（计算机应用技术专业论文）qos感知的分布式网格工作流引擎的研究和设计.pdf

上海大学硕士学位论文! 坠! ! 窭坐! 墼! 婪! ! 竺! 坠! 照查! 熊! ! 堕摘要随着网格研究的不断深入以及网格基础设旌的迅速发展，越来越多功能强大的网格应用不断出现。网格工作流系统是众多网格应用中非常具有发展前景的一个领域。网格工作流系统协调和管理网格服务，按照用户需求将网格服务组合成业务流程，并将业务流程交由网格工作流引擎解析执行。服务质量( q u a l i t y o f s c r v i c 芒，q o s ) 是网格技术中极其重要的研究内容。网格技术和应用的不断深入对网格提出了严格的服务质量要求，而缺乏q o s 保证逐渐成为制约网格应用的瓶颈之一在网格工作流中引入服务质量，可以使网格中的资源更好地围绕用户的要求进行组织和分配，提高服务请求执行的成功率。服务质量为工作流执行过程中选择成员服务提供了依据。随着越来越多的应用对网格的服务质量提出要求，服务质量感知的网格工作流资源选择和调度成为网格工作流研究的迫切问题。本文研究内容属于上海市科委科研项目“上海高校网格”中的一个子课题，笔者所在的小组主要负责网格工作流系统的研究和设计。网格工作流引擎是工作流系统的核心组件，本论文结合上述网格科研项目，设计开发了一种q o s 感知的、分布式网格工作流引擎q _ o w f e ，所做工作主要有：1 提出了qg w f e 的总体架构：2 对网格工作流描述语言g r i d b p e l 进行了扩充，使扩充后的网格工作流描述语言q _ c r r i d b p e l 能够描述用户的q o s 需求；3 提出了网格工作流服务质量的参数体系和计算公式，作为工作流规划器选择服务资源的依据，并在此基础上给出了一种改进的q o s 规划模型和q o s估算算法；4 在工作流调度系统的设计中采用分布式结构，引入基于m mt s p a c 宅s 的事件驱动机制，伎引肇具有高度的灵活性和可扩展性。关键词：网格服务，工作流，服务质量，工作流引擎，元组空间上海大学硕士学位论文! 塾! ! 塑墅! 塑坐! 塑堡! ! ! ! ! ! e 竖! ! 塑业a b s t r a c ta st h er a p i dd e v e l o p m e n to f t h eg r i dr e s e a r c ha n dt h eg r i di n f r a s t r u c t u r e ，m o r ea n dm o l ep o w e r f u lg n da p p l i c a t i o n sh a v ea p p e a r e d a m o n gt h e s e 面da p p l i c a t i o n s ，鲥dw o r l d l o ws y s t e mi sa ni m p o r t a n to n ew h i c hh a sab r i g h tf u t u r e g r i dw o r k f i o ws y s t e mc o n s t r u c t st h eb u s i n e s sf l o ww i t h 鲥ds e r v i c e s t h eb u s i n e s sf l o ww i l lb ep a r s e da n de x e c u t e db yg r i dw o r k , f l o we n g 血ew h i c hi st h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n ti nw o r l d i o ws y s t e m 。a st h en e wf e a t u r e so fg d d 刚c e ，o l dw o r k f l o ws y s t e mi sn ol o n g e rs u i t a b l ea n dw em u s td e v e l o pan o v e lo n et h a tw o r k sb e t t e rf o rt h en e wg r i de n v i r o n m e n t o n ei m p o r t a n ti s s u et h a tw em u s tp a yg r e a tn o t i c eo ni n 鲥dw o r k f l o wm a n a g e m e n ta n ds c h e d u l i n gi sq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) q o sa l l o w sf o rt h es e l e c t i o na n de x e c u t i o no fg r i dw o r k f l o wt ob e t t e rf u l f i uc u s t o m e r se x p e c t i o u s i n t r o d u c i n go fq o s 啪p r o v i d em e a n sf o rs c h e d u l eo fc o m p o n e n ts e r v i c e sa n dn l a k ct h ee x e c 砸o no fw o r l d l o ws a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fu s e r sb e t 溉t h eq o s b a s e de s t i m a t i o na n dw o r k f l o ws c h e d u l ea r et w ob a s i cp r o b l e m so fq o s _ a w a r ew o r l d l o wm a n a g e m e n t i nt h i sp a p e r , w ep u tf o r w a r dt h es ( x l k 建l l r eo faq o sa w 蛳a n dd i s t r i b u t e dw o r l d l o wa n g m en a m e dq _ g w f e ，e x t e n dt h e 鲥dw o r k f l o wd e s c r i p t i o nl a 】b g b a g eg r i d b f e l ，d i s c u s s e dt h eq o sp a r a m e t e r sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gq o se s t i m a t ea l g o r i t h m sa r ep r e s e n t e d t h e nad i s ( x i b u t e de x e c u t e ri n c l u d i n gw o r k n o wc o n t r o l l e r , t a s km a n a g e ra n de v e n ts e r v i c es e r v e ri so v e n i ta d o p t st h ee v e n t _ d r i v e nn o t i f i c a t i o nm e c h a n i s mb a s e do nm mt s p a c e sw h i c hm a k e st h ee n g i n em o l ef l e x i b l ea n dl o s e - c o u p l e d k e y w o r d s ：g r i d s e r v i c e ，w o r k f l o w , q u a l i t y o f s e r v i c e ，w o r k f l o w e n g i n e ，t s p a c e sn 上海大学硕士学位论文! 堡塑窭型! 坐! 堕! ! ! ! 墅! 堕! ! ! ：竺型i原创性声明本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。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发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。本论文使用授权说明本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件，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。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)吼埠型上海大学硕士学位论文! 堡塑堕些坐墅! ! ! 塑竺墅坐! ! 堡l 皇第一章绪论1 1 研究背景1 , 1 1 网格概述随着互联网技术的迅猛发展，科学研究和相关应用借助网格环境获得了极大的进步，同时在互联网上形成了大量以计算为主导的计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源和仪器设备资源等。研究人员试图将这些大范围地理分布的异构计算机系统和资源整合在一起形成一个大规模的计算平台，其中每一台参与的计算机或者以一台计算机为中心的资源集合就是一个“节点”，而许多这样的“节点”便组成“网格”( g r i d ) 。网格研究来源于美国联邦政府过去十多年来资助的高性能计算科研项目。这类研究使用的名词就是“网格”或“计算网格”。这类研究的目标是将跨地域的多台高性能计算机、大型数据库、贵重科研设备、通信设备、可视化设备和各种传感器等等，整合成一个巨大的超级计算机系统，以便进行科学计算和科学研究l “。这方面的代表性研究工作包括美国国家科学基金会资助的n p a c i 、国家技术网格n t g 、分布万亿次级计算设施r f ，美国宇航总署的i d g ，美国能源部的a s c ig r i d ，以及欧盟的d a t ag r i d 等等。除了这些大规模、国家性网格项目外，我们也可以构造地区性的网格( 如中关村科技园区网格) 、企事业内部网格、局域网网格、甚至家庭网格和个人网格。所以说，网格的根本特征并不一定在于它的规模，而是其实现了全面的资源共享，消除了资源孤岛。网格作为一种新的技术和基础设施，被认为是继互联网、w e b 之后的又一次信息产业技术革命。它可以充分利用集成的资源，形成一个大规模的计算池。利用网格的大规模科学计算及网格中的共享资源，可以处理需要多种资源、多个系统和多门学科参与的重大应用研究闯题。网格不但有助于解决物理、天文、生物、工程和模拟等领域的科学计算问趣，同时在商业领域、社会生活和国民经济的各行各业都具有潜在的重大影响。网格将从根本上改变我们思考和使用计算的方式。上海大学硕士学位论文堡墅鲤些堕塑匹! 墅型型塑壁1 1 2 工作流管理系统简介工作流是从英文单词w o r k i l o w t e 译而来的。它是针对日常工作中具有固定程序的活动而提出的，其概念最初起源于生产自动化和办公自动化领域，目的是通过将工作分解成定义良好盼任务、角色，然后按照一定的规则和过程来执行这些任务并对它们进行监控，从而达到提高办事效率、降低生产成本、提高企业生产经营管理水平和企业竞争力的目标 2 1 。工作流的概念最早于1 9 7 0 年提出的，直到今天仍然有很大的吸引力。工作流管理联盟w f m c 例融f 1 0 wm a n a g e m e n tc o i t i o n ) 对工作流和工作流管理系统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 ) 的定义如下 3 1 ：( 1 ) 工作流是一类能够完全或者部分自动执行的经营过程，它根据一系列过程规则、文档、信息或任务，能够在不同的执行者之间进行传递与执行。( 2 ) 工作流管理系统是支持企业经营过程高效执行并监控其执行过程的计算机软件系统。w f m c 定义的工作流参考模型【4 】如下图所示：图1 - tw f m c 的工作流参考模型流程定义工具为用户提供了一种对实际业务过程进行分析建模的手段，它可以是形式化的过程定义语言或对象关系模型，也可以是简单地规定用户间信息传输的一组路由命令。上海大学硕士学位论文! 塾! 墅堂堡堂坐! 唑! ! ! ! ! ! ! 唑! 堂竺l 翌工作流执行服务即工作流引擎是w f m s 的核心软件组元。它是为工作流实例提供运行时期的执行环境的软件服务器。它的功能包括：解释过程定义：创建过程实例并控制其执行；调度各项活动；为用户工作表添加工作项：通过应用程序接口d 调用应用程序；维护工作流控制数据和工作流相关数据。并在应用程序间或者用户问传递工作流相关数据；提供监督和管理功能等。工作流执行子系统可以包括多个工作流引擎，不同工作流引擎通过协作共同执行工作流。工作流客户应用是指用户操作工作流管理系统分配的任务或者活动，由工作流任务表管理器和用户操作共同完成。工作流任务表管理器提供给用户一个工作项，然后用户执行反馈给工作流引擎。工作流客户应用通过接口与工作流引擎相连。工作流管理和监控工具能正确及时处理实际应用中出现的各种意外情况。工作流管理和监控工具能够对工作流在整个系统中的流动情况进行监视，并提供一系列的管理功能。工作流管理系统也可以和其它工作流管理系统进行互操作，从而使任务项能够无缝地在各个工作流管理系统间流动。w f m c 为图中的各个接口定义了w a p i ，w a p i 是一组工作流应用编程接口及其相应的数据交换格式，通过调用这些接口就可以实现参考模型中所示的各个接口的功能。1 1 3 服务质量q o s服务质量q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 是网格技术中一项极其重要的研究内容。网格资深专家i a nf o s t e r 提出判断网格的三个标准之一就是“提供非凡的服务质量”脚。服务质量是一个综合指标，用于衡量对一个服务的满意程度。对于不同类型的资源其服务质量的含义是不同的。网络的q o s 能用带宽、时延、时延抖动和分组丢失率来衡量；处理单元的q o s 能用m i ( m i l l i o ni n s t r u c t i o n s ) 或m i p s( m i l l i o ni n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d ) 比率来度量；内存的q o s 能用存储容量来衡量。在网格工作流管理系统中，q o s 则可以用任务的响应时间，花费，资源的可上簿大学硕士学位论文! 坠塑塑型! 坐! 堕堡! ! ! 塑! 墅! 型螋用性等来衡量。上海高校网格中对q o s 的定义是一组服务集合的性能，该性能决定用户对服务的满意程度阐随着网格技术在各个领域的不断应用和推广，网格服务质量的保证成了一个迫切需要解决的问题，尤其是将网格应用推向商业化，q o s 将成为一个关键因素。q o s 在网格计算中的重要性体现在以下几方面：从网格服务的概念看，随着计算网格，数据网格直到服务网格的发展，网格作为广泛、分布的服务，与用户和其它服务的交互决定了q o s 是其内在需求：从多样的用户需求看，不同的用户，甚至同一用户对服务的功能，性能、成本等都有不同考虑，因而使q o s 变得重要；从网格资源的异构性看，网格资源是异构的，它必须为用户提供单一系统映像，透明地满足用户需求。因而q o s 直接关系到网格系统的性能。1 2 课题研究意义及贡献网格最初的应用处理模式相对比较简单，控制比较容易。但是随着网格应用的深入和推广，出现了大量的其它领域的网格计算，例如协同工作等，涉及到多个步骤、资源和过程，不但需要有大量的计算资源和其它资源，而且任务的过程比较复杂，包含很多时间、空问和资源方面的约束条件，如果利用一般的处理方法，不但效率低下，而且会导致某些应用无法完成。因此需要由网格工作流来对网格应用进行构建、执行调度和管理监控，使得网格应用戆够自动化或半自动化并且效率较高。因此，网格研究和应用对网格工作流有着强烈需求。由于网格的动态性、分布性、异构性和自治性等特征，传统工作流的一些方法和技术已不能有效的处理网格环境中的某些问题，或者不能有效利用网格环境提供的新的特性。因此迫切需要重新考虑网格环境下的工作流架构。两格技术和应用的不断深入对网格提出了严格的服务质量要求。网格计算中的q o s 已成为研究应用的焦点，而缺乏q o s 保证逐渐成为制约网格应用的瓶颈之一。在网格工作流中引入服务质量，可以使网格中的资源更好地围绕用户的要求迸行组织和分配，服务质量为工作流执行过程中选择成员服务提供了依据。随着上荐大字硬士学位论文! 些墅塑! 璺! 坐里坚堕箜! 墅墅望塑堕越来越多的应用对网格的服务质量提出要求，工作流管理系统需要种新的机制来感知用户的q o s 需求并以此作为规划网格资源的依据。因此服务质量感知的网格工作流资源选择和调度成为网格工作流研究的迫切问题。针对网格工作流发展中的这些需求及问题，本文设计了一种网格环境下的新型工作流引擎q _ o w f e ( q o sa w a r eg r i dw o r k f l o we n g i n e ) 。首先对本项目前研究小组所研究的网格工作流描述语言c r r i c l b p e l 进行q o s 相关的扩充，使新的工作流语言q g d d b p e l 能够描述用户的q o s 需求，然后提出网格工作流服务质量参数体系和服务质量计算公式，并重点研究了q _ g w f e 的调度系统，给出了改进的q o s 规划模型和估算算法，以及q - g w f e 的关键组件的具体设计和原型系统实现。该系统可在运行时根据服务请求的q o s 动态发现资源，采用基于元组空间技术的事件驱动机制，及分布式调度策略，适应了网格环境的特殊性，并围绕服务质量选择和调度资源，提高了服务请求执行的成功率，对网格工作流的深入研究具有一定的意义。1 3 目前研究概况1 , 3 。1 网格工作流研究概况2 0 0 3 年中开始，美国和欧洲相继开始了多个网格工作流研究项目，他们的研究重点是开发一种高级的抽象方法，使得复杂的工作流与来自底层组件和服务的集成变得更加容易。比较著名的研究项目有g - f i p h y n h ，m y c _ r d d g ，j i s g a 9 1 ，c r f i d a n t 1 0 ，s d s cm a t r i x i n l ，g s f l 1 2 1 ，i l a b 1 3 】，d a g m a n 1 4 1 等。g - r i d p h y n 是美国国家科学研究基金会支持的网格项目，包括g - r i p h y n 虚拟数据工具包，c h i m e r a 虚拟数据系统，p e g a s u s 规划系统和c o n d o r - l - 作流执行系统；m y c r r i d 是英国e - s c i e a c e 支持的网格项目，结合w s f l ( w e bs e r v i c ef l o wl a n g u a g e ) 产生一种新的基于x m l 的工作流描述语言s c u f f ( s i m p l ec o n c e p t u a lu m f i c df l o wl a n g u a g e ) 和一个引用工作流的工作台应用程序；j i s g a 是英国的一个研究网格工作流的项目，它定义了一种基于x m l 的工作流描述语言s w f l( s e r v i c ew o r l d l o wl a n g u a g e ) 。s w f l 规定了适合o g s a ( o p c ng r i ds e r v i c e sa r c h i t e , c t u r e ) i s l 环境下的网格应用程序的工作流模型；g r i c l a n t 是g l o b u s 项目上海大学硕士学位论文! ! ! ! ! ! 望型! 坐! ! 型! 垡! 塑! 鲤! 型坚唑开发的网格工作流管理系统；s d s cm a t r i x 是利用网格工作流协议和描述语言为网格工作流管理系统构建p e e r - t o - p e e r 基础设施的项目；g s f l c g r i ds e r v i c ef l o wl a n g u a g e ) 是美国阿岗实验室的s r i r a m k r i s h n a n 等在网格服务定义语言方面所做的研究；d a g m a n 是一种c o n d o r 元调度程序，管理工作的依赖性。尽管d a g m a n 并不直接处理网络服务工作流，但用有向非循环图来表示输入输出和执行，能够描述网络服务的依赖性。这些研究极大地推动了网格工作流的应用，但是由于未引入服务质量，无法感知服务请求的q o s 需求，因此系统并非根据q o s 需求来调度资源，无法保证用户满意的、高质量的服务。国内的多个重点高校也已经展开网格工作流的研究，在清华大学、华中科技大学、复旦大学、武汉大学和中科院等国内著名高校和研究院所，有多个国家级或与国外研究机构合作的网格工作流项目正在进行着：如华中科技大学的“基于服务的网格工作流应用开发”项目；国防科技大学进行的“多域环境下网格工作流语言和机制的研究”项目；清华大学、同济大学、浙江大学、香港大学等9 所著名高校联合进行的“网格工作流过程的语义分析与验证理论研究”项目；复旦大学的“支持输入反馈和健壮性增强的网格工作流自动生成”项目，武汉大学进行的网格工作流描述语言的研究，以及笔者所参与的上海高校网格中间件项目等都对网格工作流进行了深入的研究，这些研究在网格工作流的基础架构、描述语言、建模方式和资源的分配与调度等方面都取得了很大的成绩。1 3 2 网格q o s 研究概况由于网格具有的异构性、分布性、动态性和自治性，使得网格应用中服务质量的协商和保证成为一项非常复杂和具有挑战性的工作。通用预约和分配体系结构g a r a ( g e n e r a l - p u r p o s ea r c h i t e c t u r ef o rr e s e r v a t i o na n da l l o c a t i o n ) f 1 6 】1 1 7 】和网格q o s 管理体系结构g q o s m ( g r i dq o sm a n a g e m e n ta r c h i t e c t u r e ) 【l s 】是目前仅有的两种比较完整的网格q o s 体系结构。早在1 9 9 9 年，r o y 和i 孤f o s t e r 等人就提出了基于g l o b u s 的q o s 框架g a r a 模型。g a r a 是基于g l o b u s 工具集提出的有关计算q o s 的技术和概念，上簿大学硕士学位论文! 坠! 坚型! 坐! ! 竺堡! ! ! 塑! 堕! ! 垫竺塑并对其进行扩展和推广，以支持端到端( e n dt oe n d ) 的资源发现、资源预留、资源分配，以及对不同种类资源的管理，包括计算机、网络和存储系统等。o a r a主要有以下几个特点：把事先预留和计算元素，如处理器，网络流，内存块等当作第一类实体，它们能够被独立创建，监控和管理：支持以统一的方式来处理不同类型的资源( 如网络、c p u 、内存、磁盘等) 和低层的机制( 以网络资源为例，包括r s v p 消息发送，区别服务的带宽代理，以及a t m 虚拟回路等) ；定义一个分层架构，可以为资源集合的发现、预留、分配和管理定义不同的策略，并可以被封装到协同预留和协同配置代理中。g a r a 是目前网格中最广为接受的q o s框架，但它不兼容o g s a ，不支持服务等级协议s l a ( s e r v i e l e v e l a g r e e m e n t ) 1 9 1 ，并缺少对应的q o s 监控和调整函数。g - q o s m 是2 0 0 2 年英国c a r d i f f 大学的r a s h i da 1 a l i 提出的，它是o g s a 网格环境中自适应调节的q o s 管理体系结构。g j 2 0 s m 最初在底层使用了g a r a ，后期做了较大改动，以适合o o ! f i 和0 1 3 。它提供三个主要功能：q o s 服务的注册、发现和选择；建立服务等级协定，提供了中间件层和网络层q o s 保障；为被分配的资源提供自适应调节功能。尽管已有越来越多的学者致力于研究网格服务质量，如c _ 抡f ( g l o b a lg r i df o m m ) 的成员正关注于网格q o s 相关内容；o r a a p w g 已经提出了一份g g f草案支持网格中的资源预留属性；并且一份基于o o s i ( o p e ng r i ds e r v i c e蜘c t u r e ) 2 0 的协议模型也正在探讨之中，但是网格q o s 的研究仍缺乏完整、清晰的技术体系，没有一种通用的、全面的q o s 解决方案成功满足网格环境中的所有服务质量需求。并且相关研究多集中在网格q o s 体系结构、网络层q o s( 如i pq o s 测量、q o s 路由等) ，对应用层网格q o s 及虚拟组织( v i r t u a lo r g a n i z a t i o n ，v 0 ) 层q o s 的关注相对较少，对在网格工作流中引入服务质量的研究还处在初步发展阶段。1 4 论文结构本论文的结构安排如下：第一章阐述了本课题的研究背景，简要介绍了网格、工作流管理系统、服务上海大学硕士学位论文! 塾! 塑墅! 垒些! 堕! 垡! 塑坚婪! 塑! 塑质量的概念以及国内外相关领域的研究状况等。第二章主要介绍网格服务，网格服务工作流系统以及网格工作流描述语言。第三章提出q o s 感知的分布式网格工作流引擎qg 明m 的整体架构，简要介绍其各个组件，并对网格工作流语言g r i d b p e l 进行q o s 描述方面的扩充，提出网格工作流服务质量参数体系，在此基础上给出q _ c n i d b p e l 中各活动的服务质量计算公式。第四章给出q g w f e 调度系统的设计，并通过实验验证该引擎在基于q o s进行资源调度方面的优势。第五章给出q _ o w f e 原型系统的模拟环境和实现技术。第六章总结全文并对进一步研究方向作出展望。8 j ；海大学硕士学位论文! 塑塑塑鲤! 坐! 堕! 生! 墅竖堕! 堕坚型2 1 网格服务第二章网格服务工作流系统对于网格技术先后提出过两种比较重要的体系结构。网格发展初期的网格体系结构是i a n f o s t e r 等提出的以协议为中心，强调服务、强调a p i 和s d k 的五层沙漏结构【2 ”，侧重于定性的描述两没有给出具体的协议定义，不能适应现有的技术。近年来，结合网格与w e b 服务技术，以服务为中心的开放网格服务体系结构o g s a作为一个得到了大量业界支持且不断发展的标准，已经取代了沙漏结构成为网格新的结构体系标准0 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。以服务为中心是o g s a 的基本思想，o g s a 将网格中的大量的异构的资源均看作服务，并使用w e b 服务描述语言w s d l ( w e bs e r v i c e sd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 将服务标准化、透明化，使之能以一致的方式进行交互与运转，解决了网格中最重要的开放性的问题。其基本组件开放网格服务基础结构o g s i 基于新兴的w e b 服务技术，完成了将网格软件基础结构标准化的工作，定义了在网格环境中各种服务间使用的接口和协议的标准，为o g s a 软件组件提供了最大的互操作性。2 0 0 3 年9月，基于o g s a 标准的第一个主要应用实现g l o b u st 0 0 1 垃s3 0 ( g t 3 ) 2 2 正式发布。o g s a 定义了网格服务( g r i ds e r v i c e ) 的概念，网格服务也是一种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不同的方式聚作和共享的服务来定义。简单地说，网格服务= 接口绗为+ 服务数据。其中服务数据是关于网格服务实例的信息，而接口定义了网格服务的语义网。每个接口定义一组操作，一个网格服务实现一个到多个接口。这些操作通过交换定义好的一系列消息序列来激活，并完成不同的操作( 服务) 。0 a s a 目前提供t g r i d s e r v i c e ，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 ，f a c t o r y ，p r i m a r y k c y , h a n d l e m a p七个核心服务接口及相关操作。每个接口可以包含多个绑定和实现，它们可阻部上海大学硕士学位论文! 坠塑壁型唑塑! 匹! ! 竖鲤虫! 竺墅署在不同的托管环境、甚至不同的操作系统中。其中g r i d s e r v i c e 接口是必须的。网格服务是有状态的，网格服务是高度共享的、可互操作的。网格服务一旦发布到网格上，接x , n 格的用户授权后都可使用它洲。图2 1 是网格服务的简单描述【2 5 l 。o r i d s a v i m其它接口晨务数据访问。- ( 必须)( 可选)显式撤销软状态生龠周期绑定属性一可靠激活一认证几厂厂l厂l 艉务蠡ll 服务致ll 服务螽ll 据元素li 据元素ll 据元蠢ij实现图2 - l 网格服务示意圈2 2 基于网格服务的相关理论知识2 2 1 网格q o s 的层次结构模型标准接口=通知一授权一服务创建一服务注册一瞥理一开发应用相关借口q o s 对不同的对象可以有不同的描述，q o s 参数在不同的层次上表现为不同的组成单元。我们将网格q o s 分为三层网：底层的资源设备层、中间的虚拟组织层v o 、上层的应用层网格服务层。如图2 2 所示。最上层是应用层网格服务层，在该层q o s 参数的定义上，网格服务提供者一方面需要提供有关服务安全、信任等方面的描述性q o s 参数，另一方面需要给网格服务确定几个不同的q o s 等级，以满足终端用户在功能性q o s 方面可能的简略请求。这些等级一般由用户使用服务资源后对该服务所作出的评价的平均值来评定，如较差、一般、较好、极好等。同时，为了满足终端用户在功能性q o s 方面可能会提出具体q o s 参数的请求，服务提供者还要给出不同q o s 等级所对应的网格服务在系统q o s 和逻辑资源q o s 方面的具体参数。第二层为虚拟组织层，该层q o s 参数是上层网格服务的q o s 参数在虚拟组织堡塑鲤唑堡堂! 望燮型型竺墅中的映射。对于描述性q o s 参数，网格服务工作流中的每个子服务可以基于语义映射成各自的安全q o s 、信任q o s 等类型的q o s 参数。对于功能性q 口s 参数，在虚拟组织层，服务提供者同样需要分别给出每个子服务不同q o s 等级所对应的系统q o s 和逻辑资源q o s 的参数值。最底层为资源设备层，该层q o s 参数是虚拟组织层中各q o s 参数在物理平台上的映射。图2 - 2 网格q o s 层次结构q o s 参数的映射转换过程其实就是不同类型s l a s 的建立和维护过程。当资源提供者向v o 提供逻辑资源时，需要综合考虑物理资源本身的整体服务性能、资源本地任务的负载情况以及资源的共享策略等因素，由资源代理与v o 进行协商，抽象出资源在v o 层对应的q o s 参数，形成r s l a s ( r e s o u r c es e r v i c el e v e la g r e e m e n t s ) ，并完成v o 层q o s 参数与资源设备层q o s 参数的映射转换资源提供者可以根据资源管理的需要动态地加入或离开v o 。当用户向网格服务机构提出服务申请和q o s 需求时，开始 t s l a s ( t a s ks e r v i c 圯l e v e la g r e e m e n t s ) 的协商建立过程；当用户的服务申请得到服务机构的批准并就q o s 协商成功时，完成用p q o s 需求与应用网格服务层q o s 参数的映射转换和t s l a s 的建立。该t s l a s中包含了用户所申请服务的构成情况、资源需求和用户的q o s 需求。网格服务机构根据t s l a s 中对资源和q o s 的需求，查找资源的抽象服务能力能够满足t s l a s要求的r s l a s ，并将它们关联到一起，形成b s l a s ( b i l l d i n gs e r v i c el e v e l上海大学硕士学位论文堡墅塑唑些婴堡! ! 墅曼! 壁生坐堕坚a g r c 锄c n t s ) ，完成网格服务q o s 参数与v o 层q o s 参数的映射转换。2 2 2 网格服务工作流根据w f m c 的定义，工作流是一类能够完全或部分自动执行的业务过程，根据一系列过程规则，文档、信息或任务在不同的执行者之间传递和执行。与此类似，网格工作流就是一个网格服务自动化处理的过程，它根据一系列的过程规则，能够完全或部分地把运行在喇格环境下的各种互相作用的网格服务有机地结合在一起，其间的文档、信息或数据在不同的网格服务之问传递和执行。此外，网格工作流是一个运行在网格环境中的基本活动单元，并能够集成其它的网格工作流元素，建立更高级的网格服务网格环境下的工作流技术具有在异构环境中处理复杂事务的能力。网格工作流除了具备可视化设计，支持各种复杂流程，执行过程可监控、管理等特点外，还具有动态、分布，服务交互性等特点网格工作流管理系统架构支持网格环境下网格工作流的建模、调度执行和管理监控，同时有与之适应的组织资源管理，服务管理。在网格环境下，由于网格动态的特点，网格工作流的开放性、可扩展形和互操作尤为重要，因此网格工作流系统必须提供一个开放的体系结构和友好的接口，符合w f m c 和o c c 的相关规范脚】。网格工作流体系结构包含以下几个主要部分，如图2 3 所示：( 1 ) 用户门户提供一个集成的图形用户界面。由于现在网格应用开发和管理比较复杂，因此提供一个图形化的交互界面有利于用户方便地构建和管理网格应用、网格工作流引擎生成和执行网格工作流实例，最重要的是要根据网格运行情况动态地生成网格任务和调度，充分发挥网格的性能。( 2 ) 性能监控管理收集资源的性能情况，对于运行的网格实例进行性能评估，反映出网格实例运行过程的资源需求和消耗情况i 为工作流引擎的动态分配和调度服务。( 3 ) 网格服务管理可以将网格任务以网格服务实例的方式来实现，虽然g l o b u s 提供了一些基本的网格服务管理，但是非常缺乏为网格工作流建模和动态调度执行提供支持的上海大学硕士学位论文! 坠! 型! 变! ! 竺堡! ! ! 墅韭型望呈! 竺，旦网格服务构建、管理和查询功能。( 4 ) 资源管理由于网格资源管理的多重性，因此在网格中要有一个全局资源管理，同时应能够比较容易地映射到实际资源中，使得工作流引擎在分配任务时能够有合适的资源参与完成。图2 - 3 网格工作流体系结构2 2 3 网格服务工作流描述语言业务流程的概念贯穿于整个工作流系统。网格环境下的工作流系统首先要解决的问题就是将不同的网格服务按照指定的业务需求或功能需求，有机的联系起来，从而实现个更复杂的功能体冽。为解决这个问题，就需要一种机制来规定和描述网格服务间如何进行协同与组合，而这正是工作流描述语言要做的工作。目前，在w e b 服务领域，针对工作流流程描述语言的研究已经有不少的成果，业务流程执行语言b p e l ( b u s i n e s sp r o c e s se x e c u t i o nl a n g u a g e ) 就是其中比较有代表性的一种流程描述语言。b p e l 是由m m 、m i c r o s o f t 和b e a 于2 0 0 2 年8月联合提出的有关w e b 服务集成的新规范。b p e l 是基于x m l 的流程描述语言，它描述的业务流程能够指定一组w e b 服务操作的可能执行顺序，并解决这些w e b 服务间共享的数据、业务流程涉及哪些伙伴以及这些伙伴在业务流程中扮演的角色、一组w e b 服务的共同异常处理以及关于多个服务和组织如何参与等问题。b p e l 的出现取代了原有的m m 的w e b 服务流程语言w s f l 和微软的上海大擘硕士学位论文! 坠! ! 苎鲤璺! 坐! 塾竺堡! ! ! 墅坚型竺型罂型堕x l a n g ，它集w s f l 和x l a n 6 两家之长( 前者支持面向图形的流程，后者则支持流程的结构化构造) 口o j ，引入了活动、服务链接、伙伴和服务引用、容器、相关性、错误处理、作用域和消息属性等关键元素，形成了一个支持以自然的方式描述业务流程的规范【3 。b p e l 在w e b 服务工作流中被广泛采用，但由于同格服务和w 曲服务的很多区别，b p e l 已不能适应网格环境下的工作流程描述的需要，所以在吸收b p e l 优点的基础上，本项目前研究小组提出了网格环境下的工作流流程描述语言g d d b p e l ( g r i db 璐i n e 韶p r o c 船se x c c u t i o nl a n g u a g e ) 【3 2 lg r i d b p e l 是在b p e l 语言及网格工作流动态元模型的基础上，提出并设计出来的一种网格工作流建模语言。它以网格服务规范o g s i 为基础，以网格服务间的流程逻辑描述为核心，借鉴b p e l 这种比较成熟的w e b 服务工作流建模语言的优点，使这种网格工作流建模语言在准确描述服务间的流程控制和数据流转的同时，能够更方便自然地支持o g s i 机制。g r i d b p e l 也是基于x m l 的语言，用一组x m ls c h e m a 来定义，它允许在o g s a 框架内规定网格工作流描述。c n i d b p e l 继承了大部分b p e l 的活动和其它描述元素，它对b p e l 的十五个现有活动中的某些具体功能进行了一定的修改，删除几个多余的元素和元素的属性，同时，针对网格新的特点，增加了一些网格服务下的新的活动，来支持网格服务的交互性和网格工作流程动态性。g r i d b p e l 由五大部分组成，其语法基本架构如图2 4 所示：图2 4 g r i d b p e l 架构上海大学硕士学位论文! 堡曼婴里坐里竺堡! ! 兰! ! 型生型旦坐竺塑下面用一段g r i d u b j p e l 的描述文档说明其语法结构。如图2 - 5 所示：图2 - 5c n i d b p e l 描述文档首先，c _ r d d b p e l 定义的流程以 p r o c e s p 元素作为其根元素， 元素中设定了流程的t a r g e t n a m e s p a c e q u a r y l a n g u a g c 等属性。接下来的部分是伙伴声明。伙伴声明由 p a r b l e p 元素定义，所有参与工作流的网格服务( 包括c l i e n t ) 都包含在这个列表中。第3 部分是活动。活动标记可以是基本活动 、 、 、 、 、 、 、 和结构化活动 、 、 、 、 、 、 中任意一个。上海大学硕士学位论文! 坠! ! 型型! ! 堡! 堕堡! ! ! 墅! 堕! 些竺! 堡第4 部分是故障处理与补偿处理。分别在 和 元素中定义。第5 部分是通知订阅链接。在现有的w e b 服务工作流模型中，工作流引擎必须介入w e b 到应用序列的每一步。由于数据无法通过对等方法在w e b 服务间进行传输，因此所有的控制逻辑与数据流转都需要通过工作流引擎，当数据量较大时，往往形成瓶颈，而在网格计算环境中，网格服务之间往往需要交换大量数据。这就要求网格工作流能够允许服务之间进行对等通信。o g s i 规范中规定可以使用通知机制解决网格服务问的通信问题。通知的目的就是从通知源服务向通知接收方服务传递消息。网格服务之间交互时，这些服务或者作为通知源传送通知，或者作为通知接收者订阅通知，或者两种身份都具备。为了实现o g s i 规定这种通知机制，以避免工作流引擎介入流程执行的每一步，g r i d b p e l 设计了 元素，并通过使用该元素中的 子元素将通知源服务的源端口和通知目标服务的接收端口连接起来。n o t i f i c a t i o n s 元素中可以包含多个n o t i f i c a d o n l i n k 予元素、每个n o t i 丘c a t i o n l i n k 子元素对应一个通知订阅链接说明。n o t i f i c a t i o n l i n k 子元素使用服务数据元素( s e r v i c ed a t ae l e m e n t ，s d e ) 保存接收端口从源端口那里订阅的服务数据。工作流的第一步是对整个工作流程进行建模，因此设计一种描述工作流过程的语言非常重要，g r i d b p e l 支持o g s i ，基于g w s d l ；通过通知链接机制支持服务间对等通信：使用服务数据元素( s d e ) 存储交换消息和中间数据等状态信息，满足了网格环境的特殊应用需求，但不足之处是其语法中并没有与服务质量相关的元素，在我们将服务质量引入工作流管理系统之后，就需要对该语言进行进一步扩充，使其能够描述用户的q o s 需求。2 3 本章小结本章介绍了网格服务概念，然后介绍了基于网格服务的相关理论知识，包括网格q o s 的层次结构模型，网格服务工作流的体系结构及网格服务工作流描述语言g f i d b p e l 。上海大学硕士学位论文! 坠! ! ! 塑皇坐坐! 塾墅! 坚! 塾竺兰墅望翌螋第三章网格工作流引擎q _ g w f e 总体架构3 1qg w f 砸；总体架构3 1 1q w f e 的提出在提出本文的引擎架构之前，先来了解一下当工作流管理系统的标准建立在网格研究领域时，网格环境对工作流技术提出的新的挑战：( 1 ) 跨域( c r o s sd o m a m )在网格环境中