（计算机应用技术专业论文）网格环境下主动服务资源组织与检索技术研究.pdf

中文摘要 计算机网络经历了网络互联、万维网，正在向大规模的分布式网格计算阶段 发展。网格计算是把i n t e r n e t 上的计算资源、存储资源、服务资源等信息资源虚 拟化并集中为可共享的服务集，提供统一的服务接口，根据用户需要重新分配。 网格计算的核心在于跨地域、跨组织的资源共享。 主动服务是在w e b 服务的基础上发展而来的一种按需计算的新型计算模式。 它为普通用户提供一种综合化、智能化、个性化的网络服务解决方案。根据用 户的服务需求，从i n t e r n e t 或本地网络中搜索、发现、挖掘出能够满足用户需求 的构件资源，组装、编译并发布，为用户提供服务。 基于网格计算的资源共享机制，构造主动服务构件资源库，并实现主动服务 技术。本文主要研究了网格环境下的主动服务模型、网格全局资源与本地资源 的映射方法及网格资源发现机制和检索方法。在网格中实现主动服务，构件资 源库的构造是连接网格计算与主动服务的纽带，网格资源的发现及检索方法也 将影响到主动服务技术的实现，本文的具体研究工作如下： 根据网格计算的几种体系结构及主动服务的实现机制，介绍了网格环境下的 主动服务模型，对该模型进行了分层讨论，分为主动服务层、协议控制层、网 格服务接口层和资源组织层。协议控制层是实现网格环境下主动服务技术的关 键，资源组织层是两者联系的基础。 网格资源具有分布、异构、动态等特性。根据这些特性研究了基于w s r f 的全局资源与本地资源间的映射算法，实现了网格环境下全局动态资源的高效 实时的定位和访问。 最后，重点研究了网格资源的组织与检索方法。网格资源的发现机制分为 对等网格资源发现机制与分层网格资源发现机制，对这两种资源发现机制的算 法及实现方法做了详细的介绍，并通过实验分析了算法性能，做了详细的比较 分析。g l o b u st o o l k i t 是网格计算的重要软件工具包，对于g l o b u s 的资源检索方 法也通过实验做了对比分析f 关键字：网格计算，主动服务，服务发现，构件检索 a b s t r a c t c o m p u t e rn e t w o r ki sm o v i n gi n t oal a r g e - s c a l ed i s t r i b u t e dg r i dc o m p u t i n gs t a g e ， h a v i n ge x p e r i e n c e dt h ed e v e l o p m e n ts t a g eo fi n t e r n e ta n dw o r l dw i d ew e b g r i d c o m p u t i n gi sv i r t u a l i z a t i o na n dp o o l i n go fi tr e s o u r c e ss u c ha sc o m p u t ep o w e r , s t o r a g e ，n e t w o r kc a p a c i t y , a n ds oo ni n t oas i n g l es e to fs h a r e ds e r v i c e sa n du n i f i e d i n t e r f a c e st h a tc a nb ep r o v i s i o n e do rd i s t r i b u t e d ，a n dt h e nr e d i s t r i b u t e da sn e e d e d t h e k e r n e lo fg r i dc o m p u t i n gi sc r o s s r e g l o n a la n di n t e r - o r g a n i z a t i o n a lr e s o u r c es h a r i n g a c t i v es e r v i c ei san e w l yo n d e m a n dc o m p u t i n gp a t t e r nb a s e do nt h ee v o l u t i o n o fw e bs e r v i c e i tp r o v i d e su s e r sw i t ha ni n t e g r a t e d ，i n t e l l i g e n ta n dp e r s o n a l i z e dw e b s e r v i c e ss o l u t i o n s a c c o r d i n gt ou s e r s s e r v i c er e q u i r e m e n t s ，s e a r c h ，d i s c o v e ra n dd i g o u tt h ec o m p o n e n t st h a tm e e tr e q u i r e m e n t so fu s e r sf r o mi n t e r n e to rl o c a ln e t w o r k , a n dt h e na s s e m b l e ，c o m p i l ea n d p u b l i s ht h es e r v i c et ou s e r s o nt h eb a s i so fg r i dr e s o u r c e s h a r i n gm e c h a n i s m ，c r e a t ea c t i v e s e r v i c e s c o m p o n e n tr e s o u r c er e p o s i t o r y , a n dt h e na c h i e v ea c t i v es e r v i c e st e c h n o l o g y t h i s p a p e ri n t r o d u c e sa na c t i v es e r v i c em o d e lu n d e rt h eg r i de n v i r o n m e n t ，m a p p i n g a l g o r i t h mo fg l o b a lr e s o u r c e sa n dl o c a lr e s o u r c e s ，m e c h a n i s m sf o rg r i dr e s o u r c e d i s c o v e r ya n dr e s o u r c er e t r i e v a lm e t h o d so fg l o b u st o o l k i t i no r d e rt oi m p l e m e n t a c t i v es e r v i c e sm o d e lu n d e rg r i de n v i r o n m e n t ，c o m p o n e n tr e s o u r c er e p o s i t o r yi st h e l i n kb e t w e e ng a dc o m p u t i n ga n da c t i v es e r v i c e s g r i dr e s o u r c ed i s c o v e r ya n d r e t r i e v a lm e t h o d sw i l la f f e c tt h ei m p l e m e n t a t i o no fa c t i v es e r v i c et e c h n o l o g i e s i na w o r d ，t h es p e c i f i cr e s e a r c h e sa r ea sf o l l o w s ： a c c o r d i n gt os e v e r a lg r i da r c h i t e c t u r e sa n di m p l e m e n t a t i o nm e c h a n i s m so f a c t i v es e r v i c e ，a na c t i v es e r v i c e sm o d e lu n d e rt h eg a de n v i r o n m e n ti si n t r o d u c e d t h e m o d e lc a nb ed i v i d e di n t of o u rp a r t s ：a c t i v es e r v i c el a y e r , p r o t o c o lc o n t r o ll a y e r , g a d s e r v i c ei n t e r f a c el a y e ra n dr e s o u r c eo r g a n i z a t i o nl a y e r p r o t o c o lc o n t r o ll a y e ri s c r i t i c a lt e c h n o l o g yi nt h ei m p l e m e n t a t i o no fa c t i v es e r v i c e su n d e rg a de n v i r o n m e n t a tt h es a m et i m e ，r e s o u r c eo r g a n i z a t i o nl a y e ri st h ef o u n d a t i o no ft h e s et w o t e c h n o l o g i e s g r i dr e s o u r c e sa r ed i s t r i b u t e d ，h e t e r o g e n e o u sa n dd y n a m i c a c c o r d i n gt ot h e s e f e a t u r e s ，m a p p i n ga l g o r i t h mo fw s r f b a s e dg l o b a lr e s o u r c e sa n dl o c a lr e s o u r c e si s h r e s e a r c h e dt oa c h i e v eg l o b a lr e s o u r c e s e f f i c i e n ta l l o c a t i o na n dr e a l t i m ea c c e s s f i n a l l y , g r i dr e s o u r c eo r g a n i z a t i o na n dr e t r i e v a lm e t h o d sa r et h ek e ya s p e c t so f t h i sp a p e r g r i dr e s o u r c ed i s c o v e r ym e c h a n i s mi sd e l i v e r e di n t op e e rg r i dr e s o u r c 宅 d i s c o v e r ym e c h a n i s ma n dt h eh i e r a r c h i c a lg r i dr e s o u r c ed i s c o v e r ym e c h a n i s m t h e s e t w or e s o u r c e d i s c o v e r y m e c h a n i s m sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e di nd e t a i l a d d i t i o n a l l y , a l g o r i t h mp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e da n dp r e s e n t e db ye x p e r i m e n t s g l o b u st o o l k i ti sa ni m p o r t a n ts o f t w a r et o o l k i tf o rg r i dc o m p u t i n g r e s o u r c e s s e a r c h i n gm e t h o d so fg l o b u si su n d e r g o n e ac o m p a r a t i v ea n a l y s i sb ye x p e r i m e n tt o o k e yw o r d s ：g r i dc o m p u t i n g ，a c t i v es e r v i c e s ，s e r v i c ed i s c o v e r y , c o m p o n e n tr e t r i e v a l i i i 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。 签名：主堕i 垒日期： 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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 彩? 七一 研究生( 签名) 孛歪氓导师( 签名) 互泽岛期：如0 f 2 j 。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 1 1 1 研究背景 第1 章绪论 计算机网络和i n t e m e t 的出现，使人类的生活发生了巨大的变化。从最初的 计算机互联、资源共享和数据传递到现在的大规模数据共享和应用服务，互联 网技术的飞速发展和广泛应用，推动了人类科技的进步，同时也推动了基于网 络应用的新技术和新服务的出现。特别进入2 1 世纪以来，网格计算及w e b 服务 等技术的出现，使人们对网络应用的需求发生了深刻的变化。大规模的、按需 计算的服务模式正进入人们的生活。 计算机网络经历了网络互联、万维网，正在向大规模的分布式网格计算阶 段发展；软件开发也从瀑布开发模型到基于组件的w e b 服务，正朝着基于构件 开发的主动服务方向发展，同时软件及服务( s a a s ) 、平台即服务( p a a s ) 、基 础设施即服务( i a a s ) 也逐渐走入人们的视野并成为新兴的网络应用，网格计算 与主动服务技术的交叉融合必将成为未来的新应用。 目前互联网上有成千上万的p c 机，与之伴随着的问题即是电脑的利用率问 题，越来越多的电脑处于闲置状态，即使在开机状态下个人电脑的计算资源也 没有完全被利用。因此，网格计算就是要充分利用互联网上的计算资源，将分 布在各地的计算资源互联成一个虚拟的超级计算机，同时具备数据共享和服务 共享等功能，智能的、实时的为外界提供相应的服务【。随着互联网和软件开发 技术的发展，人们发现当今的网络服务不能完全满足人们的需求，例如w 曲服 务的功能扩展性不好、不能根据用户的需求提供按需服务，主动服务就是在这 样的一个背景下提出来了。主动服务是w e b 服务的发展，具有智能化、个性化、 自动化、综合化等特点，它可以根据用户的需求实时的、快速的给用户提供个 性化的软件服务，当用户的需求发生变更时，主动服务可以敏捷的随之变化， 实现了软件应用从以计算机为中心到以人为中心的转变【2 1 。网格计算把i n t e r a c t 上一些闲置的计算资源利用起来，形成强大的构件资源库，同时还充分利用网 格计算环境形成数据共享，并提供相应的网格服务，在网格服务的基础上为以 武汉理工大学硕士学位论文 人为中心，根据用户的需求实时的提供主动服务。 网格计算( g r i dc o m p u t i n g ) 起源于上个世纪9 0 年代，它代表先进的技术 和基础设施，被称为下一代的i n t e r n e t 。网格计算是伴随着互联网迅速发展起来 的，利用互联网把分散在不同地理位置的电脑和终端组织成一个“虚拟的超级 计算机 ，每一个终端就是一个节点，而成千上万的节点就组成了一张网格。在 这张智能的计算能力强大的网格上可以为用户提供各种各样的网络服务和共享 数据i 圳。 主动服务技术是在w e b 服务的基础之上演变而来的，它是一种全新的计算 模式。w e b 服务存在两个主要的不足【1 】： ( 1 ) 在实现层次上，模块相对固定，基于固定的计算模块，不能对功能进行 扩展。 ( 2 ) 在使用层次上，现有的服务基于静态的部署方法而不能实时的感知用户 的需求变化，因而还不能实现面向用户的按需“服务的需求。 主动服务克服了w e b 服务的不足，它根据用户的需求，从i n t e r a c t 或本地网 络中搜索、发现、挖掘出能够提供用户服务需求的程序，经过组装、编译和执 行，为用户提供多样化的应用和服务。而随着i n t e r a c t 和网格技术的发展，网格 计算环境下为用户提供实时的、智能的、个性化的服务必将成为未来计算机网 络应用的重点。 1 1 2 研究意义 网格计算是下一代的i n t e m e t ，各国政府都在着力建设自己的网格。网格计 算的最初目的是连接分布在全世界各地的超级计算机，支持多个站点的计算资 源和数据资源以协调大规模应用研究。网格可以看成是一个地理上分布的计算 平台，由异构资源组成，用户通过一个单一的统一的界面来访问，其特点是协 同资源共享、单一系统镜像、资源广泛和多样性。而网络应用正朝着带主动服 务机制的云计算方向发展，因此二者的结合将具备广泛的应用前景。 现有网格计算的研究工作主要侧重于网格体系结构、w e b 服务本身的核心 领域技术以及网格资源共享标准的建设，对于网格服务资源与用户网络应用需 求之间的映射求解方法与主动服务框架的实现机制探讨较少，因此在网格平台 上，提出主动服务技术，有较深远的意义1 3 l 。网格平台将彼此异构的各种资源整 合起来向外界提供接口统一的各种服务资源，提供了强大的资源库，为主动服 2 武汉理工大学硕士学位论文 务的本地构件资源库提供了资源保证。在此基础上实现主动服务，为用户提供 实时的，个性化的主动服务，不断可以充分利用互联网上的各种资源，同时还 可以扩充构件资源库，大大的扩充了主动服务的资源库的容量，也提高了主动 服务程序挖掘的效率。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 网格计算的研究现状 从上个世纪9 0 年代到今，随着分布式计算及网络应用的发展，网格计算仍 然是当今计算机领域的一个研究热点。网格计算起源于美国，目前网格的研究 主要集中在美国和欧洲，并朝着以商业应用与科学研究为目标的方向发展。如： 面向万维网服务( w e bs e r v i c e ) 的架构( s e r v i c eo r i e n t e da r c h i t e c t u r e ，s o a ) 。2 0 0 2 年2 月发布的开放网格服务结构把万维网服务与计算数据网格结合起来，建立 了以服务为核心的开放网格服务结构( o p e ng r i ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e ，o g s a ) 。 2 0 0 4 年1 月，又出现了万维网服务资源框架( w e bs e r v i c er e s o u r c ef r a m e w o r k , w s r f ) p a 替代o g s a 体系结构。这个阶段网格计算的主要特点是面向服务的网 格计算结构【4 1 。 当今，各个国家的政府和企业都纷纷投入大量资金，英国政府投资超过1 亿英磅建设英国国家网格；美国政府用于网格基础研究的经费就超过了5 亿美 元，同时美国军方投巨资建立“全球信息网格”( g l o b a li n f o r m a t i o ng r i d ，g i 研， 预计2 0 2 0 年完成；欧盟也投入巨资建设一系列网格基础设施和面向具体应用的 专业网格1 1 0 1 。 网格起源于美国，并且美国政府、大型研究机构以及公司的资金投入及研 究都走在世界前列，建立了横跨东西海岸的网格试验床，开发了具有全球影响 力的一系列软件工具包，如g l o b u st o o l k i t ( 至今已经到5 0 版) 、c o n d o r ( 至今 已经到7 5 版) 。 c e r nd a t a g r i d 由欧盟创建，该项目旨在建立一个计算和数据密集的网格资 源用于分析来自信息爆炸的大量数据。u n i c o r e 项目主要目标是建立欧洲网格 计算基础框架，开发相应工具以实现用户对高性能计算资源简易、无缝的访问。 同时美国许多大公司也纷纷加入到了网格计算研究与开发的行列，如m m 、 o r a c l e 、m i c r o s o f t 等公司，都宣布了自己的战略开发计划。 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 0 0 2 年8 月，i b m 公司提出o n d e m a n dc o m p u t i n g ( 按需计算) ，宣布在网 格计算领域投资4 0 亿美元，在全球建设4 0 家数据中心，正式进入网格计算领 域【1 1 1 。 o r a c l e 公司在2 0 0 7 年7 月推出针对网格的数据库o r a c l el l g ，o r a c l e 应用服 务器和o r a c l e 企业管理器1 1 ，这些都是特别为下一代计算技术企业网格设计的 基础架构软件。 我国的网格研究及网格基础设施建设也正在紧张进行中。我国已经完成了 网格研究项目主要有清华大学的先进基础设施a c l ( a 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 ) 和以中科院为主的国家高性能计算环境n h p c e ( n a t i o n a lh i g h p e r f o r m a n c ec o m p u t i n ge n v i r o n m e n t ) 。由教育部与i b m 合作共建的、投资2 0 0 0 万人民币“中国教育科研网格项目 ( c h i n a g r i d ) 于2 0 0 3 年1 0 月正式启动。国内 正在进行的其他网格研究项目有：由航天二院和清华大学共同开展的“仿真网 格刀，由中科院计算机所领衔开发的“织女星网格等等【1 2 1 。 1 2 2 主动服务的研究现状 主动服务是在w e b 服务的基础上发展而来的，用来解决未来网络服务的智 能化、个性化和综合化问题。国内外有关主动服务的研究还处在初始阶段，无 论是主动服务的概念和定义，还是主动服务模型和框架结构，以及框架结构中 的每一层所包含的协议及描述语言都不成熟，还需要做更加深入的探讨和进一 步研究，而且相应的标准及规范还有待制定。 近年来，主动服务的构件描述、构件检索、构件组装及程序挖掘各领域的 研究均取得了长足的进步，同时在构件规范方面也取得了相应的进步，各个组 织和公司纷纷在创建自己的构件库，如o m g 的c o r b a ，m i c r o s o f t 的c o m ， s u n 的j a v a b e a n e j b ，同时国内的北大青鸟也在构建青鸟构件库【1 6 1 。 构件描述是基于构件的软件开发和构件复用过程的一项关键技术。构件描 述规定了一个构件所需的结构和内容，是对构件进行组织、存储、检索与浏览 的基础。通用构件描述语言( u c d l ) 也成为构件描述的主要方法。 软件复用技术的进一步发展也推动了构件组装技术的发展，构件组装技术 也是主动服务的核心，构件组装需要一个框架，并且用某种语言精确、正确的 描述出来，才能作为构件组装自动机的输入。目前这种通用性较强的构件组装 平台还没有出现，一般都是通过客户程序员手工交互方法实现的。因此智能化 4 武汉理工大学硕士学位论文 自动化的组装平台也是主动服务实现的一个核心问题。我国从事这方面研究的 机构也有很多，如北京大学软件工程研究所、上海普元、互联网实验室、中国 科学院软件研究所、清华大学等。其中北京大学软件工程研究所的青鸟工程已 经取得了丰富的成果，在构件组装体系结构，构件组装的机制以及构件组装行 为推导方面均取得了丰硕的成果。清华大学的张尧学等人也在主动服务领域的 研究也取得了很大的进步，对主动服务的框架及服务实现机制等关键技术都有 很深入的研究1 1 6 j 。 1 3 主要研究内容 本文在网格计算的基础上，通过网格服务提供通用统一的本地构件库来实 现主动服务技术。提出了主动服务的基本框架，对网格环境下主动服务的构件 资源组织、检索及服务发现进行了深入的理论研究，并深入研究了网格资源的 映射算法及实现机制。 本文主要研究工作如下： 1 介绍网格计算的概念及网格计算开放式体系结构及网络服务资源框架。 2 介绍主动服务的概念模型及主动服务的构件描述语言，同时对主动服务 的构件资源组织、检索、组装、程序挖掘、服务发布等技术做了深入的研究。 3 介绍基于网格计算的理论基础，通过网格服务构件主动服务的本地构件 资源库实现主动服务技术，提出基于网格计算的主动服务框架。并且介绍了网 格中全局资源与本地资源的映射算法及实现过程。 4 主动服务的实现模型包括若干个环节，本文针对网格计算的特点，着重 研究了网格计算环境下主动服务中构件资源的组织、存储、检索等技术。 5 在网格及主动服务理论的基础上，模拟了网格下两种资源发现机n - 对 等资源发现机制和分层资源发现机制，通过实验对两种发现机制做了深入的比 较。还介绍了几种常见的资源检索方法。 1 4 本文组织结构 本文的章节组织结构如下： 第1 章：绪论。介绍本课题的研究背景及意义，国内外的研究现状、主要 研究内容及本文的组织安排形式。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章：网格计算体系结构。介绍了网格计算的概念、发展阶段及网格体 系结构。重点讲述了网格的体系结构及与w e b 服务的结合提出的网格服务概念。 第3 章：主动服务技术及构件技术。介绍构件描述及构件转换、描述等内 容，同进还讲述了主动服务的服务发现、构件组装、程序挖掘等内容。介绍了 主动服务的模型。 第4 章：网格环境下主动服务系统实现框架。重点介绍了框架结构实现的 每一层协议，研究了网格环境下的全局资源和本地资源的映射方法。 第5 章：网格资源的组织与检索。本章首先介绍目前常用的构件描述方法 及存储组织方法，再结合网格计算环境，提出在网格环境下构件资源的组织与 检索方法，对二者进行深入的比较分析。 第6 章：总结与展望。本章对全文做了总结，对于本课题的研究工作做了 总结分析并对将来的研究工作做了展望。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章网格计算体系结构 2 1 网格计算与w e b 服务 2 1 1 网格计算的概念 网格( g r i d ) 被认为是继i n t e m e t 、w e b 之后的第三次技术浪潮。1 9 9 8 年， f o s t e r 和k e s s e l m a n 在合作编著的网格：新一代计算基础设施蓝图一书中首 先提出了网格的概念：“计算网格是一种硬件和软件基础设施，能够提供对高端 计算能力的可靠、一致、无处不在且并不昂贵的访问。经过十多年的研究和发 展，网格计算主要关注如何在分布、异构、自治的网络环境中动态构建虚拟组 织并实现跨越自治域的资源共享与协同工作1 1 】。 也可以认为网格计算是把计算资源、存储资源、网络存储等信息资源虚拟 化并集中成为一个单一的可共享的服务集，然后根据需要重新分配。如同一个 电力组织在不影响客户服务水平的情况下应对客户对电力需求的变化。从网格 用户看来，网格系统就好像是一台大的虚拟计算机，各种资源可以被透明的使 用【3 引。图2 1 为网格计算的概念模型： 图2 1 网格计算概念模型 7 武汉理 - 大学硕士学位论文 网格计算基于四个基本技术原则：硬件和软件组件的标准化来减少不兼容， 同时简化配置和部署；虚拟化的i t 资源集中为可共享的硬件和软件资源；网络 节点管理的自动化，包括资源配置和监测；分布式的异构资源的共享【3 3 】。 1 标准化。通过标准化操作系统、服务器、存储硬件、中间件和网络组件， r r 部门将拥有着更大的协同操作性并减少的部门的管理工作量。通过简化应用 程序部署、配置、和一体化，标准化还有助于减少数据中心的操作复杂性。 2 虚拟化。虚拟化的1 1 r 资源是指应用程序不依赖于特定服务器，存储设备， 或网络组件，可以使用任何虚拟的r r 资源。虚拟化是指通过上层的软件层时， 它隐藏底层复杂的r r 基础资源，并提供了简化，统一的接口。 3 自动化。由于潜在的大量的物理的和虚拟的组件，网格计算需要动用大 量的自动化操作。每个组件需要配置管理，按需供应，自上而下的监督，以及 其他管理任务。网格管理解决方案必须确保基础设施的成本低，不需要雇用额 外工作人员来管理网格。 4 资源共享。网格资源包括计算资源、存储资源、数据资源、仪器资源和 通信资源等，这些资源具有分布性；网格资源还有异构特性，以计算资源为例， 可以包括不同类型的计算机，有不同的系统结构、计算接口和计算模式。 2 1 1w e b 服务的概念 目前，w e b 服务的研究已经成为软件工程、分布式计算以及网络应用中的 热点问题，w e b 服务是具有标准接口描述的可编程模块，通过标准的通信协议 提供统一的访问特性。它可以跨平台、跨语言来实现，支持异构软件应用之间 的互操作，并可以将多个功能不同的服务组合成为面向领域的应用程序和解决 方案向外界提供接口统一的服务。 从技术开发和商业应用的角度考虑，w e b 服务有以下几种表述【1 l 【2 l ： 1 w e b 服务是一组应用程序。w 3 c ( 国际互联网标准化组织) 将w e b 服务 定义为：w e b 服务是由( u n i v e r s a lr e s o u r c ei d e n t i f i e r ，u r i ) 来标识的软件应用程 序，其接口和绑定可以通过x m l 进行定义、描述和发现，w e b 服务通过基于 i n t e m e t 的协议与其他软件直接进行交互【l j 。 2 w e b 服务是一组服务。w e b 服务是一个集自包含、自描述、模块化于一 体的应用，可以发布、定位，通过w e b 调用，可以执行从简单请求到复杂商务 处理的任何功能。 8 武汉理工大学硕士学位论文 3 w e b 服务是一个服务平台。w e b 服务的整体技术框架是一个集部署、发 现、事务、安全以及认证等基本功能为一体的服务平台，并且具有一系列相关 的技术标准。 4 w e b 服务将开辟一种崭新的商业模式。随着w e b 服务及其系列技术逐步 由构想走向现实，微软通过w e b 服务所描述的未来的数字生活中“软件变服务 的模式，将开辟全新的商业模式。 综上，w e b 服务是一组i n t e m e t 上的基于x m l 的应用程序，通过这些应用 程序，i n t e m e t 可向用户提供各种跨平台的信息发布、共享，以及各种应用程序 所规定的服务。如图2 2 所示，是w e b 服务的组合示例图。 复合服务 厂、 调用 发送消息 编捧 i 服务请求者l 返回消息 u ud 调用 2 1 2w e b 服务互操作 图2 - 2 服务组合示例【1 l 经典的w e b 服务技术组合w s d l + s o a p + u d d i 的工作流程是：使用w s d l 对w e b 服务建模，将它与s o a p 绑定，然后把服务发布到类似u d d i 这样的服 务注册中心。常见的w e b 服务体系结构如图2 3 所示： - - - - 一_ - 一。一一一_ - - 一- - - r i t t r l ji 摹w e b 服务器 图2 - 3w e b 服务体系结构【1 l 9 蓦 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 网格体系结构 2 2 1 五层沙漏模型 参照网络协议的分层体系结构，五层沙漏结构是一种以“协议为中心的 的分层体系结构，根据资源提供者和资源使用者之间的资源使用和共享关系模 型，定义了每一层的服务接口、运行机制、服务模式和交互协议等。与网格协 议体系结构类似，五层沙漏体系结构组件形成一定的层次关系，如图2 4 所示， 每一层的组件具有相同的特征，上层组件可以在任何底层组件的基础上建造【1 4 1 。 l 二二亟巫 | 二亟 图2 4 五层沙漏结构与i n t e m e t 协议结构的对比 五层沙漏模型从上到下为应用层、汇聚层、资源层、连接层和基础结构层， 如图2 - 4 所示。下面分别对每一层作详细介绍： 1 基础结构层( f a b t i c ) ，处于最下层，其功能是控制并管理本地资源，向上 层提供控制、管理这些资源的统一接口。可供管理的资源类型包括计算资源、 存储资源、网络信息资源、软件模块资源、硬件资源及其他系统资源。 2 连接层( c o n n e c t i v i t y ) ，这一层包含基本的通信和认证协议，主要负责整 个系统的上下协调和模块间调用功能。其中通信协议向下负责基础结构层各种 资源的数据交换，而认证协议以通信服务为基础向上层提供相应的数据访问交 互安全机制，用于验证用户和资源的身份标识及不同资源的访问权限等。 3 资源层( r e s o u r c e ) ，资源层定义了对单个资源进行管理的服务和协议，包 括资源的初始化、安全协商、控制、监测、汇聚、记账以及付费等。资源层协 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 议面向单个资源，分布式资源集合的全局状态及原子操作等问题不是资源层协 议所关心的，这些问题将通过协商交由上层的资源汇聚层来解决。 4 汇聚层( c o l l e c t i v e ) ，定义了管理网格全局资源和资源集合的服务和协议。 5 应用层( a p p l i c a t i o n ) ，网格系统中，根据应用需求的不同，参照计算机网 络应用体系结构，应用层通过各应用层协作以及资源访问协议使用网格资源。 五层沙漏结构为网格体系结构的发展做出了重要的贡献，是网格体系结构 的早期结构。要研究网格就得设计好合理的网格体系结构。在五层沙漏结构的 “协议概念的基础上，结合w e b 服务提出了开放式网格体系结构( o g s a ) “服 务”的概念。g t 2 ( g l o b u st o o l k i t2 0 ) 是上述五层体系结构的一个典型实现，现 在其版本为5 o ，是目前国际上最具影响力的网格计算技术研究项目之一。 2 2 2o g s a 体系结构 早期的网格系统都是基于私有协议开发的，很难实现网格系统之间的互操 作。随着w e b 服务成为在各种异构环境中建立分布式商业应用的主流计算平台 和技术。2 0 0 2 年2 月，在第四次全球网格论坛( g l o b a lg r i df o r u m ，g g f ) 大会 上，g l o b u s 联盟和i b m 提出了一个结合g l o b u s 系统的w e b 服务的开放式网格 体系结构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 ) 。o g s a 采用面向网格服务体 系架构和最新的w e b 服务技术。o g s a 的体系结构如图2 - 5 所示。 议：嚣 广j 1r 上1 l圭璺! 璺 jl竺坚i 图2 - 5o g s a 体系结构 o g s a 的体系结构有两个关键技术点1 1 2 1 ： 1 面向服务。o g s a 的设计是以服务为中心，在开放式体系结构中，一切都 是网格服务。所有的资源，包括计算资源、数据资源、网络存储资源、软件资源 武汉理工大学硕士学位论文 以及其他的系统资源等，都可以经过包装以服务的形式提供给用户。引入w e b 服 务技术，以统一的标准接口，这些网格服务都可以实时的供外界访问管理。 2 核心服务。o g s a 的目标是识别出各种网格应用所涉及的通用服务，并 将这些服务标准化。o g s a 要辨识出网格系统的最核心的服务，并定义这些服务 的接口和功能。其核心服务包括基础服务、数据服务、执行管理服务、资源管 理服务、安全服务、自我管理服务和信息服务等【1 2 l 。 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 ) 开放网格基础设施和o g s a 核心服 务层是o g s a 模型的核心层。由于在网格应用中服务具有动态性和瞬时性等特 点，服务实例随着系统状态变化而被创建和销毁。早期的w e b 服务具有持久性， 并没有上述服务接口；网格应用中的服务是有状态的，而传统的w e b 服务是无 状态的；网格客户希望根据自己的兴趣订阅服务，目标服务随着用户的需求的 变化不断发生变化，当有变化时，客户可以获得通知，需要回调操作。基于上 述因素，在o g s i 规范中引入了网格服务的概念，支持网格服务的创建、管理以 及信息交换。 2 2 3w s r f 框架 w s r f 的组成如图2 - 6 所示，它是在网格协议的基础上引入w e b 服务给外 界提供网格服务功能，从功能上讲，w s r f 是o g s i 的重构和发展，由多个w e b 服务规范组成，使网格服务的内容更加简化，同时与现有的w e b 服务和工具有 很好的兼容性【。 武汉理工大学硕士学位论文 w s r f 将服务和状态区分开，w e b 服务仍然是无状态的，但它可以与一个 有状态的资源( w s r e s o u r c e ) 联系起来。其处理流程为：首先客户应用向w e b 服务发送服务请求，w e b 服务在收到请求后将创建一个具有唯一标识符的资源 ( w s r e s o u r c e ) ：接着，w e b 服务返回一个带有w s - a d d r e s s i n g 端点引用的响 应消息，端点引用中包含的“ 元素指明了w e b 服务的u r l ，而 端点引用中包含“ ”元素则说明了对应资源的标识符； 最后，客户应用在后续发送的s o a p 请求消息头部中，用“w s a ：t o 元素指定 w e b 服务的地址，用“ 元素指明该客户使用哪一个 w s r e s o u r c e 服务。 网格计算和按需计算等都是基于w e b 服务的例子，在开放网格服务体系结 构的基础上，图2 7 描述了一个开放网格服务架构的示例。 主动服务 e w o r k i o a de c l u s t e r e u t i l i t y 程序挖掘 a n a l y s i n gc o m p o n e n t ss e a r c h i n g m e t a 0 s 3 e r y k e l o g g i n gp o l i c y p r o b l e md e t e r m i n e 日曲 ，自k 网桁服分谷叠 r e g i s t r y w e bs e r v i c es t a n d a r d s 图2 7 开放网格服务架构示例 在图中，最高层的主动服务层为用户提供相关应用的集群计算( e c l u s t e r ) 以及工作负载的均衡负担( e w o r k l o a d ) 等；第二层的程序挖掘部分则分析用户 的应用和计算需求，并搜索和寻找能完成分布式计算任务的构件；第三层对元 操作系统进行管理；第四层则在w e b 服务相关标准的基础上，解决网格计算所 需的注册、调用等功能。w e b 服务的标准和工具为网格计算的实现提供了有力 武汉理工大学硕士学位论文 的支持和解决途径，以w e b 服务相关标准为基础，网格计算侧重于网络上资源 的组合、动态配置和高效率利用【2 1 。 2 2 4 网格服务 网格服务是遵循o g s i 规范、有状态的w e b 服务，其功能通过实现各种服 务接口向外界提供服判。 每一个网格服务都必须实现g r i d s e r v i c c 接口，该接口主要负责服务数据的 访问权限和服务生命周期的管理。g r i d s e r v i c c 接口包含三个基本操作： f i n d s e r v i c e d a t a ，其功能是查询与网格服务实例相关的各种服务数据； s e t t e r m i n a t i o n t n n e ，用来设置网格服务实例的终止时间；d e s t r o y ，当服务过期 时，用来销毁网格服务实例。除了g r i d s e r v i c c 接口，生成网格服务实例时还可 以选择实现其他的标准接口，如表2 - 1 所示，以及面向特定网格应用的定制接口。 表2 - 1 网格服务的标准接口 接口类型支持的操作描述 f m d s c r v i c c d a t a 查询与网格服务实例相关的服务数据 g 五d s e r v i c es e t t e r m i n a t i o n t i m e 设置获取网格服务实例的终止时间 d e s t r o y 销毁网格服务实例 s u b s c r i b e t o n o t i f i c a t i o n n 0 t i f i c a t i o n s o u r c e 订阅与网格服