（电路与系统专业论文）网格环境下资源管理关键技术的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

北京邮电大学博士论文 摘要 摘要 随着计算机性能的不断提高和网络通讯技术的迅猛发展，应用需求日益朝着高 性能、大规模、多样性、多功能的方向发展，要求将地理上分布的、异构的各种高 性能计算资源、存储资源、数据资源和其它特殊资源通过高速网络连接起来，实现 高性能联合计算，共同完成重大应用问题，即广域高性能的元计算技术【1 1 ，也称为 网格计算技术1 2 】【3 】【4 1 。不同于一般传统的分布式计算，网格计算着重于大规模的资源 共享、创新应用，并在一定情况下定位于高性能计算，已经成为一个重要领域。在 网格计算环境中，资源是分散在各个不同地域和管理域中，由不同的组织拥有和操 作，并且在使用策略和安全机制上各不相同，即不同站点可能会使用不同的局部资 源管理系统。同时，很多应用需要同时使用多个站点上的资源，站点自治性和分配 资源时可能出现的故障需要一种特殊机制来同时分配位于多个站点上的姿源。因 此，如何对网格计算环境中的资源进行管理是实现高性能联合计算，共同完成重大 应用问题的关键。 资源管理是网格计算的核心问题，它包括资源的组织、定位、发现、调度、分 配、确认、进程创建以及准备所需资源的其它活动。资源管理提供了管理的功能和 概念，使集群能够被当作单一资源，系统管理员根据预先定义好的标准通过资源管 理软件确保资源的合理分配和使用，以最终达到资源共享的目的。从为用户提供方 便、高效的服务的角度来看，它与传统的分布式计算环境或集群计算环境下的资源 管理系统类似，具备以下三种功能：作业管理、任务调度和资源管理，即用户通过 作业管理功能向网格系统提交作业，为作业指定所需资源，删除作业并监测作业的 运行状态；用户提交的作业由任务调度功能按照作业包含的各个任务的类型、所需 资源、可用资源等情况安排运行日程和策略；资源管理功能确定并监测网格资源状 况，收集作业运行时资源占用情况等信息。然而，由于网格系统的分稚性、异构性 和动态性，使得网格资源管理比分布式计算环境或集群计算环境下的资源管理更加 复杂，不仅要支持跨组织或管理域的任务调度，实时监控资源和作业执行的状态， 而且要维护局部的站点自治，提供相应的q o s 支持。因此需要建立适应于网格这种 复杂环境的特殊的资源管理系统模型，研究其特征及功能，为具体实现网格资源管 理系统提供必要的指导，从而满足网格系统的用户服务需求和为网格系统其它服务 组件提供支持。 由此可见，在资源管理中，面临的有唯一验证、授权、资源访问、资源发现以 及资源调度等挑战。网格中常用的资源包括：处理能力、存储系统、目录、网格资 源、分布式文件系统、分布式计算机池、计算机集群等。由于网格在逻辑上连接了 属于不同的所有者或组织的多重资源，因而好的资源管理系统在最终网格是否成功 j ! 室业皇查堂堕土笙兰 塑矍 上起着重要的作用。但由于缺乏统一的网格资源管理标准，统一的管理协议和原语 的对外接口，网格研究仍处于实验阶段，在实现网格资源节点关键功能单元上仍面 临着许多困难，尤其是在支持q o s 和大规模分布式资源查找方面。为赶上国外的研 究步伐，弥补我国在该研究领域的不足，拉近我国与国际水平间的差距，开展网格 资源管理及其关键技术的研究己迫在眉睫。本论文旨在对网格资源管理中主要的功 能进行前瞻性、探索性的研究，希望能对网格计算的研究工作起到积极有益的指导 和推动作用。 本论文从理论与实践的结合上，综合论述及分析了国内外网格计算资源管理与 调度的发展状况及其技术特征，指出了相关研究工作的局限性。将交叉学科的方法 引入本研究中，对网格计算资源管理与调度的若干关键问题进行了研究与探索，试 图为网格计算资源管理与调度系统的设计提供一种新的思路和途径。其主要研究工 作及贡献可体现在以下几个方面： l 、针对网格计算资源管理与调度的特性，将市场经济学模型与网格计算资源 管理与调度问题结合起来，基于市场经济模型将经济的概念引入网格资源管理中， 既利用了层次模型中相对成熟的技术又明确强调了以市场竞争为基础的资源管理和 分配，在市场经济环境中，资源消费者希望最小化费用，而资源所有者希望最大化 投资回报。在对已有的基于市场经济的网格资源管理模型作出了一些改进的同时， 突出了价格机制在市场中的作用，提出了一种基于市场机制的网格资源分配方法： 以均衡理论和第二价格竞拍机制为基础，依靠市场机制，实现计算网格资源的优化 分配。首先描述了基于市场的资源分配框架，它包括3 个层次：资源层、市场层和 消费者层：同时采用第二价格竟拍规则作为资源分配策略，满足了网格对分配系统 可扩展性和全局最优调度的需求。与g l o b u s ，l e g i o n ，w e b f l o w 等计算网格系统中 使用的资源分配技术相比，基于市场价格竞拍机制的资源管理模型具有如下的优点： ( 1 ) 资源分配分层实施，降低了资源分配的执行开销，从而提高了系统的适应 性、可延展性( e x t e n s i b i l i t y ) 和可扩展性( s c a l a b i l i t y ) ； ( 2 ) 以经济学中的一般均衡理论为理论基础，遵循第二价格竞拍原理，证明了均 衡状态是兼顾效率和公平的资源分配最佳境界，可以使实际的资源分配结果逼近均 衡状态，从而使资源分配达到最优； ( 3 ) 通讯时间及费用少，竞拍效率高。 2 、网格环境中使用经济学原理进行资源管理和调度是网格从理论研究向实际应 用所必须跨越的一步。在计算经济模式下，为调节网格资源供需分配提出了一个基 于用户服务需求的计算经济框架。这个框架通过经济学驱动截止期和预算约束根据 用户的需求，分配资源到应用任务。提出了一种基于计算经济的网格资源动态调度 算法，主要针对网格资源由于计算能力不同而花费代价不同而提出，利用启发式搜 j ! 塞墅皇奎兰垫主丝茎 塑茎 索技术，综合考虑了任务的截止期、预算约束、最早可能执行时间等不同因素，通 过一个新的资源分配策略实现了时问一代价的最优化，提高了资源调度的成功率。 3 、针对网格资源动态、分布和异构的特点，需要有一种不依赖集中控制、分 布式、可扩展、能适应资源动态变化并且定位性能好的资源查找算法。研究提出了 小世界聚类的网格资源查找算法( s w c ) 算法。将网格空间分为多个簇，按照节点 的聚类度确定聚类中心，采用聚类中心优先的分级扩散方法从全局角度对网格资源 进行搜索。为了提高算法的可扩展性，在路由表中随机插入连接远距离节点的快捷 连接。仿真测试表明：s w c 算法具有良好的搜索能力、可扩展性。未来的研究根据 节点和服务分布的均匀和非平衡分布性，动态性以及网格拓扑结构等条件，测试和分 析其对节点聚类度的影响。同时利用资源的q o s 进一步对网格进行聚类，增加聚类 度，进一步减小平均路径长度，提高搜索效率。 4 、随着网格业务的广泛扩展，服务质量( q o s ) 将变成衡量网格是否成功的重 要因素，如何从企业系统、服务提供者系统和用户系统上获取资源，如何能及时有 效地响应用户请求，如何能实时地获得服务实例运行状态以及如何能保证用户应用 的服务质量，并进行动态组合的服务质量保障成了本质问题，网格服务的功能与性 能评价将不只是采用传统计算机的评价标准( 如速度、加速比、性价比等) ，而以 用户满意度为目标，用服务质量来衡量。本论文从资源预留、接纳控制以及q o s 调 整等几方面进行系统的性能分析和理论研究。首先推导相应的q o s 算法，进而得出 相应的q o s 的理论模型。再通过迭代方法反复论证任务的优先级、网络带宽、资源 的使用寿命、服务水平( s l a ) 等关键参数对q o s 性能的影响，提出基于熵的网格资 源q o s 优化策略，引入了网格服务的q o s 量化的概念，提出了衡量网格资源服务q o s 稳定性的新尺度熵，并利用熵来选择q o s 稳定性好的资源，提高了资源的可靠性 和准确性。最后得出q o s 的优化参数，通过实验证明该优化算法可为网格资源的q o s 保证提供可行的、有效的途径。 本论文在最后部分给出了结论并指出网格资源管理需要进一步研究的方向。 关键词网格计算，网格资源管理，资源调度，市场经济、第二价格竞拍、小 世界，资源查找，服务质量( q o s ) ，资源预留，熵 北京邮电大学博士论文摘要 a b s t r a c t a d v a n c e si nn e t w o r k i n gt e c h n 0 1 0 9 ya n dc o m p u t a t i o n a li n f r a s t r u c t u r e m a k ei tp o s s i b l et oc o n s t r u c t1 a r g e s c a l eh i g h p e r f o r i i l a n c ed i s t r i b u t e d c o m p u t i n ge n v i r o n m e n t s ， i no r d e rt om e e tt h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n to n c o m p u t a t i o n a lp o w e r m e t a c o m p u t i n g 【1 li saw i d ea r e ah i g h p e r f o r m a n c e t e c h n o l o g yt h a ts h a r ec o m p u t a t i o nr e s o u r c e ，m e m o r yr e s o u r c e ， d a t a resourcea n do t h e rr e s o u r c ef o ri m p l e e n t i n gh i g h p e r f o r m a n c ec o m p u t i n g a n da c h i e v e i n gi m p o r t a n ta p p l i c a t i o n s om e t a c o m p u t i n gt e c h n o l o g yi s n 硼e do fg r i dc o m p u t i n gt e c h n 0 1 0 9 y 【2 】【3 】【4 】 d i f f e r e n c ef r o ms o m ec o m m o nd i s t r i b u t i o nc o m p u t i n g ， g r i dc o m p u t i n g e m p h a s i z e sl a r g e s c a l er e s o u r c e s h a r e ，i n n o v a t i n ga p p l i c a t i o na n dh i g h p e r f o r m a n c ec o m p u t i n g i ng r i dc o m p u t i n ge n v i r o n m e n t ， r e s o u r c ei si nt h e d i f f e r e n ta r e aa n dm a n a g e m e n tf r e l d s ，a n di t i sp o s s e s s e da n do p e r a t e d b yd i f f e r e n to w n e r sa n do r g a n a t i o n s f u r t h e rm o r et h eresourcei s d i f f e r e n ti nu s i n gs t r a t e g ya n ds e c u r i t ym e c h a n i s m ，s oe v e r yn o d ec o u l d u s ei t so w nl i c a lr e s o u r c em a n a g e n m e n ts y s t e m a tt h es a m et i m e ，a1 a r g e n a m b e ro fa p p l i c a t i o n sr e q u i r eu s er e s o u r c ei nm u l t i n o d e s ，n o d e a u t o n o 田ya n ds o m em a l f u n c t i o nn e e das p e c i a lm e c h a n i s mt od i s t r i b u t e t h a tr e s o u r c ei nm u l t i n o d e s t h e r e f o r e ， i ti st h ek e yo fr e a l i z i n g h i g h p e r f o r m a n c ec o n p u t i n ga n da c h i e v i n ga p p l i c a t i o nh o wt om a n a g et h e r e s o u r c eo fg r i dc o n p u t i n ge n v i r o n m e n t r e s o u r c em a n a g e m e n ti st h ek e yo fg r i dc o m p u t i n g ，i ti n c l u d e s ： resourceo r g a n i z i n g ， r e s o u r c e1 0 c a t i n g ， r e s o u r c es e a r c h ， r e s o u r c e s c h e d u l i n g ， r e s o u r c ed i s t r i b u t i n g ，r e s o u r c ea c k n o w l e d g e m e n t ，p r o c e s s s e t t i n gu pa n do t h e ra c t i v i t y i t i sw e l l k n o w n ，s i m i l a rt ot r a d i t i o n a l d i s t r i b u t e dc o m p u t i n ge n v i r o n m e n ta n dc l u s t e re n v i r o n m e n t ，r e s o u r c e m a n a g e m e n ti n c l u d e st h r e ef u n c t i o n s ：j o bm a n a g e m e n t ， t a s ks c h e d u li n ga n d r e s o u r c em a n a g e m e n t t h ej o bm a n a g e m e n ti su s e dt os u b m i tj o bt og r i d s y s t e mf o ru s e r s ，a s s i g nr e s o u r c ef o rj o b ， c a n c e lj o ba n dm o n jt o rt h e j o b s r u n n i n gs t a t u s t h et a s ks c h e d u l i n ga r r a n g ea n ds c h e d u l ej o b s t h a tu s e rs u b m it a c c o r d i n gt oj o bc l a s s e s ， resourcer e q u i r e m e n t ，a n d r e s o u r c ea v a i l a b i l i t y t h er e s o u r c em a n a g e m e n tc o n f i r ma n dm o n i t o rg r i d r e s o u r c eu s i n gs t a t u s ，a n dc 0 1 l e c ts o m ei n f o r m a t i o no fb u s y i n gresource v 北京邮电大学博士论文 摘要 d u r i n gj o br u n n i n g h o w e v e r ， d u et ot h ed y n 锄i c ，h e t e r o g e n e o u sa n da u t o n o m o u s c h a r a c t e r i s t i c so fr e s o u r c e si nt h eg r i ds y s t e m ， r e s o u r c em a n a g e m e n ti ng r i d e n v i r o n m e n ti sm o r ec o m p l e xt h a n t h a ti nd i s t r i b u t e dc o m p u t i n g e n v j r o n m e n ta n dc l u s t e re n v i r o n m e n t r e s o u r c em a n a g e m e n ti ng r i d e n v i r o n m e n tn o to n l ys u p p o r tt ot a s ks c h e d u l i n go fi n t e r o r g a n i z a t i o no r m a n a g i n gf i e l d ， m o n i t o rr e a l t i m e l yt h ew o r ks t a t u so fr e s o u r c ea n dj o b ， b u ta l s om a i n t e n a n c e1 0 c a ls t a t ea u t o n o m y ， p r o v i d er e l e v a n tq o sg u a r a n t e e t h e r ef o r ew en e e df o u n dar e s o u r c em a n a g e m e n ts y s t e ma r c h i t e c t u r et h a t c a na d a p tt h ec o r n p l e xg r i de n v i r o n m e n t ，a n dr e s e a r c hi t sf e a t u r ea n d f u n c t i o nf o rg u i d i n gs o m ei n s t a n c e ，m a k i n gu s e rr e q u i r e m e n tb ef u l f i l l e d a n do t h e rg r i dc o m p o n e n tb es u p p o r t e d t h e r e f o r e ， i nt h eg r i dr e s o u r c ei i l a n a g e m e n t ， w ec o n f r o n ts o m e c h a l l e n g e ： u n i q u e a u t h e n t i c a t e ，a u t h o r i z a t i o n ， r e s o u r c e a c c e s s i n g ， resource s e a r c h i n ga n dr e s o u r c es c h e d u l i n g g r i dr e s o u r c ei n c l u d e s ： p r o c e s s i n g c a p a c i t y ，m e m o r ys y s t e m ， d i r e c t o r y ， n e t w o r kr e s o u r c e ， d f s ， d i s t r i b u t e d c o m p u t i n g p o o la n dc o m p u t e rc l u s t e r sa n ds oo n d u et ot h ep r o p r i e t o r s a n do r g a n i z a t i o n sa r ed i f f e r e n t ，r e s o u r c e m a n a g e m e n t i st h et i i o s t i m p o r t a n tf a c t f o rg r i ds u c c e e d b u tb e c a u s eo fn ou n i f o r ms t a n d a r d ， p r o t o c o l a n d p r i m i t i v e i n t e r f a c e ， t h er e s e a r c ho f g r i d resource m a n a g e m e n t i ss t i l li n e x p e r i m e n tp h a s e ， a n dt h e r ea r ea1 0 to f d i f f i c u l t yi ni m p l e m e n t i n gs o m ek e yf u n c t i o n so fg r i dr e s o u r c en o d e ， m o s to fa llq o sg u a r a n t e ea n dl a r g e s c a l er e s o u r c es e a r c h i n g t h e o b j e c t i v eo ft h er e s e a r c hi s s u ei st oe x p l o r ea n ds o l v ek e yp r o b l e m so f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yf o rs p e c i f i c a t i o n ， o r g a n i z 8 t i o n ，m a n a g e m e n ta n d s c h e d u l eo ft h eg r i dr e s o u r c e s ，a n dw ee x p e c tt h e r ea r es o m ea g g r e s s i v e a n du s e f u ls u g g e s t sa n dp r o m o t i o nf o rg r i dr e s o u r c er e s e a r c h c o m b i n i n gt h e o r y w i t hp r a c t i c e ，t h et h e s i sa n a l y z e st h er e c e n t d e v e l o p i n gs t a t u sa n dt e c h n 0 1 0 9 yf e a t u r e ， a n dp o i n to u tt h e i rl i i t a t i o n w ei n d u c ts o m e i n t e r d i s c i p li n a r y r e s e a r c hm e t h o d ，s t u d i e st h e k e y t e c h n o l o g i e so fg r i d r e s o u r c em a n a g e m e n ta n ds c h e d u l e t h em a j o r r e s e a r c hw o r ka n dc o n t r i b u t i o n si nt h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf 0 1 1 0 w s 1 f o rt h ef e a t u r eo fg r i dc o m p u t i n gr e s o u r c em a n a g e m e n t ，w ec o m b i n e g r i dr e s o u r c e1 1 1 a n a g e m e n tw i t hm a r k e te c o n o m i c s ，a n di n d u c et h ee c o n o m i c s c o n c e p ti ng r idr e s o u r c e t h et h e o r yu s e sh i e r a r c h i c a lm o d e la n dm a r k e t - v l 北京邮电大学博士论文 摘要 c o m p e t i t i o nm e c h a n i s m am a r k e tb a s e da p p r o a c hi sp r e s e n t e dt oa 1 1 0 c a t e g r i dr e s o u r c e s ， w h i c hi sb a s e do n e q u i l i b r i u mt h e o r ya n ds e c o n dp r i c e a u c t i o nw h i c hr e a l i z e st h eo p t i m a la l l o c a t i o no fg r i dr e s o u r c e sb yt h e m a r k e ti i l e c h a n i s m f i r s t l y ， t h e a g e n t b a s e df r a m e w o r ko fr e s o u r c e s a l l o c a t i o ni sd e s c r i b e d ， w h i c hc a nb ed i v i d e di nt ot h r e el e v e l s ： r e s o u r c e sl e v e l ，m a r k e t1 e v e la n du s e r sl e v e l s e c o n d l y ， am a r k e tm o d e l o fr e s o u r c e sa 1 1 0 c a t i o ni nc o m p u t e rg r i d si sg i v e n ， u s et h e v i c k e r y a u c t i o na l g o r i t h mi nt h es c h e d u l i n gp 0 1 i c y ，w h i c hs e r v e st h en e e do ft h e g r i dresourcem a n a g e m e n ts c h e d u l e rw e l l c o p a r ew i t hs o m eg r i dr e s o u r c e a l l o c a t i o nt e c h n 0 1 0 9 ys u c ha sg l o b u s ， l e g i o n ，w e b f l o w ， i th a v eb e l o w a d v a n t a g e ： ( 1 ) l a y i n gr e s o u r c e ， i td e c r e a s e st h ec o s to fresourcea l l o c a t i o n ， s oi ti m p r o v e st h ea d a p t a b i l i t y ， t h ee x t e n s i b i l i t ya n d t h es c a 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t h e r ea r eag r e a td e a la n dv a r i o u st y p e so fr e s o u r c ei na d i s t r i b u t e dg r i de n v i r o n e n t ag r i dr e s o u r c es e a r c ha l g o r i t h m ：as m a l l w o r l d c l u s t e r i n g b a s e dr o u t i n ga l g o r i t h mi sp r e s e n t e df o rt h ef e a t u r e s g r i dr e s o u r c e ，d y n a m i c ， d i s t r i b u t i o na n dh e t e r o g e n e o u s g r i dr e s o u r c e n e e da na l g o r i t h mt h a ti sn od e p e n d i n go nc o n c e n t r a t ec o n t r 0 1a n d e x t e n s i b l et oi m p r o v et h es e a r c ha n dl o c a t i o no fd i v e r s ep r o p e r t i e s a c c o r d i n gt ot h es m a l lw o r l dt h e o r y ，c l u s t e r i n gc e n t e ri su s e dt og r a d e d i f f u s et h er e q u e s tf o rp e r f o r m i n gaw e l l 一o r d e r e ds e a r c h f r o ag l o b a l v i e w i no r d e rt oi m d r o v es c a l a b i l i t y ，af e ws h o r t c u t sw i t hd i s t a n t p e e r sa r ei n s e r t e di n t ot h er o u t i n gt a b l e sw i t hs o m ep r o b a b i l i t i e s ，a n d t h ea v e r a g ep a t hl e n g t hi sr e d u c e d t h ep r e l i m i n a r ys i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ek e yc l u s t e r i n ga l g o r i t h mw i t hs h o r t c u t si se f f i c i e n ta n d s c a l a b l e 4 w i t he x t e n s i o no fg r i do p e r a t i o n ， g r i dq o sw i l lb e c o m ea n i m p o r t a n tf a c t t h a te s t i m a t ew h e t h e rg r i ds u c c e e do rn o t i ti st h e e s s e n c ei s s u et h a th o wt oa c q u i r er e s o u r c ef r o me n t e r p r i s es y s t e m 、 s e r v i c ep r o v i d e rs y s t e ma n du s e r ss y s t e m ，h o wt or e s p o n du s e rr e q u e s t e f f e c t i v e l y ， h o wt oa c q u i r er e a l 一t i m es e r v i c er u ns t a t u sa n dh o wt o g u a r a n t e ea n dd y n a m i cc o m b i n eu s e r sq o s t h ep e r f o r m a n c ee s t i m a t eo f g r i ds e r v i c eq o si sn o ts a m ea st h a to ft r a d i t i o nc o p u t e r ( s u c ha s s p e e d 、a c c e l e r a t er a t ea n dp e r f o r m a n c ep r i c er a t ee t c ) ， b u tu s e r s a t i s f a c t i o nr a t e t h e s i ss v s t e m sa n a l v s i sa n dr e s e a r c h sr e s o u r c e r e s e r v a t i o n 、a d m i s s i o nc o n t r o la n dq o sa d a p t a t i o n a n df i r s t l yw ed e d u c e r e l e v a n tq o sa r i t h m e t i c ， s e c o n d l ye d u c eq o st h e o r ym o d e l a n dt h e nw e d e m o n s t r a t er e p e a t i n gs o m ek e yp a r a m e t e r sl i k ea st a s kp r i 、n e t w o r k b a n d w i d t h 、r e s o u r c e s1 i f ea n ds l aw i t hi t e r a t i v em e t h o d a sw e l la s t h e i re f f e c tf o rq o sc a p a b i l i t y a c c o r d i n gt od i s t r i b u t e dm u l t i m e d i a a p p l i c a t i o ns c h a r a c t e r i s t i c s ， a ne n t r o p y b a s e dq o sa l g o r i t h mf o rg r i d r e s o u r c ei sp r o p o s e do na p p l i c a t i o n sq o s t h ek e yi d e ao ft h e a l g o r i t h mi st oc o n s t r u c tt h en e w 珊e t r i c e n t r o p ya n ds e l e c tt h eb e s t s t a b i l i t yq o sw i t ht h eh e l po fe n t r o p ym e t r i ct oi m p r o v et h er e l i a b i l i t y a n da c c u r a c yo ft h er e s o u r c em a n a g e m e n t s oa st op r o v i d eq o sg u a r a n t e e i nt h eg r i ds e r v i c ee n v i r o n m e n tw h o s ec h a n g e sc o n t i n u o u s l y t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sw o r k sa r ee f f e c t i v e l va n dr e a c hn e a r v m 北京邮电大学博士论文 摘要 r e s u l t s f i n a l l y ， w ec o n c l u d et h i sd i s s e r t a t i o na n dp o i n t o u taf e w d i r e c t i o n sf o rf u t u r er e s e a r c h k e yw o r d s g r i d c o m p u t i n g ，班d r e s o u r c e m a n a g e m e n t r e s o u r c e s a l l o c a t i o n ， m a r k e tm o d e l ， s e c o n dp r i c ea u c t i o n ，s m a l l w o r d ， r