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基于q o s 的网格资源分配管理的研究 基于q o s 的网格资源分配管理的研究 摘要 随着网格技术的不断发展，越来越多的异构资源参与到网格中，这些资源需要以众所 周知并且一致的方式进行交互和运转，才能实现资源的高度共享和协同工作，为此，需要 建立一些相关的开放标准来满足这种互操作和资源共享的需要。在这种需求的推动下，网 格由早期的面向计算的五层沙漏结构发展到面向服务的开放网格服务体系架构 o g s a ( o p e n g r i ds e r v i c e a r c h i t e c t u r e ) 。在这种以服务为中心的、基于o g s a 的网格环境中， 由于服务可以跨越不同的抽象层次，用户的一个服务请求就可能包含了不同抽象层次的多 个资源请求。这些资源相对网格用户而言是透明的，表现为虚拟组织( v i r t u a lo r g a n i z a t i o n 。 v o ) 逻辑意义上的资源，但在物理上它们是分布存放的，并且有各自不同的管理策略。 因此，如何保证用户的服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e , q o s ) 需求蛆及如何协调逻辑资源和物理 资源的分配与调度、提高资源的利用率成为网格环境下资源管理亟需解决的重要问题。 由于用户q o s 需求的保证情况取决于执行服务时系统所分配的资源本身的性能，因 此，在以服务为中心的网格环境下，进行基于q o s 的资源分配管理的研究就显得尤为重要。 本文的工作主要是针对目前在网格q o s 和资源提前预留领域所存在的问题，从网格 q o s 特性、网格q o s 保证机制和基于q o s 的网格资源分配管理模型等三个方面对基于q o s 的网格资源分配管理进行了理论上的研究。在实践上，针对现有网格仿真工具的不足，设 计并实现了一个满足多q o s 测度约束、支持资源提前预留的开放性网格仿真平台。 具体的工作主要包括： 1 从基于o g s a 的网格环境的特点山发，对网格q o s 的特性进行了系统化的分析， 对网格q o s 的参数进行了分类和归纳，建立了网格q o s 的层次化结构模型。 2 通过分析g g f 的g r a a p 工作组对提前预留的定义及要求，建立了提前预留的 状态转换图；引入虚拟资源容器的概念对s n a p 协议进行了扩展，提出了一种基 于s l a 的网格资源动态预留策略。 3 通过分析基于q o s 的网格资源分配管理的内容，综合网格q o s 方面的研究成果， 参考o g s a 规范的要求，设计了一个基于q o s 的、支持资源动态预留的、满足 多q o s 测度约束的网格资源分配管理模型g r a m - q o s 。 4 通过分析网格仿真平台的需求，针对现有网格模拟工具的不足，设计了一个满足 多q o s 测度约束的、支持资源预留的开放性网格仿真平台，并在现有仿真工具 g r i d s i m 的基础上实现了网格仿真平台的系统环境部分和资源分配模块的仿真。 关键字：网格；资源分配管理；q o s ；层次结构；s l a ；虚拟资源容器；资源预留；仿真 东南大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nq o s b a s e dg r i dr e s o u r c ea l l o c a t i o n a b s t r a c t a si n t e r e s ti ng r i d sc o n t i n u e dt og r o w , a n di np a r t i c u l a ra si n d u s t r i a li n t e r e s te m e r g e d ，m o r e a n dm o r ed i s t r i b u t e d ，h e t e r o g e n e o u sr e s o u r c e sp a r t i c i p a t e di ng r i d i no r d e rt oa c h i e v et h eg o a l o fh g h l yr e s o u r c e ss h a r i n ga n dc o o p e r a t i o g ，t h e s er e s o u r c en e e dt oi n t e r a c ti nau n i f o r m ， w e l l k n o w nw a y t h u st h ei m p o r t a n c ea n dd e m a n d sf o rt h eo p e ns t a n d a r d sa r ei n c r e a s e d u n d e r t h ep u s ho ft h ed e m a n d s ，t h ea r c h i t e c t u r eo fg r i dd e v e l o p e df r o me a r l yh o u r g l a s ss t r u c t u r e ， w h i c hi s c o m p u t i n g - o r i e n t e d ，t oo p e n g r i ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e ( o g s a ) ，w h i c hi s s e r v i c e o r i e n t e d b e c a u s ei no g s a b a s e do r i de n v i r o n m e n t 、s e r v i c ei st h ek e r i l e la n ds e r v i c e c a ns p a nm u l t i p l e ，d i f f e r e n ta b s t r a c tl e v e l s ，as e r v i c ea p p l i c a t i o nm a yi n c l u d em u l t i p l er e s o u r c e r e q u e s t s w h i c hh a v ed i f f e r e n ta b s t r a c tl e v e l s a n dt h er e q u i r e dr e s o u r c e sa r ep r e s e n t e du n i f i e d a sl o g i c a lr e s o u r c ei nv m u a lo r g a n i z a t i o n ( v o ) a n dt r a n s p a r e n tt ot h eu s e ri np h y s i c s ，a l t h o u g h t h e yh a v ed i f f e r e n tn a t i v em a n a g e r i a ls t r a t e g ya n da r ed i s t r i b u t e di nd i f f e r e n tl o c a t i o n sa c t u a l l y h e n c e ，h o wt og u a r a n t e et h eu s e r sq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) d e m a n d sa n dh o wt om o d u l a t et h e r e s o u r c ea l l o c a t i o na n dt a s ks c h e d u l i n gb e t w e e ni o g i c a lr e s o o r c ea n dp h y s i c a lr e s o u r c e a sw e l l a sh o wt o i m p r o v et h e r e s o u r c eu t i l i z a t i o n ，t h e s ec l u e s t i o n sb e c o m em e r eu r g e n tw i t ht h e c o n t i n u a 】d e v e l o p i n go fg r i d b e c a u s et h ea s s u r a n c eo ft h eu s e r sq o sd e m a n d sd e p e n d so nt h ep e r f o r m a n c eo ft h e r e s o u r c ea l l o c a t e db yt h es y s t e m ，i ti se s p e c i a l l yi m p o r t a n tt oc a l t yo nq o s - b a s e dr e s o u r c e a l l o c a t i o nm a n a g e m e n ti ns e r v i c e o r i e n t e dg r i d 0 u rr e s e a r c hf o c u s e so ng r i dq u sa n dr e s o u r c ea d v a n c er e s e r v a f t o n i nt h e o r y , w ed oa d e e pr e s e a r c hi nt h ea r e ao ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fg r i dq o s ，t h eg u a r a n t e em e c h a n i s mo f g r i d q o sa n dt h em o d e lo fq u s b a s e dr e s o u r c ea l l o c a t i o nm a n a g e m e n t i np r a c t i c e ，a i m e da tt h e d e m a n d so fg r i ds i m u l a t i o np l a t f o r ma n dt h ed e f i c i e n c yo ft h ee x i s t i n gg r i ds i m u l a t i o nt o o l k i t ， w ed e s i g na n di m p l e m e n tag r i ds i m u l a t i o np l a t f o r m ，w h i c hs u p p o r t sa d v a n c er e s e r v a t i o na n d w i t hm a l t jq o sm e t r i cc o n s t r a i n 0 u rr e s e a r c hw o r k sm a i n l yi n c l u d e ： 1 a n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c so fg r i d , q o s ，d a s s i f ，t h eq o sp a y a r n e t e r sa c c o r d i n gt h e i r p r o p e r t i e s ，p u tf o n v a r dt h eh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r eo f g i r dq o s 2 a n a l y z et h ed e f i n i t i o na n dr e q u i r e m e n t so fa d v a n c er e s e r v a t i o ne s t a b l i s h e db y g r a a p w go fg gf ，s e tu pt h es t a t et r a n s i t i o nf i g u r eo fa d v a n c er e s e r v a t i o n i n t r o d u c et h e c o n e 印to fv i r t u a lr e s o u r c ec o n t a i n e rt oe x t e n ds n a 只p r e s e n ta s l a - b a s e dg r i dr e s o u r c ea d v a n c er e s e r v a t i o ns t r a t e g y 3 a n a l y z et h ec o n t e n to f q o s b a s e dr e s o u r c ea l l o c a t i o nm a i l a g e m e n ta n dr e f e r r i n gt ot h e o g s as p e c i f i c a t i o n ，p u tf o r w a r daq o s b a s e dm o d e lf o rg r i dr e s o u r c ea l l o c a t i o n m a n a g e m e n tf g r a m q o s ) 4 d e s i g nt h eg r i ds i m u l a t i o np l a t f o r m ，w h i c hs u p p o r t sa d v a n c er e s e r v a t i o na n dw i t h m u l t i 。q o sm e t r i cc o n s t r a i n t i m p l e m e n tt h eg r i de n v i r o n m e n ts i m u l a t i o nn m d a l e ，a n d t h er e s o u r c ea l l o c a t i o ns i m u l a t i o nm o d u l eb a s e do ng r i d s i m k e y w o r d s ：a t a , r e s o u r c ea l l o c a t i o nm a n a g e m e n t , q o s , h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e , s l a ， v i r t u a l r e s o u r c ec o n t a i n 蹦r e s o u r c e 露e s e r v a t i o n s i m u l a t i o n - i i - 东南大学鼬学位论文 够7 9 1 0 8 8 东南大学学位论文 独创性声明及使用授权说明 一、学位论文独创性声明 本人声明所里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，也不包含为获得东南大学或其它教育 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：至! i ：幺日期：芝：形 二、关于学位论文使用授权说明 东南大学、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、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 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) 授权东南大学研究生院办理。 签名：邋导师签名：二弛 日期：丛彤 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 网格 1 叫的概念最初来自于“元计算”。由于高性能计算的应用需求使计算能 力不可能在单一计算机上获得，因此，必须通过构建“网络虚拟超级计算机”或 “元计算机”来获得超强的计算能力。2 0 世纪9 0 年代初，根据i n t e r n e t 上主机 大量增加但利用率并不高的状况，美国国家科学基金会( n f s ) 将其四个超级计 算中心构筑成一个元计算机，逐渐发展到利用它研究解决具有重大挑战性的并行 问题。它提供统一的管理、单一的分配机制和协调应用程序，使任务可以透明地 按需要分配到系统内的各种结构的计算机中，包括向量机、标量机、s i m d 和 m i m d 型的各类计算机。n f s 元计算环境主要包括高速的互联通信链路、全局 的文件系统、普通用户接口和信息、视频电话系统、支持分布并行的软件系统 等。元计算被定义为“通过网络连接强力计算资源，形成对用户透明的超级计算 环境”。网格计算( g r i dc o m p u t i n g ) 【。1 0 】系统化地发展了最初元计算的概念，它通 过网络连接地理上分布的各类计算机( 包括机群) 、数据库、各类设备和存储设 备等，形成对用户相对透明的虚拟的高性能计算环境，应用包括了分布式计算、 高吞吐量计算、协同工程和数据查询等诸多功能。网格计算被定义为一个广域范 围的“无缝的集成和协同计算环境”。【1 l 】 作为继传统因特网、w e b 之后的第三个大浪潮，网格也被称之为第三代因特 网。传统因特网实现了计算机硬件的连通，w e b 实现了网页的连通，而网格试图 将分散在网络上的各种共享资源，包括计算资源、存储资源、通信资源、软件资 源、信息资源、知识资源等，通过虚拟化的方式组织起来，形成动态可扩展的虚 拟有机整体，向用户提供强大的计算能力、存贮能力、设备使用能力及更有效的 信息融合和共享能力，从而实现资源的全面共享和协同工作1 1 “。在这种虚拟化的 环境中，网格系统以其固有能力把异构分布的资源映射为虚拟组织( v i r t u a l o r g a n i z a t i o n ，v o ) 中的逻辑资源，从而让应用开发者可以不必关心地域分布的异 构资源的使用细节，而把注意力集中到应用逻辑本身，并通过对v o 中逻辑资源 的管理由系统自动实现对物理资源的管理，因此，v o 在网格系统中起着重要的 作用。v o 是一些独立的个体或机构为了实现资源共享或协同工作而构成的虚拟 的逻辑组织，v o 中的成员可以动态的加入或离开。由于不同的v o 成员代表着 不同的网格资源，v o 成员的动态变化将会导致v o 中资源的动态变化，同时， 由于v o 成员提供的资源是共享资源而不是网格专用资源，因此，资源负载的动 东南大学硕士学位论文 态变化也会导致资源性能的动态变化。网格资源这两方面的动态变化是网格的一 个重要特征。 随着网格技术的不断发展，工业界开始对网格产生了浓厚的兴趣。当越来越 多的异构资源参与到网格中，这些资源需要以众所周知并且一致的方式进行交互 和运转，才可能实现资源的共享和协同工作，为此，需要建立一些相关的开放标 准来满足这种互操作和资源共享的需要。在这种需求的推动下，网格由早期的面 向计算的基于五层沙漏结构【3j 的计算榉h ( c o m p u t a t i o n a lg r i d ) 发展到面向服务的 基于开放网格服务体系架构o g s a ( o p e ng r i ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e ) 【4 1 的服务网格 ( s e r v i c eg r i d ) 。在开放网格服务架构o g s a 中，网格对于资源的虚拟化是以服务 的形式体现出来的，并且所有的服务都基于相对统一的核心接口实现。因此，服 务开发者就可以利用已有的服务很方便地构造出所需的服务，并且新构造的服务 又可以被抽象成具有层次结构的、抽象级别更高的服务。这种可生长的服务体系 是服务网格的又一重要特征。由于服务可以跨越不同的抽象层次，用户的一个服 务请求就可能包含了不同抽象层次的多个资源请求。这些资源相对网格用户而言 是透明的，表现为v o 中逻辑意义上的资源，但在物理上它们是分布存放的，并 且有各自不同的管理策略。因此，如何在v o 中协调逻辑资源和物理资源的分配 与调度、提高资源的利用率成为网格环境下资源管理亟需解决的重要问题。 与此同时，在基于o g s a 的网格环境中，所有的资源都虚拟化成服务的形 式，服务是网格系统的核心，因此，服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 便成为网 格中最重要的性能评价标准。q o s 是一个综合指标，用于衡量用户使用一个服务 的满意程度，它描述了关于一个服务的某些性能特点，这些性能特点是用户可见 的，它以用户可理解的语言表述为一组参数。对于不同的对象，q o s 可以有不同 的描述，例如，对于终端用户，可以从网格服务整体性能的角度出发，将q o s 要求简略的描述为较差、一般、较好、最好等，也可以从虚拟组织层逻辑资源 q o s 的角度出发，将q o s 要求描述为一组具体的q o s 参数，而对于提供服务的 物理资源，q o s 必须要通过一组具体的性能参数来描述。由于用户q o s 需求的 保证情况取决于执行服务时系统所分配的资源本身的性能，因此，为了保证用户 的q o s 需求以及不同的子服务间能够相互协调一致的工作，在进行资源分配时 需要与资源提供者或其资源代理进行q o s 协商，即网格系统有必要进行基于q o s 的资源分配管理。 网格资源的动态变化特点使得网格资源的q o s 也相应动态变化，这一特性 要求网格系统能够提供一种自动的q o s 协商机制和动态的q o s 保证机制。同时， 由于网格资源的异构性，使得不同管理域内的资源在q o s 的定义上有着不同的 语义，而且q o s 针对不同的对象可以有不同的描述，因此，在进行q o s 协商时， 系统需要提供基于语义的q o s 参数的映射转换服务。这些需求的产生使得对网 第一章绪论 格q o s 和基于q o s 的资源分配管理的研究显得尤为重要。 但目前对网格q o s 的研究还处于起步阶段，现有的研究多集中于如何在网 格体系架构中融入多媒体网络的q o s 机制以提供对某些部分网格q o s 特性的支 持m 。”，而没有对网格q o s 的特性进行系统化的研究与归纳，也没有建立起网 格q o s 的特性模型。在q o s 的保证机制方面，最常用的策略之一是提供资源预 留机制。而目前在这一领域的研究都集中于静态提前协同预留。如果在共享资源 动态变化的网格环境中采用静态提前预留技术，由于系统不能自动动态修改资源 预留设置，一方面会降低系统资源预留的成功率，另一方面也会降低资源的利用 率，从而影响系统的整体服务质量和性能。因此，这种静态的提前预留策略不能 很好的满足网格资源动态变化的特征。 本文的工作主要是针对上述问题，从网格q o s 特性、网格q o s 保证机制和 基于q o s 的网格资源分配管理模型等三个方面对基于q o s 的网格资源分配管理 进行了理论上的研究。其中，在网格q o s 特性的研究上，从基于o g s a 的网格 环境的特点出发，对网格q o s 的特性进行了系统化的分析，对网格q o s 的参数 进行了分类和归纳，建立了网格q o s 的层次化结构模型，从而为网格环境下q o s 参数的映射转换提供了理论参考模型。在网格q o s 保证机制的研究上，通过分 析o o f ( g l o b a lg r i df o r u m ) 2 4 1 的g r i dr e s o u r c ea g r e e m e n ta n da l l o c a t i o np r o t o c o l ( g k a a p ) 工作组对提前预留的定义及要求，建立了提前预留的状态转换图 引 入虚拟资源容器的概念对s n a p ( s e r v i c en e g o t i a t i o na n da c q u i s i t i o np r o t o c 0 1 ) 3 1 1 协议进行了扩展，提出了一种基于s l a ( s e r v i c e l e v e l a g r e e m e n t ) 3 2 j 的网格资源动态 预留策略。然后通过分析基于q o s 的网格资源分配管理的内容，综合网格q o s 方面的研究成果，参考o g s a 规范的要求，设计了一个基于q o s 的、支持资源 动态预留的、满足多q o s 测度约束的网格资源分配管理模型 g r a m q o s ( q o s b a s e dm o d e lf o rg r i dr e s o u r c ea l l o c a t i o nm a n a g e m e n t ) 。在实践 上，通过分析网格仿真平台的需求，针对现有网格模拟工具的不足，设计了一个 满足多q o s 测度约束的、支持资源预留的开放性网格仿真平台，并在现有仿真 工具g r i d s i m 的基础上实现了网格仿真平台的系统环境部分和资源分配模块的 仿真。因此，本文的工作对于系统化的提出有关网格q o s 问题的解决方案和资 源的优化使用等方面都具有重要的理论价值和实际意义。 1 2 研究现状 由于网格技术尚处于发展的早期阶段，研究的重点多侧重于如何通过网格技 术实现网格资源的共享和协同工作，而对于所提供服务质量的度量和保证机制上 还处于起步阶段”引。但广大学者都注意到在以服务为中心的网格环境中，q o s 东南大学颈士学位论文 对于网格技术的发展、应用和推广都有着重要的影响，因此，与网格q o s 相关 的领域近两年获得了较多的关注。 1 2 1 网格q o s if o s t e r 等学者在文献 1 3 , 4 , 1 9 】中提出了支持资源预留和协同分配的网格资源 管理体系架构g a r a ( g e n e r a l p u r p o s e a 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 ) ， g a r a 为不同种类的资源提供了统一的q o s 预留机制，为用户和应用开发者提 供了方便的端到端的q o s 控制机制。由于g a r a 面向的是以计算为中心的网格 环境，在g a r a 的有关q o s 的控制接口中，针对韵是最终的物理资源，但在基 于虚拟组织的、以服务为中心的o g s a 中物理资源对用户是透明的，用户只 能针对网格服务或虚拟组织中的逻辑资源提出q o s 需求，因此，在g a r a 的基 础上，还需要将用户的q o s 需求映射转换为物理资源的q o s 参数。为了抽象出 网格q o s 参数映射转换的共同特点，需要对网格q o s 的层次结构及q o s 参数间 的关系进行研究。 在文献 1 5 1 中，a r o y 等学者提出了一种新的消息传递架构m p i c h o q ，它综 合了q o s 描述、预留和实现技术，从基于消息传递编程的角度给出了网格q o s 的一些实现机制，并涉及到了网格q o s 层次的问题。在m p i c h g q 的系统架构 中，通过m p iq o sa g e n t 实现应用层q o s 参数到低层次q o s 参数的映射转换， 但他们没有对网格q o s 的层次结构进行更进一步的研究，也没有具体实现作为 m p l c h - g q 主要部件的m p iq o sa g e n t 模块。另外，在m p i c h g q 的实现中， 只是将应用层q o s 简单地与物理资源q o s 进行了绑定，没有给出从应用层q o s 到物理资源q o s 的映射转换解决方案，因此，需要我们对网格q o s 参数的映射 转换机制进行进步的研究。 在网格q o s 参数特性的研究方面，ra 1 a l i 等学者在文献t 2 0 j 中将网格q o s 的参数划分成a c c o u n t i n gq o s 、s e r v i c eq o s 、p r o v i s i o n a lq o s 、s e r v i c er e l i a b i l i t y 和s e r v i c es e c u r i t y 等五种类型，其中a c c o u n t i n gq o s 是指与服务代价相关的 q o s ，s e r v i c er e l i a b i l i t y 是指与服务可靠性相关的q o s ，s e r v i c es e c u r i t y 是指与 服务的访问控制等安全相关的q o s ，s e r v i c eq o s 是指那些对q o s 起主要决定作 用的q o s 属性，这些属性的q o s 值是必须要保证的，p r o v i s i o n a lq o s 是指那些 q o s 参数值可以在一定范围内变化，但对最终服务结果不会产生影响的o o s 属 性。这种划分方案反映了网格q o s 的一些特性，较全面地考虑了网格q o s 参数 在服务代价、安全和可靠程度等方面的需求，但它也存在着值得商榷的方面。在 s e r v i c eq o s 和p r o v i s i o n a lq o s 的划分上，一方面，哪些属性应该作为起主要决 定作用的q o s 属性，在文献【2 ( j 】中并没有给出明确的定义；另一方面，这两种类 第一章绪论 型q o s 的区别在于对q o s 参数值的保证机制上，即s e r v i c eq o s 是硬q o s 0 a a r d q o s l ，而p r o v i s i o n a lq o s 是软q o s ( s o f tq o s ) ，而其它三种类型的q o s 是通过 q o s 参数所表达的q o s 属性来区分的，在实际应用中，任何一种类型的q o s 参 数根据q o s 保证策略和服务的需要都可以做出不同保证机制的选择，如在用户 首先要保证服务代价的情况下，a c c o u n t i n gq o s 就要定义为对q o s 起主要决定 作用的硬q o s ，在这种情况下，根据文献1 2 0 的q o s 参数划分方案，a c c o u n t i n g q o s 就会与s e r v i c eq o s 发生重叠，从而无法保证五种类型的q o s 参数是正交的。另 外，在不同的q o s 层次上，由于对q o s 的描述和抽象程度不同，对q o s 的分类 结果也会不同，因此，在对网格q o s 进行分类时，必须要明确指出是对哪一个 层次的q o s 进行分类。 从上面的分析中可以看出，目前对网格q o s 的研究主要集中于如何在网格体 系架构中融入多媒体网络的q o s 机制以提供对部分网格q o s 特性的支持，在q o s 参数的研究上，也才刚刚开始。为了实现基于q o s 的资源分配，需要对网格q o s 的特性进行系统化的研究与归纳，对网格q o s 参数进行合理的分类，建立起网 格q o s 的特性模型，提出一种可行的q o s 参数的映射转换方案，从而为网格环 境下的q o s 协商、q o s 参数的自动映射转换提供理论上和实践上的参考。 1 2 2 网格资源预留 在q o s 的保证机制方面，最常用的策略之一是提供资源预留机制。在基于 o g s a 的网格环境中，采用合适的资源预留机制和策略一方面可以提供定的 q o s 保证，另一方面可以优化资源的使用，提高资源的利用率。对于资源预留， 根据预留时所请求的资源数量和种类不同可以将预留分为单资源预留 ( s i n g l e r e s o u r c er e s e r v a t i o n ) 和多资源预留( m u l t i r e s o u r c er e s e r v a t i o n ) 或协同预 留( c o r e s e r v a t i o n ) ，根据预留时所请求的资源预留时间不同可以将预留分为实时 预留( i m m e d i a t er e s e r v a t i o n ) 和提前预( a d v a n c er e s e r v a t i o n ) ，根据预留后能否 依据服务运行过程中的需要或系统资源构成情况的变化而修改预留参数，我们可 将预留分为静态预留( s t a t i er e s e r v a t i o n ) 和动态预( d y n a m i cr e s e r v a t i o n ) 。在共 享资源动态变化的网格环境中，为了保证网格服务的总体服务质量，在进行资源 预留时，应该更多的考虑多资源提前动态协同预留的情况。 目前在资源预留相关领域的研究除了上面介绍的从体系架构的角度支持资 源预留外【】5 ”j ，文献 2 1 1 通过给预留资源选择一个备用资源，试图在原预留资源不 能使用的情况下启用备用资源来保证服务质量。虽然通过使用备用预留资源的方 式可以保证服务质量，但对于匮乏资源而言，不一定能找到合适的备用预留资源， 从而导致资源不满足服务要求的假情况发生，不正确的降低了资源预留成功率， 东南大学硕士学位论文 另外，在网格动态变化的环境中，也不能确保备用资源会一定满足q o s 的要求， 同时，备用资源在备用预留期间不能再被其他服务预留或使用，也会进一步降低 资源的利用率和预留成功率。 ws m i t h 和i f o s t e r 等学者在文献【2 2 中研究了通过历史信息预计服务的执行 时间，在文献4 3 1 中研究了通过预计任务的执行时间来估计队列中任务的等待时 间，这些工作可以为资源提前预留时间的确定提供一定的参考，但这些估计的精 确度都不高，如果对于需要预留的时间估计不准确，都会导致正在运行的服务被 挂起，如果该服务是服务流中的一个子服务，则有可能会导致后续子服务中的资 源预留到时间无法启动，从而导致资源预留失败。 因此，现有的在资源预留方面的研究工作都集中于静态提前资源预留，即在 资源协同预留完成时，选定一个固定的资源并对该资源预留一个固定的时间，预 留完成后不再允许修改预留参数。如果在共享资源动态变化的网格环境中采用静 态提前协同预留技术，由于系统不能自动动态修改资源预留设置，一方面会降低 系统资源预留的成功率，另一方面也会降低资源的利用率，从而影响系统的整体 服务质量和性能。因此，这种静态的提前预留策略不能很好的满足网格资源动态 变化的特征。同时，现有的在资源预留方面的研究工作也没有提供资源预留请求 时所需要的有关资源性能的协商处理方案，因此，在以服务为中心的网格环境中， 会大大降低预留请求的成功率。 为此g g f 的g r a a p 工作组制定了文档“a d v a n c er e s e r v a t i o n s ：s t a t eo f t h e a r t ” 2 5 1 ，对基于o g s a 的网格环境下的资源提前预留提出了具体的要求和说明， 其中最主要的是表现在对资源动态预留的要求上。同时，该文档还对提前预留可 能存在的状态进行了归纳，即请求或协商( r e q u e s t e do ii nn e g o t i a t i o n ) 、拒绝 ( d e c l i n e d ) 、预定( b o o k e d ) 、预定重协商( b o o k e d ，c h a n g er e q u e s t e d i nr e n e g o t i a t i o n ) 、 撤消( c a n c e t l e d ) 、活跃( a c t i v e ) 、中l k ( t e r m i n a t e d ) 、完成( c o m p l e t e d ) 、活跃重协 商( a c t i v e ，c h a n g er e q u e s t e d i nr e n e g o t i a t i o n ) 等九个状态。而对资源动态预留支持 的关键是系统对预定重协商状态和活跃重协商状态的支持。因此，如何实现对提 前预留重协商的支持是动态预留策略实现的关键和难点，也是今后该领域研究的 重点和方向。 1 2 3 网格仿真平台 由于网格环境的搭建对硬件和网络都有一定的要求，在现有的实验环境下， 很难搭建出满足实验要求的网格环境。另外有些实验也需要重复进行实验，需要 在不同的网格环境下比较相同的算法和策略，或者在相同的网格环境下比较不同 的算法和策略，由于网络性能的不稳定性等因素使得在实际的网格中很难满足这 第一章绪论 些实验要求。因此，需要我们通过仿真平台来进行实验。现有的网格模拟器有影 响的主要有b r i c k s l 2 6 1 、m i c r o g r i d 2 7 1 ，s i m g r i d l 2 8 1 和g r i d s i m 2 9 1 等四个。 b r i c k s 2 6 1 是由日本东京工学院开发的，主要用来模拟客户机一服务器结构的全 球计算系统，这种全球计算系统能够通过远程方式访问科学信息库和包，并在高 性能计算机上运行。它遵循集中的全球调度技术，不能满足网格环境下任务调度 由资源所有者独立管理的要求。 m i c r o g r i d 7 j 是由圣地亚哥( u c s d ) 的加利福尼亚大学开发的，支持网络仿 真，能与g l o b u s 相融合运行。但目前仅支持g t 2 0 版本，不支持基于o g s a 的 g t 3 ，也不支持有关q o s 属性方面的约束。 s i m g r i d 2 2 1 也是由圣地亚哥( u c s d ) 的加利福尼亚大学开发的，是一个基于c 语言的仿真工具包，仅支持t i m e s h a r e d 类型的资源，并且局限于单一的调度实 体，因此很难模拟多个竞争的用户、应用服务和异构的调度器。另外，网格环境 下还有大量的资源是s p a c e s h a r e d 类型的资源，也使得s i m g r i d 无法模拟。 g r i d s i m 2 9 】是由澳大利亚m o n a s h 大学的r a j k u m a rb u y y a 在s i m j a v a 3 0 1 仿真 工具包的基础上设计实现的，它能够模拟t i m e s h a r e d 和s p a c e s h a r e d 两种共享类 型的资源，提供了满足服务代价和时间约束的异种资源网格仿真，适用于经济网 格，但不支持网格虚拟组织拓扑结构的仿真。 因此，在网格仿真领域，还没有一个通用的满足多q o s 测度约束的、支持 资源发现、资源预留、资源分配和资源调度以及可根据需要由用户调整网格虚拟 组织资源组成情况的开放性网格仿真平台。 1 3 研究内容 本文的项目研究背景是国家自然科学基金会重大研究计划“以网络为基础的 科学活动环境研究”( 9 0 4 1 2 0 1 4 ) 。在理论上，本文从网格q o s 特性、网格q o s 保证机制和基于q o s 的网格资源分配管理模型等三个方面对基于q o s 的网格资 源分配管理进行了研究；在实践上，针对现有网格仿真工具的不足，设计并实现 了一个满足多q o s 测度约束、支持资源提前预留的开放性网格仿真平台。 具体的研究内容主要包括以下几个方面： 网格q o s 结合基于o g s a 的潮格环境的特点，从资源虚拟化、逻辑资源q o s 与物理 资源q o s 间的关系、网格服务的访问控制以及网格服务的跨层抽象等四个方面 对网格q o s 进行了系统化的分析，对网格q o s 的特性进行了分类和归纳，并根 据网格q o s 参数表达的属性特征不同，在虚拟组织层将网格q o s 的参数分成逻 辑资源类、系统类、安全类、信任类和记帐类等五种类型，然后根据不同对象在 东南大学硕士学位论文 q o s 描述方面的不同需要，提出并建立了网格q o s 的层次结构模型，并利用s l a 和s n a p 协议介绍了网格q o s 层次结构模型的工作流程，从而为网格环境下q o s 参数的映射转换提供了理论参考模型。 网格资源动态预留策略 通过分析g r a a p 工作组的有关制定网格资源分配协定协议g r a a p 的要 求、提前预留的定义和提前预留的要求及状态，建立了提前预留的状态转换图； 结合v o 中网格资源动态变化的特点，指出了s n a p p 】j 协议在支持提前预留网格 系统中的不足，然后针对所存在的问题，引入了虚拟资源容器的概念，对s n a p 协议进行了扩展。在扩展的s n a p 协议的基础上，我们提出了一种基于s l a 1 3 叫 的网格资源动态预留策略。通过对该动态预留策略的分析，可以看出该动态预留 策略能够全面的支持动态重协商的要求，较好的满足了g r a a p 工作组对提前预 留的要求，同时，利用该动态预留策略能够以很小的系统开销显著的提高网格系 统的服务质量和服务能力。 基于q o s 的网格资源分配管理模型 通过分析基于q o s 的网格资源分配管理的内容，综合网格q o s 方面的研究 成果，参考o g s a 规范的要求，设计了一个基于q o s 的、支持资源动态预留的、 满足多q o s 测度约束的网格资源分配管理模型g r a m q o s 。该模型的目标是能 够通过资源的动态预留保证网格服务的质量并提高资源的利用率。 开放性网格仿真平台 通过分析网格仿真平台的需求，针对现有网格模拟工具的不足，设计了一个 满足多q o s 测度约束的、支持资源发现、资源预留、资源分配和资源调度以及 可根据需要由用户调整虚拟组织网格资源组成情况的开放性网格仿真平台，并在 现有仿真工具g r i d s i m 的基础上实现了网格仿真平台的系统环境部分和资源分 配模块的仿真。 1 4 研究方法和技术路线 网格q o s 与多媒体网络q o s 既有联系又有区别，网格q o s 可以认为是 在多媒体网络q o s 的基础上增加了动态虚拟和跨层抽象的特性。因此， 在网格q o s 的研究上，本文结合目前在多媒体网络q o s 和其他学者在网 格q o s 领域的研究成果并对其进行分析归纳