（计算机应用技术专业论文）基于ogsa的网格数据库服务系统的应用研究.pdf

桂林理工大学硕士学位论文 摘要 计算机软件、硬件技术以及网络技术的快速发展，不断地为各行各业带来新的契机。同 时人们也意识到大量的计算资源、存储资源闲置不用造成的浪费不利于社会的发展。因此人 们将目光投向了能够进行优势互补的网格技术。网格的目的是要利用互联网把分散在不同地 理位置的电脑组织成一台“虚拟的超级计算机”，实现资源的全面共享。网格首先应该解决的 问题是如何提供数据管理功能，为网格中实施资源发现、信息发现和高效的数据访问提供有 力的支持。 网格坏境下如何访问已有的数据库，如何提供一个访问不同数据资源的统一接口，并且 在这个基础上将已有的数据库动态地组成一个虚拟数据库完成一个特定的任务，是一个非常 值得研究的问题。 本文结合相关的x m l 技术和网格技术，分析了利用网格对异构数据库进行集成的优势， 研究了基于网格的对异构数据库进行访问的网格数据库服务实验系统的设计与实现。在研究 o g s a d a i 的构架和内部流程的基础上，设计并实现了用户自定义的元数据目录管理服务 模块( m c m s ) 和数据库访问服务模块( d b a s ) 。并提出了一种新的数据访问模型? 网格数 库访问模型( g d a m ) ，它以w s r f 为实现机制实现对异构数据的访问 元数据目录管理模块：首先将d a i 的服务数据与元数据结合。基于元数据分层概念定 义元数据构成t 物理元数据、服务元数据和应用元数据以及他们之间映射关系。增加元数据 目录可以使普通用户更加简单方便地动态访问数据源，也更容易得到实质性结果。并可以方 便的对数据源进行维护，增加系统的可扩展性。 数据库访问模块：数据库访问模块是g d a m 中最核心的部分，与用户、元数据目录管 理模块和数据源均发生联系。首先，它构造一个统一的数据访问入口与用户交互，让用户感 觉觉不到底层数据库的差异：其次，根据用户发布的命令向m c m s 发送请求，检索有无用 户需要的w s r e s o u r c e ，如有则返回一个带有w s r e s o u r c e 元数据信息的s o a p 消息：最后， 绑定从m c m s 返回的s o a p 消息，与数据源交互，实现数据访问。 基于上述思想，设计并实现了我们的网格数据库服务实验系统。通过实验获得了较好的 效果，证明了上述方案的可行性与正确性。 关键宇：网格：网格数据库服务；o g s a d a i ；w s r f ；元数据 桂林理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g i e so fs o r w a r ea n dh a r d w a r e ，t h e r ea r e m o r ea n dm o r eo p p o r t u n i t i e sf o ra l lk i n d so ft r a d e s a tt h es a n l et i m ep e o p l er e a l i z e dt h a tal o to f r e s o u r c e sl i k e c o m p u t a t i o n a lr e s o u r c e sa n ds t o r g e r e s o u r c e sa r el e t tu n u s e da n dt h i si s d i s a d v a n t a g e df o rt h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y t h e r e f o r ep e o p l eb e g a nt op a ya a e n d i o nt og r i d t e c h n o l o g i e sw h i c hc a l lt a k ea d v a n t a g eo fe x c e s s i v er e s o u r c e st oh e l p t h o s ew h on e e dt h e mt o f i n i s ht h e i rw o r k s t h ep u r p o s eo fg r i di st oo r g a n i z eas u p e r - c o m p u t e rb ya s s e m b l i n ga l lk i n d so f c o m p u t i n g r e s o u r c e si nv a r i o u sp l a c e st h r o u g hi n t e r a c t ，a n dt oa c h i e v ec o m p r e h e n s i v es h a r i n go f r e s o u r c e s t h ep r o b l e mt h a ts h o u l db ef n s tr e s o l v e di sh o wt op r o v i d ee f f i c i e n td a t ar e s o u r c e s a d m i n i s t e r i n gf u n c t i o n st os u p p o r tr e s o u r c e sa n di n f o r m a t i o nd i s c o v e r yi ng r i de n v i r o n m e n t s u n d e rt h ee n v i r o n m e n tt h e 鲥dt e c h n o l o g y , h o wt oa c c e s st h ee x i s t e dd a t a b a s e s ，p r o v i d ea u n i f o r mi n t e r f a c et oa c c e s st h ed a t a b a s e s ，a n dc o m p o s et h ee x i s t e dd a t a b a s e st om a k eav i r t u a l d a t a b a s ei sai s s u et h a tw o r t ht os t u d y i nt h i sp a p e r , w es t u d yo nx m l t e c h n o l o g ya n d 鲥dt e c h n o l o g y , a n a l y s et h ea d v a n t a g eo f i n t e g r a t i o no ft h ei s o m e r o u sd a t a b a s e sb yt h eg r i dt e c h n o l o g ya n dw o r ko v e rt h ep l a na n d i m p l e m e n to ft h ed a t a b a s eg r i dq u e r ys y s t e mt oa c c e s si s o m e r o u sd a t a b a s e o nt h eb a s eo f r e s e a r c ha n da n a l y s i so ft h ea r c h i t e c t u r ea n di n n e ri m p l e m e n t a r yp r o c e s so fo g s a - d a i ，w e a d v a n c et w om o d u l e st h a ta r ed e f i n e db yu s e ro w n t h et w om o d u l e sa r em e t a d a t ac a t a l o g u e m a n a g e m e n ts e r v i c em o d u l ea n dd a t a b a s ea c c e s ss e r v i c em o d u l e t h i sp a p e rp r o p o s e dan e w d a t aa c c e s sm o d e l 鲥dd a t a b a s ea c c e s sm o d e l ，a n dr e a l i z e dt h eh e t e r o g e n e o u sd a t aa c c e s su s i n g w s r fa si m p l e m e n t a t i o nm e c h a n i s m m e t a d a t ac a t a l o g u em a n a g e m e n ts e r v i c em o d u l e ：f n s t ，b a s e do nt h ec o n c e p t so fs e r v i c ed a t a i nd a ia n dm e t a d a t a ，w ed e f m e dal a y e r e da r c h i t e c t u r eo fm e t a d a t at h a tc o n s i s t so fp h y s i c a l m e t a d a t a ，s e r v i c em e t a d a t aa n da p p l i e dm e t a d a t aa n dm a p p i n gr e l a t i o n sb e t w e e nt h e m t h ea d d e d m e t a d a t ac a t a l o g u em a n a g e m e n tb r i n g ss i m p l ea n dc o n v e n i e n td a t a b a s ea c c e s s i n gm e t h o da n d c u s t o m e r sg e tt h er e s u l td a t a s e t se a s i e rt h a nb e f o r e a n dt h ep r o c e s so fm a i n t a i n i n gd a t ar e s o u r c e s b e c o m e sm o r en e a t l y t h i sa r c h i t e c t u r eb o o s t su pe x p a n s i b i l i t yo ft h ew h o l es y s t e m d a t a b a s ea c c e s sm o d u l e s ：d a t a b a s ea c c e s sm o d u l ei st h ec o r eo ft h eg d a m ，a n di ti si n c o n t a c tw i t hu s e r s ，m c m sa n dd a t as o u r c e s f i r s t ，i tc o n s t r u c t sau n i f i e dd a t aa c c e s se n t r a n c et o i n t e r a c tw i t hu s e r s ，s ot h a tu s e r sf e e ll e s ss e n s eo ft h ed i f f e r e n c ea m o n gt h eu n d e r l y i n gd a t a b a s e s ； t h e na c c o r d i n gt h eu s e r s o r d e r si ts e n t sr e q u e s tt om c m s ，a n dr e t r i e v e si fa n yu s e r sn e e d i i 桂林理工大学硕士学位论文 w s r e s o u r c e ，i fa n yn e e d ，t h e nr e t u r n as o a p m e s s a g ew i t haw s - r e s o u r c e ；f i n a l l yb i n d so f t h es o a p m e s s a g ef r o mm c m s t oi n t e r a c tw i t hd a t as o u r c e s ，a n da c h i e v e sd a t aa c c e s s a c c o r d i n gt ot h e s ei d e a s ，w ed e s i g n e dg r i dd a t a b a s es e r v i c e se x p e r i m e n ts y s t e m t h e b e t t e rr e s u l t sa c q u i r e dt h r o u g he x p e r i m e n t sh a v ev a l i d a t e dt h ef e a s i b i l i t i e sa n dc o r r e c t n e s so ft h e p r o j e c t k e y w o r d s ：g r i d ；g r i dd a t a b a s es e r v i c e ；o g s a - d a i ；w s r f ；m e t a d a t a l l i 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的碜 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者( 签字) ：拯! 翌 签字日期：鲨z ： 。l 圭 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解( 学校) 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本，允许论文被查阅和借 阅。本人授权( 学校) 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国 科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过 网络向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名毒饫刑 签字嗍呷年臼侈日 导师签字：毛黟堕膨 导师签字：锄，纠易 签字嗍垆多月日 桂林理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 - i n t e m e t 技术的广泛应用和高速增长，使得各学科对广域网络环境下海量数 据协同访问与分析处理能力的要求越来越高。与此同时，各种新兴技术也不断地 被应用到异构数据访问中来，出现了基于中间件技术的数据访问、基于p 2 p 技 术的数据访问、基于服务的数据访问等。新技术在数据访问中的应用对解决特定 领域内的问题往往能起到一定作用，同时也存在着各自的缺陷和不足之处。如 j a v ar m i 、d c o m 和c o r b a 等中间件不是基于开放标准的，因而把它们同时 应用在不同的环境中比较困难。w e b 服务在基于w e b 的访问中有效，但是效率 和安全性不好；p 2 p 技术对点对点之间的数据交换中有较好的应用，对多数据源 访问就无能为力。 网格【l 】的最大特性是资源共享，通过i n t e m e t 将地理上分布、异构的各种高 性能计算机、数据服务器、大型检索存储系统和可视化虚拟现实系统等连接并集 成起来，实现对各种计算及数据资源的统一访问。在研究之初网格主要是用于科 学密集型计算问题，因此被称为网格计算【2 】。随着研究的深入，网格被应用于多 个研究领域，其中就包括以大规模数据的访问、集成、存储、传输及以分析为基 本任务的数据网格。由于网格在资源共享方面的天生优势，利用网格实现数据访 问一直是研究的热点。 在研究的过程中，网格自身也经历了系统特点、体系结构以及实现机制等方 面的诸多演变。2 0 0 2 年6 月g g fd a i s w g 3 】( 由全球网格论坛数据访问和集成 服务工作组) 制定的开放网格服务体系( o g s a ，o p e ng r i ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e ) 4 1 ， 是网格体系结构最新的发展阶段。它综合了w e b 服务提出网格服务的概念，兼 具了网格和w e b 服务的优点，被公认为网格研究与发展的标准。基于o g s a ， 国内外一些组织与机构在各自关于数据网格的研究中提出了自己的广域网络环 境下数据访问的模型。此外，除了体系结构的演变之外，网格的实现机制也从开 放网格服务基础设施( o g s i ，o p e ng r i ds e r v i c ei n f r a s t r u c t u r e ) 5 】向w 曲服务资源 框架( w s r f ，、bs e r v i c er e s o u r c ef r a m e w o r k ) 1 6 】以及w 曲服务集成( w s i ，w e b s e r v i c ei n t e g r a t i o n ) 过渡。可以说，对基于o g s a 的数据访问的研究受到越来越 多研究组织与个人的关注，如何在通用性、访问效率和成本之间寻求一个相对平 衡的解决方案，实现对异构数据的访问，在这一领域有大量的课题值得研究和深 入。 桂林理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外的网格研究 被称为第三代因特网技术的网格技术已经成为一些国家研究与开发的竞争 焦点，这主要表现在各个发达国家的大型网格研究项目不断启动。这些项目目的 在于为不同应用和研究团体创建网格、开发网格技术和技术框架。 由美国能源部资助的项目主要有美国科学网格( d o es c i e n c eg r i d ) 、远程分 布式计算与通信( d i s t a n c ea n dd i s t r i b u t e dc o m p u t i n ga n dc o m m u n i c a t i o n ， d i s c o m 2 ) 和地球系统网格( e a r t hs y s t e mg r i di i ，e s g ) 。其中美国科学网格项 目的目标是建立基于网格中间件( g r i d w a r e ) 和系统工具的高级分布式计算基础 设施( a d c i ) ，使能源部科学计算体系的可伸缩性满足能源部内部科学研究任务 要求。远程分布式计算与通信项目的目标是创建一个用于访问美国能源部三个武 器实验室的具有可操作性的网格，以支持国防计划中远程计算和分布式计算这两 个关键战略领域复杂的分析、设计、制造和认证功能。地球系统网格( e a r t hs y s t e m g r i di i ，e s g ) 项目由阿贡国家实验室( a r g o n n en a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 等五个国 家实验室的科学家联合承担。主要目标是解决从全球地球系统模型分析和发现知 识所面临的巨大挑战，为下一代气候研究提供一个无缝的强大的虚拟协同环境。 此外，还有为数据融合研究服务的融合协作体网格( f u s i o nc o l l a b o r a t o r y ) 和为 核武器研究的加速战略计算创新网格( a cc e l e r a t e ds t r a t e g i cc o m p u t i n gi n i t i a t i v e g r i d ，a s c ig r i d ) 研究项目。 由美国国家科学基金会资助的项目有元系统推进( m e t a s y s t e m st h r u s t ) 、 t e r a g r i d 和国家地震工程仿真网格( n e t w o r kf o re a r t h q u a k ee n g i n e e r i n g s i m u l a t i o n g r i d ，n e e sg r i d ) 。元系统推进项目的目标是创建一个可以把地理分 布的离散资源集成起来作为单一资源的可操作的元系统，通过高速网络和别的大 学和研究机构互连构成计算网格，使大规模科学工程计算和海量信息处理以分布 协作的方式完成。该项目采用l i n u x 聚簇( c l u s t e r s ) 技术把分布在四个t e r a g r i d 站点的计算资源紧密集成起来，使t e r a g r i d 的计算能力可以达到每秒1 3 6 万忆 次( t e r a f l o p s ) ，可以为网格计算存储管理4 5 0 t b 以上的数据。国家地震工程仿 真网格的目标使地震研究人员能够进行各种地震工程实验数据分析的大规模计 算任务。此外，由美国国家科学基金会资助的项目还包括物理网格( g r i p h y n ) 项目、网格应用开发软件( g r i da p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n ts o f t w a r e ，g r a d s ) 项 目。美国国家科学基金会还成立了网格研究、集成、开发与支持中心。 欧洲的网格计算研究项目主要由欧盟和欧洲委员会资助。其中网格计算研究 比较活跃的国家是英国、德国和意大利。 2 桂林理工大学硕士学位论文 欧洲网格项目的主要目标是在欧洲多个高性能计算中心之间建立网格基础 设施，满足生物分子设计、天气预报、计算机辅助工程，土木工程结构分析、实 时数据处理等领域的计算任务要求。c r o s s g r i d 项目的目标是为大规模基于网格 的实时仿真和可视化开发技术。天体物理虚拟天文台( a s t r o n o m i c a lv i r t u a l o b s e r v a t o r y ，a v o ) 项目是为了把天文学数据库和处理能力组合在一个虚拟实验 室。网格实验室( g r i d l a b ) 项目的目标是开发有关网格计算软件使仿真和可 视化程序代码能够适应变化的网格环境以充分利用动态资源。欧洲网络的工业使 用的分布式应用和中间件( d i s t r i b u t e da p p l i c a t i o n sa n dm i d d l e w a r ef o ri n d u s t r i a l u s eo fe u r o p e a nn e t w o r k s ，d a m i e n ) 项目是为网格基础设施开发必要的软件 以便网格计算能够用于工业仿真和可视化。数据网格项目的目标是开发支持新一 代高能物理、环境科学和生物信息学等领域科研中的数据处理和存储要求的网格 技术。网格互操作( g r i di n t e r o p e r a b i l i t y ，g r i p ) 项目是为了解决g l o b u s 网格系 统和u n i c o r e 网格系统之间的互操作问题。北欧国家的n o r d u g r i d 项目是基于 n o r d u n e t 2 的广域计算工程测试平台。 英国独立承担的网格计算研究项目主要是英国e s c i e n c e 、嘶d p p 和英国国 家网格( u k n a t i o n a lg r i d ) 。e s c i e n c e 是为分布式全球合作的大规模科学研究 而创建的。g r i d p p 计划的目标是为粒子物理研究应用而在英国国内创建网格。 德国的计算资源统一接口项目( u n i f o i t si n t e r f a c et oc o m p u t m gr e s o u r c e s ， u n i c o r e ) 的主要目的是通过德国国内各个高性能计算中心之间互联构造一个 高性能网格计算环境( h i g hp e r f o r m a n c eg r i dc o m p m i n ge n v i r o n m e n t ) 。意大利 的p q e 2 0 0 0 网格计算项目由意大利国家研究委员会组织，这个项目的主要目的 是为新一代科学和商业应用的发展研究、评估、开发网格计算技术。此外，还有 荷兰的d u t c h g f i d 项目，爱尔兰的i r i s hc o m p u t a t i o n a lg r i d 项目等。 1 2 2 我国的网格研究 国外网格的研究正在如火如茶地进行着，国内也毫不落伍，网格基础设施建 设和网格技术研究工作也在紧张进行。我国己经完成的网格研究项目主要有清华 大学的先进计算基础设旄a c i ( a d v a n c e dc o m p u t a t i o n a li n f r a s t r u c t u r e ) 和以中科 院计算为主的国家高性能计算环境n h p c e ( n a t i o n a lh i g hp e r f o r m a n c ec o m p u t i n g e n v i r o n m e n t ) 。 7 1 2 0 0 2 年4 月5 日至6 日，科技部召开了“网格战略研讨会”，确认将网格的 研究和应用列为“8 6 3 计划”的一个专项，随即成立了专项专家组。 2 0 0 2 年底，上海市宣布将投入两个多亿，建设e 研究院( e i n s t i t u t e ) ，这是 一个以信息网络为平台的全新超大容量的虚拟研究机构。 桂林理工大学硕士学位论文 目前，中国主要有五个网格项目：科技部主持的国家网格( c n 铆d ) ；教育 部牵头的中国教育科研网格计划( c h i n a g r i d ) ；国家基金委带队的e s c i e n c e 网 格研究计划：上海城市信息网格和中国空间信息网格。其中，由教育部与m m 合作共建的、投资2 0 0 万元人民币“中国教育科研网格”【8 】项目于2 0 0 3 年1 0 正式 启动，全国共有1 2 所高校、1 3 名教授任专家组成员。2 0 0 4 年5 月，中国成立了 首家军事网格研究中心，将开展军事网格的体系结构和技术研究，开发网格基础 平台和应用平台，建立开放实验室。国内正在进行的其他网格研究项目有由航天 二院和清华大学共同开展的“仿真网格”，由中科院计算机所领衔开发的“织女星 网格， 【9 ，l o 等等。 1 2 3 科学数据网格中的数据访问服务 科学数据网格( s c i e n t i f i cd a t ag r i d ，s d g ) 【l 。】是以科学数据资源共享以及在 此基础上的协同工作为核心的应用网格。旨在科学数据库数据资源的基础上，连 接中国科学院分布在全国的四十多个研究所，通过先进的数据网格技术、安全管 理以及海量存储技术实现对科学数据库中大量分布式异构数据资源的有效共享。 并在此基础上开发对科学研究有直接实用意义的应用系统。 数据访问系统( d a t aa c c e s ss y s t e m ) 是科学数据网格中的关系数据库服务化 封装工具。使用该工具，可以在网格环境和互联网上快速发布数据，可以自动批 量快速构建数据库w 曲检索系统，可以在互联网上快速浏览数据库资源，为数 据库管理员、开发人员和最终用户提供方便。该系统以统一的网格服务接口访问 多种异构数据库，为进一步实现数据集成奠定基础。 1 2 4 研究现状分析 正如文件系统中存在多种不同文件一样，现今的数据库系统情况也很复杂。 不但有多种类型的数据库( 如面向对象数据库，关系型数据库，x m l 数据库等) ， 即使是在相同类型的数据库中，由于不同厂家的产品不同( m y s q l 、s q ls e r v e r 、 o r a c l e 等) ，各个数据库系统的实现功能，性能，访问接口变化也很大。这些差 异性给网格环境下的数据访问造成了很大的困难。中间件位于应用软件与系统基 础软件如( 操作系统、数据库、网络通讯等) 之间，起到屏蔽底层的复杂性的作用， 通过把一些有共性的特征、模式、技术、解决方案等重用的部分抽取出，形成其 支撑的运行平台、开发平台或维护平台。将分布于各异构平台上的各种资源( 软 件和数据) 粘合在一起，协同完成各种事务【l2 1 。 因此，基于o g s a 的数据访问的研究大都以多层结构、中间件的形式展开。 4 桂林理工大学硕士学位论文 如上文所述的科学数据网格中基于g l o b u s 提供了数据访问的统一服务接口，但 本质上c s 是模型，在发布和发现服务上采用集中式模式，所以可扩展性差，而 且对海量数据访问比较低效。因此中科院计算技术研究所结合p 2 p 一些特性， 提出了一种数据访问中间件框架，具有可扩展性、数据访问高效性等特点，并实 现了基于它的数据查询功能【i 川。 当前的研究中所关注的问题是如何在异构数据访问的可用性、健壮性、可扩 展性、可测量性、互操作性、兼容性、服务发现、可管理性和可变性等诸多方面 求得一个相对的平衡。国内外有很多新思想也正在不断的涌现。如d i a l a n i 为w e b 服务提出了透明的容错机制，可用于支持网格服务容错【1 4 】。华中科技大由金海 和庞丽萍主持研究的基于服务的网格应用开发平台s g a d p 也提出了这一理念。 在s g a d p 的设计中主要是通过对网格应用编程接口的冗余服务调度( o p ：为一 个网格应用编程接口选择多个物理网格应用服务并同时进行服务请求和网格应 用编程接口的重复服务调度，即当对一个网格应用编程接口进行服务调度和服务 请求出错后，再次进行服务调度以选择另一个网格应用服务并进行服务请求来实 现【1 5 】。 此外，在某一时间，如果大量的用户并发请求创建一个服务实例，那么在一 个节点上服务可能会变得过载。因此有人提出了移动网格服务的概念，可以看作 是服务过载问题的解决方法。服务是在网格环境中从节点到节点的移动编码。当 需要时，服务可以移动到另一个较轻负载的节点去产生服务实例【1 6 1 。 在摒弃了网格发展初期的五层沙漏结构后，网格与w e b 服务相结合，形成 了o g s a 体系结构。已有的研究大多基于o g s a 并通过o g s i 来实现异构数据 的访问，但o g s i 制定的时候，w e b 服务并没有关于有状态服务的标准，不能解 决与状态相关的问题，因此，o g s i 通过把w s d l ( w e b 服务描述语言) 扩展为 g w s d l 以及x m ls c h e m a 的使用，来解决具有状态属性的w e b 服务的问题。 随着研究和实践的深入，o g s i 暴露了明显的不足，w e b 服务团体认为它过分强 调网格服务和w e b 服务的差别，导致两者不能更好地融合在一起。w s r f 以及 w s i 的提出正是为了改进o g s i 的弱点。以w s r f 为例，作为一种新的底层技 术实现机制，它代替o g s i 为o g s a 提供基于w e b 服务的广泛而强大的支持。 它既可以充分利用已有领域的各种成果，又可以吸纳网格技术，以支持网格的需 求，并为网格和服务的发展建立一个共同的基础【1 7 l 。因此，本文的研究工作将 在w s r f 的基础上展开。 1 3 论文的主要工作 桂林理工大学硕士学位论文 本文的主要研究工作如下：研究基于o g s a 的网格数据库访问的体系架构、 实现机制和支撑技术。深入研究w e b 服务，g l o b u s 软件包及o g s a d a i 的运行 机制。基于o g s a ，以w s r f 为实现机制，依托o g s a d a iw s r f 3 0 设计一个 网格数据库访问模型，对其元数据管理、数据服务、映射和访问控制等组成部分 进行详细的描述，并将其划分为元数据目录管理服务和数据库访问服务两个主要 的模块。将本文所提出的理论模型在作者读研期间参与的解放军理工大学军事网 格研究中心的“x x 重大专项”预研项目中进行了实验性的应用，并为w e b 用户提 供了友好的访问界面。 1 4 论文组织与结构 本文共分为七章： 第l 章：绪论。本章首先介绍了论文的研究背景和意义，然后介绍了国内外 的研究现状，最后介绍论文的主要工作。 第2 章：简要介绍网格计算及其发展概要，并对网格的几种体系结构进行描 述。 第3 章：o g s a 相关技术研究。主要介绍o g s a 及其中件问o g s a d a i 的 相关技术及概念，以及o g s a 的实现机制及w s r f 、o g s i 等技术规范。 第4 章：基于o g s a 的数据库访问模型的设计。本章主要介绍基于o g s a 的数据访问原型的总体架构以及模块划分，单元设计。 第5 章：主要介绍了g l o b u st o o l k i t4 0 的搭建过程及其相关环境变量的配置。 第6 章：基于o g s a 的数据访问模型的应用与分析。本章在前几章的基础 上将本文设计的理论模型应用于实际，介绍了应用背景并根据理论模型中的模块 设计给出了具体切l 的结构图及部分核心代码。 第7 章：结束语。对本文的工作进行总结，并说明本文所提模型的不足之处 和有待进一步研究和解决的地方。 6 桂林理工大学硕士学位论文 2 1 网格计算 第2 章网格计算及其体系结构 2 1 1 网格概念的发展 正如许多新技术出现初期，网格是借鉴电力网的概念提出来的，网格的最终 目的是希望用户在使用网格计算能力时，就如同现在使用电力一样方便，为网格 用户提供与地理位置无关、与具体计算设施无关的通用计算能力。由于网格研究 现在处于发展阶段，对于网格概念还没有达成一致，下面是一些有代表性的定义 和观点： i a nf o s t e r 和c a r lk e s s e l m a n 于1 9 9 8 年在网格的第一本专著网格：一种新 的计算基础设施蓝图【18 】中定义如下：计算网格是一个包含硬件和软件的基础 设施，它能对高端计算能力提供可靠的、一致的、普遍的和不昂贵的接入。 2 0 0 1 年i a nf o s t e r 描述到【l9 1 ：网格关心的是在动态的、多机构的虚拟组织 中协调资源共享和协同解决问题，核心思想是在一组参与节点( 资源提供者和消 费者) 中协商资源共享管理的能力，利用协商得到的资源池共同解决一些问题。 2 0 0 2 年，i a nf o s t e r 给出了判断网格的三原则【2 们，这对科学界界定网格概念 提供了重要参考： ( 1 ) 协调分布的资源：网格集成和协调存在于不同控制域内的资源和用户， 例如用户的桌面计算与集中计算，同一个公司的不同管理单元，或是不同公司的 不同管理单元。并且网格也处理在安全、策略、计费和成员资格等在协同分布资 源场景中出现的问题。否则，就只能算本地管理系统而非网格。 ( 2 ) 使用标准、开放、通用的协议和接口：网格建立在多功能的协议和接 口之上，这些协议和接口解决认证、授权、资源发现和资源存取等基本问题。否 则，该系统只算一个专用系统而非网格。 ( 3 ) 交付非平凡的服务质量：网格允许它的资源被协调使用，以得到提供 各种服务质量，满足不同使用者需求，如系统响应时间、吞吐量、有效性、安全 性及资源重定位，这样的组合系统效用将远远大于它的各部分的效用之和。 中国科学院计算所所长李国杰院士认为：网格是继传统因特网、w e b 之后的 第三次互联网浪潮，可以称之为第三代因特网应用。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，而网格则试图实现互联网上所有资源的全面 连通，其中包括计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资 源等。 7 桂林理工大学硕士学位论文 研究者从不同的角度和侧重点，对网格多方面的特点和功能进行了说明，同 时由于网格是面向问题领域，不同问题的要求和解决方法不一样，因此呈现出各 种各样的定义和观点，同时网格还处于发展阶段，有关的概念也在不断变化和发 展之中，但是从网格的起源和目标看，网格的本质是“资源共享与协同工作”。 2 2 网格的特征 由于网格计算技术基于分布计算技术，因此两者有许多公共特性，例如它们 都支持异质性，以屏蔽底层平台的差异。然而，网格计算和目前分布计算领域面 向应用级别的交互、互操作和开发也存在着明显的区别。现有技术既不能满足多 种类型资源的共享，也没有提供基本的资源共享框架，以满足虚拟组织内定义的 灵活、可控的共享关系。因此，网格计算概念的真正意义和特别之处是解决在动 态、异质的多管理策略虚拟组织中的协同资源共享问题。因而网格计算环境具有 如下特性【2 l 】： 2 2 1 自治的多策略性 网格计算环境必须支持采用不同管理策略的多个组织之间的互操作，同时保 留各个组织的自治性。这是因为：一方面，网格计算环境的各种资源都是属于其 提供者的，因此提供者拥有对资源最高级别的管理能力，这体现了网格计算的自 治性；另一方面，资源也必须接受网格计算环境的统一管理，否则不同的资源就 无法建立相互之间的联系，无法实现共享和互操作。 2 2 2 资源的地理分散性和逻辑共享性 网格计算重要的特点是资源共享，以消除资源孤岛。组成网格的资源一般都 是地理上分散的，网格资源本身就不是指单一的计算机资源，它还包括各种类型 的数据库、电子图书馆以及各种设备，所以这些资源往往分布在世界各个角落。 网格就是要使网格中的任何资源都可以让网格上的任何使用者使用，因此网格在 逻辑上又是共享这些资源的，这种共享是一种广义的共享。 2 2 3 资源动态性和异构性 网格本身的定义决定了网格是一个始终处于变化中的网络状态，网格的资源 和它拥有的功能会动态地增加或者减少。因此，网格本身的设计就必须要具有很 好的扩展性。由于网格资源本身的种类是多种多样的，所以网格系统必须要能够 解决不同结构、不同类别的资源之间的通信和互操作问题，以及不同体系结构的 桂林理工大学硕士学位论文 计算机体系之间的兼容，这也决定了网格具有异构性。 2 2 4 容错性 随着网格环境中参与协同任务的资源数目的增加，系统出错的概率也随之增 加。和单服务的分布计算环境不同，网格计算环境中的协同任务往往需要使用多 个共享的相关服务，其中某个服务的失效会导致其它服务的状态异常，因而仅仅 恢复失效的服务状态不足以保持协同任务的顺利完成，所以网格环境还应具有容 错性。网格环境的这些特性使得网格环境下如何将任务高效的分配给资源以满足 用户的需求成为一个极具挑战性的问题，并决定了网格环境能否高效地为用户提 供服务。 2 3 网格的体系结构 网格体系结构是关于如何构建网格的技术，它包括两个层次的内涵。一是要 标识出网格系统由哪些部分组成，清晰地描述出各个部分的功能、目的和特点。 二是要描述网格各个组成部分之间的关系，如何将各个部分有机地结合在一起， 形成完整的网格系统，从而保证网格有效地运转，也就是将各个部分进行集成的 方式或方法。网格技术的权威i a nf o s t e r 将网格体系结构定义为“划分系统基本组 件，指定系统组件的目的与功能，说明组件之间如何相互作用的技术”。显然， 网格体系结构是网格的骨架，只有建立合理的网格体系结构，才能设计和构建好 网格。 到目前为止，比较重要的网格体系结构有三个，第一个就是i a nf o s t e r 等在 早期提出的五层沙漏结构( f i v e l e v e ls a n d g l a s sa r c h i t e c t u r e ) t 2 烈，第二个就是在以 i b m 为代表的工业界的影响下，在考虑到w e b 技术的发展与影响后，f o s t e r 等 结合w e bs e r v i c e 提出的开放网格服务结构( 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 ) p 】， 第三个是由g l o b u s 联盟、毋m 和h p 于2 0 0 4 年初共同提出的w s r f ( w e bs e r v i c e r e s o u r c ef r a m e w o r k ，w e b 服务资源框架) 【6 】，w s r fv 1 2 规范己于2 0 0 6 年4 月 3 日被批准为以o a s i s ( o r g a n i z a t i o nf o r t h ea d v a n c e m e n to f s t r u c t u r e di n f o r m a t i o n s t a n d a r d s ，结构化信息标准促进组织) 标准。下面分别介绍这三种体系结构。 2 3 1 五层沙漏体系结构 网格体系结构给出了网格的基本组成与功能，描述了网格各组成部分的关系 以及它们的集成方式和方法以及支持网格有效运转的机制。最经典的网格体系结 构是i a nf o s t e r 等2 0 0 1 年提出的五层沙漏网格体系结构，五层沙漏体系结构的五 9 桂林理工大学硕士学位论文 层从下到上分别是构造层，连接层，资源层，汇聚层，以及应用层( 如图2 1 ) 。 1 构造层( f a b r i c ) ：本地控制的接口。 构造层面对的是一系列具体的物理( 也可以是逻辑的) 资源，网格构造层的基 本功能就是控制本地的资源，向上提供访问这些资源的接口。构造层应该实现的 基本功能包括：查询机制( 发现资源的结构和状态等信息) 、控制服务质量的资源 管理能力等。 2 连接层( c o n n e c t i v i t y ) ：支持便利安全的通信。 连接层的基本功能就是为下层的物理资源提供安全的数据通信能力，这是资 源之间进行互操作的前提。它定义了核心的通信和认证协议，用于网格的网络事 务处理之中。通信协议允许在构造