（教育技术学专业论文）融入信任机制的网格资源调度研究.pdf

天津师范大学硕士学位论文 摘要 由于网格环境的开放性，所以无论用它进行大规模的并行计算，还是进行信 息的共享与互操作，都会出现各种各样的安全问题。而网格的跨管理域、异构、 动态的特点，使得网格资源管理不同于网络环境，成为网格安全中的研究热点。 本文对网格安全的研究现状进行了梳理，针对网格安全的特点，把信任关系 引入到体系中，对体系中的两个关键问题信任关系和资源调度进行了研究。 本文分析了网格中的信任关系，并给出了信任关系的表示、量化和更新，并 将信任机制融入到网格资源调度中。在传统的资源管理和调度框架中引入信任机 制，用于网格资源节点的信任度的计算和维护，并提出了融入信任机制的网格资 源调度模型和策略。在资源调度的过程中，不仅考虑了任务的q o s ( q u a l 埘o f s e i c e ) 需求和调度性能参数，而且也充分考虑到了彼此的信任关系，这样就可 以将任务分配到信任度较高的资源节点上来执行，从而可以减少总执行时间，提 高应用任务成功执行的概率，进而也提高整个网格系统的性能。 在调度算法上，本文对经典的m i n m i n 算法进行了分析，并在此基础上做 了改进，提出了融入信任机制的网格资源调度t r u s t m i n m i l l 算法。最后通过网 格模拟器g f i d s i m 对算法进行了仿真。通过与m i n - m i l l 算法的仿真比较，结果 表明改进后的算法更加合理有效，是网格环境下一种有效的资源调度方法。 关键词网格；资源调度；信任机制；t r u s t m i n m i n 算法 天津师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t a s 岬姻so f 也c 鲥d 黜i r o 衄锶t ，、7 l ，= h 蘸h e ft ol 鹚e s c a l ep a 越1 e 1c o m p u t i n 吕 o rt 0i n f o m a t i o ns h 撕n ga l l di n t e r o p e r a 【b i l i 吼t h e r e 谢l lb eaw i d e 瑚g eo fs 洲t ) ， i s s u e s a n dm e 班d d o m a i nm 锄a g 锄饥t ，h e t 啪g 锄e o u s ，d y i l 锄i cc h 嬲l c t 甜s t ：i c s ， m a k i n gg r i dr c s o i 鹏em a l l a g e m e n t d i 缳撇tn e 魄o r ke n v i i - o i 蚰e n t ，咖ds e c 嘶t y h 鹬b e e nn l eh o t s p o t i nn _ l i sp a p e r ，m er e s e 盯c hs t a m so ft h e 鲥ds e c u r i 哆i sd e s c r i b e d ；a c c o r d i i 塔t 0 g r i ds 鲫r i t y 曲嘲a i 蹴r i s t i c s ，r e l a t i o no ft m s ti si n 心。也l c e di n t 0n l eg r i ds e c u r i 够 s y s t 锄，l c i l t l l ct 、) l ，ok e y si s s u e si l ls y s t 咖一仇l s tr e l a t i o i l s l l i p 锄df e s o u r c e m 锄a g e i l l 锄ta r cs 砌i e d 1 k sp a p e rm a l 【ead e t a i l 髓a l y s i so ft l l e 撅l s tr e l a t i o n 出p si ng i r da n d 也e c x p r e s s i o n s ， m e a s u r 即1 e n ta 1 1 du p d a t i n go ft h et m s tr e l 撕o i l s h i p s a n dw ei n 仃o d u c e 日1 ct 1 1 l s tm e c h a i l i s mt o l e 嘶ds c h e d u l i n g b a s e do nm e 位l d i t i o n a lr e s o u r c 伪 m 锄a 萨n e n ta n ds c h e d u l i n g 觑鼢铡r k ，w ei n 怕d u c en l et r i l s tm e c h a l l i s m ，w l l i c h i s l l s e dt oc o m p u t ea n du p d a t e 圮7 i r u s tv 酊u eo f 班dr e s o u r c en o d 鹤1 1 1 u st r i 培t m e c h 觚i s m 如s e dr e s o l l r c cs c h e d u l i n gm o d e la n dp o l i c yi n 班di sp r o p o s e d d 证n g t l l es c h e d u l i n 吕i t n s i d e r sn o to n l ym eq o so f t a s k sa n dm e p e r f o n n a i l c ep 舢e t 盯s ， b u ta l s om e 仃u s tr e l a t i o n s l l i p c ho m 瓯1 1 1 e i l 班ds y s t 锄c a na 1 1 0 c a t et h et a s kt ot l l e r 懿o u r c en o d e sw i t hh i 曲t r u s tv a l u e s oi tc a nr e d _ u c e l et o t a lc o m p l e t i o nt i 坨，i t a l s oc a l li n c r e 嬲et h ep r o b a b i l i 哆o ft h et a s kt h a te x e c i l t i n gs u c c e s s 如1 1 yt h e p e r f o n n a l l c eo f 鲥di si m p r o v e d t h i sp 印矗a l l a l y s e st l l em o s tc l a s s i c a la i g o d t h mm i n m i na i l da l s oe 1 1 l l a i l c e si tt o e 1 1 s u r es e c u r i t yd u 订n gt h es c h e d u i i n g ，m e1 m s t - m i n m i na l g o t h mi sp r o p o s e d a t l a s tw es i m u l a t eo u ra l g o r i t h mw i t hm ea i do f ( 讯d s i mt o o l l ( i t ，w ec o m p a r cm e a l g 嘶t h mt 0m i n - m i nmm a n ya s p e c t sa n dt h es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a to u r a 1 9 0 r i u ni sm o r c 陀a s o n a b l e 趾de 街c i e n t 耵l e r e f o r ei t i s a i le 伍c i e n ts c h e d u l i n g a l g o r i t t l i i lf o rs c h e d u l i n gi n 酣de i l v i r o m e n t k e yw o r dg r i d ； r e s o u r c es c h e d u l i n g ；1 m s tm e c h a l l i s m ；t l m s t - m i n - m i n a l g o r i t l l m i l 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得苤鲞竖整盘堂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。 学位论文版权使用授权书 本人完全了解天津师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：办 、fp 纱 矽l 弋 天津师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文研究的背景和意义 1 1 1 网格概述 过去十多年中，人们使用计算资源和网络服务的方式发生巨大变化。近来， 由于计算机和网络技术的快速发展，产生了功能更强的硬件和更加复杂的软件系 统，致使有效利用广泛分布的资源、满足各种不同应用需求成为可能。 分布式系统产生于计算机系统互联之后。科研人员对如何设计、构建和部署 分布式计算机系统进行了深入广泛的研究。产生一些中间件系统、软件库和工具 库，允许将地理上分布的资源协同联合起来，表现为一个单一和功能强大的计算 平台，支持不同程度的并行和分布应用。这些分布计算方法被冠于不同名称，如 元计算( m c t ac o m p u t i n 曲，可扩展计算( s c a l a b l ec o m p u t i n 曲，全球计算( g 1 0 b a l c 锄p u t i n 曲，网络计算( i n t 锄e tc o m p u t i n g ) 和现在的网格计算( g r i dc o m 】p u t i n 曲。 网格( g r i d ) 概念最早于9 0 年代中期【l 】提出，用于表述在高端科学和工程上 分布式计算的一种基础构造形式。从那以来，在相关基础的构建上，网格技术取 得了相当大的成就【2 】，它代表了一种先进的技术和基础设施。 随着计算机网络宽带的增长，网络中接入的计算机数量日益增多，但i n t e m e t 上很多节点的使用效率并不是很高，大量计算机在多数时间内处于闲置或休眠状 态，或仅仅在完成文字处理这个简单的工作。另一方面，互联网上的内容每天都 在飞速增长，不可能有哪个单一的服务器或者搜索引擎能够掌握所有的资源，从 而快捷、便利地为用户提供所需的信息和计算服务。因此，需要一种新的技术来 解决这些问题。网格就是这样一种技术，它是继i n t e m e t 、w e b ( w o 订dw i d e w e b ) 技术之后的第三次互联网技术浪潮【3 】。 网格作为第三代互联网试图实现网络上所有资源的全面连通，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。整个网络连接成一个整体，如同一台巨大无比的计算机，向每个用户提供 一体化的服务。当然，网格并不一定非要这么大，也可以构造地区性的网格，如 天津师范大学硕士学位论文 中关村科技园区网格、企事业内部网格、局域网网格，甚至家族网格和个人网格 等等。网格根本的特征不是它的规模，而是资源共享，消除资源孤岛。网格的主 要任务是在动态变化的网络环境中共享资源和协同解决问题。 网格融合网络资源后，带来了前所未有的能力。网格突破了传统计算能力 大小的限制，所能提供的计算和存储能力也远远超出我们的想象：其次，突破了 地理位置的限制，使得资源可以任意分布，而人们可以在任意地点获取其整体能 力：再次，它打破了传统的共享协作方面的限制，使得“人一机 、“人一人 、 “机一机”之间可以进行任意的交互和沟通，可以将各个领域的专家和各种资源 充分结合起来，动态建立各种虚拟组织，协同解决问题。 随着网格技术的不断完善和发展，其在科学研究、企业信息处理、电子政 务、娱乐等方面已得到广泛的应用。网格的应用领域主要涉及到以下五个方面： 分布式超级计算、分布式仪器系统、数据密集型计算、远程沉浸和信息集成【4 】。 网格技术在给我们带来便利的同时，也能给我们带来巨大的经济利益。例 如我们可以通过网格技术把全世界所有的企业连接成为实时交换信息的有机整 体，当所有的销售商都通过网格服务将其销售信息动态发布出来后，任何一个生 产商就可以随时知道自己的商品每时每刻在全球的销售情况，并自动向所有的供 货商发出原料订单，从而非常准确地安排生产，这样就可以有效地避免原材料的 浪费和产品的积压，实现全社会的按需精确生产。 1 1 2 网格的主要特征和研究方向 与传统分布式技术相比，网格更强调资源共享和不同资源之间的互操作性。 其特征主要包括： ( 1 ) 自治性与管理的多重性 网格资源首先是属于某个组织或者个人的，因此网格资源的拥有者对该资源 具有最高级别的管理权限，网格允许资源拥有者对他的资源有自主的管理能力， 这就是网格的自治性。网格资源也必须接受网格的统一管理，以便在不同资源之 间建立联系，实现共享和互操作，并作为一个整体为更多的用户提供方便的服务。 因此网格的管理具有多重性：一方面，它允许网格资源的拥有者对网格资源 具有自主性的管理；另一方面，又要求网格资源必须接受网格的统一管理。 2 天津师范大学硕士学位论文 ( 2 ) 资源的协同共享 网格计算的目的是资源共享，以消除资源孤岛。这种共享具有协同性，既指 资源使用时不同用户因时间、空间和权限等差异引起的协商，也指通过资源的互 连、组合和协作解决用户需要解决的问题。 ( 3 ) 动态性 网格系统的各个组织的自治性导致了其具有动态性。资源提供者可自由加入 和离开网格环境、替换或升级资源，因而资源状态，包括可用性与运行速度等属 性可能会动态变化。 网格的动态性包括动态增加和动态减少两方面含义。对于网格资源的动态减 少或者资源出现故障的情况，网格能及时采取措施，实现任务的自动迁移，做到 对高层用户透明或者尽可能减少用户的损失。 ( 4 ) 异构性 网格资源是多种多样的，在网格环境中可以有不同体系结构的计算机系统和 不同类型的资源，网格系统能够实现在这些资源之间的通信和互操作，分布的同 种资源在体系结构等多个层次上也可能不同。 ( 5 ) 自相似性与适应性 网格的局部和整体之间存在着一定的相似性，局部往往在许多地方具有全局 的某些特征，而全局的特征在局部也有一定的体现。大网格在小网格的基础之上 建立起来，大网格主干网要有更大的带宽，只有这样才可以将不同地域的小网格 连接起来提供满意的通信服务；大网格和小网格都有各自的计算中心，只不过在 计算能力上有差异；它们也都需要管理结点，只不过大网格的管理结点功能需要 更多、更强大。 各自治组织提供的资源往往已经存在于以往的系统中，因而网格技术要大规 模商用还必须提供适应性支持，即必须在尽量不破坏以往系统的前提下为应用提 供单一的分布资源全局视图并汇聚各种分布的自治资源成为一个统一的环境。 ( 6 ) 可扩展性 随着网格系统的完善，资源逐步增多，网格必须能够支持新资源的自然加入， 并且可以和原来的资源融合在一起，共同发挥作用，适应规模的变化。网格的扩 展性集中体现在规模、能力和兼容性等几个方面。 天津师范大学硕士学位论文 ( 7 ) 容错性 在广域环境下，网格环境中的协同任务往往需要使用多个共享的相关服务， 网格必须提供一个可靠的容错功能。 ( 8 ) 安全性 只有安全问题得到充分的解决，网格才会真正进入日常的商业领域中。在真 正进入商业领域之前，网格系统的安全性问题必须引起足够的重视。和仅限于单 一组织范围的分布式环境不同，网格系统的安全必须支持高度灵活的共享关系定 义和对共享资源的复杂高级控制，以支持细粒度访问控制和单点登录等安全需 求。 ( 9 ) 通信时间不可预测 由于通信带宽等资源都是共享的，因此通信延迟更为不确定。 目前网格的主要研究方向有以下几个方面： ( 1 ) 资源调度和管理：在不干扰各局域调度系统的前提下，网格调度程序 必须能够和各局域调度系统进行交互。目前的调度问题可大致可分为三类：一类 集中于如何有效地调度独立的一组任务；另一类试图采用资源预留( a d v 粕c e d r e s e r v a t i o n ) 和协同分配( c o a 1 1 0 c 撕0 n ) 的方法以解决并行任务的执行问题；另 外，采用经济机制配置网格资源也是目前研究热点之一。 ( 2 ) 系统安全：单点登录、授权、局域安全系统整合等网格认证需求； ( 3 ) 用户服务：集中在好用性方面，及针对用户层次而提供相应的技术支 持等； ( 4 ) 数据存取：需解决命名透明性、位置透明性、协议透明性和时间透明 性等问题； ( 5 ) 编程模式：目前仍没有一致意见认为哪种编程模式最适合网格环境； ( 6 ) 性能评测。 1 1 3 网格安全问题 网格计算( 僦dc o i n p u t i n g ) 环境的出现使得大规模跨组织、跨区域的数据共 享和分布式应用程序发布成为可能，其核心内容是以基础设旋( 1 1 1 仔a s t m c t u r e ) 的 方式对“虚拟组织”v o ( v i n l l a lo 唱a 1 1 i z a t i o n ) 的创建和维护进行支持。1 1 1 t 锄e t 4 天津师范大学硕士学位论文 的安全保障一般提供两方面的安全服务：1 访问控制；2 通信安全。但这两个方 面的安全服务无法完全解决网格计算环境下的安全问题，因为网格具有规模大、 节点数量巨大、实体动态可变、环境异构、系统可扩展性、高任务、多样化、网 络延迟不确定、大粒度、并行等特点。 网格计算系统要求不影响节点的本地管理和自主性，不改变原有的操作系 统、网络协议和服务方式，保证用户主机和远程节点的安全性，允许远程节点选 择加入或退出系统，尽量使用已存在的标准技术，以便与已有的应用兼容，并提 供可靠的容错机制。网络计算系统的这些要求对传统的计算机技术提出了巨大的 挑战。 根据网格的特点，可以将网格中的安全问题分为用户安全、通信安全、资源 安全和应用安全四个方面。 ( 1 ) 用户安全 网格用户是一个动态群体，他们通过身份认证后获得对网格资源的使用权。 通常，一个用户只有获得系统管理员的信任才能为其分配账户。在网格系统中， 经过注册的合法用户所要关心的主要是能否获得足够的资源来完成其计算服务 和信息服务的请求。 ( 2 ) 应用安全 应用是与用户和资源相关联的网格实体。用户提交应用，使用网格资源完成 其事先设计的功能，获得运行结果。通过信息加密和分级访问控制，可以隐藏应 用代码和结果数据，保证用户提交的应用程序不会被其他用户所破坏，并且应用 代码及其运行结果不被其他用户随意获得。 ( 3 ) 资源安全 在网格系统中，资源是跨管理域的，来自不同的所有者。对资源所有者来说， 所关心的是其所提供的资源的安全能否得到保障。保证网格资源安全必须保证网 格应用是安全可靠的，并要求其所依赖的计算机网络通信环境也是安全可靠的。 在借助网络安全相关技术的基础上，可以通过设置资源访问权限、进行行为跟踪、 实现信任管理等方式来完成网格资源保护。 ( 4 ) 网络安全 网络是网格系统与信息服务的通信基础。通过近1 0 年的研究，网络安全技 5 天津师范大学硕士学位论文 术已相对比较成熟。网络安全技术中的入侵检测技术、数据加密解密技术、访问 控制技术和安全通道技术可以用来保证网络通信系统的安全。为了实现通信网络 安全，通常采用如下几种基本安全技术：识别与认证、访问控制、入侵检测、防 火墙和数据加密技术。 在上述四个方面中，用户安全和网络安全技术发展相对成熟，而应用安全和 资源安全则是网格安全的核心。 1 1 4 网格中的信任关系 信任( 1 m s t ) 是网格安全问题的一个重要方面。信任通常包括基于身份的信任 和基于行为的信任。基于身份的信任采用静态验证机制来决定是否给一个实体授 权。常用的技术包括加密，数据隐藏，数字签名，授权协议以及访问控制策略。 基于行为的信任需通过实体的行为历史记录和当前行为的特征来动态判断实体 的可信任度。当然，这种方式仍然需要使用各种传统的网络安全技术。信任机制 是硬安全技术的补充【5 】，也被称为软安全( s o rs e c u r i 劬机制。网格是一种分布式 系统，它的威胁分别来自系统外部和系统内部。以往计算机安全研究的主要内容 都是针对外部威胁的，即通过密码技术提高系统的抵御外部入侵的安全性。然而 在网格环境下，对于用户的管理己经不再是那种集中的、封闭的、可控的，而是 开放的、分布式的。g s i ( 嘶ds e c u r i t yi l l 鼢t r u c t u r e ) 1 6 】针对外部威胁，提供身 份认证、通信加密等安全措施，它们只保证了认证和授权，并不能保证按用户需 要的方式进行授权( 比如限制性授权) ，即不能对实体在网格中的行为进行评价。 网格中，共享的网格资源一旦受到恶意代码的侵害可能会威胁到网格平台的正常 运行。这样就需要对实体在网格环境下的行为进行评价，反映出该实体在网格中 的可信任、可依靠的程度。因此，通过对实体以往行为的评价建立一种信任模型 来满足网格的需求。这样可以提高作业完成的成功率，促进资源共享，降低恶意 攻击者攻击的几率，排斥自私节点，从而维护网格系统的安全运行。 传统的授权机制没有信任管理，它们不能为多种多样的应用提供足够的健壮 性，扩展性也不好，不能适应现在日益扩展的系统。它们有以下的限制：首先， 传统的安全方法把对认证和访问控制分离成两个过程，也就是说，系统先解析发 出请求的用户的身份，然后决定是否授权用户访问请求的资源。这种方法的弊端 6 天津师范大学硕士学位论文 就是不牢靠的认证会导致整个授权过程的失败；其次，很多安全策略并不能直接 体现在访问控制中，它必须被固化到应用中，当安全策略改变时，就要对应用重 新配置、重建或者重写。这使得系统的扩展性不好，很难适应现今世界的动态性。 另外，在分布式系统中，对于不同的用户，不同的管理域和实体的信任策略也不 同，所以安全机制不应该是统一的，也不应该对信任关系做假设。 传统安全技术( 口令、密码系统、数字证书等) 侧重于在网络环境下保障交换 信息的认证性、私密性、完整性等。但在网格应用中，即便一个陌生的参与者通 过了身份认证，其业务请求也未被篡改，仍不能证明此参与者就是可信的。这里 的信任关系的主体是网络终端的用户或有一定主管活动能力的个体，这种信任关 系存在很强的主观性、不确定性，有信任程度高低之分，受主观意识的影响。因 此，在安全研究中迫切需要引入新的理论和技术处理参与者间的信任。由于良好 的信誉能够为参与者带来优势，而不良信誉却将导致参与者从应用中被排除出 去，所以信任系统提供了一种鼓励参与者间合作的控制机制。信任通过鼓励信息 交换及对其他成员的影响可以推动问题的解决，具有吸收知识，形成自我认同等 作用。在上述新兴分布式应用中采用信任机制有助于降低业务的安全风险，促进 参与者间的信息交换与合作，推动应用的良性发展。 1 2 国内外研究现状 网格是跨越多个管理域的异类计算资源和服务的动态集合，提供了大规模的 分布式异类的资源共享和一体化信息服务。网格热潮近几年不断升温，从美国、 欧洲、日本等工业化国家到发展中国家的印度等国家政府和大企业都在维争夺网 络技术的制高点而积极行动。 1 2 1 国外的研究现状 作为一种新型计算技术，网格的未来还存在着很多的不确定性，资源管理、 通信、安全等方面的技术还很不成熟。但网格作为并行和分布计算技术的发展方 向是确定的。近年来网格的研究呈现出了以下的趋势【7 】： ( 1 ) 标准化趋势 标准是成功的关键，就像t c p i p 协议是i n t e n l e t 的核心一样，构建网格计 7 天津师范大学硕士学位论文 算也需要对标准协议和服务进行定义。网格需要依赖标准协议才能共享和互通。 目前，全球网格论坛、对象管理组织、寰球网联盟、及g l o b l l s 项目组等诸多团 体都试图争夺网格标准的制定权。 2 0 0 2 年2 月，在加拿大多伦多市召开的全球网格论坛会议上，g l o b u s 项目 组和i b m 共同提出了一个全新的网格标准o g s a ( o p e i lg r i ds e i c 铭 a 础i t e c t l l r e ) ，即开放网格服务体系结构。o g s a 把g l o b 髑标准与以商用为主的 w r e bs e r v i c e s 的标准结合起来。o g s a 标志着网格已经从学术界开始向商业界发 展，而且从一个封闭的世界走向了开放的环境中。 o g s a 得到业界的广泛支持，微软等几家单位从一开始就宣称支持o g s a 。 目前，o g s a 已经广为接受。 2 0 0 3 年1 月1 3 日，符合o g s a 规范的g l o b u st o o l k i t3 o ( a 1 p h a 版) 在第 一届g 1 0 b u s w d r l d 会议上发布。2 0 0 5 年4 月，发布其第四版g l o b u s t o o l 址4 o 。 这标志着o g s a 已经从一种理念，走到付诸实践的阶段了。 ( 2 ) 技术融合趋势 目前已有多种分布式计算技术和产品，1 9 8 7 年s u n 公司推出了开放网络计 算( o p e t in e 咐o r kc o 瑚p l i t n g ) ，1 9 8 9 年分别出现了o s f 的d c e 和对象管理组 织o m g ( o b j e c tm 觚a 髀n e n tg r o u p ) 的c o r b a ，1 9 9 6 年微软推出了d c o m ， 这些机制互不兼容。在0 g s a 之前的各种网格平台，如c o n d o r 、l e 西o n 、n i n f 、 g l o b u s 等，也都互不兼容。 而基于l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a l l g u a g e ) 的w 曲s e i c e s 技术在各种异 构平台之上构筑了一层通用的、与平台无关的信息和服务交换设施，从而屏蔽了 互联网中千差万别的差异，使信息和服务畅通无阻地在计算机之间流动。g l o b u s 项目组在2 0 0 2 年将g i o b u s t 0 0 1 l 【i t 的开发转向了w 曲s e r v i c e 平台。 技术融合趋势是指o g s a 提出后，统一以网格服务的方式( g f i ds e i c e ) 向外 界提供网格的服务能力，并借助一些现有的、与平台无关的技术，如x m l 、s o a p ( s y i n b o l i co p t i m a la s s 耐b l yp r o 伊锄) 【s 】、w s d l ( w 曲s e i c e sd e s c r i p t i o n l a l l g u a g e ) 【9 】、u d d i 1 1 i v c r s a ld e s 谢p t i o n ，d i s c o v e r y 锄di i l t e 掣a t i o n ) 【10 1 、w s f l ( w 曲s e r v i c ef l o wl a i l g u a g e ) 【l l 】等来实现这些服务的描述、查找、访问和信 息传输等功能。这样，就屏蔽了一些平台的异构性。 天津师范大学硕士学位论文 尽管网格技术还远不如互联网和w 曲技术那么成熟，但已经有公司进入了 试验使用阶段。美国能源部的山地亚国家实验室的“先进战略计算创新计划网格 主要用于核武器研究。美国国防部和欧洲能源机构等都在两三年前先后开始采用 网格技术。i b m 公司部署了一个内部研究网格，以便于分散在各地的m m 研究 人员共享计算资源。 ( 3 ) 高投入趋势 高投入趋势表现在世界上许多国家都在花巨资投入到网格技术的研究和发 展中，美国政府仅在网格技术的基础研究上每年投入的经费就高达5 亿美元。美 国军方正在实施的全球信息网格g i g ( g l o b a li n f o 肌a t i o ng r i d ) 【1 2 】投入就达上百亿 美元。英国政府2 0 0 6 年前投资2 4 亿英镑支持网格研究项目。2 0 0 5 年1 月，包 括i b m 、h p 和s u n 在内的许多科技公司宣布，他们将形成一个联盟，在企业 市场推广网格的应用。 1 2 2 国内的研究现状 我国从2 0 世纪9 0 年代中期开始跟踪网格技术的发展，基本与国外同步。从 1 9 9 5 年开始，中国科学院计算机技术研究所就建立了专门的网格研究队伍，开始 研究与网格技术相关的技术，并开发成功了多个版本的信息一体化平台。为大幅 度提高我国综合国力和国际竞争能力，我国政府对于网格建设也十分关注，2 0 0 2 年4 月，国家科技部确认将网格的研究和应用列为“8 6 3 计划”的一个专项，启动 了“中国国家网格 【1 3 】研发应用，我国己能有效整合全国范围内大型计算机的 计算资源，从而形成一个强大的计算平台，帮助科研单位和科技工作者等实现计 算资源共享、数据共享和协同工作。中国科学院计算技术研究所开发的织女星信 息网格( v e g ai i l f o m a t i o ng r i d ，v e g a i g ) 在国内网格系统软件的研究方面处于领 先地位【1 4 1 。2 0 0 6 年7 月完成的中国教育科研网格成为了世界上最大的超级网格之 一，是教育部在“2 1 1 工程”公共服务体系建设中设立的重大专项，力图解决 c e r n e t ( 中国教育科研网) 中网络计算面临的无序性、自治性和异构性等问题， 将c e i e t 上分散、异构、局部自治的巨大资源整合起来，通过有序管理和协同 计算，消除信息孤岛，发挥综合效能，满足高校科学研究的迫切需要。目前，项 目组已成功开发和部署了生物信息学、图像处理、计算流体力学、海量信息处理 9 天津师范大学硕士学位论文 和大学课程在线等5 类应用网格。另外中国空间信息网格和上海网格也均取得了 重大突破。 1 3 论文的主要工作 本文的主要工作是在资源调度终引入信任机制，采用信任度( t m s tv a l u e ) 来表 示实体问信任关系的，以便网格间的实体优先选择信任度较高的实体来进行交 易。引入信任机制有助于提高网格系统的可靠性以及资源管理和调度的性能。本 文的主要工作包括以下几个方面； ( 1 ) 将信任机制引入到网格资源调度中。 ( 2 ) 分析了网格环境下网格实体间的信任关系的表示、量化和更新。 ( 3 ) 提出了网格环境下融入信任机制的网格资源调度模型。 ( 4 ) 提出了融入信任机制的网格资源调度策略和算法。在模型的基础上， 对己有的调度算法m i l l m i i l 进行改进，提出了融入信任机制的网格资源调度 t r u s t m i n m i i l 算法。 ( 5 ) 采用了网格模拟器g r i d s 妇来仿真网格环境，并t r u s t m i n m i n 算法进 行了仿真。实验结果表明，本文提出的融入信任机制的资源调度算法是合理和有 效的，该算法可以有效地改善网格资源调度的性能，值得进一步研究和推广。 1 4 全文的组织安排 本文结构安排如下： 第l 章是绪论，主要介绍了本文研究背景、研究现状以及研究思路和意义。 第2 章分别介绍了两种比较重要的网格体系结构五层沙漏和开放网格服务 体系结构，随后详细分析了网格资源调度的现状。 第3 章介绍了网格环境下的信任模型及模型中的相关概念，详细说明了模型 中网格实体间信任关系的表示、计算和更新。 第4 章介绍了融入信任机制的网格资源调度模型、策略及算法，并说明了网 格环境下的任务模型及用到的参数，着重于分析引入信任机制的网格资源调度策 略和算法。 第5 章介绍了嘶d s i m 网格模拟工具包，针对网格的真实环境，详细介绍了 1 0 天津师范大学硕士学位论文 如何通过g r i d s i m 来建立仿真环境。然后对t r u s t _ m m - m i n 算法和经典的m 珏m i n 算法的仿真结果进行比较分析并证明，i m s t m i n m i n 算法合理性和有效性。 最后是结束语，总结了本文的主要工作，并对下一步的研究方向进行了展望。 天津师范大学硕士学位论文 2 1 网格体系结构 第二章网格资源调度技术 2 1 1 网格体系结构的概念 网格体系结构就是关于如何构建网格的技术，包括对网格基本组成部分和各 部分功能的定义和描述，对网格各部分相互关系及集成的方式或方法的描述，以 及对网格有效运行机制的刻画。网格技术的权威i 锄f o s t c 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”。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，比较重要的网格体系结构主要有三个，一个是i 觚f o s t c r 等在早期 提出的五层沙漏结构【1 5 】；另一个是在以i b m 为代表的工业界的影响下，考虑到 w 曲技术的发展与影响，i a i lf o s t e r 等结合五层沙漏结构和w 曲s e 州c e 技术提出 的开放网格服务体系结构o g s “1 6 】；最后一个是由g 1 0 b u s 联盟、i b m 和h p 于 2 0 0 4 年初共同提出的w 曲服务资源框架w s l 强( w 曲s e r v i c er c s o u r c e f r 锄e w o r k ) 【1 7 】。w s i 疆主要是利用了新的w e b 服务标准，重构和发展了原有的 o g s a 的核心技术规范0 g s i ，实现了网格和w 曲服务的融合。本文着重介绍前 两种体系结构。 2 1 2g l o b u s 的五层沙漏结构 五层沙漏结构的基本思想就是以“协议”为中心，也十分强调与a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e m c e s ) 和s d k ( s o 脚a r ed e v e l o p m e n tl ( i t s ) 的重要 性。 五层沙漏结构分为：构造层、连接层、资源层、汇聚层和应用层。 ( 1 ) 构造层( f a b d c ) 构造层的基本功能是控制局部的资源，向上提供访问这些资源的接口。网格 基础层提供资源，例如计算能力、存储系统、目录、网格资源、分布式文件系统、 1 2 天津师范大学硕士学位论文 分布式计算机池、计算机集群等。构造层实现了本地的、具体于资源的操作。这 些操作由高层的共享操作引发后，在具体的资源( 逻辑资源或物理资源) 上发生。 ( 2 ) 连接层( c o i l i l e c t i v i 动 连接层的基本功能是实现相互的通信。连接层定义了通信和认证的核心协 议，这些协议是针对专用于网格的网络处理定义的。通信协议使得基础构造层资 源之间能够进行数据交换。各资源间的授权验证、安全控制也在这里实现。通信 的需求包括传输、路由以及命名。与通信一样，许多在互联网协议族环境下开发 的安全标准都是可用的。 ( 3 ) 资源层( r e s o u r c e ) 资源层的重要功能就是实现单个资源的共享。资源层提供在通过身份认证 后，网格用户要求能够同远端的资源和服务进行交互。对资源实施控制，与可用 资源进行安全握手、对资源作初始化、监测资源运行状况、统计与付费有关的资 源使用数据。 ( 4 ) 汇聚层( c o l l e c t i v c ) 汇聚层的主要功能就是协调“多种”资源的共享。汇聚层定义的服务和协议 不是同某一特定资源相关的，而是用来定义资源集之间的交互。由于汇聚层建立 在沙漏模型中资源和连接层形成的协议瓶颈之上，它们能够实现多种不同的共享 行为。汇集层提供目录服务、资源分配、资源代理、资源监测诊断、网格启动、 账户管理等多种功能。 ( 5 ) 应用层( a p p l i c a t i o n ) 应用层解决不同虚拟组织的具体问题。应用层包含了在虚拟组织环境中运行 的用户的应用程序。应用程序通过各层的a p i 调用相应的服务，再通过服务调用 网格上的资源来完成任务。应用程序的开发涉及大量库函数。为便于网格应用程 序的开发，需要构建支持网格计算的库函数。 五层结构的一个重要特点就是沙漏形状【1 8 】。其含义就是：因为各部分协议的 数量是不同的，对于其最核心的部分，要能够实现上层各种协议向核心协议的映 射，同时实现核心协议向下层其它各种协议的映射，核心协议在所有支持网格计 算的地点都应该得到支持，因此核心协议的数量不应该太多，这样核心协议就形 成了协议层次结构中的一个瓶颈，在五层结构中，资源层和连接层组成这一核心 1 3 天津师范大学硕士学位论文 的瓶颈部分。如图2 1 所示。 。、厂 工具与应用 应用层 日录代理 j c 聚层 诊断与监控 资源与服务的 资源层 与 安全访问 连接层 各种资源 蚶算瑟矗警踩 构造层 图2 1 五层沙漏结构 2 1 3 开放网格服务体系结构 开放网格服务体系结构o g s a 是在原来“五层沙漏结构”的基础上结合最新 的w e bs e f v i c e 技术提出来的。o g s a 的两大支撑技术是网格技术g l o b u s 软件包和 w e bs e r v i c e 。o g s a 以服务为中心实现的是对服务的共享，“一切都是服务有 利于通过统一的标准接口来管理和使用网格。五层沙漏模型试图实现对资源的共 享，而在o g s a 中实现的是对服务的共享。从资源到服务，这种抽象将资源、信 息、数据等统一了起来，十分有利于灵活、一致、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。o g s a 将网格从以科学与工程计算为中 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。 w e bs e r v i c e 提供了一种基于服务的框架结构，考虑到网格环境的具体特点， o g s a 在原来w e bs e i c e 服务概念的基础上，提出了网格服务( g r i ds e r v i c e ) 的概 念，用于解决服务发现、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。网格服务是0 g s a 的一个基本概念，o g s a 将整个网格看作是“网格服务 的可扩展集合，以反映网格的动态特性。网格服务可以是暂态的和有状态的。在 o g s a 中，可以基于简单的基本的服务，形成更复杂、更高级、更抽象的服务。 在目前o g s a 的定义中，只有g r i ds e i c e 接口是必需的，而其它的接口比如 n 0 t i 矗c a t i o ns o u r c e ，r e 西s t r ) ， h a n d l em 印n o t i f i c a t i o ns i l l l ( 等都是可选的。在目 前，网格服务提供的接口还比较有限，o g s a 还在不断的完善过程之中，下一步 1 4 天津师范大学硕士学位论文 将考虑扩充管理、安全等方面的内容。 2 1 4 网格体系结构的实质 网格体系结构确定主要的系统基本组成部分，详细说明这些组成部分的用途 和功能，并标示这些组成部分之间是如何相互作用的。 在定义网格体系结构时，从这样的角度出发：有效的虚拟组织运作要求能够 在任何潜在的成员之间建立共享关系。因此，互操作性是要解决的中心问题。在 网络环境下，互操作性意味着要有共同的协议。所以，网格体系结构首先要是一 个协议体系结构，即通过协议定义虚拟组织用户和资源之间协商、建立、管理和 开发利用共享关系的基本机制。基于标准的开放的体系结构便于实现可扩展性、 互操作性、可移植性和代码共享。在标准协议下，能定义提供能力增强了的标准 服务j 另外，建造应用程序接口a p i 和软件开发工具包以提供创建一个可用网格 所必须的编程工具。这一技术和体系常常被称之为中间件( 支持在一个分布式 网络环境中共用的应用程序集合所需的服务) 。 要确保共享关系能在任意的参与者之间发起和进行动态接纳新的参与者，能 在不同的平台、语言和编程环境中建立共享关系，应当重视互操作性。在这种环 境下，如果共享机制没有被定义和实现成能跨越组织边界、运行政策规定和资源 类型的话，就没有什么用处。没有互操作性，虚拟组织的应用程序和参加者将被 迫采用双边共享安排，任何两方之间使用的共享机制就不一定能扩展到任何其它 的成员之间，就不能构成动态的虚拟组织。正像网络通过提供通用的协议和语法 使信息共享发生了一场革命一样，我们也需要标准的协议和语法来进行普遍的资 源共享。 一个协议的定义具体规定了分布式系统的各组成部分之间与如何交互以实 现特定的功能以及在交互过程中交换的信息的结构。这种集中于外部的交互而不 是内部的软件和资源特点的思想是有重要的实际意义。虚拟组织大多不是固定不 变的，因此，用于发现资源、确定身份，决定授权和建立共享的机制应该是灵活 和易于实现的以使资源共享安排能够迅速的建立和改变。因为虚拟组织是补充而 不是取代现有的机构，共享机制不能要求本地的政策规定作实质的改变而是必须 允许各机构维持( 保存) 对自己的资源的最终控制权。因为协议只管各机构之间的 天津师范大学硕士学位论文 交互而不管这些组成部分的实现，所以本地控制得以保持。 一个服务即用它所使用的协议和实现的功能所定义。标准服务的定义i 访 问计算能力和数据、发现资源、协同安排、数据复制等一能增强对虚拟组织参 与者提供的服务，提取出资源的详细细节。如果没有这样的能力，虚拟组织应用 的发展就会受到限制因此服务是重要的。 虚拟组织不仅仅是互操作性、协议和服务。开发者必须能够运用这些应用软 件。应用软件的强健性和正确性、开发成本