支持e-Science的协同工作环境.pdf

TECHNOLOGY e-Science 技术 支持e-Science的协同工作环境 南凯，董科军，马永征，杨德婷，李华飚 中国科学院计算机网络信息中心 北京 100190 摘 要: e-Science将为科研手段和方法带来新的革命性的进步。协同工作环境是e-Science环 境的重要组成部分。本文阐述协同工作环境对实现e-Science的重要意义和作用，简介 国内外相关的主要工作及研究热点，并介绍我们正在开发的一个支持e-Science的协同 工作环境套件（Duckling）的进展情况。 关键词: 协同工作环境 科研信息化 协同实验室 社会计算 Collaboration Environment for e-Science Kai Nan, Kejun Dong, Yongzheng Ma, Deting Yang, Huabiao Li Computer Network Information Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190 China Abstract: e-Science is bringing us new revolutionary progress on the way how we do research. Collaboration Environment is a critical part of e-Science environment. This paper states the importance and functions of Collaboration Environment towards implementing e-Science, surveys related works and main research topics, and introduces a software suite for Collaboration Environment for e-Science, namely Duckling. Keywords: Collaboration Environment, e-Science, Collaboratory, Social Computing 35 e-Science 技术 TECHNOLOGY 1.引 言 而言，这种虚拟实验室是由支持资源共享与协同工 作的硬件、软件、数据、信息等资源和人员组织共 以协同的方式进行工作自古就有，随着生产力 和技术的进步，协同的范围不断扩大、水平逐渐提 高。计算机的出现使得协同工作环境的方式和手段 有了第一次飞跃，这次飞跃的典型标志是上世纪 80年代计算机支持的协同工作（CSCW）。随着 Internet的飞速发展以及信息便携设备（PDA）的大 量普及，协同工作发生了以网络协同为显著标志的 第二次飞跃，进入了一个新的阶段。 同构成的有机的整体，是e-Science环境中面向用户 （科研人员）的一个基础使用界面[1]。 进一步来讲，支持e-Science的协同工作环境或 虚拟实验室在技术之外，还可以有组织上的涵义。 e-Science的三大资源要素——高性能计算、科学数 据和协同工作的科研人员——通过虚拟实验室有机 地结合起来。在e-Science示范应用的建设和实施过 程中，根据各个应用的特点和需求，虚拟实验室提 在实现e-Science的过程中，往往通过高速的网 供的综合性服务和工具与各个e-Science应用的具体 络联接高性能计算资源、海量科学数据库、科学数 科研流程无缝地融合为一体，形成面向应用领域科 字图书馆、野外观测台站、大型科学装置、计算模 研活动特点的网络协同工作环境。在e-Science发展 拟的软件工具等等组成e-Science的基础设施与资 的过程中，虚拟实验室在粘合信息化基础设施、催 源，实现资源集成共享，形成支撑科研人员大范围 化新的科研模式和促推科研机制变革方面具有重要 交流协作的协同工作环境，支撑科研人员组成跨学 的战略意义。 科、跨组织、跨地域的虚拟研究团队或者组织，通 过远程实验观测、计算模拟、协同工作等新的科研 方法和手段开展科学研究活动。 本文将阐述协同工作环境对实现e-Science的重 要意义和作用，简介国内外相关的主要工作及研究 热点，并对我们正在开发的一个支持e-Science的协 同工作环境套件（Duckling）的进展情况进行介绍， 协同工作环境在支持科研人员开展e-Science活 动方面可提供以下主要功能和服务： (1) 科研项目可以作为“虚拟组织”的形式成为 虚拟实验室的用户。科研人员可参加项目相应的虚 拟组织，使用虚拟实验室中相应的服务；也可以在 虚拟实验室中与同行交流或寻找合作伙伴。重大的 科研项目可以建立专用的虚拟实验室运行系统。 最后是总结和展望。 (2) 科研人员在虚拟实验室中享有个性化的使用 2.协同工作环境在e-Science活动 中的意义和作用 环境，可以享受灵活定制的服务，可根据自身需要 获取、组织和管理各类信息资源。 (3) 科研人员在虚拟实验室中可以集成使用院信 数字化技术与计算机网络的发展，使人、科学 仪器与装置、计算工具和信息联接在一起，提供了 息化建设的计算、存储、数据库、文献等多种资源， 集成使用一些工具和服务，包括领域特定的应用。 协同工作环境，消除了地域、时间、机构之间的边 界，为科研活动提供了革命性的新模式，从而大大 (4) 科研人员可以与项目/虚拟组织内的合作者 促进了科研活动中的信息共享、合作与交流，促进 或其他人员高效、安全、方便地共享各种电子文 了学科的交叉，提高了工作效率和创新发现能力。 档，基于智能搜索的方式使用和管理文档，并可进 虚拟组织、虚拟实验室或虚拟研究团队成为信息化 行协作式写作。 条件下的新型研究组织形式。 支持e-Science的协同工作环境是一种为科研人 员服务的虚拟实验室。它的主要用户是科学家，它 建立在互连网络环境、超级计算环境和数据应用环 (5) 科研人员可以更高效地参与或组织一些学术 活动和项目工作，如会议、论文评审、检查验收、 考察活动等。 3.相关研究工作及关键问题 境等信息化基础设施之上，利用和集成它们提供的 基础性服务，构建支持网络化科研模式的综合性服 协同工作环境相关技术受到国内外学术界的普 务，支持面向具体科研活动的特色协同环境。具体 遍关注和重视。国际上，荷兰的Virtual Laboratory 36 TECHNOLOGY e-Science 技术 for e-Science (VL-e) [2] 项目、英国JISC的Virtual 源组装为一个虚拟研究环境。VRE项目2006年得到 Research Environments (VRE) 英国JISC两百万英镑的滚动支持经费。 [3] 项目、GGF的 Open Grid Computing Environment（OGCE） 项 [4] 目和SAKAI [5]等项目在这方面进行了大量的研究和 探索，取得了丰富的成果。在国内，国家自然科学 (3) OGCE Global Grid Forum（GGF）的 Open Grid 基金委员会制定了“以网络为基础的科学活动环境 Services Architecture（OGSA）计划为基于Web服 研究”重大研究计划；科技部在国家科技基础条件 务的、面向标准服务的网格框架定义了一个基础。 平台的建设中启动了“网络协同研究与工作环境建 OGSA允许不同供应商使用各种技术提供网格服务 设”项目。这些项目探索了如何将各种信息化资源 实现，不过这些技术能够通过GGF定义的OGSA 集成为一个综合协作环境。 标准兼容来实现互操作。GGF中的一个研究组Grid 下面重点对VL-e，VRE，OGCE，SAKAI等进行 介绍。 Computing Environment（GCE）重点研究了与客户 端的网格开发工具有关的问题。它提供了一组工具 集和用户界面来访问网格提供的服务和功能。为了 (1) VL-e 解决并满足日益增长的网格用户社区的需求，GCE 荷兰的VL-e（Virtual Laboratory for e-Science） 计划构建一个框架为客户端的网格开发提供一组标 项目的目标是将高性能网络和网格技术发展带来的 推动力与更广泛的科学实验应用的需求结合起来。 准的接口，这个接口类似于OGSA为服务器端的网格 开发提供的接口。这种框架称为OGCE。 为科学研究中的分布协作以及实验提供一个虚拟 OGCE允许网格社区进行以下操作：开发客户机 的工作空间，使用分布的信息和通信技术来产生 应用程序，这些程序可以跨多个网格后端实现进行 和递送结果。提供通用的功能以支持广泛和特定的 互操作。提供可重用的代码，以支持基本网格访问 e-Science应用环境。通过创建e-Science环境推动 模式的快速原型设计。提供一种开源的、可扩展的 e-Science应用，并且开展方法学上的研究。VL-e项 架构，可以根据社区的反馈，整体地、递增地构建 目的策略是沿着从应用到网络整个完整的e-Science 该架构。访问使用异构技术实现的相同接口集。 技术链开展具体研究，并且关注于新的方法学和可 (4) SAKAI 重用组件的研究。 SAKAI是一个开源社区项目，聚焦于构建核心 VL-e项目中包括四个任务：创建特定学科领域 协作功能的资源，开发一个协同工具箱，用于教学 e-Science环境的科学原型；为可重用的信息技术组 以及即时协作。该项目提供一个框架，一方面“开 件开发应用方法学；逐步扩展并开展真实的科研实 箱即用”；另一方面，通过增加一些特别的工具组 验应用；在有效实现的学科领域特定的e-Science环 件，使之也能应用于特定领域。 境中构建和传输知识。 SAKAI核心功能包括：公告、聊天室、Threaded (2) VRE Discussion、Drop Box、邮件归档、今日消息、 VRE(Virtual Research Environments)被定义为 新闻/RSS、偏好、讲演工具、资源、日程、web 包含一组在线工具和网络资源，通过互操作技术支 持或改善研究机构内或跨研究机构间广泛的科研人 员开展科学研究活动。VRE的一个关键特征是能够 促进研究人员和研究团队间的协作，为科研人员提 供更有效的方式来协同地采集、处理和管理数据， 以及协同的知识创建。VRE项目的目标并不是产出 Content、Worksite Setup、WebDAV。SAKAI社区 正在积极地开发新的工具扩展核心协同工具集。这 些工具集没有包含在Sakai2.0发布中，但是正在由 Lancaster和Cambridge大学的研究者进行积极地开 发。这部分内容包括：Wiki based on Radeox、博 客、共享显示、共享白板、音频多播和视频多播。 一个单一而且完整的VRE，而是定义和开发一个通    对于构建e-Science应用，SAKAI能够作为一个 用的架构，推进满足要求的功能组件的开发，并且 单独的系统提供人对人的交流技术，协调和社会化项 将这些组件与满足科研人员需求的应用、服务和资 目组成员的责任。通过这种方式，SAKAI提供了项目 37 e-Science 技术 TECHNOLOGY 图1：协同工作环境套件（Duckling）组成结构图 或项目组管理工具的功能。当e-Science应用的其他 叉研究，这也是协同工作环境研究发展中的一个重 元素跟上，SAKAI可以被集成到整个项目的门户中。 要的关键问题。 支持e-Science的协同工作环境的研究和发展是 4.Duckling研究进展 一个十分具有挑战性的问题，不仅仅是软件工具的 研发，也不仅仅是若干计算机技术的应用，将涉及 协同工作环境套件（Duckling）是中科院计算机 到信息技术和一些社会科学的交叉，这当中存在一 网络信息中心面向e-Science及中科院“十一•五”信 些需要从更广阔的视角来看待的问题。在我们正在 息化发展的需求，研究开发的一套支持e-Science的 开展的一些e-Science应用的尝试中，已经切实感受 协同工作环境的软件。这套软件包括虚拟工作台、 到了这方面的问题和困难：如何让科研人员接受新 核心工具集、资源与服务池、安全基础设施等主要 的技术和工具，科研人员怎样才能积极有效地适应 部件，组成结构图如图1。 和参与新的科研环境和流程，e-Science活动中的各   虚拟工作台是用户在虚拟实验室中主要的工作环 类角色应如何发挥作用，e-Science虚拟实验室该如 境和使用界面，其主要功能是为用户提供统一的入 何建、如何用、如何管？ 口，支持用户以个性化的方式组织管理资源、使用 网格计算[6]、协同工作、Web服务和SOA[7]等领 资源，提供灵活的工具集成，提供方便、易用的使 域的前沿技术，无疑是协同工作环境研究开发中的 用界面。虚拟工作台以基于Web的服务门户的方式 一些关键问题。此外，“社会计算”是一个新的研 来实现。其目标是实现一个开放、灵活和可扩展的 究主题，有可能为e-Science协同工作环境的开发、 集成平台。虚拟工作台必须保证其开放性和可扩展 应用和服务从一些新的角度提供理论指导。社会计 性，支持虚拟实验室的持续开发并满足科研人员灵 算可以从两个方面或角度来看：一个是从计算机或 活多变的需求；支持构件的可重用性，使其能够有 更广义的信息技术在社会活动中的应用；另一个是 效地使用长期积累的科研资源；同时确保虚拟实验 从社会知识，或更具体的人文知识在计算机或信息 室的可用性和可访问性，使得它能获得科研人员的 技术中的使用和嵌入，反过来提高社会活动的效益 广泛接受。 和水平[8]。应用社会学的知识指导e-Science协同工   虚 拟实验室的核心工具集包括支持科研人员在 作环境的研究和开发，开展信息技术与社会学的交 e-Science环境下开展协同工作所需要的基础性、关 38 TECHNOLOGY e-Science 技术 键性的工具。这个核心工具集会随着e-Science环境 当前科研活动中有大量的会议，从项目组内的讨论到 的发展，科研人员工作内容、方式、习惯的改变而 大型的国际学术交流，在e-Science环境中这类活动 逐步扩展或变化。核心工具集的功能设计应和现阶 更加频繁和日常化（如视频会议）。安排会议日程、 段科研人员从事科研活动的特点和水平相适应，优 共享会议材料等往往涉及到参会人员之间的大量沟通 先提供需求迫切、条件成熟的工具。核心工具集的 和协作，活动组织工具可帮助虚拟实验室的用户在这 系统架构应具有良好的可扩充性。经过大量的调研 些工作中提高效率。除会议外，其他的科研活动如 和分析，我们认为现阶段具有普遍性和典型性的协 野外考察、联合观测等也有类似的需要组织安排的 同科研活动是科研人员在完成合作科研项目过程中 工作，结合e-Science示范应用在这些方面的具体需 的相关工作，这类活动对协同工具的需求也最具有 求，在会议类活动的基础上进行扩展或定制，逐步支 现实的迫切性。 持更多类型的科研活动。    基于上述思路，当前的核心工具集包括虚拟组织 e-Science环境中包括高性能计算、科学数据、科 管理工具、文档协同工具和活动组织工具等三大工具。 技文献、软件/算法、科学仪器等大量资源，协同工 虚拟组织管理工具是一种面向群组（虚拟组织） 作环境中的资源与服务池部件负责实现将这些资源根 的用户管理系统。管理工具中，个体科研人员以虚 据用户需要集成到虚拟实验室中供用户方便地使用。 拟组织为单元进行灵活的组合。虚拟组织管理工具 资源集成的方案不仅要在技术上可行，在管理上、机 提供虚拟组织从创建、运行到撤销整个生命周期的 制上也要可行，这是相当有挑战性的。虚拟工作台插 各项管理功能，特别是面向虚拟组织的权限管理， 件技术将科研应用中的特定功能和用户接口连接起 包括解决用户在多个虚拟实验室应用中实现单一登 来，使得它们构成了虚拟工作台的一个可插拔的组 录的问题。它的另一项重要功能是帮助科研人员与 件，保证虚拟工作台的可定制性和可扩展性，简化虚 合作伙伴进行联系和交流，或寻找潜在的合作者。 拟工作台的构建，使得它们在长时间的运行过程中更 虚拟组织管理工具为整个虚拟实验室的应用提供了 加具有可扩展性、可重用性、可管理性和可维护性。 一个统一的用户管理的解决方案。 工作流支撑平台采用基于服务的工作流来 构建科研业务流程，通过科研业务 文档协同工具是一种面向 工作流的自动或半自动执行， 组用户的协作式写作、文 提高科研的效率和产出。 档共享和管理工具， 支持一个虚拟组织    安全基础设施是 当中的成员便捷、 实现e-Science协同 高效地共享和协 工作的一个重要前 同开发各类数字 提，必须在协同工 化文档，其重要 作环境下建设一套 特点是基于组的 可靠、方便、高效 协作式写作和文 的安全基础设施， 档管理、基于搜索 实现安全环境下的虚 的文档定位，可以方 拟组织管理、数据传 便地实现一键上载、全 输及协同协作。协同工作 环境中采用数字证书作为基 文检索、智能标签、各处引 本的用户身份标识，建立了基于 用等功能。文档协同工具可在项 PKI的安全基础设施，由自建 目申请、项目执行等各个环 节的大量文档工作中发挥重 图2：协同工作环境套件（Duckling）应用案例 要作用。 的CA系统向协同工作环境用 户提供证书服务。 活动组织工具的作用是协助科研人员组织开展各 到目前为止，协同工作环境套件（Duckling）的 类科研活动。一个典型的例子是学术会议的组织。 原型版本已在中科院和国家的一些重大科研项目中得 39 e-Science 技术 TECHNOLOGY 到应用（如图2）。 与的科研活动中。此外，Duckling开发团队自身也在 使用这样的协同工作环境。 在国家科技基础条件平台项目“天文学网络虚拟 5.总结与展望 实验室示范”中，与大型天文望远镜的申请审批、 联合观测以及观测数据管理等科研流程结合在一 起，使用Duckling建设了提供包括大型望远镜观测时 间在线申请、多人同时在线的网络远程协同观测、 观测数据管理等学科特点鲜明的网络协同工作环 境，该虚拟实验室已逐步成为国内天文领域研究和 相关活动的一个基础性平台，发挥了重要的信息化 支撑作用。 e-Science将为科研手段和方法带来新的革命性 的进步，进而极大地推动科学技术的发展[9]。协同工 作环境是e-Science环境的重要组成部分。协同工作 环境套件Duckling是这个方向上的一个探索，经过近 一年的开发已经形成了原型版本并在少数项目中试 用，计划将在2008年底之前发布Duckling的第一个正 式版本。同时我们看到，再先进的软件也只是帮助 在中国科学院知识创新工程项目“面向蛋白质科 和促进科研协同的工具，e-Science的发展需要多方 学的高性能计算研究”和“北京及周边地区奥运大 面因素的共同推进，本文第3节中讨论的社会学方面 气环境监测和预警联合行动计划”中，使用Duckling 的问题也将是支持e-Science的协同工作环境的一个 为项目组中多单位不同地区不同学科的科研人员提 有待进一步研究的关键问题。 供了网上的协同工作环境。 Duckling也应用在“青海湖联合科研基地”、 “计算化学虚拟实验室”等跨学科、多个研究所参 参考文献 [1] 中国科学院信息化工作领导小组办公室．中国科学院“十一•五”信息化发展规划．2006年4月． [2] Virtual Laboratory for e-Science. 2008. http://www.vl-e.nl. [3] Virtual Research Environment programme. 2008. http://www.jisc.ac.uk/whatwedo/programmes/vre2.aspx. [4] Open Grid Computing Environment. 2008. http://www.collab-ogce.org/. [5] Sakai Project. 2008. http://sakaiproject.org/. [6] I. Foster, C. Kesselman and S. Tueckle. The Anatomy of the Grid: Enabling Scalable Virtual Organizations. in Lecture Notes in Computer Science, 2001, Vol. 2150. [7] I. Foster, H. Kishimoto, A. Savva, D. Berry, A. Djaoui, A. Grimshaw, B. Horn, F. Maciel, F. Siebenlist, R. Subramaniam, J. Treadwell, and J. Von Reich. The Open Grid Services Architecture, Version 1.0. http://www.ggf. org/documents/GFD.30.pdf, 2005. [8] 王飞跃．社会计算——科学、技术与人文的数字化动态交融．中国基础科学，2005，7(5):5-12. [9] US National Science Foundation. Cyberinfrastructure Vision for 21st Century Discovery. March 2007. 作者信息 南 凯 中国科学院计算机网络信息中心，博士，副研究员。主要研究方向 为网格与协同计算、数据网格等。 40