（计算机科学与技术专业论文）基于wsrf的多媒体网格信息服务系统的研究与实现.pdf

坝i j 论j 攮十w s r f 的多媒体l q 格信息服务系统的研究j 实现 基于w s r f 的多媒体网格信息服务系统的研究与实现 摘要 当前网格技术蓬勃发展，出现了计算网格、数据网格、信息网格、服务网格 等种类，随着w s r f ( w e b 服务资源框架) 网格体系结构的出现，服务网格的地位 变得越来越重要。信息服务是网格系统实现中的核心和基础部分之一，它主要负 责提供网格中资源信息的注册、发现、查询和修改等。由于多媒体服务具有数据 量大、q o s 敏感的特点，目前已有的网格信息服务模型并不完全适用于多媒体网 格，因此，需要建立一种专门针对多媒体应用的网格信息服务系统。 本文首先分析了w s r f 资源框架在网格体系结构发展中的重要作用，在此基 础上，对目前较成熟的信息服务系统模型进行了深入的研究，针对多媒体服务的 特点，提出了一种基于骼r f 的多媒体网格信息服务模型，并在此模型的基础上 给出了种网格信息服务系统的设计与实现，最后通过将该管理系统在北邮网格 中进行实际应用，进一步证明陔模型在网格信息管理中有较大的实用价值。 关键词：w s r f ，网格信息服务，g l o b u sm d s ，多媒体网格 坝l 论文基于w s r f 的多煤体州格信息服务系统的l i i f 究。彳实现 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fw s r f b a s e dm u l t i m e d i a g r i di n f o r m a t i o ns e r v i c es y s t e m a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h eg r i dt e c h o l o g yi sd e v e l o p i n gr a p i d ly t h e r ea r ea v a r i e t yo fg r i d ss u c ha sc o m p u t i n gg r i d ，d a t ag r i d ，i n f o m a t i o ng r i d s e i c e 鲥d w i t ht h ee m e r g e n c eo fw s r f t h es e i c eg r i di sb e c o m i n g m o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h ei n f o m a t i o ns e i c ei sak e yc o m p o n e n to f ag r i ds y s t e m t h em a i n 矗m c t i o n a l i t i e so ft l l ei n f o m l a t i o ns e r v i c ei n c l u d e i n f o r m a t i o nr e g i s t r a t i o n ，d i s c o v e 吼q u e 巧a n dm o d i f i c a t i o n b e c a u s et h e m u l t i m e d i as e i c ei sal o n g r u r u l i n ga n dq o s o r i e n t e ds e r v i c e ，t h e c u r r e n tg r i dj n 南瑚a t j o ns e n ，j c em o d e l sa r en o ts u i t a b 】ef o rm u l t i m e d i a g r i d h e n c e ，i ti sn e c e s s a r y t ob u i l dan e wg r i di n f o m l a t i o ns e r v i c em o d e l f o rm u l t i m e d i aa p p l i c “o n s f i r s t ，t h ep a p e ra 1 1 a l y z e sm ei m p o r t a i l tr o i eo fw s r fp f o t o c o li nt l l e d e v e l o p m e n to f 鲥da r c h i t e c t u r e t h e n ，i tr e v i e w sc u r r e n tm a t u r eg r i d i n f o h n a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mm o d e l sf o c u s i n go nt h ef e a t u r e so f m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n w ep r o p o s eaw s r f - b a s e dm u l t i m e d i a 妒i d i n f o n i l a t i o ns e i c em o d e l a c c o r d i n gt ot h i sm o d e l ，w ed e s i g na n d d e v e l o pag r i di n f o m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m f i n a l l y w ea p p l yt l l e s y s t e mt ob u 订db u p tg r i d ，t l l ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a to u r s y s t e mi sw i t hg r e a tp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：w s r e g r i di n f o 衄a t i o ns e r v i c e ，m d s ，m u l t i m e d i ag r i d 坝i j 论史基十w s 劓? 的多媒体蚓格信息服务系统的研究j 实现 独创性( 或创新性) 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中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机 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。 处，本人承担一切相关责任。 同期： 巡z ：! ：! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学 校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注 注释：本学位论 本人签名： 导师签名： 密在一年 用本授权 日期： 日期： 非保密论文 帧l 论文 肇十w s r f 的多妖体h 格竹息艇务系统的研究j 实现 1 1 研究背景 第一章绪论 随着宽带网的发展，人们不再满足于浏览静态的文本和图片，而需要访问有 声有色的多媒体信息。多媒体技术可以帮助人们实现这一梦想。根据i d c 。p a u l k a g 柚a s s o c i a t e 和r 丑y m o n dj a l l l e s 的市场调查和预测，以视频点播、视频会议、 视频广播和视频监控等为代表的多媒体技术，在今年将以每年8 0 的速度增长。 然而目前阶段，用户使用这些服务是有不少烦恼的。例如，访问过宽带电影网站 的人都会有这样的感受：一到高峰时段，几乎所有的宽带网站都很难连上，即使 连接上了，电影的播送也是时断时续，而且显示画面都较小，画面质量比较粗糙。 之所以如此，是因为现有的视频系统有以下弱点： 各自为阵、互不通用。不同方案互不兼容，迄今为止没有一种方案将所 有多媒体应用整合起来统一提供服务。 规模小。普遍是小区级和城域级，未能在全国范围建立有效的大规模、 超大用户量的视频系统。 受限于网络带宽和服务器性能。集中式视频系统容易在中心结点形成瓶 颈，影响系统容量，同时也是对网络带宽和服务器性能的严峻考验。 受限于通信费用。用户访问远程视频节点比本地视频节点的花销大，所 以集中式视频系统会增加远程用户的开销。 受限于节目来源。正规的视频系统不可能采用盗版的节目，但又不可能 只提供自有版权的节目或一一购买版权。 受限于建设费用。如果要建设一个分布式的视频系统，庞大的建设费用 和资会风险使这类系统在经济上的可行性不容乐观。 为了克服这些问题，就需要引入网格的概念。网格的核心思想是将地理上分 布的、异构的各种计算机、数据服务器、大型检索存储系统等，通过高速互联网 络连接并集成起来，实现各种资源的整合，从而实现资源共享和协同工作。 我们提出了多媒体网格的概念，多媒体网格就是利用网格技术将多种多媒体 应用在同一个网格平台上融合实现，将分布在各地的设施和内容虚拟成一个整 体，并在较大范围内进行节目共享和视频调度，按照就近的原则为用户提供高质 量的视频服务。 多媒体网格中包含了大量的资源，例如计算资源、存储资源和海量的多媒体资 源，这些资源的特性有很大的区别，它们分布在网格的不同位置，并且具有高度 坝i + 论义 基于w s r f 的多媒体州格信息雕务系统的研究。j 实现 的动态性和自治性，尤其对于多媒体资源，具有大数据量、对实时性要求高的特 点。因此，网格中对资源信息的管理非常困难，不仅要能够针对不同资源的特点 管理各种资源，还需要具有很好的可扩展性，能够管理广域范围内的海量资源， 同时还需要适应资源的动态性，并且提供较好的资源检索和定位效率。可见，资 源的管理在网格环境中起着至关重要的作用，网格信息服务是网格系统实现中的 核心和基础部分。 1 2 项目简介 项目“基于网格技术的多媒体信息资源应用平台”是北京市教委支持的北 京市重点实验室共建项目，我们智能通信软件与多媒体北京市重点实验室承 担了此项目的研发。 本项目的主要思想是采用网格技术研究多媒体信息资源共享和服务。网格 实质上是多个联网的服务器节点充分利用各自的资源面向一个( 群) 用户提供服 务能力的模式。利用网格技术使校园网、教育网、因特网广大用户共享这些优质 的多媒体信息资源，为广大用户提供高效的服务。 该系统基于g l o b u s 丌发，在g l o b u s 的基础上增加了许多实用功能。g l o b u s 网格技术平台作为国际上最活跃并且较为成熟的网格技术平台。整个课题所使用 的主要软件包和软件工具都来自丌源软件组织，以避免高昂的软件购置费用和复 杂的版权问题。最终确定本课题的丌发在g l o b u s 系统比较稳定的版本g t 4 0 之 上进行，并且力求与c g s p 的兼容性，在将来可以便利地将应用系统移植到c g s p 运行系统中。在此基础上课题组已经初步开发了一个北邮校园网格的门户和管理 平台，对校园网格的多媒体信息资源、应用软件进行管理，以便为校园网用户提 供共享服务。该平台也是加入中国教育科研网格( c h i m g r i d ) 北京邮电大学校园 网格的重要组成。 1 。3 研究目的及内容 本论文主要依托“基于网格技术的多媒体信息资源应用平台”项目的网格信 息服务系统的设计与实现，对多媒体网格信息服务系统的设计原理和实现机制展 开研究。 当前网格信息服务系统基本上都是对计算资源、数据资源和网络资源等的管 理、注册发布及资源发现，并不完全适用于多媒体资源的管理。目前，应用较广 碗i 。论文 肇十w s r f 的多媒体h 格信息服务系统的研究j 实j j 已 泛的信息服务技术主要有g l o b u s 的m d s 和中科院的织女星网格。 ( 1 ) m d s 信息服务 m d s 层次式的信息服务模型可以很好地集成网格系统的异构的资源信息， 提供资源的全局视图和统一的信息访问接口，有良好的扩展性和容错性。但是 m d s 缺乏维护静态信息的机制，一般维护都是系统的实时信息没有提供存储 系统信息的机制。此外，m d s 是将资源信息组织成为x m l 格式，通过x p a m 语言进行数据定位。对于网格中海量的多媒体资源来说，这种方式不能曼则其对 实时性的要求。 ( 2 ) 织女星网格中的信息服务 中科院的织女星网格提出了服务网格的概念和虚拟计算机的体系结构模型， 在虚拟机体系结构基础上，资源发现机制主要通过两个技术来解决资源发现的问 题：基于资源信息的路由转发的资源定位模型和三层资源表示模型。资源定位模 型主要在资源路由器上实现，是资源发现机制的核心。负责解决包括路出器网络 的生成和维护、路由更新策略、资源信息聚类策略和资源请求处理策略等多个问 题。 基于路由转发的资源发现机制要求同类资源在所有的路由器上的表示是一 致的，这就限制了其灵活性。另外，当资源路由机制应用到整个的全球网格环境 中，会经过很长的路径彳胄笔找到资源，这就造成了其性能的下降。 鉴于现有系统的缺陷。我们需要一种高效、灵活的多媒体网格信息服务系统， 以便更好地满足多媒体应用的需求。 在第二章，介绍了网格体系结构的发展历程，重点分析了w s r f 协议的相关 技术及其优势； 在第三章，对现有的信息服务系统模型进行了总结和分析，并在此基础上提 出了一种多媒体网格信息服务模型； 在第四章，介绍了一个基于本文模型设计的多媒体网格信息服务系统，并给 出了该系统的实现方案； 最后，将原型系统应用在多媒体信息资源应用平台中，验证了系统的可行性。 坎l 一论文肇十w s r f 的多媒体州格竹息服务系统的研究0 实现 2 1网格概述 2 1 1 网格的概念 第二章相关技术概述 “网格之父”l a i if o s t e r 博士对网格有一个经典的定义，他认为网格是一个集 成的计算资源环境，或者况是一个计算资源池。网格能够充分吸纳各种计算资源。 并将它们转化成一种随处可得的、可靠的、标准的同时还是经济的计算能力。除 了各种类型的计算机，这里的计算资源还包括网络通信能力、数据资料、仪器设 备、甚至是人等各种相关的资源。 根据求解问题的特点，人们又提出了多种名称的网格，比如以数据密集型问 题的处理为核心数据网格，以解决科学问题为核心的科学网格，以全球地球系统 模型问题求解为主要目的的地球系统网格等等。此外还有地震网格、军事网格、 n a s a 的i p g 等行业网格。 那种认为网格就是仅仅通过网络把计算机、人、仪器、数据等连接起来的观 点是过时的，它过分强调了物理的网络和离散的网格资源，而没有将他们作为一 个有机的统一整体来看待。另外一种观点就是把网格看作是中间件系统，这种观 点也是不全面的。中间件的确在网格中占有很重要的地位，但是网格决不仅仅是 中i 日j 件。这两种观点都存在一定的片面性，第一种观点是过分强调网格物理上的 资源组成，第二种观点过分强调网格逻辑上的功能，只有将两者结合起来才是完 整的网格系统。物理资源本身和对资源的管理与逻辑上的抽象都是十分重要的， 而且两者也是密不可分得，他们是网格环境的两大核心组成要素。 2 1 2 网格的作用 网格是借鉴电力网的概念提出来的，网格的最终目的是希望用户在使用网格 计算能力时，就如同现在使用电力一样方便。我们在使用电力时，不需要知道它 是从那个地点的发电站输送出来的，也不需要知道该电力是通过什么样的发电机 产生的，不管是水力发电，还是通过核反应发电，我们使用的是一种统一形式的 “电能”。网格也希望给最终使用者提供的是与地理位置无关、与具体的计算设 施无关的通用的计算能力。图2 i 是对电力网和网格组成的简单对比示意图。 4 硕i 论文肇fw s r f 的多螺体叫格衍息服务系统的研究。j 实现 风力( 地点a ) 风力( 地点a ) r 一 一： ：1 m p p ( 地点e ) f ；-一； j 数据( 地点g ) i ： ；电力： 电力 ， 罴刘时_ y 旧 | 一面一| i 也 | 一粤寥一| i 电力 电力网构成示意图 一计舞。1j 计算 l 、一。一一 墨罴 因1t 二上f 1 图 厂南f 洄l 计算1l 计算 网格组成示意幽 网格和电力网都有各自资源的消费者和资源提供者，对于电力网来说资源提 供者就是发电站，对于网格来说资源提供者是计算机等：对于电力网来说资源消 费者就是各种消耗电能的设备，对于网格来说资源消费者就是使用网格计算能力 求解问题的用户。不管是电力网还是网格，他们都有覆盖范围广泛，而且组成资 源多样的特点。正如同电力网需要有大量的变电站等设施对电网进行调控一样， 网格中也需要大量的管理节点来维护网格正常运行。与电力网相比，网格的结构 更复杂，需要解决的问题也更多，但是它也会给我们带来更大的便利和帮助。 2 1 3 网格的特点 下面将分别从网格的分布性、自相似性、动态多样性以及管理的多重性等多 个方面，对网格特点展开介绍。 ( 1 ) 分布与共享 分布性是网格最本质的特点。网格的分布性首先是指网格的资源是分布的。 组成网格的计算能力是不同的计算机，各种类型的数据库乃至电子图书馆，以及 其他的各种设备与资源，是分布在地理位置互不相同的多个地方，而不是集中在 一起的。分布的网格一般涉及的资源类型复杂，规模较大，跨越的地理范围较广。 坝卜论义肇十w s r f 的多妖体| 埘播信息雕务系统的研究j 实现 网格资源虽然是分布的，但是他们却是可以充分共享的。即网格上的任何资 源都可以提供给网格上的任何使用者。共享是网格的目的，没有共享便没有网格， 解决分布资源的共享问题，是网格的核心内容。 分布是网格硬件在物理上的特征，而共享是在网格软件支持下实现的逻辑上 的特征，这两者对于网格来说都是十分重要的。 ( 2 ) 自相似性 自相似性在许多自然和社会现象中大量存在，一些复杂系统基本上都具有这 种特征，网格就是这样。网格的局部和整体之日j 存在着一定的相似性，局部往往 在许多地方具有全局的某些特征，而全局的特征在局部也有一定的体现。 例如，我们可以在一个实验楼罩建立个小规模的实验网格，然后可以把整 个学校的多个实验网格联系起来形成一个全学校的教学科研网格，不同学校之间 的内部网格可以互相连接起来形成一个高校之间的网格联盟，这一网格联盟又可 以成为全国网格的一个部分。这种整体和部分之间的相似性可以在多个阶段看 到。网格的自相似性在网格的建造和研究过程中有重要的意义。 ( 3 ) 动态性与多样性 对于网格来说，绝不能假设它是一成不变的。原来拥有的资源或者功能，在 下一时刻可能就会出现故障或者不可用：而原来没有的资源，可能随着时间的推 移会不断地加入进来。网格的动态性包括动态增加和动态减少两个方面的含义。 网格资源的动念变化特点要求网格管理必须充分考虑并解决好这一问题，对 于网格资源的动态减少或者资源出现故障的情况，要求网格能够及时采取措施， 实现任务的自动迁移，做到对高层用户透明或者尽可能减少用户的损失。 网格资源的动态增加需要提高网格的扩展性问题，也就是说在网格的设计与 实现时，必须考虑到新的资源能否很自然地加入到网格中来，并且可以和原来的 资源融合在一起。 网格资源是异构和多样的。在网格环境中可以有不同体系结构的计算机系统 和类别不同的资源，因此网格系统必须能够解决这些不同结构的、不同类别资源 之间的通信和互操作问题。 h ) 自治性与管理的多重性 网格上的资源，首先是属于某一组织或者个人的，因此网格资源的拥有者对 该资源具有最高级别的管理权限，网格应该允许资源拥有者对他的资源有自主的 管理能力，这就是网格的自治性。 但是网格资源也必须接受网格的统一管理，否则不同的资源就无法建立相互 之间的联系，无法实现共享和互操作。 因此，网格的管理具有多重性，一方面它允许网格资源的拥有者对网格资源 坝i 。论文 蜒十w s i 珥的多妖体州格信息服务系统的研究j 实现 具有自主性的管理，另一方面又要求网格资源必须接受网格的统一管理。 2 1 4 网格的应用 按照i 锄f o s t e r 和g i o b 懈项目组的观点，网格应用领域目i i i 主要有四类：分 布式超级计算、分布式仪器系统、数据密集型计算和远程沉浸。下面主要介绍中 国教育网格( c h i n a g r i d ) 中一些有代表性的应用项目。 c h i n a c 矾d 是出教育部发起，在十五2 l l ”二期支持下启动、得到国家科技部 8 6 3 高性能计算重大专项支持的公共服务体系。其目标是充分利用中国教育科研 网( c e r n e t ) 优良的基础设施和它上面丰富、优质的各类资源，在中国乃至全 世界建设一个最大、最先进、最实用的网格。c h i 眦g 剐聚合计算能力已经达到 1 5 万亿次，存储容量达1 5 0 t b 。c h i n a g r i d 在第一期时已成功部署生物信息、图 像处理、海量信息处理，大学课程在线、流体力学网格和数字博物馆等6 类应用。 1 ) 图像处理网格 图像处理网格是基于c h i n a g r i d 之上，直接利用其用户管理、系统安全、数 据访问和传输等功能，同时针对图像处理的特殊性而建立的网格范围的图像处理 应用平台。图像处理网格应用平台是一个集成的图像处理问题的解决环境，它将 充分利用中国国家教育与科研机构中已有的软件和硬件资源，为用户提供图像处 理的资源共享以及图像应用的高性能计算平台。图像处理网格会在网格环境中扩 展图像处理的功能，为用户提供更高性能和更高质量的服务。 ( 2 ) 生物信息学网格 生物信息学网格以用户透明的方式提供生物信息学计算服务，其主要特点 是：通过互联网，可方便地获得面向生物信息学的大型计算服务；提高网格内的 大型计算设备的服务质量和使用率；基于不同操作系统的生物信息学计算和研究 软件得到充分共享：通过一个统一的访问接口，使得异构的计算和研究软件可以 协同工作。 ( 3 ) 大学生课程在线网格 大学课程在线网格应用目的是向全国互联网用户提供至少2 4 0 0 个小时免费 的视频点播服务。视频的内容是中国高校优秀的课程录像。该应用所采用的技术 保证了优良的视频播放质量，秒级点播响应时间和服务的不间断运行。 ( 4 ) 计算流体力学网格 计算流体力学( c f d ) 网格平台是基于c h i n a g r i d 之上，直接利用其广域的大规 模计算资源管理、用户管理、系统安全、数据访问和传输等功能，同时针对计算 流体力学所应用的不同工程应用背景而建立的网格范围的多种c f d 软件集成的 应用平台。该平台提供不同的工业用户以及研究多方面的公共计算软件服务和特 鳓i 论文媾千w 瓯f 的多媒体i 畸格信息胜务系统的研究i 实现 有软件服务。 2 2 网格体系结构分析 网格体系结构就是关于如何建造网格的技术。它给出了网格的基本组成与功 能，描述了网格各组成部分的关系以及它们集成的方法或方式，刻画了支持网格 有效运转的机制。网格体系结构要能够说明网格整体是由哪些关键部分组成，但 是这还远远不够，网格体系结构还必须能够对各个部分的功能、目的、特点等进 行清晰地描述，使人们能够了解各个组成部分的作用。这些都是“分”的作用，在 “分”的基础上，网格体系结构还需要进一步描述“合”起来的功能，即在充分了解 网格的各个部分的作用机理、作用方式的基础上进行组织和集成，形成一个具有 特定功能的整体，从而对外提供服务。 目前，网格的体系结构主要有两种形式：五层沙漏结构和丌放网格服务结构。 前者以协议为中心，强调服务与a p l 和s d k 的重要性；后者以服务为中心，方 便灵活，因而应用更加广泛。构造开放网格服务结构的两个重要技术是：网格技 术和w e b 服务。它对w 曲服务不支持l 临时服务的问题进行了扩展，定义了“网 格服务”的概念。在这种体系结构中，一切都被看成是网格服务。因此，网格可 被看作是可扩展的网格服务的集合。 整个网格体系结构可以抽象成如下三层体系结构： 网格应用 网格平台 网格构件 幽2 2 网格体系结构抽象图 第一层，网格应用层。各种网格应用都设置在这一层。 第二层，网格平台层。用于屏蔽各种异构的软、硬件信息，为用户提供个 使用方便的、类似于统一操作系统的平台。 第三层，网格构件层。包括各种异构的软件、硬件和网络组件。 在这个体系结构中，第二层至关重要，它的功能直接关系到人们对网格的使 用，也关系到各种异构资源是否真j 下得到了充分使用。 8 坝i 论文犟十w s r f 的多嫘体h 格信息服务系统的研究o j 实现 2 2 1 五层沙漏结构 五层沙漏结构是一种影响十分广泛的结构，它的主要特点就是简单，主要侧 重于定性的描述而不是具体的协议定义，因此很容易从整体上进行理解下面分 别从五层沙漏的基本思想和功能两个方面进行介绍。 ( 1 ) 基本思想 在五层沙漏结构中，一个最重要的思想就是以“协议”为中心，也十分强调服 务与a p i 和s d k 的重要性。 五层沙漏结构并不提供严格的规范，它不是对全部所需协议的完整罗列，而 是对该结构中组件的通用性要求进行定义，建立这些组件的层次结构。 在以上基本概念的基础上，下面介绍一下五层沙漏结构中“五层沙漏”的含 义。五层沙漏结构根据该结构中各组成部分与共享资源的距离，将对共享资源进 行操作、管理和使用的功能分散在五个不同的层次，越向下层就越接近于物理的 共享资源，因此该层与特定资源相关的成分就比较多；越向上层就越感觉不到共 享资源的细节特征，也就是说上层是更加抽象的共享资源的表示，因此就不需要 关心与底层资源相关的具体实现问题。 第一层是应用层，是对外提供的服务、资源等； 第二层是汇聚层。完成的功能是如何将下面以单个资源形式表现出来的资源 集中起来，协调解决多个资源的距离最远，它关心的是有什么样的资源可以由下 面提供给虚拟组织，解决不同虚拟组织的具体问题； 第三层是资源层，它反映的是抽象的局部资源的特征； 第四层是连接层，主要是为下层的物理资源提供安全的数据通信。这是资源 之间进行互操作的的提，连接层使得孤立的单个资源之自j 建立了联系； 第五层是构造层，构造层面对的是一个个具体的物理( 也可以是逻辑的) 资 源，它通过对这些局部资源的管理，向上层提供对这些资源的管理和控制界面。 五层沙漏结构与网络协议结构具有参照对比性，五层沙漏结构与代p i p 网 络协议结构的对比如图2 3 所示。 颇i + 论文摹fw s r f 的多媒体h 格信息撇务系统的研究i 实现 1 ：具与应用 一 麻用层 目录与代理 诊斯与监控等 汇聚层 资源与服务的安全 资源与连接层 访问： + 各种资源 比如计算机、存储 构造层 介质、网络、传嬉 器等 幽2 3 五层沙漏结构与t c p i p 网络协议结构对比幽 五层结构的另外一个重要特点就是沙漏形状。其内在含义就是因为各部分协 议的数量是不同的，对于其最核心的部分，要能够实现上层各种协议向核心协议 的映像，同时实现核心协议向下层其它各种协议的映像。核心协议在所有支持网 格计算的地点都应该得到支持，因此核心协议的数量不应该太多，这样核心协议 就形成了协议层次结构中的一个瓶颈，在五层结构中，资源层和连接层共同组成 这一核心的瓶颈部分。 ( 2 ) 基本功能 五层沙漏结构的五层从下到上分别是构造层、连接层、资源层、汇聚层以及 应用层。下面对这五层的功能特点分别进行描述。 1 ) 构造层：网格构造层的基本功能就是控制局部的资源，向上提供访问这 些资源的接口。构造层资源是非常广泛的，可以是计算资源，存储系统，目录， 网络资源以及传感器等等。这里需要说明的是构造层资源可以是一个比较复杂的 系统，比如幽多台微机通过系统级网络连接形成的机群系统，在机群系统的内部， 为了实现通信和管理，必然有自身协议，这种协议是内部协议，和网络体系结构 中资源之间的外部协议是不同的。其他的构造层实体比如分行式文件系统，或者 分布式计算池等在实现过程中都可以有自己的内部协议。 另外，构造层资源提供的功能越丰富，则构造层资源可以支持的高级共享操 作就越多。比如，如果在资源层支持提前预留功能，则很容易在高层实现资源的 协同调度服务，否则在高层实现这样的服务就会有较大的额外开销；如果构造层 资源提供的功能较少，则网格结构的组织就可以比较简单，实现起来也就相对容 易一些。构造层应该实现的基本功能包括：查询机制( 发现资源的结构和状态等 信息) 以及控制服务质量等。 2 ) 连接层：支持便利安全的通信。连接层的基本功能就是实现相互的通信。 它定义了核心的通信和认证协议，用于网格的网络事务处理之中。通信协议允许 坝i 论义 摹十w s r f 的多媒体i q 格信息服务系统的研究j 实现 在构造层资源之自j 交换数据，要求包括传输、路由、命名等功能。在实际中这些 协议大部分是从t c p i p 协议栈中抽出的，比如网络层( i p ) 、传输层( t c p ，u d p ) 和应用层( d n s ) 。建立在通信服务之上的认证协议提供加密的安全机制，用于 识别用户和资源，安全机制是一个十分复杂的问题。网格安全方案应该为通信保 护提供各种灵活的支持，比如，保护级别的控制，不可靠协议独立数据单元的保 护，支持t c p 之外的可靠传输等，允许网格使用者来控制认证策略等。 3 ) 资源层：共享单一资源。资源层的主要功能就是实现对单个资源的共享。 资源层建立在连接层的通信和认证协议之上，定义的协议包括安全初始化、监视、 控制单个资源的共享操作、审计以及付费等。值得注意的是，资源层协议考虑的 完全是单个的局部资源，因此忽略了全局状念和跨越分布资源集合的原子操作。 4 ) 汇聚层：汇聚层的主要功能是协调“多种”资源的共享，而资源层的主要 功能则是与单个资源的交互。由于汇聚层建立在资源层形成的协议瓶颈之上，因 此不需要在资源上强加其他新的要求。 汇聚层功能可以作为永久的服务来进行实现，包括相关的协议，以及与应用 相关联的a p i s d k 。汇聚层的协同分配a p i 和s d k 可以使用资源层的管理协议 来操纵底层的资源，同时，在此功能之上，可以定义协同预留协议并实现一个协 同预留服务，它可以调用底层的协同分配a p l 来实现协同分配操作，还可能提供 附加的功能，比如授权、容错和同志等。 汇聚层组件可以通过裁减来满足特定的用户社团、虚拟组织或者应用领域的 需求，一个汇聚层s d k 可以用来实现特定应用的协议，或者特定网络资源集合 的协同预留服务，而另外的汇聚层组件可以实现更通用的目的，比如跨国界多组 织的存储系统的复制服务，或者用于发现虚拟组织的目录服务等。一般地，用户 社团的规模越大，基于标准化基础来建造汇聚层组件协议和a p i 就越重要。 5 ) 应用层：应用层是在虚拟组织环境中存在的。从应用程序员的观点看网 格结构，应用是根据在任一层次上定义的服务来构造的。在每一层，都定义了协 议，以提供对相关服务的访问，这些服务包括资源管理，数据存取，资源发现等。 在每一层，可以将a p l 定义为与执行特定活动的服务交换协议信息的具体实现。 这里的应用可以调用更高级的框架和库。 五层沙漏的核心思想可以和微内核的操作系统进行类比，即操作系统只实现 一些关键的基本功能，而把大量与特定设备有关和与应用有关的部分交给其它部 分来完成。一个小的核心是有利于移植的，也可以比较容易地实现和得到支持， 资源是多种多样的，应用需求更是复杂多变，因此定义好这样一个核心部分的意 义是非常巨大的。 顺i 论文培fw s r f 的多媒体| | 格竹息服务系统的研究o i 实现 2 2 2 开放式网格服务体系结构 丌放式网格服务体系结构o g s a ( o p e ng r j ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ) 是g l o b a l g r i df o r u m 4 的重要标准建议，是继血层沙漏结构之后最重要，也是目前最新的 一种网格体系结构，被称为是下一代的网格结构。 如果说血层沙漏结构是以协议为中心的“协议结构”，则o g s a 就是以服务为 中心的“服务结构”，如图2 - 4 所示。 幽2 4 0 g s a 结构图 这罩的服务是指具有特定功能的网络化实体，在五层沙漏结构中，强调的是 被共享的物理资源( 或者是这些资源所支持的服务) ，在o g s a 中，服务所指的 概念更广，包括各种计算资源，存储资源，网络，程序，数据库等等。简而占之， 一切都是服务。五层模型试图实现的是对资源的共享，而在0 g s a 中，实现的 将是对服务的共享。从资源到服务，这种抽象，将资源，信息，数据等统一起来， 十分有利于灵活的、一致的、动态的共享机制的实现，使得分布式系统管理有了 标准的接口和行为。 为了使服务的思想更加明确和具体，o g s a 定义了“网格服务”的概念。网格 服务是一种w e b 服务，该服务提供了一组接口，这些接口的定义明确并且遵守 特定的惯例，解决服务发现、动念服务创建、生命周期管理、通知等问题。在 o g s a 中，将一切都看成是网格服务，因此网格就是可扩展的网格服务的集合， 即网格：= 网格服务) 。网格服务可以以不同的方式聚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它们要操作和共享的服务来定义。 网格服务= 接口行为+ 服务数据。与五层模型一样，在o g s a 中也非常重视 互操作性。但是从服务的观点，0 g s a 将互操作性问题转化为两个子问题，即定 义服务的接口和识别激活特定接口的协议。五层模型是按照支持虚拟组织组件互 操作协议要求来构造的，更多的体现出一种解剖学的特点，而o g s a 强调的是 与协议相对应的服务，侧重于实体表现出来的行为特征，即特定对象的生理机能。 以网格服务为中心的模型有以下好处： 颀i 论文 摹于w s r f 的多媒体h 格信息服务系统的研究与实现 1 ) 由于网格环境中所有的组件都是虚拟的( 这里的具体含义是指对相同接 口的不同实现的封装) ，因此，通过提供一组相对统一的核心接口，所有的网格 服务都基于这些接口实现，就可以很容易地构造出具有层次结构的、更高级别的 服务。这些服务可以跨越不同的抽象层次，以一种统一的方式来看待。 2 ) 虚拟化也使得将多个逻辑资源实例映射到相同的物理资源上成为可能， 在对服务进行组合时，不必考虑具体的实现，可以以底层资源组成为基础，在虚 拟组织中进行资源管理。通过网格服务的虚拟化，可以将通用的服务语义和行为， 无缝地映射到本地平台的基础设施之上。 开放网格服务结构基于统一的w 曲服务框架。一个w 曲服务，就是一个可 以被u r i 识别的软件应用，它的接口和绑定可以被x m l 描述和发现，并且可以 通过基于i n t e m e t 的协议直接支持与其他x m l 消息的软件应用进行交互。 o g s a 是标准的w 曲服务框架。w 曲服务解决了发现和激发永久服务的问题， 但是在网格中，大量的是临时服务，因此o g s a 对w 曲服务进行了扩展，提出 了网格服务的概念，使得它可以支持临时服务的实例，并且能够动态创建和删除。 o g s a 的意义，就在于它将网格从以科学与工程计算为中心的学术研究领 域，扩展到更广泛的以分布式系统服务集成为主要特征的社会经济活动领域。 0 g s a 的重点是商业应用而不是像以前那样更侧重于科学与技术应用，但是其原 则和机制可以同时适用于两种环境。但是在商业的应用中需要无缝地和已有的服 务与资源，以及负载，安全，网络操作系统，可用管理工具等进行集成。o g s a 支持服务发现的特性方便了将高级网格服务功能向原始平台设施的映射与应用。 0 g s a 面向服务的特点允许我们在不同的层次上虚拟化资源，因此相同的机制与 抽象可以应用于多个组织之自j 的分布式网格支持的协作，或者跨越多个结点的主 机环境。 2 2 3o g s i 基础设施 o g s i 是构建o g s a 的基础设施，它的核心是网格服务规范。0 g s i 引入了 种网格服务的交互模型，通过提供发现、生命周期、状态管理、创建与销毁、 事件通知以及引用管理的接口，o g s i 为软件开发人员提供了一种统一的建模和 与网格服务进行交互的方式。根据这些接口的功能，可以把这些接口分为三组： 第一组是支持网格服务行为、服务数据元素和静态服务数据值的端口类型： 第二组是关于通知框架的端口类型： 第三组端口类型提供了网格服务组的概念。具体如表2 1 所示。 表2 - lo g s i 定义的网格服务接口 - 1 3 坝卜论文肇于w s r f 的多媒体埘格信息雕务系统的研究与宴现 端口类型操作描述 g r i d s e r v i c ef i n d s e r v i e d a t a 查询有关网格服务实例的多 种信息可扩展支持多种查询 语言 s e t t b n l a i n a t e t i m e设置和获取网格服务实例的 终止时间 d e s t r o v 终止网格服务实例 n o t i f i c a t i o n s o u r c es u b s c r i b e t b n o t i f i c a t i 基于消息类型和兴趣声明，订 o n 阅相关服务事件的通知。允许 t o p i c 利用第三方消息服务进行传 输 n o t i f i c a t i o n s i n kd e l i v e r n o t i f i c a t i o n 实现通知消息的异步传输 r e g i s t r yr e g i s t e r s e r v i c e执行网格服务句柄的软状态 注册 u 珈陀g i s t e r s e r v i c e反注册网格服务句柄 f a c t o “c r e a t e s e r v i c e创建新的网格服务实例 h a l l d l e m a p f i n d b y h a n d l e 返回与当前提供的网格服务句柄 有关的网格服务引用 2 3w s r f 资源框架 2 3 1w s r f 的相关规范定义 随着w 曲服务体系结构的不断演变和发展以及w s d l 2 0 与诸如 w s a d d r e s s i n g 这样的新兴w 曲服务标准的公布出现，人们开始考虑o g s i 将如 何利用这些扩展的w 曲服务特别是w s a d d r e s s i n g ，以及如何将o g s i 的功能和 w e b 服务体系结构整合在一起，并丌始意识到将0 g s i 的功能进行重新划分是比 较合适的。 因此，o g s i 被重新划分成为两大部分：w 曲服务资源框架( w s r f ) 和w 曲 服务通知规范( w s - n o “f i c a t i o n ) 。其中w s r f 为一套被提议的w 曲服务规范， 它根据特定的消息交换和相关的x m l 模式来定义给定的w e b 服务资源，并定义 了有状态资源的w 曲服务访问模式，阐明了如何将“状态”和w 曲服务结合的一 组w e b 服务约定。而w 曲服务通知规范则为w 曲服务提供基于消息的发布和预 定能力。 w s i 盯的目的是要阐明怎样把“有状态”加入到w 曲服务中。如表2 2 所示， 坝i 论文 堆十w s r f 的多妖体埘格信息服务系统的研究j 实现 w s r f 包括w 曲服务资源特性( w s r e s o u r c e p r o p e n i e s ) 、w 曲服务资源生命周 期( w s - r e s o u r c e l i f e t i m e ) 、w 曲服务可更新引用( w s r c n e w a b l e r e f e f e n c e s ) 、 w 曲服务基本错误( w s b 勰e f 鲫h s ) 和w e b 服务服务组( w s s e r v i c e g f o u p ) 规 范。虽然w 曲服务实现在它们交互的过程中并不维护状态信息，但是它们的交 互必须经常性地考虑状态操作，也就是说，数据值通过w 曲服务交互得以持久 化，并且作为w 曲服务交互的结果而保存。 w 曲服务资源是w 曲服务和有状态资源的组合，它根据隐式资源模式组织 w 曲服务与有状念资源之间的关系。隐式资源模式是一组关于w 曲服务技术尤 其是x m l 、w s d l 和w 曲服务寻址的约定，这些约定使得参与隐式资源模式的 资源状态可以被定义并与w 曲服务接口的描述相关联，有状态资源被当作出w 曲 服务所实现的消息交换处理过程的隐式输入。 w 曲服务寻址是新出现的w 曲服务标准，它将用来表示部署在特定网络端 点的w 曲服务地址的端点引用结构。端点引用包括w 曲服务的端点地址和其它 与w 曲服务相关联的元数据，例如服务描述信息和引用特性，它们有助于进一步 限定w e b 服务地址的使用。端点引用的引用特性在隐式资源模式中起着重要的 作用。 表2 2 w s r f 五人标准规范 命名 功能描述 w e b 服务资源特性规范描述相关的有状态资源和w 曲服务来产生w 曲服 ( w s r e s o u r c e p r o p e n i e s )务资源，以及w 曲服务资源的公共可见特性元素 如何重新获取如何更改和删除。w 曲服务资源的 特性声明代表了w 曲服务资源状态的一个投影或 一个视图。这种投影又代表了一种隐舍的资源类 型，可以用来通过w 曲服务接口定义访问资源特 性的基础。 w 曲服务资源生命周期规范允许请求者立即销毁或是预先计划在未来某个时 ( w s - r c s o u r c e l i 缸i m e )间点上销毁w 曲服务资源，这使得设计人员可以 灵活地设计他们的w e b 服务应用程序如何清除不 再需要的资源 w 曲服务可更新引用范围为某个w 曲服务寻址端点引用标注上相关信息 ( w s r e n e w a b l e r e f b r e n c e s )以便当目前引用无效时可以重新获得新的端点引 用 1 5 硕i 论文 基十w s r f 的多赠体h f 并信息服务系统的研究1 i 实现 w e