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數(shù)字圖書館體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展
【內(nèi)容提要】首先介紹了目前大多數(shù)數(shù)字圖書館所遵循的基本的數(shù)字圖書館體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在功能上可劃分為四個(gè)邏輯組件：資源庫、命名系統(tǒng)、索引/搜索系統(tǒng)、用戶界面。然后介紹了NSDL、NCSTRL兩個(gè)最大的數(shù)字圖書館項(xiàng)目在體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問題方面的實(shí)踐，最后，作者提出了數(shù)字圖書館體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的看法。【摘 要 題】專題探討
【【關(guān) 鍵 詞】體系結(jié)構(gòu)/互操作
1 介紹
世界上有許多國家進(jìn)行數(shù)字圖書館的建設(shè)，但到目前為止，并不存在一個(gè)通用的數(shù)字圖書館體系結(jié)構(gòu)，這是由于信息技術(shù)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不斷發(fā)展的結(jié)果，怎樣基于現(xiàn)有的技術(shù)并考慮到未來技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)筑一個(gè)靈活強(qiáng)大的數(shù)字圖書館體系結(jié)構(gòu)，對于數(shù)字圖書館的建設(shè)是至關(guān)重要的，這需要我們了解相關(guān)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)以及數(shù)字圖書館體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化。
數(shù)字圖書館要為用戶提供各種簡單易用、功能強(qiáng)大的知識服務(wù)，通常從功能上可將數(shù)字圖書館劃分為：用戶界面、命名服務(wù)、搜索系統(tǒng)、資源庫等部分。數(shù)字圖書館的建設(shè)涵括各種數(shù)字資源的創(chuàng)建、管理、查詢、利用、存儲的整個(gè)過程。自從 william Y.Arms等于1997年提出了數(shù)字圖書館的信息體系結(jié)構(gòu)以來[1]，數(shù)字圖書館的體系結(jié)構(gòu)在不斷完善和發(fā)展，通過許多試驗(yàn)項(xiàng)目仍在不斷改進(jìn)。圖1代表了數(shù)字圖書館的基本體系結(jié)構(gòu)。
附圖
圖1 數(shù)字圖書館的基本體系結(jié)構(gòu)
資源庫
資源庫的功能包括存儲和管理各種數(shù)字對象，通常是由關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來管理。應(yīng)用程序通過資源庫提供的庫訪問協(xié)議（RAP）來訪問資源庫。可實(shí)現(xiàn)存儲、訪問、復(fù)制、移動和刪除數(shù)字對象等操作。
與web上的信息所不同，數(shù)字圖書館中數(shù)字資源是以數(shù) 字對象的形式進(jìn)行封裝的，一個(gè)數(shù)字對象包括：
�、僖粋�(gè)全球唯一的獨(dú)立于地址的長期標(biāo)識符；
�、跀�(shù)字資料，存儲數(shù)字圖書館的資料，也就是最終用戶需要獲取的信息內(nèi)容，如經(jīng)XML置標(biāo)后的文本、一本電子圖書等，
�、墼獢�(shù)據(jù)，關(guān)于數(shù)字資料的數(shù)據(jù)。一般情況下，元數(shù)據(jù)有三種：a.描述性元數(shù)據(jù)，用于發(fā)現(xiàn)和標(biāo)識一個(gè)對象，如MARC和Dublin Core。b.結(jié)構(gòu)性元數(shù)據(jù)，為用戶顯示和導(dǎo)航一個(gè)對象（包括該對象的內(nèi)部組織信息），如一本書由章節(jié)組成。c.管理性元數(shù)據(jù)，描述該對象的管理信息；創(chuàng)建日期、文件的格式、訪問權(quán)限、知識產(chǎn)權(quán)問題等。
命名系統(tǒng)
命名系統(tǒng)是針對長期標(biāo)識符的分配、管理及解析的一個(gè)綜合系統(tǒng)，CNRI為數(shù)字圖書館提出了完整的命名系統(tǒng)“調(diào)度系統(tǒng)（Handle System）”，它是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，其職能是負(fù)責(zé)數(shù)字資源的全球唯一的、長期的、獨(dú)立于地址的命名的分配、管理和解析。在調(diào)度系統(tǒng)中，本地名稱空間通過獲取一個(gè)調(diào)度系統(tǒng)的命名授權(quán)，就可以納入到全球調(diào)度名稱空間，這樣所有的本地名稱在全球調(diào)度名稱空間中將是唯一的。
索引與搜索系統(tǒng)
索引的創(chuàng)建可能是由機(jī)器的自動掃描、手工錄入和干預(yù)，或者是這兩者的結(jié)合�？蛻魴C(jī)把查詢式提交給索引服務(wù)器，將返回相匹配的數(shù)字對象的URN（統(tǒng)一資源命名，如調(diào)度碼）。索引服務(wù)還提供被索引信息的元數(shù)據(jù)和查詢機(jī)制。
用戶界面
用戶界面是用戶與數(shù)字圖書館的接口，數(shù)字圖書館向用戶提供的最終服務(wù)都是通過用戶界面來實(shí)現(xiàn)的。一般情況下，數(shù)字圖書館借助通用的Web瀏覽器作為其用戶界面工具。此外，用戶界面的內(nèi)容編排和服務(wù)方式問題是很復(fù)雜的，不同的用戶需求是不同的，用戶對數(shù)字圖書館的簡單靈活的需求首先就表現(xiàn)在用戶界面上。
2 NSDL項(xiàng)目的體系結(jié)構(gòu)介紹
NSDL（National STEM Digital Library，STEM—Science，Technology，Engineering and Mathematics）是NSF資助的、由多家單位來實(shí)施數(shù)字圖書館項(xiàng)目，它包括64個(gè)子項(xiàng)目，其目的是支持科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育，提供廣泛接入和方便使用的分布式資源網(wǎng)絡(luò)和學(xué)習(xí)機(jī)制，NSDL一期工程已于2002年底為公眾提供服務(wù)，它是目前規(guī)模最大的數(shù)字圖書館項(xiàng)目。
由于NSDL的內(nèi)容和用戶的多樣性，為讓各種用戶共享不同的信息，最初的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是通過共享元數(shù)據(jù)，并利用元數(shù)據(jù)開發(fā)核心服務(wù)（如，搜索和發(fā)現(xiàn)）。其體系結(jié)構(gòu)（見圖2），包括以下幾個(gè)基本概念：[2][3]
附圖
圖2 NSDL體系結(jié)構(gòu)
·采用公共的核心元數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)間的資源發(fā)現(xiàn)。
·核心元數(shù)據(jù)與具體領(lǐng)域的擴(kuò)展元數(shù)據(jù)相結(jié)合。
·以元數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)跨庫搜索并創(chuàng)建更豐富的服務(wù)。
·采用自動索引和檢索系統(tǒng)來減少編目工作。
元數(shù)據(jù)庫—NSDL體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分是元數(shù)據(jù)庫。元數(shù)據(jù)庫存儲所有藏品集的元數(shù)據(jù)，并通過OAI協(xié)議把它們提供給服務(wù)商，服務(wù)商通過元數(shù)據(jù)可以開發(fā)出各種服務(wù)。在NDSL中，元數(shù)據(jù)庫可能分布在多個(gè)服務(wù)器上，并有多個(gè)鏡像。NSDL早期采用分布式元數(shù)據(jù)庫，現(xiàn)在改成集中式。這是因?yàn)榉植际皆獢?shù)據(jù)庫在檢索時(shí)會因?yàn)槠渲械囊粋�(gè)元數(shù)據(jù)庫的查詢失敗或響應(yīng)較慢，而造成整個(gè)檢索的失敗或長時(shí)間的響應(yīng)，而集中式元數(shù)據(jù)庫可以避免這種現(xiàn)象。
NSDL的互操作性問題
NSDL的互操作性采用三種方式來實(shí)現(xiàn)：[4]
·聯(lián)合：這是一種傳統(tǒng)的方法，其所有的成員組織都遵從某些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，如通過Z39.50協(xié)議共享在線目錄。
·OAI采集：以O(shè)AI元數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ)。每個(gè)數(shù)字圖書館藏品的元數(shù)據(jù)都能提供到Dublin Core的映射，并以簡單的交換格式向外提供，這樣，服務(wù)提供商就能采集這些元數(shù)據(jù)，把它建入到信息發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中，而且這些藏品能夠?qū)崿F(xiàn)良好的互操作性。
·搜集：即使各種不同的組織之間不存在任何形式的合作，通過網(wǎng)絡(luò)爬蟲收集開放訪問的信息仍然可以實(shí)現(xiàn)一定程度上的互操作。各種網(wǎng)絡(luò)搜索引擎就是這樣。
NSDL主要通過OAI元數(shù)據(jù)采集來實(shí)現(xiàn)互操作。2001年初，NSDL確定支持8種標(biāo)準(zhǔn)元數(shù)據(jù)格式，這8種元數(shù)據(jù)之間的互換通過Dublin Core元數(shù)據(jù)核心集作為過渡。
（1）Dublin Core
�。�2）Dublin Core with DC—Ed Extensions
�。�3）LTSC（IMS）
�。�4）ADL（SCORM）
（5）MARC 21
�。�6）Content
;Standard for Digital Geospatial Metadata（FGDC）
（7）Global Information Locator Service（GILS）
�。�8）Encoded Archival Description
3 NCSTRL項(xiàng)目體系結(jié)構(gòu)介紹
NCSTRL�。∟etworked Computer Science Technical Reference Library）是另一個(gè)有代表性的數(shù)字圖書館項(xiàng)目，其規(guī)模僅次于NSDL，它是由DARPA資助的，來自北美、歐洲和亞洲的160多家學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)參與了該項(xiàng)目。其體系結(jié)構(gòu)以 Dienst體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，該體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要特征就是分布式搜索（見圖3）[5]。
附圖
圖3 NCSTRL的體系結(jié)構(gòu)
在NCSTRL的早期項(xiàng)目中，用戶的查詢式被直接提交給所有的索引服務(wù)器，但隨著參與機(jī)構(gòu)的增多，檢索時(shí)同樣會因?yàn)槠渲械囊粋�(gè)元數(shù)據(jù)庫的查詢失敗或響應(yīng)較慢，而造成整個(gè)檢索的失敗或長時(shí)間的響應(yīng)，為了解決這一問題，NCSTRL引入了查詢路由器的概念[6][7]。
查詢路由器QR（Query Routers）：根據(jù)一定的機(jī)制把查詢式發(fā)送到分布式的索引服務(wù)器中，并負(fù)責(zé)合并來自不同的索引服務(wù)器的查詢結(jié)果。另外，該體系結(jié)構(gòu)還引入了藏品服務(wù)（Collection Service）的概念，它是查詢路由的基礎(chǔ)，提供把各種服務(wù)集成到數(shù)字圖書館中的各種機(jī)制。按照當(dāng)前的藏品服務(wù)定義，它提供以下信息：
·參與該藏品服務(wù)各單位的目錄
·每個(gè)單位的索引服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)地址
·索引服務(wù)器的元信息（為查詢路由提供依據(jù)）
查詢路由
查詢路由器定期地與藏品服務(wù)通信，藏品服務(wù)數(shù)據(jù)包括索引信息（每個(gè)機(jī)構(gòu)的藏品）在索引服務(wù)器之間的分布情況，如斯坦福大學(xué)藏品的索引可能在I1和I2兩個(gè)索引服務(wù)器上有備份，康奈爾大學(xué)藏品的索引可能在I2和I3兩個(gè)索引服務(wù)器上有備份。通過這些信息，查詢路由器將決定查詢式被提交給哪些索引服務(wù)器來處理。
附圖
圖4 查詢路由
連通域
由于全球范圍內(nèi)的Internet的連通性差別相差巨大，為了提高數(shù)字圖書館的分布式搜索的相應(yīng)時(shí)間，NCSTRL引入了連通域的概念，連通域是指網(wǎng)絡(luò)上具有高度連通性的一組節(jié)點(diǎn)。連通域的概念是藏品服務(wù)的一部分，藏品服務(wù)分布在一組區(qū)域元服務(wù)器RMS（Regional Meta Servers）中——每個(gè)連通域一個(gè)RMS。每個(gè)RMS從主元服務(wù)器MMS（Master Meta Server）獲取特定域的信息，見圖5。
附圖
圖5 連通域
連通域之外的索引信息在連通域內(nèi)的索引服務(wù)器上有備份，這樣用戶的查詢將在連通域內(nèi)部完成，只有當(dāng)其中的索引服務(wù)器查詢失敗時(shí)，查詢式就被提交給主元服務(wù)器，主元服務(wù)器再把該查詢式分配給到其它的連通域。
索引服務(wù)器的動態(tài)調(diào)整
由于考慮到單個(gè)搜索的失敗，故NCSTRL元數(shù)據(jù)在多個(gè)索引服務(wù)器中存在備份。藏品服務(wù)中的數(shù)據(jù)列出了索引服務(wù)器接受查詢式的優(yōu)先順序，有的索引服務(wù)器被設(shè)定為主索引服務(wù)器，有的被設(shè)定為次級服務(wù)器。主索引服務(wù)器首先接受查詢式，如果在一定的時(shí)間內(nèi)沒有完成查詢?nèi)蝿?wù)，查詢式就會轉(zhuǎn)交給次級索引服務(wù)器。
需要說明的是，主索引服務(wù)器和次級索引服務(wù)器的順序并不是固定不變的，而是動態(tài)調(diào)整的，其中的參數(shù)可由管理員來設(shè)定。這個(gè)動態(tài)調(diào)整的過程是通過一個(gè)簡單算法來實(shí)現(xiàn)的。在索引服務(wù)器成功完成一次查詢之前，查詢路由器給每個(gè)索引服務(wù)器增加一個(gè)失敗記數(shù)，如果查詢成功，失敗記數(shù)就減一。當(dāng)查詢路由器通過藏品服務(wù)提供的信息來選擇索引服務(wù)器時(shí)，它進(jìn)行一個(gè)穩(wěn)定性測試：該索引服務(wù)器最近是否有N次連續(xù)響應(yīng)失敗（N是可以設(shè)定的）？如果一個(gè)索引服務(wù)器沒有通過這種穩(wěn)定性測試，它就會被降級，也就是說，如果是一個(gè)主索引服務(wù)器就降級為次級目錄服務(wù)器，而另一個(gè)次級目錄服務(wù)器就有可能升級為主目錄服務(wù)器。
4 對數(shù)字圖書館體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的看法
由于用戶對數(shù)字圖書館的功能需求不斷發(fā)展，信息技術(shù)的迅速進(jìn)步，數(shù)字圖書館的概念和功能都在不斷發(fā)展。通過對上述兩個(gè)項(xiàng)目的體系結(jié)構(gòu)的分析，加上筆者的探索和實(shí)踐，我們認(rèn)為數(shù)字圖書館的體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須事先考慮到開放性、互操作性、擴(kuò)展性以及伸縮性。
4.1 開放性
數(shù)字圖書館系統(tǒng)必須是一個(gè)開放的系統(tǒng)，開放的含義包括一下幾個(gè)方面：
�。�1）能夠與第三方系統(tǒng)或功能模塊實(shí)現(xiàn)良好的對接和集成；
�。�2）能夠方便地在本系統(tǒng)內(nèi)部增加刪除或修改某些功能模塊；
�。�3）盡可能廣地支持各種資源格式和標(biāo)準(zhǔn)；
因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要遵循一下原則：
（1）基本體系結(jié)構(gòu)簡單化，在設(shè)計(jì)基本體系結(jié)構(gòu)時(shí)主要考慮信息的流通和管理機(jī)制，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的通用性和穩(wěn)固性；
（2）功能模塊化，數(shù)字圖書館的服務(wù)功能是不斷發(fā)展的，因此數(shù)字圖書館的每一項(xiàng)服務(wù)應(yīng)該是相對獨(dú)立的，便于安裝、撤銷和維護(hù)；
（3）選取成熱的通用的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。如用戶界面采用通行的Web瀏覽器，文檔表現(xiàn)采用XML定義，元數(shù)據(jù)采用Dublin Core、中文元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等。
4.2 互操作性
通過信息資源本身實(shí)現(xiàn)互操作是最應(yīng)該受到鼓勵的方法，因?yàn)閿?shù)字圖書館建設(shè)的基礎(chǔ)是資源，用戶最終利用的也是資源，而且與信息系統(tǒng)比較起來，資源從類型上（如圖書、期刊、科學(xué)數(shù)據(jù)、地圖、檔案）要容易預(yù)見，發(fā)展變化也相對緩慢，從資源的格式上講（如標(biāo)準(zhǔn)的文件格式.txt、.html、.mpeg等），大家對通用標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)同更加一致。因此，通過一定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范讓不同的藏品遵循相應(yīng)的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，并通過元數(shù)據(jù)的共享或互換，可以實(shí)現(xiàn)資源間的共享，就如上面所介紹的NCSTRL項(xiàng)目，也已采用OAI元數(shù)據(jù)采集協(xié)議來實(shí)現(xiàn)來自不同單位的藏品的互操作�？上驳氖�，現(xiàn)在許多數(shù)字圖書館項(xiàng)目一般都主動遵循一定的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)去創(chuàng)建元數(shù)據(jù)。并出現(xiàn)了一些工具和方案能夠?qū)崿F(xiàn)不同元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的元數(shù)據(jù)元素的映射。當(dāng)然，信息系統(tǒng)之間的互操作隨著中間件和代理技術(shù)的發(fā)展也取得了很大的進(jìn)步，同時(shí)近年來，Web服務(wù)技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)軟件的共享和互操作方面提供了新的機(jī)制，將來隨著這些技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)間的互操作將越來越簡單。
4.3 擴(kuò)展性
NCSTRL為我們在擴(kuò)展性方面提供了很好的經(jīng)驗(yàn)。由于NCSTRL的成員單位比較分散，并且不斷有新的成員單位及新的用戶加入，最終選擇了把數(shù)字圖書館劃分成不同的區(qū)域，這
樣不但適應(yīng)了數(shù)字圖書館不斷延伸的特點(diǎn)，而且還能為本地用戶提供及時(shí)的、具有本地特色的服務(wù)。在中國數(shù)字圖書館工程建設(shè)一期規(guī)劃（2000—2005）就采用了區(qū)域服務(wù)的思想。
4.4 伸縮性
由于各數(shù)字圖書館建設(shè)單位在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、管藏資源、用戶需求等方面都不平衡，因此不同數(shù)字圖書館的建設(shè)規(guī)模也將是不同的。一個(gè)好的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須能夠適應(yīng)不同規(guī)模的系統(tǒng)，使不同規(guī)模的系統(tǒng)都能夠獲取最佳的效率。
【參考文獻(xiàn)】
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