（管理科学与工程专业论文）一种基于反向拍卖技术（rat）的网格资源管理模型研究.pdf

一种基于反向拍卖技术( r a t ) 的网格资源 管理模型研究 摘要 网格( g r i d ) 作为一种先进的技术和基础设施，是继互联网之后的又 一项重大科技进步，被称为下一代网络。网格资源管理是网格研究的重要 内容，基于经济机制的网格资源管理模型是网格研究新的热点。本文针对 基于经济机制的网格资源管理问题展开研究，主要的研究工作包括下几个 方面： ( 1 ) 网格q o s 参数分类方法研究：本文根据网格的特点和o o s 参数所 表达的特性的不同，提出了一种网格o o s 参数的分类方法：首先把网格q o s 参数分成硬q o s 和软q o s 参数两类，进而将软q o s 参数分为四种类型，并 分别进行定量化的研究，最后利用这四种参数建立起效用函数，以评价网 格用户对网格的满意程度。 ( 2 ) 基于反向拍卖技术( r a t ) 的网格资源管理模型研究：本文针对 网格环境与反向拍卖技术的特点，将反向拍卖技术引入到网格资源管理中 来，提出了种基于r a t 的网格资源管理模型，本文详细地描述了此模型 的结构模型、数学模型以及工作流程。最后通过实验，验证了此模型在网 格资源管理中的合理性与实用性。 ( 3 ) 网格仿真实验：本文通过对g r i d s i m 工具进行二次开发，进行了 网格资源分配仿真实验，验证了上述网格资源管理模型的合理性与可行 性。 关键词：网格；q o s ；反向拍卖技术：g r i d s i m ar e s e a r c ho nr a t ( r e v e r s ea u c t i o n t e c h n o l o g y ) - b a s e dg r i dr e s o u r c em a n a g e m e n tm o d e l a b s t r a c t a sak i n do fa d v a n c e dt e c h n o l o g ya n di n f r a s t r u c t u r e g r i di sa n o t h e rm a j o rs c i e n t i f i c a n dt e c h n o l o g i c a lp r o g r e s sa f t e rt h ei n t e r n e t ，w h i c hi ss a i dt ob et h en e x tg e n e r a t i o n n e t w o r k g r i dr e s o u r c e m a n a g e m e n t i sa l l i m p o r t a n tp a r t o fr e s e a r c ho n g r i d e c o n o m i c - m e c h a n i s mb a s e dg r i dr e s o u r c em a n a g e m e n tm o d e l i san e wh o tt o p i ci nc u r r e n t g r i dr e s e a r c h f o c u s i n go ng i r dr e s o u r c em a n a g e m e n t ，t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i sa r ea s f o l l o w s ： g r i dq o sp a r a m e t e r sc l a s s i f i c a t i o n ： b a s e do nt h eq u a l i t yo f g r i da n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fq o sp a r a m e t e r s ，i nt h i st h e s i s ，w ec l a s s i f i e s q o sp a r a m e t e r s ，a m o n g w h i c hs o f tq o s p a r a m e t e r sa r ed i v i d e di n t of o u rt y p e sf o rf u r t h e rq u a n t i t a t i v er e s e a r c h t h e n u t i l i t yf u n c t i o ni se s t a b l i s h e du s i n gt h e s ef o u rt y p e so fq o sp a r a m e t e r s ，s oa st oe v a l u a t e s a t i s f a c t i o nd e g r e eo fg r i du s e r s r a t ( r e v e r s ea u c t i o nt e c h n o l o g y ) 一b a s e dr e s o u r c em a n a g e m e n tm o d e l ：b a s e do nt h e g r i de n v i r o n m e n ta n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fr a t , r a ti si n t r o d u c e dt og r i dr e s o u r c e m a n a g e m e n t w ep r e s e n ta 附b a s e dr e s o u r c em a n a g e m e n tm o d e l t h e ni t sd e t a i l s t r u c t u r em o d e l ，m a t hm o d e l ，a sw e l la st h ew o r k f l o wo ft h i sm o d e la r ed e s c r i b e d f i n a l l y a ne x p e r i m e n ti s p r e s e n t e dt ot e s t i f yt h ev a l i d i t yo ft h em o d e lf o rg r i dr e s o u r c e m a n a g e m e n t r e s e a r c ho ng d ds i m u l a t i o n ：i nt h i st h e s i s ，w ee s t a b l i s hag r i ds i m u l a t i o nb a s e do nt h e c o m p u t a t i o n a le c o n o m yb yd e v e l o p i n gg r i d s i m ，ag r i ds i m u l a t i o nt 0 0 1 a n dt h r o u g h s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，t h em o d e ja b o v ei sp r o v e dt ob ee f f e c t i v ea n dr a t i o n a li ng r i d r e s o u r c em a n a g e m e n t k e yw o r d s ：g r i d ；q o s ；r a t ；g r i d s i m 插图清单 图卜1 电力网格与网格2 图1 - 2 网格五层沙漏结构4 图1 - 3 应用层角度的网格体系结构5 图1 - 4 网格服务示意图6 图2 - 1 网格o o s 层次结构1 4 图2 - 2 用户满意度函数1 5 图2 - 3 网格o o s 分类，1 6 图3 - 1 层次模型2 1 图3 - 2 抽象所有者模型2 2 图3 - 3 计算经济模型2 3 图3 - 4 基于r a t 的网格资源管理模型2 8 图3 5 利用r a t 资源管理模型分配资源流程图3 l 图4 - 1g r i d s i m 体系结构3 6 图4 2 网格资源分配过程与结果，3 8 图4 3 任务完成时间比较3 9 图4 - 4 任务花费比较3 9 图4 - 5 效用函数比较3 9 表格清单 表4 一l 网格资源列表3 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金筵王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位做储擗厶衍字吼撇年户月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目曼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被奄阅或借阅。本人授权金 壁王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者答轹。叫 签字日期：弘啊皆毕月( 妒 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师虢与淫圾7 签字日期：弘妒月ip 日 电话： 邮编： 致谢 值此论文完成之际，谨向我的导师马溪骏老师致以最衷心的感谢和最崇高的敬 意! 感谢马老师在学业上对我的谆谆教导，感谢马老师在撰写论文期问给予我的细心 指导和帮助，也感谢马老师在生活上对我无微不至的关怀。马老师深厚的学术造诣、 严谨的治学态度、精益求精的工作态度和诲人不倦的师者风范，让我受益匪浅。 感谢合肥工业大学计算机与网络研究所的杨善林老师、付超老师、孙超平老师等 老师对我的关心、指导和帮助，感谢网络所所有同学对我学习和生活上的关心和帮助， 让我感受到一个大家庭的温暖。 感谢我的父母这么多年来对我学业的支持，他们的关爱是我在漫长的求学路上支 持下来的精神源泉。在论文完成之际，我愿与他们分享其中的甘苦，并感谢他们对我 殷切的期望和无私无悔的支持。 感谢各位论文评审专家，感谢他们在百忙中抽出时间对我的论文进行了仔细的评 阅。 在此，向所有帮助和关心过我的人们致以最衷心的感谢! 作者：赵彬 2 0 0 8 年3 月18 日 1 1 研究背景和研究意义 1 1 1 研究背景 第一章绪论 自2 0 世纪9 0 年代以来，计算机网络技术得到了极大的发展，网络应 用涉及到社会生活的方方面面。为了解决计算机资源有效利用的问题，相 继产生了并行计算n 1 、集群技术心1 、分布式计算阳3 等技术，这些技术通过不 同的方法达到计算机资源共享的目的，但它们只能帮助人们使用一定管理 域内的资源，共享的资源有限。网格计算( g r idc o m p u ti n g ) h 1 作为一种 先进的技术和基础设施，是继i n t e r n e t 之后又一重大的科技进步，利用 网格技术可以在不同的管理域之间甚至整个互连网内实现资源共享，充分 利用互连网上的计算机资源协同解决实际问题。 目前，以网格计算还处于初级阶段，仍然存在许多基础科学问题有待 解决。其中核心问题之一就是网格资源管理问题。网格资源管理的基本功 能是根据网格任务的需求，从众多的可用资源中，选择出满足任务需求并 能最大化某种参数的资源，并将任务调度到匹配的资源上执行。一个网格 系统的好坏，关键是看其资源管理是否合理、高效。由于网格环境的特殊 性，使得网格资源管理比分布式计算环境下的资源管理更加复杂。计算经 济模型将微观经济学的原理引入到网格资源管理中，应用了市场经济中的 供求原则来对资源的所有者和使用者进行调节以保证双方均获取最大利 益，有着很好的应用前景，因此基于计算经济模型的研究成为网格资源管理 的研究热点。在网格环境下，网格用户的需求需要通过网格q o s ( q u a lit yo f s e r v i c e ) 参数来描述，网格q o s 便成为网格中最重要的性能评价标准，网 格q o s 研究在网格研究中起着基础性作用。综上所述，随着网格技术的发 展，研究基于经济机制的网格资源管理模型研究与网格q o s 研究成为目前 网格研究的重要方向。 1 1 2 研究意义 本文对网格计算、网格q o s 参数分类方法、基于r a t 的网格资源管理 模型以及网格仿真实验所做的研究工作具有以下意义： ( 1 ) 本文所研究的网格计算作为一种先进的技术和基础设施，是继 jn t e r n e t 之后又一项重大的科技进步，是解决计算机和网络资源闲置的有 效方法，因此具有很高的社会价值和应用价值。 ( 2 ) 例格q o s 是网格中最重要的性能评价标准。本文针对网格q o s 参 数分类与测量所做的研究工作，为对嘲格q o s 进 j 二深层次的研究打下了基 础，也为评价网格系统的优劣提供了个有效的方法，推进了网格q o s 研 究的发展。 ( 3 ) 随着网格技术的不断发展，网格系统的不断壮大，网格资源供大 于求的趋势已经越来越明显，反向拍卖技术必然会对网格中资源的优化分 配产牛巨人影响。因此，本文将反向拍卖技术引入到网格资源管理，建立 相应的资源管理模型，是具有重要的理论意义和应用价值的。 1 2 网格概述 1 2 1 网格的概念 “网格( g r id ) ”的概念产生于9 0 年代中期，是借鉴电力网格 ( e le c tric a l g r id ) 的概念提出来的( 如图卜1 ) 。我们在使用电力时， 不需要知道它是从哪个发电站输送出来的，也不需要知道该电力是通过什 么样的发电站产生的，不管是火力发电，水力发电，还是核电，我们使用 的是一种统一形式的“电能”，网格也希望给最终的使用者提供的是与地 理位置无关、与具体的计算设施无关的通用的计算能力。 一一j 一 ，h 电力网格 ：一 ；网格系统瑶； 一l i f f 一一一一一一 图卜1 电力网格与网格 网格被认为是继传统因特网、w e b 之后的第三次浪潮，被称之为第三 代因特网。网格研究的领军人物i a nf o s t e r 博士这样定义网格h 1 ：“网格 是构筑在互联网上的一组新兴技术，它将高速互联网、高性能计算机、大 型数据库、传感器、远程设备等融为一体，为科技人员和普通老百姓提供 更多的资源、功能和交互性。互联网主要为人们提供电子邮件、网页浏览 等通信功能，而网格功能则更多更强，能让人们透明地使用计算、存储等 其他资源。”传统因特网实现了计算机硬件的连通，w e b 实现了网页的连通， 而网格将分散在网络上的各种共享资源( 包括计算资源、存储资源、通信 资源、软件资源、信息资源等) 通过虚拟化的方式组织起来，形成动态可 扩展的虚拟有机整体，向用户提供强大的计算能力、存贮能力、设备使用 能力及更有效的信息融合和共享能力，从而实现资源的全面共享和协同工 作陆1 。网格计算就是基于网格的问题求解，它是在1 9 9 5 年的i w a y 哺1 项目 中提出来的。 网格的发展经历了三个阶段：第一阶段是网格的萌芽期，开始于9 0 年代早期，研究内容是关于千兆网试验床以及一些元计算1 方面的工作； 第二阶段是一些早期的试验，大概从9 0 年代中期到晚期，出现了一些比 较重要的开创性和奠基性的研究项目，比如i w a y 1 ，g l o b u s 随1 ，l e g i o n 旧1 等；近些年是网格的迅速发展阶段，关于网格的研究、开发和应用项目大 量出现，同时网格也不再仅仅局限于科学研究，国际与地区间的研究机构、 商业机构开展了有效的合作，全球网格论坛n 们、地区网格论坛、国家网格 论坛、网格协作组织纷纷出现，用来协调成员间的合作关系，开发标准和 协议，致力于网格在更广泛的领域得到推广和应用。 1 2 2 网格的基本要求 对于网格提供的计算能力，有四个基本的要求： ( 1 ) 可靠性要求：可靠性是指网格提供的计算能力必须保证是持续、 稳定和安全的，不应该因为网格内部个别资源的变化而对网格应用造成影 响。网格还应该满足各种形式的安全性保障，比如数据传输的加密、权限 的认证等，如果没有安全性保障，网格就不能得到广泛应用。 ( 2 ) 标准化要求：标准化是指网格资源之间应该有一个统一的可以相 互访问的接口或者协议标准，只有这样才能够实现网格资源的相互操作， 从而实现充分的资源共享。 ( 3 ) 易访问性要求：易访问性是指用户可以在任何时间、任何地点访 问和使用各种网格资源。在网格上没有资源处于任何位置的概念，只有“在 网格上 或者“不在网格上的区别。在网格上解决问题时，不应该因为 访问者或者资源所在地位置而受到限制。 ( 4 ) 费用低廉性要求：费用低廉性是网格能够普遍接受和推广的前 提。不管网格有多少优点，如果大多数的使用者无法承受其费用，网格就 不可能被普及，它的各种优势也就根本无法得到体现。 1 2 3 网格的体系结构 网格的体系结构就是构成网格的各层及其协议的集合，包括对网格基 本组成部分和各部分功能的定义和描述，网格各部分相互关系与集成方法 的规定及网格有效运行机制。目前网格体系结构的主要有两种：五层沙漏 结构和开放网格服务体系结构( o g s a ) 。 ( 1 ) 五层沙漏结构 五层沙漏结构是g 1 0 b u s 旧1 项目组提出的具有一般性的网格体系结构， 它是以协议为中心的“协议结构，侧重定性的描述，强调被共享的物理 资源以及这些资源所支持的服务，突出服务与应用编程接口( a p i ) 和软件 开发工具( s d k ) 的重要性。 五层沙漏结构自上而下分为以下五层：( 如图卜2 ) ( a ) 应用层：应用层作为网格体系结构中的最高一层，是在虚拟组织 环境中存在的，包括面向网格用户的应用程序，或者直接是网格用户。 ( b ) 汇聚层：汇聚层建立在资源层和连接层形成的协议瓶颈之上，在 不对资源加入新要求的情况下实现资源广泛的和多样化的共享。汇聚层包 含了一些面向全局的协议和服务，对资源集合进行操作。 ( c ) 资源层：资源层建立在连接层协议之上，定义安全握手、资源初 始化，监测和控制资源的运行状况，统计与计费有关资源的使用情况。资 源层的协议实现调用构造层的功能以访问和控制本地资源。 ( d ) 连接层：连接层定义了网格事务处理所需通信和鉴别的核心协 议，通信协议使物理层资源之间可进行数据交换，建立在通信服务上的认 证协议提供加密的安全机制，用于识别用户和资源。 ( e ) 构造层：构造层控制局部的资源，向上提供访问这些资源的接口。 构造层的资源是非常广泛的，可以是物理实习，也可以是逻辑实体。 工具与应用 应用层 目录代理 汇聚层 诊断与监控 资源与服务资源层 的安全访问与连接层 各种资源 女口计算资源、存 构造层 储资源、仪器资 源，网络资源 图1 - 2 五层沙漏结构 4 五层沙漏结构的一个重要特点就是“沙漏”形状。在五层结构中，资 源层和连接层共同组成沙漏的瓶颈部分，这有利于单个资源的共享，这两 层协议需要确保在构造层中对不同类型资源的支持，同时能够在汇聚层被 用来构造复杂的服务和特定的应用。 ( 2 ) 开放网格服务体系结构( o g s a ) n 1 1 开放网格服务体系结构( o g s a ，o p e ng r i ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ) 是由i b m n 2 1 公司与g l o b u s 项目组联合发布的，它的重点在于把g l o b u s 和 w e bs e r v i c e 结合起来，让网格能够支持w e bs e r v i c e ，代表了网格的发 展方向。 o g s a 的网格服务体系结构，如图卜3 所示，这个体系结构定义了g r i d s e r v i c e ( 网格服务) ，规定了如何创建、命名和发现瞬时网格服务实例； 提供了捆绑在网格服务上的协议；并且支持与本地平台设施的集成。 图卜3 应用层角度的网格体系结构 o g s a 就是以服务为中心的“服务结构”。这罩把一切网格实体看作服 务，包括各种计算资源、存储资源、程序、数据库等等。五层沙漏结构强 调资源共享，而o g s a 强调服务共享。从资源到服务，将资源、信息和数 据统一起来，更加有利于灵活的、一致的、动态的共享机制的实现，使得 分布式系统管理有了标准的接口和行为。由于在o g s a 中，一切都是网格 服务，因此网格就是可扩展的网格服务的集合( 见图卜4 ) 。网格服务定义 为：网格服务= 接口行为+ 服务数据。 g r i ds e r v i c e ll 其它接口 l 其它接口l 服务数据 服务数据 服务数据 元素元素元素 实现 1 2 4 网格的应用领域 图卜4 网格服务示意图 网格有非常广泛的应用领域，建立网格，就可以开展许多以前无法进 行的工作和活动。 在科学研究领域，网格可以在如下几个方面得到应用： ( 1 ) 分布式超级计算：这和以前的高性能计算的作用非常相似，不同 的是以前的高性能计算大多是集中式的，目前遇到的许多科学与工程计算 问题是无法在任何一台超级计算机上解决的，而网格可以把分布式的超级 计算机集中起来，协同解决复杂的大规模问题。 ( 2 ) 数据密集型计算：对于数据密集型问题，数据采集地点、数据处 理地点、数据分析与结果存放地点、可视化设备的地点等往往不在同一个 地方，数据密集型问题的求解往往同时会产生很大的通信和计算需求，需 要网格能力才可以解决。许多高能物理实验、数字化天空扫描、气象预测 等都是数据密集型问题，网格可以在这类问题的求解中发挥巨大作用。 在社会经济生活领域，网格可以在如下领域得到应用3 l ： ( 1 ) 企业信息处理：网格可为企业提供一个强大的可租用虚拟系统， 企业可借助网格完成以前难以承担的任务，而生产成本却不会有明显的增 长。 ( 2 ) 资源广泛共享：借助网格，需要计算资源的人不再必须购买更高 性能的计算机，只要根据自己的需求，向网格购买计算能力即可。除了计 算资源，包括仪器设备、数据、信息、等资源都可以在贸易的基础上广泛 共享。 6 ( 3 ) 电子政务：网格技术可以整合和管理分散在各部门的信息化资 源，实现各个政府部门之间数据的无缝交换，消除“信息孤岛”，打破电 子政务资源共享的瓶颈，提高政府的工作效率、增强为公众服务的能力。 ( 4 ) 个人娱乐：游戏开发商和服务供应商可以使用网格提供可扩展 的、高弹性的基础设施以运行大型多人游戏。而对于个人用户来说，可以 利用网格造价低廉而数据处理能力超强的计算模式，让参与游戏的人可以 真切地感受游戏带来的快感。 网格是一种面向问题和应用的技术，随着网格技术的不断完善和应用 领域的不断扩展，网格可以在更多的领域得到应用，发挥更大的作用。 1 2 5 网格的发展趋势 从目前来看，网格的发展主要有以下三大趋势： ( 1 ) 标准化趋势：目前，g g f n 引， w 3 c n4 1 ，g 1 0 b u s 等组织都在试图制 定网格标准。i b m 和g l o b u s 项目组共同提出的开放网格服务体系( o g s a ) 把g l o b u s 标准与w e bs e r v i c e s 标准结合起来，让网格能够支持w e b s e r v i c e ，代表了网格的发展方向，己被广为接受。 ( 2 ) 技术融合趋势：在o g s a 出现之前，许多用于分布式计算的技术 和产品都是各行其道、互不兼容的。9 0 年代末，g l o b u s 项目组看到了w e b s e r v i c e 的巨大潜力，迅速将g 1 0 b u s 工具软件的g 1 0 b u st o o l k i t 的开发 转向w e bs e r v ic e 平台，基于o g s a 之后，网格的一切对外功能都以网格 服务来体现，并借助一些现成的、与平台无关的技术来实现这些服务的描 述、查找、访问和信息传输等功能。 ( 3 ) 大型化趋势：由于各国政府和i t 业各大公司都对网格投入巨资， 全面支持网格建设，将会有越来越多的人来参与网格的研究，支持网格的 发展，使用网格为人们提供的种种便利，将网格建设成为一个功能强大、 无处不在的计算设施。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 网格计算研究现状 近年来，网格方面的研究、开发和应用项目大量出现，在国外，几个 具有代表性的网格研究项目如下： ( 1 ) g l o b u s 项目阳3 ：美国阿岗国家实验室的g l o b u s 项目是比较经典 的网格计算试验系统。g l o b u s 提供一个软件框架，可以将分布异构的计算 资源看为一个单一的虚拟机器。g l o b u s 提供的工具软件g l o b u st o o l k i t 7 ( g t ) 由一系列的组件构成，以实现安全、资源定位、资源管理、数据管理、 资源预约和通信等基本服务。g l o b u s 是一个典型的层次体系，高层的服务 可以调用低层的核心服务来开发。g 1 0 b u s 第一个实现了开放网格服务体系 结构( o g s a ) ，建立以服务为核心的网格结构。g t 提供了调度组件，但是 并没有提供调度策略而是依赖于更高级的调度程序。g l o b u s 服务已被用来 开发多种全局调度程序，包括l e g i o n 阴3 ，a p p l e s n 5 | ， n i m r o d g n 6 1 等。 ( 2 ) l e g i o n 元计算系统凹1 ：l e g i o n 是美国弗吉尼亚大学开发的基于对 象的元计算系统，它基于计算的元系统，支持透明调度、数据管理、容错 和多种安全机制，旨在向用户提供单一、一致的虚拟机模型。l e g i o n 提供 了软件架构，使得异构的，地理上分散的，高性能计算机的系统可以互相 无缝的操作。l e g i o n 提供了缺省的面向系统的调度策略，但它也允许资源 代理来完成策略扩展。也就是说，应用级的调度程序如n i m r o d g 、a p p l e s 可以用以用户为中心的策略来改变l e g i0 1 3 的缺省调度策略。 ( 3 ) a p p l e s 系统n 引：美国圣地亚哥加利福尼亚大学开发的a p p l e s ( a p p l i c a t i o r ll e v e ls c h e d u l e r ) 应用层调度系统主要用于开发计算网格 中单个资源的调度代理。a p p l e s 根据静态的和动态的应用程序及系统信息 来选择可行的资源及资源配置。它与其它的资源管理系统如g 1 0 b u s ， l e g i o r l 等交互来完成应用程序。应用程序通过内嵌a p p l e s 代理，从而可 以在网格中实现资源调度。a p p l e s 可以被认为是具有了预测启发式估计模 型，支持在线调度和面向应用程序的调度策略。 ( 4 ) n i m r o d - g 项目n 引：澳大利亚蒙纳士大学的n i m r o d g 是一个网格 资源代理，允许在计算网格中管理和操纵任务，它使用计算经济模型来完 成资源管理与分配。n i m r o d - g 提供了网格节点的资源发现，资源交易，调 度和资源分段运输，结果收集，以及最终的结果演示给用户。网格用户可 以使用一种建模语言声明参数或使用运行在网格中的实验图形界面 ( g u i ) n 7 1 来系统化参数。n i m r o d g 使用了g r a c e n 踟服务来动态地与资源所 有者代理交易，选出合适的资源。它通过g r a c e 提供的计算经济服务支持 资源预定和q o s 。 我国也开展了许多网格计算的研究工作，并以网格应用作为网格研究 的推动力，在科学研究、资源环境、制造业及服务业等方面进行了应用研 究，主要的项目有： ( 1 ) 国家高性能计算环境项目和织女星网格项目n9 j ：中科院计算技术 研究所早在19 9 6 年就开始了网格技术的研究工作，2 0 0 0 年开发了连接国 内8 个曙光计算中心的网格。2 0 0 1 年提出了织女星网格计划，其目的是在 数据库技术、i n t e r n e t 技术、网格技术和w e bs e r v i c e 等技术的基础上， 研究信息网格的机制和体系结构，进而指导信息网格系统及应用的开发。 8 ( 2 ) 中国国家网格计划1 ：中国国家网格计划是国家“8 6 3 计划“高 性能计算机及其核心软件 重大专项的重要组成部分，其建设的目标就是 建立聚合高性能计算和事务处理能力的新一代信息基础设施的试验床；通 过资源共享、协同工作和服务机制，有效支持科学研究、资源环境、先进 制造和信息服务等应用。 ( 3 ) 中国气象网格项目心：中国气象科学研究院的中国气象网格将为 行业内部的研究人员提供一个资源共享、远程高性能科学计算的数值气象 预报技术研究和模拟环境，实现数值预报应用层的互联互通、资源共享和 协同工作，逐步形成气象网格的技术标准。 ( 4 ) 中国教育科研网格项目心引：教育部的中国教育科研网格项目是 “2 1 1 ”工程公共服务体系“c e r n e t ( 中国教育科研网) 高速地区网和重点 学科信息服务体系建设项目中的重要建设内容，目标是建立聚合计算能 力的教育科研网络，形成世界上最大的超级网格之一，并争取在网格计算 的基础研究和应用研究方面走在世界前列。 1 3 2 网格q o s 研究现状 o o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 是计算机网络中一个流行的研究领域， 它的研究主要关注如何提供更可靠的网络传输服务，满足应用的传输延 时、延时抖动、分组丢失等质量保证。伴随着网格技术的兴起，许多研究 将o o s 引入网格领域，成为一个新的研究领域，以下列举了一些己有的网 格o o s 研究工作： ( 1 ) 文献2 3 提出了一个统一的协商模型s n a p ( s e r v i c en e g o t i a t i o n a n da c q u is i t i o np r o t o c 0 1 ) 。s n a p 定义了三种类型的s l a ( s e r v i c el e v e l a g r e e m e n t ) 用于描述在分布式环境中的复杂的服务请求：t s l a ( t a s ks l a ) 用来描述任务，r s l a ( r e s o u r c es l a ) 描述执行任务的资源，b s l a ( b i n ds l a ) 描述了任务和资源之间的联系。预留模型可以封装成一个请求在r s l a 中 执行，t s l a 类似于o o s 请求，在用户提交期望服务的同时附上资源的要求。 ( 2 ) 文献2 4 中提出了支持资源预留和协同分配的网格资源管理体系架 构 g a r a ( g e n e r a l p u r p o s e a r c h i t e c t u r ef o rr e s e r v a t i o na n d a l l o c a t i o n ) 。g a r a 为不同种类的资源提供了统一的o o s 预留机制，支持 端到端的o o s 控制机制，是目前计算网格中最广为接受的o o s 框架。它的 目标是为发起预留的客户端或应用程序能从资源管理者处获得特定的o o s 提供保障。 ( 3 ) 文献2 5 提出了一种消息传递架构m p i c h - g o ，它综合了o o s 描述、 预留和实现技术，从基于消息传递编程的角度给出了网格o o s 的一些实现 9 机制，并涉及到网格o o s 层次的问题，但没有进行更进一步的研究，也没 有对以服务为中心的网格o o s 的特性进行系统分析。 从上述项目可以看出，大部分的o o s 是从系统管理的角度出发，主要 集中在结构和协议上，属于底层的基础设施。在本文所关心的o o s 参数特 性方面的研究有： 文献2 6 认为，研究o o s 必须分清层次，因为o o s 在不同层次上的表 现形式大相径庭。该文从应用、系统、资源这3 个层次来看待基于o o s 的 资源管理。从这3 个角度来看待基于o o s 的资源管理的方法具有普遍意义， 但是针对网格这个特定的环境需要加以细化。 文献2 7 提出了分布异构网络的性能测量框架，该框架对优先级、版本、 完成期限和安全等o o s 参数进行了测量，但该文仅代表性地测量了几个网 络中的o o s 参数，而且目前缺乏测量o o s 参数的高效机制。 文献2 8 中将网格o o s 的参数划分成a c c o u n t i n gq o s ， s e r v i c eo o s ， p r o v i s i o n a lo o s ， s e r v i c er e l i a b i l i t y 和s e r v i c es e c u r i t y 等五种类 型。这种划分方案较全面地考虑了网格o o s 参数在服务代价、安全和可靠 程度等方面的需求，但没有严格区分q o s 的软、硬属性，这就无法对o o s 参数进行定量的评价。 从上面的分析中可以看出，目前对网格o o s 的研究主要集中在结构和 协议上，( 1 ) 协商模型s n a p ( s e r v i c en e g o t i a t i o na n da c q u is i tio n p r o t o c 0 1 ) ( 2 ) 支持资源预留和协同分配的网格资源管理体系架构g a r a ( g e n e r a l p u r p o s ea r c h i t e c t u r ef o rr e s e r v a t i o na n da 1 l o c a t i o n ) ( 3 ) 消息传递架构m p i c h - g q 在o o s 参数方面的研究上比较少，且缺少定量的分析方法。为了更好 地满足网格用户的需要，需要对网格o o s 参数进行合理的分类，并提出一 种可量化的评价标准，以便更好地评价网格系统的优劣。 1 3 3 基于计算经济模型的网格资源管理研究现状 网格资源管理问题是网格研究的重要内容之一，网格资源管理是指控 制网格资源和服务怎样向包括用户、应用或服务在内的其他实体提供可用 能力的一组操作。计算经济模型应用了市场经济中的供求原则来对资源的 所有者和使用者进行调节以保证双方均获取最大利益，有着很好的应用前 景。利用经济学的原理管理网格资源，是近年来非常活跃的一个研究领域： ( 1 ) b u y y a 等人在文献1 8 中提出了基于计算经济的网格体系结构 g r a c e ( g r i da r c h i t e c t u r ef o rc o m p u t a t i o n a le c o n o m y ) ，它主要利用 l o 经济模型解决网格环境下的资源管理和任务调度问题，并在文献2 9 中分析 了拍卖机制在网格环境中的通信需求，提出了基于拍卖机制的网格资源管 理模型，并给出了利用g r i d s i m 3 工具开发仿真程序的思路。 ( 2 ) 曹鸿强等人在文献3 1 中提出了一种基于市场机制的计算网格资源 分配方法，该方法以一般均衡理论为基础，依靠市场机制，实现计算网格 资源的优化分配；梁正友等人在文献3 2 提出了一种基于议价机制的网格资 源管理模型，该模型基于议价机制，设计了资源分配策略，能适应网格环 境的动态变化，并实现各个网格计算资源的负载平衡；罗伟等人在文献3 3 中 提出了一种基于竞标机制的网格资源管理模型，该模型是根据网格内资源 供需关系和资源的市场价格通过招投标方式来决定，网格内站点是否参与 网格计算交易活动由站点根据自身资源现状和资源的市场价格来确定而 不需要一个高于自己的管理机构。 由上可知，文献1 8 给出了计算经济模型的基础，在此基础之上，文 献3 1 - 3 3 分别将经济学中的商品市场机制，议价机制，竞标机制应用到网 格资源管理中来，未注意拍卖机制特别是反向拍卖技术应用在网格资源管 理中的良好前景。而文献2 9 提到将拍卖机制应用到网格资源管理，但是 此本侧重于网格环境中的通信需求，未对本文所研究的反向拍卖技术在网 格中的应用做出进一步的研究。 1 4 主要研究内容和结构安排 1 4 1 主要研究内容 本文的主要的研究工作包括以下三方面内容： ( 1 ) 网格q o s 参数分类方法研究：本文根据网格的特点和q o s 参数的 特性，提出了一种网格q o s 参数的分类方法：首先把网格q o s 参数分成硬 o o s 和软q o s 参数两类，进而将软q o s 参数分为四种类型，并分别进行定 量化的研究，最后利用这四种参数建立起效用函数，以评价网格用户对网 格的满意程度。 ( 2 ) 基于反向拍卖技术( r a t ) 的网格资源管理模型研究：本文针对 网格环境与反向拍卖技术的特点，将反向拍卖技术引入到网格资源管理中 来，提出了一种基于r a t 的网格资源管理模型，本文详细地描述了此模型 的结构模型、数学模型以及工作流程，最后通过实验，验证了此模型在网 格资源管理中的合理性与实用性。 ( 3 ) 网格资源分配仿真实验：本文对g r id s i m 工具进行了二次开发， 进行了网格资源分配仿真实验，并通过与标价模型的网格资源分配效果相 比较，验证了本文所提出的网格资源管理模型的合理性与可行性。 1 4 2 结构安排 本文共分为五章，具体安排如下： 第一章为绪论：本章首先阐明了本文的研究背景和研究意义，然后简 要地介绍了网格这一新生事物，进而系统地分析了网格计算、网格q o s 以 及基于计算经济模型的网格资源管理的研究现状，最后说明了本文的主要 研究内容以及结构安排。 第二章为一种网格q o s 参数的分类方法：本章首先介绍了网格q o s 的 相关知识，进而提出一种网格q o s 参数的分类方法，并给出了各自的测量 公式，最后利用网格q o s 参数建立了效用函数。 第三章为基于反向拍卖技术的网格资源管理模型：本章首先介绍了本 模型的研究基础一计算经济网格模型，并在此基础之上将反向拍卖技术引 入网格资源管理，提出了一种基于反向拍卖技术的网格资源管理模型，并 详细地描述了此模型的结构模型、数学模型以及工作流程，分析了该模型 的优势所在。 第四章为实验与结果：本章首先介绍了几种目前流行的网格仿真工 具，并对他们进行比较，进而选用g r i d s i i n 仿真工具进行二次开发，通过 进行网格资源管理仿真实验验证了上述网格资源管理模型的合理性与可 行性。 第五章为总结和展望：本章对全文的研究工作进行总结，并指出下一 步的研究方向。 1 2 第二章一种网格q o s 参数的分类方法 在网格环境下，网格用户的需求需要通过网格q o s ( q u a lit yo f s e r v i c e ) 来描述，网格q o s 便成为网格中最重要的性能评价标准，在网格 资源管理里起着基础性的作用。本章首先介绍了网格q o s 的相关知识，进 而提出了一种网格q o s 参数的分类方法，给出了各自的测量公式，并依此 建立了效用函数以评价一个网格系统的优劣。 2 1 网格q o s 概述 2 1 1 网络q o s 与网格q o s q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 在计算机网络中是一个流行的研究领域， 它关注的是如何提供更可靠的网络传输服务，满足应用的传输延时、延时 抖动、分组丢失等质量保证。q o s 也是网格技术中极其重要的研究内容。 网格研究的领军人物i a nf o s t e r 提出判断网格的三个标准之一就是“提 供非凡的服务质量”口4 | 。 网格是运行在互联网之上的，单纯的网络q o s 机制不能够保证网格应 用的q o s 。所以网格的功能与性能评价将不只是采用传统计算机的评价标 准( 如速度、加速比、性价比等) ，而是以用户满意度为目标。 2 1 2 网格q o s 的要求 为了保证网格应用的q o s ，需要网格q o s 机制能够满足以下要求5 | ： ( 1 ) 以服务为中心：网格体系结构已经由以协议为中心的五层沙漏结 构发展为以服务为中心的o g s a 结构。在这类网格中，所有的一切都是服 务。网格用户使用网格发现和使用服务，这个要求网格q o s 的保证机制也 以服务的形式提供给用户。 ( 2 ) 支持不同特征的混合流：远程可视化、科学数据分析、科学仪器 在线控制和远程沉浸等领域中的网格应用经常混合着大量不同特征的多 个流，这些特征包括带宽、时延、抖动、可靠性等。它们要求网格q o s 机 制能支持这些流，并允许具有不同特征流的共存，同时需要网络q o s 技术 为应用提供可靠的网络数据传输服务的保证。 ( 3 ) 统一的资源预约和分配：高性能应用对一些特别的资源需求很 大，如高带宽虚拟通道、科学仪器和超级计算机等。需要新的概念和构造， 为属于不同管理域的多种异构资源实现统一形式的提前和立即预约，以及 多资源联合分配，以保证网格应用使用资源和提供服务时的性能。 ( 4 ) 安全性：网格q o s 机制应当是安全的，可使用网格中的安全机制， 对q o s 服务的访问进行验证、鉴别和授权，防止保证网格q o s 所需的服务 q o s 能力、资源预约、策略等相关信息被非法用户侵入或篡改。 ( 5 ) 轻便性：网格q o s 机制应是轻便的，尽量使用轻型的协议，不能 过分加重网格资源的负担，特别要避免频繁的通讯影响网络的性能。 ( 6 ) 强壮性和可扩展性：由于网格是一个全球规模的基础设施，连接 着巨大数目的动态网格资源，随时都有新资源的加入