（计算机应用技术专业论文）支持网格服务质量的资源分配与管理机制研究.pdf

摘要 摘要 网格做为分布式计算的新兴分支，被认为是下一代互联网。网格利用i n t e m e t 上广泛分布的大量闲置资源来解决大规模分布计算和应用的问题，在分布、异 构和自治的网络环境下构建资源共享和协同计算的虚拟组织，将地理上分布的 各种资源，不仅包括计算、存储、网络、仪器设备等硬件资源，也包括系统软 件和应用软件等逻辑资源，有效地聚合在一起，实现广域的资源共享、协同工 作和联合计算，有效满足大规模计算、海量数据处理和大任务量大用户量的应 用需求。 服务质量( q o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) 作为网格技术研究的重要内容之一， 逐渐成为当前国内外网格研究的焦点。目前网格服务质量的研究集中在资源预 留机制上，资源预留是保障服务质量的有力手段之一，然而，由于网格资源的 动态特性和网格应用的大任务量和大用户量的需求，仅仅使用预留无法满足网 格服务质量的需求，必须对网格环境的动态变化加以考虑，同时，服务质量的 相关管理和控制机制也有待完善。现有的网格技术在服务质量和资源管理的局 限性还表现在其他方面：传统的网格资源描述和资源选择匹配限制很大，传统 的资源匹配是基于属性的字符串资源匹配，在这些系统中，资源属性值的公布 与任务的需求进行比较，由于这种比较需要具有意义并且有效，因此资源的提 供者和使用者必须就资源属性的名字和值进行统一，这种在提供者和消费者之 间精确的匹配和协作使得这种资源匹配系统不够灵活，在添加新的属性和概念 的时候难以扩展，并且，在一个异构的多机构的网格环境中，很难强制统一资 源描述的语法和语义；传统的资源发现使用主要是基于集中式或层次结构模型， 虽然信息服务节点之间的互动能进行信息交换和更新，然而，当网格的规模和 复杂性在不断变化时，数十个至上千节点的动态变化均有可能发生，因此，为 了避免信息服务瓶颈的发生和增加可扩展性，引入分布式的网格资源发现机制 十分必要。 针对以上问题，本文对网格服务质量的规约、q o s 供给与保障、q o s 管理等 各个方面均进行了研究，对现有的网格q o s 供给存在的问题，重点研究和实现 了网格资源的按需分配系统，同时对相关的资源描述与匹配、资源发现、s l a 协 商等内容做了积极的探讨和研究，研究工作取得了如下创新成果： 摘要 提出支持网格服务质量的按需资源分配模型。为了得到服务质量需求、 服务访问流量和资源分配之间的关系，我们提出一个数学模型来进行准 确的定义和分析。该模型分析了网格服务访问流量的特点，使用带推理 的排队算法对网格服务进行分析，并结合了仿真方法做为补充，给出了 在一定条件下，如何根据访问流量的变化来计算资源分配计划，以满足 服务级别保证。 提出基于服务质量的语义资源描述与匹配机制。在网格服务质量和网格 资源的描述与匹配方面，本文引入o n t 0 1 0 9 y 将语义与资源描述结合起 来，使用语义技术能够准确地描述应用与资源、资源与资源之间复杂的 调用和依赖关系，能够应付资源与应用种类繁多、匹配条件不断变化的 网格环境。同时，由于服务质量往往是综合评定，在这样的评价过程中， 需要为不同的因素给定权值，对于不同的应用类型和用户类型，服务质 量因素对他们的重要性区别也是不同的，因此，权值也有差异。另一方 面，网格技术的发展决定了网格中的资源和服务种类十分繁多，并且可 以任意组合，所以，评价模型和权值都要有很高的扩展性。在我们的系 统中，评价模型由q o s 领域知识和用户q o s 偏好选择得来，权值则由 a h p 算法在评价模型的基础上根据用户的选择得到，可扩展性和灵活 性都非常高。 提出集中式与分布式相结合的混合资源发现系统。由网格资源和网格用 户的天然属性，即其所属的组织和本地网络，组成资源管理域，管理域 内部使用集中信息服务；管理域之间使用结构型信息服务，可以是层次 结构也可以是星形结构或网状结构；在支持对等功能的资源提供者之 间，使用对等技术建立基于语义分类的虚拟社区，做为对资源管理域结 构的补充，基于语义分类的虚拟社区支持对等资源管理的资源节点在域 间进行动态组合来达到同类信息聚合和同类资源查找的功能。并给出相 应的系统组织结构与发现算法，仿真实验证明了该系统的有效性和可扩 展性。 同时，本文的按需资源分配原型系统结合以上创新点，使用监控、分析、 计划、行动的循环机制来控制和保障服务质量级别；对于系统的动态资源分配 机制，本文结合预测算法来对其进行支持；对于系统的服务质量需求，本文给 出了对其进行定义的网格的s l a 协商协议，并讨论了s l a 的生命周期和相关内 i l 摘要 容；同时，系统使用了分级服务与推模式相结合的负载均衡调度机制进行资源 调度。仿真实验表明，按需资源分配能有效地满足网格服务质量级别需求。 关键词：网格，服务质量，按需资源分配，资源匹配 i i i a b s 仃a c t a b s t r a c t g r i dh a se m e 唱e da sap r o m i s i n gb r 锄c ho fd i s m b u t e dc o m p u t i n ga r l db e r e g a r d e da st h en e x tg e n e r a t i o ni n t e m e t g d di r a s 仃u c t u r e 衄s p a r e m l yi i l t e g r a t e s g e o g r a p l l i c a l l yd i s t r i b u t e dr e s o l l r c e s i nt h ei n t e m e t ，m a k e si t s e l fe s p e c i a l l ymf o r l a r g e - s c a l e da n dd i 蹦b u t e da p p l i c a t i o n s i nt h ed i 如b u t e d ，h e t e r o g e n e o u sa n d a u t o n o m o u se n v i m n m e n t ，g r i da g g r e g a t e sg e o g m p h j c a l l yh c t e r o g e n e o u sr e s o u r c e s ， i n c l u d ep h y s i c a lr e s o u r c e s ( s u c ha sc p u s t o r a g en e t w o r ka n de q u i p m e n t ) a 1 1 dl o 百c r e s o u r c e s ( e 名s y s t e ms o 行w a r ea n d 印p l i c a t i o ns o f t 、a r e ) ，a st h e n u a l0 娼a 1 1 i z a t i o n t os h a r er e s o u r c ea n dr e a l i z ec o o p e r a t i v ec o m p u t i n g 嘶da i m st os a t i s 黟t b ec r i t i c a l r e q l l i r e m e m s s u c ha s 1 a 略e - s c a l e dc o m p u t i n g ， h e a v e nd a t a p m c e s s i n g a n d 印p l i c a t i o n sw i t l lh u g eu s e r s w i 血t l l ee v 0 1 埘o no fg r i dt e c h n o l o g y ，t l l eq u a l 时o fs e n r i c ea s s u m c ei n c l u d e s s e r v i c el e v e la 伊e e m e ma n d 删砌e n ti sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a l l t 嘶d s e r v i c ep r o v i d e r sn e e dt op r o v i d es e r v i c e s 稍t l lc e r t a i nq u a l i 廿e st os e r v i c ec u s t o m e r s b a s e do ns e r v i c el e v e la g r e e m e n t s t ba c h i e v ea n dm a i l l t a i nr e l i a b l eq u a l i t ) ro fa c e n a i ns e n ，i c el e v e l ，a p p r o p r i a t er e s o u r c e ss h o u l db ea 1 1 0 c a t e d a d v a n c er e s e a t i o n i sa 卯i c a lm e t h o d w h e nu s i n gr e s e r v a t i o n s ，a p p l i c a t i o n su s u a l l yn e e ds p e c i 句 q u a l i t y o fs e n r i c er e q u i r e m e n t sa n dd on o tc h a n g et 1 1 e ms u b s e q u e n t l y b u tg r i d a p p l i c a t i o ns e i c e su s u a l l ye x p e r i e n c ev e r y1 a r g e 仃a 伍cv 撕a t i o n s s o m eo fm e s e v a r i a t i o n sc a nb ep r e d i c t e da 1 1 ds o m ec a n n o t d u r i n gt h e s es u d d e np e a k s ，t l l ec u l t e n t r e s o u r c ea l l o c a t i o n ，w i l i c hi sb a s e do ns o m ea 黟e e ds l aa n dr e s e r v a t i o n ，w i l lr l o tb e a b l et os a t i s 母t h en e wt r a 伍c s e r v i c ec u s t o m e r si n c r e a s i n g l yr e q u i r et h es u p p o r tf o r p e a k1 0 a d s 0 nt l l eo t h e rh a n d ，f i x e d - c 印a b i l 时r c s e r v a t i o n sm a yw a s t er e s o u r c ei n s o m eo c c a s i o n s h e n c ead y 彻m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o na c c o r d i n gt ob o t h 廿l es e r v i c e l e v e ld e m a i l da n dt h er e q u e s tr a t ev a r i a t i o ni sn e c e s s a r y a n dm e r ea r es t i l ls o m e o t h e ri s s u e sa s s o c i a t e d 谢mg r i dq o s t h e r ea r el i m i t i o n sf o 订a d i t i o n a lr e s o u r c e d e s c r i p t i o na n dm a t c l l i n gm e c h a n i s mt om a t c ht 1 1 ec o n c e r tr e s o u r c er e q l l i r e m e n t s b a s e do na 嘶b u t e s ，s ot b er e s 0 1 l r c ec u s t o m e ra n dr e s o u r c ep r o v i d e rh a v et ou 1 1 i f o m t h en a m ea n dv a l u eo fr e s o u r c e 砌b u t e s i tm a k e ss u c hk i l l do fr e s o u r c em a t c l l i n g m e c h a i l i s md i f f i c l l l tt ob ee x t e n d e d t m d i t i o n a lr e s o u r c ed i s c o v e r ys y s t e m sb u i l do n i v a b s 自f a c t c e n 仃a l i z e do rh i e r a r c h ya r c h j t e c t i 】r e w h e nt h eg r i ds c a l ea n dr e s 0 1 l r c en u m b e r c h a n g ed y n a m i c a l l y ，i t si m p o r t a n tt oi n t m d u c e 也ed i s m b u t e dr e s o u r c ed i s c o v e r y m e c h a l l i s mt oa v o i dt h e b o t t l e n e c ko fi i d o m a t i o ns e r v i c e t 1 1 i s 也e s i s p m p o s e dam e c h a n i s m 丽mo n - d e m a n dr e s o u r c ea 1 1 0 c a t i o nt o a d d r e s s 廿1 ei s s u e sj u s tm e n t i o n e d t h ep a p e ri sf o c u so nm eq o sp r o v i s i o n i n g ，a l s o d i s c u s s e sm eq o sa g r e e m e n ta 1 1 dq o sm a n a g e m e n t t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft 1 1 e p a p e rb yw i l i c hs e r v i c el e v e lc a l lb e9 1 l a r a n t e e da r e ： 。 a no n d e m a n dr e s o u r c ea l l o c a t i o nm o d e lt o s u p p o r tg r i ds e i c el e v e l g u a r a n t e ei sp m p o s e d t h em a m e m a t i cm o d e ld e s c r i b e st h et l l e o r e t i c a l r e l a t i o n s l l i pb e 铆e e ns l ar e q u i r e m e n t ，r e q u e s t sa r r i v a lr a t ea n dr e s o u r c e r e q u i r e m e n t t h r o u g hi n 仃o d u c i n gm ei i l f e r e n c eq u e u en e 柳o r k ， t h e r e l a t i o n s h i pi sa n a l y z e d f o rt h ec o m p l e xc o n d i t i o no f 鲥de n v i r o n m e m ，a s i m u l a t i o nm “h o di si m e g r a t e da sa na m e n d e rt ot l l ep o s s i b l ed i s t o r t i o no f t h e o r e t i c a lv a l u e s w i 血t 1 1 i sm o d e l ，廿l er e s o u r c ea 1 1 0 c a t i o np l a l lc a l lb em d e o nm ed y n a m i cc o n d i t i o nt om e e t t h es e r v i c el e v e l 舒眦伽l t e e 。 a no n t 0 1 0 9 yb a s e dr e s o u r c ed e s c r i p t i o na n dr e s o u r c em a t c l l i n g 诵t l lq o s e v a l u a t i o ni si r l 廿o d u c e d 1 ks e m a n t i ct e c h n o l o g yi si r 岫d u c e di n t ot 1 1 e d e f m i t i o na n dd e s c r i 埘o no fr e s o u r c ea n dr e q u i r e m e n t ，t oa d d r e s st l l e c o r n p l e xr e l a t i o n s l l i pb e t w e e ng r i d 印p l i c a t i o na n dr e s o l 】r c e o nt h eo t l l e r h a n d ，血eq o se v a l u a t i o np r o c e s so f c o m p 埘n gm ed i f f b r e n tr e s o l 】r c ew e i g h t r e q u i 崩n e n t si sc o m p l e x t h ea h pa l g o r i t l l i ni si i l t e g r a t e di 1 1 t om er e s o l l r c e m a t c h i n gm o d l l l et od ot 1 1 eq o se v a l u a t i o nb yu s i n gt l l ed o m a i n0 n t o l o g y a i l dd o m a i nb a c k g r o l u l d0 r l t 0 1 0 9 y ，w 量1 i c hm a k e 血es y s t c mf l e x i b l ea 1 1 d e x t e n s i b l e ar e s o u r c ed i s c o v e r ya r c 雠e c t l l r ef o rt 1 1 e c o m p o s i t er e s o u r c e s ，w i l i c h i n t e 伊a t e sc e n t r a l i z a t i o na n dd i s 仃i b u 廿o no 唱a m z a t i o nt y p e ，i si n 打o d u c e d t h eg r i dr e s o u r c e sa n du s e r sc o 衄e c ti m o 鲥db yt 1 1 em a n a g e m e n td o m 血 、i t l lac e n t m l i z e dm e m o d t h er e l a t i o n s h i po ft h em 锄g e m e md o m a i ni s s t n l c t i l r e d a n d 血ev i r t l l a lc o m m l l i l i t i e sb a s e do ns e m a n t i cc l a s s e dr e s o u r c e a r eb u i l d m gt o s u p p o r tt 1 1 e s a m ec l a s s e so fr e s o u r c em e 晤n ga n dt h e 幽肌a t i o na g g r e g a t i o n 1 h es i i l l u l a t i o ne x p e r i e n c ep r o v e dt l l ea v a i l a b i l i t y v a b s 订a c t a r de x t e n s i b i l 时o f t h es y s t e m a d d i t i o n a l l y ，a 1 1o n d e m a i l dr e s o l l r c ea 1 1 0 c a t i o np r o t o 呻es y s t e mh a sb e e n d e s c 曲e da n dr e a l i z e d i nt l l i sm e s i s n l em a p a ( m o n j t o r ，a n a l y z e ，p l a n ，a c t i o n ) 砸n c i p l ei su s e di nt h es ) r s t e mt oc o n 订o la 1 1 dm a n a g et 1 1 eq o so f 卯ds e i c e a p r e d i c t i o nm o d e ll l a sb e e nu s e dt os u p p o nt l l ed y n 锄i cr e s o l l r c ea l l o c a t i o n t h e s l an e g o t i a t i o np m t o c o la l s oh a sb e e nd i s c l l s s e d 丽mm es e n r i c el e v e l r e q u i r e m e n t a n da1 0 a db a l a n c ed 印l o y m e n tm o d e lh a sb e e nu s e di nt b es y s t e m t h es i i l l u l a t i o ne x p e r i i l l e n t ss h o w e dt 1 1 a tt h eo n - d 锄a 1 1 dr e s o u r c ea l l o c a t i o n m e c h a n j s mc a i l 舒i a i 御l t e et 1 1 eq o so f 鲥ds e r v i c e k e yw o r d s ：g r i d ，q u a l i t yo fs e r v i c e ，0 n - d e m a n dr e s o l l r c ea l l o c a t i o n ，r e s o u r c e m a t c l l i n g 图2 1 网格五层沙漏体系结构一1 2 图2 2 网格基础设施概念图解1 7 图2 3e m s 将网格世界分为供给和需求两大部分1 8 图2 4o g s a 中的管理层次2 0 图2 5 服务级别管理模型2 l 图2 6g a r a 体系结构2 8 图2 7g a r a a p i 层次图。2 9 图2 8g 0 0 s m 体系结构3 0 图3 1 按需资源分配系统3 8 图3 2 资源管理域结构4 1 图3 3 基于资源语义分类的虚拟社区结构4 2 图3 4 资源发现伪代码4 4 图3 5 响应率的比较4 4 图3 6 消息数的比较4 5 图4 1 在不同g s r 和请求到达率下随资源实体数变化的服务响应时间5 4 图4 2 按需资源分配架构5 7 图4 3 请求达到率分布服从泊松分布的实验结果6 0 图4 4 请求到达率服从随机分布的实验结果6 1 图4 5 请求到达使用自相似分布的实验结果6 1 图4 6 运行环境。6 3 图4 7o o s 满足率对比6 4 图4 8 完成任务数对比6 4 图6 1 语义资源匹配架构7 8 图6 2 语义匹配性能。8 5 图7 1g r u m b e r 结构图8 9 图7 2s l a 在线协商9 4 x 表2 10 g s a 到w s r f 的演变 表3 1 虚拟社区路由表 表4 1 资源分配模型中的参数 表4 2 按需资源分配结果 表6 1h p c l 的部分描述 表6 2h p c 2 的部分描述 表6 3j o b l 请求的部分描述 x i 1 4 4 2 5 2 6 0 8 0 8 1 8 1 南开大学学位论文电子版授权使用协议 9 6 8 3 0 3 c ( 请将此协议书装订于论文首页) 论文塞蒋网棚晰匆编耨多院城如杌钏磷系本人在 南开大学工作和学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系本作品的唯一作者( 第一作者) ，即著作权人。现本人同意将本作品收 录于“南开大学博硕士学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子 版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全了解直珏态堂图盘垡羞王堡在：使旦堂僮诠塞的筐堡左洼! 同意 南开大学图书馆在下述范围内免费使用本人作品的电子版： 本作品呈交当年，在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及论文全文部分 浏览服务( 论文前1 6 页) 。公开级学位论文全文电子版于提交1 年后，在校园网上允 许读者浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文 在保密期限过后同样适用。 院系所名称：枯皇崩嗣斗窿廖硫 作者签名：枷渤善 学号：汐弓2 弓 ； 日期：洳6 年石月f 日 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：彬冶善 如“年月 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下 内部5 年( 最长5 年，可少于5 年) ；秘密l o 年( 最长1 0 年，可少于l o 年) 机密2 0 年( 展长2 0 年，可少于2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作! 的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标啁。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：协汤薹 秭年6 月厂日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 网格做为分布式计算的新兴分支，其概念最早在2 0 世纪9 0 年代中后期出 现“，最初的目标是计算和数据资源需求强烈的科学应用问题，这些问题的解 决需要比单个管理域中的计算机更多的资源。网格利用i n t e r n e t 上广泛分布的 大量闲置资源来解决大规模计算的问题，在分布、异构和自治的网络环境下构 建资源共享和协同计算的虚拟组织，将地理上分布的各种资源，不仅包括计算、 存储、网络、仪器设备等硬件资源，也包括系统软件和应用软件等逻辑资源， 有效地聚合在一起，实现广域的资源共享、协同工作和联合计算，有效满足大 规模计算和海量数据处理的应用需求，将i n t e r n e t 变为一个功能强大、随处可 用的“虚拟超级计算机”。 网格的原型于2 0 世纪9 0 年代早期以元计算的概念出现，c a s a 3 1 等项目致力 于将分布在美国各地的超级计算机通过高速广域网连接起来，建构g i g a b i t 的 实验床。当时还未用到网格这个名词，而是使用元系统( m e t a s y s t e m ) 和元计算 机( m e t a c o m u p t e r ) 来表示通过网络向用户提供可用的计算资源“1 。随后，i w a y 4 1 项目在1 9 9 5 年为用户提供了一个大型的实验床，通过a t m 网络连接的包括分布 在北美地区1 7 个不同地点的多个超级计算机、高级科研设备和海量存储设备等 资源。 元计算虽然是网格的雏形，但其架构由于缺乏一致的标准仍然可看作一个 大型的集群，其应用范围仍然局限于超级计算机的拥有者，包括一些特殊的国 家部门和专业领域，比如国家安全部门，气象和航天部门等，元计算仍然在权 限和价格方面有很高的门槛。然而，随着科技的发展和计算机技术的不断更新， 更多的商业计算和科研应用也需要高强度的计算能力和数据处理能力来解决问 题，比如量子物理的数据分析、医药开发的合成模拟、跨地域的教育资源共享、 以及市场经济发展的规律演算等等，超级计算机和元计算实验床过高的权限和 价格门槛阻止了他们的进入，因此，人们开始寻找一种普遍的廉价的方式来解 决需要获得高计算能力的问题，i w a y 的成功推动了几个重要的项目，其中就有 1 9 9 7 年的美国国家技术网格( t h en a t i o n a lt e c h n 0 1 0 9 yg r i d ) ，该名字的含义 第1 章绪论 从电力网格而来，以期建构涵盖美国全国范围的高级计算基础设施“1 。 美国芝加哥大学教授，阿岗国家实验室科学家i a nf o s t e r 在1 9 9 8 年出版 了名为“网格：下一代计算基础设施的蓝图”的书，给出了网格领域的基础工 作，并在另一本重要著作计算网格中定义网格为：一个硬件和软件的基础 设施，提供可靠的、一致的、普适和廉价的高端计算能力的访问”1 。同年，g g f ( t h e g l o b a lg r i df o r u m ) 论坛的成立，网格成为学术界研究的热点，很多网格项目 成立并开展研究。 网格建立在元计算技术的基础之上，通过网络连接各种计算资源和设备， 但它是一个更开放的平台，使用网格来获得计算能力和网格资源能力的用户就 像使用电力网获得电力一样方便。然而网格的建构显然比电力网要复杂得多， 电力网中资源和使用方式单一，只需要处理供电不中断和电压的稳定性等问题， 而网格涉及的资源类型多样，包括计算资源、存储资源、网络资源、信息资源 以及各种视觉设备和感应器等等，资源的拥有者分属不同的组织和部门：网格 涉及的应用也多种多样，不同的应用需要不同种类资源的组合使用模式和性能 要求，因此，如何处理具有异构和强动态性的资源以达到各类网格应用的服务 质量要求是网格必须解决的问题。 早期的网格研究多集中研究计算资源的共享和使用，而网格应用对多种资 源的需求为网格研究提出更高要求，需要网格技术对异类、异构的网络资源提 供无缝的共享和集成使用，因此，需要建立开放、可扩展的网络体系结构，以 满足对各类网络资源的共享与集成需求。另一方面，在早期的网格研究中，为 了简化网格应用的开发，许多研究工作致力于以中间件的方式提供网格计算资 源，以提高网格应用的开发、部署和管理效率，解决网格应用的共性问题，例 如g 1 0 b u s o3 ，c o n d o r o3 ，u n i c o r e “”等。但是，这些中间件系统使用独立的核心 协议和不同的方式来实现网格的资源管理、任务调度等功能，不同自治域的网 格资源和不同网格应用系统互相孤立，互操作难以实现，扩展方式的不同也导 致网格系统互连和扩展的困难，这些问题随着网格研究的不断深入日益突出， 跨自治域的资源共享和使用不但没有方便，反而更加复杂，逐渐背离了网格建 立一致的普遍的计算基础设施的初衷。虽然在2 0 0 0 年后，为了解决网格系统互 操作问题而出现了一些研究工作，如c o n d o r g “，g r i p 等，但对有限几个网格 系统的互连研究无法从根本上解决问题，即达到普适、一致和高度可扩展性。 为了解决以上问题，面向服务的网格体系结构出现。w e b 服务技术在近年来 第1 章绪论 得到快速的发展和应用，可扩展标记语言( ) ( m l ) 定义了w e b 服务协议栈，简单对 象访问协议( s o a p ) 提供了w e b 服务的通信机制，w e b 服务描述语言( w s d l ) 提 供了统一的w e b 服务定义方式，面向w e b 服务的商业流程环境语言( b p e l 4 w s ) 。2 3 提供了多个w e b 服务的集成，u d d i ( u n i v e r s a ld e s c r i p t i o n ，d i s c o v e r y i n t e g r a t i o n ) 提供了w e b 服务的注册、发现和绑定机制，包括w s s e c u r i t y 的 w e b 服务安全机制保证了服务交互过程中的安全性，这些开放的协议和标准使 w e b 服务成为广域环境下实现互操作的一种主要机制，在学术界和产业界都得到 广泛认可。网格与w e b 服务技术相结合，利用w e b 服务的开放、一致的标准， 来解决网格中异种异构资源的使用、网格应用系统的互操作、以及标准化和可 扩展等问题。i a nf o s t e r 在2 0 0 2 年提出了开放网格服务体系架构( 0 g s a ，0 p e n g r i ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e ) “，将w e b 服务的互操作模型引入到网格研究中， 确立了w e b 服务技术作为网格资源的新的抽象形式和网格系统构造基础。随后， 基于o g s a 的网格资源管理、任务调度、安全等各方面的研究逐渐展开，在2 0 0 3 年3 月的g g f 7 会议上，o g s a 被确立为网格研究的主流体系架构。随着网格技 术的发展，更多的需求和功能被赋予网格，在计算网格和数据网格的基础上， 服务网格的概念随之提出，网格从学术界的研究变为业界共同支持和研究的方 向。研究网格平台的项目有g t 3 ，i c e n i “4 1 和g r i t “”等，研究网格应用的项目 有英国的e s c i e n c e 网格“，d a t a s y n a p s e “，i b m 的a v a k i 项目“”等等。 i a nf o s t e r 在2 0 0 2 年“”提出动态的多机构的虚拟组织是网格资源使用的逻 辑关系，网格计算关心的是在虚拟组织之间协调资源共享和协同解决问题，即 在一组网格应用参与节点( 资源提供者和消费者) 中协商资源共享管理的能力 和利用协商得到的资源池共同解决问题。这种共享必须被高度控制，资源提供 者和消费者必须清晰详细地定义哪些资源可被共享，可被谁享用，以及共享发 生的条件。用这样的共享规则定义的一组个人和机构，称之为虚拟组织。在这 篇文章中f o s t e r 提出网格的三个关键要素，符合这三个要素的可以称为网格系 统： 1 动态组建虚拟组织：网格根据应用的需要动态整合各种资源，协调各种 使用者，这些资源和使用者属于不同的控制域；网格还解决在这种分布式环境 中出现的安全策略和使用费用等问题。 2 使用统一的标准：网格建立在通用、标准和开放的协议之上，这些协议 与相关的架构和技术解决安全、资源管理和使用、任务调度等基本问题。 第1 章绪论 3 提供非凡的服务质量：网格允许它的资源被协同使用，以得到满足不同 使用者需求的多种服务质量，如服务响应时间、吞吐量、有效性、容错和应用 迁移等，获得比各部分的功效总和要大得多的联合功效。 由此可见，服务质量已成为网格系统的一个重要的指标，除了功能的要求 外，包括服务质量和服务安全的非功能性要求是网格研究的重要议题，已成为 当前国内外研究的焦点。网格服务质量的研究包括很多方面，在面向服务的网 格环境下，网格上的资源、应用都统一为基于w e b 的网格服务，网格资源的共 享和网格应用的集成都通过w e b 服务的形式出现，需要为异构异种的资源能力 描述和服务质量协商制定统一的描述语言；而能否达到用户的需求取决于执行 网格服务时系统所分配资源的多少以及该资源本身的性能，因此，在面向服务 的网格环境下进行网格资源分配管理的研究是服务质量研究的关键内容；同时， 网格系统必须确保用户能通过一个通用协议知道所请求资源的状态和服务期间 的质量；这样一个网格q o s 系统还应该是简单、安全和可扩展的，q o s 机制的加 入必须符合0 g s a 体系架构，而且对未来的应用具有高可扩展性。 而网格环境的特点，分布式、松耦合、动态变化的资源以及不同的应用需 求，使得网格q o s 提供较网络和局域分布计算环境具有更高的复杂性，现有的 网格q o s 机制主要基于底层资源的预约机制和用户优先级划分机制，但由于q o s 机制还未成为实施标准，大多数资源并不支持预约机制；用户的优先级划分也 缺乏商业标准支持。因此，目前网格的q o s 机制还不很适用，同时，相对静态 的预约机制和分级策略对于多种应用需求的支持也远未成熟，基于w e b 服务的 q o s 协议也未制定，那么，研究对目前网格环境适用的、支持多种应用需求的、 提供统一协议的和可扩展的q o s 机制就成为保障网格服务质量亟待解决的问 题。 1 。2 网格服务质量面临的主要问题 1 2 1 网格动态环境下的资源分配 目前，网格资源管理中主要的q o s 机制是资源预留，资源预留”是支持服 务质量( q o s ) 的比较通用的方式。在任务执行之前，先根据应用程序提出的要 求进行资源预留，以保证任务在开始时间获得必要的资源以运行，但是并不保 证任务的完成时间。预留的方式有提前预留、协同预留等。资源预留在任务开 4 第1 章绪论 始执行之前可以被查询、修改或取消，但是，在任务开始运行后，预留的资源 不能被改变。预留功能模块从应用程序哪里获得应用q o s 要求后，通过信息服 务查询、常规启发和应用程序的技术规范信息来映射成资源的q o s 要求。但是 网格服务的访问流量经常变化，有些可以预知，而有些不能预知，当访问高峰 来到时，预留的资源便无法满足需要而导致服务质量无法得到保障，但与服务 提供者签署了s l a 的用户希望能在这些访问高峰时仍然保证s l a 中所规定的服 务质量。另一方面，资源预留在某些情况下，比如访问低谷的时期，则也会造 成资源浪费。因此，根据服务质量要求和访问流量变化进行动态的资源分配和 管理是十分必要的。本文重点对此问题进行了研究，并给出了算法和可行的解 决方案，以及该方案的实现、分析和评价。 1 2 2 资源描述、匹配与发现 网格用来解决多机构虚拟组织之间共享资源和协同工作的问题，往往会加 入各种异类的分布的计算和数据资源，并提供这些资源给不同类的使用者。这 些资源经常属于不同的机构，具有不同的使用策略，或使用权限要求。同时， 网格应用需要特定的资源能力来满足它们的运行要求或性能约束。在一个或一 组资源被分配以运行一个应用之前，用户或代理必须选择适当的资源来满足应 用的需求。现有的网格资源描述和资源选择匹配限制很大，传统的资源匹配， 比如c o n d o rm a t c h i n a k e r “”或者p o r t a b l eb a t c hs y s t e m 啪3 是基于属性的对称资 源匹配。在这些系统中，资源属性值的公布与任务的需求进行比较，由于这种 比较需要具有意义并且有效，因此资源的提供者和使用者必