（计算机科学与技术专业论文）基于soa的网格研究及应用.pdf

分类号 u d c 一 密 级 武多凄理歹大穿 学位 论文 题目 基王q 垒鲍圈整盟窒区廑且一 英文题g r i d r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o nb a s e do ns o a 研究生姓名 左土 指导教师 姓名盐j 栅称型l 立l 一 单位名称盛这里王太堂 邮编 垒墨q q z q 一 副指导教师 姓名一职称 单位名称 邮编 申请学位级别亟 学科专业名称让箕扭扯堂鱼盐 论文提交日期2 q 至曼生垒旦论文答辩日期 至q ! 兰生三l 学位授予单位盘这堡王太堂 学位授予日期 答辩委员会主席垒! 垫盟 评阅人至生! 鑫。 幻j ，锄 2 0 11 年4 月 独创性声明 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 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 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。 一上 一 签名： z 羔 日期：鲤：! ：! g 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论义在解密后应遵。于此规定) 喊生c 卡亍锄c 签晰勉嗍伽g 摘要 随着互联网不断发展，如何对异地诸如计算机，存储设备，数据库，软件 应用，科研数据等资源实现有效地共享一直是人们讨论的话题。传统的互联网 主要提供以链接和电子邮件方式为主的信息访问，在随着网络规模和资源服务 数量与日俱增，这种模式日益显露出其瓶颈，而且随着互联网不断发展，这种 弊端日益突出。而网格提供了一个供用户实现网络间资源共享的有效平台，网 格资源和服务对于用户是透明的，其设计目的就是为了实现互联网各类资源间 的共享，消除信息孤岛。然而网格领域的理论和技术繁多复杂，至今也没有一 个明确统一的标准和定义，因此一直以来都是学术界研究的热点方向，与之兴 起的新技术也为网格的发展和应用注入了新鲜血液。 一些在互联网中应用发展的比较成熟的技术，如x m l ，w e b 服务技术的引入 使网格的实现变为可能，这些技术大大扩展了网格应用的范围，将网格从初期 的纯科研计算网格发展为资源和服务网格，使网格更具社会意义价值，有很好 的应用前景。如何在当前互联网硬件环境下不进行较大改造实现网格平台，从 w e b 应用技术角度出发来研究和实现网格不失为一种好方法，存本文中，根据 s o a 的设计思想，综合运用其它的网格技术，如w s d l 服务描述语占，w s r f 资源 框架模型，初步实现一个小型的网格服务平台框架。在平台中，资源是有状态 的，服务是无状态的。分散的网络资源和服务通过中心节点集成并对外发布， 让资源得到充分的共享，用户直接向服务节点提出作业请求，由网格分配相关 的服务和资源，用户只须等待结果返回即可，这种交互模式较传统互联网效率 大大提高。同时，对网格中的服务进行规范化封装并将其对外发布，实现一个 对用户开放，统一，扩展性强的网格平台，消除网络海量资源的信息孤岛问题。 用户可以通过浏览器等w e b 方式在不安装任何软件插件的前提下访问网格服务 节点，调用相关资源。而对于平台中的每个服务提供节点，其服务实现编程语 言，系统平台可以不受约束，只需要按照网格标准规范的服务接口进行定义， 体现了系统良好的跨平台性和扩展性。 关键字：网格，w e bs e r v i c e ，s o ，网格服务，w s r f w i t ht h ed e v e l o p m e n t s h a r i n gr e s o u r c e s ，s u c h a l w a y st r o u b l e sp e o p l e t h ei n t e r n e t ，鲥dr e s o u r c e sa n ds e r v i c e sa r et r a n s p a r e n tt ou s 钮 s ，a n di t sd e s i g n i n g p u r p o s ei st oa c h i e v et h ee f f e c t i v es h a r i n go fr e s o u r c e si n t h en e t h o w e v e r , t h e t h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e si n 鲥d f i e l da r et o oc o m p l e x ，a n dh a sn od e a rs t a n d a r da n d d e f i n i t i o nb yn o w , t h e r e f o r e , i ti ss t i l laf o c u sd i r e c t i o ni na c a d e m i cr e s e a r c h , w i t h t h ei n t r o d u c t i o no fn e wt e c h n o l o g i e si ni n t e m e t ，t h e yb r i n gan e wb l o o dt ot h e d e v e l o p m e n to fg r i d s o m et e c h n o l o g i e si ni n t e r n e ta p p l i c a t i o ns u c h 舔x m l ，w e b s e r v i c ea r e i n t r o d u c e si n t og r i d ，w h i c hg r e a t l ye x p a n d st h er a n g eo fg r i da p p l i c a t i o na n dm a k e s t h eg r i dm o r ev a l u a b l ei ns o c i a ls i g n i f i c a n c e ，i n s t e a do fl i m i t i n gi nt h et r a d i t i o n a l s c i e n t i f i cc o m p u t i n gr e s e a r c h t oi m p l e m e n tt h eg r i dp l a t f o r mi nc u r r e n th a r d w a r e e n v i r o n m e n to fi n t e r a c t ，i ti sag o o dm e t h o dt or e a l i z et h e mb yw e ba p p l i c a t i o n i n t h i sp a p e r , t h ed e s i g nb a s e do nt h ec o n c e p to fs o a a n do t h e rg r i dt e c h n o l o g y , s u c h a sw s r f , i tg i v e st h ei n i t i a li m p l e m e n to fas m a l l f r a m e w o r kf o rg r i ds e r v i c e p l a t f o r m ，i nw h i c hd i s t r i b u t e dr e s o u r c e sa n ds e r v i c e si nt h en e t w o r ka r ee f f e c t i v e l y i n t e g r a t e da n df u l l ys h a r e d ，a tt h es a m et i m e ，a l lt h es e r v i c e sa r ee n c a p s u l a t e db y i t s s t a n d a r d sa n dr e l e a s e d ，w h i c hr e a l i z e sa no p e n , u n i f i e da n ds t r o n ge x p a n s i o ng r i d p l a t f o r m u s e r sc a n a c c e s st h e 鲥ds e r v i c e sm a n a g e m e n ta g e n tt h r o u g hw e bb r o w s e r , w i t h o u ti n s t a l l i n ga n ye x t r as o f t w a r ep l u g - i n s ，a n dc a l l i n gt h er e l a t e ds e r v i c e s ，i t r e f l e c t st h es y s t e mh a sg o o da b i l i t i e ss u c ha sc r o s s p l a t f o r ma n de x p a n s i o n k e y w o r d s ：g r i d ，w e bs e r v i c e ，s o a ，g r i ds e r v i c e ，w s r f n 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第l 章绪论1 1 1 课题来源及研究背景1 1 1 1 课题来源1 1 1 2 研究背景2 1 1 3 网格的来源和定义3 1 1 4s o a 基本概念4 1 2 主要研究工作j 5 1 3 论文组织结构5 第2 章研究背景与分析6 2 1 网格技术综述一6 2 1 1 网格体系结构6 2 1 2 网格应用发展一8 2 2 丌放网格服务架构1 0 2 3w s r f 资源框架1 2 2 4s o a 结构分析l3 2 4 1s o a 结构1 3 2 4 2s o a 角色模型15 2 4 3s o a 的几个特征。1 6 2 4 4s o a 部署工作17 2 5 主流网格开发软件1 8 2 6 本章小结l8 第3 章需求分析与概要设计1 9 3 1 可行性分析19 3 2 需求分析19 3 3 系统基本拓扑结构2 0 3 4 系统任务2 2 3 5 系统逻辑设计2 4 3 5 1 业务逻辑方案2 4 3 5 2 系统模块划分2 5 3 6 本章小结2 6 第4 章系统详细设计及实现2 7 4 1 系统开发环境2 7 4 2 网格资源和服务设计2 7 4 2 1 资源和服务的开发步骤2 7 4 2 2 网格资源和服务访问步骤2 9 4 3 网格资源和服务实现过程3 0 4 4 与其它网格平台的比较3 5 4 5 本章小结3 7 第5 章系统平台测试。3 8 5 1 系统环境配置和搭建3 8 5 2 平台测试3 9 5 3 本章小结4 1 第6 章总结4 2 6 1 本文主要工作4 2 6 2 全文总结4 2 6 3 课题研究展望4 3 参考文献4 5 致谢4 5 攻读硕士期间发表的论文4 8 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究背景 1 1 1 课题来源 随着计算机和互联网的发展，人们获取信息的方式变得更多样化。但是， 面对互联网上海量的信息资源，由于用户不能通过自身的操作实现按需或个性 化搜索，因此互联网海量信息在实际中不能有效地服务于用户，信息的利用率 十分低n 1 。针对这一现实，虽然主要的i t 运营商纷纷引进超大型计算机或服务 器，但不能从根本上解决用户和需求不平衡上的矛盾，而且随着应用的不断向 前发展，这种矛盾会更突出，事实也证明了这一点。而如何在现有的互联网物 理和逻辑结构下实现各种资源的共享、解决用户实际需求和海量信息利用率的 矛盾便成为一个亟待解决的研究课题。 网格很好地解决了传统网络无法有效实现访问资源的弊病，它是个新颖 的网络架构，这种架构可以在不增加对现有网络技术和资金的前提下，面向用 户的需求，提高互联网资源利用率。网格设计的核心是服务，它是一种集成了 互联网的不同环境中的软硬件资源和服务平台，因此网格设计必然要考虑到分 布式思想，并且要解决节点间的传输协议和通信等诸多问题，从而实现高效率、 跨平台、资源服务共享等目标心1 。与此同时，根据s o a ( s e r v i c e o r i e n t e d a r c h i t e c t u r e ) 设计理念，可以更有效地搭建更具灵活扩展和实际应用和网格 平台。s o a 是计算机软件领域一种新的设计思想，它摒弃了传统软件从上至下 方式，注重整体功能设计，取而代之从服务和功能模块出发，将松散服务按照 一定方式进行集成，这种模块化思想提高了服务的可重用性，使后续新系统开 发不必从零开始，直接使用已经存在的服务组件进行再封装，减少了开发时间 和成本1 。另一个好处，s o a 的接口松耦合对于系统更易于维护，可靠性更高， 某一个服务模块功能改变也不影响整个系统运行，因此灵活性大大提高。本文 通过一个网格平台实例，展示了网格对资源和服务的创建、管理和访问过程， 说明了网格概念的引入对于互联网“孤岛式一资源和服务实现了有效的共享。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2 研究背景 传统w e b 服务结构中，当用户提出一个服务请求时，用户需要自己全过程 地参与，例如，用户登陆服务商站点，然后在服务站点自己去寻找解决需求的 链接，点击这些链接向服务商提交请求，当服务商的服务量很庞大，用户没有 解决策略时，无法找到相关服务，需求解决效率自然相当低下。在这里，服务 提供商除了将服务提供出来以外，对用户需求解决没有发挥任何作用，事实上， 服务提供商对这些服务功能比用户更熟悉，而结果用户只能盲目地去寻找服务， 既浪费了网络资源，又降低了服务器效率h 1 。另一方面，服务提供商提供的本 地服务在量上毕竟是有限的，而当本地服务无法解决用户请求时，整个过程就 是徒劳的，这样更加降低了处理效率。由此可见，传统的w e b 模式在业务执行 上确实有诸多弊端，而且随着互联网不断发展，这种缺陷会越来越明显嗡1 。 网格将所有可利用的资源和服务都集成到平台之中，当用户提交一个服务 请求，由于网格服务对于用户时透明的，用户不需要关心网格如何解决以及服 务请求具体由哪个网格节点执行了，这样解决了用户盲目寻找的问题。网格这 种设计如同“电网”，使用者只需将插头插入插座即可得到电力供应，而不需要 知道电是由哪个电网或电站供应的。同时，服务节点除了可以利用本地服务， 还可以调用网格中所有可以利用的资源服务，大大提高了执行效率，用户只需 在提交请求后耐心等待结果即可，如图1 1 所示。 服务i服务2服务3 资源i资源2 资溺 jjj 服务i服务2 服务3 n3 ( 网格仃户 卜 钞 ，、 w e 嘲览器】 8 用户 图1 1 传统w e b 服务和网格服务的比较 2 武汉理工大学硕士学位论文 从图可以看出，网格服务无论在处理流程和执行效率上都要比传统的w e b 更加高效。在网格结构中，服务注册节点集成了网格所有的服务，对于用户来 说，只需向其提交请求，由网格选择最具优化的资源和服务解决用户的请求， 而整个选择在传统的w e b 模式中是由用户自己完成的，同时，在网格中间件层 中还可以对服务的选择和调度作算法上的优化，所以说在本质上，网格集成了 对分散的异地资源和服务的有效利用嘲。 1 1 3 网格的来源和定义 网格最早出现在上个世纪9 0 年代，科研人员在解决互联网资源有效共享等 问题而提出的概念，网格一开始是针对科研计算中，计算资源之间的协同问题， 也就是计算网格。早期的网格计算称为“元计算 ，通过集成网络中分布的计算 资源( 节点计算主机) ，存储资源( 磁盘等存储设备) ，数据资源( 数据库) ，组 建成一个“超级庞大 的计算机，这种可不断扩展的计算能力甚至可以超过大 规模计算机多倍。随着互联网普及，服务应用成为新的发展趋势，加上互联网 领域不断出现的新技术，让网格与互联网结合应用成为可能。因此网格由纯科 研领域的计算网格逐步地向资源网格以及服务网格发展，从而使网格成为一个 庞大的公共计算基础设施，并为各种互联网服务应用提供技术和平台上的支持， 这也成为了下一代互联网发展的方向1 。 网格( g r i d ) 这个抽象概念好比“电力网格”。首先，互联网结构错综复杂， 与电力网成千上万的高压线形似。其次，供电站将各地电站的电量集中到一起， 提供千家万户，用户只需插上插头就可以接通电源，不需要知道来自哪个发电 站，这一点跟网格是相似的，网格集成互联网海量资源和服务，如同一个巨大 的计算机，满足用户各种需求，消除了互联网信息孤岛效应。 由于不同机构研究网格的内容和应用不尽相同，对于网格至今没有一个准 确的定义。例如，中科院计算所所长李国捷院士认为，网格可以理解为第三代 互联网应用。美国阿冈国家实验室科学家，g l o b u s 领导人i a nf o s t e r 在什 么是网格? 判断是否网格的三个标准中指出，判断是否网格必须同时满足三 个条件：( 1 ) 非集中控制环境中协同使用资源( 2 ) 标准的，开放的和通用的接 口和协议( 他认为当前只有g l o b u s 才称得上网格标准协议) ；( 3 ) 提供非平凡 服务嘲。由于这三个限定条件非常苛刻，事实上，f o s t e r 这种定义是一种狭义 网格，不少专家和学者更倾向于广义网格概念，也就是大全球网格( g r e a t 3 因此在业务层面上，s o a 强调的是由业务去驱使底层技术的开发，是自上而下 的思维，相反地，传统的开发思路是根据实现技术来驱使业务开发，不仅速度 慢，灵活性差，而且维护成本大。面向服务的体系结构通过某种耦合方式将程 序通过接1 3 组织起来，这些接口定义采取中立的方式，接口只是对程序提供功 能的一种描述，与具体操作系统环境，程序语言无关，这种通过与平台无关的 接口方式就是程序的松耦合，有两个方面的优点，首先它使得程序之间的组建 更加灵活，其次松耦合可以允许当某个程序内部的功能或者流程发生改变时， 中立接口能够继续独立于程序而继续存在。 s o a 强调系统模块集成，但是与以往软件集成不同，s o a 系统集成是基于一 套标准规范来进行的，这点跟c o r b a 不同，c o r b a 在集成以及模块之间的交 4 武汉理工大学硕士学位论文 互过程中的规范并不是统一的，因此带来诸多不便。而s o a 改进了这些不足， 对不同平台更具适应性n 1 1 。 1 2 主要研究工作 本文综合分析了网格体系结构和动态可扩展的网格框架模型，以及一些主 流的网格开发工具软件，结合本文实例的特点，采用j a v a 语言以及w e bs e r v i c e c o r e 工具包，以网格服务为设计核心，根据s o a 架构模式，搭建一个简单的网 格服务平台实例，并简述其实现过程。另外，本文采用了开放式网格体系结构 o g s a ，资源模型采取w e b 服务资源框架w s r f 结构，从而实现了网格资源具有状 态性，在通信和传输方面，x m l 作为主要信息交换格式，这样可以提高网格的 跨平台性。 1 3 论文组织结构 全文一共6 章，具体如下： 第1 章绪论介绍了本课题的来源，研究相关背景知识以及全文的组织结构。 第2 章主要介绍了网格产生的来源，概念以及发展等基础知识，主流的网 格体系结构模型，同时对网格开发中需要涉及到的技术工具也作了阐述，依据 对s o a 和网格综合对比分析，给出了系统平台设计的基本思路。 第3 章针对平台要实现的设计需求，结合当前网格开发软件工具以及s o a 思想，对系统网格平台每个层次模块进行详细分析和设计。 第4 章在前几章分析的基础之上，对系统平台进一步给予实现，并对其中 的主要步骤作了详细阐述，基本完成系统平台的初步搭建，同时实现了几个简 单的服务实例，并将其成功部署到网格服务容器之中。然后结合本系统的实现 思路，与其它网格服务平台作了简单的横向对比。 第5 章介绍了系统环境配置以及实验分析和测试。 第6 章对本文的研究工作作了一个系统的总结，并指出系统的不足和有待 改进的地方。 5 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章研究背景与分 2 1 网格技术综述 2 1 1 网格体系结构 网格的体系结构是搭建网格最基本的研究问题，而目前最重要的网格体系 结构有两种，即五层沙漏模型和开放网格服务架构( o g s a ，o p e ng r i ds e r v i c e a r c h i t e c t u r e ) ，下面是对这两种主流模型的描述。 1 五层沙漏模型 五层沙漏模型是由网格泰斗人物i a nf o s t e r 等人提出，这种体系机构注重 于网格的理论研究，在实际应用中较少，但是它对网格体系结构影响比较大， 五层沙漏模型设计的一个基本准则就是简化基础核心协议，具有更好的可移植 性。依据对共享资源的功能管理不同，五层沙漏模型可以划分这几个层次，自 下而上依次是构造层，连接层，资源层，汇聚层以及应用层等几个部分比1 ，如 图2 1 所示。 软件与应用 f。 应用层 | ， 服务代理，管理与监控汇聚层 资源服务的访问 连接层 7 网络资源，如计算资源，存储 l 构造层 资源、软件资源，数据资源等 图2 1 五层沙漏模型 6 武汉理工大学硕士学位论文 五层沙漏模型更像是理论上的描述，其中它的描述重心在“协议 上，突 出接口函数和s d k 在结构中的作用。在这五层结构中，每一层都设计了相应的 接口函数，s d k 以及部分服务，这些服务可以由其上层协议去调用。因此网格 中的各种实际应用都可以采用调用这些协议的服务进而实现系统的访问。 以下是五层沙漏模型每层具体功能的概括。 ( 1 ) 构造层，构造层可以控制网格中的部分资源，例如资源的查询，资源信息 的获取和发现，服务质量的控制等，并且构造层还向协议上层提供这些部分资 源访问的函数和接口。构造层的资源内容可以很丰富，既可以是计算资源，存 储资源，数据资源等，又可以是目录资源，知识资源甚至是传感器等，只要在 构造层控制的资源足够丰富，那么它可以向上层服务协议提供的网格应用就越 多，例如如果构造层支持资源的提前预约，那么在高层服务协议中就可以实现 资源协同，反之，高层协议要实现这种应用就必须多增加额外开销。 ( 2 ) 连接层，它的主要作用就是通信，在连接层中，定义了相关认证协议以及 通信方式以用于网格内的事务处理等。在这些通信协议的作用下，构造层罩的 各类资源可以实现基本数据通信和交换，数据传输，数据包路由以及资源命名 等操作。事实上，这些通信协议很多都是源于t c p i p 协议族，而这其中的认证 协议是建立在基本通信协议之上，它具有代理登录，单用户登录，局部安全集 成以及用户信任机制等功能。 ( 3 ) 资源层，这一层的作用是实现对网格中的资源共享，这一层的协议负责以 下任务，资源的初始化，资源管理，控制和监视以及资源共享等操作，它不考 虑网格内资源在局部环境中的原子操作。 ( 4 ) 汇聚层，汇聚层的作用是实现多类资源的共享，这一层的协议主要概括多 种资源之间的共性，例如资源目录，资源代理以及协同，资源管理和控制，数据 挣断，网络环境下的系统管理，任务分配，应用的发现，维护和集成服务等，这 些可以体现出不同类资源之间的交互性，但是这些并不涉及到资源本质的特性。 ( 5 ) 应用层，这个概念是界定于虚拟组织这个范畴，而且它是在五层沙漏模型 任一层的服务基础上产生的。在每一层中，模型都定义了具体协议，接口操作 及服务以满足对上层协议的支持，包括资源的发现与调度，资源管理和维护， 服务数据的读写等，每一层的接口函数可以理解为实现指定服务操作和协议通 信交互的过程u 3 1 。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 i 2 网格应用发展 网格在i t 业被成为对传统的互联网应用的又一次革新，这既是在w e b 技 术上的一次革新，同时还是对人们思维上的一次革新，改变互联网在人们传统 的生产生活，学习，研究，商业应用等业务方式。自上个世纪9 0 年代中期，欧 美一些发达国家纷纷开展了自己的网格领域研究，并取得丰硕成果。我国也在 上个世纪9 0 年代末的8 6 3 国家自然科学基金计划中投入专门经费对网格进行专 门研究。自上个世纪9 0 年代中期，美国国家自然科学基金，美国军方，n a s a 等纷纷投入大量资金研究网格在各自领域内的应用，以下是有代表性的网格项 目研究。 ( 1 ) n p a c i 网格( n a t i o n a lp a r t n e r s h i p sf o ra d v a n c e dc o m p u t a t i o n a l i n f r a s t r u c t u r e ) ，该网格是由美国国家自然科学基金投资研究的，这个网格的 具体作用是满足n f a c i 协会的科研计算网格，科研人员首先将实验数据或者来 自图书馆收集到的数据集中起来，然后利用网格分析这些实验数据，将这些数 据结果通过图书馆网站将这些数据对外发布出去实现数据共享。 ( 2 ) t e r a 网格，t e r a 网格是在2 0 0 1 年8 月由美国n s f 出资建立的，其目的是 要建立一个全球性的，应用最强大，支持开放式的分布网格计算体系，该网格 可以允许美国每一个科学家和学者通过全球最广泛的网格体系共享实验数据和 计算资源。截至到2 0 0 4 年，该网格可以提供2 0t e r a f l o p 的运算速度，l t e r a f l o p 等于每秒一万亿次浮点运算次数，以及1p e t a b y t e 的数据存储能力。 高像素的视频处理能力，功能丰富的网格应用软件，以及4 0 g b 每秒的高速网络。 ( 3 ) 全球信息网格g i s ( g l o b a li n f o r m a t i o ng r i d ) ，该网格是由美国国防部 实施的宏伟网格计划，它的目标是通过成熟稳定的商业网格技术搭建一个功能 强大的分布式网格平台。2 0 0 3 年美国发布了国防部网络数据策略文件，该文件 简单介绍了全球网格关于共享方面的描述，它将实现数据可视，可访问，可管 理，可理解，可相应，可操作，可信任等七个目标，该网格项目计划在2 0 2 0 年 完成，为此，美国海军及海军陆战队实施了一个预算1 6 0 亿美金历时8 年的长 期项目来应对系统的设计，维护及升级引。 ( 4 ) g l o b u s 网格，该网格在世界范围内具有相当的影响力，参与到该项目的 团体和机构有美国阿冈国家实验室，南加州大学，芝加哥大学，i b m 公司等， 其研究目标在这些领域，网格的基本理论支持，网格的关键支撑技术，网格应 用软件和相关工具包的开发，网格平台的搭建，网格服务应用的开发等。他们 武汉理工大学硕+ 学位论文 认为，在网格中，一切可共享的物理实体都可以理解成资源，例如高性能计算 机，超大型存储设备，互联网设备，大型服务器，科研仪器，包括各种实验数 据，软件应用这些看不见的实体也是资源，也就是只要在网格环境中能够共享 且对用户具有利用价值的都可以视为资源。 此外在欧洲，d a t a g r i d 是由欧盟出资，欧洲原子能研究机构实施的一个网 格，该网格主要目的是通过对分布在不同地点的科研计算设备进行连接建立高 密度数据处理的计算平台，其用途主要是处理在2 0 0 5 年欧洲建立的大型强子对 撞机源源不断产生的每秒p b 级的实验数据，这些海量实验数据经过过滤，由每 秒具有2 0t e r a f l o p 计算能力的离线运算器进行处理，最后将处理的数据以每 秒i o o m b 的速度写入存储设备，而这个数据速率正是d a t a g r i d 网格需要处理的。 然后计算中心将这些数据通过高速宽带分配给欧洲，日本，美国等处理中心， 因此当数据到达每个物理学家手中时，数据速率只有每秒1 m 了，这个数据量就 可以很容易地进行处理。 在欧洲其它国家也纷纷开展了对网格的研究，法国已经开始实施了国家网 格计划，计划的前三年投入一千万美元的资金。英国也丌始了一个预算一亿英 镑的英国国家网格计划。荷兰也计划将国内的五个大学通过网格组建实现对j l 三 物技术以及高尖端物理领域方面的数据资源共享，该网格是通过为每一所大学 配置一台l i n u x 群集系统，然后利用荷兰大学的高速网络连在一起u 引。 而在我国，网格刚刚出现时，我国的网格发展远远落后于其它发达国家。 但是随着国家在计算机领域的投入和网络产业的蓬勃发展以及信息技术的突飞 猛进，我国在网格方面的发展已经追上了世界脚步。如今我国拥有一支庞大的 分布在各大院校和科研机构的技术队伍，互联网规模和网民数量已经跃居世界 首位，这些外部条件为我国网格的发展奠定了坚实的基础，各大科研院校和机 构纷纷开展了自己的网格项目。2 0 0 2 年，清华大学的先进计算基础设施网格和 中科院计算所的国家高性能计算环境网格项目均已研究完成，并取得丰硕的研 究成果。自2 0 0 2 年起，科技部8 6 3 计划，教育部和上海市政府等均开展了新的 网格项目研究计划。至此正在开展实施的重点网格项目计划有，由国家8 6 3 计 划支持的“中国网格，中国科学院计算研究所实施的“织女星网格”，上海高 校联盟共同实施的“上海科研教育网格 ，同时国内几十所重点大专院校和科研 机构也纷纷进行了各自的网格研究。从这些可以看出，网格领域的研究在国内 发展形势迅速1 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 开放网格服务架构 开放网格服务架构( o p e ng r i ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e ) ，其实现是由两大 技术完成，分别是w e bs e r v i c e 和网格技术，0 g s a 实质是在五层沙漏模型的基 础上，结合w e bs e r v i c e 技术演变而来的，o g s a 体系结构针对五层沙漏模型的 不足并加以解决，如服务接口的标准规范化，不同层之间的协议辨识，o g s a 的 设计原则始终以服务为根本，它认为一切函数和操作都可以理解成服务，这一 观念将网格从传统的科研计算应用范围扩展到以服务为主要特征的社会应用领 域，使网格更具有实际应用价值。 相比较这两种体系结构，可以这样理解，五层沙漏模型的设计核心是“协 议”为重点，而o g s a 更侧重于“服务，在0 g s a 结构中，一切应用都可以理解 为服务，同时，o g s a 将这种“网格服务”概念进行形象化和具体化，把它定义 成w e bs e r v i c e ，尽管w e bs e r v i c e 也是一种以服务为核心的应用框架，不过 这种服务更多意义上是永久性和固定性的服务，但是在网格环境中，服务的概 念更多的是临时性服务，为了满足o g s a 服务的特定需求，结合w e bs e r v i c e 技 术优势提出了网格服务，从而解决了网格服务的注册，发现，创建以及服务时 效管理等问题，并且对o g s a 的动态服务需求具有很好的支持。 0 g s a 的核心就是服务，一个网格其实就是不同功能的服务结合体，而服务 的可动态添加体现了网格的灵活扩展性，不同的网格服务按照某种实际需求集 合在一起时便形成了虚拟组织，而这些虚拟组织可以依据它们在功能和资源共 享上的不同来进行相应的定义，即网格服务等效于接口或者函数与服务数据的 结合体。图2 2 是o g s a 体系结构示意图。 网络应用程序 基于o g s a 架构的网格服务 o g s i w e b 月艮务 各种网络资源、计算资源、 服务器、存储器、数据等 图2 2o g s a 体系结构图 l o 武汉理工大学硕士学位论文 在o g s a 中，网格资源概念与普通服务资源概念有所不同，实际上，o g s a 网格资源包括逻辑资源和物理资源两种，而资源又是网格计算和网格服务设计 围绕的中心，网格的资源范畴不仅包括运算器，存储设备，远程服务器或者网 络设备等物理硬件资源，还包括基于这些物理资源之上的逻辑资源，这类资源 通过虚拟组织或者集合物理资源等方式提供更多的中间件和服务功能，例如在 物理资源层上提供文件操作管理，数据库管理，索引管理，作业工作流管理等 抽象概念上的特殊服务。另外，开放网格服务基础架构( 0 6 s i ，o p e ng r i ds e r v i c e i n f r a s t r u c t u r e ) 已经定义了网格服务的设计基础是w e bs e r v i c e ，w e bs e r v i c e 技术在实际应用中已较为成熟，同时，w e b 服务描述语言( w s d l ，w e bs e r v i c e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 和x m l 技术的引进实现了网格服务接口标准化定义， 资源描述和发现以及服务交互等，此外，o g s i 对w e b 服务的一些协议定义进行 了扩充，因此在0 6 s i 基础上，o g s a 实现了资源的状态和分配，生命周期管理， 资源和服务的建模，服务动态创建，临时性服务等目标u 9 1 。 o g s i 基础架构以及w e b 服务对网格服务作了进一步的扩展，从而实现在其 上的网格服务应用，如今，网格联盟正研究对基础结构的网格服务的丌发，例 如服务程序的调用，数据存储，业务核心服务等领域的研究，这些基础结构的 网格服务可以大大扩展o g s a 服务能力，进而成为一个更加有效的网格基础服务 体系结构。随着这些基础网格服务不断开发，功能上的不断丰富，基于这些服 务层面上对基础服务进行一个或者若干个服务的组织和集成，搭建出网格服务 应用程序，这些网格应用程序也就是o g s a 体系结构中的应用层面。o g s a 架构 最关键的部分主要是两个，即结合w e bs e r v i c e 的o g s i 架构以及在o g s a 基础 层上的网格服务层，而o g s i 对w e bs e r v i c e 的扩展体现在两个方面的接口和协 议上的改进，首先是网格的服务不同于传统的w e bs e r v i c e ，网格服务要求具 有临时性服务和动态创建机制，其次在网格中，服务不是固定的，网格服务会 根据实际服务请求需要进行服务的集成和组织，资源的选择和分配等一系列过 程，因此服务会根据系统的不断变化而不断地动态创建和临时性服务的销毁。 既然o g s a 的核心是服务，因此在网格中，它认为一切都是服务，这样网格内的 服务可以有统一规范的接口标准，所有的服务定义皆以这些定义好的接口规范 为准则，于是服务构建的整体模型更具层次化，构造上层服务更容易实现删。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3w s r y 资源框架 在o g s a 提出后，全球网格论坛g g f 迅速地推出了开放网格服务基础架构草 案( o g s i ，o p e ng r i ds e r v i c ei n f r a s t r u c t u r e ) ，o g s i 草案提出将对网格体 系进行统一和规范化。首先，o g s i 是被视作o g s a 的核心，第一版于2 0 0 3 年7 月发布，o g s i 规范利用w e bs e r v i c e 技术，改进了w e b 服务描述语言( w s d l ) 以及x m ls c h e m a 并对其进行扩展，从而解决了网格中服务不是永久固定的，具 有一定状态性的问题。此外，它推出了网格服务这种概念，并针对网格服务的 特性定义统一规范化的服务接口，这些接口操作涉及到服务实例的动态创建， 空间命名管理，服务生命周期管理，服务数据的管理和监视，服务数据的消息 通知，服务应用的管理，服务功能调用，错误报告机制等。 结合网格技术的一些发展历程，可以看出w e b 服务技术和网格技术正在逐 步融合，起初o g s a 最早提出将w e b 服务技术引进网格，并给出基于w e b 服务的 网格概念，其理论探索意义很大。但是o g s a 体系中存在一些很大的缺陷，导致 其实用价值不高，结果被随即的w s r f 新规范所取代。o g s a 的重大缺陷主要体 现在以下一些方面，o g s a 只对网格服务概念作了定义，但是对网格服务资源并 没有更多的说明。其次，o g s a 虽然对w e b 服务技术做了扩展以支持服务的状念 性，但是这种扩展却是将w s d l 语言扩展成为g w s d l ，没有用到w s d l 在w e b 服 务技术中的优势，对当前的w e b 服务开发工具兼容性差，导致o g s a 并不具有一 定的实用价值。在2 0 0 4 年，g l o b u s 联盟和全球网格论坛共同推出了w e b 服务 资源架构草案( w s r f ，w e bs e r v i c er e s o u r c ef r a m e w o r k ) ，该草案首先重新利 用w e b 服务技术对o g s i 架构的基础服务进行重构，从而将o g s a 的体系和w e b 服务技术彻底地结合在一起晗。 w s r f 使用了w s d l i 1 版本来重新定义o g s i 架构中的各种基础服务应用， 从而在现有w e b 服务开发工具的基础上不需要额外的工具，更易推广。因此在 网格中所有的服务应用均由资源文档和服务应用两大部分组成，w s r f 的目标就 是要建立一个更加开放，统一，规范的网格架构，利用成熟的w e b 服务技术实 现网格服务对有状态资源进行存取操作以及对网格服务状态的控制。 w s r f 实质上是一个协议族，它有5 个标准规范化协议组成，每个协议的名 称及简单的功能描述如表2 1 所示。 1 2 武汉理工大学硕十学位论文 名称描述 w e b 服务资源析构机制，包括消息交换，它使请求者可以立即或者通过基于 w s r e s o u r c e t i m e 时日j 调度的终止机制来销毁w e b 服务资源 w s - r e s o u r c e p r o p e r t i e sw e b 资源的定义以及查找，更新，删除w e b 资源特性的机制 定义w s - a d d r e s s i n g 端点引用，w s - a d d r e s s i n g 端点引用包含策略信息，用于 、) l ，s r e n e w a b l e r e f e r e n c e s 当端点无效时重新找到最新版本的端点引用 w s - s e r v i c e g m u p连接异构资源通过引用的w e b 服务集合的接口 w s - s e r v i c e f a u l t s 当w e b 服务交换时，返回错误时候所用的。基本错误类型 表2 1w s r f 协议规范集合 在这些协议规范集合