（企业管理专业论文）基于企业网格SOA架构的金融仿真平台的研究与实现.pdf

摘要 论文题目： 学科专业： 学生姓名： 指导教师： 基于企业网格s 0 架构的金融仿真平台的研究与实现 企业管理 马文军 张永进副教授 签名 签名 摘要 伴随着全球金融业的蓬勃发展，各种期权期货及其衍生金融产品层出不穷，传统的风 险管理方法已无法满足金融机构进行风险预测和控制的准确性、实时性需求。而在理论上 可行的蒙特卡罗方法，却在实际应用中由于对计算能力的无限需求，使得金融机构现有的 硬件设备和软件架构总是处于无法应对的困境。金融机构如果单纯提高计算性能，就不得 不投入大量资金不断更换更高级的计算设备，导致成本急剧增加。同时现有计算资源由于 得不到充分利用而导致大量浪费。因此，本文研究的目的就是基于现有计算资源条件，利 用网格技术，遵循s o a 架构对计算资源进行充分利用，以形成堪比大型机的运算能力， 进而实现蒙特卡洛方法在风险评估和预测领域的应用。 网格计算的思想就是将地理上分布的、异构的各种计算资源通过高速网络连接起来共 同完成计算任务。e g o 企业网格系统是一个构建网格计算平台的系统软件，它提供了实 现网格计算所需要的一系列功能模块，使得用户能够比较容易的开发网格应用程序。同时， s o a 架构的应用同益广泛。该架构的中心思想就是让企业应用彻底摆脱面向技术的解决 方案的束缚，轻松应对企业业务的变化和发展。本文的思路就是将这两者结合起来，在基 于网格技术的计算环境上开发贯彻s o a 架构的仿真模型平台，充分发挥二者的优势以期 能够解决实际的问题。 本文以蒙特卡罗方法求解期权期货及其衍生产品风险预测仿真模型在网格平台上的 实现为目标，主要做了一下工作：首先，通过对网格技术研究与分析，采用e g o 企业网 格系统整合现有计算资源。其次，深入分析s o a 架构，应用j a v ar m i 与多线程技术， 设计基于企业网格的符合s o a 架构的m p i 中间件，有效降低并行计算编程的难度；同时， 应用m a s t e r s l a v e 结构，使系统具有较好的负载均衡能力。然后在此平台之上，将蒙特卡 罗计算框架及其常用函数移植到该平台。利用该算法简单、高效的优点，为基于企业网格 的大规模蒙特卡洛仿真计算奠定了实现基础。最后，在此平台上测试了股票期权的仿真计 算。 【关键词】：风险评估；网格；s o a ；m p i ；蒙特卡罗；仿真平台 【论文类型】：应朋研究 a b s t r a c t t i t l e ：s t u d ya n di m p l e m e n tf i n a n c l a ls l m u l a t l o np l a t f o r m b a s e d0 ne n t e r p r i s eg r i da nds o a m a j o r ：b u s i n e s sa d m i n i s t r a t i o n n a m e ：w e n j u nm a s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f y o n g j i nz h a n g a b s t r a c t s i g n a t u s i g n a t u w i t hv i g o r o u sd e v e l o p m e n to fg l o b a lf i n a n c e ，a l lk i n do fo p t i o na n dd e r i v a t i v e sf i n a n c i a l p r o d u c ta r i s e t r a d i t i o n a lm e t h o d sf o rr i s hm a n a g e m e n th a v e n ts a t i s f i e dt h er e q u i r e m e n to fa n d r e a lt i m ef o rr i s ko fe s t i m a t ea n dc o n t r 0 1 b u tf e a s i b l ew a y - m o n t ec a r l oi nt h e o r y , i tr e q u i r e s i n f i n i t er e s o u r c eo fc o m p u t e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r ec a n tm e e tt h o s es i t u a t i o n si n f i n a n c i a lo r g a n i z a t i o n i ff i n a n c i a lo r g a n i z a t i o ni m p r o v ec o m p u t ep e r f o r m a n c es i m p l y , w i l l h a v et or e p l a c em o r ea d v a n c e n dc o m p u t ee q u i p m e n t ，m e a n t i m e ，c o s ti n c r e a s eq u i c k l ya n dl o t s o fe x i s t i n gc o m p u t er e s o u r c ec a n tb eu s e f u l lt h a tb r i n go nm u c hw a s t e s o ，t a r g e to ft h i sp a g e i m p r o v ee f f i c i e n c yo fr e s o u r c eu t i l i z a t i o ne x i s t i n gc o m p u t er e s o u r c eu s i n gg r i da n ds o a a r c h i t e c t u r ea n d i m p l e m e n ta p p l i c a t i o nw i t hm o n t ec a r l oi ne s i t i m a t ea n d c o n t r o lr i s k g r i dc o m p u t ei s f i n i s h i n gc o m p u t et a s kt h r o u g hc o n n e c t e da l lr e s o u r c ew i t hh i g h s p e e d t h o s er e s o u c e sa r ei nd i f f e m tp l a c eo ri s o m e r o u s e g oi se n t e r p r i s eg r i da n dp r o v i d e s l o t so fm o d u l ef o rf a c i l i t yd e v e l o p m e n tg r i da p p l i c a t i o nw i t hc l i e n t a tt h es a n l et i m e ，s o ai s u s e da b r o a d ，a n dm i s s i o no ft h i sa r c h i t e c t u r em a k ee n t e r p r i s eg e tr i do ft e c h n o l o g ya n dm e e t c h a n g i n ga n dd e v e l o p m e n ti no p e r a t i o n t h i sp a g ec o m b i n e st h o s ea n dd e v e l o p ss i m u l a t i o n p l a t f o r mb a s e dg r i da n ds o a ，a n dt a k ea d v a n t a g eo ft h o s et or e s o l v er e a lp r o b l e m a i mo ft h i sp a g ei si m p l e m e n tap l a t f o r mt h a te s t i m a t ea n dc o n t r o lo p t i o n a lr i s kw i t h m o n t ec a r l ob a s e dg r i d s o ，f i r s t l y , s t u d ya n di n v e s t i g a t eg r i dt e c h n o l o g ye s p e c i a l l y e n t e r p r i s eg r i d s e l e c tai n d u s t r i a l 鲥dp r o d u c t - e g oa n dr e s o l v et h ep r o b l e mo fu s i n ge x i s t i n g c o m p u t e rr e s o u r c ea n di m p r o v i n gc o m p u t e rp e r f o r m a n c e t os t u d ys o a a n dm p im i d d l e w a r e t or e d u c ed i f f i c u l tf o rp a r a l l e lc o m p u t e r i n t e g r a t i o nm o n t ec a r l of r a m e w o r kt or e d u c ed i f f i c u l t f o ri m p l e m e n ts i m u l a t i o no ff i n a n c i a lm o d e l i nt h ee n d ，i m p l e m e n ts t o c ka n df u t u r es i m u l a t i o n o nf i n a n c i a ls i m u l a t i o nt op r o v et h i sp l a t f o r mi sr e l i a b l e t h ec o n t e n t so ft h i st h e s i si n c l u d e a r c h i t e c t u r e ， a l g o r i t h m ，p r o g r a m m i n ga n da p p l i c a t i o n so fc o m p u t a t i o n a lf i n a n c er u n n i n g s u p p o r ts y s t e m t h e s er e s e a r c hr e s u l t sw i l lc o n d u c ec o m p u t a t i o n a lf i n a n c ea st e c h n i c a lm e t h o d t oi m p r o v et h el o w e f f i c i e n c yo ff i n a n c i a li n d u s t r ya n db u i l df i n a n c i a ls y s t e m ，w h i c hi sa d a p t e d t oo u re c o n o m i cd e v e l o p m e n ts t a t u s 西安理工大学硕士学位论文 【k e yw o r d s 】：r i s ke s t i m a t e ；g r i d ；s o a ；m p i ；m o n t ec a r l o ；f i n a n c i a ls i m u l a t i o n 【t y p eo ft h e s i s ：a p p l i e dr e s e a r c h 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明；本人所呈交的学位论文是我 舍人在导师指导卞进行的研究i 作及取得的成果。j 尽我所知，除特别加以标注和致谢 韵地方外：论文中不包含其他人的研究成果e7 与我同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何酋献均己在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，。由本人承担，切相关责任 论文作者签吞玉迎一。黼、俎7 日 学位论文使用授权声明 本人。= _ 聋重圣。在导师的指导下创作完成毕业论文i 本人已通过论文的答辩j 并已经在西安理工大学申请博士，硕士学位扫! ? ：本人作为学位论文著作权拥有者，。同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即王7 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印。缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，j 一可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索：”为 教学和科研目的；学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆。 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读 ：，浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 、授权西安理工大学研究生部办 理0 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名乏聋芰垦。j 。，导师签名；， ，乙砖x 年苫胄，穸日 第一章引言 1 引言 1 1 研究的背景 金融全球化进程的快速发展，使得越来越多的机构与个人直接或间接的进入 金融市场。2 0 0 0 年以来，全球期权期货交易发展更为迅猛。美国期货业协会 ( f u t u t e si n d u s t r ya s s o c i a t i o n ，f i a ) 的统计数据表明，2 0 0 3 年全球期货与期权 交易量为8 1 亿手，增长率为3 2 ，期权市场呈现出良好的发展态势和前景。高 速发展的期权期货及其衍生产品市场，迫切需要相应的风险防范、化解工具。 然而金融市场的同益错综复杂，期权期货及其衍生产品定价面临越来越复杂 的随机性问题，用通常的风险敞口等值法和敏感度分析法求解已经不能解决问 题，使得蒙特卡罗方法成为金融分析最为可行的方法。当投资组合的增加也就是 当衍生证券的维数比较高时，蒙特卡罗方法甚至是风险评估唯一的方法乜3 。 采用蒙特卡罗方法模拟影响期权期货以及衍生产品价值的关键随机变量的 可能路径，以及交易过程中各时间点和到期时的期权期货以及衍生产品价值。经 过成千上百次的反复计算得出一个均值。期权期货以及衍生产品的初始价值与模 拟平均值之差是对未来任一时间点和到期信用风险敞口值的一个度量。 但是蒙特卡罗方法最大的缺点就是计算量巨大。如果投资组合中有1 0 0 0 0 种 资产，对每种资产的模拟路径为1 0 0 0 种，那么投资组合就会有1 0 0 0 万个，这就 要求进行1 0 0 0 万次的仿真计算。如此大的计算量是以牺牲计算结果的实时性为 代价的，而实际模拟路径远远大于以上假设，所以若要改善实时性能就必须提供 高效的计算资源。 对于蒙特卡罗方法在期权期货以及金融衍生产品的定价的应用，早在1 9 9 1 年意大利塞浦路斯大学h e i 蝴e s 实验室进行了实验，他们进行高性能计算在复 杂金融衍生证券定价中的应用实验，其结果是，在当时最好的工作站( v a x ) 上 用时几小时，超级计算机( c r a x y - m p ) 为几分钟，大规模并行计算机( c m 2 a ) 几十秒钟。从几小时到几十秒，将为金融参与者赢得更多的时间口1 。 国外金融机构或风险分析公司，由于其大规模并行计算机的复杂性，和不适 合商业应用等因素，目前也只是利用j a v aa p p l e t 技术在公司主页上提供简化的 期权定价算法，例如美国股票交易公司、s n o w g o l d 公司，其主要目的在于教学 和培训，定价结果不能用于实际金融风险或决策分析。对于大中型金融机构，特 别是提供实时风险评估服务的投资银行，目前解决方案也只能通过购买或者租用 昂贵的大型专业的服务器来提供蒙特卡罗仿真计算。比如j pm o r g a n ，c i t i 等金 融业巨头为了达到实时需求，提高竞争力，每年投入大量资金购买i b m 多核刀 西安理工大学硕士学位论文 片机，h p 多核服务器。而同时，大量闲置的小型服务器却无法应用n 引。 在这样的背景下，本文综合目前成熟的网格技术以及通用的s o a 架构理念， 分析与设计基于蒙特卡罗方法的期权期货以及衍生产品的风险计算平台。在设计 上充分利用金融行业已有的小型服务器，通过并行的s o a 架构，设计实现仿真 平台，实现实时准确的蒙特卡罗风险计算。 1 2 研究的现状 如研究背景所陈述，早在1 9 9 1 年，塞浦路斯大学已经在试验环境下，证明 了高性能计算资源在提高蒙特卡罗在期权期货及衍生产品风险仿真计算的可行 性。目前，国外金融巨头，特别是j pm o r g a n ，c i t i 等，为了提高竞争力，一方面 是不断投资i t 部门，购买大量机器，比如在2 0 0 3 年，j pm o r g a n ，进行仿真计 算的机器数量已达7 0 0 c p u ，同时，以每月2 0 0 c p u 的速度增加哺】。同时这些金 融巨头开始尝试用网格技术利用现有的计算资源，提高仿真计算的实时性，降低 成本。 然而，直接在网格平台上开发应用系统，在实际中存在很多问题。 首先就是学习曲线非常高，网格计算是比较偏向底层的计算机技术，金融机 构的i t 部门不得不花大量时间、金钱学习网格的基本理论。同时不同的网格产 品之间存在很大的差异，使得i t 部门不得不依赖特定的提供网格产品的公司， 存在很大的技术风险。 其次，没有合理的架构理念，虽然网格提供了大量的计算资源，但如何充分 利用这些计算资源，取决于构建在网格之上的应用层的架构。也就是说架构的好 坏将决定是否能够充分发挥资源。 再次，要想使仿真期权计算有很好的灵活性，实时性和准确性。很大程度上 也取决于i t 部门的技术实力。所以，目前这些金融机构招聘大量i t 技术人员来 开发维护系统。据统计北美软件行业从业人员6 0 流向于金融机构，从另一方面 说明了金融行业的成本在不断增加。 而在我国，金融领域的数值计算起步较晚，对于将蒙特卡罗应用于实际的风 险技术与防范还处于初级研究阶段。比较有实际意义的就是兰蓉教授提出的基于 机群的并行m o n t ec a r l o 仿真平台进行的金融衍生证券定价计算模型盯1 。 总之，就研究应用而言，蒙特卡罗的仿真应用还处于很底层的初级阶段。无 论从应用的规模上，还是在计算效率和应用广泛程度上，都有很多问题值得解决。 希望本文能够对这个领域有所贡献。 2 第一章引言 1 3 研究的意义 本课题总结国外金融行业基于蒙特卡罗方法进行期权期货及其衍生产品仿 真的不足，提出应用成熟的网格产品以及目前软件架构上最合理的架构理念 一s o a 架构，设计与实现基于网格与s o a 架构的金融仿真平台，对于国外及国内 金融行业有着重要的现实意义。 ( 1 ) 整合金融行业已有的计算资源，减少重复建设，减低成本。通过企业 网格技术整合目前金融行业现有的资源，包括现有的服务器资源，现有的桌面机 资源等。减少购买昂贵的大型机等。 ( 2 ) 实现仿真的实时性，提高决策效率。采用并行行为模式多线程技术提 高并行效率，提供常用的金融仿真数值计算框架，简化仿真建模过程，减少从建 立模型到完成仿真计算的时间。 ( 3 ) 对于上文中涉及到的大中型金融机构而言，在技术层面上，本文提供 了一套解决面临上述问题的全面解决方案。一方面可以减少对提供特定网格产品 软件公司的依赖，减低技术风险。另一方面大大减低了开发人员的学习曲线，能 够快速开发金融仿真应用。在硬件方面和人力资源方面节约大量成本。 ( 4 ) 本文提出了一套通用的解决方案，对于其他金融应用，可以借鉴其在 架构上和实现上的优势，提高相关应用的服务质量。 ( 5 ) 对于其他提供风险投资服务的金融机构，和计划要进入该领域的金融 机构而言，特别是国内金融机构。本文所提出的解决方案大大减低了进入该领域 的技术门槛，可以快速提高竞争能力。 1 4 本文的研究路线和结构图 本文针对要解决的问题，设计实现了基于企业网格s o a 架构的金融仿真平 台f i n a n c i a ls i m u l a t i o n 平台。具体研究内容如下： 第1 章为引言部分，主要内容包括：研究背景、研究现状、研究意义、研 究路线及就构图。说明金融行业风险计算的现状和问题。 第2 章针对第1 章提出的问题，详细介绍网格技术、企业网格技术以及现 有的并行算法的理论以及实现。分析并选择商业上成熟的网格产品作为本文仿真 平台的的低层平台。同时说明s o a 架构理论及其应用。为金融仿真平台软件架构 设计提供理论支持。 第3 章介绍了金融仿真应用中最常用的蒙特卡洛计算方法，为本文提出的 金融仿真平台设计与测试提供实际参考依据。 第4 章分析了金融仿真应用金融仿真平台需求以及设计目标、设计原则、 西安理工大学硕士学位论文 特点以及设计思想。 第5 章在前三章的基础上，实现并测试了f i n a n i c a ls i m u l a t i o n 平台。 通过实际的测试说明平台的可靠性与实时性。 第6 章总结论文主要成果以及进一步研究方向。 本文的研究框架如图1 - 1 所示。 第1 章引言 上 第2 章理论综述 0 第3 章蒙特卡洛方法及其在金融仿真中的应用 j 第4 章f i n a n c i a ls i m u l a t i o n 平台需求分析及设计 上 第5 章f i n a n c i a ls i m u l a t i o n 的实现 上 第6 章结论 图1 - 1 论文研究框架 f i g u r e l 一1r e s e a c hf r a m e w o r k 1 5 论文的主要研究目标 本文的创新点主要体现在应用e g o 网格产品整个金融机构现有资源，以及 在此之上参考s o a 架构提供高性能、并行的基于蒙特卡罗金融仿真平台。 为了实现这一平台，需要实现以下几个目标： ( 1 ) 基于e g o 网格平台，利用其提供的a p i 接口开发资源代理模块，为上 层提供计算资源； ( 2 ) 遵循s o a 理念，利用j a v ar m i 和多线程技术，开发服务模块、注册模 块、管理模块、客户端和服务端a p i 接口。彻底摆脱面向技术的解决方案的束缚， 轻松应对金融业务的变化和发展。 ( 3 ) 将蒙特卡洛函数包整合到客户端和服务端a p i 接口模块中。简化开发 风险评估应用程序的难度。 ( 4 ) 通过股票价格模型、期权定价模型的测试，证明了该平台能够满足实 际应用。 4 第二章理论综述 2 理论综述 2 1 网格以及并行计算概述 随着信息技术、计算机制造技术以及周边相关环节的不断进步与发展，计算 机以及计算机网络的性能不断地得到飞速提升，与之同时伴随着的是成本的日益 低廉化。正因如此，新兴的计算模型也不断变革着各类科学计算与工程计算的实 践方式。然而在另一方面，随着研究问题持续增长的复杂度以及先进科学技术带 来的强大推动力，越来越多的科研成果需要依赖于大规模计算，海量数据分析与 协同，正如同它们在以往依赖于科学实验者与理论研究人员自身的努力一般。即 使目前计算机的计算能力，存储能力以及通信能力正以指数级的速度不断增长， 计算资源却依然落后于计算需求的发展。 举例来说，现在一台个人桌面计算机的处理能力相当于一台上世纪9 0 年代 初的超级计算机，而在那时，生物学家只需要满足于计算一个单一的分子结构， 如今他们需要计算的是复杂的高分子聚合结构。如今一台个人计算机可以配备上 百g b 的存储能力，相当于上世纪9 0 年代初整个超级计算中心的存储能力，截 止到2 0 0 6 年，就有相当数量的物理实验项目会在短时间内产生海量的数据，它 们之中包括欧洲核子实验室的大型强子对撞机，每年产生数个p b 的数据；目前 一些广域网的传输速率达到1 5 5 m b p s ，比前几年用来连接全美超级计算中心的 5 6 k b p s 快了三个数量级，但为了交换p b 数量级的数据，现在不得不要求g b p s 的传输速率。 网格为逾越这些障碍继续前进提供了一种颇具潜能的解决方案，通过提供可 扩展的、安全的、高性能的机制来发现和使用远程资源。网格使得终端用户可以 在一个前所未有的广度之上协同使用地理上广泛分布的资源。网格利用分散联网 通过互联网计算资源将其建模成为一个虚拟的能够在并行的基础设施之上分发 执行任务的体系结构，来处理大规模的计算问题。 2 1 1 网格的起源 如同互联网一样，网格计算的出现也是由大型科研机构的计算需求所导致。 互联网的初期发展是为了满足大型计算机组织之间通信的需求，这些通信引入了 资源与信息的共享，以及对终端用户的开放访问，对资源共享的过程最终指引了 任意两个实体间通信协议的标准化。现今的网格技术可以视作这种共享框架应用 的延伸，更进一步是为了创造一个更加普遍意义的资源共享的环境。 西安理工大学硕士学位论文 网格的雏形可以追溯到上世纪7 0 年代早期加州大学i r v i n e 分校的分布式计 算系统，在1 9 9 7 年7 月美国商业周刊对其的报道中采用了这样的标题：“这 机器像个单一却又高度灵活的环，上面每个部件都能竞相请求完成任务”，从现 代的观点来看，当时的“环”正是如今的计算机网络，“部件”i f 是独立的计算 机，这种方式非常类似于现今网格系统中计算资源的组织形式阳1 0 ，。 网格的概念最初在上世纪9 0 年代初由被称为“网格之父”的i a nf o s t e r ， g a r l k e s s e l m a n 以及s t e v et u e c k e 三人共同提出儿1 2 1 。他们领导开发了g l o b u s t o o l k i t ，不仅仅实现了针对资源的管理( 例如集群管理和时钟循环利用) ，还实 现了存储管理，安全基础架构，数据传输，状态监控，并提供了用于开发基于公 共的协作、消息、服务触发、信息聚合机制之上的附加服务的开发套件。至今仍 然是网格解决方案中的既成事实标准。 2 1 2 网格的特点、分类与定义 在网格计算中，大量分散的计算机被视作为建立在一个分布式通信基础设施 之上的虚拟集群，通过利用这个虚拟集群的闲置资源来为大规模计算问题提供解 决模型。其目标之一是解决那些在单一超级计算机上难以解决的问题，同时发挥 单一计算机能灵活地同时处理多个小规模计算任务的优势。与传统的计算机集群 与分布式计算不同在于，网格计算也更着重于强调支持计算任务跨越多个不同的 自治域。 网格计算多用于处理基于海量数据的挑战性的问题，诸如生物蛋白质计算， 经济建模，地震模拟以及气象预测等。网格提供了一种在特定组织内部优化使用 信息技术资源的方式，同时将这种信息技术抽象成为一种功能性的设施提供给商 业或者非商业用户，就如同使用电或者自来水这样的公共事业设施，由此，网格 计算需要虚拟化分布式的异构资源可能是构建于不同的平台，不同的软硬件架构 等等，以达到远程共享的目的。 a 网格的特点 网格与网格计算的特点可以归纳为如下几个方面： ( 1 ) 资源的分布性和有组织性网格的焦点是资源的共享与协同，闲置资源 在地理位置上分布在互不相同的多个区域，而不是位于单点。因此，基于网格计 算是分布式计算而不是集中式计算，这同时意味着网格计算本身是分布式计算的 子集。另一方面，网格上的各种共享资源是按照一定的逻辑结构组织在一起的， 网格系统需要通过一定的管理策略来保证这种组织结构的稳定性。 ( 2 ) 网格可扩展性通常情况下，一个网格系统内存在若干个自治域，各个 自治域和全局域在结构上存在着一定的相似性。大规模的网格系统可以认为是通 6 第二章理论综述 过聚合若干小规模网格系统而构建，小规模的网格系统与大规模的网格系统类 似，都有各自局部的集中管理结点。网格的可扩展性是网格系统研究的一个重要 方面。 ( 3 ) 资源的稳定性和动态性网格中的资源具有相对的稳定性，共享于网格 系统中的资源在相当长的一段时间内可达可用，这是网格系统得以正常运行的可 靠保证。同时在另一方面，网格系统的各类共享资源也会逐步增加，原有的资源 也可能因为各种原因退出，因此，网格系统的资源又是动态变化的。然而相对于 p 2 p 系统来说，网格中的资源鉴于其资源的组织结构的稳定性，其新生与消亡频 率要低的多。 ( 4 ) 网格计算的健壮性和安全性网格由于其强大的计算能力，往往被用于 各种高负荷的科学计算与工程计算，网格必须提供相应的健壮性以保证复杂的计 算过程顺利可靠地完成，任何环节的失误都可能带来诸多方面的巨大损失。同时， 可以想象在很多特殊应用领域，其计算过程及中间结果需要严格保密，故而安全 性也是网格计算中需要着重考虑的环节。 b 网格的分类 从功能角度分析，网格可以粗略地分为如下若干类： ( 1 ) 计算网格着重处理计算密集型的应用，用于提高整个系统的吞吐能力 和计算能力，使得无法在单点完成的高性能计算任务可以在网格系统上完成。可 以看作是本地同构计算集群的一种广域异构扩展。 ( 2 ) 数据网格控制共享与管理海量数据资源，例如在上述提及的地震模拟 以及气象预测的应用中，数据采集、数据处理以及数据存储可能在物理上位于不 同的计算结点，在数据通信上存在着巨大的压力，数据网格提供的虚拟的统一存 储在其中便可发挥重要的作用。 ( 3 ) 设施网格拥有特殊的设备与装置，接入其的网格系统可以远程控制相 应的设施，并对产生的相关数据进行分析与处理，同时也是闲置资源的另一种使 用与共享方式。 c 网格的定义 即使是这样，要对网格下一个精确的定义依然不是一件非常容易的事情，在 此可以参照i b m 给出的对网格的定义：“网格拥有通过开放的标准与协议，获取 广泛分布于互联网的应用与数据、处理器资源、存储资源以及大量的其他计算资 源的能力，网格是一种分布式并行系统，这种系统能够依照各个不同自治域对其 自身资源可达性、处理能力、性能、成本以及服务质量等要求来提供对跨越多个 域的分布式资源的共享、选择与聚合”，当然也可以借鉴“网格之父”i a nf o s t e r 7 西安理工大学硕士学位论文 所指出的非常简练的三个判断标准3 1 。 ( 1 ) 计算资源不被全局集中控制。 ( 2 ) 采用开放的标准。 ( 3 ) 能相当提供非平凡的服务质量即大吞吐量，服务透明，高可靠性。 2 1 3 网格的层级结构 通常意义上，网格系统可以分为三个基本层次：资源层、中间件层和应用层。 网格资源层是构成网格系统的硬件基础，它包括各种计算资源，如超级计算 机、大型存储设备，专用仪器、可视化设备、各类应用软件等，这些计算资源通 过网络设备连接起来。网格资源层仅仅实现了计算资源在物理上的连通，然而从 逻辑上看，这些资源仍然是孤立的，资源共享问题仍然没有得到解决。因此，必 须在网格资源层的基础上通过网格中间件层来完成广域计算资源的有效共享和 统一访问。 网格中间件层是指一系列工具和协议软件，其功能是屏蔽网格资源层中计算 资源的分布、异构特性，向网格应用层提供透明、统一的访问接口。网格中间件 是网格相关领域研究的热点话题，也是大多数网格系统赖以生存的支柱。从某种 意义上说网格中间件层也可以被视为网格操作系统，它同时需要提供用户编程接 口和相应的运行环境，以支持网格应用的开发，这也是本文此后将探讨的重点。 网格应用层是终端用户需求的具体实现。在网格中间件的支持下，网格用户可以 使用其提供的工具或环境开发各种应用系统。能否在网格系统上开发应用系统以 解决各种大型计算问题是衡量网格系统优劣的关键所在。到目前为止，仍有相当 多的关键技术还有待突破。 同时网格计算界的g l o b u s 对网格系统的层次结构也给出了它的四层定义， 层次之间环环相扣，共同构建一个完整的网格体系： ( 1 ) 网格组织层( g r i df a b r i c ) ：网格组织层包括组成网格系统物理设施所 需的软硬件单位，包括底层系统的计算机，操作系统，网络设备，存储系统等。 ( 2 ) 网格服务层( g r i ds e r v i c e s ) ：网格服务层以组件化的方式对位于网格 组织层的资源进行整合与管理。例如作业提交管理，信息服务以及提供安全支持 的服务模块等等。 ( 3 ) 应用工具层( a p p l i c a t i o nt o o l k i t s ) 即应用工具层利用网格服务层的底 层服务来支持更高层的专业化应用需求。例如在作业提交管理模块之上加入运行 远程分布式作业的支持等。网格开发环境支持，分布式协同可视化支持以及远程 设施的在线操控等也均属于应用工具层。 ( 4 ) 具体应用层( s p e c i f i c a p p l i c a t i o n s ) 由构建在以上三层支持基础上的种类 第二章理论综述 繁多的应用所构成，常见的应用包括高能物理，天文，气象及生物计算等。本文 将在此层实现金融仿真计算。 通常来说，在实际实现的网格系统中，网格中间件即由网格服务层与应用工 具层共同构成。 2 1 4 企业网格定义 企业网格是网格在应用上的一个子集，它是把一个企业的计算资源进行整 合，使之能够提高企业整个计算资源的利用率，降低成本。本文以p l a t f o r i l l 公 司e g o 为例，表述企业网格的特定的组成与实现。并行在本文的金融仿真平台 的底层，也使用该产品进行资源整合。p l a t f o me g o 提供了一个单一的，内聚的 管理环境，它为不同公司的应用软件、服务和工作负载集中分配在地理上交叉分 散的站点的共享资源。传统的计算资源，如主机，机群，都是用一组弱耦合服务 器如资源分配服务器，执行服务器，安全服务器等等来虚拟的。图2 1 所示为虚 拟数据中心u 钊。 a p p l l c a t i o n a r c h i t e c t u r e s 、 _ _ _ _ _ _ e r d e h p r ；l e 叛蝴 、 ，舒，bs e r v o e $ 甥i i c a 扣铷c i # # 瞬；钧 t 燃h o i o g y 2 = s 静v 韶r 硕r l u d 铺 魄聊 $ t 搿0 9 , ev i r i , , l o l l i o t l o , r l n 毒x ；e n s 细e ，s 雹8 浏曩 c o m p 咖删穗毫 5 0 i 图2 1 虚拟数据中心 f i g u r e 2 1 c e n t e ro f v i r t u a ld a t a 图2 2 举例说明p l a t f o r m e g o 作为一个网格平台的基础使虚拟数据中心成 为可能。随着分布式站点数量的日益增多以及e r p 、c r m 、企业智能和供应链 管理等关键任务应用的实施，数据中心的复杂性与日俱增，这使得企业开始难以 管理并维持其竞争力和灵活性，无法应对不断变化的业务需求。 9 西菁理工大学硕士学位论文 粼锶”雠嚣濂 圄国营 削22p l a t f o r m e g o 框架 f i g u r e 2 - 2f r a m e w o r ko f p l a t f o n n e g o p l a t f o r m e g o 充分利用网格计算平台的优势，提供了一个单一的管理环境， 可在地理位置分散的站点之间，为所有的关键任务应用、服务及工作任务集中分 配共享资源。此外，它还可通过改善的利用率和性能( 可按需灵活添加资源) ， 提供更快的运行速度及更出色的s l a ( 服务等级协议) 管理，切实降低企业的i t 总成本。 p l a t f o r me g o 应用信息、分配和执行在它的企业网格体系结构中作为关键概 念。当众多的技术有效地单独地联合资源管理应对信息和执行行为，没有一个和 分目d 组件取彳寻全面地接触。为了解决这个问题，p l a t f o r m e g o 在每个服务器上应 用个单独的普通主体以用来管理交叉应用和组织领域的共享企业资源。 p l a t f o r m e g o 有丰富的组成部分。总体的一个框架如图2 - 3 ： 一矧司 马訇国劐 第二章理论综述 圈 p l a t f o r me g os e r v i c e s e n t e r p r i s ec l u s t e rk e r n e l 图2 3p l a t f o i t i ie g o 总体框架图 f i g u r e 2 - 3m o d u l eo fp l a t f o r m e g o 下面给出这些概念的含义： ( 1 ) 信息 有关管理资源的状态和利用率的信息是对所有应用都可用的。 ( 2 ) 分配 对应用的资源的分配是基于商业上所提倡的时序技术和用户定义原则。 ( 3 ) 执行 应用服务的执行是管理交叉分布的、异构的体系结构来最大化工作负载吞吐 量。 p l a t f o r me g o 不同于现存的网格技术是因为其它的基于网格的技术在设计 上是单片电路的并且只关心解决一个特定的问题( 如虚拟化、系统管理、资源供 应或者批量时序) 。这些产品造成解决方法地窖，限制了它们的使用。p l a t f o r m e g o 提供了一个现代的面向目标的建筑区域方法，在那需要的任何数量的应用和服务 都能被展开，还没有建筑地窖。 因此，应用体系结构和组织技术的发展和成熟，通过p l a t f o r me g o 使得虚 拟数据中心显现出来。 ap l a t f o r me g o 的功能和工作流程 p l a t f o r m e g o 主要用于解决资源分配问题，故其主要功能有将虚拟化及关键 西安理工大学硕士学位论文 任务应用集成至单一高效的系统之中。 ( 1 ) 以单一网络环境覆盖地理位置分散的不同站点。 ( 2 ) 根据业务策略对所有企业资源上的工作任务进行优先级划分。 ( 3 ) 实时响应客户及供应链的业务需求变化。 ( 4 ) 以模块化应用集成方式，稳步增长与扩充。 p l a t f o r me g o 提供虚拟化及自动化功能，并为各种应用类型共享所有i t 资 源的网格平台。借助p l a t f o r me g o 来支持各种应用，i t 人员可即时响应不断 变化的业务需求，对资源进行实时分配与重新分配。 下面来简单看一下p l a t f o r m e g o 在处理资源诸如以下资源请求时是如何工作 的：实例化一个物理的或者虚拟的服务器时；为一个正在运行的应用扩充或紧缩 服务能力时；提高一个应用的可利用的存储能力。 基于一个政策联合独特的应用为商业服务，这些资源请求被自动处理。事实 上，政策和基于政策的管理是做资源分配决定过程中的重要组成部分。p l a t f o r m e g o 基于政策的管理解决方案是一个综合的途径和体系结构，可以用一些至关 紧要的操作，如资源管理和分配来提高政策的交互作用。 核心的政策模型支持如下几个方面： ( 1 ) 公平共享时序 把一个机群的处理能力分成用户和组来提供公平的共享访问资源。为了阻 止一个用户形态垄断一个机器，公平共享时序控制资源如何别竞争用户所共享。 ( 2 ) 分等级的公平共享 不同的用户被赋予不同的优先级。 ( 3 ) 先空策略 时序安排允许一个未决的高优先级的工作倒空之前的一个正在运行的低 优先级的工作。 用最简单的词来描述，个策略可以用c p u 、内存和存储利用极限来定义。 这些请求被协调工具所处理： ( 4 ) 向p l a t f o r n l 提出资源请求。 ( 5 ) 资源请求的信息应该包括如下： 资源特性( 数据，存储量，处理方式) 。 必要的环境( 物理上的或虚拟的处理器) 。 操作系统需求。 软件系统需求。 完成全部资源请求所需的数据和存储条件。 ( 6 ) p l a t f o r me g o 根据可利用的资源和赋予这个资源请求的优先级和当前 1 2 第二章理论综述 再网格上所执行的其它资源请求的关系来做出分配决定。 ( 7 ) 执行资源请求收益，不管是不确定地或者知道区分优先级前，暂停地或 已完成的。 ( 8 ) 为将来分配和执行决定的关于可用资源能力的信息返回给 p l a t f o r m e g o 。 这个过程可以很容易的被任意类型资源请求所应用。此外，p l a t f o r m e g o 作 为一个开放的网格平台，它可以在一个可升级的，策略驱动的体系结构里和所有 类型的i t 服务相互影响。 2 1 5 并行与m p i 科技的发展要求计算机系统提供更强的计算能力，这种需求总是不断增长 的。需要高计算速度的领域包括科学和工程问题。这些问题常需要对大量数据进 行很多次重复计算以得到有效结果。此外计算必须在“合理”的时间内完成。在 有些制造领域，工程计算和模拟需要在几秒或几分钟内完成。特别是有些应用问 题的计算对时间有特定的期限，如气象预报。因此，对高性能计算的需求越来越迫 切，越来越广泛。 多年来，随着大规模集成电路技术的不断进步，以多为基础的高性能并行计算 机得到了迅速的发展，其高端系统正向百万亿次、千万亿次迈进。我国近十年来 对高性能并行计算机的研究开发也给予很大重视，取得了长足的进步和可贵的经 验，研制出了具有相当水平的并行机系统。它可以使现有的问题得到加速求解，还 可以使一些更大的问题或更精确的问题能在合理的时间内完成求解。 由于蒙特卡罗方法是利用计算机模拟随机现象产生的随机数据来进行近似 计算的方法，结果的精度依赖于模拟运算次数，要想达到较高的精度需要进行较多 的模拟次数，否则可能产生较大的误差。因此蒙特卡罗方法通常要进行上百万次 的模拟对如此庞大的数据进行分析计算，需要耗费很长时间，用串行算法很难实现， 尤其是在实时计算中更难应用，因此采用并行算法，可以加快速度，节省投入，使蒙 特卡罗方法能够切实应用。目前国外对蒙特卡罗方法进行了并行处理。但在我国， 关于蒙特卡罗方法并行的文献还比较少见。 并行计算就是在并行计算机或分布式计算机等高性