互操作聯(lián)邦數(shù)字圖書館研究

　【內(nèi)容提要】未來的圖書館將是聯(lián)邦數(shù)字圖書館，其目標(biāo)是向用戶提供一個將異構(gòu)、分布信息源無縫集成的視圖，實(shí)現(xiàn)對數(shù)字圖書館資源的透明訪問。文中首先介紹了研究數(shù)字圖書館互操作的必要性，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析討論了聯(lián)邦數(shù)字圖書館的實(shí)現(xiàn)方法，并對當(dāng)前具有代表性的互操作聯(lián)邦數(shù)字圖書館的研究進(jìn)行了綜述討論，最后簡單討論了目前建立互操作聯(lián)邦數(shù)字圖書館所面臨的挑戰(zhàn)及進(jìn)一步研究和解決的問題。
【摘  要  題】專題探討……
　　　　　　　1　研究數(shù)字圖書館互操作的必要性
　　隨著在線數(shù)字圖書館（DLs）的日益增多，人們發(fā)現(xiàn)必須訪問許多DLs才能找到所需要的資料。由于大多數(shù)DLs是基于數(shù)據(jù)庫驅(qū)動的，現(xiàn)有流行的搜索引擎不能對其內(nèi)容建立索引。因此，對于那些需要跨越多個DLs查找資料的用戶來說，搜索引擎不能滿足這種需求。如何將廣泛分布的、異構(gòu)的DLs聯(lián)合起來向用戶提供統(tǒng)一的服務(wù)，即實(shí)現(xiàn)DLs之間的互操作，成為DLs研究與開發(fā)所關(guān)注的中心問題。
　　所謂數(shù)字圖書館的互操作是指交換和共享DLs的文檔、查詢和服務(wù)的能力[1]。它要求來自技術(shù)（協(xié)議和格式等）、內(nèi)容（元數(shù)據(jù)及其語義等）和組織（DLs的基本訪問原則、支付方式和認(rèn)證等）三方面的合作。DLs的互操作可以出現(xiàn)在不同的抽象層次上，我們可以將其概括為兩類視圖[1]：縱向視圖（vertical  view）和橫向視圖（horizontal  view）。前者涉及法律、社會、文化和知識產(chǎn)權(quán)等方面的問題，后者涉及DLs的硬件和軟件即體系結(jié)構(gòu)方面的問題。
　　為什么要研究DLs的互操作？道理很簡單：目前很少有DLs既提供豐富的館藏資源，又提供有效的服務(wù)。盡管目前一些DLs擁有大量的館藏資源，而另外一些DLs卻提供許多的服務(wù)，但在這兩種情況下，用戶都不太容易找到其所需要的信息資源。只有在這些DLs之間實(shí)現(xiàn)互操作，才能共享DLs的資源和服務(wù)。因此，研究DLs的互操作是十分必要的。
　　　　　　2　聯(lián)邦數(shù)字圖書館的實(shí)現(xiàn)方法
　　為了解決用戶使用DLs查找資料時同一查詢條件的重復(fù)提交問題，人們提出了聯(lián)邦數(shù)字圖書館的概念。所謂聯(lián)邦數(shù)字圖書館是指正式或非正式合作操縱DLs的一些組織，它們同意支持一組共同的服務(wù)和標(biāo)準(zhǔn)，以便在聯(lián)盟成員之間共享DLs的資源，實(shí)現(xiàn)互操作。聯(lián)邦數(shù)字圖書館允許跨越不同的DLs執(zhí)行搜索，并將每個DLs的查詢結(jié)果合并后返回給用戶，使用戶感到如同使用單個數(shù)字圖書館一樣。從聯(lián)邦的耦合度考慮，實(shí)現(xiàn)聯(lián)邦數(shù)字圖書館的方法可分為以下三種：NCSTRL方法、Harvesting方法和搜集（Gathering）方法。
　　　　2.1　NCSTRL方法
　　網(wǎng)上計算機(jī)科學(xué)技術(shù)報告圖書館（NCSTRL）是一個擁有100多個機(jī)構(gòu)加盟的聯(lián)邦數(shù)字圖書館[2]，它利用Dienst作為DLs的協(xié)議和體系結(jié)構(gòu)。凡是要求加入NCSTRL的機(jī)構(gòu)需要在本地安裝Dienst服務(wù)器，并按照統(tǒng)一規(guī)定的數(shù)據(jù)格式建立其館藏資源。NCSTRL借助于分布式搜索技術(shù)在聯(lián)盟DLs之間實(shí)現(xiàn)資源共享，它將用戶的查詢送往參與聯(lián)邦的所有DLs上分別執(zhí)行，收集返回的結(jié)果，綜合整理后返回給用戶（圖1）。
　　附圖
　　圖1　NCSTRL方法
　　NCSTRL方法要求所有參與聯(lián)邦的DLs使用相同的協(xié)議或軟件系統(tǒng)，因此能夠提供全面的互操作。但緊密的聯(lián)邦必將加重聯(lián)盟成員的負(fù)擔(dān)，它們不得不就技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和策略（如知識產(chǎn)權(quán)準(zhǔn)則、安全和隱私等）達(dá)成一致。從網(wǎng)絡(luò)和搜索系統(tǒng)方面的限制考慮，NCSTRL是昂貴的運(yùn)行模式，因?yàn)橐�求每個聯(lián)盟成員的DLs必須支持復(fù)雜的查詢語言和對查詢的快速實(shí)時響應(yīng)。另外，從查詢的頻率、元數(shù)據(jù)的質(zhì)量以及網(wǎng)絡(luò)資源的可用性等方面綜合考慮，這種實(shí)現(xiàn)聯(lián)邦的方法對聯(lián)盟成員加負(fù)較重。因此，只有那些需求強(qiáng)烈的DLs會采用這種代價較高的模式。
　　　　2.2　Harvesting方法
　　一臺計算機(jī)能夠自動地從其他計算機(jī)中收集并提取元數(shù)據(jù)的方法通常稱作Harvesting[3]。利用Harvesting方法建立聯(lián)邦數(shù)字圖書館的基本思想是：從每個DLs收集并提取元數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理、合并后集中保存在一個中心DL中，然后對保存在中心DL本地的元數(shù)據(jù)執(zhí)行搜索（圖2）。顯然，這種方法需要在中心DL維護(hù)一個所有DLs館藏元數(shù)據(jù)索引信息的副本，以便提供基于館藏元數(shù)據(jù)內(nèi)容的查詢路由服務(wù)。
　　附圖
　　圖2　Harvesting方法
　　Harvest系統(tǒng)[4]是這種方法的代表，它包括一組從各個DLs館藏中搜集信息并建立基于主題內(nèi)容索引的集成工具。Harvest體系結(jié)構(gòu)主要包括兩部分：搜集者（gatherers）和代理（brokers）。每個搜集者從DLs館藏中搜集并提取索引信息。代理程序從一個或多個搜集者或其他代理檢索索引信息，并按增量方式對其進(jìn)行更新。代理程序能夠?yàn)槎鄠�館藏建立集成索引，并提供一個查詢界面。
　　由于Harvesting方法采用集中處理方式，所以能夠保證有較好的查詢響應(yīng)時間，但各DLs館藏元數(shù)據(jù)內(nèi)容的變化不能及時得到反映。另外，Harvesting方法不要求嚴(yán)格遵守一組完整的技術(shù)協(xié)定，只要求做少許支持基本共享服務(wù)（如數(shù)據(jù)訪問）的工作。同NCSTRL方法相比，Harvesting方法提供的互操作性相應(yīng)的要差一些，但對聯(lián)盟成員的要求卻很少。因此，許多組織可能會加入這種松散的DLs聯(lián)邦。
　　　　2.3　搜集（Gathering）方法
　　對于那些不能正式加盟的DLs組織，仍有可能通過搜集（Gathering）DLs可公開訪問信息的途徑獲得一定程度的互操作。這種聯(lián)邦方法通常提供統(tǒng)一的用戶界面，用戶輸入查詢請求，系統(tǒng)執(zhí)行分布式搜索，并將合并后的查詢結(jié)果返回給用戶。元數(shù)據(jù)蜘蛛（MetaCrawler）[5]是搜集方法的代表，它是由美國華盛頓大學(xué)實(shí)現(xiàn)的并行Web搜索服務(wù)。MetaCrawler提供一個智能接口界面，它能將用戶的查詢并行地送往多個搜索服務(wù)（如Lycos、Altavista和Yahoo等），并對返回的結(jié)果進(jìn)行整理，篩除其中重復(fù)的內(nèi)容，然后返回給用戶。MetaCrawler體系結(jié)構(gòu)具有許多優(yōu)點(diǎn)，它在傳統(tǒng)的搜索服務(wù)之上提供一個抽象層，使其在Web增長和變化時具有較好的適應(yīng)性、可伸縮性和便攜性。
　　利用搜集方法建立聯(lián)邦數(shù)字圖書館無須任何DLs直接參與合作，但所提供服務(wù)的質(zhì)量比參與合作情況下的要差。同前面介紹的兩種方法相比，搜集方法所提供的互操作性最差。目前許多關(guān)于Web的研究可視為在這個層次上添加功能，這將會提供更有效的互操作性。盡管期望整個Web表現(xiàn)出豐富的語義不太現(xiàn)實(shí)，但是人們還是期望著通過搜集方法提供服務(wù)的水平能夠逐步地得到改善。
　　上述三種聯(lián)邦方法中，NCSTRL方法通過使用相同的協(xié)議或軟件系統(tǒng)來消除DLs之間的異構(gòu)問題，因此可以實(shí)現(xiàn)全面的互操作。而對現(xiàn)有的DLs來說，Harvesting方法是比較現(xiàn)實(shí)的

建立聯(lián)邦數(shù)字圖書館的方法。搜集方法雖然能夠通過搜集DLs可公開訪問信息的途徑獲得一定程度的互操作，但所提供服務(wù)的質(zhì)量及互操作性較差。表1給出了這三種聯(lián)邦方法的比較。
　　表1　三種聯(lián)邦方法的比較
　　附圖
　　　　　　3　互操作聯(lián)邦數(shù)字圖書館
　　未來的圖書館將是聯(lián)邦數(shù)字圖書館，其目標(biāo)是向用戶提供一個異構(gòu)、分布信息源無縫集成的視圖，實(shí)現(xiàn)對DLs資源的透明訪問。聯(lián)邦數(shù)字圖書館的建設(shè)不僅包含一系列的關(guān)鍵技術(shù)（如元數(shù)據(jù)、本體論、互操作、多語言支持、統(tǒng)一的接口界面等），而且還涉及到知識產(chǎn)權(quán)、經(jīng)濟(jì)等組織方面的問題。就技術(shù)層面而言，互操作是聯(lián)邦數(shù)字圖書館的根本問題。來自結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、語法及語義方面的異構(gòu)性，成為實(shí)現(xiàn)互操作聯(lián)邦數(shù)字圖書館的最大障礙。一種實(shí)現(xiàn)互操作聯(lián)邦數(shù)字圖書館的途徑是采用NCSTRL方法，即所有聯(lián)盟的DLs都使用相同的通信協(xié)議或軟件系統(tǒng)，這是比較理想的模式。然而，目前許多DLs都屬于自治的信息系統(tǒng)，它們具有各自的搜索界面、體系結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議和管理策略，在這些異構(gòu)的DLs之間建立互操作聯(lián)邦無疑是一種挑戰(zhàn)。對此，人們提出了不同的解決方案。其中具有代表性的有：基于中介（Mediation）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)、基于Agent的結(jié)構(gòu)和基于OAI互操作框架的結(jié)構(gòu)。
　　　　3.1　基于中介（mediation）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
　　中介（mediation）結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)異構(gòu)DLs的互操作聯(lián)邦提供了一條有效途徑。它利用一個中介層（mediator）為每種數(shù)據(jù)源提供一個通用的數(shù)據(jù)模型和查詢界面，使用包裝層（wrapper）屏蔽各種數(shù)據(jù)源之間的異構(gòu)性。中介層負(fù)責(zé)接受用戶的查詢，并將其轉(zhuǎn)換成通用模型。包裝層將中介層提供的通用模型轉(zhuǎn)換成針對具體數(shù)據(jù)源的查詢并執(zhí)行。中介層收集來自包裝層轉(zhuǎn)換后的查詢結(jié)果，將其歸并后返回給用戶。其代表是文獻(xiàn)[4]中介紹的體系結(jié)構(gòu)，它利用面向?qū)ο蟮臄?shù)字圖書館系統(tǒng)MARIAN作為網(wǎng)上學(xué)位論文聯(lián)邦數(shù)字圖書館（NDLTD）的中介層中間件（mediation  middleware），以期提供一個公共的查詢界面和集成平臺；使用5SL（一種基于XML的描述語言）描述每個聯(lián)盟DLs的館藏服務(wù)能力及其內(nèi)部文檔結(jié)構(gòu)。這些描述信息不僅可以為中介層（mediator）提供數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而且允許包裝層（wrappers）的半自動化生成。NDLTD體系結(jié)構(gòu)集成了多種采用不同協(xié)議（包括Harvest系統(tǒng)、Dienst協(xié)議、Z39.50協(xié)議和OAI協(xié)議）的異構(gòu)DLs系統(tǒng)，允許使用多種方法定期地從聯(lián)盟DLs的館藏中提取信息，經(jīng)過處理、合并后集中保存在一個聯(lián)合文檔（union  archives）中，用戶對保存在聯(lián)合文檔中的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。NDLTD體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)（異構(gòu)的）、系統(tǒng)（使用Dienst、Z39.50和OAI等不同的協(xié)議）、語法（包含有不同的數(shù)據(jù)格式）及語義四個層次上的互操作。
　　中介（mediation）結(jié)構(gòu)為館藏自治、結(jié)構(gòu)異構(gòu)的DLs之間的互操作提供了強(qiáng)有力的支持。目前這方面的主要研究工作是將中介結(jié)構(gòu)（包含有實(shí)現(xiàn)低層信息到高層抽象轉(zhuǎn)換的組件）同基于agent的系統(tǒng)（包含有控制復(fù)雜協(xié)商任務(wù)的智能對象）相結(jié)合。為了更好地支持互操作，各組件之間的通信通常采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議（如HTTP、Z39.50、KQML或CORBA）實(shí)現(xiàn)。
　　　　3.2　基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)
　　基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)是一種以數(shù)據(jù)為中心的結(jié)構(gòu)，它既不要求對現(xiàn)有DLs的結(jié)構(gòu)做任何修改，也不要求聯(lián)盟成員的DLs遵從某種互操作協(xié)議，只要求使用數(shù)字圖書館描述語言（DLDL）描述各自的館藏資源（DLs的元數(shù)據(jù)及其內(nèi)容）、訪問方法和服務(wù)能力，并將這些描述信息登記到注冊服務(wù)器中。當(dāng)用戶通過聯(lián)邦數(shù)字圖書館（FDL）查詢時，F(xiàn)DL根據(jù)注冊服務(wù)器中保存的信息，選擇出最合適的DLs執(zhí)行用戶的查詢，并收集這些DLs返回的結(jié)果，合并整理后返回給用戶。其代表是美國弗吉尼亞大學(xué)的數(shù)字圖書館研究小組提出的FDL結(jié)構(gòu)，它包括三個主要部分[2]：①異構(gòu)DLs的收集及其DLDL描述；②一個基于LDAP的注冊服務(wù)及主XML歸并agent；③一個聯(lián)邦數(shù)字圖書館（即一個基于Java的應(yīng)用程序，它能夠支持不同DLs的集成，使用戶感覺到如同使用單個數(shù)字圖書館一樣）。其中，注冊服務(wù)允許任何DLs通過向LDAP服務(wù)器提交其DLDL描述而成為FDL的一員。
　　基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)要求所有加盟的DLs使用統(tǒng)一的數(shù)字圖書館描述語言描述各自的館藏內(nèi)容、訪問方法和服務(wù)能力，其查詢響應(yīng)時間是應(yīng)當(dāng)考慮的主要因素，服務(wù)質(zhì)量通常由所選擇的DLs中服務(wù)最差者決定。
　　　　3.3　基于Agent的結(jié)構(gòu)
　　Agent（包括多Agent、智能Agent和移動Agent）的理論、技術(shù)，特別是多Agent的理論、技術(shù)，為分布式開放系統(tǒng)的分析、設(shè)計和實(shí)現(xiàn)提供了一條嶄新的途徑，被譽(yù)為“軟件開發(fā)的又一重大突破”[6]。將Agent技術(shù)引入到數(shù)字圖書館領(lǐng)域，不僅可以為用戶提供個性化的服務(wù)，而且使系統(tǒng)具有較好的開放性、可擴(kuò)展性和可伸縮性�；�于Agent的FDL體系結(jié)構(gòu)通常包括用戶Agent、中介（mediated）Agents和資源Agents，它們之間通過協(xié)商、合作完成某項任務(wù)。中介Agents負(fù)責(zé)與用戶Agent、資源Agents和其他中介Agents的交互。用戶Agent向用戶提供接口界面，接受用戶輸入的查詢請求，轉(zhuǎn)換成通用的查詢語言后交給合適的中介Agents。資源Agents作為每個DLs的智能前端接口，負(fù)責(zé)執(zhí)行用戶的查詢，其功能與中介結(jié)構(gòu)中的包裝層（wrappers）類似，主要用于隱藏每個DLs的異構(gòu)性，使用戶感到如同使用單個數(shù)字圖書館一樣。美國密執(zhí)根大學(xué)的數(shù)字圖書館原型系統(tǒng)（UMDL）[7]是這種結(jié)構(gòu)的代表，它包括用戶接口Agents（UIAs）、中介Agents、館藏接口Agents（CIAs）和館藏四個部分。其中，UIAs提供用戶使用UMDL資源的接口，并負(fù)責(zé)維護(hù)用戶的profiles，以便提供個性化的服務(wù)。中介Agents提供信息服務(wù)的中介，負(fù)責(zé)將來自UIAs的查詢送往最合適的CIAs，并監(jiān)控查詢的進(jìn)展情況，傳遞處理結(jié)果以及進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換等。CIAs負(fù)責(zé)管理UMDL的館藏接口以及館藏內(nèi)容的發(fā)布等功能。UMDL利用上述三類Agents，實(shí)現(xiàn)了對異構(gòu)信息源的跨庫檢索。
　　　　3.4　基于OAI互操作框架的結(jié)構(gòu)
　　開放存檔倡導(dǎo)（Open  Archives  Initiative——OAI）是一個討論和解決DLs互操作問題的論壇，其目標(biāo)是為實(shí)現(xiàn)DLs的互操作提供簡單、有效的機(jī)制。OAI的第一次會議于1999年10月在美國新墨西哥州的圣達(dá)菲召開，會上制定了關(guān)于元數(shù)據(jù)Harvesting的技術(shù)協(xié)定——圣達(dá)菲協(xié)定[8]。該協(xié)定主要包括兩部分：定義一個簡單的元數(shù)據(jù)元素集——開放存檔元數(shù)據(jù)集（OAMS），以便在存檔之間大粒度地發(fā)現(xiàn)文檔；定義一個公共協(xié)議——開放存檔Dienst協(xié)議的子集（OA-Dienst），以便在存檔之間提取OAMS和指定存檔的元數(shù)據(jù)。另

外，圣達(dá)菲協(xié)定還定義了數(shù)據(jù)提供者（data  providers）和服務(wù)提供者（service  providers）模型。前者指存檔的管理者，允許外界通過OAI協(xié)議訪問其元數(shù)據(jù)；后者指從數(shù)據(jù)提供者那里獲取元數(shù)據(jù)，并向用戶提供高層服務(wù)的實(shí)體。目前，圣達(dá)菲協(xié)定已得到擴(kuò)充和修改[9]，存檔內(nèi)容由起初的電子版資料（e-print  material）擴(kuò)充到一般的學(xué)術(shù)數(shù)據(jù)（scholarly  data），選用Dublin核心元素集作為公共元數(shù)據(jù)集，并將元數(shù)據(jù)Harvesting協(xié)議作為數(shù)據(jù)提供者和服務(wù)提供者之間的通信協(xié)議。
　　OAI為解決DLs的互操作問題提出了一種簡單的互操作框架。它要求數(shù)據(jù)提供者按照標(biāo)準(zhǔn)的元數(shù)據(jù)格式（如Dublin  core）建立其館藏元數(shù)據(jù)，要求服務(wù)提供者利用OAI的元數(shù)據(jù)Harvesting協(xié)議與數(shù)據(jù)提供者進(jìn)行通信。這種結(jié)構(gòu)的代表是Arc[10]，它是第一個采用OAI互操作框架實(shí)現(xiàn)的聯(lián)邦搜索服務(wù)。Arc能夠從遵從OAI協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的存檔中獲取（Harvesting）元數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后存入一個基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（如MySQL或Oracle）的搜索服務(wù)中。NDLTD[4]聯(lián)邦數(shù)字圖書館也選用OAI互操作框架作為其元數(shù)據(jù)互操作的部分解決方案，以克服聯(lián)盟DLs之間的異構(gòu)性障礙。
　　OAI互操作框架實(shí)際上是通過在數(shù)據(jù)提供者和服務(wù)提供者之間定義一個標(biāo)準(zhǔn)接口來實(shí)現(xiàn)DLs之間的互操作，但并沒有規(guī)定如何選擇數(shù)據(jù)源，也沒有強(qiáng)調(diào)如何實(shí)現(xiàn)服務(wù)提供者。另外，利用OAI互操作框架實(shí)現(xiàn)的聯(lián)邦數(shù)字圖書館也存在元數(shù)據(jù)的同步更新問題，目前主要利用基于日期戳（datestamp）的“拉”（Pull）模型解決數(shù)據(jù)提供者和服務(wù)提供者之間的數(shù)據(jù)同步問題。
　　　　　　4　結(jié)束語
　　建立全球范圍的互操作聯(lián)邦數(shù)字圖書館是一項十分艱巨的任務(wù)，不僅包含一系列的關(guān)鍵技術(shù)，而且還存在著知識產(chǎn)權(quán)、經(jīng)濟(jì)、社會和法律等方面的問題。目前許多DLs都是自治的信息系統(tǒng)，它們具有不同的搜索界面、體系結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議和管理策略。在這些異構(gòu)的DLs之間建立互操作聯(lián)邦面臨著以下挑戰(zhàn)：①提供統(tǒng)一的接口界面以及將每個DLs映射到該界面的通用映射機(jī)構(gòu)；②提供靈活的集成方式及工具以支持各種異構(gòu)DLs的集成；③用戶對聯(lián)邦數(shù)字圖書館中每個DLs的訪問應(yīng)當(dāng)透明。這些是建立互操作聯(lián)邦數(shù)字圖書館需要進(jìn)一步研究和解決的問題。
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