（计算机软件与理论专业论文）基于服务状态约束的网格调度模型研究.pdf

中山大学硕士学位论文( 2 0 0 9 ) 摘要 基于服务状态约束的网格调度模型研究 专业：计算机软件与理论 硕士生：陈旭 指导老师：罗文村高级工程师 摘要 基于o g s a 体系结构的网格本质上是面向服务的网格结构，服务网格的提出 为网格技术的发展提供了一种新思路，使用w e bs e r v i c e 的技术标准实现网格内 部以及网格之间的异构协作。但是w e b 服务的持久性在网格中是不具备的，因此 网格研究需要提供对动态服务的支持，与此同时，其核心部分网格调度也从动态 资源演变为动态服务形式的调度。 目前关于网格调度的研究工作主要在于服务管理和调度模型，其中的代表 是o g s a 体系的调度模型，e u r o p e a ng r i dr e s e a r c h 的c o r e g r 工d 相关研究等。 但是对于广域商业网格这一特殊应用场景，现有调度模型还存在某些不足，本文 对此进行一些针对性改进，并设计和实现了一种适用于商业网格应用的调度模 型，称之为“基于服务状态约束的网格调度模型。 本文的主要工作包括： 第一，在网格调度对服务的组合方面，首先分析服务流程执行语言g w e l 对 服务逻辑约束的不足之处，然后设计了一种改进方法“服务状态约束，将g w e l 转换为可判定的状态约束，既保证服务运行过程中的逻辑合理性，又简化了g w e l 流程建模的复杂过程。 第二，在网格调度对服务的评价和选择方面，本文分析了传统w e b 服务评 价方法在适应调度动态特征的不足之处，设计了一种改进方法“服务动态评价 ， 根据调度状态生成偏向值，影响服务的评价得分，将固定的评价函数转变为可配 置评价函数，使之更加适应网格调度的动态特征和用户需求的多样性。 最后，在“服务状态约束 和“服务动态评价 的基础上，本文借鉴现有 l 比较成熟的调度模型，设计和初步实现了“整体调度模型”。文章最后用实验证 明基于服务状态约束的网格调度模型可以适应网格中应用型和计算型混合的任 务调度，并且能够根据用户需求和网格环境的变化而改变调度策略，从而提高网 格系统的整体性能。实验结果表明本文所提出的模型是可行的。 关键词：服务状态约束，服务动态评价，网格调度，l i n u x 实验平台 n 宝坐盔兰堡主堂垡笙奎! ! ! 塑! 丝! ! 坠! i - _ - _ - 。- _ - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ i - - i _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ - i - _ _ - _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ - - i _ _ 一一一 r e s e a r c ho ns e r v i c es t a t er e s t r i c t b a s e dg r i d s c h e d u l i n gm o d e i m 勾o r ：c o m p u 钯r s o 脚玳觚d m o r y n j u n e ：c h e r u s u p e r v i s o r ：p r o l u ow e n c 蚰 a b s t r a c t w 曲s e r v i c e - b a s e dg r i di se s s e n t i a l l ys e n ，i c eo r i e n t e d ( m d t h ep r o p o s a lf o r s e i c eg r i db r i n g san e wi d e at o 嘶dd e v e l o p m e n t ，w ec 锄u s es t a n 捌t e c l l l l o l o g y o f 、) r e bs e i c et or e 2 l l i z ec o l l a b o r a t i o ni i lh e t e r o g e n e o 邯伽d s w 曲s e i c e sa r e p e r s i s t e n ta n ds t a t e l e s s ，h o w e v e r ，g r i ds e r v i c e sa r e 仃a l l s i e n t 锄ds t a t e 鲥s t u d yo f g r i di sb a s e do nd ) r l l 锄i cs e r v i c ea r c l l i t e c t u r ea n d 嘶ds c h e d u l i i l go fd ) ，1 1 锄i c r e s o u r c e se v o l v e st od y n 锄i cs e r v i c e s t h e r ea r er e l a t e d 、v o r l 【so n i c em a n a g e m e n t 甜l d 嘶ds c h e d u l i n g ，s u c ha s 嘶d s c h e d u l i l l go fo g s a 丘锄e w o 比r e l a t e dw o r ko fc o r e g dh o l d b ye u r o p e a i l 嘶d r e s e a r c ha i l ds oo n h o w e i r 1 e s ec a m l d ts u p p o r t 由嗽血cg t i ds c h e d u l i i l gi n g l o b a lc o r 呦e r c i a l 嘶d sp 印e rp r o p o sa g r i ds c h e d u l i n gm o d e ic a l l e d s e i c e s t a l er e 姘c t - b a s e d 嘶ds c h e 眦吨m o d e l t os o l v e “sp r o b l e m f i r s t l y ，a tt 1 1 e j f i r s ts t 印o fs c h e d u l i n g ，t h i sp a p e rd i s c u s s e sa 1 1 di i 印l e m e n t s s e r v i c es 协t er - e s t r i c t ”g r i dw b r l m o we x c e c u t i o nl a i l g 叽g eg w e lw i l i c hc a n r e s 仃i c tt l l el o g i c a lr a t i o n a l i t ) ro fs e r v i c e sc 锄n o tm e e tt l l ed ) ，i l 枷cr e q u i r e m e n to f 嘶ds c h e d u l i l l g 1 1 l i sp a p e r 仃a i l s f i o 衄sg w e l t os t a _ t ec h a r a c t e r so fs e r v i c e s ，w 陆c h 晰l ln o to i l l ym a k es u r em a ts e r v i c e sr u ni i lp r o c e s so fl o 百c a lr a t i o 彻l i 饥b u ta l s o s 脚l i 匆n l ec 0 1 1 1 p l e xm o d e l i l l gp r o c e s so fg w e l s e c o n d l y ，d 岫l gs c h e d u l m g ， t l l i s p 印e rd i s c u s s e s锄dh i l p l e m e 心 “s e i c e t t t d ”锄i ce v a l u a t e ，b e c a u s eo fd y m i l l l i c 妇l g e so fr e a l - t i m e 嘶ds t a t l l s 锄d r o q u h m e n _ t s ，仃a l d i t i o i 谢e v a j u a t i o ni m t t l o d so fw r e bs e r v i c e sl e a dt 0l o s so fs e i c e b i a s e dc l m r a c t e li n 廿l i sp a p c rid e 缸eap 舢e t e rc a l l e d ”b i 嬲f a c t o r l w 1 1 i c h e x p r e s s e sd y n 枷cg d di i l f o m a t i o n 锄du s e rn e e d s nc a na f r e c tt l l ee v a l u a t i o ns c o r e o fs e r v i c e sa n dm a k eg r i ds c h e d u l i n gb e 讹ra d 印t e dt 0d y l 姗i c 嘶dc h a r t e r i s t i c s 缸l d 谢o u sr e 倘m e n t s b u i l to nt h e “s e r v i c e 吼l t er e 嘶c t ，a n d “s e r v i c ed y n 锄i ce v a l u a t e ”，“sp 印e r i m p l e m e n t sas c h e d u l 血gi r l o d e la d a p t e dt 0d y n 锄i cg r i dc k m k t e r i s t i c s e x l ) e 矗m e n t s i i lt h ee n do ft h j sp 印e rs h o w 吐谢t 1 1 i ss c h e d u l i n gm o d e l i ss u i 切b l ef o rs c h e d m i n go f h y b r i dt a s l ( sv v i mb o t l lc o n l i i l e r c i a la n dc o i n p u t i n gi i l i s s i o i l s ；i tc a i la d a p ti t s e l f a c c o r d i n gt 0 t 1 1 ed y n 锄i cg r i d 证f o r m a t i o na i l dr e q u i i e m e n t sa 1 1 di m p r o v em e p e 墒m a n c eo fg r i d t h er e s u l to fe x p e r i m e n ti n d i c a t e sm a tt l l es c h e 叫i n gm o d e lo f t 1 1 i sp 印e ri sf e a s i b l e 1 【e yw o r d s ：s e r v i c es t a _ c er e 矧鸭s e n ，i c ee 帅a m i ce v a l u a t e ，g r i ds c h e d u l i n g ，l i n u ) 【p la _ 响m 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：砾旭 日期： o o9 年箩月z 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：砑、旭 日期：弘0 7 年5 月二 日竹沙 乌凡 朋 罗脊 名 k 彩 期 嘭 日 中山大学硕学位士论文( 2 0 0 9 ) 第l 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 w e bs e r v i c e 技术可以实现大范围的资源共享，w ，e b 服务标准框架的制定解 决了异构资源的通信问题，将所有资源抽象成为服务，使用统一的服务注册和发 现标准( u d d i ) ，消息传输机制( s o a p ) 和服务描述语言( w s d l ) 川，可以 屏蔽广域范围的资源管理和操作的差异性，从而实现建立在不同体系结构，甚至 是不同领域的应用之间的自动整合和无缝连接。这对于充分利用现有比较成熟的 应用，构建各种应用服务基础设施有着重要意义。 网格技术利用网格环境中处于分布，自治，异构状态【2 】的资源节点，通过某 种特定的机制来协调管理资源节点的运行状态，最终完成某项复杂的计算任务， 存储任务和商业应用。网格计算技术【3 】致力于解决不同节点在动态环境中的协作 和统一管理，然而现代商业应用要求网格的核心业务转向处理异构服务之间的互 操作问题，实现异构服务的有效整合。基于w r e bs e r v i c e 技术的开放网格服务体 系结构0 g s a 【4 】应运而生，并且逐渐成为标准体系结构。与此同时，网格调度作 为网格资源管理与任务执行过程的核心功能模块，承载着网格对象管理及网格性 能控制的任务，也成为o g s a 服务网格体系的研究重点【3 】。本文的研究内容是针 对o g s a 体系上的网格调度问题，目的在于提高w - e b 服务技术对网格调度动态 特征的适应能力，进而提高在商业网格应用中网格调度的性能。 1 2 目前网格调度存在的问题 目前面向服务的网格调度研究主要集中在两个方面：一方面是对服务质量 评价的研究【5 ，6 ，7 ，引，即研究对服务( 任务执行载体) 性能的评价，包括服务质量， 服务成本，以及用户偏好和历史经验影响的服务信任参数等，并以此作为网格服 务调度的依据；另一方面是对网格调度模型和调度策略的研究【2 】，主要是在传统 网格计算任务调度策略基础上的扩展和延续，这主要包括对基于服务组件的任务 需求的分解和标准化处理，服务组合和定位策略，以及服务运行过程中根据网格 中山大学硕士学位论文( 2 0 0 9 )基于服务状态约束的网格调度模型研究 环境动态特征的自适应性调整。o g s a 开放网格服务体系结构的提出及其相关研 究可以支持网格服务的动态性特征，但是对于网格调度服务状态和网格环境变化 的支持方面，还存在以下问题： ( 1 ) 传统的网格服务组合方法不能适应网格调度的动态变化 对网格服务的有效组合是调度周期的第一步，网格使用者提交一组任务进 入网格系统后，对任务进行分解和标准化处理，然后查找网格系统中注册的相关 服务进行有效组合，保证组合服务的逻辑合理性。传统的w 曲服务具有持久性 特征，通常使用b p e l 4 w s 【9 ，1 0 】等流程描述语言建模，保证组合服务在执行过程 中的逻辑合理性。然而网格服务是动态变化的，多数情况下生命周期相对短暂【2 】。 网格服务流程执行语言g w e l 【1 1 】的提出，在一定程度上解决了对网格服务组合 的逻辑约束问题，但是g w e l 需要专业人员进行相对复杂的建模操作，建模时 间较长，因此这种做法不能适应网格调度某些特殊场景下的动态变化。 ( 2 ) 传统的w e b 服务评价方法不能满足网格调度的动态需求 面向服务的网格结构中，网格服务是执行任务的唯一载体，因此对服务的 评价和选择是网格调度的关键。传统的w ，e b 服务具有持久性特征，对w r e b 服务 的评价方法是固定的，例如更加注重服务的质量【1 2 】，或者服务的可信任度l l 引， 或者是根据服务流程进行服务质量的评价【1 4 1 ，这些评价方法本质上是力图实现对 服务各项性能参数的一种综合【”l 。但是这种将服务的各项特征参数映射为综合指 标的方法不能满足网格调度的动态需求，调度过程中，网格的实时状态和用户需 求是不断变化的【2 】，可能前一时刻任务需要很快的计算能力，而在后一时刻又需 要更高的安全性能，网格调度要根据用户需求和网格实时状态的不断变化而选择 更加合适的服务进行调度。因此，传统的服务评价方法不能满足网格调度的动态 需求，需要根据网格的变化不断调整服务的评价策略来满足网格调度的动态性。 1 3 论文的选题意义 ( 1 ) 提高广域商业网格的调度执行能力 2 中山大学硕学位士论文( 2 0 0 9 )第l 章绪论 目前网格调度的研究工作大多关注于网格的整体性能和资源管理能力，对 于商业网格应用的特殊场景，传统的网格调度方法不能适应实际的应用需求，本 文实现的调度模型重点关注w r e b 服务技术与网格动态特征的结合，应用在广域 商业网格的调度场景，提高广域商业网格的调度执行能力。 ( 2 ) 探讨网格调度学术研究的应用价值 w 曲s e r v i c e 技术与网格技术的结合，使网格具有更加广阔的应用前景。传 统的网格调度研究有很多成熟的理论，包括调度模型和调度算法等，但是服务网 格与应用的结合需要进一步研究。本文在网格调度模型研究的基础上，考查其在 某些特定重要场景的应用价值。 1 4 本文的主要工作 本文的主要工作是对基于o g s a 基础上的网格调度模型做了一些有针对性 地改进，目的在于提高w e b 服务技术对广域商业网格调度的适应能力，进而提 高网格调度的性能，主要工作有： ( 1 ) 调度过程中服务组合方法的改进 在调度初期对组合服务的约束方面，设计了“服务状态约束”方法。网格服 务流程执行语言g w e l 对服务的逻辑约束不能满足调度动态需求，本文将 g w e l 的基本活动约束转换为可判定的状态约束，这样既可以保证服务运行过 程中的逻辑合理性，又简化了g w e l 流程建模的复杂过程，适用于网格调度过 程对服务组合的逻辑约束。 ( 2 ) 调度过程中服务评价方法的改进 在网格调度对服务的评价和选择方面，设计了“服务动态评价”方法。在网 格调度的实时状态和用户需求动态变化的情况下，传统w r e b 服务评价方法( 把服 务外部特征映射为综合指标) 不能满足调度动态需求，需要根据网格的动态变化 不断调整对服务的评价策略来满足网格调度的动态性需求。本文在现有服务质量 中山大学硕士学位论文( 2 0 0 9 ) 基于服务状态约束的网格调度模型研究 评价研究的基础上设计的“服务动态评价”方法，是将用户需求偏好和网格状态信 息转换为评价偏向值，根据调度动态需求对服务的性能得分进行调整，使之更加 适应网格调度的动态特征和用户需求的多样性。 ( 3 ) 基于上述改进的基础上设计和实现了“整体调度模型” 在“服务状态约束”和“服务动态评价”的基础上，本文借鉴现有比较成熟的 c o r e g d 模型【1 6 】，设计和初步实现一种适应网格服务动态特征的调度模型。文 章最后用实验证明基于服务状态约束的网格调度模型可以较好的适应网格中应 用型和计算型的混合任务调度，并且能够根据动态的用户需求和网格环境特征改 变调度策略，提高了需求满意度和网格系统的整体性能。实验结果表明本文所提 出的模型是可行的。 1 5 本文的组织和内容安排 本文接下来的部分组织如下： 第二章介绍了国内外关于网格调度的相关研究工作，包括服务组合的研究， 重点论述与本文相关的g w e l 对网格服务组合流程的约束；服务评价的研究， 包括目前比较成熟的服务评价方法；最后是网格调度模型和调度策略的研究，重 点介绍本文参考的模型基础s c h e d u l i n gi n s t 锄c e 模块化思想。 第三章设计调度过程中服务组合的改进方法，详细说明了网格服务状态约 束的定义以及g w e l 转换为可判定服务状态约束的方法，并分析证明服务状态 约束对动态网格调度的适应能力。 第四章设计调度过程中服务评价的改进方法，详细描述了不同网格服务的 外部特征，说明本文调度中使用的服务各项性能参数的定义和计算方法，最后设 计适应动态网格调度需求的“服务动态评价”方法。 第五章设计了综合“服务状态约束”和“服务动态评价”的网格“整体调度模 型”，首先介绍了本文模型的原型基础s c h e d u l 吨i n s 伽1 c e ，然后详细描述了适应 动态网格调度需求的两个辅助模块“历史信息收集”和“网格中断处理”的设计过 程，这两个辅助模块是为了使本文“整体调度模型”更好的适应实际网格应用，同 时保持本文模型的完整性。 4 中山大学硕学位士论文( 2 0 0 9 ) 第l 章绪论 第六章描述本文“整体调度模型”的实现细节和实验方法。模型实现部分包 括调度核心程序，服务组合模块( 进行服务状态约束) ，服务评价模块( 进行服务动 态评价) 以及历史信息收集和网格中断辅助模块等；实验部分分别通过数据分析 比较“服务状态约束”和“服务动态评价方法在不同网格应用场景中的调度优化 效果，同时模拟实现调度模型对网格整体性能的影响。 第七章对本文工作进行总结和前景展望。 中山大学硕士学位论文( 2 0 0 9 ) 第2 章研究现状及研究背景 第2 章研究现状及研究背景 在服务网格【2 】环境中，底层的网格资源，包括存储资源，计算资源，网络资源等 根据某种特定的业务逻辑抽象成一种能够执行特定功能的服务，服务按照标准进 行封装，提供调用接口，而对于服务使用者来说，使用服务就是通过这些接口与服 务进行交互，完成特定的工作。 网格服务使所有的资源都封装成了服务的形式，面向服务的网格计算通过 对服务的操作来完成所有工作。这主要包括【3 】，网格环境中应该怎样发布和注册 现有的服务，服务请求者应该以怎样的形式提出请求，网格系统获取服务请求之 后应该怎样理解这些请求信息，然后网格系统应该怎样根据服务需求信息和服务 供给信息来完成相应的服务对象的选择，以及服务组件的组合，服务组合成功之 后，又应该怎样去评价服务的质量和性能。最后，根据服务评价的结论选择服务 之后，应该怎样定位，怎样激活服务所封装的资源对象，怎样实现运行过程中任 务调度以及运行期的维护工作，这些是整个调度系统需要考虑的问题。 2 1w e bs e r v i c e 与基于w e b 服务的网格体系结构 2 1 1w 曲s e r v i c e 介绍 为了支持、e b 服务的通用性和平台无关性，更好的实现异构环境下的无缝 连接，制定了一系列国际标准【l 】，主要包括w s d l ( 用于描述服务的属性和相关 信息) ，u d d i ( 用于描述、v e b 环境下的服务资源) ，s o a p ( 用于服务交互的消 息传输，在异构的环境下，服务之间的通信以消息这种唯一的形式进行，而s o a p 就是对消息格式的一种标准协议，这就保证了异构服务之间可以进行无障碍的通 信) 。在w e b 环境下，服务提供者通过u d d i 发布和注册服务，而服务使用者通 过u d d i 发现服务，并且获得服务的w s d l 描述文件，任何一个使用者都可以 根据w s d l 标准解析该服务的属性，并且自动生成服务调用接口，从而实现对 服务的调用，在服务调用过程中通过标准的s o a p 消息实现信息交互。 7 中山大学硕士学位论文( 2 0 0 9 )基于服务状态约束的网格调度模型研究 2 1 2 基于w 曲服务的网格体系架构 网格由各种相互连通和协作的资源节点组成，共同完成一些复杂的计算任 务，存储任务或者其他工作任务。将比较成熟的网格技术与w 曲技术结合【2 ，3 】， 即是服务网格。服务网格充分利用广域网格环境中的计算资源，存储资源，以及 其它可以共享的应用。在服务网格中，所有资源及其逻辑组合都抽象成为服务， 支持w 曲服务国际标准协议框架，而传统意义上的网格资源管理方式也转变为 对服务的管理方式。传统w 曲服务的无状态性不能满足网格服务有状态【2 】的要 求，w s r f 【2 ，1 7 ，1 8 1 提出了一组w 曲服务规范，该规范引入w s r e s o u r c e 方法支持 对有状态资源的访问。基于w e bs e i c e 的网格服务体系结构支持了此基础上的 网格服务的管理和应用。 面向服务的标准网格体系结构是o g s a 体系结构【4 】。 o g s a 将w ，e bs e n ，i c e 技术与网格技术相结合，使得网格服务可以充分利用 已经得到广泛应用的w - e b 服务技术。开放网格服务体系结构( o g s a ) 【4 】的提出， 目的在于网格体系的标准化，将网格资源封装成一种“通用”服务来使用，以实现 网格资源和应用的整合与共享。网格服务是对w ，e b 服务的一种扩展，o g s a 体 系结构以“服务”为中心，具有开放性的接口，明确定义了服务的发现，动态服务 创建，生命周期管理以及通知机制，这就使网格环境中物理资源到逻辑资源的映 射成为可能。与此同时，服务组合技术【2 】可以将一些比较成熟的抽象服务组合成 具有某种特定功能的更加复杂的服务，对用户来说，对支持组合服务执行和管理 的底层抽象服务组件以及底层物理资源的访问和控制是透明的，因此，基于w 曲 s e r v i c e 的o g s a 体系结构支持良好的异构应用整合。o g s a 体系结构可以应用 在区域比较广的商业领域中。 2 2g w e l 网格服务组合约束研究 对网格服务的有效组合是调度周期的第一步。服务组合【1 9 】是根据某种特定 的业务逻辑，将已有的服务组合成为一种可以满足某种特定要求的服务集合的操 作。服务组合的对象既包括业界认可并且已经成熟的标准服务组件，也包括用户 依据具体需求自定义的特定服务。服务组合的目的【2 1 在于适应复杂的应用需求， 8 中山大学硕士学位论文( 2 0 0 9 ) 第2 章研究现状及研究背景 一方面服务组合技术可以使不同的服务组件根据固定的协议标准，结合成为更加 复杂的服务，从而实现单个服务组件不能实现的功能。另一方面，服务组合技术 可以最大限度的节约开发成本，w r e b 服务标准可以使不同领域的应用实现无缝连 接，服务提供者通过注册和发布资源，可以最大程度的利用现有比较成熟的应用， 并且整合成为新的服务组合应用。 根据服务的使用范围和交互方式，文献【2 0 1 将服务组合的对象分为三种类型： 基本服务，组合服务，以及领域服务。 定义1 ：基本服务 基本服务是现有比较成熟或者业界标准服务，比如说文档打印服务，这类 服务的特点是操作简单，通用性强，适用范围广。 定义2 ：组合服务 组合服务是由基本服务组件根据某种规则组合起来的服务，此类服务的功 能实现依赖于服务组件之间协作实现，并且组合服务的性能由服务组件的性能决 定。 定义3 ：领域服务 领域服务是对某一特定领域的提供类似功能的服务的抽象，领域服务概念 的提出是为了提高服务需求与服务供给之间的融合度，可以使服务匹配工作的集 合限定在特定的领域范围，从而提高服务匹配的效率，减轻系统负担。 定义4 ：服务组件 组合服务内部可以相互通信的服务，服务组件可以包括基本服务，组合服 务以及领域服务，服务组件根据特定的业务逻辑完成服务组合。 服务组合技术【2 】的关键在于如何根据服务组件的属性特征以及与之相关联 的服务性质，实现满足某种特定要求的服务组合。首先是服务需求和服务供给的 匹配，即组合后的服务要完成服务需求的各项功能；其次要考虑的是组合服务的 执行代价，组合后的服务在满足基本需求的基础上，要以尽可能少的代价执行， 这包括服务组件之间的交互成本，各个服务组件的运行成本，比如执行服务的各 个资源节点的计算资源和存储资源的消耗。最后，服务组合应该适应整个服务执 行环境的变化( 这里主要指网格服务环境) ，当服务组合的上下文环境发生变化， 9 中山大学硕士学位论文( 2 0 0 9 )基于服务状态约束的网格调度模型研究 或者是服务组件的状态发生变化时，原有的服务组合应该作出相应的动作。 g w e l 【1 1 1 ( 嘶dw b r k n o we x e c u t i o nl 趾g u a g e ) 是为实现网格服务组合而定 制的一种描述语言，本质上是一种l 描述语言，能够严格描述各服务组件的 执行流程，约束服务组件之间的交互关系，严格定义并行事务的各种状态信息， 从而实现服务组合的流程约束。g w e l 建立在b p e l 4 w s 【9 1 0 】的基础之上，同时 提供了对网格动态性特征的支持。 网格服务组合是网格调度系统中的关键环节，根据用户需求对现有服务进 行合理有效的组合是实现服务调用的重要前提，也是网格调度的基础。只有合理 有效的组合网格服务资源，才能保证任务执行载体的可用性，进而保证整个网格 服务的性能。 2 3 服务评价的研究 网格服务是网格任务执行的承载体，可以是单一的服务组件，也可以是组 合服务，在服务网格中，服务是调用的基本单位和唯一表现形式，然而对服务的 评价需要考虑服务内部结构的特征。 目前国内外对于服务性能评价的研究很多，其中文献【l3 】提出基于信任机制 的服务质量评价体系，将历史经验和用户的角色加入到服务质量评价的过程中， 提高了服务对需求的满足度；文献【1 4 】根据服务质量的变化决定对服务工作流程的 调度，将服务组合流程建模的影响因素加入了服务质量的评价体系，根据不同的 组合建模过程分析了上述诸多参数对整体服务组合质量的决定因素，提出不同构 造语言的服务质量计算方法。文献【1 5 】对各种服务参数综合评价体系进行数学量化 和论证。文献【2 l 】是从服务对象的外部特征来研究组合服务的质量，包括服务的可 靠性，安全性，可用性，完整性，成本代价等诸多方面，并且根据经验值对服务 各项参数进行量化和综合。文献【2 2 】分析服务质量在组合流程各环节的表现形式， 本地q o s 控制和全局q o s 控制对服务的选择。文献】从服务控制实施者的角度， 将w ，e b 服务质量控制分为应用软件，中间件，操作系统，服务集群等的服务控 制策略。文献【2 4 l 在满足用户需求的情况下实现基于q o s 的网格资源控制和管理， 主要是研究q o s 对资源属性的转化映射过程。 然而在网格调度过程中，服务基本上不再具备持久性的特征，而是网格服 1 0 中山大学硕士学位论文( 2 0 0 9 ) 第2 章研究现状及研究背景 务的动态性愈加明显。服务组合和网格环境是相互影响的，服务的组合和选取策 略影响网格性能，这是目前研究关注的问题，与此同时，网格环境的动态变化也 会影响服务质量评价，比如说某一时刻用户需求的变动，可能更加关注服务的某 一方面的性能，综合评价服务质量的做法可能会造成服务偏向的缺失，不能适应 不同时刻对服务需求的变化。 2 4 网格调度模型的研究 网格调度是网格系统管理的核心模块，网格调度的职责可以抽象为一种资 源管理者【3 j ，负责有关网格资源的所有操作：包括资源发现，资源定位，进行资 源候选方案的成本预算评估，实现任务到资源映射，并且负责任务执行过程中的 步调协调和任务与资源之间以及协同完成任务的资源之间的通信，负责任务生存 周期的维护以及解释和处理执行结果。同时还应负责本次调度周期的网格状态管 理，以及根据状态变化而引起的事件触发和事务补偿等相关处理。这是广义网格 调度的范畴，其本质是一个网格环境和资源管理者的角色。 目前对于网格服务调度的研究主要是从传统网格计算2 5 ，2 6 1 比较成熟的调度 方法继承和发展的，这些调度策略的基本思想是将指定的任务群分配到网格环境 所有可以使用的资源节点上，从用户角度，希望任务提交到任务完成的执行代价 最小，从网格系统角度来看，希望网格单位执行代价或者某个局部单位执行代价 可以完成更多的任务量，即吞吐量要求，同时需要关注局部节点的负载均衡情况。 目前提出了很多成熟的调度模型，文献【2 7 1 剖析了网格结构的本质，论述网 格虚拟组织v o 的原理和可扩展性。文献【2 8 】根据任务的性质将调度模型分为三种 结构e n t e 印r i s eg r i d s ( e g ) ，h i 曲p e r f o m a l l c ec o r n p u t i n gg r i d s ( h p c g ) 和g l o b a l 嘶d s ( g g ) 。 e n t e 删s e 嘶d s 【2 8 】的性质在于企业内部的集成应用以及资源统一管理，因此 这种网格结构采用集中式的调度体系结构，由统一的调度服务负责资源的管理， 网格系统状态信息的收集，集中处理任务到资源的映射，并最后负责任务状态的 维护，包括数据收集及任务结束处理程序等。 h i 曲p e r f o n n a i l c ec o m p u t m gg r i d s 【2 8 】的特点在于其数据密集性及对计算和 存储能力等服务性能的敏感度，这种网格结构实际上就是一种高性能并行计算或 中ij ，：学唢士学位论文( 2 0 0 9 ) 晕十臌丹执卷钉震帕阿宿调厦侵里计7 者小型的集群系统，这些系统之间各自独立，各自有特有的资源管理方式和通信 协议，可以既是完全异构的网格系统，具有外部松散，内部紧耦合的特点。对于 这样的网格系统的调度模型是一种基于代理的调度模型，每一个紧耦合的网格系 统形成一个虚拟组织，每个虚拟组织配置一个代理负责实现组织内部管理和组织 之间的通信，在此基础上采用集中式的调度模型是不合适的，这样会造成系统整 体状态维护的困难，因此应该采用一种分散调度的方式，即调度服务程序应该部 署在每个虚拟组织的代理上，并且根据组织内部的结构使用不同的调度策略，由 每个调度服务模块负责维护所辖的虚拟组织的信息状态。 g l o b a jg r i d s 【强1 是覆盖范围最广的一种网格结构，它的组成部分包括多个e g 和h p c g ，是一种完全异构的广域网格，在此基础上建立起来的调度模型较之前 两者来说应该更加具有通用性。文献【2 8 j 分析了g l o b a 】o r i d s 网格结构的特点，以 及在此环境巾调度模块应该完成的任务，并提出种s c h e d u l i n gi n s t a n c e 模块化 调度思想，s i 的本质思想在于封装调度程序在所有类型的体系结构中的公用性 职责并提供s i 特有职责的处理接口，使实现通用性调度模块成为可能。本文 将g 1 0 b a lg r i d s 嘲格模型结构扩展为面向服务的网格系统s e r v i c eg r i d ( s g ) ，s g 结构的描述见5 4 节，本文在s g 模型的基础上做进一步的研究工作。0 1 0 b a jg r i d s 的结构如罔2 一】所示【2 8 】。 基于不同的网格结构需要不同的调度模型。一般的做法是首先根据网格 结构建立起适合的调度模型，然后再应用某种调度策略。这就使调度策略和算法 必须依赖于特定的调度模型，例如e g 的调度模型是集中式的访问资源，所以建 图2 1 0j o b a ig r i d s 结构示意图 中山大学硕士学位论文( 2 0 0 9 ) 第2 章研究现状及研究背景 立在e g 上的调度算法需要通过e g 提供的接口去访问相关资源；而h p c g 和 g g 则提供了分散的异构代理方式，那么应用于e g 的调度算法需要进行改变才 可以移植到唧c g 和g g 上，这样就丧失了通用性的原则。 文献【2 8 】提出s c h e d l l l i n gi n s t a l l c e 的思想，为传统网格中不同体系的通用性调 度实现作出了很多努力。s i 是一个模块化的概念，在不同的网格结构中，因为 调度需求的差异和网格资源管理策略的不同，例如上文所说的集中式调度和分散 调度，使得调度程序执行的功能也不尽相同。但是这些调度程序之间有一些基本 功能是相同的，比如说接收调度请求，与资源管理者的交互，与外部应用程序的 交互，返回调度映射方案给调度请求者。诸如此类的功能是通用的。文献【2 9 】把数 个s i 部署到网格中，根据系统状态和用户的需求，这些s i 之间自动分配调度任 务，并且通过消息传递协作完成整个调度任务。s c h e d u l i n gh l s t 锄c e 的模块思想 在一定程度上解决了网格调度的通用性问题【3 0 1 。 根据对资源和任务供需的相关性，目前研究支持成本，m a l ( e s p a i l ，吞吐量， 负载均衡最优化的调度策略。文献【3 l 】提出一种经济市场机制模型，支持多目标任 务调度，实现任务执行时间和成本的最优化。文献1 3 2 j 提出一种多目标网格任务调 度算法，将任务的时间t h e 和成本c o s t 作为目标的调度算法。文献【3 3 】提出一种 风险模型，根据风险等级影响任务的调度策略，当任务的安全评价低于某个阈值 时，任务将从执行状态自动停止，参加下一轮的再调度，该模型的关键在于评价 任务风险参数，以及触发任务状态改变的安全临界值的确定，这种模型适用于对 任务安全性有特殊要求的场景。文献【3 4 ，3 5 】贝i j 是在稳定性和执行时间跨度最小化之 间寻求一种权衡策略。文献【3 6 】论述了分布式环境中独立的大粒度任务调度策略。 文献【3 7 1 对经典的m i l l m i n 和m i l l m a 】( 调度策略进行比较。文献【3 8 3 9 ，4 0 1 研究应用 于网格调度不同场景各种调度策略的性能。 网格任务调度的实质【3 】是将任务分配到多个异构可用的网格资源上，使得总 任务的执行代价最小和单任务执行代价最小，并且使资源得到充分利用。设现在 有分解为n 个相互独立的任务需求，每个任务的执行代价为，则任务调度的 最终目标是对下面的公式求解。 鼢e 砌，垤删= 礁，2 ( 瓯，) & & m 刀( 羔品，) ( 2 - 1 ) 鼢e 砌，垤删= 馏门( 瓯，) & & m 刀( 乏品，) ( 2 1 ) 中山大学硕士学位论文( 2 0 0 9 ) 基于服务状态约束的网格调度模型研究 2 5 本章小结 本章介绍了面向服务的网格调度的相关研究，第2 1 节描述了使用g w e l 对网格服务进行有效组合和逻辑控制，这是网格调度的重要环节；第2 2 节描述 了目前对服务评价的研究，这是网格调度中进行服务选择的依据；第2 3 节描述 了对网格调度模型的相关研究。本文接下来的工作即是在这三个方面展开。 1 4 中山大学硕士学位论文( 2 0 0 9 )第3 章调度过程中服务组合方法的改进 第3 章调度过程中服务组合方法的改进 对网格服务的有效组合是调度的关键环节，本章对使用g w e l 描述网格服 务流程的组合方法在调度过程中的不足之处进行改进，设计了“可判定的服务状 态约束”方法。 3 1 服务组合在网格调度中的地位 服务状态约束是对原子服务和组合服务的状态约束，其中重点在于对组合 服务的状态约束，目的是保证组合服务执行流程的逻辑合理性，本文定义的服务 状态约束属于服务组合的范畴，这是网格调度的关键。服务组合【2 j 是完成用户需 求和服务供给匹配的关键环节，用户提交服务请求之后，首先需要对这个请求进 行分析和解释，然后系统根据对请求的理解分析网格环境中相应的注册服务信 息，进行服务的组合，匹配和定位。 首先对服务请求进行分析和解释，对用户提交上来的任务进行标准化处理， 比如举一个简单的例子，提交任务“需要一本长期持有的中文网格计算”，进 行任务标准化处理之后，得到如下结果：“长期持有”，“中文”，“书籍，p r o p e n ) r 网格计算”；根据对任务处理后的结果，对网格中注册的服务进行领域匹配， 即缩小服务提供者的集合范围，这样可以减少系统负担，同时提高服务组合，匹 配的命中率。如在本例中，根据标准处理结果我们将服务提供范围限制在这样一 个领域“与书相关”，在本例的u d d i 中，可以得出如下服务集合：“中大图书馆 借书，美国图书馆借书，中文书店买书”。 目前在服务组合方面有很多相关研究，其中基于本体论的语义【4 1 4 2 4 3 舢增艮务 组合技术可以在一定程度上自动完成服务需求与服务提供者之间的匹配，实现集 合约束和服务组合。但是w e b 服务具有持久性的特点，w e b 服务的语义组合技 术满足w r e b 环境下的服务组合和匹配，而对于服务网格来说，服务组合需要在 语义集合定位的基础上，适应动态性的特征。因为网格环境的变化，建立在底层 资源之上的服务也会随之发生变化，例如当底层资源退出或失效，导致以前的服 务组合也会发生状态变化，这是网格服务调度必须要考虑的问题。 中山大学硕士学位论文( 2 0 0 9 )基于服务状态约束的网格调度模型研究 语义组合方式可以在一定程度上缩小服务搜索的范围，提高服务匹配的命 中率。但是在网格调度的特殊场景中，更需要对服务组合的逻辑合理性进行比较 有效的约束，以提高网格调度的性能。 3 2g w e l 服务组合约束分析 g w e l 【2 1 1 j ( 嘶dw 础m o we x e c u t i o nl a l l g u a g e ) 是为实现网格服务组合而 定制的描述语言，本质上是一种l 语言，能够严格描述各服务组件的执行流 程，约束服务组件之间的交互关系，严格定义并行事务的各种状态信息，从而实 现服务组合的流程约束，保证组合服务的逻辑合理性。网格服务流程执行语言 g w e l 是服务业务流程执行语言b p e l 4 w s 在网格应用中的扩展，既保持了对服 务组合的逻辑流程描述，又增加了对网格动态特征的支持。 使用g w e l 【l l 】进行网格服务组合本质上是建立一个网格服务实例，然后使 用这个服务实例实施一系列逻辑活动，最后销毁实例。其中对逻辑活动的约束方 面，使用了全部或部分b p e l 4 w s 活动描述的方法，主要根据实际应用需要而定。 3 2 1g w e l 基本活动描述 g w e l 的基本活动来源于b p e l 4 w s 活动定义【9 ，1 0 1 ，主要包括： ( 1 ) r e c e i v