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网格服务描述与发现机制的研究 网格服务描述与发现机制的研究 摘要 网格技术及其基础设施可实现不同组织内部及彼此之间的资源和服务的高 度集成，它可以为高性能计算和问题解决带来新的方法和途径。国家自然科学 基金“a m s 数据计算环境的研究与实现”项目就是要利用先进的网格技术构建 一个可对海量数据进行高效处理的网格平台。开放网格服务体系架构o g s a 是 现今网格领域的主流架构，在实现基于此架构的网格平台的过程中，服务描述 与发现是一个关键性的问题。本文的工作正是针对目前在网格服务描述与发现 方面的需求和存在问题，从网格服务描述信息的扩展、服务发现模型的改进两 个方面进行了理论上的研究，旨在为该项目提供前期的技术支持。具体的工作 包括： 】对网格服务描述涉及的各类属性进行了系统分析，依据其特性给出了不同的 描述机制。重点阐述了通过扩展服务数据元素( s d e ) 的网格q o s 描述机制。 此外还引入兼容性描述、信任参数等扩展性元素以提高服务发现的灵活性和 可靠性。 2 通过分析服务发现的q o s 需求，将服务匹配过程划分为类型匹配和实例匹 配两个阶段，提出了基于两阶段匹配的网格服务发现模型并采用两层次发布 架构设计了实现模型。实验结果显示该模型能有效地聚集服务信息并避免大 量动态更新带来的负载。 3 将服务聚集与任务调度相关技术相结合，设计了一个服务资源对外透明的可 扩展的服务域架构，将网格服务的聚集、发现、选择、管理等功能集成到一 个统一的框架下，为未来构建自主计算的高性能网格提供了参考模型。 4 通过分析网格仿真平台的需求，设计了一个支持网格环境下多种仿真应用的 通用平台架构，并基于仿真工具g r i d s i m 实现了网格仿真平台的系统环境部 分和资源发现模块的仿真。 关键字：网格服务；服务描述与发现；网格q o s ；两阶段匹配；服务域架构 东南大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ng r i ds e r v i c e d e s c r i p t i o na n dd i s c o v e r y a b s t r a c t g r i dt e c h n o l o g i e sa n di n f r a s t r u c t u r es u p p o r tt h ei n t e g r a t i o no f s e r v i c e sa n dr e s o u r c e sw i t h i n a n da m o n go r g a n i z a t i o n s ，a n dt h u sa l l o wn e wa p p r o a c h e st op r o b l e ms o l v i n ga n di m e r a c t i o n w i t h i nd i s t r i b u t e d ，m u l t i - o r g a n i z a t i o n a lc o i l a b o r a t i o n s t h en a t i o n a ln a t u r e ls c i e n c ef o u n d a t i o n p r o j e c t ”r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fa m sd a t ac o m p u t i n ge n v i r o n m e n t ”a i m st ou t i l i z e t h eg r i dt e c h n o l o g i e st oc o n s t r u c tag r i dp l a t f o r mf o rh i g h - p e r f o r m a n c ep r o c e s s i n go f m a s sd a t a t h eo p e ng r i ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ( o g s a ) i st h em a i n s t r e a ma r c h i t e c t u r ei n t o d a y r s g r i d r e s e a r c hf i e l dt or e a l i z et h eo g s a - b a s e dg r i d e n v i r o n m e n t ，t h es e r v i c ed e s c r i p t i o na n d d i s c o v e r yi sak e ya n dc h a l l e n g i n gi s s u e f o c u s i n go nt h er e q u i r e m e n t sa n de x i s t i n gp r o b l e m so n g r i ds e r v i c ed i s c o v e r ya n dg r i dq o s ，s o m er e s e a r c hh a sb e e nm a d ei nt h i sp a p e rf r o mb o t ht h e e x t e n s i o no fs e r v i c ed e s c r i p t i o na n dt h ei m p r o v e m e n ti ns e r v i c ed i s c o v e r ym o d e l st h es p e c i f i c w o r km a i n l yi n c l u d e s ： e x t e n s i o no ng r i ds e r v i c ed e s c r i p t i o n ：as y s t e m a t i c a la n a l y s i sh a sb e e nm a d eo nt h ev a r i o u s t y p e so fs e r v i c ep r o p e r t i e sw h i c ha r en e e d e dt or o u n d l yd e s c r i b et h eg r i ds e r v i c e ，a n d d i f f e r e n td e s c r i p t i o nm e c h a n i s m sa r ep r e s e n t e db a s e do nt h e i rc h a r a c t e r i s t i c s a sak e y e x t e n d e d u n c t i o n ，g r i dq o sd e s c r i p t i o na n dm a p p i n gm e c h a n i s ma r ep r e s e n t e dt os u p p o r t t h eq o s a w a r es e r v i c e d i s c o v e r ym a di n v o k i n g a l s ot h ec o m p a t i b i l i t yd e s c r i p t i o na n d r e p u t a t i o na r ea d d e da se x t e n d e d e l e m e n t st oi m p r o v et h ef l e x i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yi n s e r v i c em a t c h m a k i n g d i v i d i n gg r i ds e r v i c ed i s c o v e r yi n t o2 - s t a g em a t c h m a k i n g ：t h es e r v i c em a t c h i n gp r o c e s si s d i v i d e di n t o2 s t a g e s ：s e r v i c et y p em a t c h i n ga n di n s t a n c em a t c h i n g ，a n dag r i ds e r v i c e d i s c o v e r ym o d e lb a s e do n2 - s t a g em a t c h i n gi sp r o p o s e d i nt h em o d e lv oi su t i l i z e da s t h em a n a g e r i a lu n i tf o rg r i ds e r v i c e sa n dat w o - l e v e lp u b l i c a t i o na r c h i t e c t u r ei sa d o p t e d n l ei n i t i a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e lc a ne f f e c t i v e l ya g g r e g a t et h es e r v i c e i n f o r m a t i o na n da v o i dt h ew o r k l o a dc a u s e db yf r e q u e n td y n a m i c u p d a t i n g t r a n s p a r e n t - t o 。o u t s i d es e r v i c ed o m a i na r c h i t e c t u r e ：c o m b i n i n gt h es e r v i c ea g g r e g a t i o na n d t a s ks c h e d u l i n g ，as c a l a b l es e r v i c ed o m a i na r c h i t e c t u r ei s p r o p o s e dw h i c he n a b l e st h e s e r v i c er e s o u r c e si n s i d et ob e c o m et r a n s p a r e n tt oo u t s i d e i t su p p e r m o s tc h a r a c t e r i s t i c sa r e t h ed i f f e r e n td i s c o v e r ym o d e sf o ri n s i d ea n do u t s i d es e r v i e er e s o u r c e s t h ei n t e r d o m a i n t r a n s f e ro fa g g r e g a t e dr e s o u r c ei n f o r m a t i o na n dt h ec o r r e s p o n d i n gs c h e d u l i n gp o l i c y d e s i g n i m p l e m e n t a t i o no ft h eg r i ds i m u l a t i o np l a t f o i t l l ：i ts u p p o r t st h ew i d e a r e a r e s o u r c es i m u l a t i o na n dc a nb eu s e dt oe v a l u a t es p e c i f i cs e r v i c ed i s c o v e r ym o d e l s t h eg r i d e n v i r o n m e n ta n dr e s o u r c ed i s c o v e r ys i m u l a t i o nm o d u l eh a v eb e e ni m p l e m e n t e db a s e do n g r i d s i m k e y w o r d s ：g r i ds e r v i c e , s e r v i c ed e s c r i p t i o n d i s c o v e r y , g r i dq o & 2 - s z a g em a t c h m a k i n g , t r a n s p a r c n t - t o - o u t s i d e s e r v i c e d o m a i n a r c h i t e c t u r e 东南大学学位论文 独创性声明及使用授权说明 一、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谓f 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，也不包含为获得东南大学或其它教育 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。 签名：。鉴篮日期：堕：生! 。 二、关于学位论文使用授权说明 东南大学、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) 授权东南大学研究生院办理。 签名： 垫些 导师签名： 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 网格i 。6 l 的概念最初来自于“元计算”。由于高性能计算的应用需求使计算能 力不可能在单一计算机上获得，因此，必须通过构建“网络虚拟超级计算机”或 “元计算机”来获得超强的计算能力。2 0 世纪9 0 年代初，根据i n t e m e t 上主机 大量增加但利用率并不商的状况，美国国家科学基金会( n f s ) 将其四个超级计 算中心构筑成一个元计算机，逐渐发展到利用它研究解决具有重大挑战性的并行 问题。它提供统一的管理、单一的分配机制和协调应用程序，使任务可以透明地 按需分配到系统内的各种结构的计算机中，包括向量机、标量机、s i m d 和m i m d 型的各类计算机。n f s 元计算环境主要包括高速的互联通信链路、全局的文件系 统、普通用户接口和信息、视频电话系统、支持分布并行的软件系统等。元计 算被定义为“通过网络连接强力计算资源，形成对用户透明的超级计算环境”。 网格计算( g r i dc o m p u t i n g ) 1 7 - 1 0 1 系统化地发展了最初元计算的概念，它通过网络连 接地理上分布的各类计算机( 包括机群) 、数据库、各类设备和存储设备等，形 成对用户相对透明的虚拟的高性能计算环境，应用包括了分布式计算、高吞吐量 计算、协同工程和数据查询等诸多功能。网格计算被定义为一个广域范围的“无 缝的集成和协同计算环境”。i 】i i 作为继传统因特网、w e b 之后的第三个大浪潮，网格也被称之为第三代因特 网。传统因特网实现了计算机硬件的连通，w e b 实现了网页的连通，而网格试图 将分散在网络上的各种共享资源，包括计算资源、存储资源、通信资源、软件资 源、信息资源、知识资源等，通过虚拟化的方式组织起来，形成动态可扩展的虚 拟有机整体，向用户提供强大的计算能力、存贮能力、设备使用能力及更有效的 信息融合和共享能力，从而实现资源的全面共享和协同工作j 。在这种虚拟化的 环境中，网格系统以其固有能力把异构分布的资源映射为虚拟组织( v i r t u a l o r g a n i z a t i o n ，v o ) 中的逻辑资源，从而让应用开发者可以不必关心地域分布的异 构资源的使用细节，而把注意力集中到应用逻辑本身，并通过对v o 中逻辑资源 的管理由系统自动实现对物理资源的管理，因此，v o 在网格系统中起着重要的 作用。v o 是一些独立的个体或机构为了实现资源共享或协同工作而构成的虚拟 的逻辑组织，v o 中的成员可以动态的加入或离开。由于不同的v o 成员代表着 不同的网格资源，v o 成员的动态变化将会导致v o 中资源的动态变化，同时， 由于v o 成员提供的资源是共享资源而不是网格专用资源，因此，资源负载的动 态变化也会导致资源性能的动态变化。网格资源这两方面的动态变化是网格的一 个重要特征。 东南大学硕士学位论文 “动态、多机构虚拟组织( v 0 1 中的资源共享和协同问题解决”，这一网格概 念pj 中真正的也是核心的问题决定了网格环境不同于传统分布式计算环境的根 本特征。在分布式环境中，资源的位置、状态是相对固定的，因此主要关注的是 已知资源的分配和任务的调度，但在网格环境中，虚拟组织、资源的动态、异构、 分布、演化特征以及共享模式、协同方式的实时变化使得动态性成为首要面对的 问题。既然无法对所处环境中的资源进行预先配置，那就必须实时地获取可用资 源和服务的信息，这就是资源发现所要完成的工作。而对于网格环境中抽象的逻 辑资源，发现的前提必须是对资源进行足够的、合理的描述。因此，资源的描述 与发现是任何网格系统运作中必需的也是关键的环节，直接为资源的分配管理和 任务的调度提供支持，其机制及实现方式都直接影响到整个网格系统的实施。 随着现实问题的多样化和产业界需求的发展，网格急需找到一种标准的、开 放的、通用的协议和接口来支持不同类型的网格应用。异构资源需要以众所周知 并且一致的方式进行交互运转，才可能实现有效的资源共享和协同工作。在这种 需求的推动下，网格由早期的面向计算的基于五层沙漏结构口】的计算网格 ( c o m p u t a t i o n a lg r i d ) 发展到面向服务的基于开放网格服务体系架构o g s a ( o p e n g r i ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e ) 1 4 1 的服务网格( s e r v i c eg r i d ) 。开放网格服务架构o g s a 吸收并发展了来自w e bs e r v i c e s 的面向统一服务接口的架构与技术，逐渐形成了 一个以有状态的网格服务为中心的多层次服务集成架构。在o g s a 中，网格对 于资源的虚拟化是以服务的形式体现出来的，所有的服务都基于相对统一的核心 接口实现。服务开发者可利用已有的服务很方便地构造出所需服务，并且新构造 的服务又可被抽象成具有层次结构的、拥有更强资源能力的高层服务。随着资源 被虚拟化为服务，带来了服务的描述与发现问题，当然在服务的内容上与资源信 息是紧密相关的，但接口的描述和发现机制就必须采用新的方式并结合w e b 服 务的已有成果。w e b 服务一般来说是无状态的，但网格服务由于代表了资源的能 力，在o g s a 中得到扩展以服务数据元素( s e r v i c ed a t ae l e m e n t s ) 口】来表征多样化 的状态数据，从而产生了具有状态差异的网格服务实例。在这样由大量的网格服 务实例组成的广域网格环境中，服务发现成为了一个关键而具挑战性的问题。 作为服务发现的基本元素，服务描述和匹配机制更是首要研究的内容。从 w 曲服务引入的匹配机制可以看作是能力匹配，即关注服务所能提供的功能是否 能满足用户的要求，这里的要求更多是强调业务逻辑的满足。而在服务网格中， 服务实例与其所代表的虚拟化资源是紧密关联的，任务的执行逻辑与所关联资源 的绑定才构成了网格服务的行为，这就使得功能性不再是用户的唯一需求，网格 用户将更关注服务可保证的性能，即该服务个体可以怎样的能力和效率来完成所 请求的任务。这种性能通过q o s 参数来体现，更广泛的，这种需求可扩展到与 特定应用相关的服务状态数据，即通过查询服务数据元素s d e 来获得。因此， 第一章绪论 网格服务的发现过程不再是仅仅找到符合功能行为的那一种服务，而是要找到能 满足性能和状态要求的那些服务实例。要实现这一目标，就需要在描述内容层面 上丰富服务发现的功能，在相对静态的服务属性信息之外，扩展与服务实例相关 的状态信息的描述，其中网格q o s 的描述及基于此的服务发现就是备受关注的 个研究重点。此外，通过在服务描述中添加一些扩展性元素如兼容性描述、信 任参数等，还可有效地满足服务发现在灵活性、可靠性方面的需求。 对于发现模型的研究目前已有较多的备选方案，如g l o b u s | 】2 j 的m d s l 2 、 w e b 服务的u d d i ”j 、w s i l | 4 】以及v e g a 资源发现架构【15 1 等都为我们提供了众 多可借鉴的方案和思路，但他t 1 也各有其侧重点和不足，同时大多数服务发现模 型还未把q o s 需求提到发现需求的高度，实际的匹配过程大多是对静态的服务 类型信息的匹配。而与相对静态的服务功能、接口描述相比，服务实例的q o s 和状态信息是动态变化和实时更新的。如何既高效地聚集服务信息又避免大量动 态更新的负载，如何基于m d s 的分布式机制扩展到广域网的发现模型，以及与 任务调度相结合来实现对外透明的发现架构，这些都有待我们进一步的研究。 本文的工作就是以中国教育科研网格c h i n a g r i d 为研究环境，针对上述问题， 从网格服务描述信息的扩展、服务发现模型的改进两个方面进行了理论上的研 究。其中，基于对服务发现所涉及的主要元素的分析，划分了相对静态和动态的 服务属性信息，给出了较为全面的描述模板，提出了包括网格q o s 、服务兼容性、 声誉等扩展元素的描述机制。在此基础上，通过把相对静态的功能描述与动态的 实例状态信息分离并采用不同的发布策略，将服务匹配过程划分为类型匹配和实 例匹配两个阶段，提出了基于两阶段匹配的服务发现模型，对该模型的主要实现 机制和关键环节都作了全面的阐述。然后结合任务调度提出了一种对外透明的可 扩展的服务域架构。在实践上，通过分析网格仿真平台的需求，设计了一个支持 网格环境下多种仿真应用的通用平台架构，并在现有仿真工具g r i d s i m 的基础上 实现了网格仿真平台的系统环境部分和资源发现模块的仿真。因此，本文的工作 对于改进网格服务发现效率、解决网格q o s 发现以及广域网格环境发现机制等 方面都具有重要的理论价值和实际意义。 1 2 研究现状 正因为资源服务描述与发现的重要性，主流的网格研究和应用项目都很早 就提出了相关的技术和实现模式，并在不断的改进完善中逐渐形成了一些具有代 表性的技术和标准。 东南大学硕士学位论文 1 2 1 资源，服务描述技术 现有的较为成熟的资源i n 务描述语言主要有r s l ，w s d l 1 和r d f 1s 】。 r s l ( r e s o u r c es p e c i f i c a t i o nl a n g u a g e ) ：是原有的g g r d ( g e n e r i cg r i d r e s o u r c ed e s c r i p t i o n ) 在g t 2 x 项目中的扩展和实现。r s l 提供了用于组 合复杂资源的语法，采用 这种通用结构作为管理组件。 其优点是增加了对j o b 资源的描述，通过a t t r i b u t e 的定义支持g r a m 、 d u r o c 等多种资源管理方式。其缺陷是偏重于对计算资源和资源请求 的描述，如果不能很好地扩展到服务描述的层次，是不可能成为标准规 范而被广泛采用的。 w s d l ( w e bs e r v i c ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) ：基于x m l 的w e b 服务描述 语言。一个w s d l 描述包含对一组操作和消息的一个抽象定义，绑定到 这些操作和消息的一个具体协议和这个绑定的一个网络端点规范。 w s d l 通过s o a p 封装来传递请求消息，可与u d d i ，w s i n s p e c t i o n 结 合构成多样化的资源发现机制。在o g s a 的参考实现o g s i 规范中，扩 展了g w s d l ( g r i dw s d l ) 命名空间，引入了s e r v i c e d a t a 元素来表达服 务实例的状态数据。w s d l 作为一个工业标准，面向服务等高层资源的 描述，其技术成熟，应用广泛，可扩展性很好。目前基于此标准的改进 性研究主要是在针对特定领域或新问题所作的进一步扩展以及行业规 范的研究。 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 l ：基于x m l 和u r i 技术的处理元 数据的描述框架，每个资源描述语句是由资源、属性类型、陈述构成的 三元体。r d f 的普遍性使得它所描述的现有的或将来的资源元数据可独 立于现有的用来存储或恢复这些元素的机制，从而具有通用性、智能和 准确性、独立性等优点。作为语义网研究的核心内容，r d f 在主动式的 语义探知上有相当的优势，不少研究者已将它应用于网格资源的描述， 应该说这是一条与w s d l 并行的研究路线且更具通用性，但对于网格服 务这种特定接口的表达，r d f 及其语义规范就显得较为复杂且与已有的 w e b 服务技术不兼容。 通过上述特点的比较，最终选择w s d l 规范作为改进和扩展的基础，这主 要是基于如下的考虑：g r i d 与w e bs e r v i c e s 的融合已成为事实，资源描述必将在 服务描述层面进行统一；o g s i 对w s d l 扩展的研究给了我们很好的启示和借鉴， 这种改造可以充分利用w e bs e r v i c e s 的原有研究成果且不会造成全新技术所带 来的应用脱节；同时基于产业界标准的研究与系统的实现更容易获得国内外研究 界的公认，当然在设计灵活度上会有一定的局限。 第一章绪论 当描述语言逐渐形成较成熟的标准之后，描述内容开始成为该领域研究的一 个重要方向，其致力于如何在内容层面丰富资源发现系统的功能和满足新出现的 需求。网格q o s 属性的描述及基于此的发现机制就是备受关注的一个研究内容。 c a r d i f f 大学的学者r a s h i dj a 1 - a i 等人在文献1 1 9 l a 0 中将服务的q o s 属性划 分为a c c o u n t i n gq o s ，s e r v i c eq o s ，p r o v i s i o n a q o s ，s e r v jc er e l i a b i l i t y 和s e r v i c es e c u r i t y 5 类，为我们提供了很好的q o s 描述参考，但对于具体的形 式化描述规范并未作深入的研究。在文献【2 i 】中x i a o h u ig u 等学者提出了基于q o s 的服务聚集模型，从而引出q o s 链和相关的服务发现问题，对q o s 描述的层次 化和服务的关联描述提出了需求，这方面目前尚没有较好的研究成果。此外，文 献【2 2 】通过定义属性模板来对服务描述本身进行内容规范，从而引导服务提供方来 描述他们的服务。文献| 2 引则提出个性化的服务发现，在元数据中也记录服务使用 者的访问信息，这都对我们描述网格服务的普适特征开拓了一种思路。 1 2 2 网格服务发现机制 g | o b u s l l 2 作为目前国际上最具影响力的一个网格研究项目，其负责描述与发 现的信息服务模块从理论到实现都已相当成熟，已形成了具有代表性的技术和标 准。g t 3 中的m d s 2 4 】实现了基于o g s i l 5 】的网格信息服务系统，为我们提供了很 好的参考和借鉴。同时，w e bs e r v i c e s 通过u d d i t 旧j 、w s i l t l 4 j 也构建了一套面向 高层次应用的服务描述和发现的解决方案。此外，v e g a 网格资源发现架构【l 5 j 以及基于v o 和小世界模型的服务定位机制【】6 】也给出了独特的解决方案。 1 2 2 1m d s ( m o n i t o r i n ga n d d i s c o v e r ys e r v i c e ) m d s 是g l o b u st o o l k i t ( g t ) 中的信息服务组件，原为m e t a d a t ad i r e c t o r y s e r v i c e ，负责网格资源信息的描述、发现、监控、优化等。m d s 2 采用由信息提 供者g r i s 和集合目录g i i s 组成的分布式资源发现机制。而在o g s a 中网格服 务以s d e ( s e r v i c ed a t ae l e m e n t s ) 这种标准化方式来表达其状态。因此在g t 3 的 m d s 3 中部分功能已包含到o g s i 的核心框架中，由s e r v i c ed a t ae l e m e n t s 取代 了g r i s ，由汇聚层的i n d e xs e r v i c e 取代了g i i s 来提供对服务实例的s d e 的检 索。i n d e xs e r v i c e 的关键能力包括：连接外部信息提供者程序和服务实例的接口； 索引服务通过外部程序提供服务数据动态产生的标准机制，这些外部提供者程序 可能是核心的提供者，可能是g t 3 的一部分、用户创建的或自定义的提供者； 服务数据聚合的通用框架；来自不同信息提供者程序的服务数据可能以不同的方 式聚合，并被索引以提供有效的查询处理，索引服务也提供标准的服务数据的注 册、轮询和订阅通知机制；另外还有网格服务的注册。 东南大学硕士学位论文 图1 1i n d e xs e r v i c e 的逻辑结构 2 5 】 i n d e xs e r v i c e 提供了较大的扩展空间，可采用w s i l ，x m l 数据库等描述技 术，发现机制仍采用分布式的查询转发。类似于g i i s ，i n d e xs e r v i c e 可灵活地组 合构成分布式、层次式发现架构，但g t 3 推荐以v o 为单位建立集中式目录服 务，将v o 内的服务信息都聚集到一个全局的注册点。此外，m d s 的功能侧重 于服务数据的查询，没有很好地提供对基于服务接口和行为的网格服务类型发现 的支持。m d s 也未涉及如何通过v o 层的有效组织和协作来改进和优化服务的 发现。 1 2 2 2u d d i 架构及支持q o s 的扩展 w e bs e r v i c e 8 通过一系列围绕x m l 的核心技术构建了一套相当成熟的面向 高层应用的服务描述和发现的解决方案。u d d i 基于三种角色( 服务提供者、服务 注艘中心、服务请求者) 之间的交互，包含发布( p u b l i s h ) 、查找( f i n d ) 、绑定( b i n d ) 、 服务( s e r v i c e l 以及服务描述( s e r v i c ed e s c r i p t i o n ) 等行为，与网格领域的行为模式 是共通的，因此u d d i 架构不失为网格服务发现的一条技术路线。 众多研究者对u d d i 进行了有益的扩展，如为注册服务加入生命期；扩展以 支持基于范围和限制条件的搜索；以及将网格服务的q o s 能力表达为属性元素 作为g w s d l 文档的一部分发布到u d d i ，从而实现基于q o s 属性的服务发现。 最后一点尤为有意义，网格服务的性能一般以q o s 参数来体现，基于q o s 的服 务发现为实现资源的提前预留从而满足用户对性能的需求提供了支持。文献”9 j 1 2 q 对网格q o s 属性作了分类并扩展了u d d i 来支持基于q o s 属性的搜索。但在 第一章绪论 实际网格环境中，由于资源本身的动态性和分配造成的q o s 频繁更新是不可忽 略的，并且网格服务是大量的、动态的临时性服务，因此采用u d d i 架构是不合 适的，实际应用必须作大量的改进。此外，用户的服务需求可能还包含与应用相 关的服务数据元素( s d e ) ，将此类信息进行集中式聚集也是不合适的。 1 2 2 3v e g a 网格资源发现架构 文献h5 的研究者在管理域的基础上提出了采用边界资源路由器的发现架构。 如图1 2 所示，借鉴了外部路由协议o s p f 的机制，由若干资源路由器组成的管理 域通过边界路由器连到主干网上，资源路由器将保持资源的相对位置信息，若在 本地域内未找到满足要求的资源，则通过边界路由器将该请求转发到主干网上， 再由资源路由信息扩散到另一个域进行查找。该架构通过两个技术来解决资源发 现的问题：基于资源信息的路由转发的资源定位模型和3 层资源表示模型。资源 定位模型主要在资源路由器上实现，是资源发现机制的核心，负责解决包括路由 器网络的生成和维护、路由更新策略、资源信息聚类策略和资源请求处理策略等 多个问题。3 层资源表示模型试图满足资源发现机制的各个层次对资源表示的不 同需求，它包含了各个层次上资源的表示方法和层次之间的映射。 1 一“豫；i 琦 图1 2v e g a 网格资源发现架构”训 虽然该架构很有新意并借鉴了路由算法，但体现到实现上会发现它仍是一种 m d s 的组合模型，。并且资源信息条目的聚集还存在技术上的问题，若作为实际 系统其可用性和性能仍令人怀疑。 1 2 2 4 基于w s i l 的非集中式服务发现 w s i l 文档提供了一种方法来聚集不同类型的服务描述。w s i l 文档中个服 务可以有多种对服务描述的引用，例如可以既使用w s d l 文件又在u d d i 注册中 心描述一个w e b 服务。此外，w s i l 文档易于维护( 只需添加或删除指针) 也使得它 成为一种更为灵活的发现方式。文献【2 6 】就基于w s i l 提出了一种局部集中、宏观 上分布的混合式发现模型。其机制如图1 3 n 示，由o o s i 匣务容器中的发现服务 来查找本地维护的w s i l 文档或根据转发服务器列表转发该请求，是一种非常灵 活的扩散方式。 尔南人学倾l 学垃论艾 幽1 3 基 。w s l 的1 e 集中式发现机制h 0 1 2 2 5 基于v o 和小世界模型的服务定位机制 文献f 16 | 提出了基于虚拟组织和小世界模璀的服务定位机制，利用v o 内部提 供的服务类型和属性的相似性，通过扩散v o 内服务类型标识的分布信息来确定 该v o 可接受的请求。普通结点定期将本地服务标识和访问频率发送给v o s e r v e r ，s e r v e r 统计该v o 各种服务访问频率的分布情况和v o 结点数量，确定管理 服务范围并更新v o d l 文件。结点定期扩散本地服务信息到其他结点，包括v o 内部结点和其他v o 结点。在查询时结点向本地( v o 内部) 和远程( 其他v o ) 发送服 务请求，当消息到达其他v o 结点，结点根据本地v o 描述的需求近似度和服务类 型范围判断是否接受请求。 这种机制是可行的但存在一些问题，如消息扩散所利用的v o 问邻居关系对 于网络层之上的可能重叠、覆盖的大量v o 是不可确定的，同时众多类型的网格 服务只使用类型标识是不能明确定义的。此外，动态更新的服务q o s 采用分布 式的消息扩散机制也是不合适的。 1 2 3 网格携真平台 出于网格环境的搭建对硬件和网络都有一定的要求，在现有的实验环境下， 很难搭建出满足实验要求的网格环境。另外有些实验也需要重复进行实验，需要 在不同的网格环境下比较相同的算法和策略或者在相同的网格环境下比较不同 的算法和策略，由于网络性能的不稳定性等因素使得在实际的网格中很难满足这 些实验要求。因此，需要我们通过仿真平台末进行实验。现有的网格模拟器有影 响的主要有b r i c k s p 孙、m i c r o g r i d 。s i m g r i d f 2 ) 和g r i d s i m 等四个。 b r i c k s 【27 l 是由同本东京工学院丌发的，主要用来模拟客户机服务器结构的全 球计算系统，这种全球计算系统能够通过远程方式访问科学信息库和包，并在高 性能计算机上运行。它遵循集中的全球调度技术，不能满足网格环境下任务调度 吐| 资源所有者独立管理的要求。 m i c r o g r i d l ”j 是m 簪地、l l i 哥( u c s d ) 的| 】f i j 描尼i 旷人学丌发的，支持恻络仿 第一章绪论 真，能与g l o b u s 相融合运行。但目前仅支持g t 2 0 版本，不支持基于o g s a 的 g t 3 ，也不支持有关q o s 属性方面的约束。 s i m g f i d f 2 n 也是由圣地亚哥( u c s d ) 的加利福尼亚大学开发的，是一个基于c 语言的仿真工具包，仅支持t i m e s h a r e d 类型的资源，并且局限于单一的调度实 体，因此很难模拟多个竞争的用户、应用服务和异构的调度器。另外，网格环境 下还有大量的资源是s p a c e s h a r e d 类型的资源，也使得s i m g r i d 无法模拟。 g r i d s i m 【3 0 】是由澳大利亚m o n a s h 大学的r a j k u m a rb u y y a 在s i m j a v a 3 1 1 仿真 工具包的基础上设计实现的，它能够模拟t i m e s h a r e d 和s p a c e s h a r e d 两种共享类 型的资源，提供了满足服务代价和时间约束的异种资源网格仿真，适用于经济网 格，但不支持网格虚拟组织拓扑结构的仿真。 因此，在网格仿真领域，还没有一个通用的支持资源发现、资源分配、任务 调度以及可根据需要由用户调整网格虚拟组织资源组成情况的开放性网格仿真 平台。 1 3 研究内容 本文的研究工作依托中国教育科研网格c h i n a g f i d 以及国家自然科学基金项 目“a m s 数据计算环境的研究和实现”( 9 0 4 1 2 0 1 4 ) ，该项目将基于网格技术构建 一个高性能计算环境，可支持对4 2 0 t b 的海量a m s 数据进行存储、分析和处理， 同时为高能物理领域的网格计算环境提供示范应用。本文的研究针对目前在网格 服务描述机制、描述内容、发现模型以及网格q o s 方面的需求和存在问题，从 网格服务描述信息的扩展、服务发现模型的改进两个方面进行了理论上的研究， 从而为构建a m s 海量数据处理网格中的信息服务提供了理论上的支持和实现模 型参考。并结合研究杰容的仿真需求，针对现有网格仿真工具的不足，对支持不 同资源发现模型仿真的一个开放性平台进行了研究和设计。具体的研究内容包括 以下几个方面： 网格服务描述及其扩展 对全面描述网格服务需要涉及的属性信息进行了系统分析，针对其描述对象的特 征及动态性等将服务相关信息分类，并依据其特性给出了不同的描述机制。对静 态服务属性进行了讨论并给出其描述模板，参照o g s a 规范阐述了接口描述机 制，重点研究了扩展s d e 对网格q o s 的描述，此外还引入兼容性描述、信任参 数等扩展性元素以提高服务发现的灵活性和可靠性。 基于两阶段匹配的网格服务发现 基于对服务发现需求的分析，将服务匹配过程划分为类型匹配和实例匹配两个阶 段，提出了基于两阶段匹配的网格服务发现模型并采用两层次发布架构设计了实 东南大学硕士学位论文 现模型，从而既高效地聚集服务信息又避免了大量动态更新的负载。对关键机制 作了详细的阐述，并给出了初步的实验结果。最后应用p 2 p 机制对v o 层的发现 作了进一步改进。 对外透明的服务域架构 通过分析传统的基于管理域的资源发现架构，将服务聚集与任务调度相关技术相 结合，设计了一个服务资源对外透明的可扩展的服务域架构，将网格服务的聚集、 发现、选择、管理等功能集成到一个统一的框架下，为未来构建自主计算的高性 能网格提供了参考模型。 网格资源发现仿真平台的设计与实现 在对g r i d s i m 及其所依赖的仿真开发工具包s i m j a v a 进行深入分析的基础上，设 计并实现了一个支持不同资源发现模型的较为通用的网格仿真平台。该平台可根 据需要由用户调整虚拟组织的网格资源组成情况和选择不同的仿真策略，同时还 为资源分配、任务调度及安全策略仿真过程提供了二次开发接口。 1 4 研究思路 总体研究思路为：针对背景提出问题或需求一分析已有方案的解决情况一做 出改进或扩展。研究工作将从两方面同步展开，一方面是从描述技术出发，基于 0 g s i 规范中的w s d l 扩展方式，结合新的要求和问题，以及不完善的若干细节问 题作进一步讨论和改进型的优化；另一方面直接分析现有的服务发现模型，分析 各自的优劣和侧重点，在理论上寻找可能的改进和创新点。最后再将两方面的研 究汇合起来设计出相匹配的一套服务描述和发现机制。 描述机制方面，针对目前网格系统向服务网格统一的趋势，结合相对成熟的 w s d l 和过去计算网格中的资源描述语言r s l 的优势进行改进，设计方向包括： 将资源与服务描述相统一，改进对低层次资源的描述方式：研究同类服务的关联 性描述及对发现技术的影响；探讨资源信息、请求的聚合，服务的整合及相应的 描述技术。描述内容上，针对相关领域研究中关注的一些新的需求，设计支持新 的元素和功能的表达技术。需要扩展的一个很重要的方向是网格q o s 的描述及发 现技术。网格应用的o o s 需求提出了基于o o s 描述的服务请求、发现、协商等不 同阶段的诸多问题。很多问题在网格q o s 研究领域中仍处于起步阶段，需要我们 密切关注国际组织和其他学者的研究进展和最新成果。同时要与网