（计算机系统结构专业论文）织女星个人网格研究.pdf

摘要 最近j l i - ：嘲格技术发展迅速，变化也很大，明显的趋势是从传统的科学计算，一程 算等高性能l j 算领域逐步拓展到以w e b 服务为标准的商：i i i h 一算服务领域，网格的用， 范h 自也棚庸地从科学家、工程技术入员扩腱到政府工作人员、商业及会建用户，稳叠普 通j 网络用户。 织女星个人网格是织女拱刚格项目中的一个：于课题。从网格系统的体系结构i ：焉， 织女星个人刚格是个垂赢型网格，其作用范围上至网格应用层卜至网格通讯层。个人 网格研究的土要i d 的是提升网格的可交互。l i - - ( i n t e r a c t i v ea b l i t y ) 和可参与性 ( p a r t j ( ：i p a t e a b j1it y ) 或称为可共享性( s h a r e a b i l i t y ) 。 目的鉴丁网格系统实现的应用仍围绕薏高性能计算环境展玎，而同样以资源共享为 应用目的的p 2 p 系统却在互联网的边缘取得r 巨大的成功。与其他网格系统相比我们发 现，传统的计算网格是以计算任务为中心的( t a s k c e n t r i e ) ，服务网格是以服务为中心 的( s e r v i c ec e n t r i c ) ，而织女星个人网格是以用户为中心的( u s e r c e n t r i c ) 。而且面 向用户( u s e r0 r je n t e d ) 的应用将成为未来网格领域里边一个重要的组成部分，这也是 织女星个人网格研究的意义所在。 在基于桌面系统的应用领域，计算和服务不是主流，而资源共享和协同工作是桌面 系统普遍存在的需求。因此协同工作和资源共享是织女星个人网格提供的主要功能。 织女星个人网格所面对的关键问题是e p e r s o n 问题。e p e r s o n 问题包含三个方面； 1 ) 扩展性问题：2 ) 用户自主性问题；3 ) 应用的多模式问题。本文的具体贡献在于： i 刨对织女星个人网格的可扩展性问题，提出并实现了一个基于网格社区的二维混 合型p 2 p 模型，该模型的优点是通过简化消息路由机制，采用数据通道与消息通道分离 f _ i j 方式解决系统整体的可扩展性问题。该模型适用于i n t e r n e t 和i n t r a n e t 两种环境。 2 钊刈织女星个人网格的用户自主性问题，提出并实现了基于标记语言的应用程序 设计。甚于标记语言的应用程序，区别于以标记语言为对象的应用程序的关键在于，应 用程序的形态、功能和匆局出一套标记语言米构造，而不简单地做为标记语言的解释器。 3 针对织女星个人网格的应用多模式问题，提出并实现了包含表示层、( ；s m i 。层、 会话层和刚络通讯层，这四层的层次结构。这四个层次的三个接口分别解决了三个正交 的问题：| 司步与异步通讯模式的统问题，资源共享和协同工作平台的统一问题和对跨 r 台异构系统的支持问题。 最后，文章通过对若干个典型应用的设计与实现进行介绍，举例说明织女星个人网 格研究是如何解决ep e r s o n 问题的以及取得的效果。 关键诃：e p e r s o n ，织女星个人网格，织女星网格，网格社区，6 s i l l r e s e a r c ho nv e g ap e r s o n a lg r i d b i n g c h e n i i d i r e c t e db yz h i w e ix u g r e a tc h a n g e sh a v et a k e np l a c ei ng r i dt e c n l o l o g yf i e l d c u r r e n t l yt h ef o c u sh a sb e e n c h a n g i n gf o m ae - s c i e n c ea n de e n g i n e e r i n gt oe - b u s i n e s sa n de - g o v e r n m e n tb a s e do nw e b s e r v i c e t e c h n o l o g y t h es c o p eo fg r i d u s e r sa i s o e x p a n d sf r o ms c i e n t i s t s ，e n g i n e e r s t o g o v e r n o re m p l o y e e s ，b u s i n e s s c l i e n t s f i n a n c i a lu s e r s ，a n de v e nc o m l t l o nn e t w o r ku s e r s v e g ap e r s o n a lg r i d ( v e g a p g ) i s as u b - p r o j e c to fv e g a g r i dp r o j e c to f i c 丁t t sa v e r t i c a lg r i d ，w h i c hi n c l u d e sm u l t i p l el a y e r sf r o mn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nl a y e rt oa p p l i c a t i o n l a y e nh n p r o v i n g t h ei n t e r a c t i v e - - a b i l i t y , p a r t i c i p a t e - a b i l i t ya n ds h a r e - - a b i l i t yi st h em a i na i mo f r e s e a r c ho nv e g ap gc o l l a b o r a t i v ew o r ka n dr e s o u r c es h a r i n gb a s e do n d e s k t o ps y s t e ma r e m a i nf u n c t i o n sf o rv e g ap g w h i l et h em m n s v e a mg r i ds y s t e mi ss t i l lc l o s e l yd e p e n d i n go nh p c e n v i r o n m e n t ，g r e a t a c h i e v e m e n t sh a v eb e e ng a i n e di np 2 pf i e l d ，w h i c ho n l yr e l a t e st od e s k t o pp ca tt h ee d g eo f t h ei n t e m e t c o m p a r i n gw 胁t r a d i t i o n a l 蛳ds y s t e m ，w h i c hi st a s k c e n t r i co rs e r v i c e c e n t r i c ， t h ev e g ap gi sau s e r c e n t r i cm o d eg r i d t h eu s e r - o r i e n t e d g r i da p p l i c a t i o nw o u l db e a p r i m a r yp a r to fg r i da p p l i c a t i o n si nt h ef u t u r ea n dt h i s i sa n o t h e rr e a s o nf o ru sr e s e m - c ho n v e g a p g i nt h ed e s k t o pa p p l i c a t i o nf i e l d ，c o m p u t i n gt a s ka n ds e r v i c ei sn o tm m n s t r e a m a p p l i c a t i o n ， w h i l e r e s o u r c e s h a r i n g a n dp e r s o n - t o - p e r s o nc o m m u n i c a t i o ni st h ec o m m o nr e q u i r e m e n t r e s o u r c es h a r i n ga n dc o o p e r a t i v ew o r ki st h em a i nc a p a b i l i t yv e g ap gp r o v i d e sf o r a p p l i c a t i o n s t h ek e yp r o b l e mo fv e g ap gi sn m n e de - p e r s o np r o b l e m ，w h i c hi n c l u d e st h r e ea s p e c t s ： 1 ) s c a l a b i l i t y ；2 ) p e r s o n a l i t y ；3 ) m u l t i m o d e t h em a i nc o n t r i b u t i o n so f r e s e a c ho nv e g ap ga r el i s t e da sf o l l o w i n g 1 ) f o r t h e s c a l a b i l i t y o fv e g ap gt h i s p r o j e c tp r o v i d e s a n d i m p l e m e n t s a t w o d i m e n s i o n h y b r i d p 2 pm o d e l t h e f e a t u r e so fs u c hm o d e la r et h a ti tu s e s s i m p l i f y i n gr o u t i n gm e c h a n i s ma n ds e p a r a t e st h ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e li n t o ad a t a c h a n n e la n dam e s s a g ec h a n n e lt oi m p o v et h es c a l a b l i l i t yo ft h ew h o l es y s t e m t h i s m o d e li sa d a p t a b l ef o ri n t e r n e te n v i r o n m e n ta n di n t r a n e te n v i r o n m e n t 2 ) f o rt h ep e r s o n a l i t yp r o b l e m ，t h i sp r o j e c tp r o v i d e sa n di m p l e m e n t sa na p p l i c a t i o n d e s i g nm o d eb a s e do nm a r k u pl a n g u a g e c o m p a r i n gw i t ho t h e rd o c u m e n t a t i o n b a s e d a p p l i c a t i o n ，m a r k u pl a n g u a g e b a s e da p p l i c a t i o nc a nb eap r e s e n t a t i o nt o o lf o rm a r k u p l a n g u a g ea n dt h em a r k u pl a n g u a g e c a r tr e c o n f i g u r e ，r e b u i l da n de v e nc h a n g et h e f u n c t i o no f a p p l i c a t i o n 1 1 1 3 1r o l _ ( h em u l t i m o d ep l o b l e m ，t h i sp r o j e c tp r o v i d e sa n di m p l e m e n t saf o u r - l a y e r e d a r c h i t e c t u r ef o rv e g ap g s y s t e m w h i c hi n c l u d e s c o m m u n i c a t i o n l a y e r , s e s s i o nl a y m g s m l l a y e ra n dp r e s e n t a t i o nl a y e nt h et h r e ei n t e r f a c e s b e t w e e nt h e s ef o u rl a y e r s s o l v et h r e e o l t h o g o n a lp r o b l e m s ：h e t e r o g e n e i t y , s y n c h r o n o u s a n d a s y n c h r o n o u s c o m m u n i c a t i o na n di n t e g r a t i o no fr e s o u r c e s h a r i n gp l a t f o r ma n dc o o p e r a t i v ew o r k p l a t f o r m f i n a l l y , t h ea r t i c l ew i l li n t r o d u c eaf e w c h a r a c t e r i s t i ca p p l i c a t i o n sr u n n i n g0 1 1v e g a p g p l a t f o r mt oi l l u s t r a t e h o ww er e s o l v et h ee p e r s o np r o b l e ma n dw h a ta r c h i e v e m e n t s w e g a i nf r o m o u rr e s e a r c ho nv e g ap g k e y w o r d s ：e p e r s o n ，v e g a p e r s o n a lg r i d ，v e g ag r i d ，g r i dc o m m u n i t ya n dg s m l l v 本人声j 明所呈交的沦文是我个人在导师指导f 进行的研究工作及取得 的研究成果。就我所知，除厂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。与我一同工作的】司志对本研 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。 作者签名：李涡辰 日期：丑) ! d 午歹 关于论文使用授权的说明 中困科学院计算技术研究所有权处理、保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅；并可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、 缩印或其它复制手段保存该论文。 作者签名：翻辰导师签名： ( 卜姗7 5 第一章引言 。咐妫是构筑意互联眄上的一缉巍兴技术它将高遮互联甄、商性能计算机、大聚 数掘瘁、传感器、远程设备等融为一体为科技入员秘普通老百姓提供更多的资源、功 能秘交7 1 性，互联网i 要为a 们提供电7 r i f l e 、两硬渤箢等通信功能而嘲格功能热更 多更强，让a 们透呖地使甬i - j ! , 存储等其他资源，。f o s 9 8 飞 二t 世纪的最后几年，网格技术的发展不仅为分布式计算领域注入了新的活力，而 且为下代互联网应用找到了新的突破口。短短几年，网格在生物医药、教育科研、气 象天文以及机械制造业等领域的应用取得了令人瞩目的成果。2 0 0 3 年，当s a r s 在世界 多个国家肆虑的时候，耶鲁大学助理教授许田参与领导的d 2 0 l 网格计算项目，将s a r s 病毒列为运算月标之一，加速进行抗“非典”药物筛选 s a r s d 2 0 l 1 。几年前见诸于科 学计算、工程计算领域的网格技术，如今以和w e b 服务相结合的方式向商业计算领域迈 进，网格正逐渐走进人们的生活。网格代表了下一代i n t e m e t 技术。二十世纪七、八十 年代的i n t e m e t 通过t c p u d p 等通讯协议实现了计算机物理上的互联互通，九十年代的 w e b 技术：博各种信息互连起来，而今天的网格正试图将各种计算机资源互连起来，比如 计算资源、存储资源、信息资源和各种设备等，正因如此，很多人认为网格是继i n t e m e t 和w e b 之后的第三次信息技术浪潮。 本章共分八个小节，首先是对网格技术的概括性阐述，然后是近几年网格研究领域 发生的变化以及网格的进化过程。第三小节是对国外个人网格相关研究的介绍。第四小 节和第五小节简要介绍中科院计算所的网格研究项目织女星网格以及其子课题织女 星个人网格 l 1 0 2 2 1 所要解决的e p e r s o n 问题。第六、七小节列举了本文研究工作的具体 贡献和文章的组织结构。最后是本章小结。 1 1 网格简介 什么是网格? 目前在网格研究领域还没有一个统一的定义，首先不同的网格应用表 现出网格的不同特征 d u 0 2 ，其次网格技术正处在不断发展和不断变化的过程中 ) ( u v g d _ 1 。美困g l o b u s g l o b u s 】项目的领导人i a nf o s t e r 曾提出了判定网格的三个标准： “( 1 1 在j t 集中控翻的环境中协同使用资源：i 劲使角标准的、开放的和通婚的协议和接 臼i 例篷y t 4 k - 乎以脱g 瑟努。”【f o s 0 2 2 】。由于条件过于苛刻，甚至把p 2 p 排除在外， 因此i a nf o s t e r 对涮格下的三个判定标准并没有得到普遍认可。 通过相关文献研究我们可以发现，网格f p e r 0 3 一词的出现可以追溯n - 十世纪9 0 年代 b r 0 9 9 。当时网格诞生的目的是解决异构的分布的资源的共享和协n f o s 0 2 一1 ， 应用范围主要集中在科学计算及工程计算领域。网格是把物理上广泛分布的计算机( 超 级计算机等) 连接成一台“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 1 “h d , i ”，i 阿浆个计算魁山成千上力个“节点”- i l t j & f l j “张网格”，所以把这种计算方 式i l l | 做嘲格计算。 网格有k n t j l 个特点 d u 0 2 1 ： 分和与兆，# ； 简要概括起求就是资源在物理上是分布的，在逻辑上是共享的。 自相似陀： 网格作为一个复杂系统具有自相似特征，即局部与整体存在着一定的相似性 动态性与多样性： 网格的动态性是指网格资源会动态增加和动态减少；网格的多样性是指网格资 源的种类是异构的且多样的。 自治性和管理的多重性； 网格资源的自治性是指网格资源的所有者具有对该资源最高级别的管理能力： 网格管理的多重性是指资源作为网格的一个组成部分又必须接受整个网格的资 源调度和管理。 对网格提供的计算能力有四个基本的要求，它们分别是 f o s 9 8 ： 可靠往的要求； 标准化的要求； 易访问性的要求； 价格低廉的要求。 计算资源只是网格计算应用到的最普通的一种资源。网格资源还包括存储资源、贵 重仪器、可视化设备、各种软件资源和信息资源。将各种资源互联互遁起来只是网格的 一个层面，其最终目标是要实现“网格的非平凡应用”【f o s 0 2 1 1 。 幽1 1 网格的非平凡应用 如图1 1 f o s 0 1 2 所示，网格不仅要实现资源在物理层面的互联互通，还要实现资 源在逻辑层面的共享和协同。一个基本的网格系统大致可以分为三个层次：网格资源层， 网格中间件层和网格应用层【l 1 0 2 - l 】。网格资源的共享和协同主要依靠网格中间件层来实 2 翦邙，j 现。刚格中问件丽临的挑战很多： 1 通讯协议的标准化 嘲格区别于传统分布式系统的一大特点就是支持异构系统的分布式共享与协i 刊。因 此网格中问件不能是以某个软件为标准，各个网格中间件应该建立在一个标准的通讯t 力- 议之上。 2 统一的资源接口 网格的另1 特点是支持多利，i t 资源，宏观意义上的网格资源几乎囊括了所有计算机 可以控制或至少可以交互的仪器设备。如何将各种各样的仪器设备兼收弗蓄地统到一 个网格中间件层上面，并能有效发挥各种设备的功能，这是网格面临的重要挑战之一。 3 安全的考虑 网格走向广泛应用的前提是安全得到保障。直到目前，网格仍然是一个“熟人”的 世界，所谓“熟人”即每个网格用户都是以实名方式与客观世乔的人一一对应的，也就 是说存在着这样的假设，没有一个“熟人”是恶意使用网格资源的，因为他要为此承担 现实社会的责任。即使是采用了大量防范措施的网格系统安全问题依然非常严峻。2 0 0 4 年4 月1 5 只世界上最大的网格系统由美国国家科学基金会资助的t e r a g r i d t e r a g r i d l 被黑客成功入侵 c c w 。黑客们曾一度获得了该系统的控制权。这次入侵虽然没有造成 f m 重的后果，但事件本身提醒大家，网格技术的发展是一个双刃剑，它不仅能为信息社 会的发展提供庞大的动力，同时也具有对信息社会不可低估的破坏能力。 网格的应用范围很广，根据网格的特点大致可以分为：计算网格、数据网格f c h e 9 9 、 信息网格和知识网格。它们分别利用网格技术解决计算密集型、数据密集型、信息处理 和知识处理等问题。随着网格技术的发展，很多应用逐渐纳入到网格范围之内了，比如 商业网格、通讯网格等。而且不少网格系统同时具有多种特征，比如美国的n a s a i p g 1 p g l 既是计算网格又是数据网格( “n a s a si n f o r m a t i o np o w e rg r i d ( i p g ) i sa h i g h - p e r f o r m a n c ec o m p u t i n ga n dd a t ag r i d ”) ，而本文涉及的织女星个人网格兼有通讯网 格、视讯网格、数掘网格和信息网格的特征。 谁需要网格呢? 网格蓝图一书的回答是：“劳第扣衫学蒙孑妊乙摇珈稳臣莫：蛩群 学家需要、企遭需要、自然强境需要、教曹与培诲需要、国家需要、世界需要、消费者 需要” f o s 0 3 2 。而织女星个人网格对这个问题的回答是：“所有网络用户都需要网 格。” 1 2 网格的进化 网格在本世纪初经历了飞速的发展和巨大的变化。其根本原因在于越来越多的政府、 企业和个人对网格的前景充满信心，越来越多的应用采用网格技术来解决，扩展了网格 的应用范围，从而对网格技术本身不断提出新的要求。自二十世纪8 0 年代起，一些与网 格技术关系密切的项目就已经开始展开，9 0 年代以g l o b u s g l o b u s 为代表的网格技术 在科硼f 领域被广泛应川，日l j i 网格技术发展的热点体现在以电子商务和f 乜予政务为小心 的服务网格领域。综i ：p j ? 述，网格的进化前前后后共经历了三个历史阶段 r o u 0 3 1 。 1 2 1 第一阶段：元计算时代( m e t a c o m p u t i n g ) s m a 9 2 】 元计算一词始见于1 9 8 9 年美幽c a s a 项目，一个干兆网络试验环境。代表性的两 个项目分别是f a f n e r f a f n e r $ ii - w a y f o s 9 7 2 1 。虽然两者的目标都是建立一个超 级计算机，但它们使用的计算资源却截然不同。f a f n e r 使用的是任何内存大于4 m b 的计算机，而i - w a y 的目标是希望将全美国的超级计算机资源连接起来。这两个项目在 当时是一个巨大的创新，其贡献对后来的分布式系统比如s e t i h o m e s e t i h o m e 】 和l e g i o n g r l 9 7 都产生了重大影响，如图1 2 所示 幽1 2f a f n e r 和t - w a y 对其他分布式系统的影响 r o u 0 3 自f a f n e r 以后，以p c 为公共计算资源的分布式系统开始兴起，比如以探索外星 智慧为目的的s e t i ：h o m e 项目。而自i - w a y 以后，继续走高性能计算路线的g l o b u s 系统和l e g i o n 系统相继诞生，网格进入了下一个阶段。 1 2 2 第二阶段：计算网格和数据网格 这一阶段的代表系统有g l o b u s ，l e g i o n l e g i o n 】，c o n d o r c o n d o r ， u n i c o r e a l m 9 9 和p 2 p 计算等。自i - w a y 以后，越来越多的核心软件相继出现。这 时网格的主要目标是将各种各样的分布的、异构的计算和存储资源统一成一个虚拟的超 级计算机，提供无缝的高性能计算环境 d u 0 2 ，比如c a c t u s c a c t u s a l l 0 1 项目和欧 洲粒子物理领域的数据网格( p a r t i c l ep h y s i c sd a t ag r i d 【p p d g ) 项目。 这一阶段网格面临的主要问题如下： 异构问题，网格连接的各种资源是异构的，而网格系统提供给应用层的却是一个统 l 的接口。 扩展性问题，同其他分布式系统一样，网格是否存在随着节点数目的增加系统性能 下降的问题，网格的规模可以膨胀到多大。 自适应性问题，网格的高度动态性决定了节点失效在如此庞大的系统中是无法避免 的，且失效率非常高，这就需要网格具有很强的容错能力和提供冗余的能力，否则网格 系统的可靠性将很难得到保证。 值得一提的是，p 2 p 计算在这个畦期诞生了，比较有代表性的平台系统如 l 第审，引高 j x t a j x t a l 。j x t a 是p 2 p 领域中为数不多的平台系统。所谓平台，【j l j 系统本身为应用 提供足够多的接 ，这些接口包括网络通讯、安全认证、基于名字空n u 的查找、资源发 布( a d v e r t i s e m e n t ) ，消息通讯等。由于j a v a 本身的部署成本和跨平台的问题，采用j x t a 的p 2 p 系统并未得到广泛应用。而其他专有系统，比如k a z a a f k a z a a l 和 e d o n k e y 2 0 0 0 e d o n k e y 2 0 0 0 却被广泛使用。成功的p 2 p 计算项目有s e t i h o m e 等。 从严格的p 2 p 系统定义上看，s e t i h o m e 并不是严格意义上的p 2 p 计算 h p l 2 0 0 2 5 7 1 ， 一个明显的特征是，s e t i t t o m e 项目中参与计算的节点之问没有任何联系，且任务的 分配和调度是采用了w e b 技术的服务器客户端方式进行的，最有说服力的证据就是该 项目目前存在着山可扩展性问题引发的高额的网络通讯费用 a n d 0 2 。在p 2 p 文件共享 领域影响力最大的莫过于n a p s t e r n a p s t e r 项目，n a p s t e r 开创了混合型p 2 p 的先河， 它提供了集中式的目录服务，而数据传输则采用了点到点对等通讯模式。虽然n a p s t e r 由于共享内容的版权问题没有继续提供p 2 p 服务，但采用n a p s t e r 模式的文件共享系统 却越来越多，l ：k 女ne m u l e e m u l e ，b i t t o r r e n t b t i i c o n 0 3 等。 1 2 3 第三阶段：面向服务的网格体系结构和分布式协同工作 目前的网格技术正处在这个阶段。在这一阶段，大规模数据计算已经不是主要的技 术挑战和需求，面向服务的( s e r v i c e o r i e n t e d ) 底层支撑环境为整合大量可重用组件一 一服务( s e r v i c e ) 提供了可能。虚拟组织( v i r t u a lo r g n a z a t i o n ) f o s 0 1 - 1 和分布式协同 工作( d i s t r i b u t e dc o l l a b o r a t i o n ) 成为了这一时代的重点，有代表性的技术包括w e b s e r v i c e ，w s d l c h r 0 1 w s d l l ，x m l x m l ，s o a p s o a p ，u d d i u d d i 等。为了_ 适应从m e t a c o m p u t i n g 到m e t a d a t a r a j 0 1 】，再到m e t a c o n t e n t l a f 9 9 】的发展过程， o g s a o g s a 和o g s i f o s 0 2 1 1 在这种趋势下应运而生。网格计算开始以“服务”的方 式参与到电子商务和电子政务当中。以a c c e s s g r i d a g 0 2 为代表的分布式协同工作，为 网格提供了多种交互手段，比如视频会议，聊天室和虚拟现实等。 第三代网格对语义网格研究提出的挑战，不仅包括传统语义学的将人可理解的信息 变成机器可理解的信息这一难题( 比如服务组合过程中的“字典”问题) ，还包括如何利 用网格提供的先进计算环境实现比如知识挖掘这样的信息处理工作。 语义网格和语义w e b 的比较如图1 4 所示。 g r e a t e rc o m p u t a t i o n 图1 3 网格利w e b r o u 0 3 j 1 3 国外个人网格研究现状 个人网格( p e r s o n a lg r i d ) 又称桌面网格( d e s k t o pg r i d ) ，顾名思义是利用个人引算 机建立起咪的网格系统。目前网格系统的应用大多是为特定企业、特定组织解决特定闷 题建立的特定系统。个人用户如果不是企业或者组织的成员就不能利用现有的阕格系统 解决自己的问题。而另种利用个人计算机建立的分布式计算环境p 2 p 计算，又都 是为解决具体问题而建立的，不是通用计算环境，比如s e t i h o m e ，参与者无法利用 浚网络解决自己的问题，只能单向地贡献本地计算资源。个人网格就是利用个人身边拥 有的低端计算设备建立个网格系统来解决个人的计算问题。 个人网格的需求包括： 1 ) 个人网格必须是自组织系统，不能有复杂的配置和集中式的服务器，因为没有 。个组织会维护和管理这样的服务器。 2 ) 个人网格必须是轻量级的，允许个人用户的低端计算设备加入进来。 3 ) 个人网格必须提供友好的用户接口，因为个人网格距离用户最近。 4 ) 个入网格必须提供可重用服务框架，因为个人用户经常需要网格解决相同的问 题。 使用超节点网络( s u p e m o d en e t w o r k ) 的个入网格 h a y 0 3 就是一个适用于局域网 络的个人网格系统。 该个人网格的核心是超节点，该系统采用了j i n i 和j a v a s p a c e 技术实现。超节点模型 的思路来自于另一个个人网格x t r e m w e b f e d 0 1 ，x t r e m w e b 采用w e b 节点作为任务的 调度、提交和管理元数据的协同服务器 f e d 0 1 。每个超节点网络可以看成是一个机群 或者一个虚拟组织( v o ) 。若干个超节点网络构成一个有层次结构的个人网格。资源的 搜索方式有：基于距离的深度优先搜索和基于洪泛模式的广度优先搜索广度优先搜索 就是山超节点将查询信息发送给网络里的邻居( n e i g h b o u r ) 节点。由于该个人网格是在 局域网中运行的，因此广度优先搜索不会给系统带来明显的查询开销，但是搜索效率会 明显提高。 组成一个超节点网络的依据是节点之间的距离，节点之间通过测量t t l 和r t t 来 决定参加一个超节点的成员，一般只在同一网络中的节点会组成一个超节点网络，因为 它们之问可以通过广播方式通讯。 超节点网络中的超节点是该网络的核心，选择这样的节点的判定条件是系统性能和 连续工作时间的折中。超节点负责本网络的消息路由、任务提交、调度和元数据管理。 其他节点只和本网络的超节点连接，它们之间不发生任何关系。由于超节点网络采用软 管理的模式，因此每个节点必须定期广播一次自己的状态。使用超节点网络的个人网格 体系结构如图1 5 所示。 6 第一辛0 l 。1 图1 4 使用超节点网络的个人网格体系结构 超节点之问是如何连接的昵? 在超节点网络中，有一个特殊的节点叫介绍者 ( i n t r o d u c e rn o d e ) ，它记录了所有超节点的地址。当一个超节点网络建立起来以后，它 通过介绍者节点得到其他节点的地址，然后定期获取这些节点的信息。超节点之间不必 维护一个持续连接，他们要定期维护一个距离向量，即谁是我的邻居，它离我有多远。 每个节点的资源信息发布在超节点上，q 做广告( a d v e t i s e m e n t ) 。超节点维护广告 的操作有两个，一个是插入( i n s e r t ) 一个是查找( l o o k u p ) 。 超节点网络的资源查找路由有三种方式，查询的发起者都是超节点： 1 广度优先搜索( b r e a d t h f i r s tr o u t i n g ) 广度优先搜索是指在一个机群内部，超节点向所有跟它连接( 在一个广播网内) 的邻居节点发送搜索请求，通常只发送一个广播报文就可以完成查询，效率比 较高。 2 深度优先搜索( d e p t h f i r s tr o u t i n g ) 深度优先搜索的发起者先确定一个n l 值，然后将查询发送给t t l 距离为1 的 其他超节点，这些超节点再将该查询以同样方式转发，直到t t l 为0 时停止。 当一个查向进入一个机群时，该机群的超节点会采用广度优先搜索在本机群内 查找。 3 冗余搜索( r e d u n d a n tr o u t i n g ) 冗余搜索是指将查询信息发送到r r l 距离为2 的其他超节点，收到查询请求的 超节点只在本机群内部进行广度优先搜索而不再进行其他的搜索方式。 一个典型的搜索过程如图l ，6 所示。 图1 5 使用超节点的个人网格的路由机f 0 j h a n 0 3 】 使用超节点网络的个人网格每个节点有三种角色可以使用：管理节点( m a s t e r ) ，工 作节点( w o r k e r ) 和服务提供节点( s e r v i c ep r o v i d e r ) 。 管理节点( m a s t e r ) ：负责确定问题的规模，然后把问题分成若干个计算任务分 配给工作节点，查找工作节点的方法采用前边提到的资源路由算法，管理节点 最后负责把计算结果汇合起来； 工作节点( w o r k e r ) ：负责完成实际的计算任务。工作节点有两种一种是调度 节点，另一种是计算节点。在一个机群内部，超节点就是调度节点，而其他与 之相连的节点都是计算节点。管理节点不能直接与计算节点相连，只能与调度 节点相连。如果一个计算节点完成了计算任务，计算结果也不是直接发送给管 理节点而是在调度节点那里先进行缓存，直到所有该机群的计算节点都完成了 计算任务，才由调度节点把计算结果发给管理节点。 服务提供节点( s e r v i c ep r o v i d e r ) ：使用个人网格的用户，可以将编写好的程序 放在任一节点上，个人网格本身提供服务的发布机制，即把服务的元数据发布 到超节点上，这样放置应用程序的节点就成了服务提供节点。 一次计算作业的全过程如图1 7 所示。 8 擎 、g 笫市j l 击 图1 6 计算作业的控制和调度模型i h a n 0 3 个人网格同其他网格相比的好处在于，用户可以根据自己的需要利用低端设备建立 一个问题求解环境，而不需要加入特定组织或者企业。同p 2 p 相比，个人网格可以建立 一个通用问题解决环境，而p 2 p 计算只针对具体问题。 但是个人网格也依然存在一些问题。 跨平台的异构问题，个人网格的底层平台采用了j a v a 的j i n i 和j a v a s p a c e 技术，因 此受j a v a 运行环境的限制。而且对低端设备来说，j a v a 环境的部署成本比较高。 可扩展性问题，目前的个人网格还不能实现跨管理域的资源共享，因为通讯成本和 计算成本的比值，使得跨管理域协同计算变得效率很低。 自组织问题，个人网格仍然需要有特殊节点干预系统的组织和维护，比如介绍者节 点，节点之间仍然需要静态信息来维护。 最后是应用问题，个人桌面系统对计算服务的需求不是主流需求，只有专业人员才 需要上规模的计算和可重用计算服务。而且拥有若干台套计算设备的环境仍具有机构和 组织的特征，不是个人用户的普遍环境，g l o b u s 等网格系统依然可以在这些环境中_ i _ f 常 工作。因此个人网格看上去更像g r i d o f f i c e 而不是g r i d h o m e 。 织女星个人网格研究会参考个人网格系统的成功经验，而个人网格的不足则是织女 星个人网格研究将要重点解决的问题。 1 4 织女星网格 织女星网格 v e g a g i u d 】是中科院计算所网格研究的重点课题。 织女星网格体系结构研究的思路是将网格看成是一台虚拟的、具有单一系统映像的 9 刊算机系统l x uv g d - 1 】。与现有的计算机系统类似，织女星网格也将包括硬件、系统软 件和应用三个组成部分。图1 8 给出了微机与网格、织女星网格之问的对比 x u 0 2 。 图1 7 织女星网格单一虚拟计算机 项目名称中v e g a 分别代表：v e r s a t i l es e r v i c e s ( 通用服务) ，e n a b l i n gi n t e l l i g e n c e ( 辅助智能) ，g l o b a lu n i f o r m i t y ( 全局一体) 和a u t o n o m o u sc o n t r o l ( 自主控制) 的缩 写 x uv g d 一1 】。 通用服务中“通用”的含义包括支持多种应用类型、支持多种应用模式、兼容多种 现有技术和支持多种平台这四个方面：而“服务”含义包括：所有的应用和交互都采用 服务机制、网格及其应用的开发、构造、部署、运行、使用、管理都采用一种称为“服 务”的单一抽象接口、以及网格的功能和性能评价将不只是采用传统计算机的评价标准 ( 如速度、加速比、性能价格比等) 而应该以用户满意度为目标，用类似s l a ( s e r v i c e l e v e ra g r e e m e n t ) 的服务质量尺度来衡量多项内容 x uv g d 2 1 。 辅助智能有三层含义： 1 ) 一个实用中的织女星网格应该比现在的i n t e m e t w e b 更具有智能性： 2 ) 织女星本身不是提供智能的主体，而是辅助人去提供智能： 3 ) 织女星提供了一些支持，使人和其它软件、其它系统能够提供增强网格的智能。 织女星网格的全局一体有三个含义 x uv g d 一1 x uv g d 一2 1 ： 1 ) 连通性 假如去除了用户有意加入的限制( 如访问控制、安全、收费、隐私等) ，网格的所有 资源对用户而占都是连通的。从系统论的角度说，对任何用户，任何资源都可观察 ( 可读、可使用) 与可控制( 可写、可操作) 。一种比较极端的思路将连通性等同于 存在性，即认为不连通的资源和服务就不存在。 2 ) 单一系统映象 简单地讲，网格对用户而言是“一台”计算机。网格有四种“用户”：最终用户，网 格管理员，网格平台设计人员，网格服务开发人员( 如蹦灌平台上钓i s v ) 。这些 l o t j 第一碎- j ln 人需要不同的卟系统映像。有两种混淆必须澄清。( 1 ) 单一系统映像的极端就是 全世界整个凼特网成为一个网格。但这并不是唯一情况。我们还可以构造困家网格、 地区网格、企业网格、甚至家庭网格和个人网格。( 2 1 连通性并不肯定导致单一系统 映像，可以有连通性但没有单一映像的网格。 3 ) 操作性 由于网格往往是一个异构平台，互操作性就很必要。即使在貌似同构平台( 如同样 的硬件和操作系统) ，也可能因为中间件、应用软件、界面、格式等原因造成不可互 操作。缺乏互操作性也是造成不连通的一个重要原因。 自主控制是指让用户能自主控制他的资源和使用方式。要把决策权( p o l i c y 、d e c i s i o n 、 r e q u e s t 等) 交给用户制定，网格则提供实现这些决策的支持机理( s u p p o r t i n gm e c h a n i s m 、 e n f