（计算机应用技术专业论文）基于资源可靠性的网格资源调度研究.pdf

摘要 基于资源可靠性的网格资源调度研究 计算机应用技术专业硕士研究生欧攀 指导教师：张自力教授 摘要 网格是在动态、异构、广泛分布的资源中实现计算资源、存储资源、通信 资源、软件资源、信息资源、知识资源的全面共享以及协同计算的应用。 网格系统是动态变化的，这决定了用户对向其提供预期服务的网格资源动 态性能的未知性。从网格用户的角度来看，用户是想得到服务质量尽量好的网 格服务。 而要让网格服务质量得到好的保证，最重要的就是要对在网格环境下给用 户提供服务的网格资源进行科学有效的管理，即要有好的网格资源管理机制。 网格资源管理是网格的核心组件，而其中的资源调度又是重点所在，所 以，网格资源调度一直是网格技术领域中主要的研究热点和难点之一。 网格资源调度讲求一个调度的高效性，所谓的调度高效性，是指在资源调 度过程中，尽量让更多的任务分配到最合适的资源上去执行，同时减少资源出 现闲置的情况，即尽量保证各资源的负载均衡性。 为了实现以上目标，负责资源调度的功能实体需要了解资源的属性。一方 面是资源的静态属性，包括资源的固有的计算能力、存储能力、通信能力等； 另一方面，是资源在调度的过程中动态特征，主要是指资源的固有能力在调度 中展现出来的的波动变化规律。 资源的可靠性包括资源的可用性、资源被使用的时限性及使用过程中的连 续稳定性。资源的可靠性既与资源的静态属性( 即资源的固有能力) 密切相 关，又是资源动态特征的重要展现，因此，资源的可靠性是影响网格资源调度 的性能的一个永远不能摆脱的因素。将资源可靠性因素纳入网格资源调度技术 中考虑，是一个从根本上研究高效调度策略的出发点。 当i ；i f 研究中涉及到网格资源可靠性对网格资源调度的影响和作用的，主要 有面向应用的资源调度、面向系统的资源调度、面向市场的资源调度和基于资 源信度的资源调度，但它们都一般只重点考虑了资源可靠性当中的资源可用性 和资源执行任务时限性的两个或一个方面，而普遍不太关注资源提供服务过程 中的连续稳定性对资源调度的影响问题。 两南夫中硕十宁伊论文 资源提供服务过程中的连续稳定性是资源町靠性最重要的一个体现方面， 它同时也足网格资源调度中一个不能被忽略的问题。因为即使一个任务在它规 定的最大期限内破可用资源顺利完成，但如果在资源执行任务期i b j 出现了服务 不连续( 本文把其称为服务出现中断) ，就会对用户造成很大的影响。所以， 在资源调度中我们需要对资源执行任务的整个过程进行连续的关注，防止资源 服务中断的发生。 本文提出了基于资源服务中断的资源可靠性评价模型，并给出了对应的网 格调度模型和调度算法，使其在网格调度中根据各个资源产生的服务中断历史 信息对其可靠性进行评价，让用户提交的任务优先分配给可靠性好的资源执 行。另外，针对该评价模型在资源调度中可能存在的潜在问题，我们增加了考 虑服务中断频率来进行示例分析，提出了滑动周期方法的改进机制，从而让资 源可靠性值不再受到其过久历史信息的不良影响，同时也对因引入滑动周期机 制而带来的对问题解决在资源历史信息的统计计算和存储机制上的优化效果进 行了分析，然后给出了改进后的调度算法。最后，使用网格模拟平台g r i d s i m 进行了模拟实验，通过分析实验结果，验证了该评价模型在调度中的可行性和 有效性。 关键词：资源可靠性资源服务中断资源调度滑动周期 i i a b s t r a c t g r i dr e s o u r c es c h e d u l i n g b a s e do nt h eg r i dr e s o u r c e r e l i a b i l i t y m a j o r ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y d i r e c t i o n ：g r i dc o m p u t i n g s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gz i l i m a s t e rc a n d i d a t e ：0 up a n a b s t r a c t g r i dp r o v i d e st h es h a r i n ga n dc o m p u t i n gc o l l a b o r a t i o no fr e s o u r c e so fc o m p u t i n g ，s t o r a g e ， c o m m u n i c a t i o n s ，s o f t w a r e ，i n f o r m a t i o n ，k n o w l e d g ei nd y n a m i c ，h e t e r o g e n e o u s ，d i s t r i b u t e d r e s o u r c e s t h eg r i ds y s t e mi sd y n a m i c ，s ou s e r sc a n tp r e d i c tt h ec a p a b i l i t yo fr e s o u r c e sw h i c hw i l l p r o v i d es e r v i c e st oi t t op r o v i d eg o o dg r i dq o s ，t h em o s ti m p o r t a n tt h i n gi st op r o v i d eg o o dg i r dr e s o u r c e m a n a g e m e n tm e t h o d t h es c h e d u l i n go ft h er e s o u r c e si st h ek e yt e c h n o l o g yo ft h em a n a g e m e n to fg r i d r e s o u r c e sw h i c hi st h ec o r ec o m p o n e n to fg r i d i ti st h eo n eo ft h ep o pa n dd i f f i c u l t yp r o b l e m s i ng r i dc o m p u t i n gr e s e a r c hf i e l d t h ee f f i c i e n c yo f 咖dr e s o u r c es c h e d u l i n gi si m p o r t a n t i tm e a u ss c h e d u l e rm u s ts u b m i t t a s k st ot h em o s ts u i t a b l er e s o u r c e sa n dr e d u c et h el e i s u r es i t u a t i o no fr e s o u r c e s t or e a c ht h eg o a la b o v e ，t h es c h e d u l e rn e e dt og e tt h ea t t r i b u t eo ft h er e s o u r c e s t h e s e a t t r i b u t ec o n t a i n ss t a t i ca s p e c ta n dd y n a m i ca s p e c t t h ef o r m e rc o n t a i n sc o m p u t i n g ，s t o r a g e ， c o m m u n i c a t i o nc a p a b i l i t y t h el a t t e rm e a n st h ed i v e r s i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i ct h ef o r m e ri nt h e p r o c e s so ft h es c h e d u l i n g t h eg r i dr e s o u r c er e l i a b i l i t yi sn o to n l yc o r r e l a t e dt ot h es t a t i ca t t r i b u t eo fi tb u ta l s o p r e s e n t st h ed y n a m i ca t t r i b u t eo fi t s o ，t h eg r i dr e s o u r c er e l i a b i l i t ya f f e c t st h ee f f i c i e n c yo f g r i dr e s o u r c es c h e d u l i n ga l o ta n dc a n tb ea v o i d e d i ti sag o o dw a yt or e s e a r c hh o wt o i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fg r i dr e s o u r c es c h e d u l i n gb yc o n s i d e r i n gt h ei m p a c to fr e s o u r c e r e l i a b i l i t yi n 鲥dr e s o u r c es c h e d u l i n g t h ec u r r e n tc o r r e l a t i v er e s e a r c ho nt h ei m p a c to fr e s o u r c er e l i a b i l i t yi ng r i dr e s o u r c e s c h e d u l i n gm a i n l yc o n t a i n sa p p l i c a t i o no r i e n t e dr e s o u r c es c h e d u l i n g ，s y s t e mo r i e n t e dr e s o u r c e s c h e d u l i n g ，m a r k e to r i e n t e dr e s o u r c es c h e d u l i n ga n dr e s o u r c es c h e d u l i n gb a s e do nr e s o u r c e c r e d i t b u tt h e yj u s tc o n s i d e ro n eo rt w oa s p e c t so fr e s o u r c er e l i a b i l i t yw h i c hc o n t a i n ss t a t i c i l l 曲南人产硕十学f 、- 论文 a t t r t h u t eo fr e s o u r c ea n dt h ed e a d l i n eo fe x e c u t i n gt a s k s t h ec o n t i n u o u ss t a b i l i t yo fs e r v i c e s p r o v i d eb yr e s o u r c e si sn o tc o n s i d e rm o r es of a r t h ec o n t i n u o u ss t a b i l i t yo fs e r v i c e sp r o v i d e db yr e s o u r c e si st h em o s ti m p o r t a n ta s p e c to f g r i dr e s o u r c er e l i a b i l i t ya n dc a n tb ei g n o r e di nr e s o u r c es c h e d u l i n g ，i ft h es e r v i c e sp r o v i d e d b yr e s o u r c e si sn o tc o n t i n u o u s l ys t a b l e ( w ec a l li tr e s o u r c es e r v i c ei n t e r r u p t i o ni nt h ep a p e r ) ， t h eu s e r sw i l lb ei m p a c t e dal o te v e nt h o u 曲t h ee x e c u t i o no fat a s kc a nb ec o m p l e t e db e f o r e d e a d l i n e s o ，w em u s tp a ya t t e n t i o nt ot h ew h o l ep r o c e s so fe x e c u t i o no ft a s k st oa v o i dt h e r e s o u r c es e r v i c e si n t e r r u p t i o n a ne v a l u a t i o nm o d e lo ft h er e l i a b i l i t yo fg i r dr e s o u r c ea n di t sc o r r e s p o n d i n gs c h e d u l i n g m o d e la n ds c h e d u l i n ga l g o r i t h mi sp r e s e n t e db a s e do ni n t e r r u p t i o no fr e s o u r c es e r v i c e s i tc a l l e v a l u a t et h ev a l u e so ft h er e l i a b i l i t yo fg i r dr e s o u r c e sb a s e do nt h eh i s t o r ys e r v i c ei n t e r r u p t i o n i n f o r m a t i o no fr e s o u r c e si np r o c e s so fr e s o u r c es c h e d u l i n ga n dl e tt h et a s k ss u b m i t t e db yu s e r s b ee x e c u t e db ym o r er e l i a b l er e s o u r c e c o n s i d e r i n gt h ed i s a d v a n t a g eo ft h ee v a l u a t i o nm o d e l a n dt h r o u g hs e t t i n gs e r v i c e i n t e r r u p t i o n r a t ev a r i a b l e ，w ea n a l y z e dt h ec a u s eo ft h e d i s a d v a n t a g eo ft h em o d e lb ya ni n s t a n c e t oi m p r o v et h ed i s a d v a n t a g e ，as l i p p a g ep e r i o d m e t h o di sp r e s e n t e dw h i c hl e tt h er e s o u r c er e l i a b i l i t yv a l u ea v o i dt h eb a de f f e c to fl o n gt i m e h i s t o r ys e r v i c ei n t e r r u p t i o ni n f o r m a t i o n t h es l i p p a g ep e r i o dm e t h o da l s os i m p l i f i e st h e c o m p u t i n gw o r ko fr e s o u r c eh i s t o r yi n f o r m a t i o ns t a t i s t i c sa n ds a v et h es t o r a g es p a c eo f r e s o u r c eh i s t o r yi n f o r m a t i o nr e c o r d s t h e n ，t h ei m p r o v e ds c h e d u l i n ga l g o r i t h mb a s e do nt h e s l i p p a g e p e r i o dm e t h o di sp r e s e n t e d a tl a s t ，w em a d eas i m u l a t i o ne x p e r i m e n tb yt h e s i m u l a t i o nt o o lg r i d s i m t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h er e s u l td a t ao ft h ee x p e r i m e n t ，w ep r o v e d t h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft h ee v a l u a t i o nm o d e lo ft h er e l i a b i l i t yo fg i r dr e s o u r c ei ng r i d r e s o u r c es c h e d u l i n g k e y w o r d s ：t h er e l i a b i l i t yo fr e s o u r c e ， r e s o u r c es e r v i c ei n t e r r u p t i o n ， r e s o u r c es c h e d u l i n g ， s l i p p a g ep e r i o d 独创性声明 学位论文题目： 基王逢塑互靠性鲍圃整盗近调度盟窥 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加 了特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同 仁在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文储藏拳签字日期：如刁年岁月i 7 日 签字日期：如d 年岁月丫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、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。本人授权西南大学研究生院( 筹) 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，本论文：勖不保密，口保 密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：歃撑 签字日期：刁年s 月( 日 钠鼢纭助 签字日期：扎唧年s 月归日 工作单位：疃塑盟塑塑鲨堕电话： 通讯地址：喇笪塾堑堡研摹眵邮编 和。7 心 第1 章引言 1 1 论文研究背景 第1 章引言 网格计算是近年来得到快速发展的技术之一，其目标是把因特网整合成一 种超大规模的巨大计算机系统，以实现计算资源，存储资源，信息资源，知识资 源的全面共享。 从2 0 世纪9 0 年代中期出现的元计算系统丌始，网格的发展过程可以分为 三个阶段。早期的网格在当时被称为元计算环境，通常用来连接超级计算机为 高性能要求的应用提供计算资源。在网格发展的第二阶段，异构、分布的资源 共享问题得到了相当的重视，中间件和标准化是解决资源异构性的关键技术， 这个阶段主要的研究包括g l o b u s ，l e g i o n ，n i m r o d g 等。在网格发展第三阶段中， 面向服务的模型和元数据是最关键的概念，两者构成了o g s a 的核心思想。 虽然网格经历了十多年的发展，并出现了一些比较成功的研究成果，但还 有很多重要问题没能解决，资源管理中的资源调度问题就是其中之一。网格中 的资源管理可以分为资源发现、资源调度、任务提交和监视这几个部分，其中 资源发现、任务提交和监视可以由现存的中间件系统，如g l o b u s 工具箱，提供 的标准服务来完成但资源调度，即为特定的任务选择合适的资源在g l o b u s 的 研究中很少涉及，其他的研究往往也只是对少数特定的应用提出了各自的调度 策略。因此资源调度是资源管理的难点。 网格资源可靠性是一个对资源固有静态属性( 资源的计算能力、存储容 量、通信带宽等) 和动态属性( 资源在被调用的过程中表现出来的与其静态属 性出现差异的变化规律) 综合描述的概念。它是影响网格资源调度性能中的重 要因素。 1 2 研究领域及相关研究现状 网格资源调度是网格资源管理的核心部分，它的重要性显而易见，无论是 特定任务的执行性能，如时间、费用等，还是整个系统的吞吐率、资源利用率 都受到资源调度质量的决定性影响。 它也是资源管理中最困难的部分，它的困难性来自网格本身的特性。因为 网格是完全分布的动态环境，处于变化中的资源的信息无法被实时更新，即调 度中使用的资源的当f i 信息无法保证其正确性。 曲南夫。7 硕卜￥伊论文 网格资源的可靠性主要包括资源的町用性、资源完成任务的时限性和资源 执行任务的连续稳定性( 也即资源提供服务的连续稳定性) 。资源的可用性是 指资源的固有能力，如计算能力大小、存储大小等，它是资源可靠性中静态的 一面；而资源完成任务的时限性和资源执行任务的连续稳定性则是资源可靠性 动态的方面。 网格资源调度讲求一个调度的高效性，所谓的调度高效性，是指在资源调 度过程中，尽量让更多的任务分配到最合适的资源上去执行，同时减少资源出 现闲置的情况，即尽量保证各资源的负载均衡性。 为了实现以上目标，负责资源调度的功能实体需要了解资源的属性。一方 面是资源的静态属性，包括资源的固有的计算能力、存储能力、通信能力等； 另一方面，是资源在调度的过程中动态特征，主要是指资源的固有能力在调度 中展现出来的的波动变化规律。 而资源的可靠性既与资源的静念属性( 即资源的固有能力) 密切相关，又 是资源动态特征的重要展现，故资源的可靠性是影响网格资源调度的性能的一 个永远不能摆脱的因素。 因此，将资源可靠性因素纳入网格资源调度技术中考虑，是一个从根本上 研究高效资源调度策略的出发点。 1 2 1 网格资源可靠性的研究 网格i “7 资源的可靠性研究一直以来受到人们的广泛关注，其研究涉及到 网格资源管理、网格安全、服务质量控制等多个交叉领域，在网格q o s 、基 于经济机制的网格资源管理以及基于信任机制的网格资源管理等方面都会涉及 到资源的可靠性问题。 基于q o s 的网格资源管理方面 网格应用层的q o s l 8 - 1 6 l 量度的是用户在与网格资源进行交互时所感受到的 服务性能。网格服务的功能与性能评价以用户满意为目标，用服务质量柬衡 量。通过有效的资源管理来确保系统的服务质量足目盼网格计算领域的研究热 点。 q o s 通常涉及到的有资源利用率、交易时问、资源的可用性、遇到的错 误( 如失败的连接、丢失的数据或组件、中断的链路、交易失败) 等。由于网 格基础设施的复杂性，影响网格0 0 s 的因素很多。 但通过对涉及到的因素逐一分析可以发现，资源的可用性本来就是资源 可靠性的范畴；失败的连接、丢失的数掘或组件、中断的链路、交易失败等这 2 第1 苹引言 些问题其实也是因为通信资源和计算资源不稳定而造成的，故也可以归结为资 源的可靠性影响问题：对f 资源利用率、交易时日j 虽然是用户层面的指标，但 它们的提高也需要得到资源可靠性的支持。 所以，网格资源的町靠性能对影响网格q o s 的众多方面进行影响，也就 是说它是根本的影响因素，在网格q o s 问题中永远不可轻视。 基于q o s 的网格资源管理系统应该具有资源预留、安全性、可扩展性、 服务水平协议等方面的功能。虽然采用资源预留机制可以实现优先、即时或按 需分配资源，但如果资源的提供方没有一个好的信誉，也比较难保证预定到的 资源一定能按时按需提供，对于那些力保稳妥的用户来说，少了对资源可靠性 的考虑，会存在很大的风险。 基于经济机制的网格资源管理方面 由于网格资源分配和社会资源配置具有相似性，借助市场机制解决网格资 源的分配具有很强的现实可行性。基于经济机制的网格资源管理【1 7 脚1 也足网 格技术的研究热点之一。 由于如何辨识资源的可靠性是网格应用面临的一个难题，因为不同资源提 供服务的可靠性可能相差很大，而资源提供者对利益的追逐会使资源提供者存 在故意夸大资源可靠性的倾向。 基于此，文献 2 8 】提出了基于赔偿的网格资源交易模型，该模型将信号博 弈理论应用于网格资源可靠性辨认上来，可以使资源提供方主动摒弃恶意欺骗 的动机，资源请求方不必参考其他节点的评价即可作出正确的选择，从而极大 地简化计算，降低通信开销，为网格资源可靠性辨认提出了新的解决方案。 但该模型完全参考市场买卖的方式来让违约的资源提供方提供经济补偿， 这样会产生某些资源供给方因经济充裕而忽视资源可靠性的问题，从而耽误用 户使用可靠性好的资源的机会和时间。其实就现有的网格技术所达到的高度， 用户享受网格服务最看重的就是服务的稳定性，也就是提供此服务的资源的可 靠性，如果不能保障用户得到好的服务质量，即使花再低的代价也不值。 所以，资源的可靠性是一个十分关键的因素，某些资源可靠性差所带来的 负面影响是不能完全用经济手段来解决的。 网格信任机制方面 基于信任机制的网格资源管理1 2 ”4 i ，采用用户和资源之间建立信任强弱关 系来实现资源的合理分配使用，资源管理模块通过考察用户和资源日j 的信任强 弱来统一分配资源给任务。 州南夫学硕十，f 静论文 如文献 3 5 1 ，它在信任机制的基础上，提出了针对网格资源、资源提供者 和资源消费者的信誉评估模型，该模型达到了选择信任度更高的实体建立调用 关系的目的，同时可促进资源交易量和系统的吞吐率。 不过这样的机制比较强调资源和用户方主观能动的影响，抛开它的这种主 观能动展现形式，它其实是资源可靠性在起着比较本质的影响作用，因为其实 这罩的信任强弱关系可以看成是资源可靠性大小对资源的使用效果影响的一种 表层展现形式。 1 2 2 资源可靠- 性对网格资源调度的影响的研究 目i j i ，对于受资源可靠性直接或阳】接影响的网格资源调度研究主要分成以 下几类： 面向应用的资源调度 它是从特定任务的角度来衡量每个可能的调度方案，从中选择最大程度满 足特定任务要求的调度策略。不同的任务可能有不同的要求，一般的要求是尽 量缩短任务执行时闻，其他的要求包括，在使用计费资源时最小化费用，在多 个资源可用的情况下优先使用某资源等。 目前大部分调度策略都属于这一类，如l e g i o n ，此类资源调度只考虑到了 资源可靠性中的资源可用性( 即资源的固有能力，如计算能力大小、存储大小 等) 和资源执行任务的时限性对资源调度的影响，而没有关注在资源执行任务 过程中的连续稳定性。 另外，这一类调度策略完全不考虑调度方案对整个系统的影响，如果网格 中只采用这一类的策略，整个网格的性能可能受到一定影响。 面向系统的资源调度 它是从整个系统的角度来衡量每个可能的调度方案，从中选择能最大程度 提商整个系统的性能，如吞吐率、资源利用率、负载平衡等方案的调度策略。 但这类资源调度由于没有从用户的角度去分析，它忽略了资源可靠性中资 源执行任务的时限性和资源执行任务过程中的连续稳定性问题，而只仅仅在资 源的可用性这一资源的静态性方面有所考虑。 因此，在一个由许多管理域a d m i n i s t r a t i o nd o m a i n 组成的，有多种任务的 大规模的网格中。如果把整个网格作为一个系统，它的性能将无法衡量。所以 这种调度方式只能适应特定系统环境下的资源调度问题。 面向市场的资源调度 这种调度策略由澳大利亚m o n a s h 大学的r a j k u m a rb u y y a 最早提出，它 4 第1 章引言 的主要思想是把网格环境和市场环境进行类比，用户作为买方，而资源的拥有 者作为卖方，资源调度的过程就是买卖双方的交易过程。 此类资源调度一切从经济出发，用经济的指标来衡量资源的价值，而弱化 了资源的动态行为对于资源调度的影响，它在资源可靠性方面只考虑了资源的 可用性这一资源的静态性方面，这样对于那些对资源服务的稳定性非常看中的 用户来说，无疑是具有风险的。 基于资源信度的资源调度 这类资源调度模型目i ；i 还比较少，它只从用户的角度出发来描述资源的动 态性和可用性。如文献【3 6 】提出的资源调度中的资源信度模型，模型中，资源 的信度与其拥有的能力、忙碌程度、是否能按时完成作业等相关，资源的能力 越强、越空闲、越能在任务的期限时间之内完成任务，其信度就越高。 但此类研究现目前还没有充分关注到资源在提供服务的过程中的稳定性问题， 也就是资源提供服务的连续稳定性问题。 1 2 3 研究现状总结分析 资源的可靠性问题是一个既和网格资源管理、网格调度技术各方面相联 系，又具有它本来的独立影响地位的问题。资源的可靠性在网格调度中起着非 常重要的影响作用。 网格资源调度是资源可靠性发挥其作用的平台，而资源可靠性又是网格资 源调度性能的基础影响因素。 在资源可靠性用于资源调度的问题中，有一个比较重要的问题目前还没有 有关研究重点关注于此，那就是资源服务的连续稳定性问题。例如，即使一个 任务在它规定的最大期限内被资源j l r 顷n 完成，但如果在资源执行任务期间出现 了服务中断或者说是服务稳定性抖动，就可能会对用户的使用造成影响或者得 到非预期的效果。 1 3 应用场景及问题的提出 为了方便问题的提出，我们先来看两个应用场景： 应用场景一： 在在线视频网格中，用户想点播观看画面尽量不出现抖动或延迟的某个在 线节目，能提供此在线节目的资源可能会很多，而这些不同的资源由于存在自 身性能的差异，在提供服务时的稳定性是不同的，稳定性差的资源在提供此在 曲南人4 产硕卜学伊论文 线节目服务时就可能出现画面不连续等服务质量问题，那么怎么样通过一个机 制来尽肇让服务稳定性好的资源来给用户提供服务就成了满足用户享受高服务 质蟹视频节目的关键所在。也就是况，必须要找到一个机制来让用户选择连续 稳定性好的资源为其提供服务。 应用场景二： 在一个远程视频控制机器人模仿行走的实验中，机器人需要把周围的环 境视频信息通过其上的摄像设备不断地传给远程的控制中心，控制中心通过收 到的环境视频信息进行计算分析，然后把机器人下一步需要行走的具体动作指 令信息远程反馈给机器人。由于机器人模仿真人行走是一个及其复杂的过程， 它需要对行走过程中每一个瞬间的环境状态信息进行实时、准确地获取并非常 及时地作出相应的反馈，故该机器人在给控制中心传送环境视频信息以及接收 控制中心的反馈指令信息的过程必须要连续稳定，否则，一旦出现计算、通信 资源的不稳定情况( 资源出现不可靠情况) ，则机器人模仿真人的行走将无法 进行。 在以上的两个应用场景中，我们都遇到了一个关键的问题，即资源提供服 务过程中的连续稳定性问题。此外，在应用场景一中，还涉及到资源调度的问 题。斟此，怎样通过一种机制来让用户在资源调度中使用到连续稳定性好的资 源，成为解决此问题的关键。 1 4 研究内容 在目i ； 的几大类网格资源调度研究中，考虑资源可靠性对资源调度的影响 显得比较局限，它们在资源调度中一般只重点考虑了资源可用性和资源执行任 务时限的两个或一个方面，而普遍不太关注资源服务连续稳定性对资源调度的 影响问题。 针对此研究领域中考虑不足的现象，我们提出基于服务中断的资源可靠性 评估模型，它通过在资源调度过程中不断统计资源产生服务中断的历史记录信 息来对资源的可靠性值进行评估，让用户在提交任务后通过资源调度模块考查 众多资源当前的可靠性值来进行资源选择，把任务尽量提交给可靠性值高的资 源执行。 本研究所做的主要工作包括： 1 提出了在网格资源调度中基于资源服务中断的资源可靠性评估模型。 6 第l 章引言 2 给出了基于该资源可靠性评价模型的资源调度算法。 3 分析了资源可靠性值u r 能会受资源过久历史记录信息的不良影响的潜在 问题，提出了滑动周期的改进机制，并对因引入了滑动周期而带来的此问题解 决上的时间和空间的优化效果做了介绍。 4 给出了使用滑动周期改进模型后的资源调度算法。 5 针对该资源可靠性评价模型，在网格模拟平台g r i d s i m4 0 上设计了资源 调度的模拟实验。通过对实验结果的分析，得出了基于资源服务中断的资源可 靠性评价模型能在资源调度中从总体上优化用户得到的资源服务的连续稳定 性。 1 5 研究意义和创新点 1 5 1 研究意义 研究资源可靠性在网格调度中的影响作用，可以从一个根本的出发点来探 索提高网格资源调度的性能、效率和负载平衡问题，为研究适应不同调度环境 的调度算法提供参考。 研究资源的可靠性，从面向服务的角度出发，能更好地发现网格q o s 不 同影响因素方面的相互影响、联系，从而为研究适应不同用户q o s 需求的网 格服务提供方法支持：影响网格服务质量的因素包含众多的方面，而这些因素 很多要么会或多或少地受资源的可靠性的影响，要么可以直接或间接地归于资 源可靠性问题的范畴，所以资源的可靠性是网格服务质量的一个根本的影响因 素。 研究资源可靠性，还可以为找出弥补基于经济机制的网格资源调度模型不 能很好地满足要求服务稳定性较高用户缺点的更佳的解决途径。 研究网格资源调度，可以为网格资源管理中的其他部分如资源发现、任务 提交和任务监视等方面的性能提高提供关键的技术支持，从而为提高网格资源 管理的效率提供大的共享。 1 5 2 本文创新点 1 针对实际应用场景，提出了网格资源服务中断的概念。 2 针对资源服务中断现象的存在，提出了在网格资源调度中基于资源服务中 断的资源可靠性评估模型的解决机制。 3 针对该评价模型可能存在的资源可靠性值受资源过久历史记录信息不良影 响的潜在问题，提出了滑动周期的改进机制。 7 阿南人中硕十学忙论文 1 6 篇章结构安排 本论文共分为六章，分别如下： 第1 章为引言，主要介绍研究的背景、研究领域及相关研究现状、研究内 容、研究意义等。 第2 章是理论基础，系统介绍了网格及其体系结构、网格服务与资源管 理、网格调度技术。 第3 章和第4 章介绍本文所做的工作。其中第3 章提出了基于资源服务中 断的资源可靠性模型以及对应的调度模型和调度算法。 第4 章针对资源可靠性评价模型中可能存在的资源可靠性值受过久历史记 录不良影响的潜在问题，提出了滑动周期的改进机制，并分析了因g 入滑动周 期机制而带来的对该问题解决在资源历史信息的统计计算和存储机制上的优化 效果做了介绍，最后给出了改进后的调度算法。 第5 章为针对第3 章提出的资源可靠性评估模型，在网格模拟平台 g r i d s i m4 0 上设计并实现了资源调度的模拟实验，通过对实验结果的分析， 得出了有效的实验验证。 第6 章总结了本论文的研究工作，并提出了对未来进一步研究的设想。 第2 章相戈珲沧甚础 第2 章相关理论基础 2 1 网格及其体系结构 2 1 1 网格基本介绍 1 网格 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。网格能 够充分吸纳各种计算资源，并将它们转化成一种随处可得到的、可靠的、标准 的同时还是经济的计算能力。除了各种类型的计算机，这里的计算资源还包括 网络通信能力、数据资料、仪器设备甚至是人等各种相关的资源。 电力阿构成衣意图 州格翻成衣嶷胬 图2 - 1电力网与网格组成的对比 “网格”是一个新出的概念，代表了一种先进的技术和基础设施，是继 i n t e m e t 之后又一次重大的科技进步。如果说i n t e m e t 提供的是四通八达的信 9 曲南大学顾十产忙诊定 息高速公路，那么网格提供的则是i n t e r n e t 上琳琅满目的资源与服务超市。 网格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。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，我们使用的是统一形式的“电 能”。网格也希望给最终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。图2 1 是对电力 网和网格组成的简单对比示意图。 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；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。不管是电力网还是网格，都有覆盖范围广、组成资源多样的 特点。正如正如同电力网中需要有大量的变电站等设施对电网进行调控一样， 网格中也需要大量的管理结点来维护网格的正常运行。与电力网相比，网格的 结构更复杂，需要解决的问题也更多，但是它也会给我们带来更大的便利和帮 助。 网格计算就是基于网格的问题求解。这里的网格和网格计算的概念是相 对抽象的，而且是广义的定义，其实网格计算还用狭义的定义。狭义网格定义 中的网格资源主要是指分布的计算机资源，而网格计算就是将分布的计算机组 织起来协同解决复杂的科学与工程计算问题。狭义的网格一般被称为计算网格 ( c o m p u t a t i o n a lg r i d ) ，即主要用于解决科学与工程计算问题的网格。 根据求解问题的特点，人们又提出了各种名称的网格，比如以数据密集 型问题的处理为核心的数据网格，以解决科学问题为核心的科学网格，以全球 地球系统模型问题求解为主要目的的地球系统网格等等。此外还有地震网格、 军事网格、n a s a 的i p g 等行业网格。 那种认为网格就是仅仅通过网络把计算机、人、仪器、数据等连接起来 的观点是过时的，它过分强调了物理的网络和离散的网格资源，而没有将它们 作为一个有机的统一整体来看待。另外一种观点就是把网格看做是中间件系 统，这种观点也是不全面的。中间件的确在网格中占有很重要的地位，但是网 格决不仅仅只是中间件。这两种观点都存在一定的片面性，前者过分强调网格 物理上的资源组成，后者过分强调网格逻辑上的功能，只有将两者结合起来才 是完整的网格系统。物理资源本身和对资源的管理与逻辑上的抽象都是十分重 要的，而且两者也是密不可分的，它们是网格环境的两大核心组成要素( 如图 2 2 ) 。 1 0 第2 章相戈珲论茸础 图2 2网格资源、网格管理与网格环境三者之间的关系 2 网格的基本要求 对于网格提供的计算能力，有四个基本的要求，分别是：可靠性要求、标准 化要求、易访问性要求和价格低廉的要求。 网格的可靠性是指网格提供的计算能力必须保证是持续、稳定和安全 的，不应该因为网格内部个别资源的变化而对网格应用造成影响，即网格题时 或许不得不到特定的地点来进行，比如到某一个单位去登记和使用特殊的仪器 设备等，但是在网格上解决问题时，不应该因为访问者或者资源所在地位置不 同而受到限制。 网格费用的低廉性是网格能够被普遍接受和推广的静提。不管网格有多 少优点，如果大多数的使用者无法承受其费用，网格就不可能被普及，它的各 种优势也就根本无法得到体现。网格技术通过将资源充分共享，最大限度地发 挥资源的使用价值，不仅可以将原来闲置和浪费的资源收集起来供网格用户使 用，而且可以避免以i ； 由于地理位置限制所带来的各种额外开销，显然网格对 使用者存在着很大的降低开销的潜力。 这些要求都是网格需要解决的问题，也是网格技术发挥作用的地方。网格 作为一种新型而重要的基础设施，不是一夜之间就能够奇迹般地突然出现的， 需要各个方面联合起来，共同努力才可以实现。 3 网格的意义 曲南人7 顾十学忙论文 网格概念的提出将从根本上改变人们对“计算”的看法，因为网格提供的 是与以往根本不同的计算方式。r a n d yb r a m l e y 认为网格提供的计算能力是以 前所无法得到的，而且也是不能够通过其他的方式得到的。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，使人们可以以一种全新的、更 自由、更方便的方式使用计算资源，解决更复杂的问题。 首先是计算能力大小的限制。以前大部分的用户无法得到足够的计算能 力，因此许多问题的解决是不能够通过计算或者是不能完全计算来实现的，对 模型以及算法的化简是最常见的近似方法。而网格所提供的计算能力要远远超 过以前我们所能够想象的程度，对于大多数用户来说，网格提供给他们的计算 能力足以满足起计算需求，在这种计算能力的支持下，人们可以做许多以前无 法想象和无法完成的工作。 其次是地理位置的限制，计算资源是分布在各处的，有些资源是稀奇或不 可复制的，有些资源甚至是无法和特定的地理位置分开的，而网格把“到资源 所在地”对资源进行使用的限制打破了，对资源的使用和使用者所在的位置以 及资源所在的位置无关。突破了在使用资源时对位置的限制，是网格具有突出 意义的功能。 图2 - 3电力网和网格作用的对比 最后也是非常重要的一点就是网格打破了传统的共享或协作方面的限制。 网格使得共享与协作的方式和方法更广泛了，而且为这种合作提供了各种控制 1 2 幂2 苹相炎珲论基础 策略与手段，可以根据需要，动态地与不同的组织或个人建立各种级别的工作 关系。 过去人们往往很自然地把计算资源和特定的、有形的计算机等联系起来， 而网格就是在剥去了各种具体的计算资源外在的“形”的基础上，将其内在的 “神”即计算能力抽取出来，形成一种分布在网上的抽象的计算能力，在实现 了“形”和“神”分离的同时，将原