题。要实现这一目标,必须具
备两个先决条件:
现代科学活动所使用的资源具有多样化、跨管理域、跨地域的特点,需要标准化、
简单、可扩展的描述机制;
现代科学协作所使用的大量资源和对海量数据的实时处理,需要网格资源管理具有
有效发现、选择的方法和同步、动态更新的机制。
因此,资源层构成了整个网格体系结构的核心。因为,只有对资源的抽象特征进行有效
的描述,才能根据应用层服务的需求发现资源,并达到资源的共享。元数据
2
(即描述数据
3
的数据)以及在元数据描述的基础上所提供的共享、发现、动态更新等元数据服务(Metadata
Service)也由此成为了解决问题的关键。
与此同时,对数据资源的语义信息的描述和智能检索方面的研究推动了语义网
4
(Semantic Web)领域的蓬勃发展。国际化标准组织World Wide Consortium(W3C)在简述
语义网的核心理念时指出,语义网是当前网络在信息内容有效表达方面的延伸,数据语义信
息的有效表达和概念之间相互关系的建立将促进有效的智能检索和自动知识整合的实现。
由此可见,支持语义的元数据服务框架将成为通用元数据服务发展的必然趋势,它充分
利用描述概念间语义关系的实体模型 Ontology,将传统网格信息服务中元数据的表示提升到
知识层次,为实现资源和服务的有效描述和充分共享奠定了坚实的语义描述基础。
5
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