（通信与信息系统专业论文）基于动态价格机制的网格资源调度算法研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 网格技术是伴随着计算机和网络技术的快速发展而兴起的一种重要信息技 术，它的目标是实现网络虚拟环境下的高性能资源共享和协同工作，消除信息 孤岛与资源孤岛。资源管理系统是网格计算环境最核心的组成部分之一。网格 资源具有分布性、异构性和动态性的特点，且由不同的个人或组织拥有，有着 不同的管理策略，并且网格用户使用网格资源又有各自的服务质量需求，这些 特性使得网格环境下的资源管理和调度十分复杂和具有挑战性。 本文研究了一种基于动态价格机制的网格资源调度算法，主要内容包括： ( 1 ) 研究了网格的基本概念及网格技术的相关理论知识，介绍了虚拟组织 的概念及开放网格服务体系结构o g s a ，介绍了w e bs e r v i c e 技术和w s r f 规范 等相关技术，以及网格的应用。 ( 2 ) 研究了网格资源管理系统，将经济学原理引入到网格研究中，研究了 网格资源管理系统中的经济模型。 ( 3 ) 分析了目前较为常用的网格仿真工具，重点研究了网格建模与仿真工 具包g r i d s i m ，研究了g r i d s i m 中经典的费用最优调度算法和时间最优调度算法。 ( 4 ) 提出了一种网格资源动态价格调节机制，给出了网格资源的中心价格、 价格波动因子、价格的生存周期等概念，提出了网格资源的负载率、网格系统 的负载均衡率两个衡量指标。 ( 5 ) 提出了网格资源动态价格机制下的费用最优调度算法和时间最优调度 算法。 ( 6 ) 利用g - r i d s i m 工具包对基于动态价格机制的资源调度算法进行了模拟 仿真，给出了单用户和多用户情况下的多种仿真实验结果，并与经典的费用最 优调度算法和时间最优调度算法进行了比较。 仿真实验结果表明，本文提出的动态价格机制下的费用最优调度算法和时间 最优调度算法是可行的，能够明显改善网格的性能，解决了网格资源的负载不 均衡这一问题，并且提高了任务的完成数。 关键词：网格，资源调度，经济模型，g r i d s i m ，动态价格 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t g r i dt e c h n o l o g yi sag r o w i n gi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , w h e r et h a tt h em a i n p u r p o s eo fg r i di st or e a l i z er e s o u r c es h a r i n ga n dc o l l a b o r a t i v ew o r k i n gi nv i r t u a l n e t w o r ke n v i r o n m e n t , w h i c hc a ne l i m i n a t et h ei n f o r m a t i o ni s l a n da n dr e s o u r c e i s l a n d r e s o u r c em a n a g e m e n ts y s t e mi st h ef o u n d a t i o na n dc o r ec o m p o n e n to fg r i d e n v i r o n m e n t i ng r i de n v i r o n m e n t , t h er e s o u r c e sa r eu s u a l l yh e t e r o g e n e o u sa n d g e o g r a p h i c a l l yd i s t r i b u t e di nm u l t i p l ea d m i n i s t r a t i v ed o m a i n s ，m a n a g e da n do w n e d b yd i f f e r e n to r g a n i z a t i o n sw i t l ld i f f e r e n tp o l i c i e s e a c hg r i du s e r ( c o n s u m e r ) h a st h e i r o w nq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) r e q u i r e m e n t s t h em a n a g e m e n to fr e s o u r c e sa n d a p p l i c a t i o ns c h e d u l i n gi ns u c hal a r g e s c a l ed i s t r i b u t e de n v i r o n m e n ti sac o m p l e x t a s k t h ep a p e rf o c u s e so nr e s e a r c e s c h e d u l i n ga l g o r i t h mb a s e do nd y n a m i c p r i c e a d j u s t i n gs t r a t e g yi ng r i d t h em a i nc o n t e n t si n c l u d i n g ： ( 1 ) g r i d sf u n d a m e n t a lc o n c e p t i o na n dt h er e l a t i v et h e o r i e so fg r i dt e c h n o l o g y a r ed i s c u s s e d t h ec o n c e p to fv i r t u a lo r g a n i z a t i o n o ) a n do p e ng r i ds e r v i c e a r c h i t e c t u r e ( o g s a ) ，r e l a t i v et e c h n o l o g i e so fw e bs e r v i c ea n dw e bs e r v i c e r e s o u r c ef r a m e w o r k ( w s r f ) a n dt h ea p p l i c a t i o no f g r i da i n t r o d u c e d ( 2 ) r e s o u r c em a n a g e m e n ts y s t e mi ng r i de n v i r o n m e n ti sd i s c u s s e d d u et ot h e c h a r a c t e r so f g r i dr e s o u r c ea n dg r i du s e r , e c o n o m i c st h e o r yi sw i d e l ya p p l i e di ng r i d r e s e a r c hf i e l d s ，e s p e c i a l l yg r i dr e s o u r c em a n a g e m e n tf i l e d e c o n o m i c b a s e dg r i d r e s e a r c em a n a g e m e n tm o d e li si n t r o d u c e d ( 3 ) i ti su n n e c e s s a r yt ou s ear e a ls y s t e mt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c ea n d a c c u r a c yo far e s o u r c es c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，u s u a l l yg r i ds i m u l a t o ri su s e dt oh a n d l e w i t l li t s e v e r a lp o p u l a rg r i ds i m u l a t o r sa g ei l l u s t r a t e di nt h ep a p e r , a n dg r i d s i m a g r i dm o d e l i n ga n ds i 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 nd e t a i l d e a d l i n ea n db u d g e t c o n s t r a i n e d ( d b c ) a l g o r i t h m sw i t hc o s to p t i m i z a t i o na n dt i m eo p t i m i z a t i o np r o v i d e d b yg r i d s i ma r er e s e a r c h e d ( 4 ) ad y n a m i cp r i c e a d j u s t i n gs t r a t e g yi ng r i di sp r e s e n t t h ec o n c e p to fc e n t r a l 武汉理工大学硕士学位论文 p r i c e ，f l u c t u a n tf a c t o ro fp r i c ea n dt h el i f e t i m eo fp r i c ea l ei n t r o d u c e d t h el o a do f g r i dr e $ o u r c ei sd e s c r i b e da n dt h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ns t a n d a r do fl o a db a l a n c e f o rg r i ds y s t e mi sd e f i n e d ( 5 ) ar e s o u r c es c h e d u l i n ga l g o r i t h mb a s e d o i ld y n a m i cp r i c e a d j u s t i n gs t r a t e g yi n g r i dw i t l lc o s to p t i m i z a t i o na n dt i m eo p t i m i z a t i o ni sp r o p o s e d ( 6 ) w i t ht h eh e l po fg r i d s i mt o o l k i t , t h es i m u l a t i o no fr e s o u r c es c h e d u l i n g a l g o r i t h mb a s e do nd y n a m i c 埘c e - a d j u s t i n gs t r a t e g yi ng r i dp r o p o s e di nt h ep a p e ri s r e a l i z e d t h er e s u l t so fs c h e d u l i n ge x p e r i m e n t sf o ras i n g l eu s e ra n df o rm u l t i p l e u s e r sa r eo b t a i n e d , a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e dt ot h a to fg r i d s i md b c a l g o r i t h m sw i t hc o s to p t i m i z a t i o na n dt i m eo p t i m i z a t i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h er e s o u r c es c h e d u l i n ga l g o r i t h mb a s e do n d y n a m i cp r i c e - a d j u s t i n gs t r a t e g yp r o p o s e di nt h ep a p e ri sf e a s i b l e i ti m p r o v e st h e p e r f o r m a n c eo fg r i d ，i na s p e c to fs o l v i n gt h et r o u b l eo fl o a db a l a n c e ，a n di n c r e a s i n g t h en u m b e ro f g r i d l e t sc o m p l e t e d ( t a s ka c c o m p l i s h m e n tr a t i o ) k e y w o r c b ：g r i d ；r e s o u r c es c h e d u l i n g ；e c o n o m i cm o d e l ；g r i d s i m ；d y n a m i cp r i c e 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写的成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构学 位证书而使用过的材料。与我一起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了谢意。 签名：座生日期：业 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 、fp 竺丝日期：竺丝2 0 l 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 项目来源 第1 章绪论 本学位论文的研究工作主要得到如下项目的资助： ( 1 ) 国家自然科学基金重点项目( 5 0 3 3 5 0 2 0 ) ：网络环境下的数字制造理论 与关键技术。 ( 2 ) 国家自然科学基金重点项目( 5 0 6 7 5 1 6 6 ) ：基于资源的网络数字控制新 理论及关键技术研究。 1 2 课题研究背景及意义 随着信息技术的不断发展和更新，人们对计算能力和数据存储能力的需要也 越来越大，同时，彼此之间需要更紧密的协同工作和资源共享。信息领域的研 究人员觉察到了互联网潜在的能力，开始了网格的研究和开发工作，希望把互 联网建设成为一个全面共享资源的基础设施。因此，可以说网格是下一代的互 联网。网格利用互联网将分散于不同地方的计算资源组织起来，把整个互联网 整合成一台巨大的虚拟超级计算机，实现计算资源、存储资源、通信资源，软 件资源、信息资源及知识资源的全面共享和协同工作。网格的根本特征是资源 共享，消除信息孤岛和资源孤岛。 美国福布斯杂志曾经预测，网格技术将在2 0 0 4 2 0 0 5 年出现一个大浪潮， 推动信息产业持续高速发展，到2 0 2 0 年促使互联网成长为一个2 0 万亿美元产值 的大产业。这个大浪潮的本质，就是万维网升级为网格。这一切都在慢慢地变 为现实。网格的应用受到人们的广泛关注。当前计算机产业发展迅猛，更为网 格技术的应用和发展提供了良好的平台基础和发展空间。 正是因为具有巨大的优势，网格从发展之初就得到了国内外业界及学术界的 广泛关注。网格技术的研究和开发热潮吸引了越来越多的人员和机构参加。国 际上信息产业界的大公司、主要的大学和研究机构纷纷加入到网格技术研究和 开发的队伍中。网格的研究已经从美国和欧洲推广到了世界各地，各个国家和 武汉理工大学硕士学位论文 地区都投入大量资金进行网格技术研究和网格基础设施建设。国外一些著名网 格项目有：o l o b u s l l ，2 ，3 一、l e g i o n 、a p p l e s 、c o n d o r 、n i m r o d l 5 1 、u n i c o r e 、 美国能源部s c i e n c eg r i d ( d o e ) 、欧盟e u r o g r i d 计划、欧盟d a t ag r i d 计划、 t e r a g r i d 、n a s ai n f o r m m i o np o w e rg r i d ( i p g ) 、g l o b a li n f o r m a t i o ng r i d ( g i g ) 、英 国e s c i e n c e 网格1 6 ”、s fe x p r e s s 、c a c t u s 。一些信息行业的知名公司也正进行 着各自的网格项目研究，如h p 公司的效用计算( u t i l i t yc o m p u t i n g ) i s 、i b m 公 司的e b u s i n e s so nd e m a n d 的策略 9 1 、m i c r o s o f t 公司的n e t 平台、s u n 公司的 n l 技术l ，o r a c l e 公司也推出了其支持网格计算的新产品o r a c l e1 0 9 。中国网 格的研究也轰轰烈烈地开展起来。目前，中国正在研究的有五大网格：8 6 3 计划 中国国家网格c h i n an a t i o n a lg r i d ( c n g r i d ) 、国家自然科学基金委c h i n as c i e n c e g r i d 、9 7 3 计划语义网格c h i n as e m a n t i cg r i d 、中国教育科研网格c h i n ae d u c a t i o n g r i d ( c h i n a g r i d ) ”、上海信息网格s h a n g h a i g r i d ，并且同时也取得了很多显著的 成果【1 2 ，”1 。 网格环境下的资源调度是网格中的一个重要问题，向网格提交任务是使用网 格资源的一种形式【1 4 1 。为了有效管理任务的执行，就需要网格任务管理机制。 在任务管理中，任务调度和负载平衡是一个重要的问题，当用户向网格提交一 组任务后，首先得根据作业的需求，发现满足条件的资源，然后从满足条件的 资源中根据策略选择一个合适的资源，将作业合理或优化地分配到网格资源中。 如果这个问题得不到解决，则有可能导致网格效率低下，乃至执行任务失败。 因此调度问题是网格计算中的瓶颈问题之_ 2 0 l 。在网格计算平台下，任务调度 机构还要具备任务迁移、任务分解等一些特殊的功能。一个好的调度算法，可 以使网格保持高性能，保持负载平衡。因此，本课题希望结合经济学中的动态 定价原理来研究网格环境下的资源调度问题，提出一种较优的资源调度算法， 希望对网格基础设施建设提供指导。 1 3 国内外研究现状 网格任务调度的目标与分布式计算机系统、集群系统的作业调度目标是相似 的，在这些系统中，衡量调度性能的指标包括资源利用率、性能、算法复杂度、 算法效率、完成时间等，其中性能和效率是评价调度系统的两个基本特征，以 任务分派( 调度) 的质量和调度算法( 调度算法本身) 的效率为基础评价调度 2 武汉理工大学硕士学位论文 系统【1 7 1 8 , 1 9 , 2 0 , 2 1 , 2 2 , 2 3 1 。调度质量以产生的优化调度的性能为基础来衡量；调度 算法的效率以时间复杂性为基础来衡量。 网格资源调度算法是一个n p 完全问题，目前的大部分资源调度算法都是在 并行计算和集群计算的环境下改进而来的，大多没有考虑到网格资源的特殊性， 国内外现有的一些传统的调度算法主要有： u d a ：用户直接指派( u s e r - d i r e c t e da s s i g n m e n t ) ； m c t ：最短完成时间( m i n i m u mc o m p l e t i o nt i m e ) ； m e t ：最短执行时间( m i n i m u me x e c u t i o nt i m e ) ； m i n - m i n 2 5 , 2 6 1 ； m a x m i n ； s u f f e r a g e ； g a ：遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 2 8 ，2 9 ，3 0 , 3 1 1 ； s a ：模拟退火算法( s i m u l a t e da n n e a l i n g ) ； g s a ：遗传模拟退火( g e n e t i cs i m u l a t e da n n e a l i n g ) ； t a b u ：禁忌搜索( t a b us e a r c h ) ； 近来来，出现了一些新的网格调度算法，比如：基于启发式的调度算法，基 于a g e n t 的调度算法【3 2 1 ，基于蚁群算法的调度算法1 3 4 , a s ，基于计算经济模型的调 度算法【1 5 1 6 , 3 6 ，基于拍卖机制的调度算法 3 7 1 ，基于多目标的调度算法闻等等。 如果在现有的调度算法中加入费用( c p u 费用、存储费用等) 和时间等因素， 很多算法将会产生问题。而费用和时间都是q o s 指标【3 9 ，4 0 1 ，因此现有的调度算法 大部分还不能提供q o s 保证，使得任务常常被调度到不满足q o s 需求的资源下执 行。例如对时延敏感的，要求系统的快速反应是很重要的q o s 指标，而对于电子 商务，除了满足安全性的特殊q o s 需求外，还应有保证交易完整性要求等等。 其次，实际系统的需求往往是多维的而不是一维的，采用一维指标去衡量系 统的调度情况是不准确的【帅】。现有的几种调度算法大部分也都是一维的。衡量 调度应充分考虑多维指标。一般来讲，衡量网格q o s 的三个重要指标是可靠性 僻) 、成本( o 和时间( 乃，因此可以有q o s 可阮e 刀，可靠性主要用抖动、带宽、 分组丢失率等来衡量；成本主要包括软件、硬件及路由成本等；时间主要是指 服务时间。不同的应用中有不同的网格q o s 指标。 另外，现有的大部分调度算法都没有考虑负载均衡问题，任务经常被调度到 负载较重的资源上，当资源发生异常失效而不能执行当前的任务时，此时需要 武汉理工大学硕士学位论文 进行任务迁移；当某个资源的负载过重时，也需要进行任务迁移，以达到负载 均衡。现有的大部分调度算法不是基于动态的任务调度，而是基于静态的任务 调度，即在任务分配完后，不能进行任务迁移和负载均衡，这是现有算法存在 的一个重大问题。 1 4 论文的主要内容和组织结构 全文共分为6 章： 第l 章是绪论，简要介绍了本课题的研究背景，课题研究的目的和意义，国 内外研究现状，最后简要介绍了论文的主要内容和全文的组织结构。 第2 章是网格的基本概念，首先介绍了网格的概念、目的和意义，以及网格 的特点，然后介绍了网格的体系结构，从虚拟组织的概念，到五层沙漏结构和 开放网格服务体系结构o g s a ，逐一进行了详细介绍，接着介绍了w e bs e r v i c e 和w s r f 等与网格相关的技术，最后介绍了网格研究的主要领域及网格的应用。 第3 章是网格资源管理中的经济模型，首先介绍了网格资源管理系统，接着 将经济学原理引入到网格资源管理的研究中来，最后介绍了一种网格资源管理 中的经济模型。 第4 章主要介绍了网格模拟环境g r i d s i m ，首先对各种网格模拟器进行简介， 然后重点介绍了g r i d s i m 工具包的关键特征、体系结构、g r i d s i m 中的实体，接 着介绍了v i s u a lm o d e l e r 可视化建模工具和s i m j a v a 离散事件模型，接着介绍了 t u n e s h a r e d 和s p a c e s h a r e d 两种计算资源管理模式，然后简要介绍了如何使用 g r i d s i m 进行网格的仿真。 第5 章是基于动态价格机制的网格资源调度算法及仿真，首先介绍了网格模 拟环境参数的设置，随后研究了g r i d s i m 中的费用最优调度算法和时间最优调度 算法，并提出了网格资源动态价格调节机制，详细描述了网格资源动态价格机 制下的费用最优调度算法和时间最优调度算法。最后给出了单用户和多用户情 况下的多种仿真实验结果，将改进后的费用最优调度算法和时间最优调度算法 与g r i d s i m 中的费用最优调度算法和时间最优调度算法分别进行了比较，并对结 果进行了简要分析。 第6 章对全文进行了一个总结，总结了全文的主要工作，最后对下一步的研 究方向进行了展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 网格概述 第2 章网格的基本概念 目前，人们从不同的角度和侧重点对网格和网格计算给出了多种定义： ( 1 ) 从网格的重要性和意义方面，网格就是下一代的i n t e r n e t 。 ( 2 ) 从科学计算的角度，网格是建造分布式科学计算环境的一种一体化的 集成方法，这一环境包括计算、数据管理、科学仪器以及人类的协作；网格是 一个硬件和软件的基础设施，它提供了可靠的、一致的、普遍的以及廉价的方 法来获得高端的计算能力。 ( 3 ) 从资源集成的角度，网格是一种无缝的、集成的计算与协作环境。 ( 4 ) 从中间件的角度，网格就是方便资源管理、有效支持广域分布的、多 领域的科学与工程问题解决的中间件系统。 文献 4 4 ，4 5 1 中指出：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 用户提供更多的资源、功能和交互性。互联网主要为人们提供电子邮件、网页 浏览等通信功能，而网格则能够提供更多更强的功能，它能让人们共享计算资 源、存储资源和其他资源。 文献 4 6 ，4 7 也对网格给出了这样一个定义：网格计算是在动态变化的虚拟组 织间协同资源共享和问题解决。 这么多种定义也说明了网格具有多方面的特点，网格功能具有多面性，同时 也说明了网格是面向问题的。网格将分布在不同地理位置的计算资源，包括 c p u 、存储器、数据库、仪器设备等各种类型的资源，通过互联网进行集成与共 享，实现计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源及知识资源的 全面共享和协同工作。网格的根本特征是资源共享，消除信息孤岛和资源孤岛。 网格的概念来源于电力网，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。我们在使用电力时，不需要知道它是从哪 个发电站输送出来的，也不需要知道该电力是通过什么样的发电机产生的，不 管是水力发电，还是通过核反应发电，我们使用的是一种形式的“电能”。网格 武汉理工大学硕士学位论文 也希望给最终的使用者提供的是与地理位置无关、与具体的计算设施无关的通 用的计算( 广义的计算，可理解为问题求解) 能力。网格和电力网都有各自资 源的消费者和资源提供者，对于电力网来说资源提供者就是发电站，对于网格 来说资源提供者是计算机等网格资源；对于电力网来说资源消费者就是各种消 耗电能的设备，对于网格来说资源消费者就是使用网格计算能力求解问题的用 户。和电力网类似，网格也是覆盖范围广，组成资源多样。 网格概念的提出从根本上改变了人们对计算能力和可用性的理解，网格提供 的是与以往根本不同的计算方式，网格概念的核心就是突破了以往强加在计算 资源之上的种种限制，突破了计算能力大小的限制，突破了地理位置的限制， 突破了传统的共享或协作方面的限制，使人们可以以一种全新的、更自由、更 方便的方式使用网格资源，解决更复杂的问题。 2 2 网格的特点 网格作为一种新出现的重要的基础设施，和其他的系统相比，具有以下的一 些特点【4 9 】： ( 1 ) 分布与共享 分布性是网格的一个最主要的特点。网格的分布性首先是指网格的资源是 分布的。组成网格的各种类型的资源，是分布在地理位置不同的地方，而不是 集中在一起的。这些资源的类型复杂，规模较大，跨越的地理范围较广。这就 决定了网格的计算一定是分布式计算而不是集中式计算。在网格这一分布式环 境下，需要解决资源与任务的分配和调度问题、安全传输与通信问题、实时性 保障问题、人与系统以及人与人之间的交互问题等等。 网格资源虽然是分布的，但它们却是可以充分共享的。共享是网格的目的， 没有共享便没有网格。解决分布资源的共享问题，是网格的核心内容。 ( 2 ) 自相似性 网格的整体和局部之间存在着一定的相似性，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。可以认为国家级网格是 在省一级的网格基础上建造起来的，国家级主干网要有更大的带宽，只有这样 才能把不同省份的子网格联接起来提供满意的通信服务；国家级和省级网格都 6 武汉理工大学硕士学位论文 会有各自的计算中心，只不过在计算能力上有差异而己；他们也都需要有管理 节点，只不过国家级的管理节点功能更多更强大而己。 ( 3 ) 动态性、多样性与自适应性 网格并不是一成不变的。原来拥有的资源或者服务，在下一时刻就可能出现 故障或不可用；而原来没有的资源，可能随着时间的推移会不断加入进来。网 格的动态性包括动态增加和动态减少两个方面。 网格资源是异构的和多样的。在网格环境中可以有不同体系结构的计算机系 统和类别不同的资源，且包含不同的技术，因此网格系统必须能够解决这些不 同结构、不同类别、包含不同技术的资源之间的通信和互操作问题。 网格中资源的失效几乎是不可避免的。资源管理者或应用程序必须动态的调 整它们的状态，来有效的使用可用的资源和服务。 ( 4 ) 自治性与多管理域 网格上的资源首先是属于某个组织或者个人的，因此网格资源的拥有者对该 资源拥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。 但是网格资源也必须接收网格的统一管理，否则不同的资源就无法建立相互 之间的联系，无法实现共享和互操作，无法作为一个整体为更多的用户提供服 务。 因此网格的管理具有多重性，一方面要求网格资源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接受网格的统一管理。 2 3 网格体系结构 2 3 1 虚拟组织 文献 4 6 ，4 7 ，4 8 q bi a nf o s t e r 、c a r lk e s s e l m a n 和s t e v e nt u e e k e 对网格进行了 剖析，网格的概念被定义为动态的、多机构虚拟组织之间的受控协同资源共享 以及问题解决。资源共享的概念非常广泛，其范围涵盖了从简单的文件传输到 复杂的协作问题求解。而这些资源的共享通常是在受控且定义良好的条件与策 略之下完成的。个体的动态分组、多个组以及为共享定义条件和规则的组织统 7 武汉理工大学硕士学位论文 称为“虚拟组织”( v 0 ：v i r t u a lo r g a n i z a t i o n ) 。 虚拟组织的概念是网格计算的关键。虚拟组织是一个动态集合，它包含多个 围绕一定资源共享规则和限定条件定义的个体和( 或) 机构。所有的虚拟组织 都共享若干公共属性，包括共有的关系及条件，但是在大小、范围、持续时间、 社会行为和结构上均有所不同1 5 ”。 为了让虚拟组织的各个成员能够从附近自动构造的资源池中共享资源，需要 制定一定的规则和条件。虚拟组织的成员根据这些规则和条件协商资源的共享。 跨域多个地域，在不同的领域内为虚拟组织分配用户、资源和组织是网格计算 中基础性技术挑战之一。其中的复杂性包括定义资源发现机制、资源共享方法、 所需规则和条件、安全联盟和( 或) 委托以及虚拟组织中各参与者之间的访问 控制掣5 “。 通过分析虚拟组织的几个实例，例如金融预测建模系统、超音速飞机的可行 性研究系统、高能物理海量数据共享系统，可以推断出这些虚拟组织中的参与 者、参与者的类型和数量、共享的资源、持续的时间、规模以及在任意两个虚 拟组织之间变化的参与者之间的集成模式等。与此同时，同样也能推断出存在 着竞争和有时不可信的参与者之中的共同特征，而这些参与者有助于虚拟组织 的形成。研究虚拟组织需要关注以下几个方面【5 l 】： ( 1 ) 对资源共享的共同关注与需求。虚拟组织是多个个体和( 或) 机构定 义良好的集合，这些个体或机构具有共同的关注点及需求。例如：创建虚拟组 织用于提供金融预测建模，那么这个虚拟组织就需要共同关注安全性、数据使 用、计算需求、资源使用以及交互模式等方面的问题。 ( 2 ) 有条件的、有时间限制的以及规则驱动的资源共享。资源共享是有条 件的，每个资源所有者都能够全面控制加入资源共享池的资源的可用性。这些 条件是根据相互理解的策略和访问控制需求( 认证和授权) 来定义的。根据定 义的策略，共享中的资源数目会随着时间而动态地发生变化。 ( 3 ) 多个个体和( 或) 机构的动态集合。在一段时期里，虚拟组织应该能 够具有在集合中添加和移出个体与( 或) 机构的能力，以保证集合内所有成员 对共享资源具有相同的关注与需求。 ( 4 ) 参与者之间的共享关系在本质上是对等的。虚拟组织内部各个参与者 之间的共享关系也是对等的，对等关系则强调资源的提供者同时也可能成为其 他资源的消费者。这一关系也带来了许多安全方面的挑战，包括相互认证、联 8 武汉理工大学硕士学位论文 盟以及参与者之间的证书委托等。 ( 5 ) 根据开放式且定义良好的交互及访问规则集合共享资源。开放式定义 与访问信息必须存在于每个共享的资源中，这样可以为参与者带来更好的互操 作性。 虚拟组织的上述特性和非功能性需求导致了体系结构上的定义，包括建立、 管理以及参与者之间的资源共享等。接下来的部分将介绍网格体系结构，网格 体系结构的焦点在于定义虚拟组织内可互操作且可扩展的资源共享解决方案。 2 3 2 五层沙漏结构 网格体系结构定义了网格系统的基本组件，还定义了这些组件的目的及功 能，并且指出了这些组件是怎样交互的。体系结构主要关注资源提供者和用户 之间的互操作性问题，以此来建立共享关系。这样的互操作性意味着体系结构 模型的每一层都具有共同的协议，这就产生了一种分层的网格体系结构，称之 为五层沙漏结构1 4 5 ，崛4 7 1 ，如图2 1 所示。该体系结构为每一层均定义了公共机制、 接口、模式以及协议，这样用户和资源之间就可协商、建立、管理以及共享资 源。 五层沙漏结构一个影响十分广泛的结构，它的主要特点就是简单，主要侧重 于定性的描述而不是具体的协议定义。五层沙漏结构根据该结构中各个组成部 分与共享资源的距离，将对资源进行的操作、管理和使用功能分散在五个不同 的层次，越向下层就越接近于物理的共享资源。 图2 - 1 网格分层体系结构( 五层沙漏结构) 与t c p ，i p 协议分层结构的对比 9 圈国 武汉理工大学硕士学位论文 五层沙漏结构的另外一个重要特点就是沙漏形状。其内在含义就是因为各部 分协议的数量是不同的，对于其最核心的部分，要能够实现上层各种协议向核 心协议的映射，同时实现核心协议向下层其他各种协议的映射，核心协议在所 有支持网格计算的地点都应该得到支持，因此核心协议的数量不应该太多，这 样核心协议就形成了协议层次结构中的一个瓶颈，在五层结构中，资源层和连 接层共同组成这一核心的瓶颈部分。 五层沙漏结构中，各层的功能分别描述如下【4 9 】： ( 1 ) 构造层：面对的是具体的物理资源。它通过对局部资源的管理，向上 层提供对这些资源的管理和控制界面。构造层组件实现了基于底层特定资源的 高层共享操作。在构造层实现的功能有紧密的相互依赖性，它们支撑着上层可 共享的功能。构造层功能越丰富，就越能更好地实现上层功能的共享。减少构 造层的组成元素，网格的基础构造配置则相应简化。 ( 2 ) 连接层：主要为下层的物理资源提供安全的数据通信能力。连接层为 各个孤立的单个资源之间建立了联系，这是资源之间进行互操作的前提。该层 定义了网格中网络处理的核心通信协议和认证协议。通信协议使构造层资源间 的数据转换成为可能。认证协议基于通信服务提供确认用户和资源身份的安全 机制。 ( 3 ) 资源层：反映抽象的局部资源特征。资源层建立在连接层的通信和认 证协议之上，定义了关于安全协商，共享计费，监控等方面的协议。资源层通 过调用构造层的功能访问控制本地资源。资源层与连接层构成沙漏模型的瓶颈， 协议必须符合跨多种不同资源的基本共享机制，同时不能明显限制高层协议的 种类和性能。 ( 4 ) 汇聚层：将下层以单个资源形式表现出来的资源集中起来，协调解决 多个资源之间的问题。 ( 5 ) 应用层：决定把什么样的资源分配给下层的虚拟组织，解决不同虚拟 组织的具体问题。 2 3 3 开放网格服务体系结构o g s a 开放网格服务体系结构( o g s a ：o p e ng r i ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e ) 1 5 2 1 是g g f ( g l o b a lg r i df o r u m ) 1 5 3 1 的重要标准建议，是继五层沙漏结构之后最重要的一种 网格体系结构。o g s a 把g l o b u s 标准与面向商业应用的w e bs e r v i c e 结合起来， 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 把网格计算从科学工程计算应用扩展到更广泛的以分布式系统服务集成为主要 特征的商业应用领域。o g s a 以服务为中心，把一切都抽象为服务，利用新兴的 w e b 服务定义语言( w e bs e r v i c e sd e f t r a t i o nl a n g u a g e ) 接口确保异构系统间的 互操作性，这样不同类型的系统就可以进行通信、共享信息。o g s a 的虚拟组织 需要建立注册服务和句柄映射服务将该组织内的各种资源包装成网格服务，并 把这些服务发布到注册中心以供查询。网格用户通过访问注册中心获取所有服 务工厂的信息和已经创建的服务实例信息。用户通过发送特定的服务请求使服 务工厂创建一个实例，并按照服务接口描述把数据传递给该实例就可以开始访 问服务实例，获得服务提供的功能。 ( 1 ) o g s a 的目标 跨分布式异构平台管理资源。 交互无缝的服务质量( q o s ：q u a l i t yo fs e r v i c e ) 为自治管理解决方案提供公共基础。网格可以包含许多资源，还有大量 的配置组合、交互以及状态与故障模式的改变。对于这些资源来说，一些智能 自动调节与自治管理方式是必不可少的。 定义开放的、己公布的接口。o g s a 是一种由g g f 标准团体进行管理的 开放式标准。为了不同资源的互操作性，网格必须构建在标准接口及协议之上。 利用行业标准的集成技术。o g s a 的创始者很有远见地利用了现有解决 方案，o g s a 的基础是w e b 服务。 ( 2 ) o g s a 的基本思想 o g s a 的基本思想是以服务为中心。如果说五层沙漏结构是以协议为中心的 协议结构的话，开放网格服务体系结构o g s a 就是以服务为中心的体系结构。 这里的服务指的是具有特定功能的网络化实体。在五层沙漏结构中强调的是彼 此共享的物理资源( 或者这些资源提供的服务) ；在o g s a 中服务的概念更广， 包括各种计算资源、存储资源、网络、程序、数据库等，简言之，一切都是服 务。五层沙漏结构中试图实现的是对资源的共享，而在o g s a 中实现的将是对 服务的共享。从资源到服务，这种抽象将资源、信息、数据等统一起来，有利 于灵活的、一致的、动态的共享机制的实现。 为了使服务的思想更加明确和具体，o g s a 定义了“网格服务，( g r i ds e r v i c e ) 的概念。网格服务是一种w e bs e r v i c c ，该服务提供了一组接口，这些接口的定 武汉理工大学硕士学位论文 义明确并且遵守特定的惯例，解决服务发现、动态服务创建、生命周期管理、 通知等问题。在o g s a 中，将一切都看作是网格服务，因此，网格就是可扩展 的网格服务的集合，即网格= 网格服务 。网格服务可以以不同的方式聚集起来 满足虚拟组织的需要，虚拟组织自身也可以部分根据操作和共享的服务来定义。 简单地说：网格服务= 接口行为+ 服务数据。 o g s a 将互操作性问题转化为两个子问题：定义服务的接口；识别激活 特定接口的协议。o g s a 强调的是与协议消息相对应的服务，侧重于实体表现出 来的行为特征，即特定对象的生理机能。 2 4 网格相关技术 2 4 1w e bs e r v i c e 技术 尽管c o r b a 、r m i 和d c o m 等技术已得到了应用，但是这些系统都存在 一些本质的问题。它们并没有完全达到和平台无关的目标，也不容易穿越防火 墙，不能实现真正的互连互通。为了实现真正意义上的互连互通，做到与具体 的平台和实现无关，国际上的一些大的计算机厂家和公司推出了w e bs e r v i c e 框 架。w e bs e r v i c e 是一种新的w e b 应用程序分支，它们是自包含、自描述、模块 化的应用，可以在网络( 通常为w e b ) 中被描述、发布、查找以及通过w e b 来 调用。w e bs e r v i c e 是基于网络的、分布式的模块化组件，它执行特定的任务， 遵守具体的技术规范，这些规范使得w e bs e r v i c e 能与其他兼容的组件进行互操 作。它可以使用标准的互联网协议，如超文本传输协议h t t p 和x m l ，将功能 体现在互联网和企业内部网上。w e bs e r v i c e 平台是一套标准，它定义了应用程 序如何在w e b 上实现互操作性m ”】。 w e bs e r v i c e 的基本结构基于服务提供者、请求者和中介者三个角色，以及 服务的发布、发现和服务请求者与服务提供者之间的