（计算机软件与理论专业论文）分布式问题求解环境——triana的剖析与扩展.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 9 0 年代，随着p c 、工作站的成熟和广泛应用，面向科学计算的问题求解 环境也进入了迅速发展时期。1 9 9 1 年s t r a t i sg a l l o p o u l o s 在其报告“f u t u r e r e s e a r c hd i r e c t i o n si np r o b l e ms o l v i n ge n v i r o n m e n t sf o rc o m p u t a t i o n a ls c i e n c e ” 中给出了问题求解环境的定义，指出问题求解环境是为求解某类特定问题所必 须的计算工具的集合。问题求解环境包含两个最基本的特征：求解能力、面向 问题。之外问题求解环境还具有其他特征，如成熟的求解方法；自动半自动地 选择求解方法；新求解方法的融合机制；交互、求解问题的跟踪与回查；可被 广泛应用于各类问题求解等。 分布式计算是近年提出的一种新的计算方式。所谓分布式计算就是两个或 多个软件相互共享信息，这些软件既可以在同一台计算机上运行，也可以在通 过网络连接起来的多台计算机上运行。 由英国c a r d i f f 大学开发的t r i a n a 系统就是一个分布式问题求解环境，它具 备分布式计算和问题求解环境的双重特征，可以处理各种类型的数据，并包含 有各种类型的工具，能显示数据和擅长于自动重复执行任务等。在t r i a n a 中， 不仅可以调用网络上存在的w e b 服务，而且能使w e b 服务以图形化的形式在 t r i a n a 的工具箱里显示出来，给用户以直观的印象，并且问题求解的过程是以 一种图形化的工作流形式显示出来，当然工作流的组成是以问题求解所需要的 工具为模块的，这些工具可以是t r i a n a 本身所提供的工具，也可以是网路中的 w e b 服务。t r i a n a 已经应用于信号处理，图象处理以及航空计算等领域。 目前国内尚没有成熟的分布式问题求解环境，因此分析国外成熟而且成功 的软件，对于我们开发具有自主版权的类似软件，将具有重要的借鉴作用。本 文的研究目的就是对t r i a n a 这种分布式问题求解环境进行深入剖析，了解其体 系结构，分析其运行机理，特别是它如何与j x t a ，p 2 p s 以及w e b 服务这三 种分布式计算技术进行绑定，以完成大规模问题的分布式求解，然后指出其某 些方面的不足，扩展功能，使用户使用起来更加方便。 本研究课题完成了以下任务： ( 1 ) 分析了t r i a n a 的体系结构，特别是它对于j x t a ，p 2 p s 和w e b 服务， 三种分布式计算技术的应用。在对于w e b 服务的应用中，a p i 函数g a p 有很 武汉理工大学硕七学位论文 重要的作用，本文对g a p 接口做了详细的描述。 ( 2 ) 通过t r i a n a 的应用，结合它的源代码，对源代码的具体运行流程做了详 细的描述。具体到本文的分析就是w e b 服务的发现，导入和发布，以及工具 和问题求解工作流的运行原理，特别是对工作流的并发工作模式进行了深入的 剖析。 ( 3 ) 扩展了t r i a n a 的功能，分别是w e b 服务的选择功能、在本机集成一个 私有u d d i 、w e b 服务的查询功能。w e b 服务的选择功能是在用户所查找的 服务在工具箱里显示以前，提供一个选择的界面，供用户选择所需要的服务。 在本机集成一个私有u d d i 是为了提高t r i a n a 使用网络上的w e b 服务的功能， 集成了u d d i ，这样以来，用户可以发布服务到这个u d d i 中，然后本地用户 可以查询所需要的服务并调用它。w e b 服务的查询功能是方便用户查找本机集 成的私有u d d i 中的服务信息。 关键词：问题求解环境；分布式技术；w e b 服务；t r i a n a 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n9 0 s ，w i t ht h em a t u r i t ya n de x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fp ca n dw o r ks t a t i o n ，t h e p r o b l e ms o l v i n ge n v i r o n m e n t ( p s e ) o fo r i e n t e ds c i e n t i f i cc a l c u l a t i o na l s ow a l k s i n t oap e r i o do fr a p i dd e v e l o p m e n t i n1 9 9 1 ，s t m t i sg a l l o p o u l o sg i v e sad e f i n i t i o no f p s ei nh i sr e p o r t , “f u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n si np r o b l e ms o l v i n ge n v i r o n m e n t sf o r c o m p u t a t i o n a ls c i e n c e ”a n di n d i c a t e s 也a tp s ei sa s e to fc a l c u l a t e dt o o lw h i c h m u s tb eu s e df o rs o l v i n gt h ep r o b l e mo fo n es p e c i e sa n ds p e c i f i c p s eh a st w om o s t b a s i cc h a r a c t e r i s t i c ：t h ep o w e ro fs o l v i n ga n dt h ep r o b l e m - o r i e n t e d i na d d i t i o n , p s e h a so t h e rc h a r a c t e r i s t i c , f o re x a m p l e , m a t u r es o l v i n gt e c h n i q u e ；c h o o s i n gs o l v i n g t e c h n i q u ea u t o m a t i c a l l y s e m i a u t o m a t i c a l l y ；f u s e d m e c h a n i s mo fn e ws o l v i n g t e c h n i q u e ；i n t e r a c t i o n , t r a c k i n ga n dc h e c k i n go ft h ep r o b l e ms o l v i n g ；a n db ea p p l i e d t oa l lk i n d sp r o b l e m se x t e n s i v e l ye t c d i s t r i b u t e dc o m p u t i n gi san e wc o m p u t i n gm o d e ，a n di ta p p e a r si nr e c e n ty e a r s t h ed i s t r i b u t e dc o m p u t i n gi st h a t , t w oo rm o r es o f t w a r es h a r ei n f o r m a t i o nt o g e t h e r t h i ss o f t w a r ee i t h e rc a nr u ni nt h es a m ec o m p u t e r , o rr u ni ns e v e r a lc o m p u t e r s w h i c hc o m m u n i c a t ef r o mt h en e t w o r k t r i a n ai sad i s t r i b u t e dp s ew h i c hi sd e v e l o p e db yc a r d i f fu n i v e r s i t y , s oi th a s t h ec h a r a c t e r i s t i co fd i s t r i b u t e dc o m p u t i n ga n dp s e a n dt r i a n a nb eu s e do na w i d ev a r i e t yo fd a t a , a n dt r i a n ac o m e sw i t haw i d ev a r i e t yo fb u i l t i nt o o l s ，a n d t r i a n aw i l ld i s p l a y sd a t a , a n dt r i a n ai sp a r t i c u l a r l yg o o da ta u t o m a t i n gr e p e t i t i v e t a s k s ，e t c i nt r i a n a , n o to n l ya p p l y i n gt h ew e bs e r v i c e sw h i c he x i s ti nt h en e t w o r k , b u ta l s ot h ew e bs e r v i c e sc a nb et r a n s f o r m e dt ot o o l sw h i c hw i l ld i s p l a yi nt h e t o o l b o xo ft h et r i a n a , s ou s e r ns e ei ti n t u i t i o n i s t b e s i d e s t h ep r o c e s so fp s e a c c o r d i n gt ot h eg r a p h i cw o r k f l o ww i l ld i s p l a yi nt h ew o r k s p a c eo ft r i a n a , a n dt h e f o r mo ft h ew o r k f l o wt a k et h et o o l sw h i c hp s en e e da sb a s i cc o m p o n e n t t h e s e t o o l se i t h e ra r et h ed e f a u l tt o o l sw h i c ht r i a n ap r o v i d e ，o rt h ew e bs e r v i c e si nt h e n e t w o r k t r i a n ah a sb e e nu s e di nt h es c o p eo fs i g n a la n a l y s i s ，i m a g em a n i p u l a t i o n a n da v i a t i o nc o m p u t i n g r e c e n t l y , s i n c et h e r ea r en om a t u r ep s ei no u rc o u n t r y , t h ea n a l y s i so ft h e n l 武汉理1 ：大学硕七学位论文 m a t u r ea n ds u c c e s s f u ls o f t w a r eo ff o r e i g ni sv e r yi m p o r t a n t t h i sw o r ki sv a l u eo f d e v e l o p i n gt h es i m i l a rs o f t w a r eh a v i n go u r s e l v e sc o p y f i g h t t h er e s e a r c hp u r p o s e o ft h i sp a p e ri st ot a k ea p a r tt h et r i a n aw h i c hi sad i s t r i b u t e dp s ed e e p l y , a n dg i v e o u ti t sa r c h i t e c t u r ea n da n a l y z e si t sf u n c t i o nm e c h a n i s m ，e s p e c i a l l yt h eb i n d i n go f j x l - p 2 p sa n dw e bs e r v i c e ，t h r e ed i s t r i b u t e dc o m p u t i n gt e c h n o l o g y ，s oc a n h a n d l ep s ec o s m i c a l l y t h e ni n d i c a t et h es h o r t a g eo ft r i a n a ，f i n a l l ya d ds e v e r a l f u n c t i o n ，w h i c hw i l lb ec o n v e n i e n tu s e db yu s c l t h i st h e s i sh a sf i n i s h e dt h et a s k sa sf o l l o w s ： ( 1 ) a n a l y z i n gt h e a r c h i t e c t u r eo ft r i a n a , e s p e c i a l l yt h ea p p l i c a t i o no fj x t a , p 2 p sa n dw e bs e r v i c e ，t h r e ed i s t r i b u t e dc o m p u t i n gt e c h n o l o g y i nt h ea p p l i c a t i o no f w e bs e r v i c e ，g a pw h i c hi sa p ii sa ni m p o r t a n tr o l e ，s ot h i sp a p e ra n a l y z e st h eg a p i n t e r f a c ei nd e t a i l ( 2 ) t h r o u g ht h ea p p l i c a t i o no ft r i a n a , d e s c r i b i n gt h ef l o wo fc o d ei nd e t a i l i n t h i st h e s i s ，t h et a s ki st h a t , a n a l y z i n gt h ed i s c o v e r i n g , i m p o r t e ra n dp u b l i s h i n go f w e bs e r v i c e s ，a n dt h ew o r k f l o wm e c h a n i s mo ft o o l sa n dp r o b l e ms o l v i n g , e s p e c i a l l y t h ea s y n c h r o n o u sw o r k _ f l o wm o d e 。 ( 3 ) e x p a n d i n gt h ef u n c t i o no ft r i a n a , t h ef u n c t i o ni s t h ec h e c k i n go fw e b s e r v i c e s ，p r i v a t eu d d io fi n t e g r a t i n ga n d t h eq u e r y i n go fw e bs e r v i c e s t h e c h e c k i n gf u n c t i o no fw e bs e r v i c e si st h a t , b e f o r et h ew e bs e r v i c ew h i c hu s e r d i s c o v e ri nt h en e t w o r kd i s p l a yi nt h et o o l b o x ，p r o v i d i n gac h e c k i n gi n t e r f a c e ，s o u s e rc a nc h e c kw e bs e r v i c ew h i c hh en e e d t h ef u n c t i o no fi n t e g r a t i n gp r i v a t eu d d i e n h a n c e st h ef u n c t i o no fu s i n gw e bs e r v i c ei nt h en e t w o r ki nt r i a n a , s ou s e rc a n p u b l i s hw e bs e r v i c ei nt h i su d d i ，a n d t h e nt h el o c a lu s e rc a nq u e r yw e bs e r v i c ei ni t a n di m p o r tw e bs e r v i c e t h eq u e r y i n gf u n c t i o no fw e bs e r v i c e si st h a t ，u s e rc a nu s e t h i sf u n c t i o nq u e r y i n gt h ei n f o r m a t i o no fw e bs e r v i c ei nt h ep r i v a t eu d d ie a s i l y k e yw o r d s ：p s e ；d i s t r i b u t e dt e c h n o l o g y ；w e bs e r v i c e ；t r i a n a 1 v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 问题求解环境概述 第1 章引言 1 1 1 什么是问题求解环境 1 9 9 1 年s t r a f i sg a l l o p o u l o s 在其报告“f u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n si np r o b l e m s o l v i n g e n v i r o n m e n t s f o r c o m p u t a t i o n a l s c i e n c e ”中给出了问题求解环境( p r o b l e m s o l v i n ge n v i r o n m e n t ，p s e ) 1 1 】的定义，指出p s e 是为求解某类特定问题所必须 的计算工具的集合。p s e 包含两个最基本的特征：求解能力、面向问题。之外 p s e 还具有其他特征，如成熟的求解方法；自动半自动地选择求解方法；新求 解方法的融合机制；交互，求解问题的跟踪与回查；可被各类人群广泛应用于 各类问题等。s t r a t i sg a l l o p o u l o s 还给出了p s e 评价的三个度量指标：范围 ( s c o p e ) 、能力( 1o w e r ) 和可靠性( r e l i a b i l i t y ) 。s t r a t i sg a i l o p o u l o s 给出的定义，概括 描述了传统的p s e 的主要特征。 1 1 2 问题求解环境的基本特征 面向的应用领域不同，p s e 会有很大的差别。然而p s e 应该具有如下基本 的特征： ( 1 ) 稳定的数据管理，包括版本编号、输入，输出或其他任何数据集之间的关 联、丰富的数据类型； ( 2 ) 稳定的任务运行，包括状态反馈、对于非专家用户大致执行时间的预估、 可控制的运行级别； ( 3 ) 计算分析组件的即插即用； ( 4 ) 通过模拟组件的排序和嵌套，创造耦合的分析流程； ( 5 ) 和c a d 类软件包的接口； ( 6 ) 有简化和降低问题求解难度的工具； 仍交互与可视化； 武汉理工大学硕士学位论文 ( 8 ) 对两类不同用户的支持：管理者具有数值模拟专业知识，设计者具有理 解和解释模拟结果的专门知识。 概括而言，p s e 的基本特征有：面向科学和工程计算中的一类问题；使用 用户熟悉的方式描述问题；易用、结果可靠、高性能；组件化、模块化、封装( 用 户无需知道细节1 ；算法参数化；领域知识管理；多层抽象。 1 1 3 问题求解环境的基本结构 p s e 基本的设计原则可以概括为三点：人为中心、组件为基础、交互的方 式。p s e 通常的基本结构参见图i - 1 ，包括三个层次：应用开发框架、软件基础 设施、算法与系统基础。 应用开发框架提供各种工具和资源，可以用来开发各种应用程序。 软件基础设旌和算法与系统基础提供一整套翻译、编译、运行工具集和环 境，为上层应用提供基础。 广 l 耐椭i i 嘶i i “哦l 1 - j 圈 l i n 知m u c l l j 厘国圈 厂画丽 r _ 丽莉i 一砀丽面门 i t n m s l a t i o n ll 1 ) i s p l a y if s y s t e m i l 塾苎! 塑兰 il 盐鲤li 坚垫堕塑i 圆圆圈 罔p a r a l l e l 图罔s y s t e m iiim a g ilii lg 婴耻! 塑ll! ￥墨塑 ii 墅g ! ! 竖 i 图1 - 1p s e 通常的基本结构 2 圈冒圈圈 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 分布式问题求解环境 1 2 1 问题求解环境存在的前提 在讨论分布式p s e 之前，我们首先要弄明白，什么样的问题，才有可能做 一个求解环境，去支持该类问题的求解? 我们做面向某个应用领域的p s e ，前提是我们必须了解这个领域的问题是 如何求解的，或者说必须熟悉这个领域问题的基本求解方法。显然，如果我们 对某个应用领域的问题是什么、或者基本求解方法还不知道，就不可能构建一 个“面向该应用的p s e ”。p s e 无疑需要相关应用领域的问题求解的知识，在这 些知识的基础上的提炼、标准化才可能有效，并被相关领域人员使用。 同时，应用领域必须有广泛的应用人员。人员太少，构建相应p s e 的必要 性就存在疑问了 需要注意的是，问题求解规模并不是p s e 发展的前提，也就是说，不是说 某类问题计算规模特别大，所以我们才要做p s e 。恰恰相反，p s e 的使用模式 可能是解决大量的4 , f 1 题，当然也不排除可以解决大问题。 p s e 也不是面向求解方法未知或者不成熟的应用领域。简单地说，p s e 是 把知识变成软件，方便用户使用。p s e 的设计者需要对计算机科学的几个学科， 如数值分析、符号计算、图形学、人工智能等有深刻的理解，同时要求精通科 学与工程计算。 1 2 2 科学和工程计算中的问题求解过程 求解一个( 一类) 问题到底是如何进行的? 网络可以在其中发挥什么样的作 用? 科学和工程问题求解的一般步骤是：1 建立数学模型；2 选择相关的物理参 数和集合参数；3 简化方程和条件，使可解；4 采用分析和逼近技术构造求解方 法；5 构造问题和数据集；6 编程；7 计算；8 计算结果确认；9 比较计算结果； 1 0 汇集处理结果；1 1 记录计算结果；1 2 发布计算结果。当然，实际计算过程 中可能不包含上述某些步骤或者重复某些步骤。 有几点值得注意： ( 1 ) 需要他人提供相关知识( 如关于材料性能、稳定的求解方法等) ： 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 大部分过程需要定量显示结果，人可能可以通过直觉直接进行判断； ( 3 ) 软件模块( p s e ) 之间如何集成。 一般而言，科学和工程问题的求解过程，可以划分为三个方面：人与人的 交互；人与机器的交互：机器与机器的交互。如在上述过程中，第1 5 步为人 与人之间的交互，就是说我们需要从他人处获得领域知识，这种交互可能是在 线的，也可能是离线的；可能是实时的，也可能是累积的。第6 步和第8 1 2 步，是人与机器之间的交互。第7 步计算是机器与机器之间的交互。 网络为人一人交互、人一机交互、机一机交互等都提供了可能。 1 2 3 目前分布式问题求解环境研究中的主要问题 一般而言，p s e 研究的主要问题有： ( 1 ) p s e 和使用者如何分工换句话讲，哪些应该人傲，哪些机器傲： ( 2 ) 问题表述的方式。哪些是应用相关的，特定领域的最好的表述方式是什 么，怎样最好地实现表述之间的相互转译； ( 3 ) 和传统的工作模式比较，p s e 可能失去有用的沟通技巧，怎样才能考虑 进来，在更易于使用或更强大的求解能力之间是否有等效的选择； ( 4 ) 问题求解过程中的哪些信息是有用的，哪些技巧可以有效地捕捉求解过 程中的有用信息，如何收集并挖掘出有用的信息； ( 5 ) 专家系统。哪些知识是最有用的，数据如何收集、挖掘； ( 6 ) 多用户与协同。怎样记录协同，协同、多用户如何管理，哪些可以协同， 怎样的机制最有利于团队工作； ( 7 ) 桌面系统与高性能计算环境之间如何互操作； ( 8 ) p s e 如何共享已有代码； ( 9 ) 科学计算组件接口、互操作需要标准化。如何鼓励开发标准化组件； ( 1 0 ) 在分布式环境下如何提高可靠性； ( 1 1 ) 误差检查和处理。怎样知道计算正确，c h e c k p o i n t 与r e s t a r t 的问题； ( 1 2 ) 如何保证高性能，使用者监控性能，如何提高性能，计算有问题吗， 性能瓶颈在哪里，计算什么时候完成，如果使用更多的计算资源，计算会快吗； ( 1 3 ) 模型、模拟、可视化组件的集成。如何定义数据结构、调度、一致性 以在不同组件之间提供互操作； 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 4 ) 平台独立的p s e 组件； ( 1 5 ) 更多的灵活性与适应性； ( 1 6 ) 不同应用领域之问的p s e 框架重用； ( 1 7 ) 扩展性； ( 1 8 ) 与数据库和数据挖掘系统的集成； ( 1 9 ) 设备的控制和访问； ( 2 0 ) 符号、数字、智能、几何计算的融合。 目前分布式p s e 研究中的主要问题： ( 1 ) 多用户与协同； ( 2 ) 桌面系统与高性能计算环境之间的互操作； ( 3 ) 可视化； ( 4 ) 计算的可靠性。 1 3 课题研究的目的与意义 传统的单机版p s e 是指能够提供一组高级工具以解决某一类特定问题的计 算系统【2 l 。在传统的p s e 下，用户可以定义并修改自己的问题，选择合适的解 决方案，并能够管理与调用底层的软件与硬件资源以完成问题的求解。p s e 一 般会把最终的结果以可视化的方式展示给用户。需要注意的是，用户一般是通 过一种简便的，与特定的操作系统、编程语言无关的方式与p s e 交互的，如 s i m u l i n k 的可视化编程方式。 网格【3 1 环境下的p s e 更强调共享与协同。共享一般是指利用网格上的资源， 提供给用户基于模块化和工作流的可视化编程模式。组成最终网格应用的各个 模块的存储。因此，可视化编程的实现、资源的模块化、工作流的定义、远程 执行的实现、数据与控制指令的传输、执行策略的制定是实现这种编程模式的 关键技术。协同是使人与人之问、计算机与计算机之间、人与计算机之间有机 协作的技术。用一个广义的定义来描述网格环境下的p s e ( g r i d - b a s e dp s e ) 就是 通过集成信息和计算，可以将p s e 看成是具有处理复杂甚至不可解问题能力的 分布式系统，其结构应该满足松散联系的各个团体之间进行分布式软件开发工 作的需要，采用非常成功的库及算法，对新的算法和数据结构可以是“即插即 用( p l u ga n dp l a y ) ”。 5 武汉理工大学硕士学位论文 目前国内尚没有比较成熟的分布式p s e ，分析和研究国外这方面成熟的产 品，对于我们开发同类产品具有较大的理论意义和实用价值。 t r i a n a 是一种基于网络的分布式p s e ，它基本实现了分布式p s e 研究中的 主要问题。 本文的研究目的就是对t r i a n a 这种分布式p s e 进行深入剖析，了解其体系 结构，分析其运行机理，特别是它是如何与j x t a ，p 2 p s 以及w e b 服务这三 种分布式计算技术进行绑定，以完成大规模问题的分布式求解，然后指出其某 些方面的不足，扩展功能，使用户使用起来更加方便，同时也使自己对基于网 络的图形化的分布式p s e 有深入的了解，为以后对问题求解环境的进一步研究 打下坚实的基础。 1 4 本文的组织结构安排 本文首先对p s e 进行了简单的介绍，接着阐述了t r i a n a 应用的几种分布式 计算技术，然后分析了t r i a n a 的体系结构及其它是如何与j x t a ，p 2 p s 以及 w e b 服务这三种分布式计算技术进行绑定的，接着分析了分布式计算工作流， 最后扩展了它的功能。 本文共分为六章，安排如下： 第1 章是引言。主要介绍了问题求解环境，说明了课题的研究目的与意义。 第2 章是t r i a n a 应用的几种分布式计算技术概述，主要说明了什么是分布 式计算，然后介绍了j x t a 技术，p 2 p s 技术和w e b 服务技术。 第3 章是t r i a n a 的体系结构，主要分析了t r i a n a 的体系结构，并分析了它 是如何与j x t a 、p 2 p s 和w e b 服务，这三种分布式计算技术绑定的。 第4 章是t r i a n a 的分布式计算工作流，主要介绍了在t r i a n a 的应用过程中， 是如何发现、导入和发布服务的，同时说明了t r i a n a 中分布式计算工作流的运 行机理。 第5 章是t r i a n a 的扩展，主要是对t r i a n a 的功能进行了扩展，使其应用起 来更方便。主要是选择w e b 服务的功能，并在t r i a n a 中集成了一个本机私有 的u d d i ，同时增加了在这个本机私有的u d d i 进行查询w e b 服务的功能。 第6 章是总结和展望，对全文进行了总结，并对下一步的研究工作进行了 展望。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 本章小结 本章主要介绍了p s e 及分布式p s e ，说明了课题研究的目的与意义，并指 出了本文的组织结构安排。 p s e 是为求解某类特定问题所必须的计算工具的集合。p s e 包含两个最基 本的特征：求解能力、面向问题。p s e 通常的基本结构包括三个层次：应用开 发框架、软件基础设施、算法与系统基础。 目前分布式p s e 研究中的主要问题：1 多用户与协同；2 桌面系统与高性 能计算环境之间的互操作；3 可视化；4 计算的可靠性。 传统的单机版p s e 是指能够提供一组高级工具以解决某一类特定问题的计 算系统。网格环境下的p s e 更强调共享与协同，能通过集成信息和计算，可以 将p s e 看成是具有处理复杂甚至不可解问题能力的分布式系统，其结构应该满 足松散联系的各个团体之间进行分布式软件开发工作的需要，采用非常成功的 库及算法，对新的算法和数据结构可以是“即插即用( p l u ga n dp l a y ) ”。 由于目前国内尚没有比较成熟的分布式p s e ，分析和研究国外这方面成熟 的产品，对于我们开发同类产品具有较大的理论意义和实用价值。t r i a n a 是一 种基于网络的分布式p s e ，它基本实现了分布式p s e 研究中的主要问题。所以 本文的研究目的就是对t r i a n a 这种分布式p s e 进行深入剖析，了解其体系结构， 分析其运行机理，特别是它如何与j x t a ，p 2 p s 以及w e b 服务这三种分布式 计算技术进行绑定的。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章t r i a n a 应用的几种分布式计算技术概述 2 1 什么是分布式计算 分布式计算1 4 】是近年提出的一种新的计算方式。所谓分布式计算就是两个 或多个软件互相共享信息，这些软件既可以在同一台计算机上运行，也可以在 通过网络连接起来的多台计算机上运行。分布式计算比起其它算法具有以下几 个优点： ( 1 ) 稀有资源可以共享； ( 2 ) 通过分布式计算可以在多台计算机上平衡计算负载； ( 3 ) 可以把程序放在最适合运行它的计算机上。 其中，共享稀有资源和平衡负载是计算机分布式计算的核心思想之一 2 2j x t a 技术 j x t a 技术是s u n 微系统公司( s u nm i c m s y s t c m ) 开发的网络编程和计算的 平台，用以解决分布式计算，尤其是点对点计算中出现的问题1 5 1 。 2 2 1j x t a 层次结构 j x t a 层次结构由三层组成，如图2 1 所示。第一层是j x t a 核心层( j x t a c o r c ) ，它包含了服务所需要的核心功能；第二层是服务层( j x t as e r v i c e s ) ，它 提供了访问j x t a 协议的接口；第三层是应用层( j x t aa p p l i c a t i o n ) ，它使用服 务来访问j x t a 网络和j x t a 提供的功能。各层的主要功能如下： 核心层：这一层封装了最基本的东西，包括p e e r 、p e e r g r o u p 、p e e r 发现、 p e e r 通信、p e e r 监视和相关原语。 服务层：这一层包括对于点对点网络不是必需的、但很通用的功能，如查 找、共享、索引、代码缓存和内容缓存的机制。 应用层：这一层包括了应用j x t a 服务开发出来的完整的点对点应用程序， 例如m y j x t a ，j x t a c a d 等应用程序。 8 武汉理工大学硕士学位论文 j x t a c m m 面牡a p p l i c a t i o n ss m ，哺a 喇酬栅l j x r s 嘲i x t a c 啊瑚崩m 酊s e r v k 矗胁) “a i s s c f h i 帷啦ii p e e r c b m m 越l 出 s e r v i c 8f i l e 曲砷唱i 图2 - 1j x t a 层次结构 2 2 。2j x t a 基本概念 p e e r ( 对等节点，对等体) ：p e e r 是一个虚拟的通信点。在一台计算机或者设 备上可以有很多个p e e r ，一个p e e r 并不是一个用户，因为一个用户可以有多个 p e e r ，同一个设备上也可以有多个p e e r 。p e e r 与特定的网络服务联系得很紧， 在j x t a 的参考实现中，p e e r 可以使用网络提供的基本服务，例如集合点服务， 路由服务等，这些基本服务可以提供搜索和通信服务。一般来说，并不是所有 的p e e r 都使用这些服务，它们只使用这些服务的一部分。 p e e r g r o u p ( 对等组) ：对等组是一种组织p e e r 并且发布组内的特定服务的方 式。对等组可以被创建、加入和退出，在一个组里还可以更新一个组成员的关 系。由于一些原因。对等组需要对成员关系进行一些限制a e n d p o i n t ( 端点1 ：在j x t a 应用中，端点是最基本的通信方法。一个端点就 是实现了特定通信协议的p e e r 的地址。一个p e e r 可以有多个端点，这样可以通 过不同的协议来与其他p e e r 通信。端点不一定要是物理地址，可以允许物理地 址发生交化。一个p e e r 可以支持一个或者多个端点。通过使用多种协议，p e e r 可以提供更有效率的方法。 p i p c ( 管道) ：管道是p e e r 之间的虚拟通道。通常我们认为对等通信是节点 之间的直接通信连接，但是也并不是总是这样的，因为有障碍的存在，许多p e e r 并不能直接连接。这时，管道更像一个在多种通信协议之上的虚拟层，可以通 9 武汉理【大学硕士学位论文 过起网关作用的p e e r 对通信提供中继支持。管道是j x t a 最基本、最重要的特 性，它提供了一种很好的方案，使得p e e r 在大多数网络情况下都可以通信，而 不用去管障碍，即使你不知道另外一个p e e r 的位置以及它所使用的协议等信息， 通过管道仍然可以与之通信；管道作为一种抽象的方法，隐藏了一些细节，比 如在多个连接的时候可能会有多个p e e r 参与进去，管道也可以重新定位，找到 原来的p e e r 。 a d v e r t i s e m e n t ( 通告广告1 ；一个通告就是一个x m l 文档，它用来描述j x t a 的消息、p e e r 、对等组或者服务等。通告都遵守编码、标签和内容的标准，用 来交换j x t a 网络上可以获得的任何信息。p e e r 使用一种叫做集合点 ( r e n d e z v o u s ) l 拘特殊p e e r 来发现网络上其他地方的通告。集合点p e e r 存储通告 或者其索引，协助完成j x t a 网络的搜索任务。p e e r 可以使用对等组的名字或 者其他属性来搜寻所在对等组的通告。通告实际上是点对点网络中的“名片”， p 2 p 网络中的任何资源，包括p e e r 、p e e r g r o u p 、p i p e 等都可以用通告来描述。 m e s s a g e ( 消息) ：在j x t a 中，有两种方式来处理消息。一种是使用x m l 格式，数据都遵循x m l 标准被包装到消息里；另外一种是使用二进制格式。 尽管希望对所有的j x t a 消息都使用x m l 格式。可是由于大量的消息需要传送， 使用x m l 格式的消息会导致效率较低，而且由于消息通常是在程序之间传送 的，所以可以规范的消息内容使用二进制的格式，对于其他的仍然采用x m l 格式。 r e n d e z v o u s ( 集合点) ：集合点是特殊的p e e r ，能够处理来自其他p e e r 请求。 集合点也可以将请求委托给其他p e e r ，当然那些p e e r 也必须是集合点。使用集 合点的一个主要目的就是为了方便在本地网络之外搜索通告。集合点通常拥有 很多资源，并且可以存储大量的有关它周围p e e r 的信息。 2 3 p 2 p s 技术 p 2 p s ( p e e r - t o p e e rs i m p l i f i e d ) 6 l 是一个轻量级的结构，用于点对点服务的发 现和基于管道的通信。正如它的名字所指示的，p 2 p s 以提供一个简单的平台为 目标，在这个平台上可以形成点对点风格的应用程序，隐藏别的相似的体系结 构的复杂性，如j x t a 。 由于p 2 p s 结构是基于x m l 的发现和通信，所以它独立于任何实现语言或 武汉理工大学硕士学位论文 计算机硬件。假定合适的p 2 p s 实现存在，它应该能产生一个包含所有的，从 超级计算机等对点到p d a s 等对点的等对点网络。此外。p 2 p s 内的通信不与一 个单一的协议绑定，如t c p i p ，并且消息能通过多种协议进行传递。 2 3 1p 2 p s 概述 非凡的但是备受争议的n a p s t e r l 7 l ，g n u t c l l a 【8 l 和别的p 2 p 文件分享系统的成 功已经证明了p 2 p 体系结构的能力，但是，如分布式系统的管理和控制问题的 轻量级化，依然存在问题。 点对点通常是分布式网络体系结构，在这种结构里，节点能分享资源并扮 演着客户端和服务器端两种角色1 9 , 埘。这种结构已经应用到包括并行计算机，及 时消息和联机游戏的区域，但是这些系统的多数是特定了一个单独的区域。 p 2 p s 是一个轻量级的结构，用来形成点对点风格的应用程序。它的体系结 构来自于j x t a ，并且它的很多功能是j x t a 的子集。不像以前提及的系统，p 2 p s 和j x t a 是基本的p 2 p 结构，p 2 p 结构设计用来适合于不同的应用程序。p 2 p s 和j x t a 提供p 2 p 应用程序需要的基本构想，即服务发现和基于管道的通信。 p 2 p s 和j a 之间存在不同点，如下： ( 1 ) 在j x t a 中有单独的协议用来发布广告和传递查询；在p 2 p s 中，查询 是它自己的广告，因此是作为平常广告来发布的。 ( 比起j x t a ，p 2 p s 提供了一种很有表现力的语言，使用它能使等对点查 询任意类型的广告。 ( 3 ) 在p 2 p s 和j x t a 种，消息可以通过多种协议进行传播。在j x t a 种，路 由的选择用一个x m l 消息信包表示；在p 2 p s 种，消息是一个端点分解器。 ( 4 ) 在p 2 p s 中，所有的服务都是远程实例，用p 2 p s 管道联系；在j x t a 中， 虽然也支持远程实例，但是服务是对等点通过模块实现导入的。 在j x t a 中，模块规范和实现能创建和发现简单的远程服务，但同时也在 x m l 信包里包装消息，这使创建和发送简单消息复杂化。对大多数p 2 p 应用程 序，p 2 p s 提供的功能子集是足够