（计算机软件与理论专业论文）网格中基于本体论的服务匹配方法的研究.pdf

南京邮电大学硕十研究生学位论文 摘要 摘要 网格计算是下一代互联网技术研究与应用的一个重要领域。网格计算的主要目标是在 分布、异构、自治的网络环境中动态构建虚拟组织并实现跨组织的资源共享与协同工作， 因此共享和协作是网格的基本特征。网格服务则是将网格应用程序的功能以服务的形式提 供给用户，其目标是当用户向网格系统提出服务请求时，能够高效地查找和分配真正适应 用户需求的资源。 语义网格是语义网和网格相结合产生的新的研究领域，能够将信息和服务更加精确地 展现出来，从而提高网格服务的智能化程度。 目前，在网格环境中，随着规模的发展，网格所能提供的资源越来越丰富，而搜索的 效率问题日益显著。因此如何提高网格系统的资源搜索效率、如何优化资源调度、如何为 用户提供智能化的服务等问题已成为研究的热点。 本文将本体论应用到网格的服务匹配中，研究网格系统中请求服务和发布服务之间的 语义匹配方法。论文介绍了网格的基本理论、语义网格和网格服务的概念、基于本体论的 服务匹配技术；提出了一种基于本体论的网格服务匹配方法，对该方法涉及的网格资源及 服务请求的形式化描述、条件语义分析和解析、元数据的产生和分类、语义匹配算法等进 行了描述和分析。 本文在如何提高网格资源的搜索效率和服务的智能化程度方面做了有益的探索。 关键词：网格服务，匹配，本体论，语义，元数据 a b s t r a c t g r i dc o m p u t i n gi sa l li m p o r t a n tr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o nf i e l do ft h en e x tg e n e r a t i o n i n t e r n e t t h ep r i m a r yt a r g e to f 蛳dc o m p u t i n gi st od y n a m i c a l l ye s t a b l i s hv i r t u a lo r g a n i z a t i o n a n di m p l e m e n to r g a n i z a t i o n - c r o s s i n gc o o p e r a t i o na n dr e s o u r c e ss h 撕i 培u n d e rt h ed i s t r i b u t e d ， m u l t i i n s t i t u t i o n a la n da u t o n o m o u sg r i de n v i r o n m e n t s os h a r i n ga n dc o o p e r a t i o na r et h eb a s i c c h a r a c t e r so f 鲥d g r i ds e r v i c ep r o v i d e su s e r s 谢t l la p p l i c a t i o np r o g r a m s f u n c t i o n si n 面di n t h ef o r mo fs e r v i c e s i ta i m sa th o wt oe f f e c t i v e l ys e a r c ha n dd i s t r i b u t et h er e s o u r c er e a l l y n e e d e db yu s e rw h e nu s e rs u b m i t sas e r v i c er e q u e s t s e m a n t i c 鲥di san e wr e s e a r c hf i e l dw h i c hc o m b i n e ss e m a n t i cw e ba n d 妒d i tc a l l e x h i b i tt h ei n f o r m a t i o na n dt h es e r v i c ee x a c t l y ，a n di m p r o v et h ei n t e l l i g e n c eo fg r i ds e r v i c e a tp r e s e n t ，i n 酣de n v i r o n m e n t ，a st h ed e v e l o p m e n to f 曲d ss c a l e ，g r i ds u p p l i e sm o r ea n d m o r er e s o u r c e s b u tt h ep r o b l e mo fs e a r c h i n ge f f i c i e n c yi so b v i o u si n c r e a s i n g l y s op r o b l e m s o fg r i d ，s u c ha sh o wt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fr e s o u r c es e a r c h ，h o wt oo p t i m i z er e s o u r c e s c h e d u l i n ga n dh o wt os u p p l yi n t e l l i g e n ts e r v i c e sf o ru s e r s ，h a v eb e c o m et h eh o tr e s e a r c h t o p i c s i nt h i sp a p e r ，t h et h e o r yo fo n t o l o g yi sa p p l i e dt os e r v i c em a t c h i n gi ng r i d ，a n ds e m a n t i c m a t c h i n gm e t h o db e t w e e nt h er e q u i r e ds e r v i c ea n dt h ep r o v i d e ds e r v i c e si n 面d i sr e s e a r c h e d a f t e ri n t r o d u c i n gt h eb a s i ct h e o r yo f 鲥d ，t h ec o n c e p t i o n so fs e m a n t i c 鲥da n d 西ds e r v i c e ，t h e t e c h n o l o g i e so ft h eo n t o l o g y - b a s e ds e r v i c em a t c h i n g ，t h i sp a p e rp r o p o s e s am e t h o do f o n t o l o g y - b a s e ds e r v i c em a t c h i n gi n 鲥d ，d e s c r i b e sa n da n a l y z e ss o m ea s p e c t sr e l a t e dt o t h e m e t h o d ，i n c l u d i n gt h ef o r m a l i z e dd e s c r i p t i o no ng r i dr e s o u r c e sa n dt h er e q u e s tf o rs e r v i c e ， c o n d i t i o n a ls e m a n t i ca n a l y s i sa n dp a r s i n g ，t h ep r o d u c ea n dc l a s s i f i c a t i o no fm e t a d a t a , s e m a n t i c m a t c h i n ga l g o r i t h ma n ds oo n t h i sp a p e rh a sd o n es o m eu s e f u lw o r ki ni m p r o v i n gt h er e s o u r c es e a r c h i n ge f f i c i e n c ya n d t h es e r v i c ei n t e l l i g e n c ei ng r i d k e y w o r d s ：g r i ds e r v i c e ，m a t c h i n g ，o n t o l o g y , s e m a n t i c ，m e t a d a t a 南京邮电大学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 mc o n t e x t u a lm a t c h上下文匹配度 d a r p aa g e n tm a r k u pl a n g u a g e +d a r p a 代理标识语言+ d a m l + o i l o n t o l o g yi n t e r f a c el a y e r 本体接口层 d l d e s c r i p t i o nl o g i c 描述逻辑 g g fg l o b a lg r i df o r u m全球网格论坛 g g gg r e a tg l o b a lg r i d巨大全球网格 h t m l h y p e r t e x tm a r k u pl a n g u a g e 超文本标记语言 l m l i n g u i s t i cm a t c h 语言匹配度 n s fn a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n国家科学基金 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 开放网格服务体系结构 o g s i o p e ng r i ds e r v i c e si n f r a s t r u c t u r e 开放网格服务基础设施 0 w lw e bo n t o l o g yl a n g u a g ew e b 本体语言 p 2 p p e e r t op e e r对等计算 q o sq u a l i t yo fs e r v i c e服务质量 r d f r e s o u r c ed e s c r i p t i o nf r a m e w o r k资源描述框架 s ms e m a n t i cm a t c h语义匹配度 s o as e r v i c e o r i e n t e da r c h i t e c t u r e面向服务的体系结构 s o a p s i m p l eo b j e c t a c c e s sp r o t o c o l 简单对象访问协议 u n i v e r s a ld e s c r i p t i o n , d i s c o v e r y ，a n d u d d i统一描述、发现和集成 i n t e g r a t i o n v o v i r t u a lo r g a n i z a t i o n 虚拟组织 w s d lw e bs e r v i c e sd e f i n i t i o nl a n g u a g ew e b 服务描述语言 w s r fw e bs e r v i c e sr e s o u r c ef r a m 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 5 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文图表清单 图表清单 图2 1 网格主体、网格客体和网格策略三者之间的关系4 图2 2 网格发展的三个阶段6 图2 3 五层协议结构与i n t e r n e t 协议的对比8 图2 4o g s a 网格体系结构10 图2 5o g s i 向w s i u 发展意向1o 图2 - 6 面向服务的网格体系结构1 1 图3 1 面向服务的知识网格体系结构。1 2 图3 2 网格服务框架小1 6 图3 3 网格服务示意图。1 7 图4 1o w l s 中服务本体的结构2 1 图4 2o w l s 和w s d l 的映射2 3 图4 3 基于本体的资源管理模式。2 5 图4 4 服务匹配与服务代理2 8 图5 1 本体库的描述模型3 0 图5 2p r o f i l e 文件的元对象模型3 2 图5 3p r o c e s s 文件的元对象模型3 4 图5 4g r o u n d i n g 文件的元对象模型3 6 图5 5g r o u n d i n g 文件与p r o c e s s 文件、w s d l 文件的元素的对应关系3 7 图5 - 6 接口描述框架4 2 图6 1 网格服务匹配系统4 5 图6 2 服务匹配算法的设计模式4 7 图6 3 服务匹配算法的主要流程4 8 图6 - 4 再学习过程的流程5 0 图6 5 语义匹配的计算过程5 2 南京邮电大学学位论文独创性声明 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 含为获得南京邮电大学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：袁焘重日期：宰：i ：竺 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：趑耋 导师签名： 红矗 日期： 丑：! ：兰一 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 1 1 课题的意义 第一章引言 网格计算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 。通过这种方式组织起来的“虚拟的 超级计算机”有两方面的优势，一个是数据处理能力强；另一个是能够充分利用互联网中 暂时空闲的资源。简单地说，网格就是把整个计算机网络整合成一台超级计算机，实现各 种资源如计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、软件资源、存储资源、通信资源、 知识资源、专家资源等的全面共享。 网格的关键技术包括资源管理、任务调度、监测工具、应用层可视化工具的设计、容 错和安全等。其中在网格的资源管理方面需要解决的问题有资源的描述、资源的命名、资 源的发现和匹配等。 在网格环境中，随着规模的发展，更多的节点不断地加入网格，并提供更加丰富的资 源，在数据网格和信息网格中，也会有大量的文件被共享。这样，当用户通过资源管理器 搜索网格资源时，搜索元数据的范围将会随着共享文件的增多而变得越来越大，而搜索的 效率反而降低，并且查找到的资源未必能够满足用户的需求。因此如何快捷、方便地从资 源管理器中找出真正适合用户需求的资源是资源管理必须解决的问题。 本文研究在网格资源管理中如何更好地利用元数据以提高查询效率，如何基于本体论 进行服务匹配以更好地为用户的请求匹配最佳资源。论文对提供网格资源管理的效率和智 能性作了有益的探索。 1 2 论文的主要工作 本文首先以提高资源查询效率为目标，提出了一种基于反馈的元数据分类方法。该方 法以类为单元，将原始训练集结合反馈结果重新进行学习和分类，使得新的训练集更加精 确，提高了元数据的分类性能和对元数据乃至网格资源的查询效率。接着以为用户的请求 匹配最佳资源为目标，提出了一种基于本体论的加权服务匹配方法；该方法首先将分析得 到的元数据分到领域类中，此过程采用了基于反馈的元数据分类方法：接下来在查找到的 领域类内，根据所设计的请求服务与发和服务之问的语义匹配算法，针对服务请求进行语 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 义匹配，包括语言匹配和上下文匹配，从而计算出最佳的语义匹配度，找到相应的资源。 1 3 论文的组织 本文共分七个章节，后续各章的内容组织如下： 第二章网格计算的概述：首先介绍了网格的定义及其特点，然后介绍了网格计算在 不同时期的发展状况及今后的发展趋势；接着介绍了网格计算的关键技术；最后介绍了目 前被普遍认可的几种网格体系结构等。 第三章相关研究与技术概述：主要介绍了语义网格和知识网格的基本概念以及语义 网格的相关研究，并以本论文所采用的技术为出发点，详细介绍了基于本体论的服务匹配 方面的支撑技术。 第四章基于本体论的网格服务匹配技术：首先介绍了网格服务中的本体描述，包括 o w l s 的定义和组成、基于本体论的资源管理；接着介绍了本文所用到的基于本体论的 服务匹配技术，包括服务匹配的相关技术、服务匹配与服务代理的区别和本文所提出的基 于本体论的服务匹配思想。 第五章在服务匹配中语义描述的模型：介绍了网格本体库中的资源描述模型，接着 对网格服务中的语义模型进行了描述，最后介绍了网格服务中的构件描述模型。 第六章一种基于本体论的服务匹配方法的研究：首先介绍了服务匹配模型，包括服 务匹配器的系统结构和服务匹配器的设计模式；接着对基于本体论的网格服务匹配方法进 行了研究，包括服务匹配的主要方法、元数据分类的主要过程和语义匹配的主要过程。 第七章总结与展望：对本文工作进行了总结，并指出需要进一步研究的内容。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章网格计算概述 2 1 网格计算的定义 第二章网格计算概述 网格是继i n t e m e t 之后又一次重大的科技进步，它是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。 什么是网格计算( g r i dc o m p u t i n g ) 呢? 基于网格的问题求解就是网格计算。这里给 出的网格计算的概念是相对抽象的，而且是广义的定义，其实网格计算还有侠义的定义。 狭义网格定义中的网格资源主要是指分布的计算机资源，而网格计算就是指将分布的计算 机组织起来协同解决复杂的科学与工程计算问题。狭义的网格一般被称为计算网格 ( c o m p u t a t i o n a lg r i d ) ，即主要用于解决科学与工程计算问题的网格。 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【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、存储等其它资源。2 0 0 0 年，i a nf o s t e r 在网格的剖析 【2 】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”。至此，人们仍然就网格的定义争论不休。2 0 0 2 年7 月，i a nf o s t e r 在什么是网格? 判断是否是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，称它为巨大全球网格g g g ( g r e a tg l o b “g r i d ) ，它不仅包 括计算网格、数据网格、信息网格、知识网格和商业网格，还包括一些已有的网络计算模 式，例如对等计算p 2 p ( p e e rt 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”。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章网格计算概述 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集成为一个 有机整体，从而为用户提供一个基于国际互联网的新型平台，在这个平台上将来自客户端 的请求和提供资源的服务器进行合理的匹配，为用户的请求选择最佳的资源服务，进而实 现广域范围的资源共享。网格把分布的资源集成为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。 同其它系统一样，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，根据请求内容为请求者提供相应的功能。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网格策 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 。一个网格主体 和一个网格客体之间的关系是否存在或者被允许，是通过网格策略来描述和确认的。网格 g 可以看成是由网格主体s ，网格策略尸，网格客体d 构成的一个集合g = s ，o ，p ) 。 网格为分散在各地的网格主体共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。如图2 1 所示，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。 图2 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 网格用户直接发出，也可以由各种网格应用发出。这两种主体的主要区别在于，用户需要 友好的用户接1 3 ，一般通过图形用户接口或专门的软件访问网格、而应用通常通过应用程 序接1 ：3 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使用的对象，包括硬件设施、软件、数据和信 息等。为了突出可用性，通常把可以被使用的实体称为资源。如计算节点、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。 4 南京邮电大学硕十研究生学位论文 第二章网格计算概述 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。网格要给用户、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点： ( 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 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一个资源，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 3 1 。 2 2 网格计算的发展 网格计算主要研究在分布、异构、自治的网络资源环境上动态建构虚拟组织并实现跨 自治域的资源共享与协同工作，资源的汇聚和共享是网格最重要的特征，共享与协作是网 格的基本理念。网格被认为是继传统i n t e m e t 、w e b 之后的第三次浪潮，通俗地说，i n t e m e t 实现了计算机系统与网络设施的互连，w e b 实现了网页的互连，使得信息的共享与获取 不受时空限制，而网格则试图实现在全球i n t e m e t 范围内按需共享与整合各种i t 资源， 除了通常的信息与设备资源共享外，计算资源、数据资源和服务资源的有效聚合与广泛共 享是网格区分于以往共享技术的本质特征。 网格的发展主要经历了三个阶段，如图2 。2 所示。 网格是在2 0 世纪9 0 年代中期为构建先进科学和工程分布式计算设施而引入的概念 【3 1 。连接超级计算中心为一定范围内的高性能应用提供计算资源，这是网格发展的第一个 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章网格计算概述 阶段，f a f n e r l 4 1 和i w a v 5 1 是这一时期的两个代表性项目。 ! ：第一阶段：网格萌芽期：第二阶段：网格的早期试验：第三阶段：网格发展期 ：以千兆位网试验床与元：开创性和奠基性工作：支持 标志性工作： i 计算：将超级计算机节点j 大规模数据与计算应用的中间 o g s a 标准制定 i 连接i 件开发 jw s r f 标准出台 i 代表性项目：i 计算网格体系结构：；w s - - i + 标准制定 if a f n e 刚i w a y i 代表性项目：g l o b u s l e g i o n ； ii i ! 1 9 9 5 年：1 9 9 6 - - - 2 0 0 0 年：2 0 0 1 图2 - 2 网格发展的三个阶段 随着技术的进步和应用的普及，网格被看作全球范围内为各种大规模计算和数据密集 型应用提供分布计算环境的基础设施，网格发展从此进入第二个阶段。这一时期的代表性 项目有g l o b u s t 6 】和l e g i o n t 7 】等，关注的主要问题包括：( 1 ) 网格环境下的分布性、异构性、 可扩展性和动态性；( 2 ) 基于i n t e m e t 在多种异构计算机系统和资源之间建立通用、分布式 计算环境，让不同节点和资源可以有效共享与协同工作，这一时期的网格技术主要关注网 格中间件的研究与开发。当时以计算网格( c o m p u t i n gg r i d ) 来称谓网格技术，1 9 9 8 年i a n f o s t e r 给出的定义为：计算网格是一个硬件和软件基础设施，它提供对高端计算能力可靠、 一致、普通和不昂贵的接入【7 j 。 2 0 0 2 年以开放网格服务体系结构( o p e ng r i ds e r v i c e s a r c h i t e c t u r e ，o g s a ) 为标志， 网格发展进入第三阶段，网格演进成为一种受管理的共享虚拟系统。这一时期，网格从计 算网格演变为网格计算，称谓的改变反映了人们对网格技术内涵理解的深化。i a nf o s t e r 在“网格剖析一文中指出：网格计算关注的是在动态、多机构的虚拟组织( v i r t u a l o r g a n i z a t i o n , v o ) 中协调资源共享和协同解决问题，其关键是在一组参与节点( 资源提 供者和消费者) 中协商资源共享与管理，并利用协商得到的资源池共同解决问题【8 】。 虚拟组织是网格的核心概念，它由资源共享规则和约束条件定义的一组个体和( 或) 机构动态构成，虚拟组织的成员为了共享资源，需要按照这些规则和约束条件进行协商。 如何将跨区域的用户、组织、服务和异构资源映射到相应的虚拟组织，是网格计算面临的 基本问题之一。这个问题的复杂性源于资源发现机制、资源共享方法以及虚拟组织中的访 问控制机制等。 不同虚拟组织在共享资源的方式、规模、生命周期以及交互模式等方面都不尽相同， 但仍有一些共同特点和需求，例如，虚拟组织对共享资源的需求十分突出，资源共享受条 件限制和规则驱动，并基于开放、定义良好的交互和访问规则。虚拟组织成员之间的关系 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章网格计算概述 在本质上是对等的，它们之间信任关系的建立比较复杂。 共享和协作是网格区别于传统分布式计算的关键。网格应用通常是在虚拟组织中以网 格服务( g r i ds e r v i c e ) 方式实现动态资源的协调共享，它支持跨组织的协同工作，共享 资源包括计算资源、数据资源、硬件设备、软件组件以及应用程序等，因此，网格需要解 决涉及资源共享的一系列问题，例如资源发现、事件关联、认证授权和访问机制等。当网 格成为一种公共的信息基础设施时，解决这些问题尤为重要。 2 3 网格计算的关键技术 网格系统的关键技术包括网格的资源管理、任务调度、监测工具、应用层可视化工具 的设计、容错和安全等。 ( 1 ) 资源管理。资源是网格中的主要对象，网格的目的就是要管理好网格中的各种资 源，为需要资源的用户提供透明一致的访问接口。资源管理需要解决的问题有资源的描述、 资源的命名、资源的发现和匹配等。 ( 2 ) 任务调度。网格资源具有多方面的异构性，非常适合具有多种内在并行性的应用 执行。网格的主要目标之一就是为用户提供高效的应用程序的执行环境。将应用程序调度 到异构的计算节点上运行，获得最优或近优的性能指标是任务调度的目标和方向。它们属 于网格的中间件。 ( 3 ) 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 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。 这对监测系统资源和运行情况十分重要。 ( 4 ) 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是非常困难的。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。 ( 5 ) 容错技术。网格计算的本质是通过共享跨越不同管理域的资源，往往需要利用海 量资源来协作完成某个复杂任务。随着环境中资源数目的增加，它们所提供的服务出错的 概率不能再被忽略。因此，网格计算环境必须支持容错技术，以保证当某个或某些资源提 供的服务出现故障时协作任务仍能正常运转下去。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章网格计算概述 ( 6 ) 安全技术。安全性是网格计算环境必备的基本特征之一。网格安全包括计算资源 的安全和应用程序的安全。计算资源的安全性虽然可以通过现有网络安全技术来实现，但 需要面对的是更加严峻的安全问题。而应用程序的安全性是网格环境中的另一个重要问 题，当一个应用程序提交到网格系统执行时，网格环境需要保护该应用的私有性，确保其 程序代码不会被第三方获得，其运行结果对其他用户是透明的。 2 4 网格计算的体系结构 2 4 1 五层协议结构 五层协议结构是从g l o b u s 系统中抽象出来的，对网格的初步形成影响十分广泛。i a n f o s t e r 等人使用图2 3 描述了g l o b u s 的五层协议结构，并把它与i n t e m e t 协议模型进行 了比较。五层协议结构的一个最重要的思想就是以“协议”为中心，同时强调服务和a p i 、 s d k 等的重要性。它类似于传统的t c p i p 网络协议栈，将网格分成五个互相关联而不 均等的层次，即构造层、连接层、资源层、汇聚层和应用层。 网 格 协 议 体 系 结 构 应用层 j 汇聚层 资源层 r 连接层 图2 3 五层协议结构与i n t e r a c t 协议的对比 亨 譬 昌 2 协 议 体 系 结 构 构造层( f a b r i c ) ：控制局部的资源，向上提供访问这些资源的接口。构造层资源可 以是计算资源、存储系统、目录、网络资源以及传感器等。构造层应该实现的基本功能包 括查询机制( 用来发展资源的结构和状态等信息) 、控制服务质量的本地资源管理能力等。 连接层( c o n n e c t i v i t y ) ：实现资源间的相互通信。它定义了核心的通信和认证授权， 用于网格的网络事务处理之中。 资源层( r e s o u r c e ) ：实现对单个组织内的资源共享。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、审计及付 8 器圈 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章网格计算概述 费等。资源层只考虑单个的局部资源，忽略了全局状态和跨越分布资源集合的原子操作。 汇聚层( c o l l e c t i v e ) ：协调多个资源组织间的资源的共享，而资源层的主要功能则是 实现“单个虚拟组织的资源交互共享。汇聚层协议与服务描述的是资源的共性，并不涉 及资源的具体特征，说明不同资源集合之间是如何相互作用的。 应用层( a p p l i c a t i o n ) ：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。为方便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。 g t 2 ( g l o b u st o o l k i t2 o ) 是上述五层体系结构的一个典型实现，它在异构系统互联 协议、资源管理和协同工作几个层次上解决了一些关键问题，为用户创建和部署虚拟组织 和网格系统提供资源管理、信息服务、数据管理、文件传输和安全机制等基本服务。： g t 2 的服务和功能是以工具集形式提供的，在灵活性和可用性方面还存在一些问题， 与其它网格中间件如l e g i o n 、c o n d o r 9 】等在不同网格应用之间进行互操作比较困难。因此， 全球网格论坛( g l o b a lg r i df o r u m ，g g f ) 论坛成立之初就开始关注网格体系结构及其服 务的标准化问题，主要工作包括： ( 1 ) 对网格系统的本质功能进行定义、描述和分解，增强g t 的可重用性、可重配置 性和易用性。 ( 2 ) 采用面向服务的体系结构，通过定义服务接口提供网格服务，从而方便对网格服 务进行访问和组合。 ( 3 ) 融合w 曲服务标准，继承w e b 服务跨平台、松散耦合和基于消息传递等特点。 这些工作直接导致o g s a 和开放网格服务基础设施( o p e ng r i ds e r v i c e s i n f r a s t r u c t u r e ，o g s i ) 的制定和发布。 2 4 2o g s a 网格体系结构 o g s a 网格体系结构模型如图2 。4 所示【8 】，该模型的每一层都清晰地定义了相应的功 能，其核心层是o g s i 和o g s a 服务层，o g s i 后来发展成为w e b 服务资源框架( w e b s e r v i c e sr e s o u r c ef r a m e w o r k ，w s r f ) ，这些都标志着侧重科学活动的网格计算开始转向 面向服务的信息网格( i n f o r m a t i o ng r i d ) 。o g s i w s r f 为网格系统提供包括描述和发现服 务属性、创建服务实例、管理服务生命周期、管理服务以及发布和订阅服务通知等标准接 口及其相关行为，支持创建、管理网格服务，包括策略服务、注册服务、服务级别管理以 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章网格计算概述 及其它网格服务，从而在构筑网格系统时可以实现代码重用和组件互操作。高层应用与服 务使用这些底层的平台核心组件可以构建用于共享资源与协同工作的网格应用。 l 特定应用与服务 i l竺竺! 全兰皇竖翌 l l o g s i 或w s r f 宿主环境与协议绑定 1 r1r l 宿主环境协议 图2 - 4o g s a 网格体系结构模型 g t 3 是基于o g s i 和o g s a 基本服务实现的，它标志着网格技术开始从学术研究领 域逐步向i n t e m e t 和企业服务基础设施领域渗透。 w s r f 是o g s i 的重构和发展，目的是利用新的w e b 服务标准。o g s i 和w s r f 的本 质目的并没有差别，w s r f 可以看作是在结合新的w - e b 服务标准( 主要是w s a d d r e s s i n g ) 基础上对o g s i 的重新整合，这种整合使得w s r f 与现有w e b 服务标准相兼容，从而可 以利用现有的服务开发工具构建网格计算设施。从应用角度看，网格服务容易被商业w - e b 服务软件支持；从技术角度看，w s r f 实现了网格应用同w e b 服务的融合，网格应用不 再需要另外的w e b 服务体系，它对推动网格应用程序走向实际的桌面应用很有帮助，如 图2 5 所示。目前，实现w s r f 和o g s a 基本服务的g t 4 已经公布。 i竺望l l竺竺i 广1 广1 i竺! ! 全l i竺竺! 全i p r e w s r f w s r f 图2 - 5o g s i 向w s r f 发展意向 2 4 3s o a 网格体系结构 i b m 定义了一个称为面向服务的体系结构【1 川( s e r v i c e o r i e n t e da r c h i t e c t u r e ，s o a ) 的 l o 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章网格计算概述 模型来描绘网格服务交互，如图2 6 所示。 图2 - 6 面向服务的网格体系结构 在该模型中，有三个实体：服务提供者，服务请求者和服务代理。 ( 1 ) 服务提供者是提供服务功能的实体，等待为其他服务和用户提供自己的功能。 ( 2 ) 服务请求者是服务功能的使用者，它与服务代理进行交互，提出服务请求，以找 到一个满足特定计算需要的网格服务。 ( 3 ) 服务代理是维护网格服务日志或信息交换站的一个联网的服务器或系统，在服务 提供者和服务请求者之间起联络作用。 网格服务提供者、请求者和代理之间的操作有三种：发布、查找和绑定。 ( 1 ) 发布。为了使服务可访问，需要发布服务描述以使服务请求者可以查找它，发布 服务描述的位置可以根据应用程序的要求而变化。 ( 2 ) 查找。在查找操作中，服务请求者直接检索服务描述或在服务代理中查询所要求 的服务类型。对于服务请求者，可能会在两个不同的生命周期阶段中牵涉到查找操作：在设 计时为了程序开发而检索服务的接口描述，而在运行时为了调用而检索服务的绑定和位置 描述。 ( 3 ) 绑定。在绑定操作中，服务请求者使用服务描述中的绑定细节来定位、联系和调 用服务，从而在运行时调用或启动与服务的交互。 这些模型间的交互通过相关的标准和协议来实现，如使用w s d l 来描述服务，使用 u d d i ( u n i v e r s a ld e s c r i p t i o nd i s c o v e r ya n di n t e g r a t i o n ，统一描述，发现和集成) 来发布、 查询服务，使用s o a p ( s i m p l eo b j e c t a c c e s sp r o t o c o l ，简单对象访问协议) 来调用服务。 2 5 本章小结 本章首先介绍了网格的定义和特点，然后介绍了网格计算在不同时期的发展状况