（计算机应用技术专业论文）基于网格的cscl资源协同机制研究.pdf

摘要 j i i i ii ii ii ii ii ii lrl liij y 18 912 8 0 计算机支持的协作学习c s c l ( c o m p u t e r - s u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v el e a r n i n g ) 是指利用计算机技术( 尤其是多媒体和网络技术) 来辅助和支持协作学习的一 种学习方法。当前c s c l 已经成为教育研究的一个热点，不断发展的协作学习 技术要求学习资源能够共享与重用，支持协同工作与多种模式的交互。网格 ( g r i d ) 是下一代互联网技术研究与应用的重要领域之一。网格主要研究在分 布、异构、自治的网络资源环境中动态建构虚拟组织并实现跨组织的资源共享 与协同工作，共享与协作是网格的基本理念。 本文将网格与c s c l 相结合，提出了基于网格的c s c l 资源协同平台模型， 研究了该模型的存储机制、资源发现及调度策略。主要研究工作及成果如下： ( 1 ) 基于网格的c s c l 平台模型研究。本文将网格技术应用于c s c l 系统， 提出了基于网格的c s c l 平台模型架构，该模型包括资源层、网格服务层、网 格中间件层以及应用层。 ( 2 ) 基于元数据的目录信息树资源存储模型的建立。该模型利用元数据统 一描述资源参数，消除c s c l 资源的异构性，目录信息树全局统一的资源组织 方式具有良好的可扩展性，合理分配资源。 ( 3 ) p 2 p 和网格结合的资源发现机制研究。该机制采用非集中式控制具有 易扩展、消除系统访问瓶颈和高效定位资源的特点。 ( 4 ) 基于经济模型的多维q o s 调度策略设计。该策略主要综合考虑时间、 价格和信誉度的多维q o s ，在满足时间或价格限制的前提下，达到负载均衡， 提高资源利用率的目的。对长度为1 0 0 0 0 的2 0 0 个任务，分别在d e a d l i n e 和 b u d g e t 一定的前提下用d b c 代价最优和本算法进行对比实验，结果表明本算法 降低了任务的平均完成时间，平衡了负载，提高了任务完成率。 c s c l 和网格结合的资源协同机制，强调了跨组织的资源协同和共享，将网 格应用到c s c l 中将会给其带来更大的机遇和发展。 关键词：计算机支持的协作学习，网格，资源协同机制，经济模型，g - r i d s i m a b s t r a c t c s c l ( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v el e a r n i n g ) i sal e a r n i n gm e t h o d w h i c hm a k e su s eo fc o m p u t e rt e c h n o l o g yt oa s s i s ta n ds u p p o r tc o l l a b o r a t i v e l e a m i n g ( e s p e c i a l l yt h em u l t i m e d i aa n dn e t w o r kt e c h n o l o g y ) t h e s ey e a r s ，c s c l h a sb e c o m eah o tt o p i ci ne d u c a t i o n 佗s e a r c kc o n s t a n td e v e l o p m e n to fc s c l d e m a n dt h el e a m i n gr e s o u r c ec a l lb es h a r e da n dr e u s e d , a n dm o r e o v e rs u p p o r tt h e i n t e r a c t i o no fc o l l a b o r a t i v ew o r ka n dm u l t i p a t t e r n g r i di sa l li m p o r t a n ta r e ao f r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h en e x tg e n e r a t i o no fi n t e r a c t t h eg r i dm a i n l yr e s e a r c h o nc o n s t r u c t i n gv i r t u a lo r g a n i z a t i o nd y n a m i c a l l yi nt h ed i s t r i b u t e d ，h e t e r o g e n e o u s ， a u t o n o m o u se n v i r o n m e n to fn e t w o r kr e s o u r c e sa n dr e a l i z i n gc r o s s - o r g a n i z a t i o n a l r 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 nw o r k ，s h a r i n ga n dc o l l a b o r a t i o ni st h eb a s i ci d e a o f g r i d t h i sp a p e rc o m b i n e sg r i da n dc s c l ，p r o p o s e sac s c lr e s o u r c ec o l l a b o r a t i v e m o d e l ，r e s e a r c ho l lt h es t o r a g em e c h a n i s ma n dr e s o u r c ed i s c o v e r ya n ds c h e d u l i n g s t r a t e g i e so f t h em o d e l ( 1 ) r e s e a r c ho nc s c lp l a t f o r mm o d e l a p p l yt h eg r i di nc s c ls y s t e m ， p r o p o s eac s c lp l a t f o r mm o d e lf r a m e w o r ki nt h i sp a p e r , t h em o d e li n c l u d e s r e s o u r c el a y e r , 鲥ds e r v i c el a y e r , t h e 鲥dm i d d l e w a r el a y e ra n da p p l i c a t i o nl a y e r ( 2 ) m e t a d a t a b a s e dd i r e c t o r yi n f o r m a t i o nt r e er e s o u r c es t o r a g em o d e l i nt h i s m o d e l ，u s e sm e m d a m d e s c r i b et h er e s o u r c e p a r a m e t e r s ，t o e l i m i n a t et h e h e t e r o g e n e i t yo fc s c lr e s o u r c e s ，au n i f i e dg l o b a lo r g a n i z a t i o no fd i r e c t o r y i n f o r m a t i o nt r e er e s o u r c e sh a sg o o ds c a l a b i l i t ya n dc a na l l o c a t er e s o u r c e sr e a s o n a b l y ( 3 ) r e s e a r c ho nc o m b i n a t i o no fp 2 pa n dg d dr e s o u l c ed i s c o v e r ym e c h a n i s m t h em e c h a n i s mh a san o n c e n t r a l i z e dc o n t r o la n de a s ye x p a n s i o n ，e l i m i n a t es y s t e m b o t t l e n e c k sa n dl o c a t et h er e s o u r c e se f f i c i e n t l y ( 4 ) m u l t i - d i m e n s i o n a lq o ss c h e d u l i n gp o l i c yd e s i g nb a s e do ne c o n o m i cm o d e l t h e s t r a t e g y t a k e si n t oa c c o u n tt h e t i m e ，p r i c e a n d r e p u t a t i o n o ft h e m u l t i - d i m e n s i o n a lq o s ，u n d e rt h ep r e c o n d i t i o no fm e e t i n gt h et i m ea n dc o s t c o n s t r a i n t s ，t oa c h i e v el o a db a l a n c i n ga n di m p r o v er e s o u r c eu t i l i z a t i o n f o rt h e2 0 0 t a s k sw h o s el e n g t hi s10 0 0 0 ，r e s p e c t i v e l y , u n d e rt h ep r e m i s eo fd e a d l i n ea n db u d g e t b s ed b co p t i m a lc o s ta l g o r i t h ma n dc o m p a r e d 、i t l lt h ea l g o r i t h mo ft h ea l g o r i t h m p r o p o s e dt h i sp a p e r , r e s u l t ss h o w t h a tt h i sa l g o r i t h mr e d u c e st h ea v e r a g ec o m p l e t i o n t i m eo ft a s k ，b a l a n c e st h el o a da n di m p r o v et h et a s kc o m p l e t e dr a t e r e s o u r c e sc o o p e r a t i v em e c h a n i s mo fc s c lb a s e d0 1 1g r i de m p h a s i z et h e c r o s s - o r g a n i z a t i o n a lc o l l a b o r a t i o na n ds h a r i n go fr e s o u r c e s ，a p p l yg r i di nc s c l w i l l b r i n gg r e a t e ro p p o r t u n i t i e sa n dd e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：c o m p u t e rs u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v el e a r n i n g ，g r i d , r e s o u r c e s c o o r d i n a t i o nm e c h a n i s m s ，e c o n o m i cm o d e l s ，嘶d s i m i 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及研究现状。l 1 1 1c s c l 概述。1 1 1 2c s c l 研究现状2 1 1 3 关注的问题3 1 1 4 网格技术在c s c l 上的应用3 1 2 主要研究内容。4 1 3 论文结构5 第二章网格技术概况及基于网格的c s c l 平台6 2 1 网格技术概述6 2 1 1 网格的定义一6 2 1 2 网格的特征。8 2 2 网格体系结构一9 2 2 1 五层沙漏结构9 2 2 2 开放网格服务结构o g s a 1 0 2 3 网格研究现状1 2 2 4 网格的c s c l 应用1 4 2 5 基于网格的校园c s c l 平台体系结构的研究1 4 2 5 1 平台的搭建1 4 2 5 2 平台的关键技术分析1 5 第三章c s c l 资源存储模型1 9 3 1 资源模型分析1 9 3 2 基于元数据的目录信息树资源模型2 0 3 2 1c s c l 元数据2 0 3 2 2c s c l 元数据的标准描述框架2 1 3 2 3c s c l 元数据树的组织和维护2 2 3 2 4c s c l 元数据的描述规范2 3 第四章p 2 p 和网格结合的c s c l 资源发现机制2 4 4 1 资源发现机制现状综述2 4 4 1 1 资源发现机制概述2 4 4 1 2 织女星网格中的资源发现机制原理2 4 4 2p 2 p 和网格结合的c s c l 资源发现机制2 5 4 2 1 概述2 5 4 2 3 模型设计2 6 4 2 4 算法描述2 7 第五章基于经济模型的c s c l 资源调度策略2 8 5 1 经济模型2 8 5 2d b c 调度策略3 0 5 3 多维q o s 权衡调度策略3l 5 3 1 信誉度简介3 3 3 4 3 5 3 6 3 9 3 9 4 0 4 8 4 8 4 8 4 9 ! ；：； 5 4 第一章绪论 i i 研究背景及研究现状 第一章绪论 美国阿岗( a r g o n n e ) 国家实验室的资深科学家、美国g l o b u s 项目的领导人、网格之 父f a nf o s t e r 曾在1 9 9 8 年出版的网格：一种未来基础设施蓝图一书中网格资源管理与 调度算法研究这样描述网格i l l ：“网格是构筑在互联网上的一组新兴技术，它将高速互联网、 高性能计算机、大型数据库、传感器、远程设备等融为一体，为科技人员和普通用户提供 更多的资源、功能和交互性。互联网主要为人们提供电子邮件、网页浏览等通信功能，而 网格功能则更多更强，让人们透明地使用计算、存储等其他资源”。简单地讲，网格是把整 个因特网整合成一台巨大的超级计算机，实现各种资源全面共享的计算平台。 随着计算机技术、多媒体技术、网络技术的迅速发展，计算机支持的协作学习( c o m p u t e r s u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v el e a r n i n g ，简称c s c l 2 1 ) 与网络技术紧密结合。当前，学习资源的 共享和协作是c s c l 最受关注的两个问题，它与网格的目标是一致的，因为网格的核心问 题是构建跨组织资源的协调共享和问题解决环境。教育是网格和c s c l 发展的一个共同的 重要应用领域，网格的发展将更好地支持全球化资源共享与协作i 3 】。因此，将网格应用在 c s c l 资源协同机制的研究上，具有较大的理论意义和应用价值。本节将从c s c l 概述、 研究现状、关注的问题以及网格技术在c s c l 上的应用四个方面来阐述研究背景。 1 1 1c s c l 概述 计算机支持的协作学 - - jc s c l ( c o m p u t e r - s u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v el e a r n i n g ) ，是由计算 机支持协同工作c s c w ( c o m p u t e r - s u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v ew o r k ) 与协作学习( c o l l a b o r a t i v e l e a r n i n g ) 的理论和教育方法结合而成的一种新学习方法。它利用计算机技术( 尤其是多媒 体和网络技术) 来辅助和支持协作学习。c s c l 不但能够充分发挥协作学习的优势，更能 够实现传统教室环境下无法开展的协作学习方式。身处不同地域的多个学习者，利用计算 机网络以及多媒体等相关技术，针对同一学习内容彼此交互和合作，以达到对教学内容的 深刻理解与掌握【4 】。计算机网络技术以及协同理论与方法为c s c l 提供了条件与基础。目 前人们对c s c l 持不同的观点： k o s c h m a n n 认为c s c l 是教育技术研究领域中的一种新模式【2 】，他指出c s c l 同其前 身c a i 、i t s 和l 0 9 0 a s l a t i n 相比，在学习、教育等方面具有非常大的不同。领域研究者 们针对c s c l 的提出了不同定义，如“c s c l 由研究问题的类型所驱动， 其工作主要趋向 于过程而不是结果”；“c s c l 关注的核心是观察数据和对研究现象的充分描述”。其中 k o s c h r n a n n 的观点代表了研究c s c l 领域的主流； l i p p o n e n 提出“c s c l 所关注的是如何通过技术促进协作学习，以增强伙伴之间的交 互和小组工作，协作和技术如何促进知识及专门技能在社区成员间的共享及分布”d l 。该 南京信息工程大学硕士学位论文 定义的核心观点是利用技术促进协作学习。该定义明确了c s c l 研究与开发的任务； 按照w i k i 百科的定义，c s c l 是通过联网的计算机为参与远程学习的学生提供协作和 合作学习优势的一种方法【6 】，如通过互联网或者数字教室提供课程。因此c s c l 的目的是 为了有效的共同学习而为学生提供支架或者支持。 总结起来主要可分为以下三种： ( 1 ) c s c l 是新的教学技术模式，它使用信息和通信技术作为协调工具，采用协作学 习方法进行学习，这些方法包括伙伴学习和辅导、互动教学、基于项目或者基于问题的学 习、仿真和游戏等。( 2 ) c s c l 研究如何通过计算机支持增强群组的交互和合作，通过协 作学习的方法和计算机技术手段来增加知识在群组成员中的共享和分布。( 3 ) c s c l 为群 体学习活动提供一种协作学习环境，完成概念学习、问题解决和设计任务。 1 1 2c s c l 研究现状 c s c l 研究不仅是教育学、计算机科学和信息技术等研究机构的研究课题，也列入了 政府部门的攻关课题，美国、欧洲都有多个部门联合开展c s c l 的研究项目。2 0 世纪9 0 年代以来，c s c l 系统的研究与开发受到极大重视，出现了很多极具特色的成果，并在教 学实践中得到应用。下面介绍几个国内外典型的协作学习系统r 7 1 。 1 c s i l e ( c o m p u t e rs u p p o r t e di n t e n i o n a ll e a r n i n ge n v i r o n m e n t ) 系统阎 c s i l e 是由安大略省教育研究院的s c a r d a m a l i a 和b e r e i t e r 为大学生和研究生层次的学 生开发，帮助他们思考如何处理研究文献的思想和课堂计划( s c a r d a m a l i a & b e r e i t e r ，1 9 9 4 ) 。 它是由文本和图形组成的一个协作学习环境和公共数据库，也是第一个为协作学习和探究 提供跨课程支持的网络系统。网络中的所有学生都能阅读并建立节点或者对彼此的观点进 行评论。已经做出的评论或者数据库中发生的改变将通知相关作者。为了协作知识建构， 设计了不同种类的标注形式和支持，以提高公共数据库的潜能。 2 k o l u m b u s 系统 k o l u m b u s 是在基于协作情境的通讯支持系统，由德国d o r t m u n d 大学信息与社会学系 的h e r r m a n n 和k i e n l e ( 2 0 0 1 ) 主持设计与开发。该系统采用基于文本的对话式通讯，在协 作参与者之间抽象识别普通通信任务，生成任务列表，它是协作学习环境中所需通讯支持 的基本依据。 3 c a m i l e ( c o l l a b o r a t i v ea n dm u l t i m e d i ai n t e r a e t i v el e a r n i n ge n v i r o n m e n t ) 系统 c a m i l e 9 j 是由a r p a 、国家科学基金、教育技术协会和g t e 基金会联合资助的研究项 目，在g u z d i a l 博士的指导下创立的一个协作学习环境，具有如下三个特色： ( 1 ) 促进学生识别他们为协作而形成的节点类型，并在这些种类的节点中标记某些内 容。 ( 2 ) c a m i l e 节点都具有直接的地址。 ( 3 ) c a m i l e 支持文件上传并作为节点的附件。 4 c o m e n t o r 系统 2 第一章绪论 c o m e n t o r 【l o 】是英国j t a p 资助的课题，其目标是为社会科学领域开发一个多用户学习 环境，它无须任何的特殊客户端软件。系统提供一个协作性虚拟环境，学生们可以参与同 社会科学和人类学相关的理论主题同步或异步讨论，同时提供一系列学习工具支持辩论和 协作工作。系统所开发或采用的工具包括共享性白板、概念图工具、讨论流程列表等等 5 w e b c l ( w e b b a s e dc o l l a b o r a t i v el e a r n i n g ) 系统i j 北京师范大学研发的基于w e b 的协作学习系统( w e b b a s e dc o l l a b o r a t i v el e a r n i n g ，简 称w e b c l ) ，已经成为一个独具特色的网络教学系统。w e b c l 既可独立用于协作学习教学， 也可作为组件整合到更全面的教学支撑系统中该系统拥有方便灵活的资源管理形式、丰 富的资源库和案例库，教师可以直接上传课件，也可以将因特网上的任何可访问的资源通 过w 曲c l 组织起来，供学生使用。w 妣l 为学生之间，以及师生之间提供了多种交互形 式，包括即时双向一对一的在线消息、异步单向一对多的公告、即时双向多对多的聊天室、 异步双向多对多的讨论区以及调查等 1 1 3 关注的问题 综合前面关于协作学习系统开发现状和发展趋势的分析，我们认为当前c s c l 研究 应重点关注以下问题： ( 1 ) 有效的资源共享机制和管理平台，实现c s c l 资源的有效聚合与广泛共享资源共 享是c s c l 永恒的主题。例如c s c l 中的远程教育的主要特征是师生处于时空分离状态， 学生主要通过学习资源获取知识和发展技能，因此。远程学习又称为基于资源的学习。但 是，目前远程教育系统的缺点之一就是：网络上出现了越来越多的远程教育系统，这些系 统是在不同的时间、由不同的机构、在不同体系结构的计算机上开发的，互不相通。用户 如果需要使用不同远程教育系统的资源，就需要以不同的身份分别注册、登陆。这使得网 络上的教育信息资源不能得到有效共享，形成了许多所谓“资源孤岛”。其次，提供了大量 的网上资源，但没有一个统一而且有效的资源管理平台，不能对资源充分利用与共享，这 也严重妨碍了c s c l 系统的进一步发展。因此，在c s c l 系统研究中，需要探索并建立一 个有效的资源共享机制和管理平台，实现c s c l 资源在更大范围有效聚合与广泛共享 ( 2 ) 有效的c s c l 资源协同机制，为c s c l 参与者进行全面协作提供有效的支持。 协作关系普遍存在于c s c l 中的参与者之间，这些协作活动具有动态、开放、跨组织 和大规模等特点，这是c s c l 研究中新的挑战性问题。为此，需要探索新的资源协同机制， 构建人系统人协同工作环境，为协同工作和协作学习提供全面有效的支持。 1 1 4 网格技术在c s c l 上的应用 不断发展的协作学习技术要求学习资源能够共享与重用，能够支持协同工作与多种模 式的交互。而网格则是“在动态变化的多个虚拟组织间共享资源和协同解决问题”。这实际 上己经蕴涵了网格对教育领域，尤其是c s c l 的重要意义。网格技术最大的特点是异构性、 动态性、共享性，作为一种广域的大规模分布式环境，网格资源拥有以下特点：资源的地 3 南京信息工程大学硕士学位论文 理位置分布广泛、资源之间、资源和用户以及用户与用户之间往往通过广域网连接：资源 之间要求一定程度的协同工作；资源工作于异构平台上，并且有不同的管理策略控制。 c s c l 系统与网格都具有分布性、异构性、动态性、自治性、协同性等特征，都具有 同一的目标：共享与协作。因此，可以利用网格计算技术来解决c s c l 系统问题，提高其 分布式计算、资源共享以及存储等能力。可以从多方面考察g r i d 与c s c l 相结合的可能性 与必要性。 ( 1 ) 提供统一的资源管理模型 网格打破了传统的强加在资源上的限制，将网络上大量分布与异构的资源进行统一管 理，为使用者提供一种前所未有的“高级服务”，这主要体现在： 地理位置无关性，即将资源从特定的地理位置的束缚中解放出来，达到网格资源与 地理位置无关的目的； 协作广泛，即对任何网格资源，在一定的规则约束和管理下，都可以实现相互协作， 打破不同资源之间在广泛共享与协作方面的障碍； o 提供资源的元属性，可打破原来在资源能力和资源类型方面的限制。因此，网格系 统提供的资源，是一个属性结合体，可以任意组合，动态进出网格环境。 ( 2 ) 实现资源共享，消除资源孤岛 网格可以将分布在各个异构系统中的计算机、存储设备、数字图书馆、数字博物馆、 论文、教学视频等海量信息资源集成起来，建立一个c s c l 资源管理系统，c s c l 参与者 可以充分利用这些分布的、异构的资源，并将资源有效整合，充分地进行资源共享和协作， 为自己的教学和学习服务。教师和学生通过单一入口访问系统，透明的访问他们所需要的 资源，不需要关心资源的异构性问题。 ( 3 ) 优化资源协同机制 网格的资源分布广泛，利用网格技术进行资源协同机制研究，为每个资源请求动态选 择最优的网格资源，使网格中的各个节点负载均衡，并提高整体效率。 ( 4 ) 为c s c l 提供跨组织群体协作 提供协同协作支持是c s c l 平台的重要服务之一，目前c s c l 平台的协作支持方式有 即时消息、视频音频会议、异步p 2 p 系统以及同步共享应用等。g r i d 与c s c l 的结合研究 已成为国际网格学术界的热门研究问题。 1 2 主要研究内容 本课题的研究内容，主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 基于网格的校园c s c l 平台体系结构的研究 利用网格基础设施解决c s c l 面临的资源共享、跨组织大范围协作等问题是目前的研 究热点。目前国际上正逐渐形成这一新的研究方向，美国、欧洲及中国均有研究人员从事 相关的研究。在c s c lg r i d 应用系统研发方面，有将传统的系统向网格环境迁移的研究， 也有正在进行的c s c l 网格原型系统开发。研究这些网格系统，能够了解网格在c s c l 方 4 第一章绪论 面的发展动向，把握不同网格体系之间的差别和优劣，使得在进行网格应用时，选择较为 合适的网格体系。 ( 2 ) 建立网格环境下c s c l 资源存储模型 广域分布资源共享是c s c l 的研究内容之一，我们主要关注的是网格环境下的c s c l 资源模型解决方案。分布在各个异构系统中的资源，包括物理资源和逻辑资源等，资源的 异构性问题，以及资源的动态增删属性使得资源浪费现象严重。将c s c l 中的物理资源和 逻辑资源的异构性屏蔽，同时实现资源增删信息实时更新，需要建立一种分布式网格资源 存储模型以便充分利用这些分布的、异构的资源并将资源有效地整合，充分地进行资 源共享和协作 ( 3 ) 网格环境下c s c l 资源发现机制研究 ( 4 ) 网格环境下c s c l 资源调度算法研究和设计 网格系统用户由于使用目的、时间约束、优先级以及花费预算等因素的不同，对资源 的需求也就不同如何为网格用户的任务分配合适的资源，从而满足用户需求并且保证花 费不超过预算，需要研究一种适合于c s c l 系统的资源调度算法。 ( 5 ) 利用g f i d s i m 进行实验模拟及结果分析 1 3 论文结构 本文的总体结构大体分为四个部分：第一部分理论研究，主要包括第一、二章：第二 部分基于网格的c s c l 资源协同机制研究，主要为第三章至第五章；第三部分系统仿真， 包括第六章；最后第七章总结全文。具体的内容安排如下： 第一章首先简单介绍了网格计算和c s c l 的研究背景：然后重点针对资源共享和协作 学习讨论了当前的研究现状和存在的问题：接着阐述了本文要研究和解决的问题以及采用 的研究策略。 第二章首先概述了网格技术的定义，阐述了网格的两种体系结构，然后讨论了目前网 格的研究现状，论述了网格在教育方面的应用，最后提出了基于网格的c s c l 资源协同机 制平台。 第三章分析了当前几种分布式资源存储模型，结合网格资源管理的重要性，建立了一 种将资源量化并消除资源异构性的分布式c s c l 资源模型。 第四章结合网格资源发现机制的研究和织女星网格中的资源发现机制原理，提出p 2 p 和网格结合的校园c s c l 资源发现机制。 第五章为本文的重点和核心。在d b c 代价最优算法的基础上，提出了基于经济模型的 多维q o s 权衡调度算法。 第六章首先介绍g f i d s i m 网格仿真平台，并将提出的算法在g f i d s i m 上进行仿真，最 后在仿真结果上分析该算法的性能。 最后第七章对整篇论文进行总结，并对未来工作进行展望。 5 等重要它公司。同时也出现了一些比较显著的技术基础，如g l o b u s 工具包，形成了具有相 6 第二章网格技术概况及基于网格的c s c l 平台 当规模和世界影响的g g f ( g l o b a lg r i df o r u m ) 组织，它大概有5 0 0 个人，共有2 0 多个国 家，g g f 成员对网格技术展开了非常热烈的讨论，提出了如o g s a 等重要标准草案。 从网格技术所处的不同层次可将网格技术划分为以下四类：网格应用技术、网格编程 技术、网格核心管理技术及网格底层支撑技术。如图2 1 所示 同格应用技术 网格编程技术 网格核心管理技术 冈格底层支捧技术 图2 1 网格技术层次划分 ( 1 ) 网格应用技术 网格的应用从科学界到工业界，从学术研究到实验，从大型公司到刚起步的小企业。 内容覆盖各种计算密集型、数据密集型、知识密集型和协作密集型的应用，解决象视频游 戏、故障诊断、地震探测、生物信息、天体物理、人体医学、航空航天、场景模拟、艺术 与娱乐和旅游服务等各类问题。 ( 2 ) 网格编程技术 在网格上进行程序设计的技术即网格编程技术包括编程环境( g 1 r 3 、u n i c o r e 、n e t 框架、织女星网格) 、编程模型( 远程过程调用、任务并行机制、消息传输、j a v a 编程等) 、 编程语言( j a v a 语言、剑、n e t 语言、h t m l 、j s p 、a s p 等) 等。 ( 3 ) 网格核心服务技术 网格核心服务非常重要，它是连接网格底层与高层功能的纽带，是协调整个网格系统 有效运转的中枢。它包括高性能调度技术、高吞吐率管理技术、数据收集分析以及可视化 技术、安全技术等几方面的技术，即涉及了网格的数据、资源、信息、通信、安全等方面 的管理。数据管理：数据访问、传输、存储、副本管理等。资源管理：资源的描述、发现、 选取和任务管理等。信息( 资源、用户、其他信息) 管理：信息的表示( 虚拟化) 、存储、 注册、更新、查询、注销、分发等。通信和安全：高效、安全的通信是网格的真正需要， 网格通信要保证信息的机密性、完整性、不可抵赖性。s o a p 是网格中实现交互的基本规 范，w s r o u t i n g 和w s r e f e r r a l 是s o a p 扩充，实现s o a p 消息的路由控制；x m l 加密、 x m l 签名、w s s e c u r i t y 是网格服务环境使用的基本安全规范：访问控制也是网格系统中 必需的安全机制。 ( 4 ) 网格底层支撑技术 7 和，这是网格之父在题为什么是网格中提到的。 ( 5 ) 支持开放标准 8 第二苹网格技术概况及基于网格的c s c l 平台 网格基于国际的开放技术标准。网格是基于o g s a ( 开放网格服务结构) 的，o g s a 采用了万维网服务的w s d i 和s o a p 规范。网格是一个开放、标准的系统。开放是指网格 系统面向所有的设备开放，只要遵守网格规则，任何设备都可以加入网格。标准是指网格 提供的接口是标准的。 2 2 网格体系结构 f o s t e r 将网格体系结构定义为“划分系统基本组件，指定系统组件的目的与功能，说 明组件之间如何相互作用的技术”。网格体系结构是网格系统的骨架，是进行网格设计和开 发的基础。目前比较重要的网格体系结构有两个，一个是f o s t e r 等人在早期提出的五层沙 漏结构u 1 ，另一个是结合w e bs e r v i c e 提出的开放网格服务结构o g s a l l 5 l ( o p e nc m ds e r v i c e s a r c h i t e c t u r e ) 。下面将重点介绍这两种体系结构。 2 2 1 五层沙漏结构 五层沙漏结构是一种早期的抽象层次结构，强调协议在网格的资源共享和互操作中的 地位。这一标准化的开放结构对网格的扩展性、互操作性、一致性以及代码共享都很有好 处。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，由下至上分别为构造层( f a b r i c ) 、连接层 ( c o n n e c t i v i t y ) 、资源层( r e s o u r c e ) 、汇聚层( c o l l e c t i v e ) 和应用层( a p p l i c a t i o n ) 。 下面对五层的功能特点分别进行描述。 ( i ) 构造层 构造层是网格中可以被共享的资源所在的层，该层包括计算设备、存储设备、目录、 分布式文件系统、分布式计算机池、计算机集群、网格、传感器、贵重仪器以及其它设备。 该层的功能是向上提供网格中可以用来共享使用的资源接口，网格通过支持设备共享的协 议来访问本地设备。网格管理软件中有相应组件监测可用的资源的特性、当前负荷、状态 等信息，并将这些信息提供给上层使用。 ( 2 ) 连接层 连接层是网格中处理通信与授权控制的核心协议层。构造层的各种资源间的数据交换 都在这一层的控制下实现。各资源间的授权验证、安全控制也在这里实现。在g l o b u s 工具 集中，相应组件采用公钥的网格安全基础协议。在此协议中提供一次登陆、委托授权、局 域安全方案整合、基于用户的信任关系等功能。 ( 3 ) 资源层 资源层的作用就对单个资源实施控制，与可用资源进行安全握手，对资源进行初始化， 监测资源运行情况，统计与付费有关的资源使用数据。该层使用连接层的通信和安全协议， 实现资源共享的安全协商、启动、控制、监控、记账、付款等。另外资源层协议有信息协 议和管理协议两种。 9 南京信息工程大学硕士学位论文 聚层 作用是将资源层提交的受控资源汇聚在一起，供应用程序共享使用。汇聚层 、资源分配、日程安排、资源代理、资源监测诊断、网格启动、负载控制、 能，协调多个资源之间的工作，有跨资源集合的交互协议和服务。 用层 在虚拟组织环境中存在的。包括用户代码和网格调用两部分。网格应用可以 层提供的有用服务。 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、 在每一层，可以将a p i 定义为与执行特定活动的服务交换协议信息的具体实 之所以形如沙漏，是由各部分协议数量的分布不均匀引起的。考虑到核心的 方便性，核心部分的协议数量相对比较少，对于其最核心的部分，要实现上 的顶层) 向核心协议的映射，同时实现核心协议向下层协议( 沙漏的底层) 定义，核心协议的数量不能太多，这样核心协议就成了一个协议层次结构的 结构中，资源层和连接层共同组成了瓶颈部分，使得该结构呈沙漏形状，如 2 2 2 开放网格服务结构o g s a 图2 - 2 五层沙漏结构图 开放网格服务结构o g 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 ) 是g l o b a lg r i df o r u m4 的 重要标准建议。是继五层沙漏结构之后最重要、最新的一种网格体系结构，被称为下一代 的网格结构，如图2 - 3 所示。其中心思想是：以服务为中心的模型；统一的w e bs e r v i c e 框 架；突破科技应用领域。建造o g s a 的两大支撑技术是网格技术( 如g i o b u s 软件包) 和 w e bs e r v i c e 。五层模型与o g s a 都相当重视互操作性，但o g s a 更强调服务的观点，将互 操作性问题转化为定义服务的接口和识别激活特定接口的协议。o g s a 网络体系结构模型 1 0 第二章网格技术概况及基于网格的c s c l 平台 如图所示，有四个主要层次：物理与逻辑资源、定义网格服务的w e b 服务与o g s i 扩展、 基于o g s a 架构的服务，以及网格应用程序。 ( 1 ) 物理和逻辑资源层 资源的概念是o g s a 以及通常意义上的网格计算的中心部分。构成网格能力的资源并 不仅限于处理器。物理资源包括服务器、存储器和网络。物理资源之上是逻辑资源。它们 通过虚拟化和聚合物理层的资源来提供额外的功能。通用的中间件，比如文件系统、数据 库管理员、目录和工作流管理人员，在物理网格之上提供这些抽象服务 ( 2 ) w 曲服务与o g s i 扩展层 o g s a 架构中的第二层是w e b 服务与o g s i 扩展层。