（计算机软件与理论专业论文）基于移动代理的网络环境下资源管理的研究.pdf

南京邮电学院硕士研究生学位论文 摘要 摘要 网格是继万维网之后出现的一种新型网络计算平台，目的是为用户提供一种全面共享 的各种资源的基础设施。网格意义下的资源共享已经不是原来我们所熟悉的计算机之间的 文件交换和远程登录了，它指直接访问计算机、软件、数据、设备和仪器等资源。网格中 资源的动态性、异构性、复杂性也给网格环境下的资源管理提出了新的挑战。 代理是具有拟人智能特性的、驻留与活动于客观世界中的实体。移动代理技术作为一 种日趋成熟的分布式计算模式，和传统的计算模式相比具有许多优秀特性，如减少网络流 量、服务动态定制、便于负载均衡和容错、支持移动计算等。移动代理的优秀特性使得它 在电子商务、智能网、网络管理、智能信息检索、移动计算等领域有着广泛的应用前景。 本文将移动代理与网格计算结合起来，对基于移动代理的网格计算资源管理进行了研究。 本文首先简要介绍了网格计算和移动代理技术；然后对目前网格环境下的资源管理加 以分析和总结；继而提出了基于移动代理的网格资源管理模型，该模型以虚拟组织为网格 资源管理的基本单元，移动代理作为重要的交互手段，给予了网格环境下资源管理更多的 灵活性。同时对基于移动代理的资源发现、资源分配与调度、资源监视等关键技术进行了 探讨，最后介绍了基于移动代理的网格资源管理原型系统的设计与实现。 关键词：网格计算，移动代理，资源管理 南京邮电学院硕上研究生学位论文 a l j s ir c i a b s t r a c t g r i dc o m p u t i n gh a se m e r g e da sa ni m p o n a n tn e wn e l d ，d i s t i n g u i s h e df r o mc o n v e n t i o n a l d i s t r i b u t e dc o m p u t i n gb yi t sf o c u s e do nl a r g e s c a l er e s o u r c es h a r i n g t h es h a r i n gt h a tw ea r e c o n c e m e dw i t hi sn o tp r i m a “l y6 l ee x c h a n g eb u tr a t h e rd i r e c ta c c e s st oc o m p u t e r s ，s o f t w a r e d a t a a n do t h e rr e s o u r c e s ，a si sr e q u i r e db yar a n g eo fc o l l a b o r a t i v ep r o b l e m - s 0 1 v i n ga n dr e s o u r c e b r o k e r i n gs t r a t e g i e se m e r g i n gi ni n d u s t f ms c i e n c e ，a n de n g i n e e r i n g t h ed y n a m i c 、h e t e r o g e n e i t y a n dc o m p l e x i t yo fg r i dr e s o u r c ep r e s e n tan e wc h a l l e n g ef o rg r i dr e s o u r c em a n a g e m e n t a g e n ti st h ea n t h r o p o p a t h i ce n t i t ys t a y i n ga n dm o v i n gi nt h er e a lw o r l d ，m o b i l ea g e n t t e c h n o l o g y la sam a t u r i n gm o d e lf o rd i s t r i b u t e dc o m p u t i n 昏h a sm a n ya d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lp a r a d i g ms u c ha sa u e v i a t i o no fn e t w o r kb a n d w i d t h ，d y n a m i cs e r v i c ec u s t o m i z a t i o n 1 0 a de q u i l i b r i u m ，e r r o rt o l e r a n c ea n dm o b i l ec o m p u t i n gs u p p o n ，e t c o w i n gt ot h e s ea d v a n t a g e s m o b i l ea g e n tt e c h n 0 1 0 9 yh a saw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t t h i s p a p e ri sl o o k i n g a tt h e i n t e r m i n g l i n go fg r i da n dm o b i l ea g e n t p u t sf o r w a r das o l u t i o no fg r i dr e s o u r c em a n a g e n l e n t b a s e do nm o b i l ea g e n t t h i sp a p e r6 r s ti n t r o d u c e sgr i dc o m p u t i n ga n dm o b i l ea g e n tt e c h n o l o g y ，t h e na n a l y s e st h e c u r r e n tt e c h n 0 1 0 9 yo fg r i dr e s o u r c em a n a g e m e n ta n dc o n c l u d et h e i rs u c c e s sa n dl i m i t a t i o na f t e r t h a t ，p u t sf o r w a r dad e t a i l e dg r i dr e s o u r c em a n a g e m e n tm o d e lb a s e do nm o b i l ea g e l l t i nt h i s m o d e lv i n u a lo 唱a n i z a t i o ni st h eb a s i cr e s o u r c em a n a g e m e n tu n i ta n dm o b i l ea g e n ti st h ei n t e r a c t w a y t h ek e yt e c h n o l o g ys u c ha sr e s o u r c ed i s c o v e r y ，r e s o u r c ea l l o c a t i o n ， s c h e d u l i n ga n d r e s o u r c em o n i t or i n gb a s e do nm o b i i ea g e n ti sa l s oa n a i y z e d a tl a s tp r o v i d e st h ed e t a i l e dd e s j g n a n di m p l e m e n t a t i o no fap r o t o t y p es y s t e mb a s e do nt h i ss 0 1 u t i o n k e yw o r d s ：gr i dc o m p u t i n g ，m o b i l ea g e n t ，r e s o u r c em a n a g e m e n t 南京邮电学院 硕士学位论文摘要 学科、专业： 工学计算机软件与理论 研究方向：计算机软件在通信中的应用 作 者：三旦堕级研究生 晏文靖 指导教师三塑篮 题目：基于移动代理的网格环境下资源管理的研究 英文题目： r e s e a r c h0 nr e s o u r c em a n a g e m e n tb a s e do nm o b i l e a g e n ti ng r i de n v i r o n m e n t 主题词：网格计算移动代理资源管理 k e y w o r d s ： g r i dc o m p u t i n g m o b i l ea g e n t r e s o u r c em a n a g e m e n t 课题来源：1 江苏省自然科学基金项目“基于安全移动代理网 格计算关键技术的研究”( 编号b k 2 0 0 3 1 0 5 ) 2 江苏省自然科学基金预研项目“计算网格安全策 略实现模型研究”( 编号b k 2 0 0 4 2 1 8 ) 南京邮电学院硕士研究生学位论文 缩略词 缩略词 缩略词英文全称译文 c o r b ac o m m o n o b j e c tr e q u e s t b r o k e r公共对象请求代理体系 a r c h i t e c t u r e 结构 f i p af o u n d a t i o nf o ri n t e i l i g e n tp h y s i c a la g e n t 智能物理主体基金会 g g f g l o b a lg r i df o m m 全球网格论坛 h t m l h y p e n e x tm a r k u pl a n g u a g e 超文本标记语言 j d b c j a v ad a t a b a s ec o m l e c t j o n j a v 8 数据库连接 m am o b i l ea g e n t 移动代理 m a fm o b i l ea g e n tf a c m 妙 移动代理服务设旌 m a s i fm o b i i ea g e n t s y s t e mi n t e r o p e m b i l i t y移动代理系统互操作性 f a c i l i t i e s协会 o g s a 0 p e n0 r i ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e 开放网格服务体系 o g s l 0 p e ng r i ds e r v i c ei n f h s t m c t u r e开放网格服务基础结构 o m g o b j e c tm a n a g e m e n tg r o u p 对象管理组 p 2 p p e e 卜t o p e e r 对等计算 r m ir e m o t em e t h o di n v o c a t i o n 远程方法调用 s o a p s i m p l e0 b j e c ta c c e s sp r o t o c o l 简单对象访问协议 s s ls e c u r es o c k e t sl a y e r安全套接层协议 u d d iu n i v e r s a l d e s c r i p t i o n ，d i s c o v e r y a n d统一描述、发现和集成 i n t e g r a t i o n v ov i r t u a lo r g a n i z a t i o n 虚拟组织 w s nw e bs e r v i c en o t i f i c a t i o nw e b 服务通知 w s d lw e bs e i c e sd e 胁i t i o nl a j l g u a g e w e b 服务描述语言 w s r fw e bs e i c e sr e s o u r c ef m r n e w o r kw e b 服务资源框架 x m le x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e可扩展标记语言 v 南京邮电学院学位论文独创性声明 y 7 6 5 3 3 s 本人声明所呈交的学位论文是我个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 含为获得南京邮电学院或其它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。 研究生签名：日期： 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名；导师签名：日期： 南京邮电学院硕士研究生学位论文 引言 引言 网格计算是伴随着互联网技术而迅速发展起来的，专门针对复杂科学计算的新型计算 模式。这种计算模式是利用互联网把分散在不同地理位置的电脑组织成一个“虚拟的超级 计算机”，其中每一台参与计算的计算机就是一个“节点”，而整个计算是由成千上万个 “节点”组成的“一张网格”，所以这种计算方式叫网格计算。这样组织起来的“虚拟 的超级计算机”有两个优势，一个是数据处理能力超强：另一个是能充分利用网上的闲置 处理能力。简单地讲，网格是把整个网络整合成一台巨大的超级计算机，实现计算资源、 存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源的全面共享。 移动代理是一种新的分布式计算模式，由于能明确控制代码在何处运行，移动代理模 式提供了特殊的优势，特别是被用于i n t e m e t 等动态异构网络环境的时候。移动代理最大 的特点是移动代理不消耗太多的网络带宽，它们仅在移动时使用带宽。移动代理在移动后 将会继续执行，即使失去与代理创建者之间的网络连接。 在网格环境下，资源可以是计算机、存储空间、传感器、应用软件、数据等。资源属 于不同的虚拟组织并且通过各自的本地定义策略( 1 0 c a l l yd e f i n e dp o l i c i e s ，用于确定共享的 内容、共享的用户，共享发生的条件等) 进行共享服务。由于网格意义下的资源共享已经 不是原来我们所熟悉的计算机之间的文件交换和远程登录了，它指直接访问计算机、软件、 设备和仪器等资源，同时网格中潜在的巨大数量的资源和用户、不同的资源类型及不同的 用户需求也给网格环境下的资源管理提出了巨大的挑战。 谦嚣来源及本人i 作： 本文所涉及的课题主要来源于江苏省自然科学基金项目“基于移动代理的网格计算关 键技术研究”( 项目编号b k 2 0 0 3 1 0 5 ) 、江苏省自然科学基金预研项目“网格计算安全策 略实现模型研究” ( 项目编号b k 2 0 0 4 2 1 8 ) 。 本人作为项目组成员之一，完整的参加了这个课题。在整个课题研究期间，本人对该 课题所涉及的相关背景、国内外研究现状和方案的可行性进行了一定深度的研究，将网格 与移动代理结合起来，提出了一种基于移动代理的网格环境下资源管理模型，该模型以虚 拟组织为网格资源管理的基本单元移动代理作为重要的交互手段，给予了网格环境下资 源管理更多的灵活性。同时对资源发现、分配、调度、监视机制进行了探讨。基于该模型 方案，我们将移动代理平台与网格平台结合起来。开发了一个基于移动代理的网格资源管 塑塞坚皇堂堡堡圭堕壅竺兰垡丝苎! ! 曼 理原型系统，重点突出了网格与移动代理结合的优势。 本文组织： 全文共分五个章节，内容组织如下： 第一章是网格计算技术的概述，首先介绍了网格的定义及其特点，然后介绍了网格计 算技术的研究和发展趋势，接着介绍了网格计算关键技术，最后介绍了目前提出的些网 格体系结构等。 第二章是移动代理技术的概述，首先介绍了移动代理的定义、结构、技术优势及难点 等，然后介绍了移动代理技术的主要应用。接着介绍了移动代理的研究和发展趋势，最后 介绍了移动代理标准化组织及其规范等。 第三章是对网格环境下资源管理问题的综述。首先介绍了网格环境下资源的特点以及 资源管理面临的问题，然后对现有的资源管理方案进行了介绍，并给出这些方案的优缺点。 第四章阐述了基于移动代理的网格资源管理模型，主要分为两个部分：第一部分对基 于移动代理的资源管理模型体系结构进行了介绍，第二部分对此模型中的关键技术基 于移动代理的资源发现、资源分配与调度、资源监视等进行了讨论。 第五章介绍了基于上一章提出的资源管理模型所开发的基于移动代理的网格资源管 理原型系统。首先介绍了系统开发平台的选择：然后介绍了系统的体系结构及主要组件： 最后阐述了各个功能模块的划分、详细设计与实现。 最后，总结了本文所作的工作，并对该课题进一步研究的重点方向进行展望。 南京邮电学院硕上研究生学位论文 第一章格计算概连 1 1 网格计算的定义 第一章网格计算概述 网格是继万维网之后出现的一种新型网络计算平台，目的是为用户提供一种把地理位 置上分散的资源集成起来的一种基础设施。通过这种基础设施，用户不需要了解这个基础 设施上资源的具体细节就可以使用自己需要的资源。分布式资源和通信网络是网格的物理 基础，网格上的资源包括计算机、集群、计算机池、仪器、设备、传感器、存储设施、数 据、软件等实体，另外，这些实体工作时需要的相关软件和数据也属于网格资源。 i a nf o s t e r 曾在1 9 9 8 年出版的网格：2 1 世纪信息技术基础设施的蓝图一书中这 样描述网格：“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，为科技人员和普通老百姓提供更多的资源、 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。”2 0 0 0 年，i a nf o s t e r 在网格的 剖析这篇论文中把网格进一步描述为“在动态变化的多个虚拟机构间共享资源和协同解 决问题。”j 至此，人们仍然就什么是网格而争论不休。2 0 0 2 年7 月，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一文中，限定网格必须同时满足三个条件：( 1 ) 在 非集中控制的环境中协同使用资源：( 2 ) 使用标准的、开放的和通用的协议和接口( i a nf o s t e r 认为目前只有g l o b u s 才算得上标准协议) ；( 3 ) 提供非平凡的服务。这三个条件非常严格， 象p 2 p 、s u ng r i de n g i n e 、c o n d o r 、e n t r o p i a 、m u l t i c l u s t e r 等都被排除在网格之外。至 此，i a nf o s t e r 已经把网格概念描绘比较清楚了。但并不是所有人都同意他的观点，例如， 有许多人赞同广义的网格概念，它称作巨大全球网格g g g ( o r e a tg l o b a ig r i d ) ，它4 ；仅 包括计算网格、数据网格、信息网格、知识网格、商业网格，还包括些已有的网络计算 模式，例如对等计算p 2 p ( p e e r i op e e r ) 、寄生计算等。可以这样认为，i a nf o s t e r 赞成狭义 的“网格观”，而g g g 是一种广义的“网格观”。 不管是狭义的还是广义的网格，其目的都是把用通用手段连接起来的资源无缝集成为 一个有机的整体。它给用户提供一种基于国际互联网的新型平台，在这个平台上对来自客 户的请求和提供资源的能力之间进行合理的匹配，为用户的请求选择合适的资源服务，可 实现广域范围的资源共享。网格把分布的资源集成为一台能力巨大的超级计算机，提供计 算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源、设备资源的全面共享。 1 堕塞型皇兰堕婴圭塑塞竺堂堡笙三兰笙二里型塑生墅塑堕 资源共享是网格的根本特征，消除资源孤岛是网格的奋斗目标。1 6 l 同其他系统一样，网格中也包含主体和客体两种实体。网格主体是网格活动的驱动者， 是网格中具有自主活动能力的实体，网格中的活动指令都是由网格主体发出的。网格客体 是网格中不能自主活动的实体，是网格活动进行的场所、操作实现的工具等。网格客体需 要网格主体的驱动才能进行相应的动作，根据请求内容为提供者提供相应的功能。除了网 格主体和网格客体之外，网格系统中还包含表示网格主体和网格客体之间关系的关系策 略，网格策略描述“哪个主体，在什么时候，对哪个客体进行什么操作”。网格g 可以看 作是由网格主体s ，网格策略p ，网格客体d 构成的一个集合g = 艘，d ，用。 网格为分散在各地的网格主体茫享使用分散在各地的网格客体提供了可能，网格主体 可以通过网格在一个或多个网格客体上进行自己的活动和操作。一个主体在一个客体上能 够进行的活动是和网格策略的描述相一致的，凡是不符合网格策略的任何企图都被网格所 禁止。一个网格主体和一个网格客体之间的活动可以遵循统一的网格策略进行，也可以通 过双方的协商建立专用的策略，并根据协商策略进行后续的活动，如图1 1 所示。 7 一、 【网格主体卜_ 刊 网格客体 、 一7 ， l 。一 j _ 网格策略 图1 1 网格主体、网格客体和网格策略三者之间的关系 网格主体包含两类实体，一类是网格用户，一类是网格应用。网格活动的指令可以由 用户直接发出，也可以由各种网格应用发出。这两种主体的区别在于，用户需要友好的_ ； j 户接口，一般通过图形用户接口和专门的软件访问网格；而应用通常通过应用程序接口访 问网格。网格策略则包含网格中各种规则的制定、表述、执行等，也是一个完整的集合实 体，覆盖网格的各个侧面，安全策略、访问策略、共享机制等都是其重要内容。网格客体 则是所有可以被主体通过网格请求对象使用的对象，包括硬件设施、软件、数掘和信息等。 为了突出可用性，我们通常把可以被使用的实体称为资源。如计算结点、设备、程序、数 据、服务是资源，计算节点中的硬盘、内存、计算周期也是资源。 网格是一个在地理位置上广泛分布的基础设施，用户数量巨大，资源千差万别，需求 种类繁多，应用功能各异。网格要绘用户、资源提供畅通的渠道，提供安全、高效、高质 量的服务，必须具备如下基本特征： 1 虚拟性。网格中的资源和用户都要经过抽象，把实际的用户和资源虚拟化为网格 用户和网格资源。网格用户使用标准、开放、通用的协议和界面，可以访问网格中的各种 4 堕室坚皇兰堕堕圭塑壅生兰垒堕奎 兰二童堕堂! 簦塑堕 资源，但实际的用户和物理资源是相互不可见的，资源对外提供的只是一个虚拟化的接口。 2 共享性。网格中的各种资源都能够被共享使用，网格是一个提供资源共享的场所。 网格中的多个用户不仅能够共同使用网格中的资源，网格中的一个用户也可以同时使用多 个网格资源。 3 集成性。网格把地理位置上分布的各种资源集成在一起，成为一个有机的整体， 协调分散在不同地理位置的资源使用者。用户不仅可以使用单个资源提供的功能，而且能 够联合使用多个资源的合成功能。网格可以集成来自不同管理域、不同管理平台、具有不 同能力的资源。 4 协商性。网格支持资源的协商使用，资源请求者和资源提供者可以通过协商得到 不同质量的服务，满足不同的实际需求。通过协商，请求者和提供者之间还可以建立专用 的服务接口，提供突出个性的服务。请求者可指定系统响应的时间、数据带宽、资源可用 性、安全性等各种要求，得到非平凡的服务质量。使得整体系统能提供的功能大于其各个 组成部分的功能之和。m l 1 2 网格研究现状 网格的发展到目前为止基本上可以划分为以下几个阶段：一是萌芽阶段：在上个世纪 9 0 年代初期，主要是千兆网的测试床以及一些元计算的实施。二是早期实验阶段：在上个 世纪9 0 年代中期到晚期，如i w a y 项目，还包括一些学术性的软件项目，例如g i o b u s 、 l e g i o n 等。三是飞速发展阶段：2 0 0 2 年以来，出现了大量的应用社团和项目，主要基础市 话的开发和使用，工业界对网格计算的兴趣在增长，例如i b m 、p i a t f o r m 、m i c r o s o f l 、s u n 、 c o n l p a q 等重要的公司。同时也出现了一比较显著的技术基础，如g l o b u s t o o l k i t ，形成了 具有相当规模和世界影响的全球网格论坛g g f ( g l o b a lg r i df o r u m ) 组织。 从美国、只本及欧洲的发达国家到印度这样的发展中国家都启动了大型网格研究计 划，并得到了产业界的大力支持。英国政府已投资1 亿英镑，用来研制“英国国家网格( u k n a i i o na lg r i d ) ”。美国政府用于网格技术基础研究经费则已达5 亿美元。美国军方f 规划 实施一个宏大的网格计划，叫“全球信息网格( g l o b a li n f o r n l a t i o ng r i d ) ”，预计在2 0 2 0 年 完成。作为这个计划的一部分，美国海军和海军陆战队已启动了一个耗资1 6 0 亿美元历时 8 年的项目，包括系统的研制、建设、维护和升级。【6 】 随着网格研究在学术界的加速，信息产业界的大公司也相继公布了与网格目标一致的 研究开发计划。目前i b m 是网格系统和服务方面的领先供应商，已经为很多科技团体、 政府机构、商业化用户的网格系统提供了产品和服务。其中包括英国国家网格、荷兰国家 5 塑室堂皇兰堕堡主堕塞羔兰垡丝壅萋二雯堕堡生蔓塑些 各、北卡州的生物网格等等。s u n 公司2 0 0 2 年发布了“网格引擎”企业版的测试版。h p 公司也提出了u t i l i t y c o m p u t i n g 计划和u t i l i t y d a t a c e n t e r 产品。o r a c i e 公司2 0 0 2 年1 1 月 推出面向网格的基于g l o b u s 的数据库应用工具。2 0 0 8 年北京奥运会的计算机信息处理系 统将应用网格，i b m 、o r a c l e 、s u n 、n p 都已推出了一系列可应用网格的产品。日本文部 科学省2 0 0 3 年5 月决定投资7 0 0 亿日元开发超大型网格计算机，它出现在世界上运算速 度最快的计算机还快近1 0 倍，将达每秒3 0 0 万亿次。惠普、l b m 、微软、s u n 等公司最近 取得共识，支持x m l 、s o a p 、u d d i 等万维网标准，从而更有利于开发额一代的网络应 用，即万维网服务。其目的是将因特网上的资源和信息汇聚在一起，组合成企业和消费者 所需要的服务。惠普推出了e s p e a k 万维网服务平台：1 8 m 用它的w e b s p h e r e 平台和一系 列中间件实现万维网服务：微软的路线是通过其n e t 计划和c # 语言实现万维网服务；s u n 卿l 通过o p e n n e t w o r k e n v i r o n m e n t ( s u no n e ) 计划和j a v a 平台来实现它。另外，i b m 最 近宣布，将投资4 0 亿美元，启动一个全公司的“网格计算创新计划”； 国际上的网格研究主要采用开放源码、公开合作的模式。全球网格论坛( g l o b a lg r i d f o r u m ) 是目前主要的合作组织，目前比较有影响的研究计划有g l o b u s 、l e 娜o n 、 i n f o r n l a t i o np o w e rg r i d 、e u r o g “d 、d i s t r i b u t e dt e r a s c a l ef a c i l i t y 等。 在我国，已经完成的网格研究项目主要有清华大学的先进计算基础设麓a c “a d v a n c e d c 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 ) 和以中科院计算为主的国家高性能计算环境n h p c e ( n a t i o n a l h i g hp e r f o n l l a n c ec o m p u t i n ge n v i m n m e n t ) 。 在清华a c i 系统中，清华大学研制的高性能计算机“t h n p s c 2 ”与上海大学研制的 高性能计算机“自强2 0 0 0 ”通过高速网络连接在一起，此外还连接了4 个应用结点。这6 个地理位置不同的网格节点可以同时召开网络会议。除此之外，还开发了相应的中问件， 可以构成跨地区、跨学科的“虚拟实验室”研究环境。清华a c i 系统具有一套健全的资源 管理系统、任务管理系统、用户管理系统及安全服务与监控系统。清华a cj 系统于2 0 0 1 年 6 月通过了鉴定。 从1 9 9 9 年底到2 0 0 1 年扔，中科院计算所联合十几家科研革位，承担了8 6 3 重点项 目“国家高性能计算环境”的研发任务。该项目的目标是建立一个分柿式环境下支持异构 平台的计算网格示范系统，它把我国的8 个高性能计算中心通过【n t e r n e t 连接起来，进行 统一的资源管理、信息管理和用户管理，并在此基础上开发了多个计算型的网格应用系统， 取得了一系列研究成果。 2 0 0 2 年4 月5 日至6 日，科技部召开了“网格战略研讨会”，确认将网格的研究和 应用列为“8 6 3 计划”的一个专项，随即成立了专项专家组。8 6 3 网格专项投资高达3 个 6 查室堕里兰堕堡：兰塑塑兰堂垡堡三笙二望竖鱼生篁塑堕 亿，主要任务是研制面向网格的万亿次级高性能计算机、具有数万亿次聚合计算能力的高 性能计算环境：开发具有自主知识产权的网格软件；建设科学研究、经济建设、社会发展 和国防建设急需的重要应用网格：制定若干与网格相关的国家标准，参与制定国际标准， 使一批发明专利和软件获得受理和登记，形成自主知识产权。 2 0 0 2 年底，上海市宣布将投入两个多亿，建设e i n s t i t u t e ，其中网格是重点，将把上 海交大、复旦、华东理工等多所重点高校用网格整合起来，共享资源，协同教学科研。清 华大学教授、上海大学计算机学院院长李三立院士担任网格主题的首席科学家。另据消息， 教育部也将对网格研究进行大力支持。早在2 0 0 0 年，教育部就支持李三立院士进行先进 计算基础设施a c i 北京上海试点工程，取得阶段性成果。据说，教育部希望百所重点高校 拥有千亿次级别的高性能计算机，以提高科研水平。在这个基础上，建设一个覆盖全国主 要高校的网格是水到渠成的事。 目前正在进行的网格研究项目有： 8 6 3 计划支持的“中国网格( c h i n a g r i d ) ”建设，有多家单位参加。 “上海教育科研网格”，多所上海的大学参加。 “仿真网格”的研究，由航天二院和清华大学共同开展。 “织女星网格”由中科院计算所领衔开发。 另外，全国还有几十所大学和研究机构已经开展各种网格研究。 1 3 网格计算关键技术 网格系统的关键技术包括网格结点、宽带网络系统建设、资源管理和任务调度、监测 工具、应用层可视化工具的设计等。 l 、网格结点。网格结点就是网格计算资源的提供者，它包括高端服务器、集群系统、 m p p 系统大型存储设备、数据库等。这些资源在地理位置上是分布的，系统具有异构特性。 2 、宽带网络系统。宽带网络系统是在网格计算环境中，提供高性能通信的必要手段。 通信能力的好坏对网格计算提供的性能影响甚大，要做到计算能力“即连即用”必须要高质 量的宽带网络系统支持。用户要获得延迟小、可靠的通信服务也离不开高速的网络。 3 、资源管理和任务调度工具。计算资源管理工具要解决资源的描述、组织和管理等 关键问题。任务调度工具其作用是根据当前系统的负载情况，对系统内的任务进行动态调 度提高系统的运行效率。它们属于网格计算的中间件。 4 、监测工具。高性能计算系统的峰值速度可达百万亿次秒。但是实际的运算速度往 往与峰值速度有很大的距离，其主要原因在于高性能并行计算机的并行程序与传统的串行 7 堕塞塑皇兰堕堡主塑壅竺兰垡堡苎 兰二里塑坚生墨璺垄 程序有很大差异。而高性能计算应用领域的专家对编程技术并不擅长，很难充分利用各种 计算资源。如何帮助使用人员充分利用网格计算中的资源，这就要靠性能分析和监测工具。 这对监视系统资源和运行情况十分重要。 5 、应用层的可视化工具。网格计算的主要领域是科学计算，它往往伴随着海量的数 据，面对浩如烟海的数据想通过人工分析得出正确的判断十分困难。如果把计算结果转换 成直观的图形信息，就能帮助研究人员摆脱理解数据的困难，这就要研究能在网格计算中 传输和读取的可视化工具。并提供友好的用户界面。 为了促进网格计算的广泛应用，实现让用户随心所欲地共享网格计算中的各种资源， 还必须解决以下问题：要解决目前互联网的数据传输能力不足的问题：要进一步解决人机 通信的问题；要解决网格上资源共享中的知识产权问题；要保障网格计算的安全性。 1 4 网格计算体系结构 网格体系结构的主要功能是划分系统基本组件，指定组件的目的与功能，刻画组件之 间的相互作用，整合各部分组件。目前比较重要的网格体系结构主要有：一是f o s t e r 等在 早些时候提出的五层协议结构；二是在以i b m 为代表的工业界影响下，在考虑到w e b 技 术的发展与影响后，f o s t e r 等结合w e bs e r v i c e 提出的开放网格服务体系结构o g s a ( o p e n g r i ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ) ；以及基于网格服务与w e bs e r v i c e 融合的全新的网格体系结构 w e b 服务资源框架( 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 ) 。 1 4 1 五层协议结构 网格协议建立在互联网协议之上，以互联网协议中的通信、路由、名字解析为基础。 五层协议的网格体系结构分为构造层、连接层、资源层、汇集层和应用层共五层，如图1 2 所示l 引。每层都可以有自己的服务、a p i 和s d k ，或者服务、a p i 和s d k 中的部分。 在这种层次结构中，上层协议的实现调用下层提供的功能。网格内的全局应用都通过协议 提供的结构调用网格管理软件的功能。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章嘲格计算概述 网 格 计 算 协 议 l _ 构造早 | _ 应用层 传输层 l三壁里璺 一j 连接层 i _ _ 互 联 网 协 议 图卜2 网格体系的分层结构及与t c p i p 网络协议的对应关系 构造层( f a b r i c ) ：控制局部的资源。由物理或逻辑实体组成，目的是为上层提供共享的 资源。常用的物理资源包括计算资源、存储系统、目录、网络资源等：逻辑资源包括分布 式文件系统、分布计算池、计算机群等。构造层组件的功能受高层需求影响基本功能包 括资源查询和资源管理的q o s 保证。 连接层( c o n n e c t i v i t y ) ：支持便利安全的通信。该层定义了网格中安全通信与认证授权 控制的核心协议。资源间的数据交换和授权认证、安全控制都在这一层控制实现。该层组 件提供单点登录、代理委托、同本地安全策略的整合和基于用户的信任策略等功能。 资源层( r e s o u r c e ) ：共享单一资源。该层建立在连接层的通信和认证协议之上，满足安 全会话、资源初始化、资源运行状况监测、资源使用状况统计等需求，通过调用构造层函 数来访问和控制局部资源。 汇集层( c o l l e c t j v e ) ：协调各种资源。该层将资源层提交的受控资源汇集在一起，供虚 拟组织的应用程序共享和调用。该层组件可以实现各种共享行为，包括目录服务、资源协 同、资源监测诊断、数据复制、负荷控制、账户管理等功能。 应用层( a p p l i c a t i o n ) ：为网格上用户的应用程序层。应用层是在虚拟组织环境中存在的。 应用程序通过各层的应用程序编程接口( a p i ) 调用相应的服务，再通过服务调动网格上 的资源来完成任务。为便于网格应用程序的开发，需要构建支持网格计算的大型函数库。 五层沙漏结构是一个抽象层次结构，它的一个重要特点就是构成一个“沙漏”形状， 如图1 3 所示l 。在沙漏结构中，资源层和连接层共同组成沙漏的瓶颈部分，为网格计算提 供底层的通信、安全以及局部的资源管理。不同的高层( 沙漏的顶部) 行为映射到它们的上 面，它们自身也能被映射到不同的基本技术之上( 沙漏的底部) ，显然瓶颈部分的核心协议 的数量较少。较少的核心协议有利于移植，也比较容易地实现和得到支持。 9 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章网格计算概述 工具与应用 应用层 、目录代理诊断歹 、与监控等 罗 汇聚层 多资娑耋譬蒿的毛 资源与 连接层 各种资源， 比如计算机，存储构造层 介质，网络，传感器等 图l 一3 沙漏形状的五层结构 1 4 2 开放网格服务体系结构0 g s a 开放式的网格服务体系0 g s a 是个由节点和连线构成的框架。该框架的节点是网格 服务，而网格服务之间的连线是网格服务相互交流时所用的语言。网格服务是特殊的网络 服务专供用来维持和管理网格体系。基于o g s a 架构的服务结构如图1 4 所示。 咖叫卜嘲c s e s 蠢慧熏黑k g a ae o 懈s e c e s g n dd a 惦s 日r v 0 0 s e x t e n d 廿aw e 0s e r v i se v 惜d ltx i d 脚ci ! m j j s a # * 0 d ：p p b 图卜4 基于o g s a 架构的服务的结构 o g s a 结构较五层沙漏结构有着以下特点： ( 1 ) 以服务为中心的模型 如果说五层沙漏结构是以协议为中心的“协议结构”，其试图实现的是对资源的共享， 则o g s a 就是以服务为中心的“服务结构”，其实现的是对服务的共享l7 1 。0 g s a 将一切看 作服务，并定义了“网格服务”，该服务提供了一组接口，这些接口明确遵守特定的惯例， 解决服务发现、动态服务创建、生命周期管理、通知等问题。因此，网格是可扩展的网格 服务的集合。简单地说，丽格服务= 接口行为+ 服务数据。 ( 2 ) 统一的w e b s e r v i c e 框架 w e bs e r v i c e 描述了一种新出现的、重要的分布式计算范式，定义了一种技术，用于描 i o 妻塞些皇堂堕堡主至塞皇兰篁堡苎苎二皇婴堡生苎塑堕 述被访问的软件组件、访问组件的方法以及找到相关服务发现方法，解决了发现和激发永 久服务的问题。0 g s a 是符合标准的w e bs e r v i c e 框架的。但是在网格中，大量的是临时服 务，因此o g s a 对w e bs e i c e 进行了扩展，提出的是网格服务( g r i ds e r v i c e ) 的模仿， 使得它可以支持临时服务实例，并且能够支持创建和删除。 ( 3 ) 突破科技应用领域 正如w e b 技术一开始是科学协议而出现的，但是后来在商业领域却大量使用一样， o g s a 将原来主要在科技领域应用的网格技术转移到工商业领域。o g s a 面向服务的特点 允许我们在不同的层次虚拟化资源，因此相同的机制与抽象可以应用于多个组织之间的分 布式网格支持的协作，或者是跨越多个特点主要环境。f 4 。j 1 4 3w e b 服务资源框架w s r f 开放网格服务基础设施( o p e ng ms e r v i c e si n 仃a s t n l c t u r e ，o g s i ) 规范版本1 o 是于 2 0 0 3 年7 月发布的，它定义了一组关于使用w e b 服务描述语言( w e bs e r v i c ed e f i n i t i o n l a n g u a g e ) 和x m l 模式的约定与扩展，以便启用有状态服务。它引入了有状态w e b 服 务的观念并定义了一些方法，可以用于创建、命名和管理服务的实例的生命周期：用于声 明和检查服务状态数据；用于服务状态更改的同步通知；用于表示和管理服务实例的集合； 以及用于服务调用故障的共同处理。在2 0 0 4 年1 月，w e b 服务资源框架( w s r e s o u r c e f r a m e w o r k ，w s r f ) 被提议作为o g s i 的重构和发展，目标是利用新的w e b 服务标准， 具体来说就是w e b 服务寻址( w s a d d r e s s i n g ) ，以及发展基于早期实现和应用程序体验 的0 g s i 。w s r f 基本保留了0 g s i 中的所有功能性能力，而同时更改了一些语法，并且 还在其表示中采用了不同的技术。例如，为了利用w e b 服务寻址( w s a d d r e s s i n 鐾) 而更 改的语法，以及w e b 服务通知( w s n ：w e bs e r v i c en o t 讯c a t i o n ) 为w e b 服务提供基于消 息发布和预定能力。w s r f 和w s n 都是建立在已存在的w e b 服务定义和技术基础上的， 帮助实现了网格计算、系统管理和w e b 服务的统一。w s r f 使得程序员能够声明和实现 w e b 服务与一个或多个具有名称的类型化状态组件之间的关联集，这些状态组件称为w e b 服务资源( w s r e s o u r c e ) 。此外，w s r f 还描述了