（计算机软件与理论专业论文）网格服务访问标记语言的研究与实现.pdf

叫川入学硕士学位论文 y6 547 34 网格服务访问标记语言的研究与实现 计算机软件与理论专业 研究生：李琳指导老师：唐宁九 网格是构筑在互联网上的一组新兴技术，由于能支持大规模的科学协同工 作和工程计算方面的问题，故而在计算机技术领域拥有越来越重要的位置和广 阔的发展前景。本文是中科院计算所承担的国家863 课题_ v e g a 计算网格 体系的子课题网格服务访问描述语言，重点研究适用于v e g a 计算网格用户 的服务访问标记语言以及基于此语言的网格用户界面。 当前，我们国家在应用、管理和工程建设层面上与国外有很大差异，进行 网格研究存在一些新的需求。而从全球计算机领域来看，网格研究存在一种不 平衡的现象：网格被看成是种新一代的基础设施，很多研究关注网格底层的 东西，而网格用户界面和适用于网格用户的资源访问描述语言的研究则相对比 较薄弱，到目前为止在世界范围内尚缺乏一个成熟的研究成果。本文正是针对 这一薄弱环节进行研究和探索。 本文作者与课题组其他成员共同研究设计了一种面向网格最终用户的网 格服务访问标记语言gsml ，给出其定义，分析其语言元素和语法规则。在 此基础上，本文还从编程模型、语言映射、运行模型以及调试模型等几方面来 研究和分析了gsml 语言，并将它和目前网络环境下流行的其他语言进行比 较和分析，得到其相对的优势和发展前景。在网格服务访问标记语言的实现工 作中，本文作者独立开发了种网格用户界面，实现对g s m l 文件的解析和预处 四川大学硕士学位论文 理，而后在网格客户端呈现并支持网格用户的输入一行为和网格用户端运行、 编写、调试三者同步，以及运行时动态修改。 本文的主要贡献在于研究与开发了这种适用于织女星网格环境下的用户 端的网格服务访问标记语言以及基于此语言的网格浏览器，并为实现网格用户 编程环境以及网格用户界面提供了一个有益的探索与尝试，为用户界面向着面 向服务用户( u c i l i t yc o m p u t i n g ) 的模式转移提供了重要的实验性依据。 关键词织女星网格g s m l 解析预处理显示 2 p q 川大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o n o fg r i ds e r v i c em a r k u p l a n g u a g e m a j o rc o m p u t e rs o f t w a r e t h e o r y s t u d e n t ：l il i n a d v i s o r ：t a n gn m j m g r i di san e w t e c h n i q u ec o n s t r a c t e do ni n t e r n e t ，w h i c hp o s s e s s e sm o r ea n d m o r e i m p o r t a n tp o s i t i o na n dw i d e ra n dw i d e rp r o s p e c ti nt h ef i e l do fc o m p u t e r s c i e n c e t e c h n o l o g y ，d u et oi t sb e h a l fo fs c i e n t i f i cc o o p e r a t i o na n de n g i n e e r i n gc o m p u t i n g 1 1 1t i f f st h e s i s a u t h o rm a i n l ys t u d i e so nt h ed e f i n i t i o na n dr e a l i z a t i o no fg r i ds e r v i c e m a r k u pl a n g u a g e ，w h i c hi sb a s e do n e n v i r o n m e n to fv a g a c o m p u t i n gg r i d t h a t a s s u m e d b y i n s t i t u t eo fc o m p u t i n gt e c h n o l o g y ，c h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e a tp r e s e n t ，t h e r ei s al o to fd i s t i n c t i o nb e t w e e no u rc o u n t r ya n do t h e r si n a p p l i c a t i o n s ，a d m i n i s t r a t i o n s a n d e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n s ，t h e r e f o r e ，t h e r e a r e s o m en e wr e q u i r e m e n t si nr e s e a r c ho f 咖d h o w e v e r ，t h er e s e a r c hh a sl o s t i t s b a l a n c ew h e ni n v e s t i g a t e di nt h ew h o l ew o r l d ，t h a ti s ，鲥dh a sb e e nr e g a r d e da sa k i n do fi n f r a s t r u c t u r ea n db e e ni g n o r e di nt h ef i e l do f 鲥ds e r v i c em a r k u pl a n g u a g e a n dg u if o rg r i du s e r t h e r e f o r ，i nt h i st h e s i s ，a u t h o r ，t o g e t h e rw i t ht h eo t h e rm e m b e r so fg r o u p ，h a s d e s i g n e dg r i ds e r v i c em a r k u pl a n g u a g e ( g s m l ) ，g i v i n g i t sd i f i n i t i o na n d a n a l y s i n g i t s l a n g u a g e e l e m e n t sa n dg r a n l m a rr u l e w h a t sm o r e ，a u t h o rh a ss t u d i e da n d a n a l y s e dg s m l o ni t sp r o g r a m m i n gm o d e l ，m a p p i n gl a n g u a g e ，m n l a i n gm o d e la n d d e b u g g i n gm o d e l ，c o m p a r i n gg s m l w i t ho t h e rl a n g u a g e st h a ta r ep r e v a i l i n gi n n e t w o r k d u r i n gt h er e a l i z a t i o no f g s m l a u t h o rh a sd e v c l o p c dak i n do fg u if o r g r i du s e r 。a c h i e v i n gi n t e r p r e t a t i o na n dp r e p r o c e s s i n go fg s m l f i l ea n dd i s p l a yf o r t h e 鲥d u s e r 3 四川大学硕士学位论文 t h e l a n g u a g eo fg s m l s t u d i e di nt h et h e s i si si m p o r t a n ta n du s e f u lt os e e ki nt h e r e a r c ho fg u la n du s e rp r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n to n g r i d ，p r o v i d i n ge x p e r i m e n t a l d a t af o rt h ed i v e r s i o no fu s e ri n t e r f a c et ot h es c h e m ao f u t i l i t yc o m p u t i n g k e y w o r d ：v e g a g r i dg s m l i n t e r p m t m i o np r e p r o c e s s i n gd i s p l a y 4 四川大学硕士学位论文 第一章综述 1 1 课题背景 在现代科学研究和应用领域中，大量的数据是重要的资源，例如全球气候 模拟、高能物理、生物计算、战场仿真、核模拟、数字地球、大规模的信息和 决策支持系统等应用，其数据量将达到几十t e r a b y t e 至p e t a b y t e 的级别。地 理上广泛分布的该领域的科研工作者或用户都希望能够访问和分析这些庞大的 数据，但其分析方法往往是计算复杂并且计算量大，许多数据分析处理要求千 亿次或万亿次规模的计算能力。而现有的数据管理体系结构、方法和技术已经 不能满足人们对高性能、大容量分布存储和分布处理能力的要求。因而在这种 背景下，人们提出了网格( g r i d ) 的构想，以解决上述应用所面临的问题 网格( g r i d ) 技术是近年来国际上兴起的一种重要信息技术，它的目标是实 现网络虚拟环境下的高性能资源共享和协同工作，消除信息孤岛和资源孤岛。 与其相关的技术包括：实时企业信息系统、网络化虚拟设计环境、因特网技术、 知识管理、x m l 技术、a s p 技术、万维网技术( w e bs e r v i c e ) 、语义网c s e m a n t i c w e b ) 、高性能计算等。 网格计算是构筑在i n t e r n e t 上的一组新兴技术，其基础设施是基于i p 协 议的宽带数字通信网络，它将改变传统的c l i e n t s e r v e r 和c l i e n t c l u s t e r 结构，形成新的p e r v a s i v e g r i d 体系结构，这种体系结构将使得用户把整个网 络视为一个巨大的计算机，并从中享受一体化的、动态变化的、可灵活控制的、 智能的、协作式信息服务。网格计算系统一般由网格硬件、网格操作系统、网 格界面、网格应用四层基本结构构成，其最突出的特点是资源共享、协同工作 和开放性标准。也正因为如此，网格计算目前研究发展的主要障碍便是标准协 议的建立和体系结构的确定。同时，支持网格的关键协议如x m l 、s o a p 、u d d i 、 w s d l 等都逐渐成熟并成为各种平台支持的基本协议。 网格是要利用现有的网络基础设施、协议规范、w e b 和数据库技术，为用 户提供一体化的智能信息平台，其目标是创建一种架构在操作系统和w e b 之上 的基于i n t e r n e t 的新一代信息平台和软件基础设施。在这个平台上，信息的处 s 四川大学硕士学位论文 理是分布式、协作和智能化的，用户可以通过单一入口访问所有信息。网格追 求的最终目标是能够做到服务点播( s e r v i c eo nd e m a n d ) 和一步到位的服务 ( o n ec l i c ki se n o u g h ) 。网格的体系结构、信息表示和元信息、信息连通和 一致性、安全技术等是目前信息网格研究的重点。 我国在这方面也做了大量基础性和前瞻性的研究。从1 9 9 5 年开始，中国 科学院计算技术研究所就建立了专门的网格研究队伍，开始研究与网格相关的 技术，并开发成功了多个版本的信息一体化平台。织女星网格( v e g ag r i d ) 是中 科院计算所网格研究的一部分，它是利用网格技术实现信息的共享、管理和信 息服务。在网格环境下，数据资源是存放在网格结点上，它们可能基于不同的 系统和平台，而且在地理上是分布的。 本文就网格环境_ f 资源描述语言的设计与实现问题进行了深入研究，讨论 了作者的设计方案，介绍了具体实现工作，并就设计与实现工作中的关键技术 问题进行了分析和讨论 1 2 课题来源一织女星网格 织女星网格是中科院计算所正在进行的网格研究项目。织女星网格体系结 构的基本思想是把网格看成一台虚拟的超级计算机系统，因此织女星网格体系 结构设计继承了已有计算机系统的设计方法，即将网格看成是一台虚拟的、具 有单一系统映像的计算机系统。与现有的计算机系统类似，织女星网格也包括 硬件、系统软件和应用三个组成部分。 本文研究分属于织女星网格应用部分，主要包括如下内容： ( 1 )为织女星网格用户进行资源访问设计一种适合于v e g a 体系环境的 描述语言g s m l 并给出其较为完整的定义 ( 2 )研究该描述语言的元素构要、语言映射及其编程、运行等相关模型 f 3 )g s m l 语言的实现，具体实行模块划分策略，在服务器、g s r p 通 讯协议、解析与预处理以及显示几大模块中，着重研究本文作者主 要负责开发的解析与预处理以及显示两大模块的实现 9 四川_ 夫学硕士学位论文 1 3 本文的结构 本文集中研究织女星网格服务访问描述语言的课题，并围绕这一课题的相 关技术展开的。论文的第一部分介绍网格技术以及织女星网格体系结构的概况； 第二部分介绍织女星网格服务访问描述语言的设计；第三部分阐述织女星网格 服务访问描述语言的实现，重点放在本文作者负责开发的解析与预处理以及显 示两大模块的实现；最后是对该论文的总结。 1 0 四川大学硕士学位论文 第二章网格技术 近几年来，随着信息技术的发展和提高，人们求解问题的领域在不断扩展， 所遇到的问题也更加复杂，规模更加庞大，相应地，解决这些问题所需的计算 能力也在大幅度提高。在这些新问题的求解过程中，局部的计算资源已无法满 足需求，必须使用广大的分布资源，将他们集中起来协同解决问题。为了有效 地使用这些资源，打破地域的限制来实现更大粒度和更大范围的资源共享就成 为一种必须的要求，因此网格，这种能将广域分布的计算资源进行共享的 计算方式就成为了发展的必然。 网格这一个新生事物，代表了一种先进的计算机技术和基础设施，是继 i n t e r n e t 之后又一次重大的科技进步。 2 1 网格技术概述 2 1 1 什么是网格技术 从广义上来讲，网格是一个集成的计算与资源环境，它能充分吸纳各种计 算资源，并将其转化为一种随处可得、可靠的、标准的、经济的计算能力。需 要声明的是，这里所说的计算资源不仅包括各种类型的计算机，还有网络通信 能力、数据资料、仪器设备，还有人等各种相关资源；它是物理资源本身和管 理与逻辑的抽象相统一的有机整体。而狭义的网格一般被称为计算网格，主要 用于解决科学与工程计算问题。 网格的概念起源于元计算，又称为网格计算，它的核心思想是共享广域分布的 各种计算机资源，从而获得超级计算能力、数据处理自邑力和信息处理能力。而网格 系统提出的初衷，就是把整个因特网上的各种资源整合成一台巨大的虚拟超级计算 机，实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源等各种资源的全面 共享。 网格技术很重要的一个特点就是支持共享和协同使用动态的虚拟组织 ( v i r t u a lo r g a n i z a t i o n ) m2 】内的各种资源，虚拟组织是由地理和组织上分布 的资源所构成的虚拟计算系统，这个系统是高度集成的，能够提供所需的服务 质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s 5 ，6 ，7 】) 。 四川大学硕士学位论文 网格技术和概念最初是为了支持大规模的科学协同工作而出现的。这些应 用包括海量科学数据库的协同可视化 ，计算密集型数据分析的分布式计算， 远程计算机、数据和科学仪器的协同工作( 。我们预计这些应用将在商业领域 变得越来越重要，从最初的科学技术类计算应用过渡到分布式商业类计算应用， 这类商业应用包含i n t e r n e t 上的企业应用集成和b 2 b ( b u s i n e s st ob u s i n e s s ) 。 不仅仅因为网格技术能够提高系统性能，而且因为网格技术是构造可靠的、可 扩展的、安全的分布式计算系统的解决方案。我们希望网格技术如同w e b 一样， 最初作为科学协同技术，最后被采纳成为e - b u s i n e s s 技术。 i a nf o s t e r ，美国计算网格项目的领导人之一，他曾这样描述：“网格是 构筑在互联网上的一组新兴技术，它将高速互联网、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 和服务。互联网主要为人们提供电子邮件、网页浏览等通信功能，而网格的功 能则更多更强，它能让人们共享计算、存储和其它资源。”这句话中的其它资 源包括通信资源、软件资源、信息资源、知识资源等。根据我们的实践经验和 自己的理解，我们定义网格为： 网格是以资源共享为目的，支持对资源的远程访问和并发访问，用高速网络连 接的地理上分布的资源所组成的一个具有单一系统映像的高性能计算环境和通用 的资源共享平台。 2 1 2 网格技术的特点 分布与共享 分布性是网格的一个最重要特点。由于网格的资源是分布的，这决定了基于网 格的计算一定是分布式计算。在网格这一分布式环境下，需要解决资源与任务的分 配和调度问题，安全传输与通信问题，实时隆保障问题，人与系统以及人与人之间 的交互问题等，这就要求他们必须是共享的，即网格上的任何资源可以提供给网格 上的任何使用者。共享是网格的目的，没有共享便没有网格，解决分布资源共享的 问题，是网格的核心内容。这里共享的含义是非常广泛的，不仅指个地方的计算 1 2 四川大学硕士学位论文 机可以用来完成其它地方的内容还可以指中间结果，数据库，专业模型库，以及 人才资源等各方面的内容。 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，着两者对于网格来说都是十分重要的。 自相似性 分形模型有一个非常重要的特征就是自相似性。网格的局部和整体之间存 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。 可以认为国家级的网格是在省一级的网格基础之上建造起来的，国家级主 干网要有更大的带宽，才可以将不同省份的子网格连接起来提供满意的通信服 务；国家级和省级望个都回有各自的计算中心，只不过在计算能力上有差异而 已；他们也都需要管理节点，只不过国家级的管理节点管理功能需要更多、更 强大而已。 动态性和多样性 对于网格来说，原来拥有的资源或功能，在下一时刻可能就会出现故障或 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。 网格资源的动态性包括动态减少和动态增加两个方面的含义。对于网格资 源的动态减少或资源出现故障，要求网格能够及时采取措施，实现任务的自动 迁移，作到对高层用户透明或尽可能减少用户的损失。而网格资源的动态增加 需要提高网格的扩展性问题，即在设计与实现时，必须考虑新资源能否自然地 假如到网格中来，并和原来的资源融合在一切，共同发挥作用。 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锵决这些不同问题、不同类别资 源之问的通信和互操作问题。 自治性与管理的多重性 网格上的资源，首先是属于某一个组织或个人的，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 1 3 四j f i 大学硕士学位论文 理甭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，无 法作为一个整体为更多的用户提供方便的服务。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 3 网格技术与其它技术的区别 网格作为i n t e r n e t 的第三次浪潮，引起了各国研究机构和政府部门的注 意。同时为了适应现代社会的发展和企业用户提出的各种要求，与网格技术同 时还出生了许多新的技术，但是作为第三代i n t e r n e t 的网格技术，与这些技术 还是有明显的区别的。 2 1 3 1 网格技术与分布式系统和并行系统的区别 网格系统具有分布式系统和并行系统的特征，但是又与二者有着非常重要 的区别【1 6 。与分布式系统类似，网格系统也是由位于多个管理域下的超级计 算机通过不可靠的网络进行连接，并且需要对广域分布的动态资源进行集成， 但是网格系统对高性能的要求使其编程模型及接口与分布式系统有极大的差 别。同时，网格系统作为并行系统还需要进行超级计算机之间的通信调度以满 足应用对高性能的要求。所以，与网格系统的异构性以及动态性的特点相比， 现有的并行计算技术的应用具有很大限制。 2 1 3 2 网格技术与w e b 的区列 i 习格与w e b 技术有很多相似的地方，尤其是现在刚刚兴起的w e bs e r v i c e 技术更是与网格技术相似，但也有着诸多不同之处，主要有： w e b 以信息资源共享为主，而网格系统能提供所有类型的资源共享。 在i n t e r n e t 的w e b 上，信息资源零散地分布在各个网络站点；而在网 格系统中，所有资源得到了统一的管理和使用，用户可以通过网格门户( p o r t a l ) 之类的技术透明地使用整个网格系统上的资源 2 4 】。 w e b 中用户对信息资源的访问不具备连通性，存在信息孤岛现象；而网 格操作系统由用户、管理员和系统软件协同将零散的原始数据组织成一体化的 信息和知识，消灭了网格资源孤岛。 4 四川大学硕士学位论文 网格系统能提供，、域的高性能计算环境，不仪能支持一弘个的远端的高性 能计算，i i j n 可将多个网格结点的资源协作构成高端汁算环境；w e bl 前还不 具备多个w e b 结点间的协同计算能力。： 2 2 网格系统的构成 一个基本的网格系统可以分为三个层次：网格资源层、网格中间件层和网 格应用层 3 j ，如图2 - 1 所示。 图2 1 网格系统构成图 网格资源层，又称为网格结点，是构成网格系统的硬件基础，包括各种网 格资源，如超级计算机、贵重仪器、可视化设备、现有应用软件，这些资源通 过网络设备( 如广域网) 连接起来。网格资源层仅仅实现了网格资源在物理上 的连通，在逻辑上它们仍然是孤立的，不能解决共享的问题，因此，在网格资 源层上要通过实现网格中间件层来完成广域资源的有效共享。 网格中间件层，也称为网格操作系统( g r i do p e r a t i n gs y s t e m ，简称g o s ) ， 是指实现广域资源共享的一系列工具和协议软件，其功能是屏蔽网格资源层中 资源分布的异构性，向网格应用层提供透明的、一致的使用接口。网格中间件 层同时需要提供用户编程接口和相应的环境来支持网格应用系统的开发。 网格应用层是用户需求的具体体现。在网格操作系统的支持下，网格用户可以 使用其提供的工具或环境开发各种应用系统。能否在网格系统上开发应用系统来解 决各种广域资源共享问题是衡量网格系统优劣的关键。 2 3 网格的重要研究方向 1 5 蚕 四川大学硕士学位论文 网格是目前高性能计算领域比较热门的研究课题之一，如何将i n t e r n e t 上包括信息资源、计算资源、知识资源等在内的所有资源进行共享，如何提供 个性能优、功能全的通用资源共享平台是网格研究的热点。目前全世界的网 格研究水平都处在探索阶段，美国、欧洲、日本的一些大的科研机构都投入了 大量的人力物力致力于网格体系结构、网格协议、网格门户等方面的研究。但 是，到目前为止，仍有相当多的关键技术有待突破。我们认为网格研究的主要 内容有： 2 3 1 网格体系结构的研究 组成网格系统硬件基础的网格资源是广域分散的，不再局限于单台计算机 和小规模局域网范围内。网格系统希望将整个因特网整合成一台虚拟的超级计 算机，那么这台虚拟超级计算机采用什么样的体系结构是网格研究的基本问题。 简而言之，网格系统由哪些组成部分、各组成部分之间的关系以及如何协同工 作是网格体系结构研究需要解决的问题。 2 3 2 网格操作系统的研究 伴随着计算机体系结构的发展，计算机操作系统也经历了一系列的发展变 化，其总的发展趋势是如何更高效、更合理的使用计算机资源。网格操作系统 是网格系统资源的管理者。传统的操作系统管理的计算资源相对集中，其技术 相对比较成熟；而网格操作系统管理的将是广域分布、动态、异构的资源，因 此现有的操作系统无法满足对这类资源高效管理的要求，这样就需要在网格操 作系统中采用新的技术解决这些问题。 2 3 3 网格使用模式的研究 网格使用模式解决的是如何使用网格系统这台虚拟超级计算机的问题。在现有 的操作系统上，计算机用户可以使用各种软件工具完成各种任务，而在网格环境下， 用广_ 】可能需要使用新的方式来利用网格系统资源。用户采用什么样的模式结构、通 信协议、用户界面及资源访问描述语言来高效使用和管理网格资源是网格使用模式 需要解决的关键问题。 本文所研究的网格服务访问标记语言g s h i l 的定义与实现就属于网格使用模 式这一研究方向。 1 6 四川大学硕士学位论文 第三章v e g a 计算网格系统 v e g a 计算网格总体目标 设计并实现v e g a 网格体系结构 设计实现基于网格体系结构的v e g a 网格操作系统 开发基于v e g a 网格操作系统的应用系统 建立v e g a 网格试验平台 3 2v e g a 计算网格开发平台 v e g a 网格1 0 版本将运行在l i n u x 系统上。开发平台的部署情况为： r e d h a tl i n u x7 2 ( l i n u xk e r n e l2 2 以上) 8 台p c 服务器 0 m 带宽局域网 3 3v e g a 网格系统设计( v e g ag r i ds y s t e md e s i g n ) v e g a 网格系统整体分为三个部分：v e g a 网格组成与结构、v e g a 网格操作系 统和v e g a 应用系统。v e g a 网格组成与结构相当于计算机系统的硬件组成，而 v e g a 网格操作系统相当于计算机系统中的操作系统，应用系统有科学计算应用 和商业计算应用两部分组成。 3 3 1v e g a 网格的组成与结构( c o m p o n e n t sa n ds t r u c t u r eo fv e g ag r i dl 从下图中我们可以看到v e g a 网格的体系结构包括网格处理器( g r i d p r o c e s s o r ) 、网格系统总线( g r i ds y s t e mb u s ) 和网格虚拟设备( g r i d v i r t u a l d e v i c e ) 三个部分。 7 四j i i 大学硕士学位论文 图3 1v e g a 网格的结构 忘i 刁 【。，一 3 3 1 1 网格处理器( g r i dp r o c e s s o r ) 网格处理器在物理上是指一台计算机或接人设备。网格处理器的主要功能 是完成对网格计算的管理工作，而并不完成计算工作。在传统的计算机系统中， 处理器完成的工作包括管理任务和计算任务。在v e g a 网格体系结构中，我们将 处理器分成两种类型，其中网格处理器完成管理工作；而计算任务交给网格虚 拟设备( 如c y c l ep r o v i d e r ) 完成。网格处理器类似于机群系统中的控制节点 或管理节点。 由于网格处理器只完成管理工作，因此一台p c 机对于网格处理器来说就足 够了。我们认为网格处理器的主要工作将是寻址、控制、以及监控等。 3 3 1 2 网格互联系统一系统总线( g r i ds y s t e mb u s ) 网格系统总线是网格的互联系统。g s b 是逻辑或者是软件系统总线。在底 层，g s b 由i n t e r n e t 构成，其中既包括硬件又包括软件。在更高的层次上，g s b 有新开发的软件和渗议构成，我们称之为网格计算协议( g r i dc o m p u t i n g p r o t o c o l ，g c p ) 。网格处理器，网格虚拟设备通过网格系统总线完成相互之问 的通信。 壅垄组盛 g s b 有两部分的部件组成： 1 8 四j i i 大学硕i j 学位论文 互联设备( i n t e r n e t ) 互联设备负责将v e g a 网格的所有部件联接成一个单一系统，即一台虚拟的训。 算机系统。 g s b 控制设备( r e s o u r c er o u t e r ) 控制设备负责控制网格系统总线的操作模式，例如，如何注册一个网格 虚拟设备，如何查找一个虚拟设备、监控、中断等等。g s b 是v e g a 网 格的虚拟系统总线。 蕴兹 从逻辑的角度来看，即对于网格处理器和网格虚拟设备来说，g s b 是一条 单一的总线。而在实现中，g s b 的拓扑结构是复杂的。我们认为g s b 是一种网 状的结构，其中，资源路由器之间相互连接同时将网格处理器和网格虚拟设备 互连起来。图3 给出了g s b 的组成结构。 趁越 g s b 不仅有硬件组成，同时还需要协议软件的支持。g s b 的协议包括两个 部分：内部协议和外部协议。内部协议用于资源路由器之间的通信，外部协议 用于网格系统总线与网格处理器和网格虚拟设备之间的通信。 外部协议主要包括： 安全协议。安全协议用于保证数据传输的安全。 寻址协议。寻址协议用于实现网格进程的单一地址空间。 传输协议。数据传输协议用于数据的传输。v e g a 网格将采用t c p i p 协 议作为基本的数据传输协议，网格文件系统中将采用f t p 作为文件传输协 议。 控制协议。控制协议用于控制网格处理器和网格虚拟设备之间的交互 操作。例如，存储器的读写、i o 读写、传输请求确认、中断请求确认、 时钟、重置等等。 监控协议。监控协议用于获得整个网格系统的可用性信息，包括检测、 出错报告、错误恢复等等。 内部协议包括： 1 9 四川大学硕士学位论文 路由协议。路由协议是指资源路由器如何找到一条合适的路径并将资 源请求转发给其他的路由器，并最终到达网格虚拟设备。 监控协议。监控协议用于资源路由器之间的系统监控。 3 3 1 3 网格虚拟设备( g r i dv i r t u a ld e v i c e ) 虚拟意味着这里的设备并不是单指硬件设备，虚拟设备应同时包括软件、 服务，如数据库、w e b 服务等等。 盔茎级盛 网格虚拟设备有两个基本的组成部分，即虚拟设备控制器和设备。 虚拟设备控制器是网格系统总线和网格虚拟设备之间的接口，是网格系统 总线和网格虚拟设备之间的桥梁。网格控制器的作用是屏蔽不同种类的设备、 设备的不同实现之间的差异。图3 - 2 给出了网格控制器与网格系统总线和网格 虚拟设备之间的关系。 羲 殳 竞 几j蚤d 殳 基 寸叫 空 戋 刚 、r 叫 蚤 播 图3 2 设备控制器 网格设备主要包括以下几种类型： 周期提供者( c y c l ep r o v i d e r ) 。周期提供者完成处理器中除管理之 外的计算任务。在网格环境下，周期提供者将会是一台高性能计算机系统， 提供超级计算能力。 主存提供者( m a i n m e m o r yp r o v i d e r ) 。主存提供者将提供巨大的主 存空间。通过协作缓存( c o o p e r a t i v ec a c h i n g ) 、分布式共享存储 ( d i s t r i b u t e ds h a r em e m o r y ) 等技术，多个主存提供者之间可以获得更大 的主存空间和数据访问性能。 四j 1 i 大学硕士学位论文 存储提供者( s t o r a g ep r o v i d e r ) ，存储提供者是提供海量存储能力 的计算机系统。存储提供者作为网格虚拟设备，同时是实现网格文件系统的 硬件基础。 仪器提供者( i n s t r u m e n t sp r o v i d e r ) 。仪器提供者将提供可以远程 使用的特殊设备，如多普勒雷达。 应用提供者( a p p l i c a t i o np r o v i d e r ) 。应用提供者提供各种软件， 如数据库系统、c a d 工具、w e b 服务等等，这些软件都采用服务的方式远程 用户使用软件资源。 盈筮 网格虚拟设备是各种计算任务的执行单位，它的工作受网格处理器的控制。 具体来说，网格虚拟设备具有以下的功能： 接受网格处理器发送的控制命令。 向网格处理器发送中断请求。 与网格处理器之间进行数据发送接收操作。 设备之间进行数据接收发送操作。 向系统总线进行注册和注销操作。 3 3 1 4 与网格操作系统的接口( v e g a 网格指令系统) 在传统的计算机体系结构中，指令系统是必需的，即指令系统是软件和硬 件之间的借口。而在v e g a 网格的体系结构中，由于它完全是一种软件实现的体 系结构，因此在实际上并不需要增加新的硬件指令。v e g a 网格的指令系统是指 v e g a 网格体系结构与v e g a 网格操作系统之间的接口，在实现时体现为一组基 本的a p i 。这些a p i 主要完成对设备和总线的控制。 3 3 2v e g a 网格操作系统设计( v e g ag o sd e s i g n ) 与传统的操作系统类似，网格操作系统的作用是管理整个网格系统的资 源。v e g a 网格操作系统建立在v e g a 网格体系结构基础之上，向应用开发人员 和最终用户提供使用网格资源的接口。 2 l 四川大学硕士学位论文 v e g a 网格操作系统是对传统操作系统的继承。通过对网格计算的抽象， v e g a 网格操作系统在现有操作系统上进行扩展。在网格环境下，计算具有分布 性、并行性的特点，因此网格操作系统管理的资源将是广域分布的、动态变化 的。 国3 - 3 两个具有共享关系的网格操作系统g o sa 和g o sb 与v e g a 网格体系结构相对应，v e g a 网格操作系统主要分为以下几个部分： 系统总线驱动 网格虚拟设备驱动 虚拟设备管理器 v e g a 网格操作系统系统调用 3 3 2 1 网格系统总线驱动( g s bd r i v e r ) 网格系统总线驱动用于控制网格系统总线的操作。在总线驱动之上，网格 虚拟设备驱动可以实现与设备控制器的交互。总线驱动将包括三个主要部分： 数据传输、控制命令传输以及寻址。 数据传输( d a t at r a n s f e r ) 阳川大学硕士学位论文 完成设备驱动与设备控制器之间的数据传输。 图3 - 4 数据传输示意 控制( c o n t r 0 1 ) 完成设备驱动与设备之间交互命令的传送。 i n t e r r u p t c o m l t l f l n i i 兰 1 l 图3 - 5 控制过程示意 寻址( a d d r e s s i n g ) 完成数据传送时的数据定位。 g r i dp r o c e s s 一l o 0 ， 昌 黝旧 图3 - 6 地址过程示意 3 3 2 2 网格虚拟设备驱动( g r i dv i r t u a ld e v i c ed r i v e r ) 2 3 四川大学硕士学位论文 网格虚拟设备驱动完成对虚拟设备的控制。 设备查找( d e v i c el o o k u p ) 通过调用系统总线提供的接口，找到符合资源要求的网格虚拟设备。在找 到设备后，设备驱动保留此虚拟设备的信息( 位置信息和资源信息) 。 设备初始化( d e v i c ei n i t i a l ) 设备初始化是指设备驱动与虚拟设备的绑定。在绑定成功后，用户可以使 用虚拟设备提供的资源。同时，虚拟设备保持与此设备驱动的连接，开发接收 此设备驱动发送的请求。 设备打开i 关闭( d e v i c eo p e n c l o s e ) 设备打开操作是指网格进程与设备的绑定，即网格进行在运行时调用g o s 提供的接口访问此设备。在打开操作结束后，网格进程得到一个描述符( 此次 网格计算的句柄) 。通过这个句柄，网格进程可以使用此设备。当计算任务完 成后，关闭此设备，释放句柄。 设备读写( d e v i c er e a d w r i t e ) 在设备打开后，网格进程可以向虚拟设备发送数据( 写) 和取数据( 读) 。 设备控制( d e v i c ec o n t r 0 1 ) 不同类型的虚拟设备需要不同的控制命令，通过设备驱动的控制接口，完 成不同的操作。 设备重置( d e v i c er e s e t ) 当设备出错或失效时，设备驱动提供重置命令，用于恢复同设备的正常连 接。如果多次连接不成功，重置命令将自动查找相同的设备并与此设备绑定。 3 3 2 3 网格虚拟设备管理器( g r i dv i r t u a ld e v i c em a n a g e r ) 设备管理器的主要任务是完成对设备、设备驱动的管理，保证网格进程对 设备的透明、共享使用。 设备驱动管理( d e v i c ed r i v e rm a n a g e m e n t ) 设备驱动管理主要负责设备驱动的加载、卸载。 设备分配回收( d e v i c ea 1 l o c a t e f r e e ) 2 4 四川大学硕士学位论文 设备分配同收主要完成用户对设备的使用要求，当用户需要使j j 某种设 备时，g o s 应为其分配符合资源要求的设备。而当无人使用某个设备时，g o s 应负责回收( 释放) 这个设备。 设备共享( d e v i c es h a r i n g ) 在很多情况下，多个网格进程之间需要同时使用同一个设备。设备管理器 应确保这种共享使用的正确性。 错误处理( e r r o rh a n d l i n g ) 当设备出现错误导致设备无法正常使用时，设备管理器应自动查找新的设 备替换出错的设备。如果没有可用的设备，需要将错误通知给网格进程。 设备监控( d e v i c em o n i t o r r i n g ) 设备管理器应定时查询每个设备的状态，当某个设备出错时，设备管理器 应进行出错处理。 3 3 2 4g o s 系统调用( g o ss y s t e mc a l l ) g o s 系统调用是使用者和网格操作系统之间的接口。通过g o s 系统调用， 使用者可以将计算提交给网格操作系统，由网格操作系统负责计算的完成。g o s 系统调用的设计类似于套接字的设计，提供数量较少的几个具有某种逻辑意义 的接口。主要的接口说明如下： g r i d ( ) ：打开一个虚拟设备( 可能与设备绑定也可能为未绑定) b i n d ( ) ：与某个虚拟设备绑定 r e a d ( ) ：从设备读取数据 w r i t e ( ) ：向设备写数据 g r i d c t r l ) ：控制设备的操作 c l o s e ( ) ：关闭这个设备。 3 3 3 v e g a 网格应用( v e g ag o sa p p l i c a t i o n ) 3 3 3 1v e g a 网格服务器( v e g ag r i ds e r v e r ) 四川大学硕士学位论文 网格应用服务器是基于织女星网格编程接口开发的向网格最终用户提供 特定服务的程序。网格应用服务器类似于现在的w e b 服务器，所不同的是w e b 服务器提供的是页面访问服务( p a g ea c c e s ss e r v i c e ) 而网格应用服务器提供 的是资源访问服务( r e s o u r c ea c c e s ss e r v i c e ) 。 图3 7 织女星网格的压用模式 网格应用服务器通过网格编程接口实现对单个计算资源的访问或者协同使 用多个计算资源。通过网格服务请求协议g s r p ( g r i ds e r v i c er e q u e s tp r o t o c 0 1 ) 向网格浏览器提供资源访问服务。它运行在v e g a 网格操作系统之上的、向用户 提供特定服务的守护进程。例如，用户可以通过特定的批作业服务器完成批作 业计算，用户还可以通过特定的旅游服务器完成一次旅游预定的操作。而这些 不同的服务器组合在一起构成了v e g a 网格服务器。上图给出了织女星网格应用 模式的组成。 3 3 3 2 v e g a 网格浏览器( v e g ag r i db r o w s e r ) v e g a 网格浏览器是一个图形化的用户使用环境。通过网格浏览器，用户可 以用友好的方式使用定制的网格服务( 科学计算和商业计算) 。 面向科学计算的应用( s c i e n c ec o m p u t i n ga p p l i c a t i o n s ) v e g a 网格支持科学计算类的应用系统。具体来讲，v e g a 网格将提供广域批作业 管理系统，同时将提供对广域协同计算的支持。通过以上两种方式，用