（通信与信息系统专业论文）基于栅格的通信网络资源管理技术研究.pdf

摘要 栅格( g r i d ) 被称为第三代i n t e m e t ，它是一种新兴的计算基础设施，希望通 过互联网把分散在不同地理位置的电脑整合成一台巨大的超级计算机，实现计算 资源、存储资源、信息资源和通信资源等的全面共享和协作。构建一个信息栅格 需要解决许多关键问题，其中如何根据信息栅格应用需求对通信网络资源进行管 理是很重要的一个方面。 本文首先介绍了栅格的概念以及开放式栅格服务体系结构，并简单介绍了本 文采用的栅格服务开发工具g t 3 ，概述了网络管理的内容。在此基础上，论文研究 了栅格环境中的通信网络资源管理，并在宽带a t m m p l s 通信网络上实现了栅格 服务形式的网络管理。该服务基于s n m p ( s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) ， 从网络各个被管设备中获得网络的实时资源情况，并能根据需求配置网络的连接， 做到网络资源的按需分配。通过对该栅格服务软件的开发，本文实现了以栅格服 务形式对通信网络进行管理的新模式。论文最后提出了本通信网络资源管理实验 系统基于策略的改进方案。 实验表明，该栅格服务使得管理员可以使用网络中的任何一台计算机通过浏 览器对网络进行管理成为可能，而其对通信网络资源采用统一的描述和管理的方 式，为将来实现对各种异构网络进行统一管理奠定了基础。 关键词：栅格网络管理栅格服务 a b s t r a c t g r i di s r e g a r d e da st h et h i r dg e n e r a t i o no fi n t e r a c t i ti san e wc o m p u t i n g i n f r a s t r u c t u r e ，w h i c hi n t e g r a t e st h ec o m p u t e r so fd i f f e r e n tl o c a t i o ni n t oas u p e r c o m p u t e rt h r o u g hi n t e r a c t t h i sc a na c h i e v et h et h o r o u g hs h a r ea n dc o l l a b o r a t i o no f c o m p u t i n g ，s t o r i n g ，i n f o r m a t i o n , c o m m u n i c a t i o nr e s o u r c ea n ds o0 1 1 m a n yi m p o r t a n t p r o b l e m sm u s tb er e s o l v e df o r t h ed e s i g no fai n f o r m a t i o ng r i d ，a n do n eo ft h e s ei sh o w t om a n a g et h en e t w o r kr e s o u r c eo nn e e do ft h er e q u i r e m e n to f g r i da p p li c a t i o n f i r s t l y ，t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h ec o n c e p ta n da r c h i t e c t u r eo fg r i d ，t h e ng i v e s ad e l i c a t ed e s c r i p t i o no ft h eo p e ng a ds e r v i c ea r c h i t e c t u r ea n dw e bs e r v i c e a n dt h e n g t 3w h i c hi st h ed e v e l o p m e n tt o o l k i to fg i r ds e r v i c ei si n t r o d u c e d ，w h i c hi sa l s ou s e d i nt h ee x p e r i m e n t s o m ek n o w l e d g eo fn e t w o r km a n a g e m e n ti s i n t r o d u c e d ，s u c ha s s n m p o nb a s i so ft h o s e ，t h ep a p e rw o r k so v e rt h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kr e s o u r c e m a n a g e m e n tu n d e rt h eg r i de n v i r o n m e n t ，a n dr e a l i z e st h en e t w o r km a n a g e m e n ti nt h e f o r mo fg r i ds e r v i c eo na t m m p l sb r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h i sg r i d s e r v i c ec a no b t a i ns o m er e a lt i m es t a t u so fn e t w o r kr e s o u r c e sb yr e a d i n gt h em i bo f m a n a g e dd e v i c e su s i n gs n m p , a n di ta l s oc a nc o n f i g u r et h en e t w o r kc o n n e c t i o n so nt h e d e m a n do fu s e r , s u c ha st ea n dl s ew i t ht h es o f t w a r e d e v e l o p m e n t ，an e w m a n a g e m e n tm e t h o di sr e a l i z e dt om a n a g et h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sp o l i c yi s p r o p o s e di nt h el a s ts e c t i o n i nt h ef o r mo fg r i ds e r v i c e w i t hr e g a r dt ot h ee x p e r i m e n t s y s t e m ，ai m p r o v e ds c h e m eb a s e do np o l i c yi nt h el a s t s e c t i o n t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h en e t w o r km a n a g e m e n tg r i ds e r v i c er e a l i z e s t h a tt h ea d m i n i s t r a t o rm a n a g e st h en e t w o r kt h r o u g hb r o w s e ro fa n y c o m p u t e ri nt h e n e t w o r k , a n dt h eu n i f o r md e s c r i p t i o nw a ya n dm a n a g e m e n tm o d ew h i c hi su s e di nt h e 鲥ds e r v i c e ，l i e saf o u n d a t i o nf o rs u c c e s s f u l l ym a n a g i n gt h es e v e r a ld i f f e r e n tn e t w o r k s a to n et i m ei nf u t u r e k e y w o r d ：g i r d n e t w o r km a n a g e m e n t g a ds e r v i c e 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及所取得的 研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安屯子科技大 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所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切桐关责任。 本人签名：同期：啦f s 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子利技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容。可以允许采用影印、缩印、或其它复制手段保存论文。( 保密的论 文在解密后遵守此规定) r 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 日期：二叩i 日期：一尘竺羔 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景 因特网技术在给人们带来了很多方便的同时，其固有的缺陷也同趋明显。它 的资源非常混乱，这是由i n t e m e t 自身特性所决定的：i n t e m e t 是一个开放性的系统， 人们在网上发布信息时，几乎没有任何限制：i n t e r n e t 实行的域管理及分散管理机 制，缺乏一个统一的网络管理神经中枢，所以导致整个网络体系处于无序的状态。 与i n t e m e t 相比，栅格是一种构建在互联网上的新一代基础设施，它是高性能 计算机、信息源、因特网3 种技术的有机组合，具有更高性能的知识生产、一体化 和资源共享功能。栅格的根本特征是资源共享，消除资源孤岛，它的规模并不是 主要因素。而且共享与以往所说的共享也有很大不同，更具目的性。它不是简单 的资源互连和单一使用，而是通过互连、组合、协作解决用户需要解决的问题， 产生具有附加值的新服务、数据、信息等资源，满足用户的新需求。 国外的栅格研究【l 】最早从9 0 年代开始，目前是栅格的迅速发展阶段，关于栅格 的研究、开发和应用项目大量出现，出现了影响很大的组织全球栅格论坛 g g f 2 1 ( g l o b a lg r i df o r u m ) ，同时栅格也不再仅仅局限于科学研究，工业界与学术 界联盟正致力于使栅格在更广泛的领域得到推广和应用。 国内大概在2 0 0 0 年左右开始这方面的研究。在我国，已经完成的栅格研究项 目主要有清华大学的先进计算基础设施a c i 和以中科院计算所为主的国家高性能 计算环境n h p c e ，并且还有大量正在进行的栅格研究项目。 除此之外，栅格在处理信息方面与i n t e m e t 质的区别还在于：因特网本身主要 起信息载体的功能，并不创造和生产知识，而栅格却能根据用户的要求自动地生 产知识与信息。在知识生产过程中，栅格的高性能计算机能将数据源( 传感器、贵 重设备、数据库、信息库) 中得到的原始数据通过特定栅格程序软件加工成信息知 识。而且这一功能是完全由栅格本身完成，不需要人为干预。另外与i n t e m e t 的信 息孤岛效应不同，在逻辑上，整个栅格就像一台计算机在运作，充分体现了它的 一体化和高度综合性功能，而不像i n t e m e o j j 样从成千上万个网址中漫无边际的查 找。 1 2 本文的研究内容 本课题的任务是研究栅格环境下的通信网络资源管理，并且开发一个通信网 资源管理栅格服务。本文首先描述了通信网络资源管理栅格服务的体系结构，并 介绍了这个系统中各个组成结构的功能以及整个系统的工作流程；然后详细说明 了通信网络资源管理栅格服务的设计与实现；最后在此基础上提出了本系统基于 2 基丁栅格的通信网络资源管理技术研究 策略的改进方案，为将来对各种异构网络进行管理奠定了基础。 1 3 本文的组织 第一章对因特网技术的不足和栅格技术进行了初步的探讨，提出了栅格与因 特网技术相比较的优势。论文其余章节的研究内容如下： 第二章主要介绍栅格的相关基础知识，包括栅格的定义，栅格与w e b 服务( w e b s e r v i c e s ) 技术的结合以及开发栅格服务( g r i ds e r v i c e ) 的工具g t 3 ( g l o b u st o o l k i t ) 。 第三章主要介绍网络管理的基础知识，包括网络管理基本概念，简单网络管 理协议s n m p ，s n m p 的管理信息库，五种协议数据单元以及管理信息结构，这些 都是建立通信网络资源管理栅格服务的重要理论依据。 第四章首先提出了通信网络资源管理棚格服务的体系结构，然后介绍了该系 统中各个组成结构的功能以及整个系统的工作流程。 第五章在第四章的基础上，详细描述了通信网络资源管理栅格服务的设计与 实现，并简要介绍了本系统基于策略的改进方案。 第六章总结论文的研究工作和进一步的展望。 第二章栅格以及栅格体系结构 3 2 1 1 栅格简介 第二章栅格以及栅格体系结构 2 1 栅格 栅格是一个集成的计算与资源环蜊3 1 ，或者说足一个计算资源池。栅格能够充 分吸纳各种计算资源，并将他们转化成一种随处可得的、可靠的、标准的同时还 是经济的计算能力。除了各种类型的计算机，这里的计算资源还包括网络通信能 力、数据资料、仪器设备甚至是人等各种相关的资源。 栅格是借鉴电力网的概念提出来的【4 l 如图2 1 所示，栅格的最终目的是希望用 户在使用栅格计算能力时，就像现在使用电力一样方便。我们在使用电力时，不 需要知道它是从哪个地点的发电站输送出来的，也不需要知道该电力是通过什么 样的发电机产生的，不管是水力发电，还是通过核反应发电，我们使用的是一种 统一形式的电能。栅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。 2 1 2 栅格的要求 电力网示意图 网格组成示意图 图2 1 电力网与栅格组成的对比 对栅格提出的计算能力，有四个基本的要求1 4 l ，它们分别是可靠性要求、标准 化要求、易访问性要求、费用的低廉性要求。 ( 1 ) 可靠性要求是指栅格提供的计算能力必须保证是持续、稳定和安全的，不 应该因为栅格内部个别资源的变化而对栅格应用造成影响。就如同我们同常使用 电灯时不应该因为个别发电厂临时出现什么故障而造成整个电网电力供应的中断 一样，电力网应该能够保证实时地从别的发电厂或者其它地区的电网引入电力来 4 基于栅格的通信网络资源管理技术研究 弥补本地电力的不足，栅格也应该能够保证提供持续、稳定的计算能力。 ( 2 ) 标准化要求一方面是指栅格资源之间的接口，栅格资源之间应该有一个统 一的可以相互访问的接口或标准协议，只有这样才能实现栅格资源的互操作从而 实现充分的资源共享，标准化是共享的前提；另一方面是指栅格对用户提供的计 算能力应该满足一定的标准。 ( 3 ) 易访问性要求是指用户可以在任何时间、任何地点、以自己习惯的统一的 形式访问和使用各种栅格资源。 ( 4 ) 栅格费用的低廉性要求是栅格能够被普遍推广和接受的前提，不管栅格有 多少优点，如果大多数的使用者无法承受其费用，栅格就不可能被普及，它的各 种优势也就根本无法得到体现。 这些要求都是栅格需要解决的问题，也是栅格技术发挥作用的地方。栅格作 为一种新型而重要的基础设施，不是一夜之间就能够出现的，它需要各个方面联 合起来，共同努力才可以实现。 2 1 3 栅格的组成与特点 栅格计算系统主要包括栅格节点、棚格系统软件、栅格应用。栅格节点是地 理上独立的计算和信息中心。栅格系统软件对栅格计算系统的组成起着关键的作 用，软件统一管理计算栅格( c o m p u t a t i o n a lg r i d ) ，将各个节点集成起来，组成一个 虚拟坍同高性能计算环境，向社会大众和各领域的科研机构统一提供高性能计算 和海量信息处理服务。栅格应用是以生物、气象、能源、石油、水利、军事等行 业的重大应用为背景建立的应用。 栅格计算系统具有资源分布性、管理多重性、动态多样性、结构可扩展性等 特征1 5 】，其节点及各种资源分布于不同的地方，隶属于不同的所有者，具有多层管 理的特点。为了完成特定的工作，各种各样的异构资源可动态组合，规模可不断 加大。 ( 1 ) 分布与共享是栅格的一个主要特征。栅格的分布性首先指的是栅格资源是 分布的，但又是共享的。可以认为：分布是栅格硬件在物理上的特征表现，而共 享贝q 是在栅格软件支持下实现的逻辑上的特征。栅格上的任何资源都可以提供给 栅格上的任何使用者。共享是栅格的目的，没有共享便没有栅格，解决分布资源 的共享问题是栅格的核心内容。 ( 2 ) 栅格资源是多样的和异构的。栅格中的信息技术资源多种多样，不仅有各 种类型的超级计算机，甚至包括各种尖端科学仪器，如光谱分析仪、天文望远镜 等都可以加入到栅格环境中，由这些机器产生的科学数据可以直接传输到棚格上 去，从而实现跨越地理分布的多个管理域。 第二章栅格以及栅格体系结构 5 ( 3 ) 与i n t e r n e t 类似，栅格也是一个开放性的信息载体。它可以从最初包括的少 数资源发展到具有成千上万资源的大栅格。栅格资源的动态变化要求提高栅格的 可扩展性和自适应性，而且栅格的设计与实现时，必须注重栅格的可扩展性。与 一般的因特网及单机结构不同的是，栅格系统由于地域分布和系统的复杂性使其 整体结构经常发生变化。栅格同样可能发生障碍，但由于栅格系统的动态适应能 力很强，能够在特殊情况下自动将用户的请求转发给正常的子系统来完成。 ( 4 ) 与因特网的域管理机制类似，栅格系统中的各种资源属于不同的机构与组 织，栅格资源应具有自治性的。但栅格资源也必须能提供统一管理，具有互操作 特征，因此，管理栅格系统的管理机制更为复杂。 分形模型的一个重要特征是自相似性。栅格的局部和整体之间也存在着一定 的相似性，这对于构建和研究栅格技术有十分重要的意义。 2 2w e b 服务概述 w e b 服务是一种分布式计算，它允许我们开发客户端服务端应用。w e b 服务 的定义是这样的1 6 j ：一个w e b 服务是一个可以被u r l ( u n i f o r mr e s o u r c ei d e n t i f i e r s ) 识别的软件应用，它的接1 3 和绑定可以被x m l ( e x t e n s i b l e m a r k u p l a n g u a g e ) 描述与 发现，并且可以通过基于i n t e m e t 的协议直接支持与其他基于x m l 消息的软件应用 的交互。例如，有一个位于美国的关于天气信息的实时数据库，如果我们想把这 个信息分发给世界上的任何人，则我们可以通过一个w e b 服务发布该天气信息，客 户端( 也就是希望获得天气信息的程序) 将同w e b 服务( 在服务器上) 相联系。上述连 接关系如图2 2 所示，客户端发送s e r v i c er e q u e s t 请求天气信息，然后服务器通过 s e r v i c er e s p o n s e 返回天气预报。 o fam e a t b a l l s 图2 2 一个简单的w e b 服务调用的例子 注意，这个和在网站上发布信息不同，网站上的信息面向人，而w e b 服务上的 信息面向软件，决不会直接通过人获得。即使w e b 服务对现存的w e b 技术有很强的 依赖性，但是这种依赖性与w e b 浏览并i l t i t m l ( h y p e r t e x tm a r k u pl a n g u a g e ) 是没 有关系的。 6基于棚格的通信网络资源管理技术研究 2 2 1w e b 服务同其他分却式技术的区别 由于w e b j l 曼务使用标准的x m l 语言，因此它的平台和语言都是独立的。这意 味着客户端程序可以以c + + 编写，运行在w i n d o w s 下，而w e b 服务以j a v a 编写运行 在l i n u x 下。 w e b 服务使用i 王t t p 来传输消息( 比如服务的r e q u e s t 和r e s p o n s e ) 。大多数 i n t e r a c t 的代理和防火墙都不会打舌 , h t t p ( h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 消息流，这对 于建立i n t e r a c t 范围的应用来说是一个很大的优点。 c o r b a ( c o m m o no b j e c tr e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e ) 以及e j b ( e n t e r p r i s ej a v a b e a n ) 是高耦合的分布式系统，他们的客户端和服务器端是互相依赖的。w e b n 艮务 是低耦合的分布式系统，客户端和服务器端相互独立，客户端在调用w e b 服务之前 可能完全不了解该w e b 服务。高耦合系统在企业内部的应用上很理想，但是在 i n t e r a c t 范围上的执行效果却很差。w e b 服务更适合i n t e m e t 范围的应用，比如栅格 应用。 用x m l 语言传输所有的数据明显不会像使用二进制代码那样高效，所以w e b 服务的缺点是有冗余；而且由于它只能提供持久服务因此缺乏多样性。 2 2 2w e b 服务体系结构 w e b 服务体系结构共分四层，从上到下依次为服务发现层、服务描述层、服务 调用层和传输层【7 1 。如图2 3 所示。 s e r v i c ed i s c o v e r y u d d i s e r v i c ed e s c r i p t i o n w s d l s e r v i c ei n v o c a t i o n s o a p t r a n s p o r t h t t p 图2 3w e b 服务体系结构 ( 1 ) 服务发现层：该部分由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 ya n di n t e g r a t i o n ) 处理，允许我们找到满足需要的w e b h 艮务。 ( 2 ) 服务描述层：w e b 服务最大的特点就是具有自描述性，也就是如果定位了 一个w e b 服务，就可以要求其描述自己，并且告诉客户端其支持的操作以及如何去 第二章栅格以及栅格体系结构 7 调用，该过程由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 ) i 吾言来处理。 ( 3 ) 服务调用层：所有的调用w e b 服务都要在客户端和服务器端传输消息。 s o a p ( s i m p l eo b j e c ta c c e s sp r o t o c 0 1 ) 定义了如何组织发送到服务端的r e q u e s t 格式， 以及发送到客户端的r e s p o n s e 格式。 ( 4 ) 传输层：系统结构的这一部分选择h t t p 协议。 2 2 3w e b 服务调用流程 下面简要描述一下典型的w e b h 艮务调用过程【8 1 ，其执行顺序如图2 4 所示。 ( 1 ) 客户端可能完全不了解它即将调用的是什么w e b 服务。因此第一步就是寻 找一个满足要求的w e b 服务。这是通过u d d i 注册处来完成这个任务。 ( 2 ) 步骤1 中的u d d i 将回复客户端哪个服务器能提供其所需要的服务。 ( 3 ) 客户端现在已经明确了w e b 服务的位置，但是不知道如何去调用。所以客 户端就要求w e b 服务进行自我描述。 ( 4 ) w e b j 艮务以w s d l 语言回复客户端。 ( 5 ) 此时客户端已经明确了w e b 服务的位置，以及如何进行调用。调用需要通 过s o a p 语言来完成，例如客户端发送一个s o a pr e q u e s t ，请求某个城市 的天气预报。 ( 6 ) w e b 服务回复客户端请求的信息。如果w e b 服务收到客户端发出的一个 s o a pr e q u e s t ，则w e b 服务给客户端回复一个包含目标城市天气信息的 s o a pr e s p o n s e 。如果客户端的s o a pr e q u e s t 出错，则w e b 服务回复一个 错误信息。 3 w e bs e r v e ra c l i e n t 0 2 臼 j | 、一，l ! 蛏 图2 4w e b l j 艮务调埘过程 w e b 服务的地址是u r i 。就是说u d d i 返回给客户端的就是u r i ，如h t t p ：w e b s e r v i c e s m y s i t e c o m w e a t h e r u s w e a t h e r s e r v i c e ，该地址是给软件使用的，客户端程 序通过命令行收到这个地址，如果用户把u r i 直接写在浏览器的地址栏中会出错。 2 3 基于w e b 服务的o g s a 服务模型 目前，关于栅格最具影响力的结构形式有两种：五层沙漏结构和开放式栅格 服务体系结构( o g s a ) ，五层沙漏结构以协议为中心，而o g s a ( o p e ng r i ds e r v i c e s 8 基丁栅格的通信网络资源管理技术研究 a r c h i t e c t u r e ) 以服务为中心。前者强调被共享的资源，而后者将资源抽象为服务， 从而更加有利于灵活的、一致的、动态的共享机制的实现。 2 3 1o g s a 的基本思想 o g s a 最突出的思想就是以“服务”为中心，在o g s a 框架中，将一切都抽象 为服务，包括计算机、程序、数据、仪器设备等。这种观念，有利于通过统一的 标准接口来管理和使用栅格。w e b 服务提供了一种基于服务的框架结构，但是， w e b 服务面对的一般都足永久服务，而在栅格应用环境中，大量的是临时性的短暂 服务，比如一个计算任务的执行等。考虑到栅格环境的具体特点，o g s a 在原来 w e b 服务概念的基础上，提出了“栅格服务”( g r i ds e r v i c e ) 的概念。栅格服务是一 种w e b 服务，该服务提供了一组接口，这些接口的定义明确并且遵循特定的惯例， 解决服务发现、动态服务创建、服务生命周期管理等与临时服务有关的问题【5 】。 栅格服务通过定义接口来完成不同的功能，服务数据是关于栅格服务实例的 信息，因此栅格服务可以简单地表示为“栅格服务= 接口珩为+ 服务数据 。图 2 5 是对栅格服务的简单描述【9 j 。在目f i _ i i o g s a 的定义中，只有g r i d s e r v i c e 接口是必 需的，而其它的接口比如n o t i f i c a t i o n s o u r c e 、n o t i f i c a t i o n s i n k 、r e g i s t r y 、h a n d l e m a p 等都是可选的。 服务数据 显式撤销 软状态生 标准接口： 通知 授权 服务创建 服务注册 管理 并发 2 5 栅格服务不恿图 在o g s a 中，将一切都看作是栅格服务，因此栅格就是可扩展的栅格服务的集 合【矾。但是这个集合不是一成不变的，是可以扩展的，这反映了栅格的动态特性。 栅格服务可以以不同的方式聚集起来满足虚拟组织的要求，虚拟组织自身也可以 部分的根据它们操作和共享的服务来定义。 以栅格服务为中心的模型具有如下好处【io 】：第一由于栅格环境中所以的组件 都足虚拟的( 指相同接口不同实现的封装) ，这样很容易通过提供一个相对统一 核心接几，所有的栅格服务都基于这个接口实现，这样就很容易构造出更高级别 第二章栅格以及栅格体系结构 9 的服务如图2 6 所示，而且这些服务可以跨越不同的抽象层次，以统一的方式来看 待。第二可以使不同的逻辑资源映射到相同的物理资源上，这样在服务进行组合 时不必考虑具体的实现，可以以底层资源为基础，在虚拟组织中进行管理。 w e b 服务框架的优点：第一栅格环境需要支持服务的动态发现和组织，在异构 的动态环境中，这就需要一些必须的机制，用于注册和发现接口的定义和端点实 现的描述，以及基于特定的接口绑定动态产生代理。w s d l 提供的标准机制支持这 种要求，可以将接口定义和特定绑定的实现分开。第二广泛接受的w e b 服务机制意 味着基于w e b 服务的框架可以开发大量的工具和服务，比如可以对不同的语言产生 语言绑定的w s d l 处理器，在w s d l 之上的工作流系统，w e b 服务的主机环境等。 使用w e b 服务并不意味着在所有的通信中都必须使用s o a p ，如果需要，可以使用 替代的传输方法，以赢得更高的性能或者在特定的网络协议上运行。 2 3 2o g s a 的改进 高级网格服务 i i 网格服务1网格服务2网格服务n i 网格服务2 l网格服务2 2网格服务2 n 图2 6o g s a 的服务结构示意图 前面讲到w e b 服务是基于i n t e m e t 的应用，客户端和服务器端是松耦合的。w e b 服务解决了发现和激发永久服务的问题，但是在栅格中大量的是临时服务，因此 o g s a 提出了栅格服务的概念，使得它可以支持临时服务，并且可以动态的创建和 删除。可以说栅格服务是拥有改进特性的w e b 服务。当然栅格服务会拥有原来w e b 服务所拥有的所有有利因素，比如服务描述和发现；可以从服务描述中自动产生 客户端和服务端的代码；将服务描述和互操作的网络协议绑定在一起；和新出现 的高级开放标准、服务和工具兼容等等。 同时o g s a 弓i 入的主要的改进有【7 l ：有状态的和潜在的瞬时服务、服务数据、 通知、服务组、端口类型扩展、生命周期管理、g s h ( g r i ds e r v i c eh a n d l e ) 和g s r ( g r i d s e r v i c er e f e r e n c e ) 。 ( 1 ) 有状态的和潜在的瞬时服务 该特性是栅格服务对w e b 服务最重要的改进。现在通过使用一个简单的例子来 看一下这个特性是什么。假设一个组织有一个很大的机群能执行许多复杂的计算， 但是这个机群的位置在北京，现在需要位于西安，上海，南京等地雇员也能使用 这个机群的计算能力。这好像可以看成是一个w e b 服务。 1 0 基于栅格的通信网络资源管理技术研究 假设这个w e b l j l 曼务是m a t h s e r v i c e ，它能提供许多复杂的计算。我们可以执行 典型的w e b 服务调用过程。如： 1 激活m a t h s e r v i c e ，告诉它执行某一个操作。 2 m a t h s e r v i c e 将指导这个机群去执行这个操作。 3 m a t h s e r v i c e 返回操作的结果。 如果想接入一个远程的机群来完成复杂的计算，那么可能进行的不是一次操 作，而是一个操作链，在这个链中每一个都相互关联。然而，w e b 服务是无状态的， 无状态意味着w e b 服务不会记住在这次激活到下次激活之间所做的事情。如果我们 想执行_ 个操作链，就应该把这次操作的结果作为下次操作的一个参数发送过去。 然后即使解决了无状态的问题，w e b 服务还是非短暂性的，也就是说w e b 服务 是持久服务。这个是指w e b 服务的生命周期是同w e b h 艮务容器相关联的( 从w e b 服 务器开启到关机，w e b 服务都是有效的) 。这表明了当一个客户不使用w e b 服务时， 这个w e b 服务所记忆的所有信息都能由下一个客户得到。事实上，如果第一个客户 正在使用w e b 服务时，第二个客户接入w e b 服务就会打乱第一个客户的使用。 图2 7 工厂，实例工作模式 栅格服务通过使用“工厂实例解决了这两个问题，如图2 7 所示。o g s a 定 义了一个称为工厂的接口来创建新的栅格实例。一个工厂从客户服务处接收请求， 并在成功创建服务之后返回该实例的栅格服务句柄g s h 和初始的栅格服务引用 g s r 。在o g s a 中，工厂服务是分级的，高级的工厂服务将其工作委托给一个或多 个低层的工厂。以前所有的用户共享一个大的m a t h s e r v i c e ，现在有一个中心的 m a t h s e r v i c e 工厂，维持着许多的m a t h s e r v i c e 实例。当一个客户想激活一个 m a t h s e r v i c e 操作时，它会使用这个实例，而不是工厂。当一个客户想创建一个新 的m a t h s e r v i c e 实例时，它会求助于工厂。 第二章栅格以及栅格体系结构 在栅格体系结构中，服务的定义和实际服务的实例是分离的。一个单一的接 口可以同时拥有多个服务实例，服务于多个客户服务。o g s a 的注册器维护服务定 义到服务实例之间的映射。 图2 ，7 显示了没有必要每一个客户就对应一个实例，一个实例可以由两个客户 共享，一个客户也可以接入到两个实例中去。这些实例是短暂的，因为他们有有 限的生命周期。换句话说，我们可以按照需要去创建和销毁一个服务实例。每一 个实例的生命周期都是随应用的不同而变化。 ( 2 ) 生命周期管理 如果我们使用工厂实例模型，在这种情况下，实例可以在任何时间被创建和 销毁，这就涉及到了生命周期管理。生命周期管理机制足由栅格服务来提供的。 o g s a 使用软状态来实现生命周期管理。栅格服务的状态在生命周期中会发生 改变，这就需要一些过程来对状态进行管理。o g s a 定义服务数据元素( s d e ) 来存 储和维护这些服务状态。这些服务状态可以通过o g s a 定义的服务接口来访问。状 态的改变可以通过异步的状态变化通知来通知相关的服务。客户服务向提供者服 务请求其所关注的状态变化。同时，当服务状态变化时，提供者服务负责通知所 有的客户。 栅格服务在创建时都赋予了一个特定的初始生存期，并可以被客户服务或别 的服务发送的“k e e pa l i v e 消息来显式的扩展。当客户不再需要该服务时，就停 止发送“k e e pa l i v e ”消息。或者当消息传送路径上的某个环节崩溃时，服务也收 不到“k e 印a l i v e ”消息。在所设定的生存期到期后，服务提供者的运行环境或者 服务本身可以决定销毁服务以释放资源。栅格服务接口有一个操作s e t t e r m i n a t i o n t i m e 来设置初始时间。 另外，客户也可以通过一些操作在创建服务时来协商服务的生存时间，这些 操作允许客户指定一个最大和最小的可接受时间。如果服务提供者同意客户的请 求，并能在所指定的时间内提供服务，就会为客户创建服务。 ( 3 ) 服务数据 一个栅格服务实例维护一个服务数据元素的集合，为x m l 片段，包装在标准 的 容器中，包括基本的内部信息，接e l 的特殊信息和应用 的数据。 ( 4 ) 通知 提供了统一的消息事件服务，可被用做多种目的，例如服务数据元素变化的 通知或创建新的服务实例的通知。 ( 5 ) g s h 茅i i g s r w e b 服务以u r i 作为它的地址，而栅格服务就是扩展了的w e b 服务。因此栅格 服务也有u r i 。栅格服务的u r i 称为g s h ，是对u r i 的扩展。一个服务实例被创建 1 2 基于栅格的通信网络资源管理技术研究 时都被分配一个唯一的服务实例句柄( g s i i ) ，这个句柄在一段时间内是不变的和唯 一的。g s i i 能告诉我们栅格服务在哪里，但是它并不能给出如何同这个栅格服务 通信的任何信息( 如它有什么方法，它接收什么信息，返回什么信息) ，这就需要用 到栅格服务参考( g s r ) ，也就是w s d l 文件，与g s h 不同的是，g s r 在服务的生存 期内可能变化，如版本信息和协议绑定信息。 2 4 1g l o b u s 项目 2 4g t 3 简介 g l o b u s 项目是目前国际上最有影响的与栅格计算相关的项目之一。它发起于2 0 世纪9 0 年代中期，是美国a r g o n n e 国家实验室等科研单位的研发项目。其最初的目 的是希望把美国境内的各个高性能计算中心通过高性能网络连接起来，方便美国 的大学和研究机构使用，提高高性能计算机的使用效率。 g l o b u s 项目的主要工作就是建立支持栅格计算的通用协议，开发支持栅格计算 的服务，实现支持栅格计算环境的软件开发工具。 随着又 g l o b u s 项目的深入研究，它的目标也进一步扩展。通过g l o b u s 项目可以 方便地对地理上分布的研究人员建立虚拟组织，进行跨学科的虚拟合作。而最近， g l o b u s 项目又把在商业计算领域中的w e bs e r v i c e 技术融合进来，希望不仅仅局限 于科学计算领域，还能够对各种商业应用进行广泛的、基础性的栅格环境支持， 实现更方便的信息共享和互操作，从而对商业模式、人员的工作方式和生活方式 产生深远的影响。 g l o b u s 对信息安全、资源管理、信息服务、数据管理以及应用开发环境等栅格 计算的关键理论和技术进行了广泛的研究，开发出能在多种平台上运行的栅格计 算工具包软件( g l o b u st o o l k i t ) 。它能够用来帮助规划和组建大型的栅格试验和应用 平台，开发适合大型栅格系统运行的大型应用程序。作为g l o b u s 项目的一个成果， 这是一个基于虚拟组织、开放结构、开放原代码的一套服务和软件库，并支持栅 格计算和栅格应用。该工具包重点在于解决安全性、信息基础设施、资源管理、 通信、故障检查和转移等问题。 g l o b u s s e 具包机制已经被应用于全球数百个站点和几十个主要的栅格计算项 目。g l o b u s i 具包提供了一个解决关键技术问题的工具集( t o o l k i t ) 和服务集，它是 一个模块化的服务包( b a go fs e r v i c e s ) 的模型。它不是一个垂直集成的方法，而是 一个可应用于多种应用领域的通用基础工具中间件( m i d d l e w a r e ) ，它强调跨域问题， 而不是机群( c l u s t e o ，并对本地服务和全局服务进行了区分。 为了有效地支持栅格计算环境，g l o b u s s e 具包的实现主要有四个方面的内容： 栅格安全、棚格信息获取与分布、棚格资源管理和栅格远程数据传输。这四方面 第二章栅格以及栅格体系结构 1 3 的技术可以使得开发栅格计算环境下的应用更加方便。针对这四方面的内容， g l o b u s 项目实现有以下主要组成部分： 栅格安全基础设施( 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 ) ：g s i 负责在广域网络下 的安全认证和加密通信，提供单点登录功能，远地身份鉴别功能及数据传输加密 功能等，提供基于g s i 协议的( g s s a p i ，g e n e r i cs e c u r i t ys e r v i c e sa p i ) 接口。它是 保证栅格计算环境安全性的核心部分。 g l o b u s 资源分配管理( g r a m ，g l o b u sr e s o u r c ea l l o c a t i o nm a n a g e r ) - g r a m 负责远程应用的资源请求处理、远程任务调度处理、远程任务管理等工作，负责 对r s l ( r e s o u r c es p e c i f i c a t i o nl a n g u a g e ) 信息的解析和处理工作，是栅格计算环境 中的任务执行中心。 元计算目录服务( m d s ，m e t a c o m p u t i n gd i r e c t o r ys e r v i c e ) ：m d s 主要完成对栅 格计算环境中信息的发现、注册、查询、修改等工作，提供对栅格计算环境的一 个真实、实时的动态反映。m d s 是栅格计算环境中的信息服务中心。 全局二级存储服务( g a s s g l o b a la c c e s st os e c o n d a r ys t o r a g e ) ：g a s s 简化了在 g l o b u s 环境中应用程序对远程文件i o 的操作，使得使用u n i x 和标准c 语言u o 库的 应用程序基本不用改动就可以在g l o b u s 环境中执行。g a s s 是一个支持栅格计算环 境远程u o 访问的中间件。 栅格f t p 服务( g r i d f t p ) ：g r i d f t p 是一个高性能、安全、可靠的数据传输协议， 并针对高宽带的广域网络环境进行了优化。是栅格计算环境中的数据传输工具。 g l o b u s 复制管理( g l o b u sr e p l i c am a n a g e m e n t ) ：复制管理通过把部分相关数据 智能地放置在离科学应用程序最近的位置，使得科学应用程序可以快速地对数据 进行访问。 2 4 2g t 3 内容 本课题使用的g i o b u s t o o l k i t 的版本是g t 3 ( g l o