（光学工程专业论文）光子网格资源管理技术研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 随着网络技术的发展，动态、高带宽、实时的并行与分布式协作业务增加了对分散、 异构资源的访问需求与调配难度，从而对网络承载体系提出了挑战或更高的要求，从网格 发展到光子网格。光子网格是借助智能光网络a s o n ，实现分布式存储，分布式传输，分 布式处理的等服务的基础设施。光子网格的目标是实现资源的协同工作和共享，把光网络 中的资源整合成功能强大的虚拟光网络，向用户提供高质量的服务。对光子网格中网格资 源管理关键技术的研究，旨在探索如何在光网络和异构资源环境下构建基于网格的支撑环 境及动态、新型网格资源的调用方式。 本论文研究的主要内容是光子网格架构和光子网格资源管理模块的实现。包括如何定 义光子网格资源；在现有智能光网络的基础上，构建光子网格服务体系结构，以提供网格 服务；以网格资源分配管理器为基础，实现光子网格资源管理器的功能，方便用户更好的 整合与使用光子网格资源。 重点研究抽象和虚拟化智能光网络资源，在此基础上定义光子网格资源，对资源进行 抽象封装，形成可编程可控制的资源对象，向上提供可编程资源接口。通过分析智能光网 络结构和一般网格结构，提出光子网格框架的通用结构。这个框架中的每一层都是更低一 层的抽象，底层为上层提供了一个定义好的接口。随着层次的上升，底层提供的资源在上 层被组合成了更复杂的功能。光子网格资源管理平台为已经虚拟化过的基础设施( 处理器、 存储和光网络) 提供了高级的管理功能。利用g l o b u st o o l k i t4 0 工具包开发光子网格中间 件，构建光子网格资源管理平台，统一调度与管理光网络资源和传统网格资源。使用e c l i p s e 工具，开发网格资源管理平台客户端与网格资源管理平台相配套，提供功能丰富的可视化 界面，满足用户的多样化业务需求。 关键词：智能光网络、光子网格、资源管理平台、资源虚拟化、g l o b u s t o o l k i t4 0 工具包 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , d y n a m i c ，h i g h b a n d w i d t h ，r e a l t i m e c o l l a b o r a t i o no fp a r a l l e la n dd i s t r i b u t e dd e c e n t r a l i z e db u s i n e s si n c r e a s e d ，t h ed e m a n df o ra c c e s s t oh e t e r o g e n e o u sr e s o u r c e sa n dt h ed e p l o y m e n to ft h ed i f f i c u l t yo fc a r r y i n go nt h en e t w o r k s y s t e mi no r d e rt op o s eac h a l l e n g et oo rh i g h e rr e q u i r e m e n t s p h o t o n i cg r i dr e s o u r c ei st o a c h i e v et h eo b je c t i v e so ft h et e a m w o r ka n ds h a r i n g ，t h eo p t i c a ln e t w o r kr e s o u r c e st os u c c e s s f u l l y i n t e g r a t ep o w e r f u lv i r t u a lo p t i c a ln e t w o r kt op r o v i d eu s e r sw i t hh i g h - q u a l i t ys e r v i c e s t h i st h e s i sp l a c e sh i g hi m p a c to nh o wt h ed e f i n i t i o no fp h o t o ng n dr e s o u r c e s ；b a s e do nt h e c o n s t r u c t i o no fe x i s t i n gi n t e l l i g e n to p t i c a ln e t w o r k ，r e s e a r c ht h ep h o t o n i cg r i da r c h i t e c t u r et o p r o v i d e 鲥ds e r v i c e s ；b a s e do ng r i dr e s o u r c ea l l o c a t i o nm a n a g e r , a c h i e v et h er e a l i z a t i o no f p h o t o n i cg r i dr e s o u r c em a n a g e m e n tf u n c t i o n s ，b e t t e ri n t e g r a t e dw i 也t h eu s eo f 鲥dr e s o u r c e s p h o t o nf o ru s e r s f o c u s e so nt h ea b s t r a c ta n dv i r t u a l i z a t i o ni n t d l i g e n to p t i c a ln e t w o r kr e s o u r c e s ，o nt h eb a s i s o ft h ed e f i n i t i o no fp h o t o n 班dr e s o u r c e s ，a b s t r a c tp a c k a g eo fr e s o u r c e st of o r ma p r o g r a m m a b l e r e s o u r c e sa n dc o n t r o l l a b l eo b j e c t ，u pt op r o v i d eap r o g r a m m a b l ei n t e r f a c e r e s o u r c e b y a n a l y z i n gt h es t r u c t u r eo fi n t e l l i g e n to p t i c a ln e t w o r ka n dg e n e r a ls t r u c t u r eo ft h e 鲥d ，r a i s et h e p h o t o n i c 酣ds t r u c t u r e e a c hl e v e li sa na b s t r a c t i o no fl o w e rl a y e r , p r o v i d e sag o o di n t e r f a c et o t h eu p p e rl e v e l u s eg l o b u st o o l k i t4 0t o o l k i tt od e v e l o pp h o t o n i c 鲥dm i d d l e w a r e ，t ob u i l d 鲥dr e s o u r c em a n a g e m e n tp l a t f o r m ，au n i f i e ds c h e d u l i n ga n dm a n a g e m e n to fo p t i c a ln e t w o r k r e s o u r c e sa n dt r a d i t i o n a lg r i dr e s o u r c e s u s ee c l i p s et o o l st op r o g r a mc l i e n tf o rm a t c h i n gt h e g r i dr e s o u r c em a n a g e m e n tp l a t f o r m i tp r o v i d e sv i s u a li n t e r f a c et om e e tt h ed i v e r s i t yn e e d so f u s e r s k e yw o r d s ：a s o n ，p h o t o n i cg r i d ，g r a m ，g l o b u st o o l k i t4 0 ，v i r t u a l i z a t i o n 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文不含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它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了 谢意。 研究生签名：盟日期：至盥 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期间的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以 公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研 究生部办理。 酶缝名：j f 辎 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 2 0 世纪9 0 年代是全球电信和i t 产业迅速发展的时期，这一发展过程实际上远远超过 了当时国民经济和社会进步的整体速度。中国电信网络的发展非常普及，现在电话的用户 数( 包括移动电话) 超过了5 亿户。从全球来讲，美国电信产业从1 9 8 4 年a t t 分解之 后开始产生了巨大的变革，美国的迅速发展导致电信设备的研制、电信网络的建设已经远 远超过了当时信息应用的消耗量，使网络设备和网络基础设施大量过剩，直接的结果是导 致大量的电信公司陷入了破产或经营不善的境地。2 0 0 0 年席卷全球的互联网泡沫的破灭导 致世界性经济滞胀使光纤需求在2 0 0 1 年中期达到平衡并逐渐出现过剩，持续2 年的全球 性光纤短缺结束了，光纤价格也相应回落3 0 左右，接近1 9 9 9 年年初的水平。到了2 0 0 2 年，光纤价格仍在下降，最低价格已低于3 0 美元每芯公里，突破了1 9 9 8 年的最低价格。 而更为严重的不是价格的狂跌，而是销售量的锐减。2 0 0 1 年全球光纤的实际需求量只有约 1 亿公里，比年初的预期值下降了2 0 多，仅比2 0 0 0 年于曾长1 0 。通信网真的达到饱 和了吗? 著名咨询机构o v u m 公司使用一个网络带宽资本支出( c a p e x ) 的计量公式，计算每秒钟 在一公里长的距离内传输1 g b 信息量所需的成本。1 9 9 3 年，d w d m 技术出现前，每秒钟在 一公里长的距离内传输1 g b 信息量的成本为2 0 0 0 美元，到2 0 0 7 年，该数字已经不足l 美 元，其发展速度已令摩尔定律失色。近年来，国内i t 专业媒体上又出现了”新摩尔定律”的 提法，指的是我国i n t e r n e t 联网主机数和上网用户人数的递增速度，大约每半年就翻一 番! 而且专家们预言，这一趋势在未来若干年内仍将保持下去。随着人类社会信息化速率 的加快，对通信的需求也呈高速发展。由于光纤传输技术本身的技术优势明显，使其在传 输领域中已占主导地位。光纤巨大的频带资源和优异的传输性能，是实现高速、大容量传 输的最理想的传输媒质。 未来通信的需求不仅仅表现在对海量信息的高传输能力需求上，网络技术更是把互 联网上分散的资源融为有机整体，资源包括高性能计算机、存储资源、数据资源、信息资 源、知识资源、专家资源、大型数据库、网络、传感器等等。实现资源的全面共享和有机 协作，使人们能够透明地使用资源的整体能力并按需获取信息，将成为下阶段网络技术 发展的重点。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 网格技术的背景与发展 电视、计算机和其他消费家电的融合以及信息技术与通信领域技术的融合，使传统通 信领域的游戏规则和竞争格局发生了根本的改变。在传统上，我们所接受的信息来自于报 纸、广播、电视，所得到信息都是单向式的。大家接受信息的模式是一种自上而下的信息 传递方式。互联网的出现使人们有了一个平等的平面作为获取信息的渠道，获取更多的信 息后，又使人们产生什么是信息，哪些信息是自己所需要的需求。面对网络中纷繁复杂的 各种资源，谁都想在第一时间内，得到自己所关注，所最需要的资源。搜索引擎的出现初步 解决了资源的发现，但这种所谓的发现不过是从大海中找到了一桶水，离我们真正所需要 的“有用的一滴水还有着不小的距离。 提供网格服务被认为是互联网发展的新阶段。网格可以构造地区性的网络、企事业内 部网络、局域网网络，甚至家庭网络和个人网络。网格的根本特征并不一定是它的规模， 而是资源共享，消除资源孤岛。网格技术具有很大的应用潜力，能同时调动数百万台计 算机完成某一个计算任务，能汇集数千科学家之力共同完成同一项科学试验，还可以让分 布在各地的人们在虚拟环境中实现面对面交流。 网格计算最初产生于设备利用率问题，可以参看下面的统计数据【1 1 ： 1 大型机有4 0 的时间处于空闲状态； 2 u n i x 服务器有9 0 的时间处于空闲状态； 3 多数的p c 有9 5 的时间处于空闲状态。 另一方面，在一些科学研究和工程设计领域，需要解决的科学计算的运算量对计算机 的处理能力要求越来越高，有的应用甚至使用现有的超级计算机都无法完成。比如天文学 研究中，天文望远镜每年所产生的数据不少于1 0 p b 。假设计算机处理1 m b 的数据需要1 s ， 完全处理这些数据需要大约3 0 0 年的时间，显然是不能满足要求的【2 】。在高能物理、天文 学、医学、基因研究等领域，都需要有超大规模的计算和数据分析能力的计算机。为了达 到这个目标，就产生了将大量的处理器联合起来协同使用，实现单个处理器无法达到的处 理能力的设想。网格研究起源于过去十年美国政府资助的高性能计算科研项目。这项研究 的目标是将跨地域的多台高性能计算机、大型数据库、大型科研设备、通信设备、可视化 设备和各种传感器等整合成一个巨大的超级计算机系统，以支持科学计算和科学研究。 2 0 0 2 年7 月，i a n f o s t e r 在什么是网格? 判断是否网格的三个标准一文中，限 定网格必须同时满足三个条件： 堕塞塑皇盔堂婴主婴窒生堂垡堡壅兰二望堑堡 ( 1 ) 在非集中控制的环境中协同使用资源网格能够整合各种资源，协调各种使 用者，这些资源和使用者可以在不同的控制域中；网格还必须解决在这种分布式环境中出 现的安全、计费、权限等问题。 ( 2 ) 使用标准的、开放的、通用的协议和接口网格应用要建立在多功能的协议 和界面之上，这些协议和界面要解决认证、授权、资源发现和资源存取等基本问题。 ( 3 ) 提供非平凡的服务质量网格允许它的资源被协调使用，以得到多种服务质 量，满足不同使用者的需求，如系统响应时间、流通量、有效性、安全性以及资源重定位， 使得联合系统功效比各部分功效总和要大得多。 网格被看作今后网络的应用模式和服务提供机制。为了实现未来向网格应用的平滑过 渡，很多企业在现有的因特网技术环境下引入网格技术，希望能将接入因特网的资源进行 更强力的整合，让网络对每个用户的每项业务都充当类似超级服务器的角色，从而有效地 提供现有w w w 网络无法很好提供的服务，彻底消除异构网络系统和异构设备之间的壁 垒。这方面已经提出的概念包括内容分发( c o n t e n t sd e l i v e r y ) 、服务分发( s e r v i c e d e l i v e r y ) 、电子服务( e - s e r v i c e ) 、实时企业计算( r e a l - t i m ee n t e r p r i s ec o m p u t i n g ) ， 分布式计算、对等计算( p e e r t o p e e rc o m p u t i n g ) 、w e b 服务( w e bs e r v i c e s ) 等。不同的 概念有着不同的侧重点，例如p 2 p 计算强调打破客户端服务器和浏览器服务器的主从模 式，用对等模式( 或无服务器模式) 实现超级服务器的功能；实时企业计算则强调对在线 事务处理的实时支持。 1 2 网格与光子网格的关系 网格是从电力网格中借鉴过来的一个概念，原本是希望网格资源能够象电力样， “打开电源开关就可以使用，不用去关心是谁、如何提供的这些服务。网格的目标是抽 象并量化网格资源，随时随地能够通过网络“定额”完成“定量”的相关工作。 网格资源既独立于网络又依附于网络。当前的大多数网格项目都假设网格内的计算机 网络可以提供足够的带宽、保持很高的性能。当前的网格应用不太考虑底层传输的能力和 质量，网格研究的重点和热点也主要集中于传统网格领域的资源管理和应用方面。只有少 数项目将研究方向投向网络，包括e u r o p e a nd a t a g r i d 3 1 和一些独立的网络监控项目 ( g r i d m o n ) 4 - 5 1 。但是，随着科技的发展，现实存在的一些网格应用对传输带宽和传输质 量提出了更为严格的要求。从网格的角度来看，网络也是网格环境中的重要资源。网络联 系起了网格中各个节点，没有网络，网格就不能运行。随着社会信息化程度的不断提高， 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 人类所需求的信息量不断增加，现有网络资源很快将不能满足网格应用的需要。 目前，各种不同业务特性的网格应用在业务流粒度、数据处理带宽、性能指标时延、 丢包率等方面的要求各不相同。以丢包率为例，欧洲粒子物理研究中心的粒子物理研究实 验对丢包率很敏感，要求网络能够提供可靠的数据传输，因此使丢包率最小化是提供这项 网格服务的重要基础。还有些网格应用可能需要为数据库备份或为了负载均衡而进行大规 模数据传输，这都对网络带宽与可靠性提出了更高的要求。 归纳起来，不同的网格应用对网络有一些共同需求： 按需提供和调度大量廉价带宽： 网格用户或者应用对网络资源的管理和控制，即管理自组织分布式计算资源和自 主完成大数据传输。 现有的网格系统中数据传输主要是通过基于t c p i p 协议簇的互联网或者通过固定带 宽的光纤链路实现，这样的网络环境对于数据密集型网格应用存在着缺陷，这些缺陷主要 表现在： 1 对于数据密集型网格应用，传统互联网固有缺陷在于作为最小传输单位的包 长度有限。基于i p 的网络对于小数据包的突发传送具有非常高的效率，例如网页 浏览、远程登录和电子邮件等。每1 5 0 0 字节的转发对于电子邮件或1 0 k 一1 0 0 k 字 节内容的网页已经足够了。但是，对于某些具有海量数据的网格应用就很难满足 需求，例如，复制1 5 t b i t 的数据在互联网中需要沿着若干路由器做数十亿次相 同的转发决策。数据包的数目过多、转发次数过多都会导致较大的时延和网络拥 塞的问题。由此可见，目前的i p 网络无法在满足低时延的情况下，提供大量数据 的高速传输，它的“尽力而为”的服务方式也使得用户的服务质量要求得不到满 足。 2 对于数据密集型网格应用，传统互联网的数据传输协议也存在着缺陷。t c p 协议是互联网的主要数据传输协议，提供网络中端到端可靠的、面向连接的数据 传输，主要应用于局域网和广域网中。t c p 协议在小往返时间( r t t ) 的传输通道上 能很好地工作。但是在大往返时间的传输通道上，丢包之后的数据重传的局限性 就很明显。例如，在一个r t t = 2 m s 且传输速率为l o m b s 的局域网环境下，响应时间 为1 7 m s 。相同网络环境下，当传输速率达到1 g b s 的情况下，响应时间暴增为9 6 m s ， 增加了近6 0 倍。 3 对于使用固定带宽的光纤链路，不能充分发挥网格灵活、动态、可自由配置 资源的优势。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 。3 光子网格的研究意义 用 户 数 d s l g i g a b i te t h e m e t 带宽需求 图1 - 1 具有不同带宽需求的用户群数量【6 】 图卜l 是荷兰阿姆斯特丹大学c e e sd el a a t 等人对欧盟的一些网络研究得到的带宽 消耗与用户数量关系的曲线。从图中可以看出a 部分为一般家庭使用者，虽然人数占了最 大，但主要使用的是d s l 的2 m b p s 的典型带宽。这已经能满足绝大多数用户浏览网页，收发 电子邮件，网上游戏等日常用途。而b 部分商业用户的带宽需求变化的区间很大，这与企业 的大小以及企业性质有关。大公司或提供网络服务的公司，需求的带宽就大，反之则小。然 而客户数量最少的c 部分用户，主要是各种科学数据存储与处理的应用，所需求的带宽却最 大。 对于一些需要进行g b p s 、t b p s 甚至更高速率数据传输的分布式网格应用，如此高速 的数据传输对网络带宽以及传输效率都提出了很高的要求。随着光纤技术以及d w d m 技术 的广泛应用，光网络能提供巨大而低廉的带宽资源。高性能计算机的能力不断扩大，网格 中网络传输能力己经成为制约网格系统发展的主要瓶颈，需要一种新的体系结构来解决这 个难题。光网络本身固有的特性和较高的性价比为解决这些问题带来一缕曙光。催生了光 子网格的研究。光子网格就是将光网络资源进行抽象化，融合其它网格资源，为用户提供 动态可控的网格服务，实现广泛资源共享的一种基础设施。 光子网格技术的应用领域很广，主要有以下几方面： 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 分布式超级计算：分布式超级计算将分布在不同地点的超级计算机用高速网 络连接起来，并用网络中间件“粘合 起来，形成比单台超级计算机强大得 多的计算平台。 2 分布式仪器系统：分布式仪器系统使用网络管理分布在各地的贵重仪器系统， 提供远程访问仪器设备的手段，提高仪器的利用率，方便用户的使用。 3 数据密集型计算：并行计算技术往往是由一些计算密集型应用推动的，特别 是一些带有巨大挑战性质的应用，光子网格大大促进了对高性能并行体系结 构、编程环境、大规模可视化等领域的研究。数据密集型计算的应用比计算 密集型的应用多得多，它对应的数据网络更侧重于数据的存储、传输和处理， 计算网络则更侧重于计算能力的提高。 4 远程沉浸：这是一种特殊的网络化虚拟现实环境。它是对现实或历史的逼真 反映，对高性能计算结果或数据库可视化。“沉浸”是指人可以完全融入其 中，各地的参与者通过网络聚集在同一个虚拟空间里，既可以随意漫游，又 可以相互沟通，还可以与虚拟环境交互，使之发生改变。目前，已经开发出 几十个远程沉浸应用，包括虚拟历史博物馆、协同学习环境等。远程沉浸可 以广泛应用于交互式科学可视化、教育、训练、艺术、娱乐、工业设计、信 息可视化等许多领域。 5 信息集成：网络最初是以集成异构计算平台的身份出现，接着进入分布式海 量数据处理领域。信息网络通过统一的信息交换架构和大量的中间件，向用 户提供“信息随手可得”式的服务。网络信息集成将更多应用在商业上，分 布在世界各地的应用程序和各种信息通过网络能进行无缝融合和沟通，从而 形成崭新的商业机会。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 4 论文的研究重点和内容安排 以上可以看出，以数据密集型为主的新业务需要充分的网络资源与动态的网络服务模 式，光网络具有广泛的带宽资源，如何合理的分配光网络资源并充分利用网络带宽，推动 网络与业务的一致性，已成为光网络发展的主要方向之一。而典型的光网络资源包括光路 的建立与带宽的按需求分配，自动光路由等，为了使智能光网络能提供网格功能的服务，需要 将智能光网络资源抽象与虚拟化，使其成为光子网格资源，以实现整个光子网格资源的统一 定位，调度和管理。 本文首先介绍了网格技术的背景与发展，论述了以现有网络提供网格服务的固有缺陷， 在此基础上，分析光子网格研究的意义。 第二章首先介绍网格的基本结构，从最早期的五层沙漏结构到最新提出的w e b 服务资 源框架。在此基础上提出光子网格的通用结构和基本特点。简要介绍了国内外光子网格的 研究进展，进一步凸显了光子网格研究的重要意义。 第三章首先论述了智能光网络a s o n 的体系结构，研究基于智能光网络的光子网格架 构和逻辑结构，重点研究智能光网络资源的抽象与虚拟化，定义光子网格资源。 第四章介绍g l o b u st o o l k i t4 0 工具包，以及利用该工具封装网格服务的一般方法和通 用接口，在计算机上安装g l o b u st o o l k i t4 0 并部署网格服务。研究定义光子网格的服务接 口，为下一章光子网格资源管理的实现打下基础。 第五章分析光子网格资源管理平台与a s o n 管理平面之间的关系，介绍网格资源分 配管理器g r a m 的主要功能函数和资源管理的生命周期，在此基础上，使用e c l i p s e 工具， 编写j a v a 客户端，与资源管理平台相匹配，初步实现其功能。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章光子网格及国内外研究进展 第二章光子网格及国内外研究进展 光子网格是借助光交换与光传输智能化体系作为基础设施，以提供分布式存储，分布 式传输，分布式处理等网格应用服务的网络实体。光子网格的实现能提供高速、高带宽互 联能力，解决分布式高性能数据传输等问题。光网络的资源、接口、传输控制( 如高速数据 传输中流控制、资源控制与管理) ，以及如何提供高级g u n i ( g r i du s e r n e t w o r ki n t e r f a c e 网 格用户网络接口) 等网格业务都是研究的重要方向。在光子网格中，网格资源除了传统意 义上的各种分布式的资源，还包括了光网络资源”】。光子网格的目标是实现资源的协同工 作和共享，把光网络中的各种资源整合成功能强大的虚拟光网络，向用户提供高质量的服 务。光网络提供光网络资源，包括带宽与光通道，是网格资源的实体。采取业务驱动模式 能够提高网络资源的利用率，合理优化网络的承载能力，支持多种业务应用。 光子网格的特征是将网格体系移植到光网络，由此光子网格资源被分为两大部分，一 部分为光网络资源，是对于光传输资源进行分配管理，包括光通道管理，波长分配，带宽 分配，标签分配等等。另一部分为应用资源，也是直接面向用户的可利用的传统网格资源， 比如数据，计算能力，存储能力等等，对于这部分资源的管理包括了资源组织、资源访问、 资源预留、资源管理等。这种资源管理机制条理清晰，结构完整，功能完善，充分体现了 以资源为核心的面向用户的管理理念，将网格服务与光网络资源有效整合，很好地提升网 格服务的应用能力与综合性能。 2 1 网格体系结构 网格的本质特征是：分布与资源共享：分布是网格最本源的特征，网格是通过集中分 散的资源来完成特定目标。资源共享是一种集中资源方法的高度抽象：把所有的网格资源 包括计算力、存储能力、传输能力等，高度抽象成为用户可见的“电源接线板”，其 它的东西对用户透明。和电力网格一样，用户的需求是变化的，所以动态性是网格需要考 虑的一个基本问题。自治性与管理的多重性在于网格节点内部的自治和外部的受控整合， 分层的资源需要层次化的管理，而分层来自于网格节点的归属问题和性能方面的考虑。 网格体系结构是关于如何构建网格的技术，它包括两个层次的内涵：是要标识出网 格系统由哪些部分组成，清晰地描述出各个部分的功能、目的和特点。二是要描述网格各 个组成部分之间的关系，如何将各个部分有机地结合在一起，形成完整的网格系统，从而 r 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章光子网格及国内外研究进展 保证网格有效地运转，也就是将各个部分进行集成的方式或方法。网格技术的权威l a n f o s t e r 将网格体系结构定义为“划分系统基本组件，指定系统组件的目的与功能，说明组 件之间如何相互作用的技术”。显然，网格体系结构是网格的骨架，只有建立合理的网格 体系结构，才能设计和构建好网格。 到目前为止，主流的网格体系结构主要有三个：第一个是i a nf o s t e r 等人在早些时 候提出的五层沙漏结构( f i v e l e v e ls a n d g l a s sa r c h i t e c t u r e ) ；第二个是在以i b m 为代 表的工业界的影响下，考虑到w e b 技术的发展与影响后，i a nf o s t e r 等结合五层沙漏结构 和w e bs e r v i c e 提出的o g s a ( o p e n6 r i ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ，开放网格服务体系结 构) ；第三个是由g l o b u s 联盟、i b m 和h p 于2 0 0 4 年初共同提出的w s r f ( w e bs e r v i c e r e s o u r c ef r a m e w o r k ，w e b 服务资源框架) ，w s r fv 1 2 规范已于2 0 0 6 年4 月3 日被批准 为o a s i s ( o r g a n i z a t i o nf o rt h ea d v a n c e m e n to fs t r u c t u r e di n f o r m a t i o ns t a n d a r d s ， 结构化信息标准促进组织) 标准。下面简要介绍三种体系结构。 2 1 1 五层沙漏结构 一应用 应用层 燃 汇聚层 、 f 资源层 资源与服务 的安全访问 与连接层 隶 构造层 图2 1五层沙漏结构 ( 1 ) 构造层 构造层的基本功能就是控制局部的资源，包括查询机制( 发现资源的结构和状态等信 息) 、控制服务质量的资源管理能力等，并向上层提供访问这些资源的接口。构造层的资 源是非常广泛的，可以是计算资源、存储系统、目录、网络资源以及传感器等等。构造层 资源提供的功能越丰富，则构造层资源可以支持的高级共享操作就越多。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章光子网格及国内外研究进展 ( 2 ) 连接层 连接层的基本功能就是实现相互的通信。它定义了核心的通信和认证协议，用于网格 的网络事务处理。通信协议允许在构造层资源之间交换数据，要求包括传输、路由、命名 等功能。在实际中这些协议大部分是从t c p i p 协议栈中抽取出的。认证协议建立在通信 服务之上，提供的功能包括：单一登录、代理、与局部安全方法的集成、基于用户的信任 机制。 ( 3 ) 资源层 资源层的主要功能就是实现对单个资源的共享。资源层定义的协议包括安全初始化、 监视、控制单个资源的共享操作、审计以及付费等。它忽略了全局状态和跨越分布资源集 合的原始操作。 ( 4 ) 汇聚层 汇聚层的主要功能是协调多种资源的共享。汇聚层协议与服务描述的是资源的共性， 包括目录服务、协同分配和调度以及代理服务、监控和诊断服务、数据复制服务、网格支 持下的编程系统、负载管理系统与协同分配工作框架、软件发现服务、协作服务等。它们 说明了不同资源集合之间是如何相互作用的，但不涉及到资源的具体特征。 ( 5 ) 应用层 应用层是在虚拟组织环境( v o ) 中存在的。应用可以根据任一层上定义的服务来构造。 每一层都定义了协议，以提供对相关服务的访问，这些服务包括资源管理、数据存取、资 源发现等。在每一层，可以将应用层定义为与执行特定活动的服务交换协议信息的具体实 现。 2 1 2 开放网格服务体系结构( 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 ，o g s a ) 2 0 0 2 年2 月，在加拿大多伦多市召开的全球网格论坛g g f 会议上，g l o b u s 项目组 和i b m 共同倡议了一个全新的网格标准o g s a 。o g s a 叫做开放网格服务体系( o p e n g r i d s e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ) ，它把g l o b u s 标准与以商用为主的w e bs e r v i c e s 的标准结合起 来，网格服务统一以s e r v i c e s 的方式对外界提供。o g s a 的诞生，标志着网格已经从学术 界的象牙塔延伸到了商业世界中，而且从一个封闭的世界走向了开放的环境中。o g s a 从 一诞生，就得到业界的广泛支持，像微软、a v a k i ( 商用网格解决方案提供商) 、e n 仃o p i a ( 基于p c 的分布式计算网格技术提供商) 等从一开始就宣传支持o g s a 。到目前为止， o g s a 已经广为接受，几乎所有的业界同仁都认为它就是网格的未来。由于o g s a 是在 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章光子网格及国内外研究进展 g g f 会议上提出来的，g g f 也就顺理成章地成为o g s a 标准化进程的领头羊。目前，g g f 有4 个研究组负责与o g s a 相关的标准制定工作：开放网格服务体系结构工作组 o g s a w g 、开放网格服务基础设施工作组o g s i w g 、开放网格服务体系结构安全工作组 o g s a s e c w g 和数据库访问和集成服务工作组d a i s w g 。 o g s a 包括两大关键技术，即网格技术和w e bs e r v i c e 技术，它是在五层沙漏结构的 基础上，结合w e bs e r v i c e 技术提出来的，解决了两个重要问题标准服务接口的定义 和协议的识别。以服务为中心是o g s a 的基本思想，在o g s a 中一切都是服务。这一结构 的意义就在于它将网格从科学和工程计算为中心的学术研究领域，扩展到更广泛的以分布 式系统服务集成为主要特征的社会经济活动领域。 o g s a 最基本的思想就是以“服务”为中心。在o g s a 框架中，将一切抽象为服务，包 括各种计算资源、存储资源、网络、程序、数据库等等，简而言之，一切都是服务。这种 观念，有利于通过统一的标准接口来管理和使用网格。 o g s a 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 ，该服务 提供了一组接口，这些接口的定义明确并且遵守特定的管理，解决服务发现、动态服务创 建、生命周期管理、通知等问题。在o g s a 中，将一切都看作网格服务，因此网格就是可 扩展的网格服务的集合。网格服务可以以不同的方式聚集起来满足虚拟组织的需要，虚拟 组织自身也可以部分地根据他们操作和共享的服务来定义。 ( 1 ) g l o b u s g l o b u s 是已经被科学和工程计算领域广泛接受的网格技术解决方案。它是一种基于社 团的、开放结构、开放源码的服务的集合，也是支持网格和网格应用的软件库。该工具包 解决了安全、信息发现、资源管理、数据管理、通信、错误监测以及可移植等问题。 与o g s a 关系密切的g l o b u s 组件是g r a m 网格资源分配与管理协议和门卫( g a t e k e e p e r ) 服务，它们提供了安全可靠的服务创建和管理功能，元目录服务通过软状态注册、 数据模型以及局部注册来提供信息发现功能，g s i ( g r i ds e c u r i t yi n f r a s t r u c t u r e 网格安全架 构) 支持单一登陆点、代理和信任映射。这些功能提供了面向服务结构的必要元素。 ( 2 ) w e bs e r v i c e w e bs e r v i c e 是一种标准的存取网络应用的框架。x m l 协议相关的工作是w e bs e r v i c e 的基础。w e bs e r v i c e 中几个比较重要的协议标准是s o a p ( s i m p l eo b j e c t a c c e s sp r o t o c o l ， 简单对象访问协议) 、w s d l ( w e bs e r v i c ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，w e b 服务描述语言) 、 w s i n s p e c t i o n 、u d d i ( u n i v e r s a ld e s c r i p t i o n ，d i s c o v e r y & i n t e g r a t i o n ，统的描述、发现 与集成) 。s o a p 是基于x m l 的r p c ( r e m o t ep r o c e s sc a l l ，远程进程调用) 协议，用于 1 1 塑室坚! 皇奎兰婴主堕壅圭兰垡笙壅 笙三兰堂王塑堕垄里蜜丛堕窒垄垦 描述通用的w s d l 目标。通过将s o a p 进行扩展支持w e bs e r v i c e 框架的安全性。w s d l 用于描述服务，包括接口和访问的方法，复杂的服务可以由几个服务组成，它是w e bs e r v i c e 的接口定义语言。w s i n s p e c t i o n 给出了一种定义服务描述的惯例，包括一种简单的x m l 语言和相关的管理，用于定位服务提供者公布的服务。而u d d i 则定义了w e bs e r v i c e 的 目录结构。 2 1 3w s r f ( w e bs e r v i c er e s o u r c ef r a m e w o r k ，w e b 服务资源框架) 的 提出 在o g s a 刚提出不久，g g f 及时推出了o g s i ( o p e ng r i ds e r v i c e si n f r a s t r u c t u r e ， 开放网格服务基础架构) 草案，并成立了o g s i 工作组，负责该草案的进一步完善和规范 化。o g s i 是作为o g s a 核心规范提出的，其1 0 版于2 0 0 3 年7 月正式发布。o g s i 规范通 过扩展w e b 服务定义语言w s d l 和x m ls c h e m a 的使用，来解决具有状态属性的w e b 服务问 题。它提出了网格服务的概念，并针对网格服务定义了套标准化的接口，主要包括：服 务实例的创建、命名和生命期管理、服务状态数据的声明和查看、服务数据的异步通知、 服务实例集合的表达和管理、以及一般的服务调用错误的处理等。 o g s i 通过封装资源的状态，将具有状态的资源建模为w e b 服务，这种做法引起了“w e b 服务没有状态和实例”的争议，同时某些w e b 服务的实现不能满足网格服务的动态创建和 销毁的需求。o g s i 单个规范中的内容太多，所有接口和操作都与服务数据有关，缺乏通用 性，而且0 g s i 规范没有对资源和服务进行区分。o g s i 使用目前的w e b 服务和x m l 工具不 能良好工作，因为它过多地采用了x m l 模式，比如x s d ：a n y 基本用法、属性等，这可能带 来移植性差的问题。另外，由于o g s i 过分强调网格服务和w e b 服务的差别，导致了两者 之间不能更好地融合在一起。上述原因促使了w s r f ( w e bs e r v i c er e s o u r c ef r a m e w o r k ， w e b 服务资源框架) 的出现。 ：， w s r f 定义：资源是有状态的，服务是无状态的。为了充分兼容现有的w e b 服务，w s r f 使用w s d l1 1 定义o g s i 中的各项能力，避免对扩展工具的要求，原有的网格服务已经演 变成了w e b 服务和资源文档两部分。w s r f 推出的目的在于，定义出一个通用且开放的架构， 利用w e b 服务对具有状态属性的资源进行存取，并包含描述状态属性的机制，另外也包含 如何将机制延伸至w e b 服务中的方式。作为0 g s a 最新核心规范的w s r f ，它的提出加速了 网格和w e b 服务的融合，以及科研界和工业界的接轨。0 g s a 和w s r f 目前都处于不断的发 展变化之中。2 0 0 4 年6 月，o g s a1 o 版本发布，阐述了o g s a 与w e b 服务标准的关系，同 1 2 塑塞! ! 皇奎堂塑圭型! 壅篁兰篁笙茎釜三雯娄王塑堡垒里堕堑堑窒望壁 时给出了不同的o g s a 应用实例。o g s a2 0 版本于2 0 0 5 年6 月发布，w s r f1 2 也于2 0 0 6 年4 月3 日被批准为o a s i s 标准。 对于w s r f 本身而言，由于其提出不久，其规范还有待在实践中得到进一步应用证明， 并逐步得到完善。基于o g s a 和w s r f 的服务网格平台和规范协议，将最终成为下一代互联 网的基础设施，所有的应用都将在网格的基础平台上得以实施。 网格的优势体现在服务的各取所需上。按需提供服务的网格代表了量化基本单元、格 式化资源共享、形式化公共协议和公理化组合创新的思想。网格是可视、可拓和可控的策 略性创新工具，能从体系结构上推动智能计算机和网络的发展 在已有网格理论的基础上，提出光子网格的基本特点。 2 2 光子网格通用结构 光子网格体系结构的基本要求包括： 1 向应用服务提供分布资源的全局视图，聚集各种分布的自治资源成为一个系统， 不能破坏现有系统，不导致应用程序的重新编写，能灵活的按需提供带宽。 2 不同组织之间的资源要实现共享，交互操作是必不可少的。要实现的目标是对资 源直接访问而不仅仅是文件共享和交换，具体体现在各种资源构件和机制之间的 信息互通、整合。 3 有一套标准的光子网格协