（计算机应用技术专业论文）网格资源管理模型与分配算法研究.pdf

山东师范人学硕十学位论文 摘要 近年来，科学计算从主机集中方式转移到并行和分布方式。网格成为迅猛发 展的分布式汁算技术，它试图将互联网中所有的资源( 计算资源、存储资源、通 信资源、软件资源、信息资源等) 实现全面共享与协同合作，从而将互联网整合 成一台巨大的超级计算机。作为一个集成的计算资源环境，它能够吸收各种计算 资源，将它们转化成一种随处可得的、可靠的、标准的且相对经济的计算能力， 使人们通过获得网格资源就象用电一样方便。随着当今科技的发展，许多领域对 计算能力的要求越来越高，单台计算机已很难满足计算需求。网格计算技术正是 以满足计算资源和计算能力不断增长的需求而产生的，其最终目标是消除信息孤 岛和资源孤岛。 由于网格是项新的研究领域，网格环境相对于一般网络环境有着更为复杂的 特征，从本质上说，大规模的网格资源具有分布性，共享性，自相似性，动态性， 多样性，自治性与管理的多重性等特点。因此，实现有效的网格计算还有很多问 题需要解决的，具体包括资源调度和管理、系统安全、编程模式、性能评测和数 据存取等。其中，在网格环境罩如何有效地管理和分配资源已成为网格系统的研 究重点之一。由于资源在广域网上的分布性、异构性以及存在着不同的1 字取和花 费模式，使得网格环境下的资源管理变得十分复杂和具有挑战性。 本文试图从网格资源的特点出发，寻求一种更加合理的网格资源管理模型和 更加有效的资源分配策略。 在前人研究的辏础上，主要做了以下研究工作和创新： ( 1 ) 本文介绍了网格的基本概念，特点和应用领域。描述了当前比较流行的 网格体系结构，讨论了目前典型的网格技术与资源管理系统。本文深入地分析了 网格资源管理的现状，总结了目前网格资源管理技术中的不足之处。 ( 2 ) 本文分析了现有的网格资源管理的模型，提出了超市模型，突 了促销 策略因素在网格资源管理分配中的作用及引入超市模型的优点将信誉度高 的节点的目录信息 j 动转发，能实现资源的快速匹配，更高效的分配稀缺资源。 ( 3 ) 本文将信誉度的概念引入到超市模型中，给出了基于信誉度的资源查找 分配算法的描述，j ：把该模型应用到基于网格的中学教育资源共享中。 ( 4 ) 本文把泛洪算法( f 1 0 0 d i n g ) 和基于流言传播机制的算法( r u m ( ) ) 作了分 析对比，并运用网恪建模与仿真工具箱g r i d s i m 对这两种促销算法进 r 了模拟。 实验结果表明，在h 恪环境下，本文提出的算法是可行的，能够改善网格的整体 性能。 关键词：网格、资源管理、超市模型、信誉度、教育资源网格、i ? lo o d i n g 算法、r u m o r 算法 中图分类号：t p 3 9 ： ， 山尔师范人学硕十：学位论文 a b s t r a c t i nt h ep a s tt e ny e a r s ，s c i e n t i 6 cc o m p u t i n gh a u sb e e ns h m i n gf 而mc e n t r i ct 0 d i s t r i b u t e da n dp a r a n e lp a t t e m r e c e n t l y ；g r i di saf a s t d e v e l o p i n g d i s t n b u t e d c o m p u t i n gt e c h n o l o g yw h i c ha t t e m p t st os h a r ea n dc o l l a b o r a t ea l lt h er e s o u r c e so f i n t e m e ti n c l u d i n gc o m p u t i n gr e s o u r s e s ，s t o r i n gr e s o u r s e s ，c o m m u n i c a t i o n r e s o u r c e s ， s o r w a r er e s o u r c e s ，i n f o 珊a t i o nr e s o u r c e se t c s ot h ei n t e m e tb e c o m e sah u g e s u p e r c o m p u t e r a sa ni n t e 黟a t e dc o m p u t i n gr e s o u r c e s ，i t c a j la b s o r ba nk i n d so f r e s o u r c e s ，t h e nt r a n s f o 肌 t h e mi n t o r e l i a b l e ，n o 肌a l a n de c o n o m i c a lc o m p u t i n g a b i l i t i e sw h i c hc a nb eg e te v e r y w h e r e g r i dm a k ep e o p l eu s ei tl i k eu s i n ge l e c t r i c i t y w i t ht h ed e v e l o p m e mo ft h et e c h n o l o gm e r ei sah i g h e rr e q u e s tf o rt h ec a p a c i t yo f c o m p u 向 n m a n y a r e a sa n di ti sd i 伍c u l tf o ras i n g l ec o m p u t e rt oa f - f o r d c a l c u l a t i o n a st h er e s u l to ft h ei n c r e a s i n gd e m a n df o rc a l c u l a t i v er e s o u r c ea n d c a l c u l a t i v ec a p a c i t y ， t h e 酊dc a l c u l a t i n gt e c l l l l o l o g y sf i n a lg o a li st od i s s o l v et h ei n f - o n n a t i o ni s l a n da n dr e s o u i c ei s o l a t e di s l a n d b e c a u s e 鲥di so n eo fn e wr e s e a r c ht e c l l n o l o g ya n di ti sm o r ec o m p l e xt h e n o t h e r s i ne s s e n c e ，l a r g e - s c a l e 鲥dr e s o u r c e si sd i s t 曲u t e da n ds h a r e d ，s e l f - r e s e m b l i n g ， h e t e r o g e n e o u s ，a u t o n o m o u s ，d y n a i l l i ca 1 1 dd i v e r s ea n ds oo n i i lo r d e rt oi m p l e m e n t e 伍c i e n t鲥d c o m p u t i n gm a n yp r o b l e m sm u s tb e s o i v e di n c l u d i n gr e s o u r c e m a l l a g e m e n ta n ds c h e d u l i n g ，s y s t e ms e c u r i t y p r o 铲a m m i n gs c h 锄e ，p e r f 0 m l a n c e e v a l u a t i o n ，d a t aa c c e s se t c a m o n gt h e m ，r e s o u r c e sm 锄a g e m e n ta n da l l o c a t i o nu 1 1 d e r g r i de n v i r o n m e n t si so n eo ft h ek e yr e s e a r c hf i e l d so fg r i ds y s t 锄s t h ea n i c l ei sl o o k i n gf o ram o r er e a s o n a b l e 鲥dr e s o u r c e sm a i l a g e m e n tm o d e l a 1 1 dm o r ee m c i e n ts c h e d u l i n gp o l i c yb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f 酣dr e s o u r c e s 1 n a d d i t i o n ，s a l e sp r o m o t i o np o l i c i e so fr e s o u r c e sa 1 1 0 c a t i o na 佗r e s e a r c h e d b a s e do np r e v i o u sr e s e a r c h ，t h em 旬o rr e s e a r c hw o r k sa l l di n i t i a t i v ep o i n t si nt h i s a r t i c l ea r ea sb e l o w ： f i r s t ly ，t h eb a s i cc o n c 印t s ，c h a r a c t e r sa l l da p p l i c a t i o nf i e l d so f 鲥da r ei n t r o d u c e d ，t h 朗s e v e r a lp o p u l a rg r i di n 仃a s t l l j c t u r e s a r ed e s c r i b e d ，a n ds e v e r a lt i p i c a lg d t e c h n o l o g ie s a n dr e s o u r c e sm a n a g e m e n ts y s t e m sa r ed i s c u s s e d t h i sa n i c l eh a s m o r o u g h l ya n a l y z e dt h ep r e s e n ts i t u a t i o na i l ds u m m a r i z e dm ed e f i c i e n c yo ft h e 鲥d r e s o u r c em a n a g e m e n t t h e ns o m ep r e s e n tm o d l e so f 鲥dr e s o u r c e sm a n a g e m e n th a v e i l l u s t r a t e da n ds o m e 西dr e s o u r c e sm a n a g e m e n tc h a r a c t 甜s t i c sh a v ed i s c u s s e d s e c o n d l y ，b a s e0 nt h ep r e s e n tr e s o u r c e sm 锄a g e m e n tm o d l e s ，s u p e n m r k e tm o d e l i sp r o p o s e da n di t sv i r t u ei s s o m ed i r e c t o r i e si n f o r m a t i o no nt h eh i g ht n l s tp e e r a r et r a n s m i t t e do ni t so w ni n i t i a t i v e ，s or e s o u r c e sa r em a t c h e dq u i c k l y r a r er e s o u r c e s 剐ed i s t r i b u t e de 踊c i e n t l y t h i r d l y ，t h ec o n c 印to ft t l j s ti si n t r o d u c e dt os u p e m a r k e tm o d l e ，a n dt h er e s o u r c e s s e a r c ha i g o r i t h mb a s eo nt h et r u s ti sd e s c r i b e d l a s t l y ；i ti sc o m p a r e df l o o d i n ga l g o r i t h mw i t hr u m o ra l g o r i t h m g r i d s i m ，ag r i d m o d e l i n ga n de m u l a t i o nt o o l k i t ，i si n t r o d u c e di n d e t a i l s w i t ht h eh e l po fi t ，t h e e m u l a t i o no fs a l e sp r o m o t i o na l g o t h m sa r er e a l i z e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得( 注：如 没有其它需要特别声明的，本栏可空) 或其它教育机构的学位或证书使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作一：皂旆锋 翩嫁 学位论文版权使用授权书 女1 才嚆 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权堂撞可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在 解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 己旃啐 导师签字： 蛳蹑 签字日期：2 0 0 8 年4 月8 签字f 1 期：2 0 0 8 年4 月8 日 山尔师范人学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 研究对象、目的和意义 网格是新一代的互联网，给用户提供异构资源的非平凡共享的标准化的基础 设施，它试图将整个网络资源整合成一台巨大的超级计算机与巨型资源池。 中国科学院院士李国杰认为，网格( g r i d ) 实际上是继传统的因特网 ( i n t e r n e t ) 和力维网( w o r ldw i d ew e b ) 之后的第三次浪潮，可以称之为第三代因 特网。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 试图实现互联网上所有资源的全面连通，其中包括计算资源、存储资源、通信资 源、软件资源、信息资源等。网格“在动态变化的多个虚拟机构间共享资源和协 同解决问题幢1 。一 网格界的权威i f o s t e r 给出了网格的描述性定义：“网格是构筑在互联网 上的一组新兴技术，它将高速互联网、计算机、大型数据库、传感器、远程设备 等融为一体，为科技人员和普通老百姓提供更多的资源、功能和服务。互联网主 要为人们提供电子邮件、网页浏览等通信功能，而网格则能提供更多更强的功能， 它能让人们共享计算资源、存储资源和其它资源。 口1 因此，很多人认为网格就 是一个集成的计算与资源环境，或者说是一个计算资源池。当然网格还有一些其 它不同的定义，这是从不同的角度和侧重点看待和研究网格而产生的。 资源管理是网格计算的核心问题，它包括资源的组织、定位、发现、调度、一 分配、确认、进程创建以及准备等活动。如何在动态异构的网格环境下实现资源 的有效管理是网格计算面对的根本问题。网格计算下的资源管理是针对资源的分 布性、存取的普适性，进行跨多个管理域的资源管理，以及资源的定位、查询、 更新。在传统的单计算机系统和机群系统中，计算资源的分布比较集中，在使用 资源之前可以快速、可靠的进行资源定位，资源的查找操作对计算性能的影响很 小。在网格计算中，由于资源的广域分布以及现有i n t e r n e t 存在的带宽和延迟 限制以及网络的不可靠性，j 域范围内的资源查找将在很大程度上影响计算的性 能。因此，我们需要一种有效的资源分配算法来解决广域资源的快速定位问题。 从微观角度而舀，资源 ；理体系结构和应用调度机制会对计算网格心用执行 的效果产生重要影响。从宏观角度而言，资源管理问题的有效全面解决足计算网 格走向实际应用的一个关键i 久l 素。因此，对计算网格资源管理和分配问题的研究， 及当日矿和未来计算网格的发j 琏和应用，都具有重要的理论意义和巨大的实践价 值。 1 2 网格资源管理研究的不足之处 网格领域的大镀算法和协议都假定参加者被动地执行事先设计的算法，而f i 山东师范人学硕十学何论文 存在自己的个人意愿。然而，对于基于i n t e r n e t 的网格计算平台，该假设在很 大程度上不成立。参加者都是具有理性的自由个体，j 追求自己利益的最太化，姻 而认为所有的参与者都尽力实现自己的利益更为合理。尽管g 1 0 b u s 等网格项目 对网格应用提供了较好的支持，但是包括g 1 0 b u s 在内的很多网格系统在资源管 理上仍存在以下问题瞄吲： ( 1 ) 对多资源联合分配没有提供支持或支持很弱。这正是网格首要的问题， 目前已有的联合分配方法需要全局系统状态信息，通信开销较大，而且没有很好 地解决如何在分布自主的资源管理决策之i m 实现协调一致的问题，不能确保向用 户提供相互匹配的服务。 ( 2 ) 无法适应资源供需的动态变化。已有的资源管理技术在考虑负载变化 的同时很少考虑资源能力的变化，而网格要求资源管理技术必须要实现对于资源 供需动态变化的自适应，能够在线动态调整资源管理策略。 ( 3 ) 缺乏对资源预约的支持。已有的资源管理技术虽然都追求高服务质量 和资源利用率、尽量降低作、蚴拘平均响应时间，但是并不能保证作业的平均响应 时问能够低到某个具体的程度，因而只能向用户提供尽力而为的服务，没有服务 质量保证机制。 ( 4 ) 资源管理以用户作业为基本对象。资源管理者需要为每一个作业保存 一份调度信息，在进行资源调度时必须同时处理多份这样的调度信息，导致资源 管理的开销大。 ( 5 ) 资源提供者的报酬问题。必须要考虑资源拥有者的利益，对其提供的 资源做出补偿，为其提供共享资源的动机。 1 3 本文提出的解决方案和创新点 截至目前，网格资源模j 鬯的研究多局限于价格机制对市场作用及网格资源的 集中式搜索方面，随着网格计算的高速发展，迫切需要研究出一些新的更加适合 网格体系结构的资源管理分配模型和算法。本文提出的解决方案是模拟现实生活 中的超市来对网格资源进fj ：管理。 ( 1 ) 本文根据当前网懈资源管理相关研究的长处和不足，在已有的基于市场 经济的网格资源管理模型的基础上，提出了超市模型，该模型突出了促销策略等 因素在网格资源管理分配 - 的作用，能够实现网格资源信息双向传递。 ( 2 ) 本文将信誉度的概念引入到超市模型中，给出了基于信誉度的资源查找 分配算法的描述，突出了f j t 销策略在资源管理分配中的作用，并把该模型应剐剑 基于网格的中学教育资源j 匕辛中。相关理论发表于计算机应用研究上。 ( 3 ) 本文采用基于流。i ；f 0 播机制的促销算法，该算法是对泛洪算法中查询清 求的转发策略进行了改进陔观点发表于计算机工程与设计上。 山东师范人学硕十学何论文 1 4 本文组织结构 本文共分八章，各：章安排如下： 第一章介绍了研究对象、目的、意义、创新点及网格资源管理研究的不足之处 第二章介绍了网格的关键技术及几个比较成熟的网格项目 第三章网格环境下的资源管理的理论模型和实验产品 第四章基于超市模型的网格资源管理架构 第五章超市模型在基于网格的中学教育资源共享中的应用 第六章网格资源分配算法在超市模型中的实现 第七章仿真实验 第八章结束语 山东师范人学硕十学位论文 第二章网格技术及其应用 2 1 网格分类和主要研究方向 通常网格系统可以大致分为计算网格( c o m p u t a t i o n a lg r i d ) 、数据网格( d a t a g r i d ) 和服务网格( s e r v i c eg r i d ) 三类幢3 ： ( 1 ) 计算网格是一个能够提供可依赖的、致的、普遍的和廉价的高端计算 能力的硬件和软件底层，有着更高的计算能力。马森大学的研究，网格计算可分 为： 集中式任务管理系统 属于集中式任务管理系统的有s u n 公司的g r i de n g i n e 、l s f ( l o a ds h a r i n g f a c i l i t y ) 、p b s ( p o r t a b l eb a t c hs y s t e m ) 等。 分布式任务管理系统 属于分布式任务管理系统的有g l o b u s 、l e g i o n 和n e t s 0 1 v e 等。集中式系统 由一台计算机统一调度任务，分布式系统任务的加载和运行控制由网格中每台计 算机自行完成。 分布式操作系统 参量分析 资源监测预测以及分布式计算接口 现有的网格计算技术方案主要集中在第一、二类。 ( 2 ) 数据网格是用柬提供从多个广域分布的数据源合成新的信息底层的系 统，典型的应用包括从多个信息源得到相关信息的数据挖掘以及处理分布数据的 各种物理高能实验。 ( 3 ) 服务网格提供单机所不能提供的各种服务，又可以分为需求( o n d e m a n d ) 网格、合作( c o l l a b o r a tiv e ) 网格和多媒体( m u l t i m e d i a ) 网格等。 2 2 网格关键技术 网格的技术目标是实现互连、互通、互操作，一是实现资源共享，二是实现协 同合作。为了达到互连、互通的目的，必须要制定所有人都必须遵从的标准。由 于网格是一个动态性很灶、资源构成复杂、安全问题突出的环境，为了达到“互 操作的目标，必须要研究网格资源动态管理、任务调度、数据管理、信息服务、 安全机制等等。 2 2 1 网格资源管理 从需求角度看，网格资源 理具有以下特点： ( 1 ) 资源搜索速度快。网格资源中，有很大一部分驻留于大型资源库，而仃大 4 山尔师范人学硕十学位论文 型资源库中，对共享资源进行搜索的时问开销直接影响时间性能。所以，提高搜索 速度对于提高网络资源调用的时间性能至关重要。 ( 2 ) 信息传输安全性高。网格资源调用时，信息通过i n t e r n e t 进行传输，传输 的安全性是至关重要的。为此，需要有效的安全协议予以保证。 ( 3 ) 资源传输过程的持续性和稳定性。因为物理网络存在带宽有限、延迟大、 传输状态可变以及稳定性差等缺点，所以需要在信息传输过程中，面对网络传输 状态的变化自动做出相应调整，即具有很好的自适应性。 2 2 2 网格任务调度 网格资源包括计算资源、存储资源和通信资源等。如何使这些资源高效的完 成计算任务是网格的研究重点之一。对于网格用户而言，他向网格系统提交任务， 由网格调度程序按照某种调度策略把提交的任务分配给网格系统中的可用资源。 任务调度包括任务映射和调度两个方面。任务映射是逻辑地为每个任务匹配一个 最合适的机器，以便最小化应用程序的执行时间或完成时间。任务调度则将任务 传输到其映射的机器上运行。 2 2 3 网格数据管理 在现代科学研究和应用领域中，大量的数据是重要的资源，例如全球气候模 拟、高能物理等应用，其数据量l 将达到几十t e r a b y t e 至p e t a b y t e 的级别。广泛 分布的该领域的用户都希望能够访问和分析这些庞大的数据，但由于计算复杂、 计算量大，许多数据分析处理要求千亿次或万亿次规模的计算能力。而现有的数 据管理体系结构、方法和技术l 三经不能满足人们对高性能、大容量分布存储和分 布处理能力的要求。所以，人们提出了数据网格，来解决上述应用所面临的问题。 2 2 4 网格信息服务 随着开放网格服务体系结构c h g s a 的出现，计算网格的研究已开始向服务网格 过渡，由于应用的多样性和复杂性，服务网格的研究面临着空前的挑战。当前网 格信息服务系统旌本上都是对汁算资源、数据资源和网络资源等的管理、注册发 布及资源发现，们这种方式需要做进。步的改进来适应服务刚格的需要。作为网 格核心组件的信息服务，需要彳r 效地对网格资源和服务进行组织和管理，目前国 际上比较流行的信息服务系统_ e 要有g l o b u s 的m d s 和c o n d o r 项目组的h a w k e y e ， 国内有代表性的项目是中国科学院计算技术研究所v e g a 的资源路器，它们当 前主要是面向资源进行组织和i 字理。 5 山东师范人学硕十学何论文 2 2 5 网格安全 网格安全问题是网格讨。算中的一个核心问题。我们都知道，安全与便利是一 对矛盾的结合体。因为在保证网格计算安全性的同时，还必须要尽量方便用户和 各种服务的交互与使用。在设计网格安全机制时特别要考虑网格计算环境的动态 主体特征及复杂性。要保证网格计算环境中不同主体之间的相互鉴别和各主体间 通信的保密性和完整性。基于以上原因，在网格计算环境中，安全问题比一般意义 上的网络安全问题的覆盖面更广。在网格环境中，客户机位于不同的地理空间和 组织，为保证网格实体( 用户、资源和程序) 之间的通信安全、防止篡改、实现组 织中安全机制方面的互操作性，必须解决网格安全方面的问题。 2 3 网格系统主要功能 网格计算环境要求不影响各节点本地管理的自治性，不改变原有的结构，保 证用户和远程节点的安全性，允许远程节点加入或退出系统，尽量使用已存在的 标准的技术，以便与已有的应用兼容，并能提供可靠的容错机制。一个理想的网 格系统应可以构建在当前所有硬件和软件平台上，给用户提供完全透明的计算环 境，它把众多同、异构的资源变成同构的虚拟计算资源后提供给用户。因此，网 格需要有以下主要功能特征n 铂： ( 1 ) 体系结构 定义网格系统的组成方式，说明如何整合现有的自治系统。 ( 2 ) 信息服务 网格的资源是动态变化的，为了任何情况下都能向用户提供资源的全局访 问，需要提供一种能迅速、可靠地获取网格资源、服务、状态的机制，保证所有 用户能使用所有资源。 ( 3 ) 名称服务 如同i n t e r n e t 的d n s 服务，刚格名称服务给网格中所有资源提供统一的名 称空间。 ( 4 ) 安全及授权 安全机制是网格成功的关键，要实现真正的商用，网格必须解决安全问题。 ( 5 ) 系统状态和容错 为了提供一个可靠的、健壮的i 叫格系统，系统应该提供资源监视工具。+ ( 6 ) 资源管理和调度 网格必须对其中的各种资源进i r 有效的管理和调度，且该操作对用户来说是 透明的。 ( 7 ) 计算付费和资源交易 网格需要提供人们共享其资源的动机。同时，资源管理系统根据资源性能价 6 山尔师范人学硕十学位论文 格比和用户需求调度最合适的资源。 8 ) 界面和编程正具口一一i 一： 网格应提供多种工具以构造良好的开发环境，提供直观易用的、与平台无关 的界面。 2 4 网格体系结构 网格体系结构是关于如何建造网格的技术。它给出了网格基本组成与功能， 描述了网格各组成部分的关系以及它们集成的方式或方法，刻画了支持网格有效 运转的机制。网格体系结构必须能够标识出网格的基本组成，能够清楚地说明网 格整体是由哪些关键部分结合在一起形成的，以及对各个部分的功能、目的和特 点等进行清晰地描述，使人们能够了解各个组成部分的作用，并在此基础上，将 这些部分按照一定的方式组织和集成，形成一个具有特定功能的整体对外提供服 务。 到目前为止，比较重要的网格体系结构有两个：一个是f o s t e r 等在早些时 候提出的五层沙漏结构n 引；另一个是在以i b m 为代表的工业界的影响下，在考 虑到w e b 技术的发展与影响后，f o s t e r 等结合w e bs e r v i c e 提出的开放网格 服务结构o g s a ( o p e ng r i ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ) n 钔。 虽然网格计算还没有正式的标准，但g l o b u st 0 0 1 k i t 呻，1 0 1 已成为网格计算事 实上的标准，所有重大的网格项目都是基于g l o b u st o o k i t 提供的协议与服务建 设的。开放网格服务结构o g s a 是g 1 0 b alg r i df o r u m 4 的重要标准建议，被称为 是下一代的网格结构。o g s a 的目的就是要将g r i d 的一些功能融合到w e bs e r v i c e 这个框架中。o g s a 是面向服务的结构，将所有事务( 计算资源、存储资源、网 络、程序、数据等) 均表示成一个g r i d 服务，且每个网格服务都具有标准的接 口，屏蔽了网格服务的具体实现细节，闪而，对用户是透明的。环境中的所有组 件都是虚拟化的，通过提供一个所有g r i d 服务实现基础的一致接口的核心集， 可以使得分级的、更高级别的服务的构建能够跨多个抽象层，以一种统一的方式 进行处理。虚拟化还促使从多个逻辑资源实例到同一物理资源的映射，不考虑现 实的服务组合，以及一个v o 内的基于低级资源组合的资源管理。 2 5 网格的特征 与传统分布式技术相比，网格更强调资源共享和不同资源之间的互操作性。 其特征主要包括n 引： ( 1 ) 自治性与管理的多重性 网格资源首先足属于某个组织或肯个人的，因此网格资源的拥有者对该资源 具有最高级别的管理权限，网格允许资源拥有者对他的资源有自主的管理能力， 这就是网格的自治性。 7 山东师范人学硕士学位论文 网格资源也必须接受网格的统一管理，以便在不同资源之间建立联系，实现 共享和互操作，并作为一个整体为更多的用户提供方便的服务。 因此网格的管理具有多重性：一方面，它允许网格资源的拥有者对网格资源 具有自主性的管理；另一方面，又要求网格资源必须接受网格的统一管理。 ( 2 ) 资源的协同共享 网格计算的目的是资源共享，以消除资源孤岛。这种共享具有协同性，既指 资源使用时不同用户因时间、空间和权限等差异引起的协商，也指通过资源的互 连、组合和协作解决用户需要解决的问题。 ( 3 ) 动态性 网格系统的各个组织的自治性导致了其具有动态性。资源提供者可自由加入 和离开网格环境、替换或升级资源，因而资源状态，包括可用性与运行速度等属 性可能会动态变化。 原来拥有的资源或者功能，在下一时刻可能就会出现故障或者不可用；而原 来没有的资源，可能随着时间的推移会不断地加入进来。网格的动态性包括动态 增加和动态减少两方面的含义。对于网格资源的动态减少或者资源出现故障的情 况，网格能及时采取措施，实现任务的自动迁移，做到对高层用户透明或者尽可 能减少用户的损失。 ( 4 ) 异构性 网格资源是多种多样的，在网格环境中可以有不同体系结构的计算机系统和 不同类型的资源，网格系统能够实现在这些资源之间的通信和互操作，分布的同 种资源在体系结构等多个层次j ：也可能不同。 ( 5 ) 自相似性与适应性 网格的局部和整体之间存j j ：着一定的相似性，局部往往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。大网格在小网格的基础之上 建立起来，大网格主干网要有史大的带宽，只有这样才可以将不同地域的小网格 连接起来提供满意的通信服务：大网格和小网格都有各自的计算中心，只不过在 计算能力上有差异；它们也都需；要管理：市点，只不过大网格的管理节点功能需要 更多、更强大。 各自治组织提供的资源往i i i 已经存n ：于以往的系统中，因而网格技术要大规 模商用还必须提供适应性支持，即必须在尽量不破坏以往系统的前提下为应用提 供单一的分布资源全局视图并f 1 ：聚各种分布的自治资源成为一个统一的环境。适 应性的另一体现是可演化性，即整个坏境可随着网格技术的发展而更新。 ( 6 ) 可扩展性 随着网格系统的完善，资源逐步增多，网格必须能够支持新资源的f i 然加入， 并且可以和原来的资源融合在一起，共i i i _ j 发挥作用，适应规模的变化。网格的扩 展性集中体现在规模、能力和菔容性等儿个方面。 ( 7 ) 容错性 8 山东师范人学硕十学位论文 在广域环境下，网格环境中的协同任务往往需要使用多个共享的相关服务， 网格必须提供一介可靠的容错功能。加。， ( 8 ) 安全性 只有安全问题得到充分的解决，网格才会真币进入同常的商业领域中。在真 正进入商业领域之前，网格系统的安全性问题必须引起足够的重视。和仅限于单 一组织范围的分布式环境不同，网格系统的安全必须支持高度灵活的共享关系定 义和对共享资源的复杂高级控制，以支持细粒度访问控制和单点登录等安全需 求。在帮助用户和服务相互确定对方是否可信赖等方面，网格环境必须扮演关键 角色。这一角色在存在着大量入侵机会的开放环境中起着关键作用，这些机会既 可能来自具有欺诈性的服务，也可能来自于行为不端的用户。 ( 9 ) 通信时间不可预测 由于通信带宽等资源都是共享的，因此通信延迟更为不确定。 2 6 网格发展的现状 2 6 1 国外网格研究现状 ( 1 ) 美国政府用于网络技术的基础研究经费则已达5 亿美元。美国军方正规 划实施一个宏大的网格计划，叫做“全球信息网格( g l o b a li n f o r 胞t i o n g r i d ) ”，预计在2 0 2 0 年完成。 。、 ( 2 ) 英国政府已投资1 亿英镑，用来研制“英国国家网格( u kn a t i o n a l g r i d ) ”。 ( 3 ) i b m 宣布在网格计算领域投资4 0 亿美元，在全球建设4 0 家数据中心。、j 目前i b m 公司正在积极参与g l o b u s 项目相关标准( ，i ：放网格业务构架，o p e n g r i ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ，o g s a ) 的制定工作。 2 6 2 国内网格研究现状 我国的网格研究比国外起步晚，已经完成的网格研究项目主要有中科院的国 家i 矗性能计算环境n h p c e 和清华大学的先进计算基础设施a c i ，正在进行的网 格研究项目主要有织女星网格、上海教育科研网格、c h in ag r i d 和仿真网格等。 中科院计算所为自己的网格研究命名为“织女星网格 ( v e g a g r i d ) ，这个 网格项目的目标是具备以下几种能力：大规模的数据处理能力、高性能计算能力， 以及具备资源共享和提高资源利用率的能力。 教育部早在2 0 0 0 年，就支持李三立院士进j r 先进汁算基础设施a c i 北京、 上海试点工程，取得阶段性成果。教育部要将盯所重点商校的高性能计算机用网 格连接起来，进而建设一个覆盖全1 日主要高校的网格。 2 ( ) 0 2 年底，上海市宣布将投入两个多亿建发e i n s tit u t e ，其中网格是重点， 9 山尔师范人学硕十学位论文 将把上海交大、复旦、华东理工等多所重点高校用网格整合起来，共享资源，协 同教学科研。 2 7 主要的网格项目 目前国际上有影响的几个网格计算研究项目如下： 2 7 1g l o b u s g 1 0 b u s 吗1 是由美国多家院校、科研机构和大公司联合实施的一个研究计划， 目的在于为解决分布协作的超级科学计算问题建立计算基础设施。g l o b u s 软件 系统的核心是g 1 0 b u s 元计算工具集合，它通过一组精确、简明、灵活、方便的 应程序接口为建立一个计算网格提供了所需的各种基本服务。这些基本服务以库 的形式提供给用户，网格应用和工具开发人员可以根据实际需要对系统加以裁 减。因此，g 1 0 b u s 系统可以看成是以基本服务应用程序接口为基础的一个网格 计算框架。 2 7 2l e g i o n l e g i o n n 刚是由美国v i r g i n i a 大学开发的一个面向对象的计算网格软件，它 为地理分布的高性能计算机通过无缝交互实现联合计算提供了软件基础设施。从 用户的观点看，l e g i o n 系统是一个单一的、一致的虚拟超级计算机。一方面， l e g i o n 具有面向对象系统的各种优点，如数据抽象、封装、继承、多态，另一 方面，它难于和传统应用集成的缺点也同样突出。此外，由于其开发语言m p l 的 特殊性，l e g i o n 的移植也棚对困难。 2 7 3d a t a g r i d d a t a g r i d 7 3 的目标是为数据网格技术的发展建立一个研究网络，通过大范围 真实世界里的端到端应用试验的部署，论证数据网格的有效性，并且证明使用低 成本组件构造、连接、管理大量的通用目的、数据集中型的计算机集群的能力。 其基本思想是把生成的海量数据分散到全球的计算机上进行处理，并由全球的物 理学家共同进行分析。 d a t a g r i d 不提供q o s 支持，信息的存储采用基于l d a p 技术的网络目录方式。 在d a t a g r i d 中资源采用周朗“推”方式批量发行，采用基于查询的分布式资源 发现。d a t a g r i d 的调度程序使用的是一一个层次架构并具有可扩展的调度策略。 1 0 山尔师范人学硕+ 学f 妒论文 2 7 4s e t i h o m e 1 。、，。、 加州大学伯克利分校的s e t i h o m e n 叼项目是对等计算的一个成功典范。 s e t i h o m e 是“s e a r c hf o re x t r at e r r e s t r i a li n t e l l i g e n c ea th o m e ( 在家 里寻找外星文明) 的缩写，该项目在1 9 9 9 年初开始将分布于世界各地的2 0 0 万 台个人电脑组成计算机阵列，用于搜索射电天文望远镜信号中的外星文明迹象。 参加的志愿者用自己的计算机在空闲时问运行分析射电望远镜收集的信息片段， 从中寻找宇宙中生命的迹象。项目组称，在不到两年的时间里，这种计算方法已 经完成了单台计算机3 4 5 0 0 0 年的计算量。 2 7 5a p p l e s 加州大学圣迭戈分校开发的应用级调度项目a p p l e s ( a p p l i c a t i o nl e v e l s c h e d u l i n g ) n 引，着重研究和开发在计算网格中调度单个资源的调度代理。a p p l e s 可以与其它的资源管理系统如g 1 0 b u s 、l e g i o n 等共同实施应用任务。在一个 a p p l e s 应用中居于核心地位的是a p p i e s 调度器，a p p l e s 代理嵌入到应用中以 在网格计算环境中进行资源调度，应用单元的实际执行是由本地资源调度器来负 责的。a p p l e s 调度器的缺点是不支持q o s 。 2 7 6n i m r o d g n i l i l r o d g 是一个网格资源代理，由四个关键构件组成：作业管理引擎、调 度器、分派器和智能主体。n i 盯o d g 支持资源的发现、选择、调度与用户作业 在远程资源中的透明运行，其最大特色在于它可根据用户定义的截止期和预算约 束优化调度方案，并可使用一组称g r a c e ( g r i da r c h i t e c t u r ef o rc 0 m p u t a t i o n a l e c o n o m y ) 的资源交易服务管理网格中的资源供求关系。 2 7 7c o n d o r c o n d o r 1 项目是由美国威斯康星大学开发的一个高吞吐量计算环境。c o n d o r 环境遵循的是一种分层的体系结构，c o n d o r 可视为平板结构的计算网格。c o n d o r 使用了混合命名空f h j 的可扩展模式，不支持q o s 其信息存储在不采用l d a p 技 术的网络fj 录中。资源发现基于资源信息周期性的“推”发布和集中式的查询， 其调度程序是集中式的。 2 7 8n e t s 0 1 v e e t s 0 1 v e 陇1 提供基于远程过程调f 目的数值_ ；l 算编程环境。它由三：个部分组 成：服务的请求者、服务调度与维护旨及服务的提供者。n e t s o l v e 提供了独立 山尔师范人学硕十= 学侮论文 于实现语言的计算表达语言，客户端用其表达请求并提交给n e t s o l v e 智能主体， 该智能主体将该请求交给合适的计算资源去处理，相应的负载平衡策略支持尽可 能高效地使用计算资源以确保高性能。n e t s 0 1 v e 使得数值计算类型网格的编程 工作变得十分简单，而且容易跨平台。 g g g ( g r 能tg l o b a lg r i d ) 孑7 弋 计算网格信息网格和知识嘲格商业心用嘲格p 2 p 巨霉一臣池。e 裹 卜l e 9 1 0 nl k n o 霄1 e d g e 卜r t e c - s e t i 蜊 卜n t gl m a n a g e m e n t 卜w e b s e l v i c e 8 卜e n t r 。p 譬：盛麓| 瞄纛她! 卜d a t