（计算机应用技术专业论文）面向自治计算的基于政策的多agent协同体系研究.pdf

浙江人学博 学位睑文 摘硬 摘要 目前，如何在分布、动态、共享的网络计算环境中，动态形成多体制的 虚拟组织；建立高效的协同体制以实现资源的共享以及协同问题求解；并且 使系统体制表现出自管理能力，是当前研究的热点。多a g e n t 系统j f 在崛起 成为人工智能研究实用化和分布式计算环境下软件智能化的重要技术，软付 a g e n t 作为具有语义互操作和合作行为协调能力的软件实体，不仅为实施紧 凑一致的协同j ：作提供有力的支持，也为建立面向分布计算的开放性、可熏 构和可伸缩的新型计算环境建立了基础。本文以软件a g e n t 充当自治计算元 素，建立以政策为导向的具有自主管理能力的多a g e n t 系统，提出了个厕 向自治计算的基于政策的多a g e n t 协同体系，实现嘲络计算环境下的资源共 享和协同 ：作。文章从协同体系的建立、维护、演化和应用实例叫个方面阐 述了协同体系的理论、原则和方法体系，其主要的研究内容和创新成果包括： 1 提出基于政策的多a g e n t 协同理论 革新传统a g e n t 的心理模型，使政策贯穿软件a g e n t 整个的行为决策过 程，作为软件a g e n t 理性思维的轴心，并避一步的驱动软件a g e n t 的行动。 并以此为基础，提出基于政策的多a g e n t 协作的逻辑模型，全面描述协作求 解的全过程，包括协作的建立和协作的维护两个阶段，成为基于政策多a g e n t 协作的理论基础。 2 给卜h 基于政策的多a g e n t 胁同体系结构，并定义相关的本体论表示 语言、政策的表示和配置语言 阐述了以a g e n t 为自治计算单元的，政策驱动型的分布式自主管理模式 为基础的，支持虚拟组织及成员协作关系的按需动态构建的多a g e n t 协同体 系结构。并且定义本体论表示语言，在描述逻辑和概念实例模式的基础上， 给出了政策表示与配置语言( p r a l ) ，成为多a g e n t 协作和语义互操作的肇 础。 3 建立了基于政策的多a g e n t 协同体系的运行机制 存协作建立阶段包括基于本体论的服务相容匹配机制和基于政策的 a g e n t 理性协商机制。其中，前者确定给定条件下的侯选a g e n t ，后者实现了 与侯选a g e n t 建立的协作关系的过程。在协作维护阶段建立在联合政策遵从 模型上的基于合同和政策的多a g e n t 的协作维护机制，维持协作联盟体系的 正常运行。 4 实现了个与e b x m l 无缝集成的实验平台 通过将e b x m l 规范纳入a g e n t s 组织和参入协同工作时遵从的本体论， 摘要 建立a g e n t 心理模型和e b x m l 防作过程说明划的映射关系，以及使a g e n t s 对咖作过程透明，构建一个与e b x m l 无缝集成多a g e n t 如作系统。并日通 过会议安排案例全面验证了基于政策多a g e n t 眺同体系的原理和运行机制。 j 传统的多a g e n t 系统相比，本文所描述的基于政策的多a g e n t 协同体系 表现 j 以下几个特点：( 1 ) 自管理特性，本协同体系在政策的控制与管理下 运行，能按照应用需求，自组织成协同i 。作的联盟并进行自我管理；( 2 ) 健 壮性，一旦多a g e n t 通过合同确市联盟体系后，奉协同体系能在政策和协商 合同的规范下，维持协同工作的联盟体系，并且自动处理各类的异常状况； ( 3 ) 开放性，与e b x m l 无缝集成可以与所有支持e b x m l 规范的系统进行 汾同工作，突显出本平台开放性特征，从而使本系统更具实用价值。 关键词 自治i i + 算，网格计算，政策，相容匹配，协商，多a g e n t 系统，e b x m l 浙江人学博士论文 a b s t r a c t n o w a d a y s h o wt o f o r mm u l t i i n s t i t u t i o n a lv i r t u a io r g a n i z a t i o n s e s t a b l i s h e f f i c i e n t c o o p e r a t i o ns y s t e mf o rr e s o u r c es h a r i n ga n dc o o p e r a t i v ep r o b l e m s o l v i n g a n dm a k et h e s e s y s t e m s h a v i n gs e l f - m a n a g e m e n tc a p a b i l i t y i n d i s t r i b u t e d ，d y n a m i ca n ds h a r e dn e t w o r kc o m p u t i n ge n v i r o n m e n t ，h a v i n gb e e n o n eo fh o tr e s e a r c ha r e a m u l t i - a g e n ts y s t e m sh a v eb e c o m ea ni m p o r t a n t t e c h n i q u eo fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea n di n t e l l i g e n t i z c ds o f t w a r e ，s o f t w a r ea g e n t ， w h i c hi s h a v i n gc a p a b i l i t yo fs e m a n t i c si n t e r - o p e r a t i o na n dc o o r d i n a t i o nf o r c o o p e r a t i o nb e h a v i o r , n o to n l yp r o v i d es t r o n g e rs u p p o r tf o rc o l l a b o r a t i v ew o r k ， b u ta l s oc r e a t et h ef o u n d a t i o no fo p e n ，f l e x i b l ea n ds e a l a b l en e wc o m p u t i n g e n v i r o n m e n t s o ，a l la u t o n o m i cc o m p u t i n go r i e n t e da n dp o l i c y b a s e d m u l t i a g e n tc o o p e r a t i o ns y s t e mi sp r e s e n t e di n t h i st h e s i s ，w h i c hu s e ss o f t w a r e a g e n ta sa u t o n o m i ce l e m e n t t h es y s t e mi sd r i v e nb yp o l i c ya n dc a r r i e do u t r e s o u r c es h a r i n ga n dc o l l a b o r a t i v ew o r ki nn e t w o r kc o m p u t i n ge n v i r o n m e n t r h et h e o r y ，p r i n c i p l ea n dm e t h o do ft h i s c o o p e r a t i o ns y s t e ma r ed i s c u s s e di n t o u ra s p e c t s ：e s t a b l i s h m e n t ，m a i n t e n a n c e ，e v o l v e m e n ta n da p p l i c a t i o nc a s eo f c o o p e r a t i o ns y s t e m t h em a i nc r e a t i v eo u t c o m e sa r ec o m p o s e do ff o l l o w s ： 1 ap o l i c y - b a s e dm u l t i a g e n tc o o p e r a t i o nl o g i cm o d e li sp r o p o s e d r e a r mt h em e n t a lm o d e lo ft h et r a d i t i o n a la g e n t ，m a k ep o l i c yb e c a m et h e c o r ep a r to fr a t i o n a lr e a s o n i n gp r o c e s so fs o f t w a r ea g e n t b a s e do ni t ，ap o l i c y b a s e dm u l t i a g e n tc o o p e r a t i o nl o g i cm o d e li sp r e s e n t ，w h i c hd e s c r i b e dt h ew h o l e c o o p e r a t i o np r o c e s s o f m u l t i a g e n t ，i n c l u d i n g t w o s t a g e s ：c o o p e r a t i o n e s t a b l i s h m e n ta n dc o o p e r a t i o nm a i n t e n a n c e t h i sm o d e lb e c a m et h et h e o r y f o u n d a t i o no fa g e n tc o o p e r a t i o nd i s c u s s e di nf o l l o w sp a r t s 2 t h ea r c h i t e c t u r eo fp o l i c y - b a s e dm u l t i a g e n tc o o p e r a t i o ni se x p l a i n e d o n t o l o g yb a s e dk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nl a n g u a g e ( o k r l ) a n d p o l i c yr e p r e s e n t a t i o na n da s s i g n m e n tl a n g u a g e ( p r a l ) a r ea l s o d e f i n e d t h i sm u l t i - a g e n tc o o p e r a t i o na r c h i t e c t u r ei sc o m p o s e do fs o f t w a r ea g e n t s b a s eo np o l i c y d r i v e nd i s t r i b u t e ds e l f m a n a g e m e n tp a t t e r na n ds u p p o r tv i r t u a l o r g a n i z a t i o n sa n d i t sm e m b e r s d y n a m i ct o e s t a b l i s hc o o p e r a t i o n s y s t e m o n 。d e m a n d b a s e do nd e s c r i p t i o nl o g i ca n dc o n c e p ti n s t a n c em o d e ，o n t o l o g y b a s e dk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nl a n g u a g e ( o k r l ) ，p o l i c yr e p r e s e n t a t i o na n d a s s i g n m e n tl a n g u a g e ( p r a i 。) a r ed e f i n e d ，w h i c hb e c a m et h ef o u n d a t i o n o f a g e n tc o o p e r a t i o na n ds e m a n t i ci n t e r o p e r a t i o n 3 t h e r u n n i n g m e c h a n i s mo f p o l i c y b a s e dm u l t i a g e n ts y s t e m i s e s t a b l j s h e d i n c o o p e r a t i o ne s t a b l i s h m e n ts t a g e ，o n t o l o g y b a s e ds e r v i c ec o m p a t i b l e m a t c h m a k i n gm e c h a n i s ma n dp o l i c y b a s e dr a t i o n a ln e g o t i a t i o nm e c h a n i s ma r e a p p l i e d a m o n gt h e m ，t h ef o r m e rs e l e c t e dt h ec a n d i d a t ea g e n t sa c c o r d i n gt o c o n d i t i o n sa n dt h el a t t e rr e a l i z e dt h ec o o p e r a t i o ne s t a b l i s h m e n tp r o c e s sw i t h c a n d i d a t e a g e n t s i nc o o p e r a t i o nm a i n t e n a n c es t a g e ，ac o n t r a c t b a s e d c o o p e r a t i o nc o o r d i n a t i o nm e c h a n i s mb a s e do nj o i n t - o b e y p o l i c ym o d ei s a p p l i e d ，w h i c hm a i n t a i nt h en o r m a ls t a t eo fm u l t i a g e n tc o o p e r a t i o nf e d e r a t i o n 4 t h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mi n t e g r a t i n gw i t he b x m li sr e a l i z a t e d b yb r i n ge b x m li n t oo n t o l o g yo b e y e db ya g e n to r g a n i z a t i o na n de s t a b l i s h m a pr e l a t i o nb e t w e e na g e n tm e n t a lm o d e la n de b x m lc o o p e r a t i o np r o c e s s s p e c i f i c a t i o n ，t h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mi n t e g r a t i n gw i t he b x m li sr e a l i z a t e d t h et h e o r ya n dr u nm e c h a n i s mo fp o l i c y - b a s e dm u l t i a g e n tc o o p e r a t i o ns y s t e m a r ev e r i f i e db yc a s eo fm e e t i n ga r r a n g e m e n t r u n n i n gi nt h i sp l a t f o r m c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a lm u l t i a g e n ts y s t e m ，p o l i c y b a s e dm u l t i a g e n t s y s t e md e s c r i b e di n t h i st h e s i sh a st h r e em e r i t s ：( 1 ) a d a p t a b l e ，a c c o r d i n gt o a p p l i c a t i o nd e m a n d ，t h es y s t e m c a nb e c a m e c o o p e r a t i o n f e d e r a t i o n a u t o m a t i c a l l y ；( 2 ) r o b u s t l no n c et h ec o o p e r a t i o nf e d e r a t i o ni se s t a b l i s h e d ，w i t h g u i d a n c eo fp o l i c ya n dc o n t r a c t ，t h es y s t e mc a nh a n d l i n gv a r i e t ye x c e p t i o n a u t o m a t i c a l l ya n dm a i n t a i nt h ec o o p e r a t i o nf e d e r a t i o no fc 0 1 l a b o r a t i o nw o r k ；f 3 ) o p e n l y ，i n t e g r a t ew i t he b x m ls p e c i f i c a t i o no ft h i ss y s t e mm a k e si tp o s s i b l et o c o o p e r a t ew i t ho t h e rs y s t e ms u p p o r t i n ge b x m ls p e c i f i c a t i o n ，w h i c hh i g h l i g h t s o p e n l yf e a t u r eo fs y s t e ma n dm a k e st h i ss y s t e mh a v ep r a c t i c a lv a l u e + k e y w o r d s a u t o n o m i c c o m p u t i n g ，g r i dc o m p u t i n g ，p o l i c y , c o m p a t i b l e m a t c h m a k i n g ，n e g o t i a t i o n ，c o o p e r a t i o n ，m u l t i - a g e n ts y s t e m ，e b x m l 渤江夫学博十学位论文 图表l 录 图表目录 11 开放的网格服务体系结构o g s a 12 未来的网格体系结构 】3 自治计算的体系结构和管理控制循环 14 多管理域i t 系统 15 白治元素的协同工作 1 6 a g e n t 联邦的构成和动态扩展 1 7 政策导向的软件a g e n t 臼主管理 1 8 管控a g e n t 建模和运作的体系结构图 1 9 论文组织结构 2 1l p 的语法 2 2l p 的形式化模型示意图 2 3l 。语法元素的形式化语义定义 2 4 基于政策a g e n t 的行为决策过程 2 5 基于政策a g e n t 的动作选择和实施算法 2 6 基丁政策的多a g e n t 协作过程 3 1 协同体系的功能结构图 3 2 政策驱动型a g e n t 的体系结构 3 _ 3 协同体系管理控制流程示意图 34 协同体系的技术层次示意图 3 5 概念的表示格式 3 6 概念的分类体系描述格式 3 7 概念属性的侧面定义的描述格式 3 8 服务领域接待本体论( 局部) 3 9 政策的定义 3 1 0 政策的配置 3 1la g e n t 协作与管理示意图 4 1 中介a g e n t 类型 4 2 服务寻求政策格式 4 3a g e n t 服务描述格式 4 4a g e n t 服务描述示意图 5l 服务提供合同的表示结构 5 2 面向协作建立的有限状态自动机 5 3 基于政策的协商推理体系结构 54 政策驱动的协商过程示意图 5 5 消费者合作建议建立政策 5 6 消费者协商启动政策一 i v i 0 l 】 1 4 1 5 1 6 ，2 0 2 5 2 6 2 7 2 9 3 1 3 5 。，4 8 4 9 5 l 5 2 5 3 5 4 一5 6 5 7 6 1 6 2 6 3 6 8 ，6 9 7 0 7 1 8 1 8 2 8 3 8 7 一8 9 9 0 黼劁剐蚓圈削剐图图图图图图图图图矧图图图图围图图图图图图图图图图幽蚓图斟 浙江大学博士学位沦殳 幽表f i 录 图5 7 接收到反建议时消费者再做反建议政策 圈6 1 协同体系异常的类型结构 图6 2 联合政策遵从模型示意图 图63 确定异常影响范闱算法 h6 4 通知规则示意图 图6 5 总体框图 图6 6 服务消费方监控和异常处理 蚓6 7 服务消费方消费者异常处理 【翎6 8 服务消费方提供者违规的处理流程 图69 处理对复合操作的影响 例6 1 0 服务双方异常处理交互过程 h61 1 监控a g e n t 查询政策 图61 2 消费方消费者异常处理政策 图6 1 3 处理列复合操作影响的政策 图7 1e b x m l 基本框架 图7 2 协作平台框架示意图 罔7 3 a g e n t 体系结构图 阁74 服务提供者的适用性检查 图7 5 约束条件自身的相容匹配检查示意图 图7 6 调度计划描述格式 图7 7 消息的格式 图7 ，8 a g e n t 通信的总体流程 图7 9 会议安排多a g e n t 协作联邦示意图 图7 1 0 会议安排协作过程示意图( 局部) 图7 1 l 基于政策的协作过程( 局部) m舶研mm mm川m m m m 陇 第1 章绪论 本章重点介绍课题提出的背景与研究意义、综述当前晌研究进展、以及我们 前期的相关研究、给m 本文的研究内容及组织。 1 1 课题提出与研究的意义 随着计算机技术的普及和互联网的迅猛发展，一方面，人们对信息系统的需 求电越来越旺盛，对系统功能和性能的要求也越来越高，现有的封闭、荦一功能 的信息系统越来越难以满足用户的需求。然而由于w e b 服务技术、分布式汁算 技术、集群技术、海量数据处理技术等的迅猛发展，使建立一种新的信息基础设 施的条件在逐步成熟，网格计算 1 2 】就在这种背景下出现并发展起来。它目的 是把互联网整合为一台巨大的超级计算机，将网络上的各种资源组织在个统一。 的大框架下，实现汁算资源、存储资源、信息资源、知识资源等的全面共享，消 除信息孤岛和资源孤岛，使整个互联网上资源的互通、互连和相互利用，以满足 人们对资源和信息越来越高的需求。 另一方面，由于信息系统规模越来越大，结构越来越复杂，管理也越来越困 难。这种复杂性的增长正在超越人管理能力的极限。众多动态形成的多体制v o 及其协作过程，更加大幅度的加剧了人工部署、管理和维护网络计算环境( 箍础 没施) 和应用系统f ；l 勺复杂性。自治计算 3 1 在这种背景下出现并发展起来。它的 宗旨在于由自治计算元素作为基本单元来构建网络基础结构( 及设施) 和应用系 统。自治元素以对人透明的方式封装复杂的管理活动，并能依据人类管理者给出 的高级目标管理自己，以便将人类管理者从| 办调和控制计算元素及其瓦操作的绌 诲中解脱出来，人只需对计算系统的行为作宏观调控，人机协作将变得更加自然、 亲和及便捷。 从以上可以看出，边是为了满足人们日益对信息系统的需求，规模和结构 越来越庞大的信息系统不断出现，以至于整合整个互联网资源的新的信息基硎：设 施一网格计算的出现；另一边为了使这样庞大的系统具有可管理性，以自主管理 为主要特征的自治计算出现了。那么构建怎样一个协同体系既能完成在动态、异 构虚拟组织间实现协同的资源共享以及协同问题求解的目标，又具有相当的自治 性并表现出自主管理的能力? 我们的研究就在这样一个问题下，提出和开展起 ：采。 现有的网格计算技术和自治计算技术不能通过简单的组合就能实现上述目 标。首先，网格基础设施主要在底层为网格服务制定了一系列的规范包括交互咖 议、接n 规范、服务规范，生命周期管理、调用规范等等以支持服务蘸力的整合 和利用，它一股h 能按预定的需求静态的构建支持虚拟组织的应用系统，缺乏对 异质网格服务的组织、协调和管理手段。需要在网格服务的i ：层建矗一个柔性、 易管理的中间e l 层，通过它对下层完成对各类网格服务的描述、存储、调度羽1 绢纵 等管理任务，对上层接受需求的定制，和管理政策的指导等，在较高的抽象层次 j 一完成刈网格服务管理。其次，虽然自治系统的研究早就存径，并积累了一定的 卵论和技术，但面临网络( 和网格) 计算环境的大规模和异构性、体系结构和史 撑软件的复杂性，以及分布的计算元素间连接、交互和依赖关系的复杂性及动念 性，目前尚缺乏成熟的理论、体系结构和支撑技术，必须开发全新的理论、概念 和方法论，才能实现在网格计算之上的自治计算。 我们认为，软件a g e n t 和m u l t i a g e n t 技术是沟通网格计算和自治计算的最佳 选择，是跨接在网格计算和自治计算之间的桥梁。因为，第一：软件a g e n t s 具有 的自治性、反应性、合作性和主动性等特征，是具有语义互操作和合作行为协调 能力的软件实体，它表现出对自身行为的控制和协调能力以及对环境的适应能力 使它成为自治系统中自治元素的最佳候选者；第二二，由软件a g e n t s 构成的多a g e n t 系统正在崛起成为人工智能研究实用化和分布式计算环境下软件智能化的重要 技术，它不仅为实施紧凑“致的协同：【：作提供有力的支持，也为建立面向分布计 算的开放性、可重构和可伸缩的新型计算环境建立了基础，从而为实现基j 二a g e n t 的嘲格汁算提供n 能。本文提出的面向自治计算的基于政策的多a g e n t 咖同体系， 拟以a g e n t s 作为人或组织的代理，引入基于政策的管理机制，在网络上自主提供、 寻求e - 月鼹务( 将所有形式的硬、软计算资源的提供都视为e 服务) 和开展协作活 动，并由此屏蔽管理e 服务的复杂性；同时用嵌套的a g e n t 联邦则构成可动态伸 缩的自治计算系统，去支持虚拟组织中的资源共享和协同问题求解。这样一个以 软件a g e n t s 为基础的，基于政策的多a g e n t 协同体系不仅实现网格计算关于虚拟 组织问资源共享和协同问题求解的功能而且同时表现出自治计算中自主管理的 特征。 该协同体系，是建立在网格计算技术之上，能实现网格计算的功能并表现出 自治计算特征的协同体系，它以软件a g e n t 作为自治元素，来建立架构于网格计 算之上的自治计算系统。总之，要实现本文提出的面向自治计算基于政策的多 a g e n t 协同体系，需要解决以下几个问题： 第，需要建立面向自治计算的基于政策的多a g e n t 协作的理论，包括政策 指导下的软件a g e n t 的思维模型及其推理和决策过程、以及在此基础上的多a g e n t 胁同工作的形式化框架。 第二，需要建立以软件a g e n t 作为自治元素，架构于网格计算之上的自治计 算系统的体系结构，阐明以政策为核心的分布式自主管理框架及其结构特征。 2 第i ，需要解决协同体系共享信息的语义建模的问题，使体系具有语义清晰 的交流环境，包括共享本体论的表示以及政策语言的表示等。 第叫，需要给出面向自治计算的基于政策的多a g e n t 协同体系的运行机理， 喇述其运行的方式。包括体系联盟的建立机制、服务i 办商与调度机制、体系联盟 的监控和维持机制等。 换句话说，就是要建立一整套关于面向自治计算的基于政策的多a g e n t 协同 体系的理沦、体系结构和运行机制的理论、原则和方法的集合。实现这样一个体 系将使我们建立联接网格计算和自治计算之间的纽带，在嘲格计算层建立一个多 a g e n t 的协作层，利用软件a g e n t 的人工智能技术更高效和智能化的组织、调度、 管理网格服务、w e b 服务和其它组件服务，随需应变的建立多a g e n t 的联邦体 系，实现虚拟组织间的应用系统的动态适应和服务的重用。同时，这样一个多 a g e n t 的协作层引入基于政策的自主管理机制，通过支持a g e n t s 动态建立协作计 划和按协作计划提供服务的a g e n t s 动态结成联邦实现协同体系的自组织能力；通 过软件a g e n t 间基于多层次( 评价、战略和战术) 推理的理性协商机制实现协同 体系的自优化的功能；通过基于契约的联合政策遵从( 监控) 模型、异常事件分 类模型和修复策略实现协同体系的自修复功能；通过基于安全政策和动态信任域 的柔性的细粒度群组授权模型去精确控制不同类型( 角色) 用户对于服务的取用 权限实现协同体系的自保护的功能，即而实现协同体系的自主管理的功能。从而 最终提供给用户一个既能完成在动态、异构虚拟组织间实现协同的资源共享以及 协同问题求解的目标，又具有相当的自治性并能实现自主管理的能力应用系统平 台，满足用户剥系统功能和易管理性的双重要求。 1 2 研究的现状 为满足用户对信息系统的功能、性能以及管理性越来越高的要求，网格计算 研究、自治计算研究和软件a g e n t 以及多a g e n t 系统研究从各自刁i 同角度为满足 用户的需求给出了不同的解决方案和方法体系。网格计算技术聚焦于通过开放式 标准踟议和框架来综合集成支持网上服务的网络资源，以实现资源的共享和协同 工作；自治计算技术则旨在通过系统的自主管理模式消解人工管理越趋复杂的网 络计算所面临的困境，以实现管理的自动化；软件a g e n t 以及多a g e n t 系统以其 固有的自动化和智能化特征，去有效和高效地组织、协调、控制体系的运作。卜 文综述这三类研究，并给出我们前期的相关研究。 1 - 2 1 网格计算 捌格计算( g r i dc o m p u t i n g ) 技术尚处于动态发展的过程中，还未形成一个 普遍接收的定义。引用网格计算研究先驱者i f o s t e r 的观点，可以将网格讣算视 为通过开放式标准协议利框架来综合集成网络计算资源的一利，机制，用于实现动 态、多机构虚拟组织中协调的资源共享和问题求解【1 ，2 】。网格计算与常规网络计 算的主要区别在于；网络计算仅简单地支持通信和信息交换，而网格计算则提供 了集成机制去支持分布的异构资源的协调应用，而且将可共享的资源扩展到计算 机硬件、软件、数据和其它资源。 网格计算的研究呵以追溯到分布式高性能计算的研究，从早期的而向同构处 理器i 【f 勺并行计算，到基于异构处理环境的异构计算 4 1 和集成分布和并行计算的 元计算 5 。这些研究的共同目标都是提供超大规模计算能力去支持计算量巨大 的复杂科学计算。网格计算研究的初期注重研制所谓的计算网格f 6 】，旨在聚集 删格上分布的各种计算资源形成内部结构和运作机制对用户透明的虚拟超级计 算环境。以后又扩展到建立数据网格【7 ，用于实现和提供对于跨组织( 企事业) 数据的协作访问能力。近年来，随着语义w e b 技术和w e b 服务观念的兴起，网 格计算技术面临着商业应用的机遇和挑战。尤其是虚拟组织v o ( 其将作为网格 计算技术的重点应用形式) 对于协调、控制资源共享和协同问题求解的需求，正 在促使网格技术聚焦的集成机制从面向资源转变为面向服务；网格技术的研究目 标也从给科学活动提供超强计算能力，扩展到支持任何个体用户或组织便挺地提 供和获取网格使能的服务，以参与和开展期望的任何规模的协同工作。实际上， 面向服务和支持v o 的网格技术也给科学活动提供了更强大的服务( 资源) 共享 和协同问题求解环境。 1 2 1 1 开放的网格服务体系结构 如何集成分布于网络的异构计算资源去支持v o 的动态形成和协调运作，是 网格计算技术面临的最大挑战。解决该挑战性问题的关键在于提供开放的规范去 实现跨平台和跨管理域的异构资源的集成。2 0 0 2 年由全球网格论坛( g g f ) 提 出的，_ | 二放的网格服务体系结构o o 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 ) ，其作为 网格计算体系结构的开放性实现规范 2 ，己得到网格计算领域的广泛认同和支 持。 如图1 1 所示，0 g s a 分为四个主要层次，从下到上各层的涵义如f ： 物理和逻辑资源层。该层是网格计算的中心部分，其中物理资源是构成嘲格 能力的资源，包括服务器、存储器和网络。逻辑资源位于物理资源之上，它们通 过虚拟化和聚合物理层的资源来提供额外的功能。比如文件系统、数据库管理系 统、臼录和工作流管理系统，在物理网格之上提供这些抽象服务。 w e b 服务层。o g s a 的重要原则是将所有网格资源( 包括逻辑的与物理的) 都建模成为服务。这种服务是由o g s i ( o p e ng r i ds e r v i c e si n f r a s t r u c t u r e ，开放网 格服务基础设施) 完成的，o g s i 利用x m l 与w e b 服务描述语言( w e bs e r v i c e s d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，w s d l ) 服务机制，为所有的网格资源指定了标准的接l _ j 、 行为与交互方法。o g s i 通过定义服务的发现、生命周期管理、状态管理、服务 组、工，、通知和服务旬柄等服务进一步扩展了w e b 服务的定义，提供了动态 的、有状态的和可管理的w e b 服务能力。 基于o g s a 架构的网格服务层。它包括四种类别的服务：网格核心服务、 网格程序执行服务、网格数据服务、特定于领域的服务。w e b 服务层及其o g s i 扩展为基于o g s a 架构的网格服务提供了基础设旋。g g f 目前正在致力于在诸 如程序执行、数据服务和核心服务等领域中定义基于网格架构的服务。随着这些 新架构服务的出现，o g s a 将变成更加有用的面向服务的架构( s o a ) 。 网格应用程序层。随着时间的推移，将会开发出一组丰富的基于网格架构的 服务，也将会出现使用一个或多个基于网格架构的服务的新网格应用程序。 1 。一 一 一 网络应用程序 i ，一。一 基于o g s a 架构的服务 特定f 领域的服务特定于领域的服务特定丁领域的服务 瞬格程j f 执行服务网格数据服务 眄格核心服务 服务曾理 f l 服务通信 i 策略管理 f f 盘辛 匿匿匿匮夏夏 图11 开放的网格服务体系结构o g s a o g s a 从一诞生就得到学术界和商业界的广泛支持，已成为网格计算标准化 进程的里程碑。由于o g s a 强调互操作协泌体系的平台独立性，并以所谓的网 格服务( g r i ds e r v i c e ) 来虚拟化计算资源的共享和协同工作，可以有效屏蔽资源 操作平台的异构性和技术实现细节，有利于各种硬、软计算部件通过中问件技术 ( c o r b a 、j 2 e e 、n e t 等) 高效地集成和融合进网格计算基础设旋和应用系统。 为在动态、多机构虚拟组织中| 办调的资源共享和问题求解提供了应用开发框架。 1 2 1 2 网格计算技术的新进展 通过应用面l 甸服务的策略，基于o g s a 的网格计算技术已经将异构的计算 _川川川引u 绪论 资源封装为同构的规范形式的网格服务，并提供了相应的基础设施去支持网格服 务的远程凋用和运行时管理。然而。对于服务的选用、汇聚和协同工作，并未提 d i 快捷、易用利自动的支持，所以现行的计算，、数据和信息网格仍然依赖应用程 序的静态设置或人j 二干预，不足以支持v o 的动态建立 8 】。为此，需要扩展现 囱的嘲格计算基础设施，使得v o 中服务的选用、汇聚和协同工作能以高度易用、 灵活、无缝和自动的方式进行。如图】，2 所示，未来的网格计算技术沿着语义网 格一知识网格一a g e n t 网格的方向发展进化。 ag e n t - p 舟柏应翔般务 9 = _ | 识礁艇发觇服务 墓蠡 琏】木怫和j i 数撂的计尊、数据和信息服务 喜 计算、数据和信息胍务 喜 嘲格计算旗础1 艘谁 语义刚格 图12 未来的网格体系结构 通过建立描述资源的元数据和定义元数据语义的共享本体论，语义w e b 技 术可以清晰地描述网格服务的需求、适用性和服务共享上下文的语义，由于服务 及其交互的信息都给予良好定义的语义，从而有效支持网格服务的共享和协同工 作，并促使现行网格提升为语义网格。语义网格的研究尚处于初级阶段，面临许 多研究挑战 9 ，例如自动的v o 形成和管理问题、元数据和注释问题、设计和 部署问题等。国内由诸葛海领导的语义网格9 7 3 计划项目，已经开始并取得了一 定的研究成果。 语义网格给计算、数据和信息服务( 及其资源) 提供的语义清晰的捕述，可 以有效支持分布的知识及其发现服务，以及a g e n t 中介的应用服务，进而导致知 识网格和a g e n t 网格的建立。 知识网格提供知识服务和知识发现服务。前者旨在按用户的需求提供适用的 知识或包含适用知识的信息和计算资源，去支持创新工作、协同工作、问题求解 和决策制定；后者则支持从数据选择、集成、挖掘，至i 解释和评价的知识发现全 过程。c a n n a t a r o 和t a l i a 提出并实现了个支持分布式知识发现的知识网格体系 结构 1l ，1 2 。现有的知识管理技术 1 2 ，1 3 ，1 4 ，1 5 已经给知识服务的实现提供了 较好的支持，但需要进一步的研究工作去实现与语义网格技术的无缝融合。 随着网格计算技术尤其是语义网格和知识网格技术的快速发展，将会有与订 俱增的面向计算、数据、信息和知识的网格服务出现，并导致大量动态形成的跨 平台、多机构虚拟组织( v o ) 的涌现。面临可用性、质量和价格差异很大的众 多可选网格服务，v o 需要自动化和智能化程度更高的方法和技术去有效和高效 地组织、协调、控制资源的共享和协同问题求解，使得a g e n t 中介的网格计算技 术成为研究和开发的新焦点 1 6 ，并导致语义网格( 和知识网格) 最终进化为a g e n t 网格。隶属于美国d a r p a 的a b c ( a g e n tb a s e dc o m p u t i n g 1 7 ) 研究计划中 c o a b s ( c o n t r o lo f a g e n tb a s e ds y s t e m s ) 项目【1 7 】实现了一个a g e n t 网格，己成为 用多a g e n t 系统封装和集成分布的异构计算资源的基础设施。 1 2 1 3 主要的网格计算项目 从1 9 9 5 年提出网格计算概念以来，仪仅经历了1 0 年的研究和开发，网格计 算在开发新一代网络计算技术中的重要地位就已为世界各国政府和科研机构充 分认识。政府和学术界的高度重视和大力支持，使得网格计算技术在进入新千年 后就进入高速发展阶段。尤其是2 0 0 2 年以来，出现了大量网格计算的研究和开 发组织，应用项目也从面向科学计算扩展到工业和商