（管理科学与工程专业论文）基于网格工作流的动态配置应用研究.pdf

中文摘要 摘要 网格是在互联网基础上实现资源广泛共享与协同操作的一种新的计算与资源 环境，随着互联网技术的发展，网格聚集了大量的数据资源、软件资源、计算资 源等，具有分布、异构、自治、动态及可扩展等特点。为了充分发挥网格资源的 特性，提高网格资源的利用率和网格应用的性能，需要利用网格资源进行协同计 算，并在计算中将整个任务分解成相互关联的子任务，分配到网格资源中执行。 但由于网格资源分布性和自治性的特点，使得各个子任务之间无法实现更多的实 时通信，因此传统的任务分配方式和调度方法在网格中已不再适用，导致传统工 作流的一些方法和技术不能有效地处理网格环境中的有关问题，故引入了网格工 作流的概念。本文针对如何将网格工作流技术应用到传统信息系统开发过程中， 解决原系统可扩展性差、资源负载不均衡、代码标准性程度差等问题，从理论和 实践两个方面进行了深入的研究。 在理论方面，首先对网格资源的管理方法、o g s a 体系结构和网格工作流的 基本原理进行了分析与研究，对w c bs e r v i c e s 技术进行了研究；结合某省公路客 运安全管理实时监管系统中所使用的资源具有在地域上分布广泛、功能逻辑异构 等特点，提出了该系统的网格资源全局模型和抽查功能的工作流过程模型。 在实践方面，对监管系统中的网格资源进行了充分的分析研究，根据网格资 源全局模型将网格资源映射为网格服务，设计了网格工作流同网格服务之间的数 据通信方法；将抽查功能的工作流过程模型应用到监管系统中，实现了控制网格 资源，即网格服务的自动执行。另外，本文还开发出一个标准服务接口，通过该 接口可以实现即使在工作流实例执行过程中也可以同外部进行数据通信，包括同 宿主程序和网格服务的通信。最后，将这套工作流模型和接口应用到监管系统中， 通过对网格服务的动态调用实现对网格资源的动态配置。 关键词：网格资源管理；网格工作流模型；实时通信；w e bs e r v i c e s 英文摘要 a b s t r a c t g r i di san e wc o m p u t i n ga n dr e s o u r c e s - s h a r i n ge n v i r o n m e n ti nw h i c haw i d er a n g e o fr e s o u r c e sc a nb es h a r e da n do p e r a t e dc o l l a b o r a t i v e l yb a s e do nt h ei n t e r n e t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fi n t e r n e tt e c h n o l o g y , 西dg a t h e r e dal a r g en u m b e ro f 鲥dr e s o u r c e s ， s u c ha sd a t ar e s o u r c e s ，s o f t w a r er e s o u r c e s ，c o m p u t i n gr e s o u r c e sa n ds oo n , w h i c ha r ei n d i s t r i b u t e d ，h e t e r o i d ，a u t o n o m o u s ，d y n a m i ca n de x p a n d a b l ec h a r a c t e r t om a k ef u l lu s e o ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e 舒d ，西dr e s o u r c e sa r en e e d e dt oc o m p u t ec o l l a b o r a t i v e l y i no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n dp e r f o r m a n c eo fg r i dr e s o u r c e s ，t h et a s kc a l lb e b r o k e nd o w ni n t oi n t e r r e l a t e ds u b - t a s k sw h i c hc a nb ea l l o c a t e dt o 酊dr e s o u r c e s b a s e d o n酣dr e s o u r c e s c h a r a c t e r so f d i s t r i b u t i v i t ya n da u t o n o m o u s ，m o r er e a l t i m e c o m m u n i c a t i o n sc a nn o tb ea c h i e v e da m o n ge a c hs u b t a s k s ，t h et r a d i t i o n a lm e t h o d so f t a s kd i s t r i b u t i o na n ds c h e d u l i n gi sn ol o n g e ra p p l i c a b l ei nt h e 西d ，w h i c hm a yr e s u l ti n s o m eo ft h et r a d i t i o n a lw o r k f l o wm e t h o d sa n dt e c h n o l o g i e sc a nn o te f f e c t i v e l yd e a lw i t h i s s u e sr e l a t e dt o 鲥de n v i r o n m e n t t h e r e f o r e ，t h ec o n c e p to f 面dw o r k f l o wi s i n t r o d u c e d t h ea u t h o rh a sm a d ed e e pr e s e a r c ho nh o wt oa p p l yt h e 鲥dw o r k f l o w t e c h n o l o g yi n t ot r a d i t i o n a li n f o r m a t i o ns y s t e md e v e l o p m e n tp r o c e s s ，i no r d e rt os o l v e i s s u e sl i k ep o o rs c a l a b i l i t y , r e s o u r c el o a di m b a l a n c ei nt h eo r i g i n a ls y s t e m ，p o o rd e g r e e o fc o d es t a n d a r d sa n ds oo n , f r o mb o t ht h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a la s p e c t s i nt h e o r y , t h ef i r s ts t e pi sd os o m ea n a l y s i sa n dr e s e a r c hb a s e do nt h e o r e t i c a la s p e c t ， s u c ha s 面dr e s o u r c em a n a g e m e n t ，g n dw o r k f l o wo fb a s i c p r i n c i p l e s ，o g s a a r c h i t e c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i c so ft h ew e bs e r v i c e st e c h n o l o g y t h ea u t h o rp r e s e n t e d 鲥d r e s o u r c em o n i t o r i n gs y s t e mm o d e la n dt h er a n d o mf u n c t i o ni nt h eg l o b a lw o r k f l o w p r o c e s sm o d e la f t e rc o m b i n i n gt h en a t u r e so f 鲥dm o n i t o r i n gs y s t e mw h i c ha r eb r o a d g e o g r a p h i c a ld i s t r i b u t i o na n dh e t e r o g e n e o u sl o g i c a l l y i np r a c t i c e ，t h es e c o n ds t e pi st om a k ef u l la n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nr e s o u r c e si nt h e r e g u l a t o r ys y s t e m ad e s i g n a t i o no ft h e 酣dm e t h o do fd a t ac o m m u n i c a t i o nb e t w e e n s e r v i c e si sm a d eb a s e do nt h er e s o u r c em a pf o rt h eg l o b a lm o d e l 鲥ds e r v i c e s t h e r a n d o mf u n c t i o nw o r k f l o wp r o c e s sm o d e li sa p p l i e dt ot h em o n i t o r i n gs y s t e m ，s oa st o a c h i e v et h ec o n t r o lo f 鲥dr e s o u r c e s ，i e 鲥ds e r v i c e sb ee x e c u t e da u t o m a t i c a l l y i n a d d i t i o n ，t h ea u t h o rd e v e l o p sas t a n d a r ds e r v i c ei n t e r f a c e ，w h i c hc a nb ea c h i e v e de v e n i nt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ew o r k f l o wi n s t a n c ec a nc o m m u n i c a t ew i t he x t e r n a ld a t a , 英文摘要 - 一 i n c l u d i n gt h eh o s ta p p l i c a t i o na n d 砸ds e r v i c e s f i n a l l y , t h ew o r k f l o wm o d e la n d i n t e r f a c et ot h em o n i t o r i n g s y s t e mw a sa p p l i e dt h r o u g hac a l lt or e a l i z et h ed y n a m i cg r i d r e s o u r c ea l l o c a t i o n k e yw o r d s ：g r i dr e s o u r c em a n a g e m e n t ；g r i dw o r k f l o wm o d e l ；r e a l t i m e c o m m u n i c a t i o n ；w e bs e r v i c e s 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文竺基王圆整王佳速的麴金配置廛旦翌窥：。除论文中已经注 明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或 未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 - 4 4 - 1 - 学位论文作者签名：盛 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密口( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名：力c 豺l r 导师签名： p ? 纰 l 1 日期：扣细年歹月- ) ge l 基于网格工作流的动态配置应用研究 1 1 本课题研究背景及意义 第1 章绪论 1 1 1 监管系统现状及存在的问题 为了及时纠正客运活动中产生的危险因素及安全隐患，预防和减少安全事故 的发生，云南省交通厅利用i n t e r n e t 网络和其他信息技术，在云南省各地的客运公 司、一级客运站、二级客运站的服务于企业内部负责运输安全管理的信息系统的 基础上，建立了面向云南省交通运输行业监管部门的云南省公路客运安全管理实 时监管系统，以实现实时监管、信息传递和决策分析的功能。各地运输企业及一、 二级客运站企业内部的运输安全管理信息系统是采用c s 体系结构的，云南省交 通厅借助云南省交通厅、省内各地的运输企业以及一、二级客运站的现有网络资 源，从省内各地的运输企业及一、二级客运站实时获取运输安全管理方面的基础 数据，采用b s 的体系结构，建立面向交通行业监管部门的实现信息收集、实时 监管和决策分析的公路客运安全管理实时监管系统，主服务器配置在云南省交通 厅安全工程中心。 本课题将省际跨企业间的客运安全监管系统“云南省公路客运安全管理实时 监管系统”( 以下简称“监管系统”) 作为研究对象，进行网格工作流技术方面 的应用研究。监管系统目前已经实现了基本的系统功能，但是从信息系统的开发 与维护和资源利用率的角度上来看，还有许多可以改进的地方，总结为以下三点： _ 可扩展性差：目前监管系统的系统架构虽然分为表示层，业务逻辑层和数据 层，但是大部分的业务逻辑层却集成在表示层中，如果监管系统的业务逻辑发生 改变或增加新的业务功能则需要重新编辑各个页面的代码。由于企业的需求是不 断变化的，这就需要不断的对系统进行横向扩展，不仅增加了企业的系统维护成 本，也加重了程序开发人员的负担。 - 资源负载不均衡：目前已存在的负载均衡策略主要包括静态分配和动态调度 两种。静态分配是指预先写好所有的策略，并且这些策略在运行过程中是不会发 生变化的【1 1 。目前监管系统的负载均衡策略是基于静态分配的，效率很低。而动态 第1 章绪论 调度策略则会根据系统当前的需要对当前网格中的资源进行动态调度，从而提高 整个系统的运行效率。 - 代码标准性程度差：上面提到，监管系统目前是将业务逻辑层集成到表示层 中，对于其他需要实现类似功能的同类产品来说，代码的可重用性非常低。本课 题对监管系统进行改进，将业务流程抽象为工作流模型，并将功能模块的代码粒 度细化并发布成网格服务，还开发了一个标准服务接口，形成了一套独立的工作 流模型、网格服务和标准服务接口体系结构，为其他同类产品的研究和开发提供 了基础。 1 1 2 网格工作流的研究意义 随着互联网技术的迅猛发展，在网络上形成了大量的计算资源、存储资源、 数据资源、知识资源、信息资源和仪器设备资源等，这些资源就组成了网格，而 网格工作流是一种新型的工作流管理系统，它创建了一种使高性能计算能力的资 源进行协同工作的管理机制，实现了多个动态变化的资源的共享和协同工作【l 一钉。 对网格的应用研究来源于元计算( m e t a c o m p u t i n g ) ，对于大规模的网格计算 最初的处理模式相对比较简单，例如将几个超级计算节点联合起来得到更强的处 理能力或者存储能力，使这几个计算节点共同处理某项科学计算任务1 】：或者类 似于s e t h o m e 项目，它将整个任务划分为许多小的任务，每个子任务单独处 理自己的数据和计算任务，各个子任务之间的关联较少。虽然整个任务需要的计 算存储资源多，数据量大，但是由于整个任务的逻辑过程相对比较简单，流程控 制比较容易 1 2 】。但是随着网格技术的深入和推广，出现了大量的各个领域的网格 应用，例如协同工作，它具有业务过程复杂，涉及到多个步骤、数据和过程的特 点，不但需要大量的计算资源和其它资源，而且任务流程也比较复杂，包含很多 空间、时间和资源方面的约束条件，如果采用一般的处理方法，不但效率低下， 而且可能会导致某些应用无法完成，这就需要用网格工作流来对网格应用进行构 建、执行调度、管理监控，使得网格应用能够自动化执行并且执行效率得到提高【1 3 】。 对于网格技术的应用研究的目标不但要充分利用网格技术来实现资源共享， 而且要使网格资源开展协同工作，使网格应用能够自动或者半自动执行，尤其是 基于网格工作流的动态配置应用研究 当网格应用的业务流程比较复杂，具有各种时间、空间和因果约束的时候，更需 要有相应的服务和技术来管理这些网格应用，因此网格工作流也就随着网格技术 的深入研究和网格应用的发展而得到了重视【2 1 。网格工作流技术和w e bs e r v i c e s 技术的结合对改进系统的可扩展性差、负载不均衡和代码标准程度差等问题具有 重要的意义。 1 2 网格工作流概述 1 2 1 网格工作流研究现状 目前，国内外对网格工作流技术的研究主要包括两个方面：一方面是国内外 一些相关的研究组织和联盟提出的网格工作流系统结构的建议和规范；另一方面 是一些大型项目和系统采用的网格工作流技术或者调用了网格服务。下面从网格 工作流的系统结构、流程定义语言等方面来介绍几个典型的网格工作流研究成果： ( 1 ) 网格服务流程语言g s f l ( g - r i ds e r v i c ef l o wl a n g u a g e ) ：g s f l 是在o g s a 框架下的基于x m l 的描述工作流规范的语言，用来描述网格的执行顺序和网格服 务之间的交互，它采用x m l s c h e m e 定义【3 1 。g s f l 分析了w s f l ( w e bs e r v i c e sf l o w l a n g u a g e ) 技术，力图通过w s f l 技术和网格服务( g r i ds e r v i c e s ) 的结合来解决 网格服务的流程控制问题：由于w e bs e r v i c e s 和网格服务基于不同的技术标准， 所以必须制订一种通信机制把二者有机结合起来，这种机制能够描述服务之间的 各种交互以及能够动态地将若干个服务组合成一个新的服纠4 ，5 1 。g s f l 可以将已 有的网格服务集合成新的网格服务供用户使用，或者使其成为其它网格服务中的 组成部分之一。w s f l 技术中的描述语言采用的是流程模型和全局模型：其中流程 模型规定了活动的执行顺序和活动间的数据交换；全局模型则将w e bs e r v i c e s 绑 定到由聚集服务定义的操作，包括导出和生命周期操作。由于w e bs e r v i c e s 的流 程方法不能解决网格服务要求的点对点的通信问题，所以在w s f l 中，工作流引 擎作为通信桥梁与每一个w e bs e r v i c e s 进行通斜1 4 1 。 ( 2 ) 网格工作流系统g r i dw o r k f l o w - g g f ( g l o b a lg r i df o r u m ) 规定了网格工 作流的推荐规范g r i dw o r k f l o w ，g r i dw o r k f l o w 针对网格技术的特征采用x m l 定义 了网格工作流的属性和内容；利用x m l 的环境无关性、规范性、工具支持和支持 第1 章绪论 多种字符集和易读的特点，在动态、异构、分布自主的网格环境中用x m l 来定义 网格工作流【6 】。g r i dw o r k f l o w 的网格平台包括3 部分：t i t a n ，p a c e 和a r m s 。其 中t i t a n 管理一个局域网格，即一个虚拟组织内部的网格资源；p a c e 用于对网格应 用的性能进行建模和估算；a r m s 能够管理由多个虚拟组织组成的网格资源，虚拟 组织的内部是由按层次组织起来的a g e n t 构成的，这些a g e n t 由一个p m a 来管理【1 5 】。 ( 3 ) 网格工作流管理系统体系结构g w a ( ag r i dw o r k f l o wm a n a g e m e n t a r c h i t e c t u r e ) ：g c e ( g r i dc o m p u t i n ge n v i r o n m e n t ) 和g s m ( g r i ds e r v i c e m a n a g e m e n t ) 研究小组提出了网格工作流管理系统的体系结构g w a ，指出了网格 工作流的生命周期( 包括工作流过程模型的定义、创建、验证、工作流实例的创 建、运行) 和一种既适用于服务型网格又适用于计算型网格的网格工作流的基本 架构【7 】。g w a 的目标：定义了一个可以采用现有技术标准和项目实践来实现的网 格工作流公开架构；确定了g w a 和其它研究组织定义的工作流管理系统的共性和 区别；确定了一套网格工作流管理研究的公共问题，但是g w a 讨论的是网格工作 流的架构和机制而不是实现。g w a 确定了网格工作流的生命周期：网格工作流过 程描述w p d 的创建、验证，网格工作流实例描述w c d 的创建、执行 16 1 。g w a 是 一个较全面、清晰的网格工作流管理系统体系架构，为网格工作流的实际应用提 供了一些很好的参考。但目前这个架构仅是一个理论上的成果，还没有成功应用 于实践。 ( 4 ) 工作流服务w o r k f l o ws e r v i c e s ：在开放式网格服务体系结构o g s a ( o p e n g r i ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ) 中提出了工作流服务w o r k f l o ws e r v i c e s 的概念【4 】。 w o r k f l o ws e r v i c e s 可以提供用于实现各种各样的网格服务的组件，同时支持多个 网格资源上的多个应用程序的任务执行和协同工作。 目前，已经成功应用网格技术的项目或系统分为两种：一种是单独应用一个 网格工作流来调用多个网格应用，把网格工作流作为支持网格应用的一个平台。 另一种是把一个网格工作流发布为网格应用中的一个服务，供其他网格资源使用， 例如m c r u n j o b ，g r i d f l o w ，g a l e ，p e g a s u s 等。实践证明，网格工作流的产品比 集中式的工作流产品在性能、可用性以及可扩展性等方面拥有更大的优势。 基于网格工作流的动态配置应用研究 1 2 2 网格工作流发展趋势 目前对网格工作流技术的研究已经在过程定义、网格资源管理和调度机制、 异常处理等方面取得了一定的成果，但是对于网格技术在特定领域的应用研究则 存在一些不足。 网格资源是网格中的最重要的组成部分，但是目前在大部分的网格资源管理 理论中没有对网格资源进行组织建模，而工作流过程定义模型大多只考虑了对控 制流和数据流的描述，缺乏对任务所需资源的准确描述【2 0 】。因此在网格工作流实 例执行时，网格工作流引擎很难根据过程定义模型对网格资源进行优化的动态调 度【2 1 。另外，网格工作流系统对流程的异常处理的支持是非常必要的，考虑到网 格资源的分布性和动态性，工作流执行时会非常容易出错，一个稳定的信息系统 要求能够稳定、自动的执行，因此异常处理是非常必要的【2 2 ，2 3 1 。 网格资源的动态调度机制是一个网格工作流系统最关键的部分，它关系到网 格工作流系统能否顺利执行和执行效率的高低，一个优秀的网格资源调度机制对 网格资源的有效调度和网格工作流系统的成功运行是非常重要的。当前的网格资 源调度机制中大部分的调度策略和算法都是针对元任务的，即被调度的任务之间 没有任何关联，这显然不满足网格工作流中任务之间是具有时序或因果等各种约 束条件的客观情况。另外调度算法所考虑的调度因子大多局限在计算能力的衡量 上，而实际上由于网格工作流执行时常常需要传输大量的数据流和信息流，这对 工作流系统的性能会产生很大影响，然而如何充分考虑这一影响因素也是当前网 格资源调度机制所欠缺的【1 7 】。 目前网格工作流技术还处于初步的研究阶段，只提出了一些系统架构和理论 基础，但鉴于网格工作流技术自身的特点，在未来的发展中，它必然会在许多复 杂问题中得到应用。网格工作流领域还存在很多待研究的问题，如网格工作流的 流程建模、基于网格的分布式工作流的多引擎问题，网格工作流执行时的资源定 位问题、以及在网格这种无中央控制单元的环境中的工作流监控问题等 18 1 。 1 3 本文研究内容及技术路线 针对监管系统目前存在的问题和不足，本文将对网格工作流技术的相关理论和 第l 章绪论 网格资源的组织管理模式进行充分的研究，针对监管系统的不足进行改进。本文 将在以下三方面展开工作：首先，要对系统所处的网格环境下的资源进行分析研 究，并依据资源的自身特点进行分类，针对各类资源设计不同的资源调度和数据 通信方式；其次，要将监管系统中某些重复使用的业务流程逻辑抽取并建立工作 流模型，以实现工作流程的自动执行，此外，还需要将一些重复使用的代码模块 封装成网格服务供工作流引擎动态调用。本文将设计出一个标准服务接口，通过 该接口可以实现即使在工作流实例执行时也可以同外部进行数据通信，包括同宿 主应用程序和网格服务；最后要将这套工作流模型和接口应用到监管系统中，通 过对网格服务的调用实现对网格资源的动态配置。本文研究的具体路线如图11 所 不： 畜阅资料 r j i 一，：_ - 一 l 网格及网格资源 阿格工作瀛 l 管理理论研究 拄木研究 r ! 一r ! 一 0 g s a 厦w f 厦其与w 曲l l 两格资源模型s 自v i c e s 的结合l i i 源 服 l 并 l 全 务 l 茧 局 接l 苗】 模口 【= i 犁一i 区匦运查匦 论文的内容结构分为五个章节。第1 章是文章的绪论部分，介绍课题的研究背 景和意义以及网格工作流技术的国内外研究现状及发展趋势，并简单描述了论文 基于网格工作流的动态配置应用研究 的研究内容及技术路线；第2 章是相关理论与关键技术综述，其中对网格和网格 工作流的定义和体系结构进行了分析研究，并且介绍了w f 技术以及w e bs e r v i c e s 的相关技术；第3 章根据监管系统的结构特点，设计了网格服务、基于岍的网 格工作流引擎模型及数据通信机制：第4 章将网格工作流引入到监管系统的实现 中，并与原系统进行了比较分析；第5 章总结全文。 第2 章网格工作流相关理论与关键技术 第2 章网格工作流相关理论与关键技术 2 1 网格及网格资源模型 2 1 1 网格的定义 网格作为一种新兴的技术正处在不断发展和进步当中。虽然目前学术界围绕网 格进行的相关研究有很多，但是至今为止社会上对网格的概念还没有一个统一的 标准。 美国阿岗( a r g o n n e ) 国家实验室的资深科学家、全世界网格领域研究的领军 人物、美国g l o b u s 项目的领导人i a nf o s t e r 曾这样定义网格：网格是构筑在互联网 之上的一组新兴技术，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，而网格的功能则更多更 强，它能够让人们透明地使用计算、存储等其他资源1 9 】。 中科院计算所的李国杰院士认为：网格技术不同于国外正在搞的下一代 i n t e r n c t ( n g i ) 或i n t e r n e t2 ，网格可以称作是第三代的i n t e m e t ，它不仅仅包括计 算机和网页，而且还包括各种信息资源，例如数据库、软件以及各种信息获取设 备等，网格把它们都连接成一个整体，整个网格就如同一台巨大无比的计算机， 它可以向每个用户提供一体化的服纠2 0 1 。 由此可见，网格就是利用互联网技术把在地理上广泛分布的各种资源( 包括计 算资源、存储资源、带宽资源、软件资源、数据资源、信息资源、知识资源等) 连成一个逻辑整体，为用户提供一体化信息和应用服务( 计算、存储、访问等) ， 并最终实现在网格环境下进行资源的共享和协同工作，彻底消除资源孤岛，充分 的实现信息和资源的共享删。如果说传统互联网实现了计算机硬件的联通，w e b 实现了网页的联通，而网格则能够实现互联网上所有资源的全面联通，但是网格 的特点是通过透明而高效地提供各种服务实现资源共享而不是它的规榭4 5 1 。 具体来说，网格有以下四个特征【2 l 】： ( 1 ) 分布性：分布性是网格最重要的特征之一。网格资源是由分布在不同地理 位置的不同计算能力的计算机、各类数据库、共享运算和存储设备，即计算资源、 基于网格工作流的动态配置应用研究 高级仪器资源、数据资源、信息资源、知识资源乃至专家资源( 智能资源) 组成 的。因此，网格跨越的地理范围相对比较广，规模巨大，资源类型复杂。 ( 2 ) 异构性：网格中的资源都是异构的。例如对于计算资源来说，有可能出现 计算机的类型不同、计算方式不同、计算接口不同和系统框架不同的问题。 ( 3 ) 动态性：网格中的资源都是动态的。在程序执行过程中，网格资源可能动 态的加入网格或退出网格，也可能出现故障导致资源不可用，另外网格资源的性 能情况也可能发生较大的变化，使得正在供网格使用的资源也会发生相应的变化。 ( 4 ) 自相似性：网格的局部和整体之间存在着一定的相似性，局部在许多地方 具有整体的某些特征，而整体的特征在局部也会有一定的体现，由于可以通过构 建小的局部网格形成更大的网格，所以网格的构成方式具有一定的相似性。 随着网格技术的不断发展进步，网格还会显露出其他一些特性，这有待迸一 步认识、分析和研究。 2 1 2 开放式网格服务体系结构o g s a 网格是建立在现有互联网基础之上的，它使用了互联网的口地址、网络传输 协议等概念和技术，但是即使全盘搬用这些协议也不能满足网格的需求，例如 h t r p 协议是为浏览网页而制定的，使用的是“请求一应答”的方式，但在网格中 除了这种请求消息的方式外，还有主动推送等其他的消息传递方式，因此在构建 网格时，还需要在现有互联网协议的基础上加以扩展【4 6 1 。互联网能够完成的工作 在网格系统中就不再重复完成了。以网格资源之间的数据通信为例，网格只需解 决数据的类型、传输方式、存储和副本管理等问题，而至于具体的数据传输格式 和传输过程则由互联网解决。 网格系统要解决的是如何向用户提供一个接口，通过该接口可以发送来自网 格的信息，接收来自用户的请求【2 2 1 。用户可以将所使用的网格系统看作是一个黑 盒子，而不必知道其内部是如何具体实现用户请求的。实际上，网格系统是通过 一系列的基本功能模块协同工作从而向用户提供服务的。到目前为止，学术界公 认的比较重要的网格体系结构有两个：一个是美国阿岗国家实验室的资深科学家 f o r s t e r 等提出的“五层沙漏结构 ；另一个是由g l o b u s 项目组联合i b m 公司、结 第2 章网格工作流相关理论与关键技术 合w e bs e r v i c e s 技术推出的开放式网格服务体系结构o g s a ( o p e ng r i ds e r v i c e s a r c h i t e c t u r e ) 【5 】，本文用到的是o g s a 体系结构。o g s a 的体系结构见图2 1 。 工 场 发布 服务 发布 服务 发布 服务 发布 服务 网 格 组 注 册 器 剿赢赢 服务l 。“。 注册 服务 剁m s s q l 服务l 。 注册i 引m y s q l 图2 1o g s a 体系结构【5 】 f i g 2 1o g s a a r c h i t e c t u r e 5 】 o g s a 最基本的思想就是以“服务 为中心。在o g s a 的体系结构中，它将 一切都抽象为服务，包括各种计算资源、网络、程序、存储资源、数据库等等。 简而言之就是一切都是服务。这种思想有利于通过统一的标准服务接口来管理和 使用网格资源【4 7 1 。o g s a 还定义了网格服务( g r i ds e r v i c e ) 的概念，网格服务是 一种w e bs e r v i c e s ，该服务提供了一组标准接口，这些接口的定义明确并且遵守特 定的管理机制，能够很好的解决服务发现、生命周期管理、动态服务创建、通知 等问题【4 8 1 。由于在o g s a 中将一切都看作为服务，因此网格也可以看成是可扩展 的网格服务的集合。简单地说，网格服务= 接口行为+ 服务数据。图2 2 是对网格 服务的简单描述。 务一务一一务一一务 艮一一艮一一艮一一艮服一一服一一服一一服格一一格一一格一一格网一一网一一网一一网 基于网格工作流的动态配置应用研究 g r i d s e r v i c e 服务数据访问 ( 必须的) 显式撤销 软状态生命周期 绑定属性 一可靠激活 一认证 其他接口 ( 可选的) 图2 2 网格服务 f i g 2 2g r i ds e r v i c e s 4 8 】 标准接口： 一通知 一授权 一服务创建 一服务注册 一管理 一开发 应用相关接口 网格技术和w e bs e r v i c e s 技术是o g s a 的两大支撑技术。o g s a 符合标准的 w e bs e r v i c e s 框架，w e bs e r v i c e s 框架虽然解决了发现和激活永久服务的问题，但 是在网格中有大量的临时服务，因此o g s a 对w e bs e r v i c e s 框架进行了扩展，提 出了网格服务( g r i ds e r v i c e ) 的概念，使得它可以支持临时服务实例，并且能够 动态创建和删除服务【4 9 1 。 有了网格服务的设计和实现，o g s a 实现的将不再是对资源的共享，而是对 服务的共享。把网格资源映射为网格服务，这种抽象方法可以将信息、数据等资 源统一起来，有利于灵活、一致和动态的共享机制的实现【2 4 1 。 o g s a 中以服务为中心的基本思想具有以下两点好处【2 5 】： ( 1 ) 将网格中的一切资源都抽象为服务，并提供一组相对统一的标准服务接 口，所有的网格服务都基于这些标准服务接口实现，通过这样的机制可以很容易 地构造出具有层次结构的、更高级别的网格服务，这些网格服务可以跨越不同的 抽象层次，但是却可以以一种统一的方式看待； ( 2 ) 网格服务的虚拟化使得将多个逻辑资源实例映射到相同的物理资源上成 为可能，从而在对网格服务进行组合时不必考虑具体的实现，可以直接以底层资 第2 章网格工作流相关理论与关键技术 源的组成为基础，在虚拟组织中进行资源管理。通过网格服务的虚拟化还可以将 通用的服务行为和语义无缝地映射到本地平台的基础设施之上。 在o g s a 的相关理论提出之前，对网格技术的研究只局限在科学计算等学术 研究领域，而o g s a 的提出为网格技术进一步应用于以分布式系统服务集成为主 要特点的社会经济活动领域提供了可能。虽然目前学术界对o g s a 的研究还大多 局限在理论研究领域，但随着对o g s a 相关理论的不断完善和提高，它必将进一 步推动网格技术的发展。 2 1 3 网格资源描述及资源结构模型 网格资源指的是网格中所有可以被请求使用的实体的总称，包括计算机软件、 硬件、设备和仪器等，其中软件资源包括系统软件、应用程序、数据等；硬件资 源包括处理器、存储器、硬盘以及其他计算机设施等；设备和仪器包括通信介质、 天文望远镜、显微镜、传感器等【2 6 】。网格资源体系结构和管理调度机制对网格系 统的运行有很重要的影响，网格资源的管理与调度机制是使网格技术走向广泛运 用的一项关键技术【2 7 1 。网格资源管理与任务调度的理论及技术是高性能分布式计 算领域里的一个重要的研究课题 2 8 】。 从宏观上讲，建立成功的网格系统最重要的就是选择合适的网格资源结构模 型。当前网格中主要存在三种不同的资源结构模型：集中式模型、层次模型、分 层分布式模型【2 9 】： ( 1 ) 集中式：以全局统一的策略管理位于一个或多个域中的网格资源。集中式 模型实施的前提是所有资源的状态信息必须是确定的，然而网格中的资源是以“动 态的虚拟组织 的形式存在的，所以这种静态的约束严重影响了网格自适应性和 可扩展性的特点。 ( 2 ) 层次式：指的是网格资源分布在各个层级中，每个资源只能与上一层级， 同一层级或下一层级的资源直接通信。该结构主要分为被动部分和主动部分：被 动部分包括：资源、作业、任务等层次性的实体，并具有嵌套性结构；主动部分 包括：调度器、信息服务器、域控制代理( 负责本地资源的管理) 。它不同于调 度器，但它可以包含内部调度器。然而由于整个网格环境十分庞大，在这种环境 基于网格工作流的动态配置应用研究 下采用层次模型，仍由一个顶层的中央节点对所有资源节点进行管理显然是不科 学的。因为任何一个底层的资源变动都将引起上层管理节点相应的信息更新，依 此类推，最上层的中央节点将会一直处于信息更新的状态。通常在网格环境中的 资源信息更新数目是异常巨大的，当数据量达到一定程度时，中央节点可能会出 现失效从而造成整个网格系统的崩溃。 ( 3 ) 分层分布式模型：分层分布式模型很好的结合了集中式和层次式模型的优 点，它的设计思想基于以下几点认识：在单一组织拥有的自治系统中往往采用集 中式体系结构，以方便管理和维护；不同组织采用的管理策略不同j 且往往已有 大量各不相同的遗留系统需要保护，因而难以采用单一的集中式体系结构；大规 模分布式系统需要分布的资源发现机制，域的分割使分布的资源发现更加容易【3 们。 现行的大部分网格系统的资源管理结构使用的是分层分布式模型。在分层分 布式模型中，整个网格系统被划分为多个子网格，子网格再可以进一步细划为一 个或多个域。分层分布式模型见图2 3 。 图2 3 网格资源分层分布式模型 f i g 2 3l a y e r e dd i s t r i b u t e da r c h i t e c t u r em o d e lo f g r i ds o u r c e 2 2 网格工作流 随着网格技术的广泛应用，网格处理的任务将越来越复杂，它将面对如下问 第2 章网格工作流相关理论与关键技术 题：如何更准确的表达业务逻辑；如何更好的协调网格资源；如何对业务执行过 程进行监控等等。网格工作流就是针对以上问题在传统工作流基础之上提出的一 种新型工作流系统，它创建了一种网格资源的协同工作机制，实现了多个动态网 格应用的共享和协同工作。网格工作流相当于各种网格资源的纽带，它包括工作 流引擎的设计实现、逻辑工作流到具体工作流的映射、工作流实例的创建、执行， 任务调度、错误处理和流程优化等。 2 2 1 传统工作流概念 工作流技术是一个被业界广泛应用并迅速发展的技术，它的主要功能是使业 务处理过程自动化，协调人和各种应用程序工作，而工作流管理系统w f m s ( w o r k f l o wm a n a g e m e n ts y s t e m ) 是一种能定义、创建和管理工作流执行的软件系 统【2 1 。工作流技术的深入研究和综合运用对企业进行有效的经营管理具有非常重要 的意义。 工作流管理联盟w f m c ( w o r k f l o wm a n a g e m e n tc o a l i t i o n ) 为工作流提供了 一个标准定义：工作流是一类能够完全或者部分自动执行的经营过程，它能够根 据一系列的过程规则、信息、文档、或任务等，在不同的执行者之间进行信息传 递和控制业务流程的自动执行【3 l 】。从工作流的定义可以看出，工作流就是由计算 机控制的企业业务流程的自动执行，它定义了流程的基本描述、组成流程的活动 及活动描述、各活动时序及约束关系，活动间信息流、活动内容，流程活动的参 与人、管理人、程序执行所需的安全信息，流程的启动时间、任务期限限制和分 布执行的策略等。 从比较高的层次上来抽象地考察工作流管理系统，可以发现所有工作流管理系 统都提供了以下3 种功能【3 2 】： - 建立阶段的功能：主要实现业务过程及其相关活动的定义和建模； - 运行阶段的控制功能：在一定运行环境下，管理并控制执行工作流过程，并 完成每个过程中活动的排序和调度； 一运行阶段的人机交互功能：指在工作流运行过程中，工作流管理系统实现在 各种活动执行过程中用户( 业务工作的参与者或控制者) 与外部应用程序工具之 基于网格工作流的动态配置应用