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制造网格门户的设计与实现
摘要：制造网格系统本身比较复杂，在使用传统的用户界面应时，需要进行复杂的配置、记住各种服务命令和编程接口。研究制造网格门户的目的就是为了给制造资源的共享者提供一个友好的界面。详细地介绍了制造网格门户体系结构，并给出了制造网格门户中的用户管理、Portlet中间件、Web Service服务器和LDAP制造信息管理服务器的设计与实现。通过制造网格门户，用户能够以基于Web浏览器的方式安全地访问制造网格中的资源，提交用户自己的各种制造作业并查看作业的运行结果。
关键词：制造网格 网格门户 Portlet中间件 Web服务
1 引言
制造网格基于网格和先进的计算机与信息技术，将分散在不同制造企业中的设计、制造、管理、信息、技术、智力和软件资源通过封装和集成，屏蔽资源的异构性和地理分布性，以透明的方式为用户提供各类制造服务[1]。
然而，制造网格系统本身比较复杂，执行某些任务需要复杂的配置，需要记住各种服务命令和编程接口。制造用户非常讨厌在一个单一的网格应用中还需要根据界面、操作系统和网格工具的不同去访问不同的制造资源。在用户共享制造网格上的制造资源时，传统的基于Web的用户界面需要借助第3方的插件，并且无法实现用户的单点登陆[2]。
研究制造网格门户的目的就是为了给制造资源的共享者提供一个友好的界面，通过这个界面，用户能够方便的对制造网格资源进行共享，对制造作业进行管理、提交、调度、监控等功能，隐藏了制造网格底层的复杂操作，呈现给用户一个直观统一的制造网格资源视图，让用户正确地共享和使用制造资源。同时，制造网格门户对于开发和管理安全门户提供了完整的、点到点的安全架构。
2 制造网格门户体系结构
在制造网格中，制造网格门户能够整合不同的网格服务，并为使用者提供单点登陆、个性化设计和内容聚合等服务，是访问所有制造网格服务的接入点。用户通过Web 浏览器访问制造网格门户，网格门户向上直接地访问制造网格服务，或间接的通过网格中间件与各种网格服务交互。制造网格门户的体系结构如图1所示。

图1 制造网格门户的体系结构
在图1中，用户通过Web浏览器，经过My proxy服务器的安全认证与授权后，利用Portlet网格中间件，通过基于JSP的Web服务器，可以查询、搜索各种制造资源，提交、运行和管理各种制造作业，制造作业运行的结果或错误信息也可以通过Web浏览器页面反馈给用户。其中，制造资源信息管理采用LDAP（Lightweight Directory Access Protocol）协议。Portlet是一种网格应用程序，或者叫中间件。Portlet是同平台无关的java 类，能够装载进并且运行在Web 服务器上。同Servlet 不同的是，Servlet 通常直接同Web 浏览器打进行交互，而Portlet则是间接的通过制造网格门户与用户浏览器打交道。从用户的角度来说， 一个网格门户页面包括一个或多个Portlet 窗口，用户接口由多个Portlet组成，每个Portlet提供了到一个特定服务的访问或者到一批服务的访问等。
3 制造网格门户的设计
3.1 用户管理
在制造网格环境中，用户要想访问网格中的制造资源，必须获得该资源相应的授权，制造网格门户的用户管理也应是围绕此进行。如图1所示，用户的安全管理是通过My proxy服务器来实现的。现有的网格开发环境，如Globus Toolkits[3]，并没有完全与网格安全系统融合在一起，而My proxy正是为了弥补这一缺陷而设计的。My proxy可以把生成的临时代理保存在My proxy服务器上，并通过系统定义的规则或者用户名/密码来进行保护。这样登陆的用户不用在每台机器上都保留其数字证书或代理。同时当用户需要再次访问网格时，只需要从My proxy 服务器上取回这个临时代理，利用它就可以进行访问制造资源，这样就实现了所谓的单点登陆。
用户通过Web 浏览器使用用户名/密码登录网格门户后，网格门户就扮演用户代理的角色与网格资源进行安全交互，因此门户服务器必须获取用户的代理证书。通常用户先将代理证书提交到My proxy服务器，门户服务器根据用户登录时提供的用户名和密码从My proxy服务器中索取用户的代理证书，并且在用户的整个会话期内持有代理证书。My proxy服务器上用户的鉴别和授权过程如图2所示。

图2用户的鉴别和授权过程
3.2 Portlet中间件
在制造网格门户设计中，把用户通过Web浏览器所提交的网格服务请求整合到Portlet中间件中，可以根据用户的不同时间、不同角色或者不同环境下的需求来选择和组合相应的服务，只需要简单的添加或删除相关的Portlet组件即可。Portlet组件采用标准的接口与由WSDL描述的网格服务相交互。在OGSA客户端和网格服务之间的交互采用SOAP、HTTP、Java PRC 等标准协议[4]。
如图1所示，在制造网格门户体系中，需要设计多个Portlet。比如，用户登陆Portlet、资源信息Portlet、资源浏览Portlet、在线用户Portlet、用户管理Portlet、作业调度Portlet等。用户通过浏览器访问网格门户，根据个人的需要选择不同的服务Portlet，从而组合成一个适合于自己的制造资源服务，如图3所示。

图3 Portlet中间件
在具体实现时，使用GDPK开发工具包来进行网格Portlet组件的具体设计。GDPK开发工具包采用的是常用的MVC（Model、View、Controller）设计模式[5]，将网格Portlet组件分为3层，即把网格门户的输入、处理和输出流程按照模式层、视图层和控制层的方式进行分离。其中，模式层由各种定制的Java Beans所组成的服务组成，处理事务逻辑的模块，从外界的数据资源获得数据然后把数据写入显示Java Beans；视图层负责页面显示，负责把模式层处理结果显示给用户，主要实现数据到页面转换过程；控制层负责接受来自客户端Web浏览器的请求，并根据请求的类型把数据传递给模式层进行处理，把处理结果的数据传递给视图层。
3.3 Web Service服务器
如图1所示，经过My proxy服务器认证和授权后，制造网格门户中的各种服务在用户以Web浏览器的方式提交给Portlet组件，各种服务由Web服务器来实现的。Web服务器基于JSP Servelts技术，是一个通用的平台无关、语言无关的服务器平台，各种不同的应用依靠这个服务器平台来实施彼此的连接和集成，制造资源信息可以被自由的部署在 Internet上。Web服务器采用Web Service技术，Web Service技术解决制造网格研究所面临的应用集成、资源共享、系统互操作和标准化等问题[6]。Web Service服务器的结构本身又分为4层：网络协议层、交互层、服务描述层和服务发现层，如图4所示。

图4 Web Service服务器结构
（1）网络协议层。该层基于传统的TCP/IP协议，架构于Internet基础设施之上。在任何给定的情况下使用的网络协议都依赖于应用程序需求。
（2）交互层。交互层的功能是提供服务调用过程中，服务使用者和服务提供者之间进行消息交互所遵循的协议标准。在Web Service服务器中，采用SOAP协议规范。SOAP 是在 XML基础上定义的，完全集成了 XML 的开放性和描述可扩展性。SOAP 使用现有基于 TCP/IP 的应用层协议 HTTP、SMTP、POP3 等，可以获得与现有的网络通信协议最大程度的兼容。SOAP 本身并不定义任何应用语义，如编程模型或特定语义的实现，它只是定义了一种简单的机制，通过一个模块化的包装和对模块中特定格式编码的数据的重编码机制来表示应用语义。
（3）服务描述层。服务提供者通过服务描述将所有用于Web Service服务的规范传送给服务请求者。要减少服务提供者和服务请求者之间所需的共识的程度和定制编程与集成的量，服务描述就是关键。这样不必了解对方的底层平台、编程语言或分布式对象模型（如果有的话）。服务描述与底层SOAP 基础结构相结合，用以封装服务请求者的应用程序和服务提供者的Web Service服务之间的实现细节。WSDL 定义了一套基于XML 的语法，可以将Web Service服务描述为能够进行消息交换的服务访问点的集合，从而满足了这种需求。
（4）服务发现层。在Web Service服务器中，采用SOAP协议 和 WSDL规范完成了跨软、硬平台、跨编程语言进行信息服务的集成。那么服务提供者如何发布Web Service服务信息以供使用，而服务使用者又如何去发现和调用Web Service服务呢？这里采用UDDI（Universal Description, Discovery and Integration）规范来实现信息服务的发布。UDDI是统一描述、发现和集成协议，始于2000年，由 Ariba、IBM、Microsoft 和其他33家公司创立。UDDI以一种有效的方式来浏览、发现基于Web Service的服务，并为它们之间的相互作用提供一个保存信息描述的机制[7]。
3.4 LDAP服务器
在制造网格中，允许各种异构的分布的制造资源动态加入或者离开网格服务器。如图1所示，采用LDAP服务器用来进行制造资源信息管理。使用LDAP作为资源信息的表示方法，以OpenLDAP协议软件作为底层支持，针对制造网格的特点，采用树状的层次方式，如图5所示。

图5 制造资源信息管理
信息被集中存储在制造网格服务器上的LDAP目录中，目录被进一步分为组织单元，OU中包含信息条目，这样系统不仅具有可扩展性，而且在进行搜索或查询时，比传统的关系数据库更快。LDAP服务器中可以存储所有类型的信息，包括制造资源信息，如人力资源（Human Resource，HR），制造设备资源（Manufacturing Equipment Resource，MER），技术资源（Technology Resource，TR），物料资源(Material Resource，MR)，应用系统资源（Application System Resource，AR），服务资源（Service Resource，SR），用户信息资源（User Information Resource， UIR），计算资源（Computer Resource，CR）等。其它相关资源（Other Resource，OR）包括：电子邮件地址、DNS信息、NIS映射、联系人列表以及计算机名称等。当访问LDAP中的信息时，客户端Web浏览器通过使用LDAP协议将请求发送给LDAP服务器，服务器检查客户权限，在许可的情况下对数据库进行相应的操作。
4 制造网格门户原型系统
在国家自然科学基金重点项目（50335020）和国家211资助下，利用曙光4000网格服务器建立了制造网格服务平台，并正在申请加入中国国家网格。在此平台基础上，开发了制造网格门户，其中用户登陆界面主要包括提示信息、用户名和密码输入框、验证码输入框和按钮等，如图6所示。

图6 用户登陆界面 图7 用户作业界面

用户作业界面左框中显示了制造作业的相关信息（即网格节点信息），这些信息以树的形式表示，树中的一个节点表示一个作业(或一个网格节点)。一个作业节点（或网格节点）下又可以展开为一颗子树，包含了相关的信息和操作节点。用鼠标单击其中的某一节点，显示相关信息的页面将出现在右框中。用户作业界面如图7所示。
5 结论
详细地介绍了制造网格门户体系结构，并给出了制造网格门户中的Portlet中间件、Web Service服务器和LDAP制造信息管理服务器的设计与实现。通过制造网格门户，用户能够以基于Web浏览器的方式安全地访问制造网格中的资源，提交用户自己的各种制造作业并查看作业的运行结果。下一步的工作是实现可定制的个性化Web 页面，研究和实现更好的交互方式，例如网格拓扑结构图、网格信息统计结果图等，并增加作业迁移和作业运行的实时监控功能，提供进一步的可视化等。
Study and Realization of the Manufacturing Grid Portal
Abstract: Manufacturing Grid system is extraordinary complex. In traditional interface, users have to do complicate configurations and memorize various kinds of instructions and programming interfaces. The intention to study Manufacturing Grid portal is to provide manufacturing resource sharers a kindly platform. In the paper, the architecture of Manufacturing Grid portal is brought forward. Key components of the portal, such as the user management module, Portlet middleware, Web Service server and LDAP server is researched on and realized. Via this portal, users can access diverse manufacturing resources, submit and then monitor manufacturing tasks efficiently and safely with Web browser.
Key words: Manufacturing Grid; Grid Portal; Portlet Middleware; Web Service
参考文献
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[3] 郑 晶, 蒋秀凤. 网格门户开发工具综述计算机与现代化. 2006.129(5): 101-104
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