（通信与信息系统专业论文）基于gt4的数字制造资源动态调度的研究与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 数字制造的过程决定了数字制造资源具有分布性，共享性的特点，这些资 源在企业之间甚至企业内部分布在地理位置互不相同的多个地方，而不是集中 在一起。同时企业为了完成产品生产，除需要自己已有的制造资源外，还可能 需要不属于自己的制造资源才能完成产品的制造，因此，制造资源又必须是可 以充分共享的，共享是数字制造资源管理的目的。而网格作为一种新型的网格 计算平台，提供了共享和协调使用各种资源的机制，能够将异构的、动态的、 地理上分布的资源创建为一个统一的系统，以实现资源的全面共享和协同。本 文将网格系统应用于数字制造的资源调度，正是想将两者的特点有机的结合起 来。 本文首先介绍了数字制造资源共享的意义和发展趋势，研究了网格的环境 和主要架构，着重介绍了g l o b u st o o l k i t 4 的架构与功能，并在g t 4 平台上构建 了数字制造资源模型，部署了制造资源服务。研究了制造网格资源调度技术， 并通过对比实验总结其各自优劣，得到改进的时间价格调度算法。 通过对制造过程的分析，研究了制造全过程中资源的静态和动态调度问题， 提出资源动态调度的解决方案，详细介绍了资源调度的全过程。为验证提出的 理论，本文设计了数字制造资源调度系统的模拟测试。首先在g t 4 上发布一系 列的制造资源服务，然后发布制造资源调度服务，用户通过制造资源调度服务 得到全制造过程的资源路径信息，根据此资源路径信息查找资源。为解决资源 的动态问题，采用资源预留机制。资源调度服务会一次性将整个制造过程需要 的资源按照时间价格最优算法得到，产生资源路径。在每一个制造环节，用户 可以根据此资源路径查找到对应的资源，若无法与资源通信，则以当前环节为 开始环节重新请求资源调度服务。同时在制造资源调度服务器上为用户建立资 源预留信息，以方便其他用户知道每个资源的排队情况，在用户再次请求资源 调度服务时更新该信息。 通过模拟测试，说明本文提出的资源模型和制造资源动态调度系统具有很 好的健壮性和可扩展性，用户通过该系统能很有效的找到合理的制造资源。 关键词：g t 4 ，数字制造资源，资源调度 _ i 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i g i t a lm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sd e t e r m i n e st h ed i g i t a lm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e s h a v et h ee h a r a c t e r i s t i e so fd i s t r i b u t i o na n ds h a r e t h e s er e s o u r c e sa r ed i s t r i b u t e di n g e o g r a p h i c a l l o c a t i o n a tt h es a m et i m ei no r d e rt o c o m p l e t et h ep r o d u c t i o n , e n t e r p r i s e sd on o to n l yn e e dt h em a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e st h e yw a n t ，b u ta l s on e e d o t h e rr e s o u r c e sn o tw a n t t h e r e f o r e ，r e s o u r c e ss h o u l db ef u l l ys h a r e d ；s h a r i n gi st h e p u r p o s eo fd i g i t a lm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c em a n a g e m e n t t h e 鲥dp r o v i d e s a m e c h a n i s mf o rs h a r i n ga n dc o o r d i n a t i o nw h i c hc a l lg a t h e rt h eh e t e r o g e n e o u s ， d y n a m i c ，g e o g r a p h i c a ld i s t r i b u t i o no fr e s o u r c e st o au n i t e d s y s t e m t oa c h i e v e r e s o u r c e sc o m p r e h e n s i v es h a r i n ga n dc o o r d i n a t i o n t h i sp a p e rw a n t st ou n i tt h e s et w o s y s t e m sa st h e i ro w ns p e c i a l t i e s ，t oc o m p l e t ead i g i t a lm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e s s y s t e mo i lt h eg d ds y s t e m t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h em e a n i n go fs h a r i n ga n dt h et r e n do f d e v e l o p m e n to f t h ed i g i t a lm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e ，a n dt h er e s e a r c ho fe n v i r o n m e n ta n dt h em a i n s t r u c t u r eo fg n d ，a n df o c u so nt h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no fg l o b u s t o o l k i t 4 i t c o n t r i b u t e sad i g i t a lm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c em o d e lo ng t 4 p l a t f o r m ，a n dd e p l o y st h e m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e ss e r v i c eo ng r ds y s t e m r e s e a r c ho nt h em a n u f a c t u r i n g 豇d r e s o u r c es c h e d u l i n gt e c h n o l o g ya n dt h ee x p e r i m e n t so ft h e i rr e s p e c t i v em e r i t s ； i m p r o v eac o s t - t i m es c h e d u l i n ga l g o r i t h m b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，r e s e a r c ho nt h ew h o l e p r o c e s so fm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e sw i t ht h es t a t i ca n dd y n a m i cs c h e d u l i n gp r o b l e m , p u tf o r w a r dt h es o l u t i o n so fd y n a m i cr e s o u r c e ss c h e d u l i n g ，i n t r o d u c et h ed e t a i lo f e n t i r e p r o c e s s o fr e s o u r c e s c h e d u l i n g d e s i g n as i m u l a t i o nt e s to fd i g i t a l m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c es c h e d u l i n gs y s t e mt ot e s tt h et h e o r y f i r s td e p l o yas e r i e so f g t 4m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c es e r v i c e s ，a n dd e p l o yt h em a n u f a c t a a f i n gr e s o u r c e s c h e d u l i n gs e r v i c e so ng r i ds y s t e m u s e r sg e tt h er e s o u r c e sp a t hi n f o r m a t i o no fe n t i r e 武汉理工大学硕士学位论文 m a n u f a c t u r i n gp r o c e s su s i n gm a n u f a c t u r i n g r e s o u r c e s c h e d u l i n gs e r v i c e s ，i n a c c o r d a l i c ew i t ht h i si n f o r m a t i o nt o f i n dr e s o u r c e s u s er e s o u r c e r e s e r v a t i o n m e c h a n i s mt os o l v et h ep r o b l e mo fd y n a m i cr e s o u r c e r e s o u r c es c h e d u l i n gs e r v i c e s w i l lg e tt h ew h o l em a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e sa to n et i m ei na c c o r d a n c ew i t ht h e t i m e c o s ta l g o r i t h m ，g e n e r a t er e s o u r c e sp a t h i ne v e r ym a n u f a c t u r i n gs t e p ，u s e r sc a i l f i n dr e s o u r c e 、 ，i t l lt h er e s o u r c e sp a t h i fu s e r sc a nn o tr e a c ht h er e s o u r c et h e yn e e d ， t h e ys h o u l dr e q u e s tan e w r e s o u r c ep a t hf r o mt h i ss t e p a tt h es a m et i m ee s t a b l i s h u s e ri n f o r m a t i o no fr e s o u r c e sp a t hi nt h em a n u f a c t u r i n gr e s o u r c es c h e d u l i n gs e r v e r ， s oa st of a c i l i t a t eo t h e ru s e r so ft h ei n f o r m a t i o no fq u e u ei nr e s o u r c e s s ow h e nu s e r r e q u e s tr e s o u r c es c h e d u l i n gs e r v i c e so n c ea g a i n ，u p d a t et h ei n f o r m a t i o n t h r o u g hs i m u l a t i o nt e s t s ，p r o v et h a tt h es y s t e mo f r e s o u r c em o d e la n dd y n a m i c m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c es c h e d u l i n gi ss t r o n ga n de x t e n s i b l e u s e r sc a l lf i n da r e a s o n a b l ea n de f f e c t i v em a n u f a c t u r i n gr e s o u r c et oc o m p l e t em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：g l o b u st o o l k i t s4 ，d i g i t a lm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e ，r e s o u r c e s c h e d u l i n g h i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工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。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 1 1 1 数字制造与网格系统 数字制造【lj ，指的是在虚拟现实、计算机网络、快速原型、数据库和多媒体 等支撑技术的支持下，对产品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划和重 组，实现对产品设计和功能的仿真以及原型制造，进而快速生产出达到用户要 求性能的产品的整个制造过程。数字制造的过程决定了数字制造资源具有分布 性，共享性的特点，这些资源在企业之间甚至企业内部分布在地理位置互不相 同的多个地方，而不是集中在一起。同时企业为了完成产品生产，除需要自己 已有的制造资源外，还可能需要不属于自己的制造资源才能完成产品的制造， 因此，制造资源又必须是可以充分共享的，共享是数字制造资源管理的目的。 而网格作为一种新型的网格计算平台，提供了共享和协调使用各种资源的机制， 能够将异构的、动态的、地理上分布的资源创建为一个统一的系统，以实现资 源的全面共享和协同。 网格把分布的资源整合成一台巨大的超级计算机实现计算资源存储资源、 数据资源、信息资源、知识资源、专家资源、设备资源的全面共享和协同。然 而，现实中的网格并非如此功能全面和规模巨大，也可以构造区域性的网格， 如企事业内部网格、局域网网格、甚至家庭网格和个人网格。这是因为网格的 根本特征并不一定在于它的规模的大小，而主要在于资源共享，消除资源孤岛 的本质【2 】。 制造网格利用网格技术进行资源的配置具体实现其制造的过程，主要是实 现企业之间的资源协调的一种技术。主要包括制造资源的系统集成、制造资源 的标准封装和协议、基于知识的数据管理和查询等【3 】。在系统的体系结构上，制 造网格呈现层次结构。从总体功能框架来说，制造网格可以分为三个层次的体 系结构【4 】，如图1 1 所示。 制造网格的基础设施层是制造网格的基础架构，支持产品全生命周期的各 种异构资源，包括设计资源、制造资源、管理资源、计算资源、存储资源、软 武汉理工大学硕士学位论文 件资源、仪器设备等等。所有资源都按照制造网格资源接口要求，连接到制造 网格上。 开源的g l o b u st o o l k i t 是网格的基本技术，可在公司、研究机构和跨越地域 的组织之间安全地在线共享计算力、数据库和其他资源，g l o b u st o o l k i t 已成为 最常用的网格标准。 制造网格中间件 图1 - 1 制造网格三层结构 1 1 2 调度算法的重要地位 网格环境是由大量异构资源组成的，因此网格系统必须解决由于各资源之 间的结构不同和类别不同带来的诸多问题，如资源之间的通信、资源的合理分 配以及任务的高效调度等问题。正是由于网格环境中资源的异构性才为网格软 件的设计提出了更高的要求，只有解决好了这些问题，才能充分发挥出网格技 术的作用。网格环境下的任务调度问题主要分为“面向网格资源的调度 和“面 向网格应用的调度两大问题。面向网格资源的调度是从网格资源的提供者角 度提出的，这种调度的原则是强调如何最大限度地发挥网格环境中各资源的使 用效率。面向网格应用的调度是从网格用户角度提出的，它的原则是如何使应 用程序的执行能够最大限度地适应网格资源性能的动态性，从而保证应用程序 的性能要求。一般而言，网格资源是由多个资源提供者提供的，并且每个提供 2 武汉理工大学硕士学位论文 者又有一套本地资源的调度策略与机制。这些“本地资源调度 就是每一个面 向网格资源的调度具体实现者。另一方面，对于面向网格应用的调度，它要与 这些本地资源调度者合作，一起完成一个面向应用的调度。通常面向网格资源 的调度者往往没有为面向应用的调度提供必要的接口，以帮助实现一个面向应 用的调度过程。而面向应用的调度者也没有权力来干预本地网格资源调度者的 工作方式，这就使实现面向应用的调度问题变得非常困难。目前针对这些问题 已经提出一些相应的机制，如资源预定机制、资源性能动态预测机制、资源调 度信息公布机制、资源同步配给机制以及计算迁移机制等，对于这些机制的研 究和实现现在还远没有达到实际应用的要求。因此研究并提出一个好的任务调 度策略将会在很大程度上提高网格资源的利用率，推动网格技术的进一步发展。 本文探讨网格的体系结构，利用g t 4 网格平台，设计并实现一个可重用的、 利于扩展的数字制造资源模型，在此基础上探讨并实现资源的动态调度。 1 2 项目来源 本课题来源于国家自然科学基金国际合作与交流项目“以网络为基础的数 字制造环境的新理论和新技术研究 ( 5 0 6 2 0 1 3 0 4 4 1 ) 。本项目的目标是利用网络 技术将地理上位置不同的制造设施、计算与存储设备、控制与检测仪器仪表等 集成在一起，建立面向网络制造服务的通用基础支撑环境，实现i n t e m e t 上产品 全生命周期的制造资源、设计资源和服务资源的有效聚合和广泛共享，从而建 立一个能够实现设计区域或全球合作和协作的虚拟制造科研和实验环境，支持 以区域网络制造和全球网络制造为特征的数字制造活动。 1 3 国内外现状 1 3 1 制造网格 国外有关网格技术在制造业中的研究较早，c a c - - r e s e a r c h 的s a v o l a i n e n 等人在1 9 9 5 年发表了文献“p o s i t i o n i n go fm o d e l i n ga p p r o a c h e s ，m e t h o d sa n d t o o l s ，介绍了网格技术在计算机集成制造( c m f ) q 啪应用，并着重强调为网格 建立一个公共的框架，且该框架可以兼容现有c i m 系统的各种不同的步骤、方 法和工具【1 8 】。t u c k e r 等发表了文献“r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fc o o p e r a t i v e 3 武汉理工大学硕士学位论文 p r o d u c td e v e l o p m e n tp l a t f o r mb a s e do ni n t e m e t ，介绍了g r a i 网格，提供了一 个分析和解决协作商业过程的高效的模型【l9 】。首先将网格在制造业应用的是美 国航空航天局( n a s a ) 和美国自然科学基金会( n s f ) 的联合研究计划i n f o r m a t i o n p o w e rg r i d ( i p g ) ，其目的是建立一个完全分布式的计算资源和数据资源的管理环 境，以支持大型科学和工程问题的异地协同。他们以飞行器的多团队仿真问题 为背景，重点解决由不同研究小组开发的地域分布的单元仿真之间的资源和应 用集成问题。波音、福特等公司都在尝试用网格计算进行复杂的仿真和设计。 除此之外，爱立信、日立、宝马等也都已经开始构造和试用内部网格。 目前国内研究院所对制造网格进行了较多的探索性研究。首先是我国航天 二院和清华大学共同开展了“仿真网格 的研究。清华大学c i m s 研究中心目前 承担的国家8 6 3 课题一一网络化制造资源网格( n e t w o r k m a n u f a c t u r i n g r e s o u r c eg r i d ，n e t m a ng r i d ) 系统研究，尝试将先进的网格技术运用于传统的制 造业，探索一条以信息化带动工业化的新路。清华大学国家c i m s 中心的范玉顺 教授等对制造网格的概念和管理技术进行了阐述，并在分析制造网格出现的背 景和需求的基础上，提出了一个可支持基于i n t e m e t 的远程设计、制造和资源共 享的制造网格多层次结构模型1 2 0 - 2 3 。上海大学c i m s 和机器人中心的刘丽兰博士 等结合快速制造资源，构造了快速制造网格的体系结构，并对快速制造网格系 统中的服务节点建设、资源管理和调度、服务质量管理等技术进行了较深入的 研究【5 1 7 】。广东工业大学机电学院的陈庆新教授等借鉴计算网格的理念，探讨了 模具特许连锁制造网格系统的基本架构，并构造了模具特许连锁制造网格体系 之物料供应系统 2 4 - 2 5 。西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验 室的莫蓉教授等发表的多篇文献针对网络化制造和虚拟制造等制造模式在资源 动态配置和共享中存在的不足，结合制造活动和制造资源共享的特点，详细分 析了制造网格的内涵及特点，构造了面向资源共享的、以服务为核心的制造网 格系统，并对其中的资源建模、软件系统封装与集成、资源管理、任务管理与 调度等关键技术进行了探讨 2 6 - 3 1 1 。长沙理工大学曾小青、高阳提出了网格在e r p 系统中的应用，提出协同制造网格的概念 3 2 - 3 3 1 。武汉理工大学的周祖德、张会 福等对开发网格服务结构( o g s a ) 进行了剖析，研究了虚拟组织的构建方法及其 在制造资源共享中的作用，并采用s t e p 国际标准，基于o g s a 虚拟组织模式， 提出了一种适合产品全寿命周期制造资源共享接口模型，将广泛异构的制造资 源放在网格环境中进行共享控制，实现将分散在不同地理位置的制造企业有机 4 武汉理工大学硕士学位论文 结合【3 4 - 3 7 1 。丁毓峰、胡业发等人对制造网格环境下的资源共享机制进行了研究， 并实现了以气门产品开发的具体过程中的资源共享 3 8 - 3 9 】。 1 3 2 制造资源的调度研究 制造资源是企业完成产品整个生命周期所有生产活动的物理元素的总称， 是工厂中的设备、材料、人员与产品生命周期所涉及的硬件和软件的总和。数 字制造资源则是用数字化描述和表达的制造资源。数字制造系统中的制造资源 都是用数字化描述了的资源，因此本文研究所涉及的共享与集成的制造资源都 是指数字制造资源。产品开发过程涉及两类重要信息，一类是开发活动作为输 入、输出的信息，另一类是支持产品制造和控制信息，其中最重要的是制造资 源信息。 制造不是指单纯的加工过程，而要包括市场调研和预测、产品设计、选材 和工艺设计、生产加工、质量保证、生产过程管理、营销、售后服务等产品生 命周期内的一系列相互联系的活动。而制造资源贯穿产品生产的全过程，因此， 对制造资源管理的研究也贯穿于整个制造业的进程。 目前，对制造资源管理的研究主要集中在两个方面：制造资源的建模和制 造资源的调度。随着制造业向全球化方向的发展，在敏捷制造、虚拟制造、网 络化制造等先进制造模式下，为适应快速多变的市场需求，制造资源的建模也 从企业内部发展到企业间的动态、集成化资源建模1 4 0 - 4 1 j 。 目前制造资源调度的方法主要有如下几种：宏观数学模型、整数规划法、 a h p 算法、贪心算法、数据包络法( d e a ) 、工艺评价、灰色模拟、遗传算法、模 糊逻辑、群决策、多维决策模型、多目标决策改进、目标本体论、知识交换格 式等1 4 2 5 9 1 。 1 4 本文主要研究工作 本文主要研究并实现在网格环境中的数字制造资源调度系统，提出数字制 造资源模型，部署资源服务和资源调度服务，讨论资源调度算法，实现并验证 该系统的可行性和合理性。 全文共分六章： 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论，就现今数字制造的需求和网格技术的背景做一个综合性的概 述，表明资源调度的重要性和该研究工作的意义和价值。 第二章基于g t 4 的制造资源建模的研究，简要介绍了网格体系结构和开源 的g l o b u st o o l k i t4 的架构，分析了网格实现规范w s r f 。在此环境中，对数字 制造资源进行了建模的研究，为后面搭建资源调度系统做准备。 第三章数字制造资源服务实现和部署，利用g l o b u st o o l k i t 4 所提供的功能 部署了本文提出的制造资源模型，使其成为网格平台上的一个服务，并进行了 简单的测试。 第四章制造资源动态调度的研究，分析了资源调度的要求和制造过程的实 际需要。介绍了两种资源调度算法，提出了改进的算法并进行了性能分析比较。 结合制造全过程提出了资源调度系统流程，分析了如何实现资源的动态调度。 第五章制造资源调度的仿真实现，提出在网格环境中实现资源动态调度的 系统体系结构，通过部署制造资源服务和资源调度服务，搭建小型的模拟数字 制造资源调度系统，进行测试和性能分析。 第六章对全文工作进行了总结和展望。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 网格 第2 章制造网格中的资源调度问题 2 1 1 网格概述 网格的概念是借鉴电力网提出来的，网格的目标是希望用户在使用网格时， 就如同现在使用电力一样方便。网格( g r i d ) 技术是近年来国际上兴起的一种重要 信息技术，它的目标是实现网络虚拟环境上的高性能资源共享和协同工作，消 除信息孤岛和资源孤岛。 自网格诞生以来，其定义一直处于不断发展变化中，目前最有影响力的是 2 0 0 1 年i a nf o s t e r 与c a r lk e s s e l m a n 在 t h ea n a t o m yo f t h eg r i d ) ) 中对网格的定 义【5 】= 动态分布式虚拟组织中的资源共享和协同问题解决( c o o r d i n a t e dr e s o t l r c c s h a r i n ga n dp r o b l e ms o l v i n gi nd y n a m i c ，m u l t i i n s t i t u t i o n a lv i r t u a lo r g a n i z a t i o n s ) ， 并在2 0 0 2 年7 月的珊a ti st h eg r i d ? at h r e ep o i n tc h e c k l i s t ) ) 一文中对网格的 定义进行了界定，认为可以从以下三个方面判断一个系统是否为网格系统： 1 ) 协调非集中控制的资源( c o o r d i n a t er e s o u r c e t h a ta r cn o ts u b j e c tt o c e n t r a l i z e dc o n t r 0 1 ) ； 2 ) 使用标准的、开放的、通用的协议和接口( u s i n gs t a n d a r d ，g e n e r a l p u r p o s e p r o t o c o l sa n di n t e r f a c e s ) ； 3 ) 获得非平凡的服务质量( t od e l i v e rn o n t r i v i a lq u a l i t i e so fs e r v i c e ) 。 从网格的定义中可以看出，网格的概念核心是“资源( 包括服务) 以及对“资 源的使用一，通过将资源封装为服务，打破传统的强加在“资源 之上的种种 限制，为使用者提供了一种前所未有的“高级服务 。这包括如下几个方面的 含义【删：( 1 ) 资源的网络化，即通过将资源加入到网格中，使得位于任何地理 位置的用户都可以通过网格利用该资源；( 2 ) 资源的规范化，即通过将资源封 装为服务，屏蔽了资源的多样性和异构性，各种资源对用户都是透明的； ( 3 ) 资源的相互协调，即对任何网格资源，在开放网格服务框架( o p e ng r i ds e r v i c e a r c h i t e c t u r e ，o o s a ) 提供的一定规则的约束和管理下，都可以实现相互协作； ( 4 ) 资源的动态融合，因为单个资源往往不能满足用户的要求，这时可以通过 7 武汉理工大学硕士学位论文 网络，将众多的资源集中起来，动态形成虚拟组织，形成具有超级能力的虚拟 资源。 目前，网格的研究已经从美国和欧洲推广到了世界各个大洲，各个国家和 地区都投入了大量的资金进行网格技术研究和网格基础设施建设。国际上已经 涌现出一大批网格研究项目，例如g l o b u s 、c e r nd a t ag r i d 、n i n f 等。网格的 研究也从海量数据高性能计算方面，转向应用领域。尤其在当今世界制造业充 分发展的大背景下，网格技术在制造业中的应用一制造网格，理应在制造业信 息化进程中得到更快的发展和应用。 2 1 2 网格体系结构 网格体系结构就是关于如何建造网格的技术。它给出了网格的基本组成和 功能，描述了网格各组成部分的关系以及它们集成的方式或方法，刻画了支持 网格有效运转的机制。到目前为止，比较重要的网格体系结构有两个，一个是 f o s t e r 等在早些时候提出的五层沙漏结构，然后就是在i b m 为代表的工业界影 响下，在考虑到w c b 技术的发展与影响后，f o s t e r 等结合w e bs e r v i c e 提出的开 放网格服务机构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 ) 。 ( 1 ) 五层沙漏模型【6 u 如图2 1 所示，在沙漏模型中，一个最重要的思想就是以协议为中心，根据 该结构中各组成部分与共享资源的距离，将对共享资源进行操作、管理和使用 的功能分散在五个不同的层次，下层是接近于物理的资源，而上层是更加抽象 的表示。 、 应用层：工具与应用 汇聚层：目录代理， 诊断与监控等 资源层与连接层： 资源与服务的安全 访问 构造层：各种资源，例 如计算机、存储介质、 网络、传感器等 臣巫垂画垂 i 网络层( h t e m e t ) i - ，_ _ _ _ 。_ 。_ 。_ _ _ _ _ 。_ _ - _ _ - _ 。_ _ 。- _ - 。_ - - 。_ _ _ - _ _ 一 图2 1 网络五层沙漏模型与协议架构 8 武汉理工大学硕士学位论文 五层沙漏结构根据该结构中各组成部分与共享资源的距离，将对共享资源 进行操作、管理和使用的功能分散在五个不同的层次，越向下层越接近物理的 共享资源，因此该层与特定资源相关的成分就比较多；越向上层就越感觉不到 共享资源的细节特征，也就是说上层是更加抽象共享资源的表示，因此就不需 要关心与底层资源相关的具体实现问题。 在五层沙漏结构中，最底层是构造层( f a b r i c ) ，构造层面对的是一个个具体 的物理( 也可以是逻辑的) 资源，它通过对这些局部资源的管理，向上层提供对这 些资源的管理和控制界面。构造层的上面是连接层( c o n n e c t i v i t y ) ，主要是为下层 的物理资源提供安全的数据通信能力，这是资源间进行互操作的前提，连接层 使得单个的资源之间建立了联系。连接层的上面是资源层( r e s o u r c e ) ，它反映的 是抽象的局部资源的特征，而资源层上面的汇聚层( c o l l e c t i v e ) 完成的功能是如何 将下面以单个资源形式表现出来的资源集中起来，协调解决多个资源间的问题。 最上面的应用层( a p p l i c a t i o n ) 和资源的距离最远，它关心的是有什么样的资源可 以由下面提供给虚拟组织，解决不同虚拟组织的具体问题。 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，并向上提供访问这些资源的接 口。构造层资源是非常广泛的，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，例如如果资源层支持提前预约功能，则很容易在高层实现 资源的协同调度服务，否则在高层实现这样的服务就会有较大的额外开销。 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。 一 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子操作。 9 武汉理工大学硕士学位论文 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。 应用层 应用层是在虚拟组织环境中存在的。应用可以根据任一层次上定义的服务 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a p i 定义为与执行特定活动 的服务交换协议信息的具体实现。 五层沙漏模型的一个重要特点就是沙漏形状，是因为各部分的协议数量是 不同的。对于最核心的部分，要求能实现上层各种协议向核心协议的映射，同 时支持核心协议向下层其它各种协议的映射。核心协议在所有的支持网格计算 的地点都应该得到支持，因此，核心协议的数量不应太多。在五层沙漏模型中， 资源层和连接层共同组成了这一核心的瓶颈部分。 ( 2 ) 开放网格服务体系结构【6 2 - 6 3 1 o g s a ( o p e n g r i ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e ，开放网格服务结构) 是g g f 的重要 标准建议，是继五层沙漏模型之后的最重要，也是最新的一种网格体系结构。 如果说五层沙漏模型是以协议为中心的“协议结构”，则o g s a 就是以服务为 中心的“服务结构 。o g s a 旨在集成存在于分布式异构环境中的各种独立资源， 以求在动态的虚拟组织中做到资源的共享和协同处理。 这里的服务是指具有特定功能的网络化实体，在五层沙漏结构中，强调的 是被共享的物理资源( 或者是这些资源所支持的服务) ，在o g s a 中，服务所指的 概念更广，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。五层模型试图实现的是对资源的共享，而在o g s a 中，实 现的将是对服务的共享。从资源到服务，这种抽象将资源，信息，数据等统一 起来，十分有利于灵活的，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。 为了使服务的思想更加明确和具体，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 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 义明确并且遵守特定的惯例，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，即网格= ( 网格服务) ，网格服务就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它们操作和共享的服务 来定义。 简单的说，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。 服务数据的访问 c a i ds c r v i c c 显示撤销 一一 ( 必须的) 软状态生命周期 绑定特性 一可靠激活 一认证 其他接口 标准接口： ( 可选的) 卜一一通知 一授权 一服务创建 一服务注册 一管理 一开发 + 面向特别 应用的接口 图2 2 网格服务 与五层模型一样，o g s a 也非常重视互操作性，但是从服务的观点，o g s a 将互操作性问题转化为两个子问题，即定义服务的接口和识别激活特定接口的 协议。五层模型是按照支持虚拟组织组件互操作的协议要求来构造的，更多的 体现出一种解剖学的特点，而o g s a 强调的是与协议消息相对应的服务，侧重 于实体表现出来的行为特征，即特定对象的生理机能。 以网格服务为中心的模型具有如下好处：( 1 ) 由于网格环境所有的组件都是 虚拟的( 这里的具体含义是指相同接口不同实现的封装) ，因此，通过提供一组相 对统一的核心接口，所有的网格服务都基于这些接口实现，就可以很容易地构 造出具有层次结构的，更高级别的服务，这些服务可以跨越不同的抽象层次， 以一种统一的方式来看待。( 2 ) 虚拟化也可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，在对服务进行组合时不必考虑具体的实现，可以以底 层资源组成为基础，在虚拟组织中进行资源管理。通过网格服务的虚拟化，可 以将通用的服务语义和行为，无缝地映射到本地平台的基础设施之上。 武汉理工大学硕士学位论文 在o g s a 中，各种计算资源、存储资源、网络、程序、数据库等等，都被 看作是服务。简而言之，一切都是服务。五层沙漏模型试图实现的是对资源的 共享，而在o g s a 中，实现的是服务的共享。将资源、信息、数据等统一起来， 有利于个灵活的、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e l 和行为。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 s ，用来解决服务发现、动态服务创建、生命周期管理、通知等 问题。 如图2 3 所示，o g s a 架构主要由四个层次构成：资源层，w e bs e r v i c e s 层， 网格服务层，和应用层。 圈囤圆圈圜圈 图2 3o g s a 体系结构 物理和逻辑资源层：大体来说，资源是o g s a 和网格计算的核心，并不 限制于处理器。物理资源包括服务器、存储器和网络；物理资源之上是逻辑资源， 依靠虚拟的物理层的集合来提供额外的功能。诸如安全、工作流、数据库、文 件系统、目录服务和消息服务等通常意义上的中间件在物理网格之上提供抽象 的服务。 ( 国w e bs e r v i c e s 层：o g s a 的一个重要原则就是，所有的网格资源包括逻 辑的和物理的一都被看成为服务。o g s i ( o p e ng r i ds e r v i c e si n f f a s t r u c t t t r e ，开放 网格基础设施) 规范规定网格服务是一种基于w e bs e r v i c e s 的技术，构建在w e b s e r v i c e s 之上。o g s i 利用x m l ，w s d l 等w e bs e r v i c e s 的技术来指明网格资源 之间的标准接口、行为和的互交。o g s i 扩展了w e bs e r v i c e s 的定义，提供动态 的、有状态的、可管理的w e bs e r v i c e s 的能力，来创建网格资源的模型。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 o g s a 层：o g s a 层依赖于w e bs e r v i c e s 层和o g s i 扩展所提供的基础架 构。g g f 在程序执行、数据服务和核心服务等领域定义了众多的规范。o g s a 将成为一个更为强大的s o a 架构。 网格应用层：随着时间的推移，一些构建于o g s a 之上的网格应用将越 来越丰富。这些应用构成了网格应用层。网格的概念和技术开始是用于科学协 作中的资源共享，后来商业计算也大量需要网格计算的一些特质。o g s a 将原来 主要用于科技领域的应用的网格技术转移到了工商业领域，增强了企业能力， 成为一种构造可靠、可扩展、安全的分布式系统的主要解决方案。 2 2w 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 d ，w e b 服务资 源框架) 在o g s a 刚提出不久，g g f 及时提出了o g s i ( o p e ng r i ds e r v i c e i n f r a s t r u c t u r e ，开放