（计算机应用技术专业论文）开放网格服务架构研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 网格是2 1 世纪发展起来的构筑在互联网上以实现资源可控化共享为目 的的基础设施。它将高速互联网、高性能计算机、大型数据库、传感器等连 接在一起，建立起开放的、面向服务的体系结构，消除资源孤岛，向用户提 供点播式和一站式的服务。网格资源不仅包括计算机、网络、软件等物理资 源，还包括虚拟化的计算、存储和专家等逻辑资源。 基于网格和w 曲服务技术，开放网格服务架构( o g s a ) 是目前最新的 网格体系结构。o g s a 强调的是服务实例的位置透明性和多协议绑定，支持 对本地底层平台设施的集成。o g s a 的诞生标志着网格不再仅仅局限于科学 计算领域，还能够对各种商业应用提供广泛的、基础性的网格环境的支持， 实现更方便的信息共享和互操作。理想的网格计算应类似于当前的w 曲服 务，它可以构建在现有的硬件和软件平台上，为用户提供完全透明的计算环 境。 本文研究分析0 g s a 的设计思想、运行机制以及网格服务所涵盖的相关 技术。详细揭示o g s a 中网格服务的各种机制：f a c f o r y 机制、服务生命周期 管理、句柄和引用管理、服务数据和服务发现、通知机制、改变管理和相关 接口。结合g l o b u s 对构成o g s a 计算环境的核心组件进行研究，考察它们 如何协作为各种应用提供一个动态、虚拟、可控的网格计算环境。最后设计 一个简单管理域内的网格应用原型系统，介绍了该系统的开发过程，给出网 格服务的开发方法，从实践的角度演示了0 g s a 体系结构在网格资源整合方 面的可行性和优越性。 关键词：网格；网格服务；开放网格服务架构；w e b 服务；g 1 0 b u s 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t g r i di st h e2 1 “c e n t l l r ye m e 蟛n gi n t e m e t - b a s e di 世a s 咖c t u r ew h i c ha i m sa t c o n t r o l l a b l ea i l dd y n 锄j cr e s 0 眦es h a r i n g w i t l l h i g hs p e e di n 沱m e t ，h j g h p e 渤m a n c ec o m p u t e r s ，d a t a b a s e s 锄ds e n s o r sc o n n e c t e dt o g e t h e r ，b yv i n u eo f 叩e n a l l ds e i c e - o r i e n t e da r c h i t c c m r e ，i tc a l i i l l t c g r a t c r e s o u r c ei s l a i l d sa n d p r o v i d eo n e - d i c k - i s e n o u 曲o ro n - d e m 她ds e r v j c c sf o ru s e r s r c s o u r c e si n v o l v c d i ng r i da i en o tl i m i t e dt ov a r i o u sp h y s i c a le n 衄c s ；s o m ev j r t u a ii o g i c a lc n t i t j e s s u c h 醛k n o w l e d g e a i l de x p e nr e s o u r c e sa r ca l s oc o m p 彻c n t s0 fg r i d b a s e do n 鲥dt e c h n o l o g ya l l dw e bs c i c e s ，o p c ng r i ds e i c e sa r c h i t e c u t r e ( o g s a ) i sn o wc h ep o p u l a f 狮dd e f a c t os t 柚d 舡d 如r 鲥dd e v e l o p m e ma n d a p p l 妇i o n s i tg i v e se m p h a s i st ol o c a t i 仃孤s p a r e n c y 趾dm u l t i p l cp r o t o c o l b i n d i n g sf o rs e n ，i c ci n s t 姐c e s ，s u p p o n si m c 伊a t i o no ft h e 咖d c d y i n gn a t i v e p l a t f o 皿f a c i l i t i c s n eb i n ho fo g s a i n d i c a t e sm a tg r i dc 柚n o t 衄l yb cu s e di n c o m p l e xa n d1 a 。g e s c a l e s c i e n t i f i c c o m p u d n g ，i tc a na l s op r o v i d ew i d ca n d f i l n d 锄e m a l 鲥dc n v i r o 衄e n tf o rv a r i o u sc o m m c f c i a la p p l i c a t i o n s 砌c hf o c u s o ns e c i l r ci f o 册a t i o ns h 龃i i i ga n di n t 盯a 舐o n a ni d c a l 鲥ds e r v i c cs l l o u l db e s i m i l 缸w i t ht h ec u 玎c n tw c bs c i c e 卸dp r o v i d ct o t a l l yt m s p a r e n tc o m p u t i n g e n v i r o n m e n tf o ru s e r sb ys h i e l d i n gt h ch e t c 吣g e n e i t yo fh a r d w a r c 蛆ds o f t 、 ，a r e p l a t f o m s a tp r e s c n t s t u d i c so ng r i da r cs m l p r o c c e d i l l g ，b u t s o m ei n v 0 1 v e d t e c h n 0 1 0 舀e sh a v ea l r c a d ye m e r c di n t o 童h ed e v c l o p m c n ts t a g e t h i s 也e s i sm a i n l y f o c u s e s0 no g s aa n di t sc o r ct e c l l l l o l o 舀e s ，t h ec o n t c m sa r eo 曙l i l i z e d 髂f o l l o w ： f i r s n y t h em n n j n gm e c h a j l i s mo f0 g s a i sd c s c r i b e di nd e t a i l 卸dm e 柚w h i l ei t s s e i c e 0 f i e n t e dm o d e li s a i l a l y z e d ；s c c o n d l y ，t h e r c a l i z a t i o no f 掣i ds e i c c i n t e r f a c c sa i l d o p e r a t i n g m e c h a i l i 锄o fo g s as u c ha s 、 f a c t o r y l i f c c y d e ，h a n d l c m a p ，s e r v i c cd a t a ，n o t m c a t i o na r c e l a b o r a t c do n ；t h 硼y ，m e k e yc o m p o n c n t s o f 鲥d s c r v i c e a r e a n a l y z e d b a s e do ni t s r e f c r e n c e j m p 】啪e n t a t j o n - g l o b u st d o l b t ； 只n a 】1 y ag r i de 刀v j r 0 姗e n fj n s j m p 】e m a n a g e m e n td o m a i ni sc o n s t n l c l e dw i t hg t 3 ，t h em e c h 卸i s ma n dm e t h o do f 如 j 册p 】e m e n t a t i o na r cj n 打o d u c e df 幻ma 】la s p e c t s ；i na d d j t i o 玎，a no g s aa p p 】j c a 廿0 n p r o t o t y p es y s t e mi sd e v e l 叩e dw h i c hd e m o n s t r a t e st h cf c a s j b i l i t ya n ds u p e r i o r i i y o f0 g s aj nr e s o u r c ei 玎t e g r a t j o n k e y w o r d s ：g r j d ；g r i ds e r v i c e ；o g s a ；、bs e r v j c e s ；g l o b u s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 前言 第1 章绪论 随着网络技术的高速发展，应用需求的日益增长，网格( 鲥d ) 技术应 运而生。它代表了继i n t e m e t 技术和w c b 技术之后的第三次互联网技术浪潮， 引起了政府、学术界和工业界的高度重视。 网格技术的出现为我国提供了一个良好的信息技术发展契机。我国信息 化过程中，一方面信息基础设施不足，另一方面资源浪费、信息孤岛、应用 系统难以互连互通的不合理现象又随处可见。如何充分利用网络中的丰富资 源，方便协同工作，提高应用的质量，减低开发的难度，从而降低信息化的 整体成本，是摆在我们面前急需解决的重大问题。网格以其支持资源共享、 协同工作的固有能力和面向服务的基本特征，提供了解决上述问题的新的技 术手段。 网格不仅仅是一种崭新的计算模式和理念，一项新技术或是一种新方案， 同时它也带来了诱人的i t 市场前景。另外，基于国际开放的标准，出现技术 垄断的概率降低，网格技术为我国r r 行业实现跨越式发展乃至后来居上提供 了千载难逢的机会。 现阶段，结合信息化的应用需求开展网格计算实践是促进我国网格技术 良性发展的有效途径。积极开展网格的基础理论研究和标准化工作对于促进 网格技术的创新发展，使我国在信息化处理能力方面突破时空局限实现质的 飞跃具有重要的战略意义。 1 2 网格产生的背景 3 0 多年来，计算机网络技术，特别是i n t e r n e t 技术已经深入到人类社会 的政治、经济、文化等各个领域，成为人类活动不可缺少的生产和生活工具； 计算机网络技术与网络应用f 在并将继续改变人类活动的模式。1 9 8 9 年出现 的3 w 服务和1 9 9 3 年出现的图形界面浏览器m o s a i c ，使浏览器朋务器 ( b s ) 模式成为目前计算机网络应用的主体模式。山于浏览器界面直观、使 f f ；| 方便，计算机网络逐渐从政府、学界和工业界少数人使用的：1 ：具变为全人 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 类公用的工具和服务手段，网络应用也由此获得一次飞跃。 i n t e m e t 技术的推广与普及进一步促进了计算机网络应用技术的发展，电 子科学( e - s d e n c e ) 、电子商务( e b u s i n e s s ) 、电子政务( e g o v e m m e n l ) 等 应用近年来获得社会越来越多的重视。当单机系统难以满足复杂的大型的科 学计算( 高能物理学、地球观测、天文物理、生物信息学等) 求解的需要时， 人们开始转向研究如何在网络环境中利用多台地理位置上分散的大、中型计 算机协同工作，共同完成复杂的计算，这就是最早促进网格技术研究的动力。 后来，电子商务也提出类似的需求。于是，人们开始设想网络应用资源服务 能否像电力网格( e l e c t i i cp o w e rg r i d ) 为用户提供的即插即用的输电服务一 样方便。这就是计算机网络计算环境中“计算网格”( 简称网格：g r i d ) 概念 出现的背景。 应当指出：网格计算仅在使用方便这一点上借用了电力网格的概念；由 于信息资源的存储与服务系统、资源的描述与表达、提供服务的方式上的千 差万别，信息服务和计算网格与电力网格技术在复杂度上有着巨大的差别。 1 3 网格技术的发展 经过学术界和企业界1 0 余年的研究和开发，网格技术开始成型并继续发 展。如图1 1 所示，这个发展过程可区分为四个不同的阶段。 s 姑 监 赵 罐 雷 g 囊 疰口 j 皿 1 9 9 01 9 9 5 酬1 1网格技术的发腰 2 0 0 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 1 ) 自定义方案 开始于2 0 世纪9 0 年代早期的元计算及相关领域的工作，涉及到针对网 格计算问题开发自定义方案。这个时期的网格都是把超级计算机节点连接起 来，解决通信、资源管理和远程数据管理的问题，为高性能应用提供计算资 源。 ( 2 ) g 1 0 b u s 工具集 从1 9 9 7 年起，开放源码的g l o b u st 0 0 1 】( i t2 ( g t 2 ) 成为了网格计算的事 实标准。这个时期的网格要解决的问题涉及网格的异构性、可扩展性、适应 性等，网格安全也得到了足够的重视。该时期主要工作是支持大规模数据和 计算的中间件的开发，建立面向协议和模块的网格体系结构。 ( 3 ) 开放网格服务架构 2 0 0 2 年出现的开放网格服务架构( o g s a ) 建立在g ，1 2 之上，通过采用 面向服务的结构和w 曲服务技术，o g s a 坚定地将网格计算和广阔的工业界 创新联合起来。明确以实现网格计算这一目标而设计的产品o r a d e1 0 9 的出 现，标志着业界对网格技术商业化的努力达到了一个新的高度。在全球范围 内，以m m 、o r a c l e 、m i c r o s o f t 为代表的系统供应商，以s u 、e m c 、h p 、 i i l t e l 为代表的架构供应商，以p 1 a t f o 姗、a v a l 【i 为代表的中间件及应用供应商， 都己针对网格开发相应的软件。 ( 4 ) 受管理的共享虚拟系统 o g s a 初始技术规范的定义算是向前迈进了一大步，但在完全的网格蓝 图实现之前还有很多事情要做。建立在o g s a 的面向服务基础架构之上，我 们将得到一个扩展的互操作服务集和系统，它们既可以处理大量的实体，也 可以处理小的设备描述，能够增加可视化的程度，提供丰富的共享形式，通 过多种形式的主动管理来增强服务质量。这些工作将在高端科学研究领域方 面产生大量的成果，这些领域诸如p 2 p 系统、基于知识的系统和自治系统。 1 4 目前网格应用的领域 世界各国对网格技术的研究热潮将网格应用扩展到了方方面面，目前主 要的应用领域有以下五个：分布式超级计算、分布式仪器系统、数掘密集型 计算、远程沉浸和信息集成。它们所呈现的特点和发展如下： ( 1 ) 分布式超级计算 分和式j 噎级计算( d i s t r j b u t e ds u p e r c o m p u t i n g ) 是指将分枷在不同地点的 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 超级计算机用高速网络连接起来，并用网格中间件“粘合”起来，形成比单 台超级计算机强大得多的计算平台。事实上，网格的最初设计目标主要是为 满足大规模的计算需求，g l o b u s 正是以此类应用起家。在这个领域中有两个 应用引人关注： 第一个应用是军事仿真项目s fe x p r e s s ，它将大型军事仿真任务分解到 分布式环境中运行，在场景分发、资源配置、资源管理、信息服务、日志服 务、监视和容错等方面，都利用了g l o b u st o o i l 【i t 的动态管理功能。 第二个应用称作数字相对论，它利用网格求解爱因斯坦相对论方程并模 拟出天体的运动规律。该项目使用了4 台超级计算机，并采用了许多措施来 优化分布式计算的整体性能，运行效率由优化前的1 5 ，提升到了优化后的 6 3 。 ( 2 ) 分布式仪器系统 分布式仪器系统( d i s 灯i b u t e dh l s t 兀l m e n t a t i o ns y s t e m ) 是指用网格管理分 布在各地的贵重仪器系统，提供远程访问仪器设备的手段，以此来提高仪器 的利用率并方便用户使用。这个领域有代表性的是美国能源部支持的x p o r t 项目，它基于g l o b u s ，能提供远程仪器使用规划、仪器操作、数据获取、筛 选和分析等功能。它还明显地简化了巨型分子晶体结构的设计和实施，科技 工作者只要用邮包把晶体快递给仪器所在地，就可以在自己的实验室中获取 到晶体内部结构的可视化图像。 ( 3 ) 数据密集型计算 数据密集型计算( d a t ai n t e n s i v ec o m p u t i n g ) 对应的数据网格侧重于数据 的存储、传输和处理。在这个领域独占鳌头的是欧洲原子能研究机构c e r n 所开展的d a t a g r i d 项目，它的目标是处理2 0 0 5 年建成的大型强予对撞机源 源不断产生的p b s 量级实验数据。 ( 4 ) 远程沉浸 远程沉浸( t c l e 1 m m e r s i o n ) 是一种特殊的网络化虚拟现实环境。这个环 境可以是对现实或历史的逼真反映，可以是对高性能计算结果或数据库的可 视化，也可以是某个纯粹虚构的空间。“沉浸”的意思是人可以完全融入其中： 各地的参与者通过网络聚在同一个虚拟空间里，既可以随意漫游，又可以相 互沟通，还可以与虚拟环境交互，使之发生改变。更重要的是，它将“人 机”交互模式扩展成为“人机人”协作模式，不仅提供协同环境，还将对数 据库的实时访问、数据挖掘、高性能计算等集成了进来为科技工作者提供 了一种崭新的协同研究模式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 5 ) 信息集成 网格最早是以集成异构计算平台的身份出现，接着跨入分布式海量数据 处理领域，自然而然地，网格将在信息集成领域展身手。所谓的信息网格， 就是要通过统一的信息交换架构和大量的中间件，向用户提供“信息随手可 得”式的服务。 信息网格研究的中心问题包括：如何描述、存储、发布和查找信息；如 何将异构平台、不同格式、不同表达方式的信息进行转换，实现信息的无障 碍交换；如何充分利用现有网络技术，如h 兀p 、x m l 、w s d l 、u d d i 、s 0 a p 等，构成一个完整的服务链；信息的语义表示，即如何赋予信息以内涵并避 免信息的二义性；如何对信息加密，防止信息泄露，等等。 1 5 我国的网格研究状况 中科院计算所是国内较早从事网格技术研究与开发的单位之一，其所主 导的“国家高性能计算环境”( n a t i o n a lh i g l lp e 面珊a i l c ec o m p u t i n g e n v i m 衄c n t ，n h p c e ) 和“织女星网格”( v e g ag r i d ) 是我国网格项目的先 锋之作。目前我国最主要的五个网格项目是： 国家网格c n g r i d ( 科技部) 中国教育科研网格c h i n a g r i d ( 教育部) e s d e n c c 网格研究计划( 国家基金委) 上海交通信息网格 中国空间信息网格 其中，由8 6 3 计划“高性能计算机及其核心软件”重大专项支持建设的 中国国家网格c n g 棚( c h i f l a n a t i o n a lg r i d ) ，是聚合了高性能计算( t 8 万亿 次聚合计算能力) 和事务处理能力的新一代信息基础设施的实验床。它装备 了自主研制的面向网格的高性能计算机( 联想深腾6 8 0 0 、曙光4 0 0 0 a ) ，包 括香港在内的8 个节点联合构成了丌放的网格环境，借助于自主丌发的网格 软件( c n g r i dg o s ) ，通过资源共享、协同工作和服务机制，可以有效支持 科学研究、资源坏境分析、先进制造和信息服务等应用。由清华、华中科大 等1 2 所高校联合参与的c h i n a g r i d 于2 0 0 5 年1 2 月基本建成，该项目丌发了 一个为各种网格应用提供基础支撑的网格核心中洲件一一c h i n a g r j d 公共支 撑平台( c g s p ) 。c g s p v l o 是遵循o g s a 架构、参照w s r f 规范实现的网 格q _ l 川什，它提供了一套完整的网格服务克撑平台，对教育和科研系统中的 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 各种资源进行整合，屏蔽掉了网格资源的异构性和动态性，为各种科学计算 与工程研究提供高性能的、高可靠的、安全方便的透明网格服务，形成一套 公共网格服务体系。c h i n a g 瑚的五大专业应用也己取得一定进展：一是生物 信息学网格，即用网格实现高校之间生物信息资源共享，如基因序列分析、 匹配等；二是图像处理网格，目前有三维虚拟人的重建、遥感图像处理、医 学图像处理等；三是流体力学网格，主要开展飞行器遗传优化设计、分子动 力学研究、大型地质灾害预测等；四是以数据密集型为背景的海量信息处理 网格，如高能物理数据处理及大学数字博物馆网格等；五是远程大学课程在 线网格，集中了各校的精品教学。 1 6 本文内容安排 本文研究分析了开放网格服务架构( o g s a ) 的设计思想、运行机制以 及网格服务所涵盖的相关技术。详细揭示了o g s a 中网格服务的各种机制： f a c t o r y 机制、服务生命周期管理、句柄和引用管理、服务数据和服务发现、 通知机制、改变管理和相关接口。对构成o g s a 计算环境的核心组件进行研 究，考察它们如何协作为各种应用提供一个动态、虚拟、可控的网格计算环 境。最后设计了一个简单管理域内的网格应用原型系统，介绍了该系统的开 发过程，给出网格服务的开发方法，从实践的角度演示了0 g s a 体系结构在 网格资源整合方面的可行性和优越性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章网格和w e b 服务技术 2 1 网格概念 网格作为一种十分复杂但有着非常强大功能的新技术，它具有新技术的 两个主要特征： 其一，不同群体使用不同的名词来称谓它。 有人把网格看成是未来的互联网技术，称之为“下一代因特网”、“下一 代w c b ”；有人把网格称为“新一代高性能计算技术”，强调在广域环境下的 集合计算能力；有人将网格称为“下一代信息服务技术”，强调信息的自动发 现、收集、处理和利用；也有人将网格加上智能，称为“智能隔格”，如此等 等。 其二，网格的精确含义和内容还没有固定，而是在不断变化。 网格起源于高性能计算，它是高性能计算技术、异构处理技术和元计算 技术等的必然发展产物。随着各种新技术的发展，网格的研究重点集中到智 能信息处理上，主要关注如何消除信息孤岛、知识孤岛，实现信息资源和知 识资源的智能共享。企业界的研究大多集中在尽量利用现有的i n l e m e l w ，e b 技术，将i n t c 丌i e t 上的资源整合成一台超级服务器，有效地提供内容服务、 计算服务、存储服务、交易服务等。根据当前国内外对网格技术的研究状况， 从研究的侧重点来看，网格家族的主要成员有：计算网格、拾遗网格、数据 网格、信息网格、p 2 p 、智能代理、c d n 、w 曲服务、语义网、本体论、s d n 、 e s e i c c 、e s c j o c e 和r t e c 等。 2 1 1 网格的定义 g l o b u s 项目领导人，网格之父1 a nf o s t e r 认为网格必须同时满足蛆f 三 个条件 1 4 1 ： ( 1 ) 在非集中式控制的环境中协同使用资源； ( 2 ) 使用标准的、开放的和通用的协议和接口： ( 3 ) 提供非平儿的服务。 ：j 。认为刚格计算是动卷多机构虚拟组织巾的一个协调的共享资源和解决问题 并认为网格计算是动态多机构虚拟组织中的一个协调的共享资源和解决l 司题 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 的过程。 这一定义无论从范围、程度还是本质上都已经与当前w 曲所关心的互连 问题有了明显的不同，它引入了虚拟组织的概念，资源的范围更加广泛，共 享更具目的性，强调协同解决问题，其问题存在的环境具有异构、分布、动 态、演化等特点。网格的全部核心是分布式计算与资源管理。相对于传统的 分布式计算，网格计算主要侧重于大型的分布式应用，它由许多组织协同完 成。这些组织通过网络计算环境构成一个统一的虚拟组织( r n l a l o r g a i l i z a t i o n ，v o ) 。虚拟组织提供了在个人、机构和资源的集合体间灵活、 安全、平等的资源共享方式。现有的数据共享和互操作方案，比如p 2 p ， c o m d c o m ，c o r b a ，d c e ，j 2 e e 等，在共享配置的灵活性、动态性和共 享资源种类上不能完全满足动态虚拟组织的需要。 同时，网格技术并不试图取代现有技术，而是希望在现有技术之上建立 更高层次的共享。从技术的角度讲，共享是资源或主体间的互操作，比如用 甲计算机的分析程序调用乙计算机的数据库并把图形显示在丙计算机上。要 实现网格环境中的互操作就意味着首先要开发一套支持网格计算的通用协议 ( 如网格计算安全协议、网格计算数据传输协议、网格计算信息获取协议等) ， 用它们来描述消息的格式和消息交换的规则，然后在这些协议之上，开发一 系列支持网格计算的服务( 如网格安全服务、网格信息服务、网格数据传输 服务等) 。 2 1 2 网格的特点 网格的本质特征不在于其规模，而是充分利用网络中的现有软硬件资源， 支持广域环境上的计算、数据、存储、信息和知识资源的共享、互通与互用， 消除资源孤岛，以低成本获得高性能。与其它的系统相比，网格有四个主要 特性：分布与共享；自相似性；动态性与多样性；自治性与管理的多重性。 ( 1 ) 分布性指网格的资源是分布的。不同计算能力的计算机，各种类型 的数据库乃至电子图书馆，以及其它各种分布在不同地理位置的设备与资源， 都是网格资源。分御是网格在物理上的特征，而共享是网格在软件支持下实 现的逻辑上的特征。 ( 2 ) 自相似性是自然界的一种现象，网格的局部和整体之间存在着一定 的相似性，如国家级网格是在省级网格基础上建造的，全校的教学科研网格 町以是各个实验室的小规模的实验网格的联结，每个网格部有管理结点，只 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 是功能强大程度、计算能力不同而已。当然不同级别网格之间必然有其不同 之处。 ( 3 ) 网格是多种资源和服务的汇集，由于资源或服务的动态加入或减少， 使得网格具有动态特性。在网格环境中，存在有不同体系结构的计算机系统 和类别不同的资源，网格必须解决这些不同结构、不同资源之间的通信和互 操作问题，这充分体现了网格的多样性。 ( 4 ) 网格资源的拥有者对该资源具有最高管理权限，网格允许资源拥有 者对它的资源具有自主管理能力，这就是它的自治性。同时，网格资源又是 一个网格的局部，它必然要接受统一的管理，否则，就无法实现共享和互操 作。网格的多重性就体现在自主管理的同时还要接受统一管理。 2 2 网格的系统组成 2 2 1 网格的层次结构 从应用开发者的角度看，网格可分为资源层、中间件层( 网格操作系统 层) 、工具环境层和应用层。 网格应用 开发工具 中间件( 网格操作系统) 土j 超级 可视化 科学计算 语言 统 信任 网 q 地 1 计算机设备 函数库 _ 息务格 资 ji 网络资源 i 资优调 安 、主外矗 工程应用 调试器 源化度全 源 管 管管管 管 w 曲应用w e b 工具理理 理理理 l壁旦星i 三墨墅垫星l塑堡星 i窭塑堡 l 图2 - 1 网格系统结构层次 ( 1 ) 网格资源是构成网格系统的基础设施，主要包括网格结点和宽带网 络系统。网格结点包括各种计算资源，如超级计算机、机群系统、贵重仪器、 可视化设备、现有应用软件、数据库等，这些计算资源通过网络设备连接起 来，具有分布和异构特性。而宽带网络系统是在网格系统中提供高性能通信 的必要手段。 ( 2 ) 网格中间件是指一系列协议和服务软件，其功能是屏蔽网格资源层 中计算资源的分布、异构特性，向网格应用层提供透明、一致的使用接口。 网格中间件也称为网格操作系统，其核心服务包括：网格资源的管理分配、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 信息优化、任务调度、存储访问、安全控制、服务质量( q o s ) 等。还需提 供a p i 和相应的环境，以支持网格应用开发。 ( 3 ) 网格必须提供良好的应用开发工具环境，如c 、c 撑、j a v a 等语言， m p i 、p v m 等应用开发界面，并支持消息传递、分布共享内存等多种编程模 型。 ( 4 ) 网格应用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可视化工具或环境开发各种应用系统。 2 2 2 网格的基本功能 网格中管理的是广域分布、动态、异构的资源。网格系统应屏蔽这些资 源的分布、异构特性，向网格用户提供透明、一致的使用接口。一个理想的 网格系统应类似当前的w e b 服务，可以构建在所有硬件和软件平台上，给用 户提供完全透明的使用环境。为此，网格系统必须提供以下基本功能【1 9 2 0 】： ( 1 ) 管理等级层次。它定义网格系统的组织方式，确定管理层次体系。 ( 2 ) 通信服务。提供不同的服务( 可靠的、不可靠的、点对点和广播方式) 、 通信协议和q o s 支持。 ( 3 ) 信息服务。提供资源的全局访问。 ( 4 ) 名称服务。网格为所有资源提供统一的名称空间，以便引用各种资源。 ( 5 ) 文件系统。提供分布式文件系统机制、全局存储和缓存空间，以支持 文件存取。 ( 6 ) 安全认证。提供登录认证、可信赖、完整性和记帐等方面的安全性。 ( 7 ) 系统状态和容错。提供监视系统资源和运行情况的工具。 ( 8 ) 资源管理和调度。提供透明的资源管理、进程调度。 “ ( 9 ) 资源交易机制。提供一种资源的交易机制，以鼓励不同组织或资源的 拥有者加入网格系统。 ( 1 0 ) 节点自治。允许远程节点加入或退出系统，不影响各节点在本地的管 理和自主性。 。 ( 1 1 ) 编程工具。提供丰富的用户接口和编程环境。 ( 1 2 ) 用户图形界面。提供直观的用户访问接口和可视化工具。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 。3w 曲服务技术 w 曲服务框架的主要目标是在现有各种异质平台的基础上构筑一个通用 的与平台、语言无关的技术层，各种不同平台之上的应用依靠这个技术层来 实施彼此之间的连接与集成，从而实现不同的软件应用之间的互操作。 2 3 1 分布式计算技术概述 ( 1 ) 传统的c h e 吣e e r 结构 最初的计算机系统多是单机系统，用户通过联机终端来相互访问，没有 网络的概念。网络出现之后，产生了c l i e n “s e r v e r 的计算服务模式，它把较 复杂的计算和管理任务交给网络上性能较优的服务器( s e r v e r ) ，而把一些频 繁与用户打交道的任务交给前端较简单的客户机( c l i c n t ) ，多个客户端可以 共享数据库服务器和打印服务器等，实现网络上信息资源的共享。 但是随着网络的进一步发展，许多软件需要在不同厂家的网络产品、硬 件平台、网络协议异构环境下运行，应用的规模也从局域网发展到广域网。 传统的c s 模式在运行效率、网络安全性和系统升级能力等方面的局限性越 来越突出。 ( 2 ) 基于中间件的分布式组件计算 上世纪9 0 年代以来，中间件成为分布式体系应用的关键技术，它与对象 技术的结合，出现了基于中间件的分布式组件技术。中间件是位于操作系统 和应用软件之间的通用服务，它的主要作用是屏蔽网络硬件平台的差异性和 操作系统与网络协议的异构性，使应用软件能够比较平滑地运行于不同平台 上，同时中间件在负载平衡、连接管理和调度方面起了很大的作用，使企业 级应用的性能得到大幅提升满足了关键业务的需求。 基于中间件的分布式组件技术重新调整了客户机与服务器之间的关系， 客户机可以向服务器提出事务请求，同时也可以为下一个请求充当服务器角 色。由中间件来完成客户机与服务器之间的通信，使得服务器对于客户机的 位置相对透明，取消了原有分柿式计算模型中客户机、服务器之问的一一对 应关系，客户机可以在运行时动态获得服务对象的位黉，并且可以对多个服 务对象提交事务请求，因此，极大地推动了分布式计算的发展。 但是，这类系统有一个共同的缺陷：它们无法扩展到互联网上。分靠式 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 组件系统只能在严格管理的网络同构系统如企业内联网中使用，在开放、脆 弱的网络环境如i i l t e m e t 中则缺乏足够的灵活性；它们要求服务客户端与系 统提供的服务本身之间必须紧密耦合，即要求一个同类基本结构，这样系统 往往十分脆弱：一端的执行机制发生变化，另一端必然崩溃；另外，大多数 远程调用规范如c o r b a 的i i o p ，d c o m 的o r p c 以及j a v a 的r e m o t e m e t h o d p r o t o c o l ，在通过企业防火墙时受到限制。因此，解决异构平台上的应用集成 是大势所趋。 2 3 2w 曲服务概述 w e b 服务是一个新兴的分布式计算模式，可以解决异构的分布式计算问 题。w c b 服务定义了如何描述软件组件的方法、如何访问这些组件的方法以 及如何发现和鉴别相关服务提供者的方法【3 2 】。 w 曲服务是封装成一个单一实体并通过网络发布给其它程序使用的一系 列功能集，它是自包含、自描述、模块化的应用，可以发布、定位并通过 w 曲调用。w 曲是为了程序到用户的交互，而w c b 服务是为实现程序到程序 之间的交互，它应用的关键在于程序到程序问的通信模型，该模型建立在现 有和新兴的标准之上，例如：唧、x m l 、s o a p 、w s d l 以及u d d i 。w 曲 服务使应用程序的集成比以前更快、更容易而且更便宜。集成在协议栈较高 层中发生，它基于更注重服务语义的消息机制，从而实现了业务功能的松散 集成。 2 3 3w 曲服务体系框架 w e b 服务采用了面向服务框架( s e r v j c eo r i e n t e d a r c h i t e c t u r e ，s o a ) ，在 s o a 系统中，所有的实体都被封装成服务( s c i c e ) ，一个服务是一个软件 实体，它具有一组定义良好的接口，实现一定的功能并能够被其它的应用程 序调用。从外部使用者的角度束看，w e b 服务具备以下特征： ( 1 ) 完好的封装性：使用者能且仅能看到该对象提供的功能列表。 ( 2 ) 松散祸合：w e b 服务的实现发生变更时，只要w e b 服务的调用界 面不变，调用者不会感觉到。因此，w e b 服务的实现对用户是透明的，甚至 当w e b 服务的实现平台从j 2 e e 迁移到n e t 或者足十日反的迁移流程，用户都 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 可以对此一无所知。 典型的w 曲服务体系如下 图2 - 2 w 曲服务体系 在这里，存在服务提供者、服务注册者和服务申请者三种基本角色。这 三个角色执行三类基本操作：发布、查找和绑定。发布操作使得有关w e b 服 务部件的信息能被别的计算机或程序所了解，是w 曲服务描述广泛传播的基 础；查找操作为计算机或程序查找和了解w c b 服务的内容、所在地和连接方 法提供手段；绑定操作使得w 曲服务部件能够被申请者使用。 2 3 4w 曲服务协议体系 所示 w e b 服务通过一系列标准和协议来保证程序之间的动态连接。如表2 1 7 r o u t i n g ，r e l i a b i l i t y t r 姐s a c t i o n ， w o r l d l o ww s f l 芒 竺 芒 s e r v i c ed i s c o v e r y l | l i 。伊a t i u d d i 吕 【方t s c r v i c ed e s c f j p l i o n唔d l o j = = m e a g i n g s ( 心 a t r a n s p o n h 兀e f r p ，s m t p i n t e 丌 e ti p v 4 i p v 6 表2 1 w 曲服务协议体系 目前开发的w e b 服务的相关标准协议，包括服务调用协议s o a p 、服务 描述协议w s d l 和服务发现集成协议u d d j ，以及服务工作流描述语言 w s f l 等建立在成熟的并且广泛的传输层和网络层协议，如i p 、h t t p 、s m t p 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 等协议之上。更高层的待开发的是关于路由、可靠性以及事务等方面的协议。 右边是各个协议层的公用机制。 w e b 服务是独立的、模块化的应用程序，它之所以能够在网络( 一般是 w w w ) 上被描述、发布、查找和调用，关键在于以s o a _ p 、w s d l 、u d d i 为主的协议族提供了解决w e b 服务的访问、描述和发现的机制。 s o a _ p ( s i m p l eo b j e c ta c c e s sp r o t o c 0 1 ) ：简单对象访问协议描述w 曲服 务之间的消息传递机制，它主要规定了： ( 1 ) 传递消息的格式为x m l ； ( 2 ) 远程方法调用的格式； ( 3 ) 参数类型和订l 格式之间的映射； ( 4 ) 异常处理阱及其它的相关信息。 s o a p 是服务提供者、服务注册者和服务申请者相互通信的工具，它基 于x m l ，用于在网络应用之间交换结构化信息。一个w 曲服务部件一旦建 立，首先要用s o a p 来向服务注册表发布其服务描述。此后，服务注册表、 服务申请者和服务提供者之间的所有交互都将通过s 0 a p 来完成。 w s d l ( w 曲s e i c c sd c s c r i p t i o nl 肌g i l a g c ) ：w 曲服务描述语言是w 曲 s e r v i c e s 的定义语言，它规定了有关w 曲服务描述的标准，使w 曲提供者能 够精确指定它所提供的服务的技术细节。它不仅可以描述服务代码所处的位 置和运行方式，而且可以提供更高层次的信息，例如该服务涉及的业务类型 和关键字等信息。服务申请者通过服务描述提供的信息调用该服务。 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 ya dh t e g r a t i o n ) ：通用描述、发 现和集成协议用于集中存放和查找w s d l 描述文件，起着目录服务器的作 用，它建立w e b 服务部件的目录信息，以便服务申请者查找自己所需的服务。 使用u d d l ，w e b 服务提供者通过注册，便可以用标准方式对它们所提供的 服务进行发布，而客户通过查询就可以获悉各家供应商提供了哪些服务，并 知道为了开发客户端软件，他们需要了解些什么。 2 3 5w 曲服务流程 s o a p 消息和h t r p 协议绑定可以非常方便地穿过防火墙，因此许多w e b 服务都是放在w e b 服务器后面，客户端生成的s o a p 请求被嵌入在一个h 1 t 1 1 p 请求中，发送到相应的w c b 服务器。w c b 服务器接收到来自客户端的w e b 请求之后，把这个请求转发给w e b 服务请求处i 电器。w 曲服务请求处理器解 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 析收到的s o a p 请求，启动w c b 服务，再运行w 曲服务，生成相应的s o j a p 应答，把该应答回送给w 曲服务器。w 曲服务器得到s o a p 应答后，通过 h 1 r p 应答的方式把它送回到客户端，告诉客户端服务结果。图2 3 表示一 个通过h 1 r r p 协议访问的服务。 服 务 请 求 者 图2 3 通过h t l p 访问w 曲服务 w 曲服务的不同阶段采用不同的协议和规范，这些协议和规范共同协作 才能实现整体的功能，图2 4 表示在一个具体的服务过程中各阶段所使用的 协议和规范。 服务开发者 服务请求者 开发井部署：语言+ 网络工具 访问：s q a p 厂、 u 服务提供者 固 绑定 月i f 务发现：u d d l a h 发现返回：w s d l 服务中介 ( u d d i ) 图2 4w e b 服务流程和协议示意图 2 3 6w e b 服务应用结构 注册发布 u d d i a p l w e b 服务应用的一个重要特点是利用桩文件来解释请求并将请求重定向 到合适的目的地。由于桩文件隐藏了w e b 服务的底层实现，从而简化了开发 过程。丌发人员利用接口文件，可以使用工具自动产生程序的桩文件。w 曲 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 服务的应用结构如图2 ，5 所示： 图2 - 5 w 曲服务应用结构 ( 1 ) 用户