（计算机软件与理论专业论文）网格工作流关键技术研究(1).pdf

兰笪上! ! i 鲢壁! ! 查盟塑 塑望 摘要 随着网格研究的深入和网格基础设施的发展，在网格上开发_ r 越来越多的功 能强大、需要大量资源的科学计算和协同应用，很多网格应用也越来越复杂，具 有时问、空间和资源等多种约束。网格工作流能够方便的构建、执行、管理和监 控网格应用，使得网格应用能够自动实施并且效率较高。由于网格的动态性、分 们件、异构性和自治性导致传统工作流的一些方法和技术不能有效的处理| 嘲格环 境中的有关问题，本文根据网格资源和网格应用的特点，对网格工作流的体系结 构、阀格工作流的过程模型、组织资源模型和动态词度算法进行了研究，主要内 容如下： 硎格工作流的体系结构。给出了网格工作流的总体框架，包含网格工作流门 户一、网格l 作流服务管理、网格工作流组织资源管理、网格工作流性能监控和评 估、网格工作流引擎。在传统工作流体系架构中引入了网格服务和性能监控评估， 整个系统框架符合w f m c 和g g f 规范，具有开放性和可扩展性。 网格l 作流的过程模趟。在w f n e t 基础上增加动态元素，并且引入高级p e t r i 的思想，提出了动态工作流网d p e t r i n e t ，能够解决网格工作流过程模型中的规 模问题、动态性问题和选择性问题，通过对d p e t r in e t 的相关性质进行分析和 验证，对于通过动态工作流网构建的过程模型可以充分利用p e t r i 网的分析和模 拟技术；另外提出了一种新的工作流过程挖掘算法，有助于网格工作流的过程建 模和过程进化。 网格： 作流的组织资源模型。分析了网格工作流中基于虚拟组织的组织建 模，定义了虚拟组织中组织成员的各种关系：介绍了网格中的资源管理模型，结 合虚拟组织框架提出了娴格工作流中集成的组织资源模型，给出了有关组织和资 源的动态查询、动态加入、退出算法，有利于网格工作流中对组织资源的管理以 及网格工作流引擎对于网格工作流任务的动态调度。 i 删格工作流的动态调度算法。分析了网格任务的类型、网格任务调度阶段和 调度方法策略，结合网格工作流和网格组织资源管理特点，提出了具有多种调度 策略的网格工作流动态调度算法，利用定义的关键因子、动态因子和优先因子可 以有效的对嘲格工作流任务进行调度执行，利用集成的组织资源模型，可以在网 格【作流任务的调度中支持多种组织资源策略。 嘲格t 作流关键技术砌f 究摘蛰 网格工作流原型系统和相关实验。结合上述研究的内容和方法，在g l o b u s 基础上开发了原型系统，实现了基因排序实验和相关算法的模拟，对实验结果进 行_ 分析比较，具有良好的效果。 度。 关键词：网格工作流，d p e t r in e t ，动态过程模型，组织资源模型，动态渊 一i 塑堡塑垄塑丝查堕壅 堑兰 a b s t r a c t m o r ea n dm o r ep o w e r f u lc o m p u t i n ga n dc o l l a b o r a t i v eg r i da p p l i c a t i o n st h a t r e q u i r e t r e m e n d o u sr e s o u r c e sa r ec o n s t r u c t e da st h eg r i dr e s e a r c h e sa n dg r i d i n f r a s t r u c t u r eg r e a t l ya d v a n c e m a n y a p p l i c a t i o n sa r em o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d w h i c ha r ec o n s t r a i n e db yt e m p o r a la n dr e s o u r c er e l a t i o n s h i p g r i dw o r k f l o wc a n c o n v e n i e n t l yc o n s t r u c t ，e x e c u t e ，m a n a g e a n dm o n i t o r g r i da p p l i c a t i o n s ，a n d a u t o m a t eg r i da p p l i c a t i o n sw i t hg r e a te f f i c i e n c y d u et ot h ed y n a m i s m ，d i s t r i b u t i o n ， h e t e r o g e n e i t y a n d a u t o n o m y o f g r i da p p l i c a t i o n s ，c o n v e n t i o n a l w o r k f l o w t e c h n o l o g y c a n t e f f e c t i v e l y s o l v et h er e l a t i v e p r o b l e m s o fg r i de n v i r o n m e n t a c c o r d i n gt o c h a r a c t e r i s t i c so fg r i dr e s o u r c e sa n dg r i d a p p l i c a t i o n s ，t h et h e s i s s t u d i e sg r i dw o r k f l o wp r o c e s sm o d e l ，o r g a n i z a t i o na n dr e s o u r c em o d e l ，d y n a m i c s c h e d u l i n ga l g o r i t h m t h e d e t a i li sa sf o l l o w s ： g r i dw o r k f l o wa r c h i t e c t u r e t h ea r c h i t e c t u r ei sc o m p o s e do fg r i dw o r k f l o w u s e rp o r t ，鲥dw o r k f l o ws e r v i c em a n a g e m e n t ，g r i dw o r k f l o wo r g a n i z a t i o na n d r e s o u r c em a n a g e m e n t ，g r i dw o r k f l o wp e r f o r m a n c em o n i t o r i n ga n de v a l u a t i o n ，a n d g r i dw o r k f l o we n g i n e t h ea r c h i t e c t u r ec o m p l y i n g w i t ht h es t a n d a r do fw f m ca n d g g fi so p e na n de x t e n s i b l e g r i dw o r k f l o wp r o c e s sm o d e l t h ed y n a m i cw o r k f l o wn e tn a m e dd - p e t r in e t i sp r e s e n t e db a s e do i lt h ew f n e t ，w h i c hi n t r o d u c e st h ei d e ao fd y n a m i s ma n dh i g h l e v e lp e t r i i tc a ns o l v et h ep r o b l e mo f e x p a n s i o n ，d y n a m i s m a n dm u l t i - s e l e c t i o no f g r i dp r o c e s sm o d e l t h eg r i dp r o c e s s m o d e lc o n s t r u c t e db yd _ p e t r in e tc a nb e a n a l y z e da n ds i m u l a t e db yt h ee x i s t e dp e t r in e tt e c h n o l o g ya n d t o o l sa c c o r d i n gt o t h ea n a l y s i sa n dv e r i f i c a t i o no f r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd p e t r in e ta n dp e t r in e t g r i dw o r k f l o wo r g a n i z a t i o na n dr e s o u r c em o d e l t h ev i r t u a lo r g a n i z a t i o ni n t h e g r i d e n v i r o n m e n ti s a n a l y z e d t h er e l a t i o n s h i p o fm e m b e r si nt h ev i r t u a l o r g a n i z a t i o ni s d e f i n e d b a s e do nt h eg r i dr e s o u r c em a n a g e m e n tm o d e la n dv i r t u a l o r g a n i z a t i o nm o d e l t h ei n t e g r a t e do r g a n i z a t i o na n dr e s o u r c e d m o d e li sp r e s e n t e d ， a n dt h e a l g o r i t h m s o fq u e r y i n g ，a d d i n g ，e x i t i n ga b o u tg r i do r g a n i z a t i o na n d 塑竖三堡塑叁墼垫查竺型 塑墨 r e s o m c ea r e p u tf o r w a r d ，t h ei n t e g r a t e dm o d e lc a l lf a c i l i t a t et h e d y n a m i c a l s c h e d u l i n gf o rw o r k f l o we n g i n e g r i dw o r k f l o wd y n a m i cs c h e d u l i n ga l g o r i t h m t h eg r i dt a s k sa r ec l a s s i f i e d t h eg r i dt a s k s s c h e d u l i n gp h a s e sm a dp o l i c ya r ea n a l y z e d t h eg r i dw o r k f l o w d y n a m i cs c h e d u l i n ga l g o r i t h m w i t h m u l t i p o l i c y i s p r e s e n t e d ，w h i c h t a k e c o n s i d e r a t i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fg r i dw o r k f l o wa n d g r i d r e s o u r c e s t h e s c h e d u l i n go fg r i dw o r k f l o wt a s k s e a r lb ee f f e c t i v e l yi m p l e m e n t e db yt h e k e y f a c t o r , d y n a m i cf a c t o ra n dp r i o rf a c t o r g r i dw o r k f l o wp r o t o t y p ea n de x p e r i m e n t s t h ep r o t o t y p ed e v o l o p e dw i t ht h e a f o r e m e n t i o n e da r c h i t e c t u r ea n dt e c h n o l o g yi s i n t r o d u c e d ，w h i c hi s c o n s t r u c t e d b a s e do ng l o b u st o o l s e t t h ee x p e r i m e n to fg e n o m es e q u e n c i n gb a s e do ns h o t g u n a l g o r i t h mi sa n a l y z e da n dt h er e s u l ti sp r o m i s i n g k e y w o r d s ：g r i d w o r k f l o w , d p e t i rn e t ，d y n a m i c p r o c e s s m o d e l ， o r g a n i z a t i o na n d r e s o u r c em o d e l ，d y n a m i cs c h e d u l i n g 上坐塑型笪童差丝墼苎翌堕l 一 笙二童笪笙 1 1 网格 第一章绪论 随着互联删技术的迅猛发展，科学研究和相关应用借助网络环境获得了极人 的进步，同时在互联网上形成了大量以计算机系统为主导的计算资源、存储资源、 数据资源、信息资源、知识资源和仪器设备资源等 1 5 。研究人员试图将这些大 范围地理分布的异构计算机系统和资源整合在一起形成一个大规模的计算平台， 其中每一台参与的计算机或者以一台计算机为中心的资源集合就是一个“节点”， 而许多这样的“节点”便组成“网格”，网格正逐步成为- - 0 0 新的技术和基础设 施，呵以充分利用集成的资源，形成一个大规模的计算池。利用网格的这种超级 处理能力，能够解决以前+ 台高性能计算机无法解决或者不容易解决的大规模科 学计算；利用网格中的共享资源，可以处理需要多种资源、多个系统和多门学科 的参与的重大应用研究问题；网格不但有助于解决物理、天文、生物、工程和模 拟等领域的科学计算问题，同时在商业领域、社会生活和国民经济的各行各业方 山具有潜在的重人影响 1 ，6 。 1 1 1 网格概念 网格( g r i d ) 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， 埘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f 1 1 中定义如f ：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。 l a n f o s t e r 等人在2 0 0 1 年认为 7 】：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。 f o s t e r 给出了判断网格的三原则【8 ：( 1 ) 协调非集中控制资源。网格整合各 科t 资源，协调各种使用者，这些资源和使用者在不同控制域中，网格还要解 决在这种分布式环境中出现的安全、策略、成员权限等问题。否则，只能算 第1 负 q 格1 _ 1 流关键技术 | i f 究 第一章绪论 本地管理系统而非网格。( 2 ) 使用标准、开放、通用的协议和界面。网格建 立在多功能的协泌和界面之上，这些协议和界面解决认证、授权、资源发现 和资源存取等基本问题。否则，只算个具体应用系统而非网格。( 3 ) 得到 非平凡的服务质量。网格允许它的资源被协调使用，以得到多种服务质量， 满足不同使用者需求，如系统响应时间、流通量、有效性、安全性及资源重 定位，使得联合系统的功效比各部分的功效总和要大得多。 中圆科学院计算所所长李国杰院士认为【9 】：网格是继传统凶特网、w e b 之后 的第二次互联网浪潮，可以称之为第三代凶特网应用。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卜所有 资源的全面连通，其巾包括计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信 息资源、知识资源等。 企业界的网格相关研究开发工作中，最重要的就是w e b 服务 1 0 。一些研究 机构和业界联盟已经就几个底层标准协议达成了共识，包括x m l 1 1 】、 s o a p 【1 2 】、w s d l 1 3 】、u d d i 1 4 等。当前w 曲服务服务和网格研究正在走 向融合 1 5 - 1 7 1 ，两个领域的研究在很多方面已达成一致，即将正式公布的 w e b 服务资源框架w s r f ( w s r e s o u r c ef r a m e w o r k ) 1 8 1 是这种融合的一 个见证，同时也是网格研究中一个重要的新起点。w s r f 是一组被提议的 w e b 服务规范，根据特定的消息交换和相关的x m l 说明来定义w e b 服务 资源( w s r e s o u r c e ) 方法的描述。这些规范可以声明和实现w e b 服务和 个或者多个有状态的资源之白j 的关联，描述了定义资源状态的视图以及将它 jw e b 服务说明相关联从而形成w e b 服务资源类型定义的方法，也描述了 如何通过w e b 服务接口来访问w e b 服务资源的状态，并且定义了与w e b 服 务资源分组和寻址相关的机制。 研究者从不同的角度和侧重点，对于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 发展之中的，但是从网格的起源和目的看，网格的本质是“资源共享与协同工作”。 1 1 2 网格特点 虽然网格系统具有分布式的一些特征，但是作为一种新的计算基础设施，网 格具有一些重要的特点，这些特点对于网格构建、网格研究和网格应用有重要的 影响1 1 ，2 , 6 1 。 分御性。组成刚格的资源在地理位置上是分布的，这些资源可能是计算资源， 存储资源，数据资源，仪器资源等等，分布在地理位置不同的许多地方，向 第2 贞 刚格t 作流关键技术研究 第幸绪论 不是集中在起。在这种分布环境f ，需要解决网格资源针对任务的分配和 调度问题、传输和通信问题，人与系统以及人与人之i h j 的交互和协同问题， 网格应用在分布环境中自动执行和协作问题。 异构性。组成网格的资源是异构的，对于计算资源，有不同的类型的计算机， 不同的计算方式，不同的计算接口，不同的系统架构；同样对于存储资源和 其它资源也而临这样的问题。因此网格要具有利用资源的异构特点进行处理 的能力，同时也要具有提供致资源管理的能力。 自治性。网格上的资源首先是属于某一本地的个人或者组织，网格资源的捌 有者对资源具有最高级别的管理权限，网格应该允许资源拥有者对其资源有 自主的管理能力，因此具有自治性。同时这些资源根据一定的约束和规则接 受网格的统一管理，实现资源的共享和互操作，这使得网格管理比一般的分 布式系统更为复杂，具有管理的多重性。 动态型。由于网格中的资源具有自治性，因此网格资源可能动态的加入或者 退出网格，也可能出现故障导致不可用，另外资源的性能情况也可能发生较 大的变化，使得供网格使用的资源也会发生相应的变化。由于网格没有集中 控制能力，凼此对于这种动态性需要有一种机制来保障网格应用的运行不会 遭受比较火的影响。 自相似性。刚格的局部和整体之问存在着一定的相似性，局部在许多地方具 有全局的某些特征，而全局的特征在局部也有一定的体现，网格的构建通过 小的局部网格可以形成更大的网格，其构成方式具有相似性。 1 1 3 网格应用 j 删格最初是从科学计算领域发展而来的，网格利用其整合分布资源的能力在 科学计算方面发挥着重要作用，以前的大部分应用都是在该领域：具体如下 1 ，4 - ， 6 ： 分伽式超级计算。将分布式的超级计算机集中起来，协同解决复杂的大规模 问题，而以前的高性能计算是集中式的，主要靠一个地方的高性能计算机完 成计算任务，因此以前无法或者短期内在一台超级计算机难以解决的问题， 可以采用刚格由多台超级计算机一起来完成。 高吞吐率计算。关注长期的计算量，将大量空闲的计算机资源集中起来，能 够提供长期的计算能力，由于集中的资源较多，即使是部分资源发生故障都能 保证整个网格长期的高吞吐率。 第3 负 一型堂三立垫茎壁羔兰查翌塑堡二兰塑堡 数据密集型计算 1 9 ，2 0 】。由于涉及到海量数据，因此数据的处理分析需要庞 大的计算能力，例如高能物理试验、气象预报都是数据密集型问题，u j 以利 用网格来处理。 随着网格研究的深入和网格应用的发展，网格应用也从科学计算逐步渗透到 应用服务领域，因此产生越来越多的应用服务网格。例如广泛的协同工作、环境 保护、培训和教育、信息集成等。提高或拓展企业内所有计算资源的效率和利用 率，解决以前由于计算、数据或存储资源的短缺而无法解决的问题。同时企业和 组织根据一定的目标和规规构成虚拟组织，通过共享应用和数据来对公共问题进 行合作，整合计算能力、存储和其他资源，使得需要大量计算资源的巨大问题求 解成为可能，通过对这些资源进行共享、有效优化和整体管理，能够降低计算的 总成奉。 网格作为种集成计算资源、通讯资源、存储资源、数据资源和其它资源的 基础设施，现在是建立在互联网和已有的基础设施之上，是一种面向问题和应用 的技术，随着网格技术的不断完善和应用领域的不断扩展，网格可以在更多的领 域得到应用。 1 2 研究背景 对于嗍格研究和应用，不但要充分利用网格来实现资源共享，而且要在这些 资源的基础卜开展协同t 作，使得网格应用能够有条不紊的自动或者半自动执 行，尤其是当网格应用的逻辑过程比较复杂，具有各种时间和因果约束的时候， 更需要有相应的服务和技术来管理这些应用，因此网格工作流也就随着网格研究 的深入和应用的发展而得到了重视。 1 2 1 网格应用需要网格工作流 硎格研究和应用来源于元计算( m e t a c o m p u t i n g ) 【2 1 2 4 ，最初的应用处理模 式相对比较简单，例如将几个大的超级计算节点联合起来，得到更强的处理能力 或者存储能力，共同处理某项科学计算任务；或者类似s e t i h o m e 项目 2 5 ， 将任务划分为许多小的任务，每个任务处理自己的数据和计算，任务之间的关联 较少，任务之间没有复杂的过程，虽然整个任务庞大，需要的计算存储资源多， 数据量大，但是整个任务的逻辑过程相对比较简单，控制比较容易。但是随着应 用的深入和推广，出现了大量的其它领域的网格应用，例如协同工作，具有过程 复杂，涉及到多个步骤、资源和过程，不但需要有大量的计算资源和其它资源， 而且任务的过程也比较复杂，包含很多时间、空间和资源方面的约束条件，如果 州格丁作流咒键控术副f 究 笫一章绪论 利用一般的处理方法，不但效率低下，而且导致某些应用无法完成。需要山网格 ： 作流来对网格应用进行构建、执行调度、管理监控，使得网格应用能够自动化 而日效率更高。 面对刚格研究和应用对网格工作流的强烈需求，一些国际组织和研究机构提 出了一些关于网格工作流的规范建议例如：g s f l ( g r i d s e r v i c ef l o w l a n g u a g e ) 2 6 、g g f ( g l o b a lg r i df o r u m ) 2 7 的g r i dw o r k f i o w 2 8 f f l lg w a ( g r i d w o r k f l o w a r c h i t e c t u r e ) j 2 9 1 、o g s a 中的g r i dw o r k f l o ws e r v i c e s l15 ；同时很多 网格项目也采用工作流和具有工作流特征的服务来管理网格中的应用，提高网格 应用的执行利管理效率，例如：g a l e 3 0 】、p h y g r i d n 3 l 3 3 】、g r i d a n t 3 4 、 m c r u n j o b 【3 5 和g r i d l f o w 3 6 。 由f 网格的动态性、分布性、异构性和自治性导致传统工作流的一些方法和 技术不能有效的处理网格环境中的有些问题。虽然网格工作流与传统工作流中一 样包含四个基本要素：工作流模型、工作流运行支持机制、人和外部程序，但是 与传统工作流拥比主要有以f 不同：基于虚拟组织的工作方式，虚拟组织是松耦 合的，包括多个管理领域和组织，缺乏集中的控制；基于网格服务的应用方式， 根据o g s a 规范，采用一致的网格服务方式来处理各种应用，有效的解决异构 性、分布性和自治性等；网格资源的动态性，导致网格的计算和处理能力随时问 变化，应用性能估计困难：计算型任务多，用户型任务相对较少，网格应用很多 是利用网格的计算资源分布并行运行，但是由于网格的动态性，因此并行任务的 执行效率存在问题。 因此我们看到网格工作流不仪仅是传统工作流技术在网格环境中一个应用， 而是有大量的基本问题需要重新考虑，尤其足针对网格的资源动态性特点和网格 应用的特点，对网格工作流的过程建模问题，组织资源问题，调度算法问题都需 要重新研究和考虑。下面- d , 节中将介绍工作流的一些基本概念和技术，分析传 统工作流巾的一些主要问题。 1 2 2 工作流基本概念 工作流技术 3 7 4 7 】由于能够使过程自动化和协同工作，提高工作效率，凶此 在企业的经营过程重组、电子政务、协同科学研究等领域受了广泛的重视。工作 流是类能够完全或者部分自动执行的经营过程，它根据一系列过程规则，文档、 信息或任务能够在不同的执行者之间进行传递与执行。国际工作流管理联盟 w f m c 定义 3 7 第5 一负 竺塑! 笪型堕! ! 坠查堑塑 笙二里竺堡 “ ：作流是为了实现某些标准或业务目标而进行的自动过程。在这些过程中 文件、信息或任务根据标准或目标的要求在参加者之问传输。大多数工作流都由 汁算机化的信息系统来支持过程的自动执行。” 由此可以看到工作流是一个过程，这个过程由许多彼此相关的工作步( 活动) 组成，来完成特定的业务处理目标。在这个过程中涉及到人、工具和信息。这些 资源按照一定的规则在分布的环境中流转。在工作流管理系统中有四个基本要 素：r 作流模犁、工作流运行支持机制、入和外部程序。工作流模型定义了工作 流运行的规则，工作流运行支持机制根据规则合理地在人和机器之间调度资源共 同完成业务处理的目标。 w i u v f c 给出的关于工作流管理系统的定义是：工作流管理系统是一个软件系 统，它完成工作流的定义和管理，并按照在计算机中预先定义好的工作流逻辑推 进工作流实例的执行。下面我们从工作流管理系统提供的功能和w f m c 定义的 参考模型两个方面对工作流管理系统进行进一步的阐述。 功能模型 【：作流管理系统都提供了三种功能模块( 如图1 1 ) 图i - i ：工作漉管理系统的构成 工作流建立时功能。通过使用一种或多种系统分析、建模和定义工具，把业 务流程从现实世界转化为一个形式化的、计算机可以处理的工作流模型或者 叫流程模板池可以称为过程定义。 运行时实例控制功能。解释过程定义，完成过程的可操作实例的创建及控制， 调度过程中各活动步骤，根据模型来调度一个流程中不同的子任务并且激活 第6 页 上业型! 垄型丝查鲨塑 塑二兰堑堡 相应的人或i t 应用程序。流程控制实际上是由被称为引擎的软件模块束完 成的。 运行时小同的用户及应用的交日功能。主要完成对工作流实例执行过程巾各 种活动的处理。一个流程的子任务通常是由参与人员通过使用一定的i t i 。 具或者涉及信息处理的操作来完成。 工作流管理系统参考模型 随着工作流产品需求的不断扩大，许多公司纷纷推出了不同的工作流产品， 但由j ：各种产品都有自己的协议和接口标准，因而产品之问的互操作性差，为实 现工作流技术的标准化和开放性，w f m c 确立了有关工作流管理系统的一些规 范，提出了通用的工作流管理系统参考模型。这个模型主要描述了一个工作流管 理系统主要的组成部分。各个部分的主要功能将介绍如下： 过程定义。一具：给用户提供一种对实际业务过程进行分析和建模的手段，足 r 作流管理系统中的一个重要组成部分，也是实施工作流管理的起点。借助 于r 作流程定义工具，工作流程将被建立起来，帮助人们理解工作流程元素 间的复杂关系。一旦工作流模型建立起来后，可以通过工作流程仿真功能， 在企业服务处理过程运转之前，按照已制定的各种规则验证其f 确性、完整 性及可操作性。工作流模型的两个主要元素是条件和活动。条件可以是组织 中的。个角色、文档、数据或程序等，条件也是活动的输入或输出：活动一j 以是一项 作或一个事件。 工作流引擎。工作流引擎工具是工作流管理系统的核心，它根据工作流模型 的定义在分布的环境下实现真f 的业务处理过程。具体来说，它具有如下功 能：( 1 ) 解释过程定义；( 2 ) 控制活动的创建、激活、挂起及终止；( 3 ) 在 活动问导航；( 4 ) 人员的到达和离开；( 5 ) 提供用户接口，确定工作项目给 用户并提醒用户工作到达。 f 乍流控制、相关及应用数据。工作流控制、相关及应用数据是在：1 ：作流运 行环境中涉及的数据。他们彼此又有不同。具体说来如下：工作流控制数据 是由工作流颁布服务或工作流引擎管理的数据。它包括：与各过程有关的内 部状态数据，正在执行的活动例程，用于协同和从错误中恢复的检查点恢复 重启信息等。这些数据不能被用户存取或交互，但一些信息内容能为一些特 殊命令提供数据( 例如：查询过程状态等) 。工作流相关数掘是工作流管理 系统用来决定过程实例转换状态的数据。工作流应用数据是应用程序特有的 而不能被工作流管理系统存取的数据。 第7 一负 叫格i + 作流关键技术研究 工作表、工作表句柄及用户接口工作表。工作表句柄及用户接口是与群绀工 作人员相关的元素。工作表中包含工作人员应完成的工作项目。工作流引擎 将工作项月放在工作表中，以使工作表句柄注意。一般晓来对每个用户都有 一一个1 i 作表与之对应，在一些特殊的情况下也有一一个工作组对应一个 _ 作 表。工作表句柄是管理工作组成员与工作流颁布服务交互的软件。它相当于 用户界面与工作流颁布服务之间的桥梁，有时工作表旬柄与用户界面组合在 起。工作表句柄的功能在不同系统中有所不同。在一些简单的系统中它就 仪负责向用户发消息，然后等待用户应答。在复杂的系统中，它还要控制工 作项目在一组工作成员中定位，以提高灵活性。 用户界面。负责与用户对话及控制用户本地操作的界面。有一些系统不提供 统一的用，o 界面而由不同的应用程序的界面组成。 网格环境需要对工作流进行重新研究 围绕着工作流的过程建模、组织建模、资源建模、执行调度、监控管理、模 拟分机、互操作、柔性适应性，工作流研究取得了很多研究成果 3 7 4 9 1 ，但是证 如前面所述，网格特点使得传统工作流不能够在网格环境很好的工作，或者根本 不适用。 从总体架构卜，网格工作流实际卜同样包含前而所述的功能模型，即网格工 作流的建模功能，网格工作流运行阶段的流程控制功能，网格工作流运行阶段不 同子任务的1 j 户或i t 工具的交互功能。从网格工作流管理系统上同样需要网格 工作流流程定义、网格工作流引擎、网格工作流控制及相关应用数据、网格 。作 流用户接ii 。但是还有许多需要重新考虑的问题： 从宏观的系统架构看，网格工作流还需要有资源服务管理，虽然网格工作流 r 叮以利用嗍格的资源n 务管理，但是还需要网格工作流能够自己有效的调度 执行、管理监控网格的资源绡务：从系统架构的层次看，网格工作流的体系 结构与网格具有相适应的层次属性，一个大的工作流系统可能由很多相互之 问具有关联的子工作流组织，因此工作流的系统架构方面具有很强的开放性 和可扩展性。 过程模型：网格环境的分布性动态性导致网格应用过程具有一定的动态性， 因此网格应用的过程模型需要具有一定的适应性，能够根据网格资源的动态 变化作出定的反应，这样才能高效的完成任务。 组织资源模型：传统工作流的应用环境一般都在一个组织内部或者跨越几个 组织，组织内部和组织和组织之间可以集中控制，因此对于相应的组织资源 模型能够进行统一的建模和处理，但是在网格环境中，组织和网格都是异构 分布和动态的，虽然网格工作流可以利用网格提供的组织资源管理，但是嘲 格工作流同样需要相应的组织资源机制来保障网格应用的顺利执行。 鹌8 页 尘鲨塑燮壁垫查塑垒 望二翌竺堡 t 作流调度：传统的工作流调度算法一般在组织内部执行，有关组织内部的 资源实时信息能够集中获取，调度比较容易顺利实施，但是网格环境可能需 要处理动态资源信息、复杂组织、多种策略和选择等问题。 1 3 网格工作流研究现状 网格工作流方面的研究主要包括两个方面的内容，一是有关研究组织和联盟 提出的关于恻格工作流的建议和规范，二是一些实际的网格项目和系统采用网格 j 二作流或者具有工作流特征的服务来构建和管理复杂网格应用。 1 3 1 网格工作流规范 g s f l ( g r i ds e r v i c ef l o w l a n g u a g e ) g s f l 2 6 分析了用来w s f l ( w e bs e r v i c ef l o wl a n g u a g e ) 【4 9 1 技术，力图利 用它们结合网格服务( g r i ds e r v i c e s ) 1 6 来解决网格服务流程：g s f l 利用已有 的刚格服务集成新的网格服务，或者成为其它网格服务中的组成部分，描述网格 的执行顺序和网格服务之间的交互。采用w s f l 的思想，描述w e b 服务的流程 语占，采用流程模型和全局模型。流程模型指定了行为的执行顺序和行为问的数 据交换。w s f l 全局模型将w e b 服务操作绑定到由聚集服务定义的操作，包括 导出的操作和生命周期操作。由于网格服务自身的特点，采用w e b 服务的流程 方法不能很好的解决点对点的通信问题，在w s f l 中流程引擎作为桥梁与每一 个w e b 服务通信形成w e b 服务的通信，由于在w e b 服务中通信量不大，没有 什么影响，但是在网格环境中，有可能通信量很大，则w e b 服务引擎成为通信 的瓶颈。因此在g s f l 中要引入点对点的通信，使单个网格服务能够在网格服务 引擎协同卜直接通信，减少网格服务与引擎之间的通信量。 由fg l o b u s 和o g s a 已经成为事实上的标准，网格服务之白j 的通讯是 n o t m c a t i o n s o u r c e s 和n o t i f i c a t i o n s i n k s ，可以实现异步信息的发布，网格服务实 例的f j i 成和定位是r e g i s t e r s 和f a c t o r i e s 服务。 g s f l 是基于x m l 在o g s a 框架下描述工作流规范的语言，采用x m l s c h e m s 定义。整个框架如图1 2 。 g r i dw o r l d l o w g g f ( g l o b a lg r i d f o r u m ) 提出了关于工作流的推荐规范( ( g r i d w o r k f l o w ) ) 【2 8 ， 针对网格环境f 的特征，采用x m l 定义了工作流当中的属性和内容；利用x m l 的规范性、 具支持、环境无关性、支持多种字符集和易读性，在动态异构、分 第9 负 删格t 作流美键技术讲究馏一章绪论 都自主的环境中用x m l 来定义网格工作流。对于网格工作流中的词汇进行了定 义，详细如f ： 控制流( f l o wo f c o n t r 0 1 ) ：任务执行的顺序。 g s f l 定义 l n a m e ，t a r g e tn a m e s p a c e ，s c 。p e l l 导入 1 u s t 时i m p o r t s ；n a m e s p a c e , l l i 服务提供者 i 。i s t o t p r o v i d e r s ：n a m e ，u 。e ，1 l 一活动模型 ：t o f a c f v i t i e s ：n a m e , s o u r c e 组合模黜 导出模型 i = x p o r t e a a c t i v l t l e s a d i v nl n f o n o t i f i c a t l o n c o n t r o lm o d e i d a t am o d e j m o d e l j c o n t r o l i n l i d a t ahd a l a l n o t i f i c a t i o n i c 。n t r o t if d a t a l 吣s l l i n k s 生命周 f j 模型 s e r v i c el i f e c y c l e a c t i v i t yl i f e c y c l e p r e c r e n f 佾ii n k sl p r e c e d e n c e 。帐s l 图1 - 2 ：g s f l 框架 网格输出变量( g r i d o u t p u tv a r i a b l e ) ：采用 v a r i a b l en a m e 形式来定义网格 过稷巾的输出变量。 工作流( w o r k f l o w ) ：标识个工作流，包含属性i d 和c o n t e n t 计算( c o m p u t a t i o n ) ：计算任务：包含属性i n p u t ，i d 和c o n t e n t 。 资源查淘( r e s o u r c e q u e r y ) ：查询刚格活动所需的资源，包含属性i d 和c o n t e n t 。 数据传输( d a t a t r a n s f e r ) ：在网格环境中进行数据传输。 重新启动( r e s t a r t l o o p ) ：根据一系列条件启动个活动。 分之任务( f o r k t a s k ) ：采用分支的方法来执行一个大的网格任务。 软件请求( s o f t w a r e r e q u e s t ) ：完成任务需要的软件。 第1 0 负 州格t 作流关鼬技术研究 第章绪论 描述( d e s c r i p r i o r i ) ：网格活动的描述。 参数( a r g u m e n t ) ：指定应用实例的命令行参数。 资源请求( r e s o u r c e r e q u e s t ) ：资源约束。 资源管理者请求( r e s o u r c e m a n a g e r r e q u e s t ) ：指定本地的资源管理器。 计算属性( c o m p u t a t i o n a t t r i b u t e ) ：为“计算”和“分支任务”指定参数。 环境参数( e n v i m m e n t ) ：指定远程过程的环境变量。 客户端钩子( c l i e n t h o o k ) ：指导工作流引擎返回给客户端的控制。 监控( m o n i t o r ) ：指示工作流引擎监督网格活动的状态。 g w a ( g r i d w o r l d l o w a r c h i t e c t u r e ) g c e ( g r i dc o m p u t i n ge n v i r o n m e n t ) 和g s m ( g r i ds e r v i c em a n a g e m e n t ) 6 ) ? 究小 组提出了一个恻格工作流管理系统的体系结构【2 9 】，指出了网格工作流的生命周 期包含工作流过程描述和验证，工作流实例的执行。g w a 的目标是： 定义了一个网格工作流公开架构，与g c f 和w f m c 一致，采用已经存在的标 准和实践来实现。 确定了在g c f 和其它组织的工作流管理系统的公共特征和区别。 确定了一套研究网格工作流管理的公共问题。 g w a 严格限制讨论架构和机制而不是实现。 g w a 确定了网格工作流生命周期的里程碑：工作流过程描述( w p d ) g l j 建， w p d 的验证，工作流实例描述( w c d ) 创建，实例的执行。g w a 的体系结构 和各部分的关系如图卜一3 所示。 图1 - 3 网格工作流体系结构 嗍格t 作流关键技术研究 第，幸绪论 w o r k n o ws e r v i c e 在o g s a