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网格协同设计事务提交协议的研究 摘要 网格被喻为第三代i n t e r n e t ，是一种新型的网络计算平台，目的是为 用户提供一种全面共享各种资源的基础设施。网格把地理位置上分散的资 源集成起来，通过网格，用户不需要了解网格上资源的具体细节就可以使 用自己需要的资源。网格近几年已经成为大规模共享资源、合作完成复杂 任务以及集成异构系统的主流技术。 随着网格技术的发展，网格与计算机支持的协同设计相结合已成为协 同设计发展的趋势，它能充分利用网格环境下丰富的资源为协同设计服务， 为协同设计提供更便捷更有效的平台，有利于提高协同设计的效率，降低 协同设计的成本。 网格协同设计事务提交协议是网格协同设计事务处理研究的一个重要 内容，它能保证网格协同设计事务的正确提交，对网格协同设计的正常进 行起着非常重要的作用。本文对网格协同设计环境下事务提交策略与协议 进行研究，主要开展以下方面的工作： ( 1 ) 根据网格协同设计的特点，详细分析和研究已有的事务提交机制， 借鉴人们日常工作中协同设计项目的做法，提出一种网格协同设计环境下 事务提交机制及其故障处理机制。 提出的协议取消了两阶段提交协议中的投票阶段，参与者可以白行决 定提交或终止，不必等待协调者的命令。协议根据协同设计任务的特点， 考虑任务的时限要求和质量要求；考虑网格的特点，允许参与者白行决定 是否参与协同设计，并允许参与者中途退出协同设计；考虑协同设计的特 点，保持事务放松的原子性。 ( 2 ) 对提出的协议从原子性、时限性、适应性等方面进行正确性证明； 分析协议的性能；设计实验架构对提出的协议进行实验分析。 本文的研究对发展网格的事务处理理论与技术，丰富网格协同设计事 务提交策略与协议，探索网格技术与c s c d 在实际中的应用等具有一定的理 论意义和技术价值。 关键词：网格协同设计事务处理事务提交协议时限性 u r e s e a r c ho nc o m m i tp r o t o c o lf o rg r i d c o l l a b o r a t i v ed e s i g nt r a n s a c t i o n a b s t r a c t g r i di st h et h i r dg e n e r a t i o ni n t e r n e t ，i ti san e wt y p eo fn e t w o r kc o m p u t i n g p l a t f o r m ，a n di t sg o a li st op r o v i d eu s e r sab a s ep l a t f o r mt os h a r ee v e r yk i n do f r e s o u r c e s g r i di n t e g r a t e sr e s o u r c e sw h i c ha r ed i s t r i b u t e di ng e o g r a p h y t h r o u g h g r i d ，u s e r sc a nu s et h en e e dr e s o u r c e sw i t h o u tk n o w i n gt h e i rc o n c r e t ed e t a i l s g r i di s b e c o m i n gt h em a i nt e c h n o l o g y t os h a r er e s o u r c e sl a r g e - s c a l e ，t oc o l l a b o r a t et o a c c o m p l i s hc o m p l i c a t e dt a s k a n dt oi n t e g r a t ed i f f e r e n ts t r u c t u r es y s t e m s a st h ed e v e l o p i n go fg r i dt e c h n o l o g y , t h ec o m b i n a t i o no fg r i da n dc s c di s b e c o m i n gt h et r e n do fc o l l a b o r a t i v ed e s i g n i tc a n s e r v et h ec o l l a b o r a t i v ed e s i g nt h r o u g h u s i n gg r i d sr e s o u r c e s ，a n dp r o v i d et h em o r ee f f e c t i v ep l a t f o r mf o rc o l l a b o r a t i v ed e s i g n i tc a nr a i s et h ee f f i c i e n c yo fc o l l a b o r a t i v ed e s i g na n dr e d u c ei t sc o s l t h ec o m m i tp r o t o c o lf o rg r i dc o l l a b o r a t i v ed e s i g nt r a n s a c t i o ni sa ni m p o r tc o n t e n t o fg r i dc o l l a b o r a t i v ed e s i g nt r a n s a c t i o nr e s e a r c h i tc a ne n s u r et h ec o r r e c tc o m m i to f g r i dc o l l a b o r a t i v ed e s i g nt r a n s a c t i o n ，a n di sv e r yi m p o r tt ot h en o r m a lw o r ko f c o l l a b o r a t i v ed e s i g n t h i st h e s i sr e s e a r c h e st h ec o m m i tp r o t o c o lf o rg r i dc o l l a b o r a t i v e d e s i g nt r a n s a c t i o n t h em a i nw o r k s a r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fg r i dc o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，a n a l y z i n ga n d r e s e a r c h i n gt h ee x t a n tt r a n s a c t i o nc o m m i tp r o t o c o l ，c o m b i n i n gt h ew a yo fp e o p l e s c o l l a b o r a t i v ew o r ki nu s u a l ，t h i st h e s i sp u t sac o m m i tp r o t o c o lf o rg r i dc o l l a b o r a t i v e d e s i g nt r a n s a c t i o na n d t h er e c o v e r ym e c h a n i s m t h ec o m m i tp r o t o c o lc a n c e l st h ev o t es t a g eo f2 p c ，a n dp a r t i c i p a t o r sc a nd e c i d e c o m m i to rc a n c e lb yt h e m s e l v e s ，w i t h o u tw a i t i n gt h ec o m m a n d so fc o o r d i n a t o r s t h e p r o t o c o lc o n s i d e r st h ec h a r a c t e r so fg r i dc o l l a b o r a t i v ed e s i g nt r a n s a c t i o na n dt a s k s t h e t i m el i m i t sa n dq u a l i t yr e q u i r e m e n t s ；i tc o n s i d e r st h ec h a r a c t e r so fg r i da n da l l o w s p a r t i c i p a t o r st om a k et h ed e c i s i o nb yt h e m s e l v e st op a r t i c i p a t ei n t ot h ec o l l a b o r a t i v e i i i d e s i g no rn o t ，a n da l l o w st h e mt oe x i tt h ed e s i g ni nh a l f w a y i tc a nk e e pt h eu n f i x e d a t o m i c i t yo ft r a n s a c t i o n ( 2 ) p r o v e st h ec o r r e c to ft h ep r o t o c o lf r o ma t o m i c i t y , t i m e - l i m i t e dc h a r a c t e ra n d a p p l i c a b i l i t y ；a n a l y z e st h ec h a r a c t e r so ft h ep r o t o c o l ；c a r r i e so u tt h ep r e l i m i n a r y e x p e r i m e n to ft h ep r o t o c 0 1 t h er e s e a r c ho ft h i st h e s i sh a st h e o r ys i g n i f i c a t i o na n dt e c h n i c a lv a l u ei nd e v e l o p i n g t h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fg r i dt r a n s a c t i o np r o c e s s ，e n r i c h i n gc o m m i tp r o t o c o l sf o r g r i dc o l l a b o r a t i v ed e s i g nt r a n s a c t i o n ，a n de x p l o r i n gt h ea c t u a lu s eo fg r i dt e c h n o l o g y a n dc s c d k e y w o r d s ：g r i d ；c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ；t r a n s a c t i o np r o c e s s ；t r a n s a c t i o nc o m m i t p r o t o c o l ；t i m el i m i t i v 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 铡 、j 迫丁 研年多月节日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名： 刻毡广 新签名躺涛7 石月节日 网格协同设计事务提交1 办议的研究 第一章绪论 本章介绍课题的研究背景、目的和意义，国内外研究现状以及本文所做工作、论文 的组织结构等内容。 1 1 研究背景、目的和意义 制造业是国民经济的重要支柱产业，在2 1 世纪的工业生产中具有决定性的地位与 作用。全球化竞争迫使制造业企业纷纷采取措施缩短产品的研制和生产制造周期，降低 成本，提高质量，改善产品性能。为适应产品规模和复杂度飞速发展的需要，利用 i n t e m e t i n t r a n e t 网络环境，以团队或小组为基本单位的计算机支持的协同设计( c o m p u t e r s u p p o r tc o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，c s c d ) 【l j 方式应运而生。 c s c d 是计算机支持的协同工作( c o m p u t e rs u p p o r tc o u a b o r a t i v ew o r k ，c s c w ) 技 术与c a d c a m 技术相结合对产品设计过程进行有效支持的研究领域，具有分布式的信 息集成、过程集成和组织集成等特征。它能为企业提供便捷的协同设计平台，提高企业 协同设计的效率。 网格是构筑在互联网上的一组新兴技术，被喻为第三代i n t e m e t 。它将高速互联网、 高性能计算机、大型数据库、远程设备、传感器等融为一体，目的是要利用互联网实现 计算资源、存储资源、信息资源、数据资源、软件资源、通信资源、知识资源、专家资 源等各种资源的全面共享。网格近几年已经成为大规模共享资源、合作完成复杂任务以 及集成异构系统的主流技术1 2 3 j 。 随着网格技术的发展，网格与计算机支持的协同设计相结合已成为协同设计发展的 趋势，它能充分利用网格环境下丰富的资源为协同设计服务，为协同设计提供更为便捷 更为有效的平台，有利于提高协同设计的效率，降低协同设计的成本。 事务被公认为是构造可靠性分布式应用程序的关键，是容错系统故障、保证系统一 致性的一种有效和常用的手段，其相关理论与技术直是计算机科学与技术领域中的一 个研究热点【4 ，5 】。分布式事务的提交是分布式数据库研究中的一个重要内容。事务提交 协议负责事务的正确提交，它在维护事务的原子性方面发挥着巨大作用。 在一个高度分布、延迟较大、异构性极强的网格环境下的c s c d 系统中，事务不同 于传统事务，事务处理比传统的分布式系统复杂得多1 6 j 。在网格协同设计环境下，事务 具有以下特点：( 1 ) 事务比传统事务要复杂、松散、灵活得多，并不严格遵循传统事务 a c i d 原则；( 2 ) 事务一般都是长事务，可能会出现许多嵌套事务，执行的时间会较长； ( 3 ) 网格协同设计事务处在一个松耦合的环境中，它不再是单个企业内部的事务，可能 包括多个参与者，跨越多个组织；( 4 ) 由于网格的动态性、自治性等特点，构成网格的 网格协同设计事务提交协议的研究 结点隶属于不同的组织，网格协同设计事务不能直接获得对参与者网格资源的封锁；参 与者可以自行决定是否参与设计，并可以在事务处理过程中离开设计事务；( 5 ) 协同设 计事务要考虑任务完成的时限要求和质量要求。 网格协同设计事务的这些特点对网格协同设计事务处理提出了新的要求，现有的分 布式事务提交机制已不完全适用于网格协同设计环境。因为它们大多数是基于分布式环 境的，没有考虑网格资源的动态性、自治性等特点，不能适应网格结点或服务在服务处 理中动态退出的特性。虽然有些协议是基于网格的，但不是针对协同设计的，没有考虑 协同设计对任务完成在时限、质量等方面的要求，也不能适用于网格协同设计事务的提 交。目前针对网格协同设计事务提交协议的研究非常少，所以对网格协同设计环境下事 务提交策略与协议进行研究是非常有意义的，也很有必要。 本课题主要开展网格协同设计环境下事务提交策略与协议的研究，旨在根据网格协 同设计的特点，详细分析和研究已有的事务提交机制，提出一种网格协同设计事务提交 机制，目的是保证事务在网格协同设计环境下能实现正确而高效的提交，并尽量减少已 完成事务对资源的占用时间。本课题的研究将对发展网格的事务处理理论与技术，丰富 数据库事务提交策略与协议，探索网格技术与c s c d 在实际中的应用等具有一定的理论 意义和技术价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 网格的研究现状 网格的概念最早是在1 9 6 0 年提出的，当时麻省理工学院教授j o s e p h 写了一篇“人与 机器共存 的文章，提出了基于网格技术的人与机器协同工作的设想。虽然在当时的技 术条件下无法实现这个梦想，但相关的研究工作却已经开始着手进行了【7 1 。 1 9 9 5 年，由美国阿贡国家实验室i n af o s t e r 和南加州大学信息科学研究所c 砌 k e s s e l m a n 共同领导的高性能分布式计算项目g l o b u s i s , 9 j 开始了网格的实质性研究。2 0 0 2 年以来，出现了大量的网格计算项目，许多公司如i b m 、p l a t f 0 1 t n 、m i c r o s o f t 、s u n 、 c o m p a q 等都对这一领域产生了浓厚的兴趣1 5 j 。 a s c i ( a c c e l e r a t e ds t r a t e g i cc o m p u t i n g1 1 1 i t i a t i v e ) 计划【1 0 】是美国能源部和三个国家重 点实验室s a n d i a 、l i v e r m o r e 与l o sa l a m o s 共同承担的，主要用于军事目的的高性能计 算发展计划，目的是通过计算模拟来开展核武器的全方位研究，而不需要进行真实的物 理核实验。 英国使用g l o b u s 建成了许多“微网格 。英国高端计算中心、卢瑟福一阿普莱顿实 验室、爱丁堡大学、曼彻斯特大学等都运行着一些微网格。英国政府资助1 亿英磅来研 制“英国国家网格 【l 。 俄罗斯构建了科学网格，目的是用高速网络把俄罗斯科学院和其他科学工程机构的 2 广西大学硕士学位论文 网格协同设计事务提交协议的研究 高性能计算机连接起来，提供高性能计算、协同计算网格环境。此外，挪威、丹麦、瑞 典、芬兰四国用网格中间件建设了一个网格基础设施一一n o r d u 网格，其主要由计算元 素、存储元素、复制目录、信息系统、网格管理器用户接口等部分构成。 在国内，1 9 9 6 年，中国科学院计算技术研究所开始了网格技术的研究开发工作，2 0 0 0 年，开发了连接国内8 个曙光计算中心的网格，2 0 0 1 年提出了织女星网格计划【1 1 1 。 2 0 0 2 年，在“8 6 3 计划中，科技部设立了网格专项，研制中国国家网格。总体目 标是研制面向网格的高性能计算机；建设一个具有5 0 0 0 0 7 0 0 0 0 亿次聚合计算能力的高 性能计算环境；开发一套具有自主知识产权的网格软件；建设2 3 个事关国计民生的 应用网格等1 1 2 l 。 此外，“中国教育科研网格”是教育部“十五”2 1 1 工程公共服务体系建设的重大专 项。该网格主要由五大应用网格构成，分别是图象处理网格、生物信息学网格、流体力 学网格、远程教育网格和海量信息处理网格。它将充分利用中国教育科研网和高校的大 量计算资源和信息资源，将分布在c e r n e t 上自治的分布异构的海量信息资源集成起 来，实现资源的有效共享，提供有效的服务器，形成高水平、低成本的计算平刨1 2 j 。 网格发展到目前为止可以划分为三个阶段l l 副： ( 1 ) 2 0 世纪9 0 年代早期是萌芽阶段，主要是千兆网的测试床，以及一些元计算的实 验； ( 2 ) 从2 0 世纪9 0 年代中期到晚期是早期实验阶段，开始有一些研究项目，也有一 些学术性的软件项目，如g l o b u s 、l e m o n ，还有一些应用实验； ( 3 ) 2 0 0 2 年以来是迅速发展时期，开始出现大量的网格计算项目。 1 2 2 网格事务的研究现状 随着网格技术的迅速发展，人们对网格环境下事务的应用需求日益迫切，网格环境 下的事务处理技术受到了越来越多组织和研究人员的关注。 2 0 0 4 年，全球网格论坛成立了网格事务研究组( 后改名为事务管理研究组) ，该组 织的目标是研究如何将事务管理技术应用到网格系统中1 1 4 1 。2 0 0 4 年9 月在比利时布鲁塞 尔召开的主题为“部署在企业中的网格”会议上，该网格事务研究组提出并讨论了5 个 典型的网格事务使用案例及其要求【l 5 。 在国内，上海交通大学的唐飞龙和李明禄在文献 5 中基于g l o b u st o o l k i t 和代理 技术，提出了一种能够同时管理原子事务和聚合事务的事务协调机制，研究了相应的可 以容错各种失败的协调算法，通过自动产生和执行补偿事务，聚合事务协调机制可以满 足网格计算中对长事务的处理要求。 大连水产学院的于红在文献 1 6 中提出了一个基于a g e n t 技术的分布式异构数据 库系统的事务模型，该模型的事务由a g e n t 来实现。由于a g e n t 具有移动性、通信性和 自治性，使得事务在保证了a c i d 特性的情况下，大大提高了系统效率。 网格协同设计事务提交协议的研究 李陶深、马新娟、李卫玲提出了一个适用于网格环境下的基于移动a g e n t 的网格事 务模型，以及一种面向服务的网格数据库事务模型17 1 。该些模型采用移动a g e n t 技术和 网格中间件技术，能够适应网格环境下事务的长期性、动态性和协作性的特点，支持网 格环境中资源的异构性。 1 2 3 事务提交机制的研究现状 传统的分布式数据库事务提交协议主要有两阶段提交协议( 2 p c ) 和三阶段提交协议 ( 3 p c ) 。 在两阶段提交协议( 2 p c ) i l8 】中，事务提交分两个阶段完成：第一阶段为投票阶段， 做出提交或中止全部子事务的决定；第二阶段为执行阶段，执行第一阶段的决定。2 p c 的优点是：能够保证分布式事务提交的原子性，提高了分布式数据库系统的可靠性。但 是2 p c 有两个主要的缺点：首先它是阻塞的：其次它需要的信息传递次数比较多，会导 致系统的延迟，在失效时更为严重。 目前，关于分布式事务提交协议的研究大都是对2 p c 进行改进，如乐观的两阶段提 交协议0 2 p c 【1 9 1 、谨慎的两阶段提交协议p 2 p c 【2 0 】、假定夭折协议p r a 和假定提交协议 p r c 【2 1 2 2 1 。这些改进的提交协议虽然在日志复杂度和消息复杂度等方面比2 p c 有了较大 的改善，但仍然存在阻塞问题。三阶段提交协议虽然解决了事务阻塞的问题，但由于需 要较多的通信，增加了系统的开销。 廖国琼、李陶深等人提出的分布式工程数据库事务两阶段提交协议2 p cf o r d e p t 2 3 1 ，克服了2 p c 中项目事务因个别子事务的失败而夭折，以及项目事务必须等到 全部子事务完成后才能结束的缺陷。在2 p cf o rd e p t 的基础上，陈国宁等人提出一种 考虑时限的两阶段提交协议t - 2 p cf o rd e p t l 2 4 1 。在t - 2 p cf o rd e p t 中，子事务可以在 未收到父事务“开始提交”报文之前进行提交，从而提前释放占用的资源，为开放式环 境下的事务管理提供了较大的灵活性。由于这两种提交协议都是对2 p c 进行改进的，所 以协议执行的过程中仍有可能存在阻塞现象。 从网格数据库事务的特点出发，李陶深、李卫玲、马新娟等人提出了一种面向网格 的事务提交协议e 砌yn op r e p a r e 协议【25 。根据网格的特点，该协议放松了事务的原 子性要求，个别子事务的失败不会导致全局事务的失败，全局事务不必等待全部子事务 完成后才能结束。 目前，现有的分布式事务提交协议虽然在可靠性、效率和可用性方面都比两阶段提 交协议2 p c 有了较大的改进，但大多数不是面向网格的，没有考虑网格资源的动态性、 自治性等特点，不能适应网格结点或服务在服务处理中动态退出的特性，因此不能很好 地适应网格环境下事务的提交。虽然有些协议是基于网格的，但不是针对协同设计的， 也不能直接应用于网格协同设计事务的提交。因此对网格协同设计环境下事务提交策略 与协议进行研究是非常有意义的，也很有必要。 4 网格协同设计事务提交协议的研究 1 3 本文所做工作和论文的组织结构 1 3 1 本文所做工作 本文所做工作主要有以下几个方面： ( 1 ) 分析网格协同设计事务的特点和分布式事务提交机制的研究现状，分析现有的 一些分布式及网格事务提交机制的优点和不足之处。 ( 2 ) 借鉴人们日常工作中协同设计完成项目的做法，考虑网格协同设计的特点，考 虑协同设计对任务完成时间和完成质量的要求，提出一种网格协同设计事务提交机制及 其故障处理机制，保证事务在网格协同设计环境下能实现正确而高效的提交，减少完成 事务对资源的占用时间，减少事务提交过程中可能出现的阻塞。 ( 3 ) 对提出的协议从原子性、时限性、适应性等方面进行正确性证明；分析协议的 性能；设计实验架构对提出的协议进行实验分析。 1 3 2 论文的组织结构 本篇论文由三部分组成：第一部分介绍相关技术及概念；第二部分是本论文的主要 研究内容，包括对网格协同设计事务的研究，提出的网格协同设计事务提交协议等。第 三部分对提出的协议进行正确性证明、性能分析和实现实验，对所做工作的总结和今后 工作的展望。具体结构如下： 第一章绪论 主要介绍所做课题的研究背景、研究目的和意义，国内外的研究现状和本文的研究 内容等。 第二章网格协同设计相关技术 主要介绍网格协同设计相关技术，包括网格的概念、研究目的、应用以及体系结构； 协同设计的概念、应用和特点，计算机支持的协同设计技术和网格协同设计等。 第三章网格协同设计事务提交协议 给出研究所用的相关定义；介绍一种网格事务处理体系结构和网格协同设计事务处 理模型；分析现有的事务提交协议，介绍提出的网格协同设计事务提交协议的具体内容。 第四章协议的正确性证明、性能分析和实现实验 对提出协议的正确性进行证明，分析其性能，并进行实现实验。 第五章总结与展望 对本文工作做出总结，并给出将来需要进一步做的工作。 5 网格协同设- h 事务提交协议的研究 第二章网格协同设计相关技术 本章主要介绍网格协同设计相关技术，包括网格的概念、研究目的、应用以及体系 结构；协同设计的概念、应用和特点，计算机支持的协同设计技术和网格协同设计等。 2 1 网格与网格技术 2 1 1 网格的基本概念 网格是继万维网之后出现的一种新型的网络计算平台，目的是为用户提供一种全面 共享各种资源的基础设施。网格把地理位置上分散的资源集成起来，通过网格，用户不 需要了解网格上资源的具体细节就可以使用自己需要的资源。网格上的资源包括计算 机、计算机池、集群、传感器、仪器、设备、存储设备、软件、数据等各种资源。 资源共享和协同工作是网格概念的核心。网格用户可以方便地使用网格上的各种资 源( 计算、存储、信息数据等) ，而不必了解这些服务具体是谁提供的。按需取用是 网格致力于实现的一个目标。 2 1 2 网格的体系结构 网格的体系结构就是构建网格的技术，它给出网格的基本组成与功能，描述网格各 组成部分的关系以及集成方法，并对各基本组成部分和各部分功能进行定义和描述。 目前比较重要的网格体系结构主要有两个，一是f o s t e r 等提出的“五层沙漏结构” 1 2 6 ，二是g l o b u s 项目组联合i b m 公司、结合w e bs e r v i c e 技术提出的开放网格服务体 系结构o g s a t 2 6 。 ( 1 ) 五层沙漏结构 五层沙漏结构以协议为中心，强调被共享的物理资源或者这些资源所支持的服务的 重要性，试图实现的是资源的共享。图2 1 是五层沙漏结构的层次结构图i l 引，它是由构 造层、连接层、资源层、汇集层、应用层组成。其中： 构造层：控制局部的资源，向上提供访问这些资源的接口。 连接层：实现相互通信，定义了核心的通信协议和堆协议，用于网络事务处理。 通信协议允许在构造层资源之间交换数据，包括传输、路由、命名等功能。 资源层：实现对单个资源的共享。 汇集层：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、调 用。 6 广西大学翰囊士掌位论文 网格协同设计事务提交协议的研究 应用层：是网格上用户的应用程序。通过各层的a p i 调用相应的服务，再通过服 务调用网格上的资源来完成任务。 工具与应用 应用层 汇聚层 ￥荔诊斯与监控等 资源与 夕雾霎萎孽篙 连接层 各种资源 计算机、存储介质 构造层 网络、仪器等 图2 l 五层沙漏结构 f i g 2 - 1f i v e - t i e rs a n d g l a s ss t r u c t u r e 基于协议的五层沙漏体系结构将在异构、动态、跨管理域的分布式环境下共享各种 资源的功能进行分解，将其分别放在构造层、连接层、资源层、汇聚层、应用层中。这 种体系结构层次清晰，易于理解，易于实现，并且通过c 语言实现，直接在平台上编译 运行，运行效率高。其缺点是针对每一种平台都需要实现沙漏瓶颈部分的连接层和资源 层，要处理大量与平台相关的事纠2 7 1 。 ( 2 ) 开放网格服务体系结构 开放网格服务体系结构o g s a 以“服务 为中心，将整个网格看作是“网格服务” 的集合。这种观念有利于通过统一的标准接口来管理和使用网格。在o g s a 框架中，将 一切都抽象为服务，包括计算机、程序、数据、仪器设备等。 o g s a 定义了“网格服务 ( g r i ds e r v i c e ) ，网格服务提供了一组接口，解决服务发 现、动态服务创建、生命周期管理、通知等问题。网格服务= 接口行为+ 服务数据，它 们可以以不同的方式聚集起来满足虚拟组织的需要。 在o g s a 中，可以基于简单、基本的服务，形成更复杂、更高级、更抽象的服务。 g s a 的服务结构示意图如图2 2 【1 3 】所示。从五层沙漏结构至t j o g s a 的转变，本质就是从资 源到服务的转变。 7 广西大学硕士掌位论文网格协同设计事务提交仞嵋魏的研究 图2 20 g s a 的服务结构示意图 f i g 2 - 2t h es e r v i c e ss 劬c m r eo fo g s a 2 1 3 网格的特点 网格的特点有瞰8 捌： ( 1 ) 分布性：网格中的资源通常规模较大，跨越的地理范围较广。 ( 2 ) 异构性：网格包含多种不同类型的资源。 ( 3 ) 共享性：网格实现了各种资源的共享，消除了万维网中存在的大量信息、数据孤 岛。网格提供的资源共享允许用户对网格中的所有资源进行直接操作，而传统的资源共 享仅停留在数据文件传输层次。 ( 4 ) 动态性：网格资源具有动态性，随着时间的推移，网格拥有的资源或功能可以动 态地增加或减少。 ( 5 ) 自适应性：网格的规模会随着网格资源的动态变化( 增加或减少) 而改变，由于地 域的分布和系统的复杂性，网格整体结构也经常发生变化。为了确保用户获得满意的服 务，网格必须具备自我调整的动态自适应能力。 ( 6 ) 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。 ( 7 ) 多重管理域：网格的资源通常隶属于不同的组织或机构，并且使用不同的安全机 制，因此既需要个人或机构对其拥有的资源具有自主的管理能力，又要在网格系统作整 体部署的时候，由网格管理员根据系统中的任务情况统一调度网格环境下的资源，以实 现共享和协作。 2 1 4 网格技术与相关技术的关系 ( 1 ) 与网络技术的关系【3 0 l 网格建立在网络之上，离不开网络技术的支持。但网格在性能、速度、安全等方面 有新的要求，网格的问题仅靠网络技术是无法解决的。 8 网格协同设 i t 事务提交协议的研究 ( 2 ) 与分布式系统的比较【3 0 】 网格与分布式系统有很多共同点，它们都是位于多个管理域下的超级计算机通过网 络进行连接，并集成广域的、分布的动态资源。但它们的最大差别在于：分布式强调概 念上逻辑虚拟的集中环境，而网格则更强调不同资源之间的互操作性，并且网格对性能 的要求更高。由于这些区别，使得网格编程模型及接口与分布式有很大的差别。 ( 3 ) 与超级计算系统相比【3 0 j 网格需要超级计算机系统提供计算功能，它们虽都具有超强的计算能力，但不能划 等号。一般的超级计算系统只注重本身的计算速度和性能，而网格则需要超级计算系统 相互协作进行通信，以实现各种资源的共享和网络化。 2 2 协同设计相关技术 2 2 1 协同设计的概念 协同设计就是将整体设计任务分解成一些子设计任务，分由不同的设计参与者设计 完成，这些参与者分工合作，共同协作完成整体设计任务。 2 2 2 协同设计的角色 在协同设计中主要有三个重要的角色： ( 1 ) 用户。用户是协同设计任务的需求者，他具体提出协同设计的总体任务，以及对 任务的具体要求。 ( 2 ) 总体任务负责人( 协调者) 。协调者主要是接受用户的设计任务、要求，负责组 织、开展总体任务的设计，进行全局把握，协调各参与者的工作。 ( 3 ) 子任务执行者( 参与者) 。参与者是任务的具体设计执行者。协调者将整体任务 划分成相对独立的子任务，交由参与者设计。 2 2 3 协同设计任务的分解和组织结构 协同设计将任务分解成既相对独立又相互联系的子任务，交由不同的参与设计者完 成。分解任务的原则是：高内聚，低偶合，要求子任务之间尽可能相对独立。 可根据需要对子任务再进行分解，分解成更小粒度的任务，直到分解到合适的规模 大小。例如设计一辆汽车，可分为车身设计、驱动系统设计、制动系统设计、安全系统 设计等，制动系统又可分为手刹设计、脚刹设计等。任务的分解层次结构和协同设计的 组织结构如图2 3 所示。 9 广西大掌硕士学位论文网格协同设计事务提交协议的研究 图2 3 任务的分解层次结构和协同设计的组织结构 f i g 2 - 3t h ea r c h i t e c t u r eo f t a s kd e c o m p o s i t i o na n dt h eo r g a n i z a t i o n a la r c h i t e c t u r eo f c o l l a b o r a t i v ed e s i g n 2 2 4 协同设计的特点 协同设计的特点主要有： ( 1 ) 一个整体的设计任务和多个分解的子任务。协同设计的核心目标就是完成整体 的设计任务。由于整体任务比较大，协同设计将其分解成不同的子设计任务，交由不同 的设计者进行设计。 ( 2 ) 子任务之间既相对独立，又有相互联系。子任务是由不同的设计者进行设计的， 所以他们之间应有相对独立的成分，但他们又是为同一个总体设计目标服务的，所以他 们又有联系。一个设计任务的进展和成果会影响与其相关联的另一些设计任务的进展。 ( 3 ) 协同设计实质上是一个并行设计过程。 “) 协同设计的任务一般比较复杂，需要时间较长，有些设计任务甚至涉及许多不 同的专业领域。 ( 5 ) 协同设计的参与者一般比较多，通常是一个团队。团队成员之间需要彼此合作。 协同设计工作流程一般有一套管理机制、信息交换和互相协调机制来管理，以便协同设 计能顺利进行。 1 0 广西大学硕士学位论文 网格协同设计事务提交协议的研究 2 3 计算机支持的协同设计c s c d 系统的定义与特征 2 3 1 c s c w 和c s c d 的定义 计算机支持的协同工作( c s c w ) 这一概念最早是在1 9 8 4 年由美国m i t 的i r e n eg r e i f 和d e c 的p a u lc a s h m a n 这两位研究人员用于描述他们正在组织安排有关如何用计算机支 持交叉学科的人们共同工作的课题时提出来的。g r e i f 定义c s c w 为“一个关于计算机在 群体工作( g r o u pw o r k ) 中的角色的独特研究领域”。在1 9 8 9 年，b a n n o n 和s c h n i d t 提出 “c s c w 应致力于研究协同工作的本质和特征，并以此为基础来设计出具有足够的计算 机技术支持的协同工作的信息系统”。而史美林教授把c s c w 定义为：地域分散的一个 群体借助计算机及其网络技术，共同协调与协作来完成一项任务。它包括群体工作方式 研究和支持群体工作的相关技术研究、应用系统的开发等部分【3 1 】f 3 2 】【3 3 1 。 计算机支持的协同设计( c s c d ) 是c s c w 在工程与产品设计领域的具体化【3 4 】【3 5 1 ， 是c s c w 的一个重要研究领域和应用方向，不同专家对其有不同定义。 g e r i e f 和r o s e m a n 将c s c d 定义为1 3 6 j ：在计算机环境的支持下，各个协作成员围绕一 个设计项目，承担相应的部分设计任务，并行交互地进行设计工作，最后得到符合用户 要求的设计结果。 b o d k e r 将c s c d 定义为1 3 7 ：c s c d 是一种计算机环境。在这种环境下，有关人员共同 进行某项设计工作。它是一个多学科的综合体，强调以群体工作目标为核心，组织各类 人员进行分工协作。它允许管理人员，设计人员，工程技术人员，用户等各类人员可以 分散在不同的场所工作，但是c s c d 所构建的计算机环境要为这些不同的工作人员提供 技术支持，使他们能密切合作，达到协同工作的目标。 付红桥将c s c d 定义为一种先进的设计模式【3 8 1 ，是指为了完成某一设计目标，由两 个或两个以上设计主体( 或称专家) 在计算机支持环境中，通过一定的信息交换和相互协 同机制，互相合作地完成整个设计目标过程，它以产品设计过程中协同问题为研究对象， 强调加强人人、人机之间的协同工作，通过自组织的协同活动达到总体目标。 按照前面的定义可得出，c s c d 是指为完成某一设计目标，在计算机支持环境中， 由两个或两个以上设计主体通过一定的信息交换和互相协调机制，分别完成不同的设计 任务，最后实现同一设计目标。 2 3 2c s c d 系统的特征 一般来说，c s c d 系统具有以下特征和目标3 明： ( 1 ) 分布性：协同设计是一个分布式系统。在c s c d 系统，用户应能使用地理位置分 散的计算机来进行协同设计。 广西大掌硕士学位论文网格协同设计事务提交1 办议的研究 ( 2 ) 异构性：协同设计系统经常是跨部门、跨企业、跨行业的，所以它们工作平台 具有异构性，主要体现在求解知识的表达方式、共享的数据源以及使用的操作系统、硬 件结构等方面。 ( 3 ) 共享和通信：共享信息是协同工作的核心，通信是c s c d 的基础。系统应能够提 供如点对点、组播等的多种通信方式；支持包括文本、图形、图像、声音等多种媒体的 传送；支持不同的通信形式，如实时通信、异步通信等，以提供用户多种信息共享的功 能。 ( 4 ) 面向任务的时效性：一个任务，多个用户，任务完成，群组工作就解体，对于 新的任务重新组建新的协同设计群组。 ( 5 ) 并发性和一致性：系统应允许多个用户同时操作，并能保持共享数据的一致性。 显然，一致性可能要求对并发性作一定的限制。 ( 6 ) 可靠性：系统能对一些故障进行恢复，一些用户的失误操作不应导致整个系统 的崩溃。 ( 7 ) 高性能：系统应能快速响应用户的动作。从总体上说，多用户共同完成一项任 务，无疑是可以提高性能的，但信息在多用户之间传递的开销可能会导致性能的降低。 ( 8 ) 高质量的用户接口：系统的分布性、并发操作及系统错误的发生，在c s c d 共享 界面处不应导致用户无法正常工作，高质量的界面应便于用户的操作。 ( 9 ) 易于升级开放：易于升级是指能方便地将单用户应用升级为多用户应用，以便 能对己有的大量单机软件进行重复利用。开放性是指能提供一个环境使不同的c s c d 系 统能够互相开放地使用，从而可以将多个c s c d 系统连接为一个整体，避免被孤立使用。 2 4 网格协同设计事务特点 由于协同设计技术尤其是c s c d 的不断发展，以及现代产品设计对协同设计提出的 更高要求，传统的基于h t e m e t 的协同设计平台在异构性、互操作性、动态性和可扩展 性等方面均无法满足协同设计的需要，而网格技术能e 很z 好地解决这些问题。网格被喻为 第三代i n t e m e t ，近几年已经成为大规模共享资源、合作完成复杂任务以及集成异构系 统的主流技术，并正在从科研领域走向商业应用。c s c d 和网格技术相结合已成为协同 设计未来发展的趋势。 网格协同设计就是在网格环境下，利用网格提供的技术、资源进行协同设计任务。 网格协同设计事务具有以下特点： ( 1 ) 网格协同设计事务比传统事务要复杂、松散、灵活得多，并不严格遵循传统事 务的a c i d 原则。 ( 2 ) 网格协同设计事务一般都是长事务，执行的时间较长。 ( 3 ) 网格协同设计事务会有许多嵌套事务。 1 2 广西大掌司豇b 学位论文网格协同设计事务提交协议的研究 ( 4 ) 网格协同设计