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所有者为中心的删格资源共享研究：摘要 摘要 网格问题 f k t + 0 1 被定义为是在个人，机构和资源的集合体问一种灵活、安全、斗王 等的资源共享。这意味着网格文件共享应该具有跨越多个管理域和机构到最终用户的能 力。一个相关研究较少，但却根本地制约了文件资源广域范围共享的问题是：当前计算 机系统一般基于管理域形式组织文件资源，用户访问不同管理域的文件必然受到不同管 理域的命名和访问控制机制的限制。本文提出种以所有者为中心的网格文件共享模 弘，这种模型可以使用户摆脱管理域的限制，一致性地访间分布在不同管理域的文件资 源。 首先，本文对网格的特点及织女星网格的体系结构进行了综述，并深入分析了实现 嘲格文件系统存在的问题和相关研究。 资源共享和安全是紧密相关的，安全是共享的基础，共享是安全的目的。本文从安 全的角度对网格文件共享的特性进行了分析，提出并定义了所有者为中心的共享机制。 所有者为中心共享机制的一个重要的假设是：当资源所有者a 把资源的特定控制权授予 实体b 时，a 不仅相信b 可靠的使用资源的判断力，而且a 相信b 进一步共享这个资源 的判断力。完全自主型访问控制( m d a o 是所有者为中心的共享机制实现恻格环境访问控 制的策略，本文用b l p 模型的方法对m d a c 进行了定义。 基于对所有者为中心的共享机制的分析，本文抽象出一种，所有者为中一心的共享模型， 模型的本质是为网格提供一种可选的资源共享策略。通过把资源所有权分割为逻辑所有 权和物理所有权，所有者模型可以把物理资源和逻辑资源都组织为不受管理域信息特性 限制的所有者对象；通过和资源路由器的整合，所有者模型可以实现有效地资源定位。 所有者模型是所有者共享机制下资源组织、管理和授权的基础，解决了资源所有者组织 不同共享节点逻辑资源的问题。 传统方式下，本地文件系统一般与本地操作系统绑定，标识文件所有者身份的u i d 和g i d 由本地操作系统核心统一管理。u i d 和g i d 只在本地管理域有效，因此本地文件 系统没有跨管理域的能力。本文提出用全局唯一一的公钥标识网格文件资源的所有者，并 通过扩展本地文件系统实现文件和文件所有者公钥的紧密绑定，使本地文件系统和本地 操作系统的管理分离，实现了文件系统跨管理域共享的能力。 基于以上的研究，本文在1 if l u x 下实现了名为v e g a f s 的网格文件系统原型，v e g a f s 和其它相关研究的主要区别在于：v e g a f s 通过文件和文件所有者公钥的紧密绑定来标谚 所有者对文件的所有权。这种绑定是通过对本地文件系统的扩展实现的，而不是通过如 刈象之类的中间层。因此这种绑定对基于本地文件系统的原有应用没有影响，可以支持 传统u n l x 系统的文件系统语义。测试结果表明，在提供了跨管理域文件共享能力同时， 原互! 给系统带来的开销不是很明显。 关键词：网格，跨管理域文件共享，完全自主型访问控制，所有者为中心的共享模型 所有者为中心的网格资源兆享研究：a b s t r a c t r e s e a r c ho no w n e r - c e n t r i cg r i dr e s o u r c e s h a r i n g l i a n gj i a r m f i n ( c o m p u t e ra r c h i t e c t u r e ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rx uz h i w e i g r i dp r o b l e m 【f k t + 0 1 i sd e f i n e d a s f l e x i b l e ，s e c u r e ，c o o r d i n a t e dr e s o u r c es h a r i n g a m o n gd y n a m i cc o l l e c t i o n so fi n d i v i d u a l s ，i n s t i t u t i o n s ，a n dr e s o u r c e st h i si n d i c a t e st h a to n e i m p o r t a n t f e a t u r eo f g r i d f i l e s h a r i n g i st h e a b i l i t y t oc r o s s m u l t i p l e i n s t i t u t i o n so r a d m i n i s t r a t i v ed o m a i n st oe n d u s e r s ap r o b l e mw h i c hh a sf e wr e l a t e dw o r k ，b u tr a d i c a l l y r e s t r i c t sf i l er e s o u r c e s h a r i n g i nw i d e ，a r e ae n v i r o n m e n ti s ：c o n v e n t i o n a l c o m p u t a t i o n a l s y s t e m so r g a n i z e f i l e r e s o u r c e si n t oa d m i n i s t r a t i v e d o m a i n s a c c e s s i n g f i l e si nd i f i e r e n t a d m i n i s t r a t i v ed o m a l n si sc o n s t r a i n e db yv a r y i n gn a m i n ga n da c c e s sc o n t r o lm e c h a n i s m s w e b r i n gf o r w a r da no w n e r - c e n t r i cg r i df i l es h a r i n gm o d e l ，t h i sm o d a lc a nm a k eu s e rs l i pt h e l e a s ho fa d m i n i s t r a t i v e d o m a i n s ，c o n s i s t e n t l y a c c e s st h ef i l e sd i s t r i b u t e di nd i f f e r e n t a d m i n i s t r a t i v ed o m a i n s f i r s t l yw ep r o v i d ea no v e r v i e wo f t h ec h a r a c t e r i s t i c so f g r i da n dv e g a g r i da r c h i t e c t u r e ， t h e nw ea n a l y z et h ee x i s t e n tp r o b l e m st oi m p l e m e n tag r i d l e v e lf i l es y s t e ma n dr e l a t e dw o r k i nd e t a i l r e s o u r c es h a r i n ga n ds e c u r i t ya r et i g h t l y c o r r e l a t i v e ，s e c u r i t y i st h ef o t m d a t i o no f r e s o u r c es h a r i n g a n dr e s o u r c es h a r i n gi st h eg o a lo f s e c u r i t y w ea n a l y z et h e c h a r a c t e r i s t i c so f g r i df i l es h a r i n gf r o ms e c u r i t y sp o i n to f v i e w , p r e s e n ta n d d e f i n et h ec o n c e p to f o w n e r - c e n t r i c f i l e s h a r i n gm e c h a n i s m a ni m p o r t a n th y p o t h e s i sb e h i n dt h i sm e c h a n i s mi s ：i fae x p l i c i t l y s h a r e sar e s o u r c ew i t i lb ai sn o to n l yt r u s t sbt ou s et h er e s o u r c er e s p o n s i b l y , b u ta l s ot r u s t s b sd i s c r e t i o ni nh o wh ef i t r t h e rs h a r e st h er e s o u r c e m a x i m a ld i s c r e t i o n a r ya c c e s sc o n t r o l ( m d a c ) i st h e a c c e s sc o n t r o lp o l i c yo fo w n e r - c e n t r i cf i l e s h a r i n g m e c h a n i s mi n g r i d e n v i r o n m e n t ，w ed e f i n em d a cb a s e do nt h em e t h o do fb l p m o d e l b a s e do nt h e a n a l y s i s o fo w n e r - c e n t r i cf i l e s h a r i n gm e c h a n i s m ，w e a b s t r a c ta n o w n e r - c e n t r i cf i l es h a r i n gm o d e l ，t h i sm o d e lo f f e r sg r i da no p t i o n a lr e s o u r c es h a r i n gp o l i c y b yd i v i d i n gr e s o u r c eo w n e r s h i pi n t ol o g i co w n e r s h i pa n dp h y s i c a lo w n e r s h i p ，o w n e r - c e n t r i c f i l es h a r i n gm o d e l o r g a n i z e sp h y s i c a lr e s o u r c e sa n dl o g i cr e s o u r c e si n t oo w n e r - o b j e c t sw h i c h a r ei n d e p e n d e n to fa d m i n i s t r a t i v ed o m a i n s b yi n t e g r a t i n gm o d e lw i t hv e g ag r i dr e s o u r c e r o u t e r , o w n e r - c e n t r i cf i l es h a r i n gm o d e l c a r li o c a t er e s o u r c e se f f i c i e n t l y ，0 w r i e r c e n t r i cf i l e s h a r i n g m o d e li st h eb a s eo fr e s o u r c e s o r g a n i z i n g m a n a g e m e n t a n da u t h o r i z a t i o no f o w n e r - c e n t r i cf i l e s h a r i n gm e c h a n i s m i ts o l v e st h ep r o b l e mo fl o g i cr e s o u r c eo r g a n i z i n gi n d i f f e r e n ts h a r en o d e i nt r a d i t i o n a l c o m p u t a t i o n a ls y s t e m ，t h en a t i v ef i l es y s t e mi s b o u n dt ol o c a lo p e r a t i n g s y s t e m t h eu i d sa n dg i d s t h a ti d e n t i f yt h eo w n e ro ff i l e sa r ec e n t r a l i z e dm a n a g e db yl o c a l o p e r a t i n gs y s t e m b e c a u s et h eu i d s a n dg i d sh a v en oc r o s s d o m a i na b i l i t i e s ，t h en a t i v ef i l e s y s t e mc a n t o w ns u c ha b i l i t i e sn a t u r a l l y w ep r o p o s et oi d e n t i f yf i l e o w n e rb yag l o b a l u n i q u ep u b l i ck e y , a n d e x t e n dt h en a t i v ef i l es y s t e mt ot i g h t l yb i n dt h ef i l e o w n e r sp u b l i ck e y t oi t sf i l e s i nt h i sw a y , w ed e t a c hn a t i v ef i l es y s t e mf i r o mt h em a n a g e m e n to fl o c a lo p e r a t i n g s y s t e m ，p r o v i d ef i l es y s t e m w i t ht h ec r o s s d o m a i nf i l es h a r i n ga b i l i t y b a s e do nt h e s er e s e a r e h s ，w ed e s i g na n di m p l e m e n tag r i d l e v e lf i l es y s t e mp r o t o t y p e u n d e rl i n u xc a l l e dv e g a f s t h em a j o rd i f i e r e n c eb e t w e e nv e g a f sa n dr e l a t e dr e s e a r c h si st h a t v e g a f si d e n t i f i e st h eo w n e r s h i po f f i l e sb ym e a n so ft h et i g h tb i n d i n gb e t w e e nf i l e o w n e r s i i l 所有者为中心的硎格资源共享研究： a b s t r a c t p u b l i ck e ya n di t sf i l e s t h i sb i n d i n gi si m p l e m e n t e db ye x t e n d i n g t h en a t i v ef i l es y s t e m ，n o t b ya n ym i d d l e w a r e ss u c ha so b j e c t s ot h i sb i n d i n gd o n ta f f e c t t h eo r i g i n a la p p l i c a t i o n so f n a t i v ef i l es y s t e m t h et r a d i t i o n a ls e m a n t i c so ft h eu n i xf i l es y s t e mc a ne a s i l yb es u p p o r t e d t h ep e r f o r m a n c er e s u l t ss h o wt h a tw h i l ep r o v i d i n gt h ec r o s s - d o m a i nf i l es h a r i n ga b i l i t y ，t h e o v e r h e a di n t r o d u c e db yo u rp r o t o t y p ei sn o tv e r yr e m a r k a b l e k e y w o r d s ：g r i d ，c r o s s d o m a i n f i l es h a r i n g ，m a x i m a ld i s c r e t i o n a r ya c c e s sc o n t r o l ， o w n e r - c e n t r i cf i l es h a r i n gm o d e l i v 声明 本人声明所呈交的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。就我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对奉研 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：浮建融 日期：2 矿口j 9 2 占 关于论文使用授权的说明 中国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：挈交民导师签 期： 第一章r ：j | 言 1 1 网格简介 第一章引言 网格 a c f + 0 1 ，b d 旷9 9 ，f k t + 0 1 这一术语最早出现于上个世纪9 0 年代中期，用于描 述在科学工程计算领域，由个体或机构等各种类型的网格资源提供者组成的动态环境 下，- - g o 灵活、安全、协同的资源共享机制。网格代表了下一代的i n t e r n e t 技术，它 的最终目标是将地区问乃至国际问的网格连接起来，实现计算资源、存储资源、数据资 源、信息资源、知识资源、专家资源的全面共享。当然，网格并非一定要这么大。也可 以构造地区性的网格、企事业内部网格、社区网格、甚至家庭网格和个人网格。网格的 根本特征 x u o i 并不一定是它的规模，而是通过资源共享消除了信息孤岛。 分布式资源的协同共享是网格技术解决的核心问题 f k n + 0 2 ，f k t 0j 。在动态的环境 f ，将不同位置，异质类型的网格节点联系起来用于问题处理，必须要有一套机制用于 这些自治节点问的协同。它包括资源认证、授权、资源发现、错误检测、失败恢复等 系列问题。 一个基本的网格系统可以分为三个层次：网格资源层、网格中间件层和嘲格应用层 l i 0 2 ，如图1 1 所示。 网格资源层，又称为网格结点，是构成网格系统的硬件基础，包括各种网格资源， 如超级计算机、贵重仪器、可视化设备、现有应用软件，这些资源通过网络设备( 如广 域网) 连接起来。网格资源层仅仅实现了网格资源在物理上的连通，在逻辑上它们仍然 是孤立的，不能解决共享的问题，因此，在网格资源层上要通过实现网格中间件层来完 成广域资源的有效共享。 网格中问件层，也称为网格操作系统( 网格o p e r a t i n gs y s t e m ，简称g o s ) ，中间 件层是将各资源实体联系起来的软件，中间件层接受上层网络应用的请求，分配适合的 资源供应用访问并负责对这种资源访问的管理和调度。中问件层屏蔽网格资源层中资源 分布的异构性，向网格应用层提供透明的、一致的使用接口。网格中间件层同时需要提 供用户编程接i _ | 和相应的环境来支持网格应用系统的开发。 网格应用层是用户需求的具体体现。在网格操作系统的支持下，网格用户可以使用 其提供的工具或环境开发各种应用系统。能否在网格系统上开发应用系统来解决各种广 域资源共享问题是衡量网格系统优劣的关键。 图1 1网格系统构成图 网格计算技术在产生的初期主要集中在高性能科学计算领域中，现在刚格计算不局 限于此，出现了适用予不同应用领域的网格技术。图1 2 中根据不同类型的应用给出了 对现有网格技术的分类 x u 0 1 。 所有并为中心的喇村 资源共享研究 图1 2 网格技术的分类 在大型科学研究和工程领域，高性能的网络应用，如科学仿真，实时监控需要由多 个合作机构的共同参与，需要使用各机构拥有的资源。合作机构之间通过高速网络共享 合作伙伴所拥有的计算、存储和显示资源来解决复杂的计算问题，这些地理上分布的资 源就形成了资源网格，利用资源网格上的资源进行的分布式计算被称为网格计算。简单 地讲，网格就是将位于全球不同地方的研究机构所拥有的硬件和软件设施联合起来以解 决极端复杂的科学研究和计算问题。在硬件方面，网格需要将地理卜分布在不同的地方 的硬件资源，如网络、计算机、数据仓库以及可视化虚拟现实显示等有机地莲接起来。 在软件方面，网格的作用就象一个中间件，它将需要的各种硬件和软件资源有机地集成 起来以便这些不同的部件能够协同动作。 1 2 网格应用领域 网格的应用领域非常广泛，科学计算领域和社会生活领域对网格技术的需求都是非 常巨大的。 数据共享生物、天文、地震等科学领域每天都可能收集到大量有价值的数据，但因 为这些数据采集的手段不同，常常是零碎地分散在不同的地方，共享困难，利用率低。 将这些数据放在网格上共享将有很多好处。 分布式高性能计算以前的高性能计算大部分都是集中式的，如通过快速的内部网连 接的集群。目前有很多问题是一台高性能计算机无法解决的，通过网格可以把分布在不同 地理位置的资源集中起来，实现协同计算，充分利用硬件和软件资源。 数据密集型计算对于数据密集型问题求解，数据采集地点，数据处理地点，数据分 析和存放地点往往不在同一个地方，网格可以在这类问题的求解中发挥作用。 更有效的利用空闲姿源需要完成特定计算任务时，人们可以不必购买计算设备， 而是通过网格自由的购买一定的计算资源。除了计算资源，其它如存储设备、程序、数 据等都可以通过网格共享。 1 3 网格相关研究 目前欧美等国的科研机构已经积极投入到网格应用热潮中，着手制定相应计划。美 国国家自然基金会n s f 在g l o b u s f k 9 7 ，f k 9 8 项目的基础上，积极鼓励网格技术的在科 研工程领域的应用。在天文观测、科学试验仿真、教育、医疗、军事等领域，n s f 和 d a r p a 相继批准了一系列应用研究项目。 2 第一章引言 g 1 0 b u s 是一套支持新兴的高性能分布式计算应用开发的工具集，山美幽a r g o n n e 国家实验室和南加州i 大学共同开发。g l o b u s 服务解决广域多模态环境带来的重大挑战。 比如，应用可以通过使用g 1 0 b u s 为特定的问题寻找网络中最适合的讨算机资源，然后 再应用这些计算机来解决问题。g l o b u s 服务既可以用来开发更高级的工具，也可直接用 在应用中。日前g 1 0 b u s 开发包被许多组织采用，用于建立计算网格支持他们的应用。 n a t i o n a lt e c h n o l o g yg r i d ( n t g ) 国家技术网格 a c f + 0 i ，a f n l o l ，v t f 0 1 是由美国 国家科学基金会( n s f ? ) 发起的p a c i 计划( p a r t n e r s h i pf o ra d v a n c e dc o m p u t a t i o n a l i n t r a s t r u c t u r e ) 的两个下属项目n p a c i ( n a t i o n a lp a r t n e r s h i p f o ra d v a n c e d c o m p u t a t i o n a ti n f r a s t r u c t u r e ) 和n c s a ( n a t i o n a lc o m p u t a t i o n a ls c i e n c ea 1 i i a n c e ) 联合建立的全美科学技术研究网格，n t g 分发g l o b u s 的开发包，改造了全国范围内的许 多科研没施，其中包括超级计算中心，研究实验室和许多高等院校。p a 6 i 训划的目标是 建立和鼓励原型化的计算网格应用于科学工程研究领域，并且籍此建立美国下叶的计 算网络主干设施。 d a t a g r jd h j s + 0 0 是欧盟赞助的一个国际性项目，致力于建立一个计算和数据集中 的资源网格用于分析科学研究数据，最终使全世界范围内的科学研究人员能够共享这些 数据资源和各种计算资源( 如处理器，磁盘等) 。该项目有六个主要成员：c e r n n ，c n r s ， e s r i n ， n f n ，n i k h e f ，p p a a r c 。目前正设计和开发可扩展的软件方案和测试床用于处 理许多p b 级的分布式数据和大量分布的计算资源。d a t a g r i d 的主要工作有： 夺建立一个研究网络，共同开发必要的技术组件，刨建一个前所未有的伞世界范围内 的数捕网格； 夺通过大规模的由真实用户参与的端对端应用实验，演示数据网格这项新技术的有效 性。 美国幽家宇航局( n a s a ) 目前正在以g 1 0 b u s 的开发包作为技术基础搭建它的信息 能源网格i p g i p g ，i p g 联合参与机构的超级计算机和存储设备，形成了一个统一的无 缝的讨算环境。i p g 将帮助来自政府部门，学术界和企业界的领导人合作解决2 l 世纪的 面向世界的重大问题。i p g 的远景规划是使全美的研究人员和技术人员能够随时访问他 们所需要的远端超级计算资源和数据仓库。 4 织女星网格 中科院计算所丁f 在进行织女星网格( v e g ag r i d ) x l 0 2 ，x u 0 1 的研究工作。织女星 网格体系结构的基本思想是把网格看成一台虚拟的超级计算机系统。从微机到小型机到 大型机，一个完整的计算机系统一般都由计算机硬件、操作系统和应用系统j 部分组成。 织女星网格体系结构设计继承了已有计算机系统的设计方法，把网格看成是一台虚拟 的、具有单一系统映像的计算机系统。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。 在网格硬件层面，计算所的主要工作是研究下一代曙光高性能计算机，它们将是面 向网格的超级服务器。 在网格系统软件层面，计算所正在研究开发一个名为g c p 的网格计算协议栈( g r i d c o m p u t i n gp r o t o c o ls t a c k ) ，以及有效支持g c p 的织女星网格操作系统( v e g ag o s ) 。 在网格应用层面，计算所主要开展了信息网格和知识网格的研究工作，科学计算类 的应用网格研究则由合作伙伴完成。 所有者为中心的刚格资源共享研究 141 织女星网格的特点 与国内外其它网格研究项目相比，织女星网格的最大特点是“服务网格”的概念。 服务网格有四个要点，即v e g a ： 夺v e r s a t l l es e r v i c e s ( 通用服务) 支持多种应用类型，支持多种应用模式，兼容多种现有技术，支持多种平台。网格 及其应用的开发、构造、部署、运行、使用、管理都采用有一种称为“服务”的单一抽 象接口。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 el e v e ra g r e e m e n t ) 的服务质量尺度来衡量。 夺e n a b l i n gi n t e l l i g e n c e ( 辅助智能) 一个实用中的织女星网格应该比现在的i n t e r n e t w e b 更具有智能性。 夺g l o b a lu n i f o r m i t y ( 全局一体) 织女星网格的全局一体有三个含义，即连通性、单一系统映象、互操作性。 夺a u t o n o m o u sc o n t r o l ( 自主控制) 织女网格以用户为中心。使用户自主地使用网格，而不是让网格控制用户。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 o r e i n gm e c h a n i s m ) 。 应用 界面 操作系统 硬件 微机四层结构网格四层结构织女星网格 办公、上网、游戏等 命令行、视窗、w e b 、 b a s i c ，c ，j a v a ，c o m w i n d o w s ，m a c o s ， l i n u x i b m 体系结构 i n t e l a m d 处理器 网格麻用 网格界面 网格操作系统 刚格硬件 知识网格 信息网格 网格计算协议栈 ( g c p ) 织女显网格操作 系统( v e g ag o s l 曙光高性能计算 机而向网格的超 级服务器 图1 3 织女星网格的层次 1 4 2 织女星网格系统的体系结构 图1 4 中给出了织女星网格的一种体系结构，我们可以看到织女星网格的体系结构 包括网格处理器( g r i dp r o c e s s o r ) 、网格系统总线( g r i ds y s t e mb u s ) 和网格虚拟设 备( g r i dv i r t u a ld e v i c e ) 三个部分。 第一章引葺 g r i dv i r t h a ll ! ! ! 垫! j ig r jdv i rl o a l i d e v i c e 图1 4 织女星网格的一种体系结构 ( ；r ldv i r t u a l d e v ic e 网格处理器( g r i dp r o c e s s o r ) 在物理上是指一台计算机或接入设备。网格处理器 的主要功能是完成对网格计算的管理工作，而并不完成计算工作。在传统的计算机系统 中，处理器完成的工作包括管理任务和计算任务。在织女星网格体系结构中，我们将处 理器分成两种类型，其中网格处理器完成管理工作；而计算任务交给网格虚拟设备( 如 c y c l ep r o v i d e r ) 完成。网格处理器类似于机群系统中的控制节点或管理节点。 网格系统总线( g r ids y s t e mb u s ，g s b ) 是网格的互联系统。g s b 是逻辑或者是软 件系统总线。在底层，g s b 由i n t e r n e t 构成，其中既包括硬件又包括软件。在更高的层 次上，o s 8 有新开发的软件和协议构成，我们称之为网格计算协议( g r i dc o m p u t in g p r o t o c o l ，g c p ) 。网格处理器，网格虚拟设备通过网格系统总线完成相互之间的通信。 网格虚拟设备并不是单指硬件设备，虚拟设备应同时包括软件、服务，如数据库、 w e b 服务等等。网格虚拟设备( g r i dv i r t u a ld e v i c e ) 有两个基本的组成部分，剐虚拟 设备控制器和设备。虚拟设备控制器是网格系统总线和网格虚拟设备之问的接口，是网 格系统总线和网格虚拟设备之间的桥梁。网格控制器的作用是屏蔽不同种类的设备、设 备的不同实现之间的差异。网格虚拟设备是各种计算任务的执行单位，它的工作受网格 处理器的控制。具体来说，网格虚拟设备具有以下的功能： 夺接受网格处理器发送的控制命令。 夺向网格处理器发送中断请求。 夺与网格处理器之间进行数据发送接收操作。 夺设备之制进行数据接收发送操作。 夺向系统总线进行注册和注销操作。 1 4 3 织女星网格的应用 织女星网格支持科学计算类的应用系统。具体来讲，织女星网格将提供广域批作业 管理系统，同时将提供对广域协同计算的支持。通过以上两种方式，用户可以丌发科学 计算应用以利用分布、异构的高性能计算资源。另外，通过织女星网格文件系统，用户 可以进行跨管理域的文件操作。 1 5 网格的特点 通过对网格及相关研究的综述，我们总结网格的特点如下： 广泛的资源类型 网格的资源类型是很广泛的，主要包括以下几类： 夺网络资源资源节点提供网络连接服务，负责带宽分配，负载控制，如代理服务 所有者为中心的网格资源麸享研究 器。 存储资源资源节点具有存储设备，提供海量数据的存储服务。 夺计算资源资源节点执行计算任务，接受请求者的输入参数，调用进程处理，并 返回结果。 夺目录资源特殊的存储资源，存放结构化数据，例如数据库或者是文件目录信息 等。 夺代码资源特殊的存储资源，资源节点是一个程序代码库，存放共享的程序代码， 在协同的应用开发过程中经常用到，具有版本管理能力。 包容现有的分布式技术 网格研究的核一l i , 问题是资源共享，属于分布式计算领域研究的范畴，但是又区别于 般的分布式计算技术。首先，资源共享是大规模的，资源类型具有普遍性。网格下的 一个资源节点可以代表文件服务器，数据库，程序，传感器等种种连接于网络的软硬件 设施，而目前的分布式技术处理的资源类型十分有限：其次，网格下的共享关系更加灵 活，充分考虑到了网格节点的自治性。虚拟组织 f k t + 0 1 具有丌放的体系结构，灵活的 共享机制和访问机制，对于参与成员没有过多的限制。与之相比，现有的分布式计算技 术对于计算单元的种种限制，束缚了它们的灵活性和扩展性，企业分布式计算技术，如 c o r b a l f g + o o a 和企业级j a v a g l p + 0 1 。l f g + o o b 3 仅允许同一组钐 内部的资源共享。 s s p ( s t o r a g es e r v i c ep r o v i d e r ) 的a s p ( a p p l i c a t i o ns e r v i c ep r o v i d e r ) 允许不同组织 问的存储资源和计算资源的共享，但是必须加以一定的条件约束，比如s s p 要求用户必 须通过v p n ( v i r t u a lp r i v a t en e t w o r k ) 与服务提供者进行连接。 和w e b 技术相比，网格系统提供所有类型的资源共享，而w e b 只是以信息资源共享 为主；w e b 中信息资源零散地分布在各个网络站点，而在网格系统中，所有资源得到了 统一的管理和使用，用户可以通过网格门户之类的技术透明地使用整个网格系统上的资 源；w e b 中用户对信息资源的访问不具备连通性，存在信息孤岛现象；而网格操作系统 由用户、管理员和系统软件协同将零散的原始数据组织成一体化的信息和知识，消灭了 网格资源孤岛；网格系统能提供广域的高性能计算环境，不仅能支持单个的远端高性能 计算，而且可将多个网格结点的资源协作构成高端计算环境，w e b 目前还不具备多个w e b 结点问的协同计算能力。 分布式技术和w e b 本质上都是一种网络环境下的资源协同共享，因此这些技术都可 以运用网格概念加以解释，使用网格技术实现。 可扩展的体系结构 建立、维护和管理跨组织的资源共享需要在网格部件问建立新的资源共享规则，这 种新机制的引入是建立在原有各网格部件局部策略的基础上，在资源节点上构建共享中 问件管理平台不能破坏组织对资源节点的局部控制机制。网格的设计者们仅仅定义了网 格中各节点部件所必须满足的基本服务和功能，并且用协议的方式描述这些网格部件间 的互操作行为，从而使得这些节点可以很容易地改造成与网格兼容的资源节点。这种设 计思想使得在各种异质类型的网络节点上构建网格成为可能，从而确保了网格模型的通 用性。而网格良好的层次划分和接口设计又充分考虑到了今后网格模型的扩展。因此， 网格中的资源只是一个逻辑概念，网格探讨的问题只是从外部对这些资源提出最基本的 服务要求，并将这些要求制定成相应的协议。比如，一个f t p 服务器或者是一个网络硬 盘驱动器，都可以作为一个网格存储资源节点的底层部件。只要通过调用它们提供的底 层功能函数能够实现网格规定的数据资源服务，响应网格的存储资源访问的协议，就可 以将它们作为存储节点加入网格，而在网格环境中这两种由不同方式实现的数据存储服 务并没有什么差异。 第一章0 i 苦 1 6 网格对文件系统的需求 网格超大的规模、异类的组成和动态变化的形式对底层的文件系统提出了挑战，这 种不断变化和不断发展的环境使静态接口和固定访问语义的文件系统被排除在外。许多 我们熟知的些分布式文件系统由于其安全性、可扩展性、性能和可用性等方面的原因 无法适用于网格环境。网格的特点使传统的文件检索、存储、访问方式和控制机制都需 要被重新评价。根据网格的特点，我们总结网格对文件系统的基本需求如下： 应用程序只需要做很少或者不需要修改，就可以和网格文件系统无缝连接。 新的文件资源可以很容易的合并到网格文件系统中。 支持面向应用的访问带宽管理，可以完成高性能应用的数据访问。 实现有效的数据共享同时不受不同管理域信息特性的限制。 能动态的适应各种变化的连接和环境，给科学应用提供所必要的性能。 具有灵活的可扩展性，文件服务器可以自由的加入网格系统，不应该存在如中 央服务器认证的潜在系统瓶颈。 具有高的安全性，实现细粒度的访问控制和授权。 实现一个网格文件系统的困难来自于网格的定义，网格问题 f k t + 0 1 被定义为是在 个人，机构和资源的集合体间一种灵活、安全、平等的资源共享。而网格中需要访问的 资源常常分布在不同的管理域，不同管理域可能会有不同的安全策略和不同的访问控制 机制，这意味着网格对文件系统最基本的一点需求是：如何实现不受管理域信息特性限 制的有效数据共享。即网格文件系统应该具有跨越多个机构和管理域到最终用户的能 力。 1 7 本文的主要工作及贡献 实现广域范围的资源共享是网格和分布式系统研究的共同问题，网络带宽、异构平 台、安全策略等因素都在一定程度限制了资源共享的范围。随着i n t e r n e t 的发展，网 络带宽问题得到了缓解，异构平台和安全策略等问题很大程度上可以利用分布式系统的 研究成果。一个相关研究较少，但却根本地制约了资源跨管理域共享的问题是：当前计 算机系统一般基于管理域形式组织资源，用户访问不同管理域的文件必然受到不同管理 域的命名和访问控制机制的限制。 根据网格的定义 f k t + 0 1 ，虚拟组织是完善而不是替代现有的机构，共享机制不能 改变组织原有的安全策略。因此现有的网格系统都是建立在管理域的基础上。分布、协 同的网格共享系统建立在集中、自治的管理域基础上，必然会存在矛盾。本文试图在自 治的管理域和协同的网格之间寻找一种折衷，来解决跨管理域的网格文件资源致性共 享问题。一致性意味着同一性，即不同的用户可以采用相同的机制访问分布在不同管理 域的资源。一致性的共享实际上包含了一致性的用户命名、一致性的认证、“致性的授 权和致性的访问控制等。我们把问题分解为以下方面： 夺网格中怎样一致性地标识用户? 夺网格怎样一致性地组织不同管理域的文件资源? 夺网格如何实现一致性的访问授权? 本文主要创新点包括： 提出一种应用于网格的所有者为中心的共享机制。核心思想是根据彳i 同主体对资 源勺控制关系，把资源所有权分割为物理所有权和逻辑所有权。 所有名为中心的州格资源共享酬究 明确的所有权关系使共享机制可以把过去由少数系统管理员集中控制的资源管理任 务安全地分担到多个资源所有者，资源对系统管理的安全依赖被减少。由此可以有效地 降低系统管理的复杂度，也减少了产生系统瓶颈的可能。共享机制只是提供了一种可选 的共享策略，系统管理员作为物理资源的所有者通过设置安全策略可以继续保持对资源 的严格控制，因此共享机制不违反资源的本地安全策略。 提出并定义了一种基于公钥的网格访问控制策略；完全自主型访问控制( m d a c ) 。 核心思想是所有者可以对逻辑资源的访问和授权传递实现自主的控制。 逻辑资源访问的自主性体现在逻辑所有者可以完全控制逻辑资源的访问，不需要物 理所有者的介入；逻辑控制者也可以完全控制自己拥有的对资源访问的权限子集，不需 要逻辑所有者的介入。授权传递的自主性体现在逻辑所有者可以通过设定资源安全级别 控制资源访问授权的传递。m d a c 通过限制授权证书链的长度来限制授权的传递，并把这 种限制以安全级别的形式直接和资源绑定。m d a c 把访问控制问题在文件系统级处理，独 立于底层文件存储的访问控制机制，具有更好的可移植性。授权传递的自主性使资源的 共享更加安全。资源访问的自主性使资源共享更加方便。 提出并定义了所有者为中心的共享模型，核心思想是全局公钥标识的嘲格主体及 资源和资源所有者公钥f a j 的紧密绑定。 紧密绑定使资源具有全局意义，资源的访问控制不需要依赖于本地管理域，因此可 以