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馨7 9 1 5 2 7 p e t r i 网格及其资源搜索技术研究 ( 赵维y g z w t o m c o m ) 论文摘要 网格是近年来出现的一组架构在互联网络服务之上的新兴技术，旨在支持虚拟组织的资源共享与西同 工作。人们承认网格是下代软件技术之一，但对网格“革命性体系结构”的构成、网格应用的性质和网格 发展道路等争议很火。论文分析软纠：发展历史，指出资源与服务是网格的两个基本要素 分析网格发展实 践及技术探索，指出网络服务是网格的事实基础，网格核心是虚拟操作系统：重点分析网格基础设施的连 通性以及虚拟操作系统的本质安全性。介绍了网格麻用的开发方法。 在网络搜索技术中，p 2 p 模式有c s 模式无可比拟的优势，网络资源搜索是p 2 p 基础技术之一。定义资 源搜索效率是应答数与查询消息总数的比值，是衡量搜索技术的基本技术指标之一。网络世界里存在着局 部性现象，作者设计的m r d ( m u l t i 。r e s p o n d e r sd o m a i n ，多回答域) 是利用局部性原理的网格资源高效搜 索方法。理论证明和模拟分析表明，m r d 技术比传统改良f l o o d i n g 方法平均提高至少2 个数量级。 结合本体论，实现“精细、准确和自动化”的网格资源深度搜索，是论文的主要t 作。基丁p 2 p 网络和 本体论，作者设计了语用网( p r a g m a t i c s n e t ) ，用语用网的“问答”模式取代目前c ，s 网络“关键字”法，是克 服网络资源爆炸问题的有效手段。理论分析羊【i 模拟实验表明，语用网的“问一答”式精确搜索方法是下一代网 格资源的有效搜索技术。 应用p e t r i 网原理( p e t r i n e t t h e o r y ) 对公用网格应用作基础构造与理论分析，深化扩展p e t r i 网的应用 范围，探索网格技术的发展道路。网格的实质是简化和加快软件麻用工程开发，网格基础是网络服务( w e b s e r v i c e ) 标准和网格资源框架( w s r e s o u r c ef r a m e w o r k ) 提议。i s 0 1 5 9 0 9 标准定义p e t r i 网是分析和规范并 发的动态离散系统的正式的、可视化的可执行的建模技术。用p e t r i 网原理，在网络服务和网格资源基础上， 建构p e t r i 网格计算机模型，运 i p e t r i 网格应用系统。p e t r i 网格包括数学语义模型和实践使用的网格应用开 发界面的图形建模符号语言。p e t r i 网格的到示化系统建模技术是软件工业受欢迎的应用开发方法，能有效 地降低开发人员的专业知识门槛。以流量控制协议为例分析p e t r i 网格应用开发技术并作相关讨论。 最后论文作者在m i c r o s o f tn e t 环境r 实现了基于m r d 及语用网技术的p 2 p - s e a r c h n e t 技术。 关键字：网格基础没施：虚拟操作系统；p 2 p 网络：精确搜索：局部陛原理：本体论：p e t r i 网格计算机 a b s t r a c t t h eg r i di sa ni n n o v a t i v em o d e lo f d i s t r i b u t e dc o m p u t i n gf o c u s i n go nl a r g e s c a l er e s o u r c es h a r i n gf o rd a t a p r o c e s s i n g ，c o l l a b o r a t i v ea p p l i c a t i o n sa n dh i g hp e r f o r m a n c ec o m p u t i n g a l t h o u g hg r i di sp u b l i c l yc o n s i d e r e dt h e n e x t - g e n e r a t i o nt e c h n o l o g yo f t h ei n t e m e t ，b o t hi t se s s e n c ea n dd e v e l o p m e n ta r ei s s u a b l e r e s o u r c ea n ds e r v i c e a r et w ob a s i cc o m p o n e n t so f g r i d w e bs e r v i c ew o u l db e t h ei n f r a s t r u c t u r eo f g r i d ，a n dv i r t u a lo p e r a t i n gs y s t e m i t sc o r et e c h n o l o g y c o n n e c t i v i t yi st h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i co f g r i di n f r a s t r u c t u r e ，a n ds e c u r i t yi st h ee s s e n c e s u p e r i o r i t yo f v i r t u a lg r i do s g r i di n f r a s t r u c t u r ea n dv i r t u a lg r i do sa r es t u d i e de m p h a t i c a l l y , a n dt h ed e v e l o p i n g o f g r i da p p l i c a t i o ni sd e s c r i b e d p e e r 4 0 p e e rs y s t e m sh a v eu n e x a m p l e ds u p e r i o r i t yt oc l i e n t s e r v e rn e t w o r k so ns e a r c ht e c h n o l o g y ah i g h e f f i c i e n ts e a r c hs c h e m ef o rg r i dr e s o u r c ew i t hl o c a l i t yp r i n c i p l ei sd e s i g n e d ，w h o s en a m ei s m u l t i r e s p n n d e m - - d o m a i n ，m r da ss h o r t e n i n g o w i n gt ot h ei n f o r m a t i o ne x p l o d i n g , s e a r c h i n gt h ei n t e m e t i n f o r m a t i o nw i t hc u r r e n t l ys e a r c ht e c h n o l o g y , f l o o d i n go rf l o o d n e ta sae x a m p l e ，w i l lr e c e i v ei n c r e a s i n g l y m a n i f o i dr e s u l t s ，w h i c ha r em o s ti n v a l i d a t i o n s e a r c he f f i c i e n c yi st h er a t i oo f t h eh u m b e ro fr e s p o n d e r sa n do fs e a r c hm e s s a g c s a n di ti sb a s i cc r i t e r i o nf o r e v a l u a t i n gs e a r c ht e c h n o l o g y l o c a l i t i e sa r eb a s i cp h e n o m e n ai na l lh u g es y s t e m s ，a n da l s on e t w o r k t h e o r y p r o v e sa n ds i m u l a t i o na n a l y s e st h a tm r di m p r o v e ss e a r c he f f i c i e n c y a sh i g h l ya s1 0 0t i m e s ap r e c i s es e a r c hs c h e m ef o rg r i dr e s o u r c eb a s e do ns e m a n t i co n t o l o g yi sd e s i g n e d ，w h o s en a m ei sp r a g m a t i c s n e t o w i n gt ot h ei n f o r m a t i o ne x p l o d i n g ，s e a r c h i n gt h ei n t e m e ti n f o r m a t i o nw i t hc u r r e n t l ys e a r c ht e c h n o l o g y , g o o g l ea sae x a m p l e ，w i l lr e c e i v ei n c r e a s i n g l ym a n i f o l dr e s u l t s ，w h i c ha r em o s ti n v a l i d a t i o n p r a g m a t i c ss e a r c h w i t hp r a g m a t i c sn e tw i l lr e s o l v et h i sp r o b l e m t h e a s k - r e p l y p a t t e r no f p r a b m a t i c ss e a r c hw i l lr e p l a c et h e k e y w o r d m o d e li nc u r r e n tt e c h n o l o g yo f i n t e r n e ti n f o r m a t i o ns e a r c h a si ss h o w nb yt h e o r ya n a l y z i n ga n d s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，p r a g m a t i c sn e ti st h ee f f i c i e n c yt e c h n o l o g yo f p r e c i s es e a r c hs c h e m ef o rg r i dr e s o u r c ei n t h ef u t u r e t h eb a s i cc o n s t r u c t i o n a la n a l y s i so f p u b l i cg r i da p p l i c a t i o ns y s t e m si sd i s c u s s e dd e e p l yw i t hp e t r in e tt h e o r y , e n l a r g i n gt h ef i e l do f p e t r in e ta p p l i c a t i o n ，a n de x p l o r i n gt h ed e v e l o p m e n to f g r i dt e c h n o l o g y t h ee s s e n t i a lo f p u b l i cg r i di st os i m p l i 母a n dq u i c k e nt h ed e v e l o p m e n to f s o f t w a r ee n g i n e e r i n go f g r i da p p l i c a t i o n ，a n dt h et w o b a s i so f g r i da r ew e bs e r v i c es t a n d a r da n dw s r e s o u r c ef r a m e w o r kp r o p o s a l ，o nw h i c ht h ep e t r ig r i dc o m p u t e r i sc o n s t r u c t e dw i t hp e t r in e tt h e o r y p e t r in e ti sd e f i n e db yi s o i e c l 5 9 0 9a saf o r m a l ，g r a p h i c a l ，e x e c u t a b l e t e c h n i q u ef o rt h es p e c i f i c a t i o na n da n a l y s i so fc o n c u r r e n t ，d i s c r e t e - e v e n td y n a m i cs y s t e m s p e t r ig r i dc o m p u t e r c a nb ed e f i n e db yt h eb a s i cm a t h e m a t i c a ls e m a n t i cm o d e l ，a n di sn o r m a l l yr e p r e s e n t e du s i n gag r a p h i c a lf o r m w h i c ha l l o w s v i s u a l i z a t i o no f s y s t e md y n a m i c s o w s o f d a t aa n dc o n t r 0 1 ) t h i sa p p r o a c h i s t a k e n ，a s i t i s t h e g r a p h i c a lf o r mo fp e t r ig r i dc o m p u t e rt h a ti sm o s ta p p r o p r i a t ef o ri n d u s t r i a lu s e a ne x a m p l eo f a f l o wc o n t r o l p r o t o c o l i st a k e nt oa n a l y s e sp e t r ig r i da p p l i c a t i o n ，a n dt od i s c u s st h ec o r r e l a t i o n si nc o n t e x t k e y w o r d s ：g r i di n f r a s t r u c t u r e ，g r i do p e r a t i n gs y s t e m ，p 2 pn e t w o r k ，i n t e r a c ts e a r c h ，l o c a l i t yt h e o r y , s e m a n t i c o n t o l o g y , p e t r i g r i dc o m p u t e r 2 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 网格授术涎生于上个世纪9 0 年代中期，发展迅速，特别是2 0 0 1 年w e bs e r v i c e 2 6 技术出现以后，i a n f o s t e r 领导的g l o b u s 项目 1 】小组立即把网格技术建立其上，并推山基于开放式网格服务体系结构 o g s a 2 ，4 ，5 ，6 ，2 8 的g t 3 1 3 】，在全世界范围内掀起了包括科技界和工业界的网格研究热潮。 人们想象中的网格技术应满足目标或具有特征是；( i ) 网格计算是指( 通过高速网络) 集成大量的计算 机系统，以提供单一或一组计算机所不能提供的数据处理能力和功能； ( 2 ) 为满足本地用户的需要，网 格系统可以使用共享的语言和接口协议，在全球范围内接入运算资源、信息和服务；( 3 ) 对用户而言， 组成网格系统的集成网络具有“通透性”，这些由远端提供的服务看起来与本地计算机提供的服务没有 区别；( 4 ) 网格技术可以实现虚拟组织成员间的大规模科学与商业合作、远程实验、高性能分布式计算 及数据分析 1 ，2 3 ，2 4 ，2 5 1 。 成功应用于科技界的o g s a 网格体系结构虽然受到工业界的承认，但( 1 ) 工业界却不立刻支持o g s a ( 而在大力开发基于w e bs e r v i c e 的产品与服务) ；( 2 ) 学术界质疑网格缺乏理论基础，缺乏研究，也缺乏 有显示度的应用：( 3 ) 人们不怀疑网格的科学目标和远景，但就如何达到这个目标还没有达成完全的共 识，而是有着各自不同的想法；( 4 ) 以g l o b u s 1 】为代表的学术界网格研究有可能被以i b m 为代表的产业 界所超越 2 3 ，2 4 ，2 5 1 。根据目前所搜集到的资料来看，国内的网格研究基本上都是基于o g s a 的，但鲜有应 用。如中国国家网格、上海网格以及教育网格等【3 1 ，目前都处于研究阶段，都还没有具体的“k i l l e r a p p l i c a t i o n ”。 人们普遍认为网格技术是下一代主流软件技术之一，但对网格“革命性体系结构”的构成、网格应用 的性质和网格发展道路等争议很大。论文第2 章通过分析软件发展历史，指出资源与服务是网格的两个基 本要素；分析网络发展实践及技术探索指出网络服务是网格的事实基础，网格核心应该是虚拟操作系统； 重点分析网格基础设施的连通性以及虚拟操作系统的本质安全性。 随着计算机技术的飞速发展，算法设计与分析中的结构化程序设计问题正逐步得到解决；随着计算机 应用领域及系统规模的不断扩大，处于需求分析与系统设计之间的业务逻辑重组与构建问题，就突显出来， 如何有效构建业务逻辑就成为当代软件工程的主要矛盾，即业务逻辑的设计越正确、实现越高效，软件工 程的成功率就越高，反之越低。 根据本文作者多年软件工程开发经验，业务模型决定着系统规模、业务逻辑决定着系统复杂度。系统 比较简单时，业务模型也往往比较成熟，业务逻辑也往往比较简单，j _ = 程的成功率也就自然较高。不幸的 是，新的应用领域不断涌现，新的业务模型和业务逻辑也不断地被创造出来，需求部门想当然地认为软件 工程实现了新的业务逻辑，设计部门也想当然地认为需求部r j 提出了新的业务模型，事实上他们双方对新 的业务逻辑或业务模型都术掌握、都不熟悉，这是当代软件应用工程项目失败的主要原因和核心问题。 业务模型的重组或新业务逻辑的构建，不仅产生新的软件工程模型，也怠造新的工业模式，软件工业 将从传统模型中分离出独立的程序设计与实现基础部fj ，业务逻辑设计与实现关键部门和应用开发推广部 门。其中的业务逻辑设计部门属于不同应用领域与软件工程的交叉学科，是当代软件一r 程的真正核心与关 键所在，基础部门就是传统的软件部门，虑用开发部门的主要工作则是领域内部市场推广。 p e t r i 网理论正确地揭示了分布并发系统的本质特征，正在成长为计算机科学的- - l 目愈重要的基础 理论，已于2 0 0 3 年被软件工程小组颁布为1 9 0 1 5 9 0 9 3 0 国际标准。论文第5 章在i n t e r n e t 技术的最新发 展一w e bs e r v i c e s 标准和w s r f 提议的基础上，设计并实现p e t r i 网格计算机把p e t r i 网从分析业务模 型的模拟工具变成实现业务逻辑的支撑环境解决业务逻辑设计部门的理论支撑和r 具实现问题， 资源搜索是i n t e r a c t ，也是网格技术的基础。在网络搜索技术中，p 2 p 7 1 模式有着c s 模式无可比拟的 优势，网络资源搜索是p 2 p 基本应用之一。资源搜索效率是鹿答数与查询消息总数的比值，这是衡量搜索 技术的基本指标之一。网络世界里存在着局部性现象，论文第3 章殴计的m r d ( m u l t i - r e s p o n d e r sd o m a i n ， 多回答域) 是利用局部性原理的网格资源高效搜索方法。理论证明年i l 模拟分析表明，m f d 3 技术比传统改 良f l o o d i n g 7 ，8 ，9 ，1 0 1 方法平均提高2 个数量级。 结合本体论 1 2 ，1 3 1 实现“精细、准确和自动化”的网格资源深度搜索，是论文第4 章的主要工作。 基于p 2 p 网络和本体论。设计了语用网，_ 辟j 语用网的“启发式( 或限定式) 问答”模式取代目前c s 网 络“关键字”，是克服网络资源爆炸问题的有效手段。理论分折和模拟实验表明。语用网的“问答”精确 搜索方法是下一代网格资源的有效搜索技术。 论文在第5 章里应用p e t r i 网理论( n e tt h e o r y ) 2 9 ，3 0 ，对公用网格应用作基础构造与理论分析， 设计并构造出p e t r i 网格计算机，深化扩展p e t r i 网的应闱范围，探索网格技术的发展道路。网格的实质 是简化和加快应用工程开发的计算机集成理论与技术，p e t r i 网格计算机的基础是网络服务( w e bs e r v i c e ) 标准和网格资源框架( w s r e s o u r c ef r a m e w o r k ) 提议。i s 0 5 9 0 9 标准 3 0 定义p e t r i 网是分析和规范并 发的动态离散系统的正式的、可视化的可执行的建模技术。 论文用p e t r i 网原理，在网络服务和网格资源基础上，建构f e t r i 网格计算机模型，运行p e t r i 网格 应用系统。p e t r i 网格包括数学语义模型和实践使用的网格应用开发界面的图形建模符号语言。p e t r i 网 格的图示化系统建模技术是软件 二业受欢迎的应用开发方法，能有效地降低开发人员的专业知识门槛。以 流量控制协议为例分析p e t r i 网格应用开发技术。 p e t r i 网格计算栅( p e t r i 网分布并发模型) w s - r e s o u r c e sf r a m e w o r k w e hs e r v i e e s 计算机算法实现( 图灵计算模型) 图1p e l r i 网格计算机基础结构示意图 如图1 所示论文的目标是构造以“变迂”建模的w e bs e r v i c e s 及“状态”建模的w s - r e s o u r c e s f r a m e w o r k 为基础的、旨在解决分布并发的大型计算机应用系统的理论支撑与实现技术，即系统集成模 型问题的p e t r i 同格计算机。使得p e t r i 网从一个有效的系统理论模拟工具，成长为分布并发的现实计算支 撑系统。从此后，软件工程的重点就从传统以结构化程序设计为主的算法实现上，转移到以分布并发为特 征的业务逻辑构造上来，这是计算机技术，特别是i n t e r n c t 技术发展的必然趋势和本质要求。 1 。2 论文结构 第一章绪论后的章节安排如下：第二章具体阐述网格基础设施和虚拟操作系统及其应用；第三章重点 阐述利用局部性原理的网格资源高效搜索技术：第四章是基于本体论的网格资源精确搜索技术 第五章是 p e t r i 网格计算机构造：第六章是利用第三、四章的技术实现p 2 p 语用搜索网；最后总结与展望在第七章。 6 第二章网格基础设施与虚拟操作系统研究 人们普遍认为网格技术是下一代主要软件技术之一 3 1 】，但对网格“革命性体系结构”的构成、网格 应用的性质和网格发展道路等争议很大本章在分析软件发展史的基础上，指出资源与服务是网格的两个 基本要素；分析网格发展实践及技术探索，指出网络服务是网格的事实基础，网格核心是虚拟操作系统； 重点分析网格基础设施的连通性以及虚拟操作系统的本质安全性最后介绍了网格应用的开发方法 2 1 引言 网格( g r i d ) 概念产生于9 0 年代中期，是从电力网( p o w e rg r i d ) 借鉴过来的，摄终目的是希望人 们能够象使用电力一样方便地使用分布在网络上强大而丰富的计算能力。作为目前越来越重要的计算机技 术研究领域，网格是一种关系科研、经济、社会、国防的重要国家基础设施，在国内外引起了广泛的关注。 “网格最终应该是一种公共事业”由网格应用服务商提供服务，这种服务与电话、电力、水、煤气并 列，被称为“第五公用设施” 2 3 。 网格的发展经历了三个阶段：第一阶段是网格的萌芽阶段，开始于9 0 年代早期，研究内容是关于千 兆网试验床以及一些元计算方面的工作；第二阶段是一些早期的试验，时间大概从9 0 年代中期到晚期， 出现了一些比较重要的开创性和奠基性的研究项目；目前是网格计算的迅速发展阶段，关于网格的研究 开发和应用项目大量出现。出现了影响很大的组织全球网格论坛g g f ( g l o b a lg r i df o r u m ) ，同时网格计 算也不再仅仅局限于科学研究工业界与学术界联盟。正致力于使网格计算在更广泛的领域得到推广和应 用 2 4 。 网格的作用是将分散在网络上的信息及信息存储、处理能力以合理的方式“桔合”起来，形成有机的 整体，以提供比任何单台高性能计算机都强大得多的处理能力，实现信息的高度融合和共享。发展网格被 认为是下一代i n t e r a c t 的核心任务之- - 3 1 1 ，它已经成为各国的研究热点，例如美国有g l o b u s 、l e g i o n 、 c o n d o r 、 p g 等，欧洲有c e r nd a t a g r i d 、u n i c o r e 、m o l 等澳大利亚有n i m r o d g 、e c o g r i d 等， 日本有n i n f , b r i c k s 等，中国有国家网格、上海网格等。 本章以下部分通过对软件历史与技术发展分析网格经验和教训，提出一个包括网格社会信息基础设 施、虚拟操作系统的支持“即插即用”网格设各的、能解决j a m e sg r a y 预言中6 个问题的“革命性”网 格体系结构，研究其性质及关键技术，分析其协同与共享的实现原理，并介绍网格应用开发实例。 2 2 网格的基本软件架构 构造网格系统成功与否，首要考虑的是网格系统的可理解性和可实现性。从分析软件发展史出发，本 文作者们可阻得出网格系统的基本要素。 2 2 1 软件发展历史分析 社会发展总在不断追求扩人技术的应用范围、降低其廊用成本计算机软件技术的发展也不能例外。 软件技术的发展大体上经历了以下几个阶段： ( 1 ) 原始阶段即寄存器加指令阶段。寄存器是对客观的静态抽象，指令是对客观的动态抽象，主 要应用在计算机系统诞生的早期探索阶段。此时还谈不上软件结构。 ( 2 ) 传统阶段即数据加程序阶段。数据是对客观的静态抽象，程序是对客观的动态抽象，主要应 用在科学计算领域。此时有了传统字符操作系统，重点研究降低软件开发成本的软件复用技术。 7 ( 3 ) 面向对象阶段即属性加方法阶段。属性是对客观的静态抽象。方法是对客观的动态抽象，并 以对象封装客观的动静统一，软件应用已经扩展剑了广大社会商业领域。此时有了极具亲和力的图形用户 界面操作系统，重点研究加速大型软件开发的软件体系结构技术。 ( 4 ) 网格应用阶段即将到来的网格阶段就是资源加服务阶段。资源是w s r f 【1 中的w s r e s o u r c e ( 网格资源，简称资源) 是对客观世界的静态抽象，并以网格资源共享抽象客观的普遍联系性：服务， 就是w e bs e r v i c e ( 不是网格服务一因为o o s a 3 ，4 ，5 1 结构中只有网格服务概念，没有网格资源概念) ，是 对客观的动态抽象，并以网络服务协作抽象客观的变化发展，必将发展出网格社会信息基础设施。 客观的静态抽象从寄存器、数据、属性发展到资源，动态抽象从指令、程序、方法发展到服务，符合 抽象层次越来越高、应用范围逐步扩大、开发过程逐步简单、运行维护成本逐步降低的软件发展历史规律， 满足软件发展规律趋势的客观要求。 2 2 2 网格发展技术分析 自i n t e r n e t 诞生以来，人们就不断追求更有效的互联软件技术。网格相关技术主要包括下述的w e b s e r v i c e 、o g s a 、w s r f 6 等。 ( 1 ) w e bs e r v i c e 技术提供永久的无状态服务实现了程序间远程访问透明性。上个世纪9 0 年代 基于t c p 1 p 的i n t e m e t 的盛行。推动了w e b 网页的普及，网页的普及反过来促进了i n t e m e t 的发展。人类 在技术上实现了分布于全球范围的网页定位与网页间( 通过超连接技术实现) 相互链接，各种网页查找技 术与方法正不断涌现并高速发展。 i b m 的研究者们，创造性地把这种w e b 网页定位与链接技术扩展应用到了远程程序访问中，发明了 全球范围的程序定位与相互访问技术一他们称之为w e bs e r v i c e 技术。由i b m 及微软等工业巨头们标准化 的w e bs e r v i c e 技术实现了w e bs e r v i c e 的定位、访问与管理将发展为网格社会基础设施标准。 ( 2 ) o g s a 体系结构只有临时的有状态网格服务，实现了网格功能的多样化。虽然w e bs e r v i c e 提 供的功能有限，应用烦琐，但实现了人类长期追求的分布式程序访问。g l o u b s 项目领袖i a nf o s t e r 正是看 中并利用了这个技术突破性，设计出著名的o g s a 网格体系结构。 o g s a 是第一个明确提出的基于w e bs e r v i c e 的网格体系结构，具有理论及概念价值，其探索意义不可 磨灭。但其实现标准规范o g s i 却具有先天与后天的双重缺陷，导致它诞生不足年即被新的网格技术规 范w s r f 所取代。o o s i 的先天不足在于o g s l 只提供网格服务，没有抽象出网格资源；后天不足在于o g s i 把w e bs e r v i c e 的w s d l 扩展为g w s d l ，却求带来预期的性能飞跃f 1 ，2 7 1 ，违反了“晟不( 或小) 惊讶” 原则。使得o o s i 最终成为美丽的空中楼阁。 ( 3 ) w s r f 规范 在w e bs e r v i c e 的永久无状态服务基础上加入有状态的( 本质上是临时的) 资源， 其规范正在形成之中。虽然w s r f 修正了o g s a 的失误，即提供了有状态的网格资源描述客观静态信息， 而且它也兼容了w e bs e r v i c e 的工业应期开发技术，但它仍只是笼统地表现为网格中间件，没有发展出网 格社会基础设施与虚拟操作系统等关键概念和技术形态。 p e t r i 网是研究分析设计分布并发系统的模型理论，w e bs e r v i c e s 技术( 即本文中的“网络服务”) ，实 现了p e t r i 网理论1 2 9 1 q a 的“无状态的变迁”元素：w s r f ( 邵本文中的“网格资源”) ，实现了p e t r i 网理论 中的“有状态的库所”元素。它们是支撑p e t r i 网模型的t a o g r i d 网格体系 3 2 1 的技术基础设施。其中网络 服务实现p e t r i 网原理【2 9 】中的“变迁”( 即加工) 元素，是一个成熟的工业技术标准；网格资源实现p e t r i 网中的“库所”( 即资源) 元素，有待发展为j ：业标准。p e t r i 网是阐述“并发逻辑”的系统理论，t a o c i r i d 就是实现“并发商务逻辑”的p e t r i 网格计算机。 2 2 3 网格体系结构的层次模型 由于网格系统技术的并发逻辑特征要求以及现有计算机技术、特别是互联网技术的发展限制，网格 体系结构模型的设计目标麻土要集中在以l j l 个方面。 ( 1 ) 具有社会基础设施整体性资源兆享和服务协作是网格的本质特征，也是构建网格系统的根本 8 需求，建立在已经初显社会基础设施特性的互联网之上的网格必须体现出社会整体属性。网格社会是动态 成长无限巨大的，系统无法、也没有必要给出所有的具体网格物理设备模型实现统一的网格逻辑设备管 理层。模型抽象逻辑设备管理层为网格虚拟模式，虚拟模式实现网格的整体属性。系统不能够一一描绘出 所有具体网格物理设备，但针对每- - + n 体n 格设备或网格应用，系统却可以给出个性化的网格虚拟模式。 虚拟模式实现了作为社会信息基础设施的网格所必然满足的可伸缩、容错无故障、安全高效、随时可用等 基本特征。 ( 2 ) 具有网格数据管理机制 网格应用所面对的网格数据应该持续可访问，但网格数据事实上分别 存在丁_ 各自治系统中，所以模型系统必须为常用关键数据提供有效管理，以实现网格数据持续可访问性。 本文作者所提出的网格数据管理中的d o r m 技术【3 2 】+ 是软件资源社会化管理的基础设腌技术，在支持计 算与存储分离的基础上实现了软件资源的互联网上的共享技术。 ( 3 ) 具有本质安全特性安全将是未来网格社会系统成败的首要因素，p e t r i 网格计算机应该具有天 然的反间谍软件特性。 ( 4 ) 网格应用设计简单化本文作者们需要设计一种友善界面的需求描述语言，它可以很容易地表 述网格应用的设计，这样，在实践基础上的简单实用是所有成功应用系统的共同特性，网格层次模型也遵 循同样规则。 针对上述设计目标同时基于网络服务与网格资源之上建立实现“并发逻辑”的网格系统技术，论文 作者提出一个简单实用的网格基础设施、虚拟操作系统及虚拟组织( 即网格应用) 的层次模型。该层次模 型如图2 所示。 “即插即用”网格设备 网格应用开发j 语言 本地安全操作系统r g o s 虚拟网格操作系统v g o s 统一描述发现集成u d d i 网格数据管理d o r m 网格基础设施管理 w s r e s o u r c ef r a m e w o r k w e bs e r v i c e s 引擎 1 虚拟 l组织层 j i 阿格操作 f 系统层 、增值层 l 网格基础 f设施层 图2t a o g r i d 网格体系结构的层次模型 图2 所示t a o g r i d 网格体系结构模型中的备层按照功能可以! ：= l 并为四个部分：网格基础设施层、网格 应用增值层、网格操作系统层和网格应用层。各部分的主要功能如下： ( i ) 网格基础设施( g r i d i n f r a s t r u c t u r e ，简称g i ) 层它包括嘲络服务( w e b s e r v i c e ) 消息、安 全引擎，网格资源( w s r e s o u r c e ) 引擎和基础设施管理。网络服务引擎实现网络服务安全通信，包括s o a p 以及w s s e c u r i t y 等协议：网格资源引擎实现网格设备物理位置的透明性，如同电话一样，无论对方在哪 里，只要拨通电话号码。就可以通话。网格基础设施管理维护网格用户及其网格设各信息。实现有效收费。 ( 2 ) 网格应用增值( d y n a m i co p e n n i n gm u l t i - r e p l i c am a n a g e ，即d o r m ) 层它提供大量增值的 网格应_ 目j 及其管理，表现山网格应用的无穷性，网格的复杂社会功能都由这里提供。如同电信网上支持许 多增值功能一样，网格基础设施上必需提供网格应用增值层，实现应用功能的多样化。以利于共享网络服 务年l j 网格资源。事实上许多网络公司已经向w e b 上提供了大量增值应用，例如o g d a d a i - g d s 网格数据 服务项目以及著名的g o o g l e 搜索、3 7 2 1 等都属了该层的增值应用。 ( 3 ) 网格操作系统( g r i do s ，简称g o s ) 层为构造本质上安全的网格系统，不妨借鉴自然物种 9 的安全措施，自然物种间具有的遗传物质差异产生天然的抗病毒屏障，物种内也通过禁止近亲繁殖等措施 来保持个体遗传物质的特异性，从而实现个体的健康免疫特性。网格社会模型必须解决各虚拟操作系统支 持的网格应用个体闻的遗传变异性，提高其安全免疫特性，这是由具有个性化特征的网格操作系统实现的。 g o s 是网格系统的核心所在，包括统一描述发现集成( 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 n di n t e g r a t i o n ，简 称u d d i ) 协议、虚拟网格操作系统( v i r t u a lg r i do s ，简称v g o s ) 、本地安全操作系统( r e a lg r i do s ，简 称r g o s ) 。其中u d d i 是w e bs e r v i c e 的协议标准，是网格“1 j 户”：v g o s 是驻留在网格设备中的管理特 定网格应用使用到的远程资源以及向网格开放的本地资源的管理器；r g o s 是由v g o s 根据具体网格设备信 息( “卵插”) 以及网格应用需要( “即用”) 即时生成的，将取代现有“通用的”操作系统，为具体网格应 用管理网格设备的本地资源。特别地，如果当前应用不使用到远程资源的话，网格设备可以脱离网格独立 使用，成为所谓“普适计算”的“计算机电子” 2 4 。网格设备、网格应用、网格资源以及管理方式方法 等都具有个眭化，针对不同的设备硬件、不同的应用软件以及不同的用户，操作系统都是备不相同的。正 是网格操作系统的个性化特性成就了网格的本质安全属性。与现有本质上是孤立的文件管理系统不同， r g o s 采用d o r m 技术的网格数据集合管理方式实现了计算与存储的分离，更强化网格系统的安全特性。 本文第4 节将详细讨论虚拟网格操作系统v g o s 的特性。 ( 4 ) 网格应用( 即虚拟组织实现，v i r t u a lo r g a n i z a t i o n ，简称v o ) 层它包括网格应用开发j 语 言和“即插即用”网格设备。j + 语言是本文作者运用x m l 技术和p c t r i 网理论设计的非常简单的网格应用 开发语言。t a o g r i d 支持的网格设备必须是“即插即用”计算系统。 用j + 语言表达的网格应用本质上是一棵x m l 的d o m 树，可以用已有的树( 或其树枝) 复合为新树， 因此j + 语言支持复杂继承，即多继承与部分继承( 即遗传差异) 关系。以p 为分水岭，计算机开发语言将 从程序性语言发展到说明性( 元) 描述语言时代，将由此产生一个巨大产业一从业人口数十倍于传统程序 员的网格应用描述员。 除联入网格的计算机、手持p c 、p d a ，网格家电外，更多的将是行业中应用的网格仪器仪表及虚拟 设备，现有的数字智能设备理论上都可以升级改造为网格设备。网格设备在种类和数量上将赶上“电器设 备”，相信很快的将来，网格设备将成为智能设备甚至电器设备的代名词。 因此，网格软件系统主要包括提供基础服务资源的网格基础设施层、管理大量社会提供的增值网格应 用的基础设施增值层、管理两格资源的( 个性化虚拟) 网格操作系统层及虚拟组织实现层。系统的核心是 个性化虚拟操作系统( 其中包含v i r t u a lg r i do s ( 简称v g o s ) 与r e a lg r i do s ( 简称r g o s ) ) 。网格应用就是 i o n f o s t e r 所谓的“虚拟组织【2 】j ，也即以并发为特征的商务逻辑的应用实现。g o s 基于网格社会基础设施 之上，管理虚拟组织的内部资源。虚拟操作系统具有个性他的特征，即世界上没有两个完全一样的虚拟操 作系统。虚拟操作系统，用w s r f 的p a t t e r n 方法产生的服务实例( 一而不是用o g s i 的工厂化的服务实例，) 作用于网格资源，从而产生具有各特异性的虚拟操作系统映像。 本文作者提出了t a o g r i d 网格体系结构( 详见 3 2 】) 认为网格不应该仅仅停留在f o s t e r 领导的g l o b u s 项目所致力的网格资源层面，而应是“分布并发”的p e t r i 网系统理论模型的计算机实现( 第五章详细论述) ： t a o g d d 使得p e t r i 网从计算机领域的系统模拟理论，发展为个实实在在的p e t r i 网格计算机；t a o g r i d 实 现了网格技术与p e t r i 网理论的完美结合，从此网格技术有了p e t r i 网的理论指导，p e t r i 网又有了具体的网 格技术实现。囚此t a o g r i d 具有网格技术实践意义的独创性。 2 3 网格基础设施及其连通性 网格基础设施g i 实现网络服务与网格资源访问的物理位置透明陛，只要知道网络服务或网格资源的 u r i ，应用就可以访问。网格社会基础设施要求底层通信子网应当支持i p v 6 技术f 3 3 】，网格设备配置有( 通 信子网支持的) 唯一的i p v 6 地址。g i 利用网络通信协议的发展成果，但通信协议本身并不属于g i ，即使 把网络通信纳入g j ，也只能处于最底层远不属于网格系统的核心内容。g l 还要为特定的网格设备维护 合适的通信带宽，这里“合适的”，指的就是保障通信质量。