（通信与信息系统专业论文）基于广义能量的网格资源管理模型的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 网格计算是近年来国际上兴起的一项重要的信息技术，其目标是实现对地理 上广泛分布的大量异构资源进行共享，资源管理是网格计算环境的核心和灵魂。 对于网格系统而言，一方面，资源满足用户需求的能力大小是有分别的，另一方 面，用户需求对资源性能的要求也有高低之分因此，我们可以把资源做“功” 的这种能力定义为一种广义的能量，把用户对网格资源的需求和占用看作是对能 量的需求和消耗。然而，由于网格中的物理资源是不可能随意移动的，我们可以 引入移动代理，利用移动代理特有的移动性来表征资源能量的流动，实现能量的 消耗与恢复。 因此，本文试图用广义能量的观点来研究网格资源分配问题，主要思路是： 用广义能量的观点来建立网格资源分配的模型，在网格环境下，将网格资源的广 义能量赋予移动代理，由需求而产生的广义能量差形成“电压”，迫使移动代理 迁徙，实现资源的广义能量主动地“流向”需求，并采用节点和中心节点层次化 管理模式，实现广义能量池区域内和区域间的能量平衡；从而完成网格资源合理、 高效的主动分配。 本文主要做了以下工作： ( 1 ) 归纳总结了目前三种主要的资源管理模型：分层模型、抽象所有者模 型和计算经济模型，并分析了其特点。 ( 2 ) 在网格资源管理中引入广义能量的概念，给出了广义能量的基本定义， 及其相关概念的特征定义和描述。该机制的主要思路为用广义能量的概念来定义 各种资源；并利用移动代理来表征资源广义能量的流动、积累、消耗和恢复，完 成网格资源的主动分配；采用能级的观点限定资源广义能量的流动区域。 ( 3 ) 提出了基于广义能量的网格资源管理模型的结构框架，采用了节点( 局 部) 和中心节点( 全局) 的层次化管理模式，并对各部分组成实体进行了详细的 模块设计和功能描述。 ( 4 ) 提出了在广义能量机制下实现网格资源管理的基本策略，包括资源的加 入与退出机制，用户的加入和需求发布机制，能量代理迁徙策略和作业的执行过程 和能量费用机制等，为实现基于广义能量的网格资源管理模型奠定7 理论基础。 关键词：网格；移动代理；广义能量；资源管理 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o m p u t a t i o n a lg 砷i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti n f o r m t i a o nt e e l m o l o g i e s e m e r g e di nr e c e n ty e a r s ，w l a i e hi sa i m e dt op r o v i d ed i s t r i b u t e da n dh e t e r o g e n e o u sh i 曲 p e r f o r m a n c ec o m p u t i n gc a p a c i t i e sf o rl a r g e - s c a l ed i s t r i b u t e da p p l i c a t i o n s o n eo ft h e m o s ti m p o r t a n tt e e l a n o l o g i e st l 】a ta f f e c tt h ec o m p u t a t i o n a l 鲥de f t i e i e n e yi st e s o u l c e s a l l o c a t i o n m a n a g e m e n t i n t h i s p a p e r , w e ：p r o p o s et h en o t i o n - g e n e r a l i z e d e n e r g y - m e a n i n gt h ec a p a c i t yo fag r i dr e s o u l - c et od ow o r k , w h i l e 班dl e s o u t c e $ d e m a n da n du t i l i t yc a l lb ev i e w e da se n e r g yd e m a n da n dc o n s u m p t i o nr e s p e c t i v e l y g r i dl e s o i l r c c sm a n a g e m e n t , s c h e d u l i n ga n da l l o c a t i o nc a nb ea b s t r a c tt ot h ep r o c e s so f e l l e l g ym a n a g e m e n t a l t h o u g hw ee x p e c tf i e s o u r c e sw o u l df l o w 勰e n e r g y , t h e yc a n t m o v ea r b i l r a r i l yi ng r i at h e m s e l v e so n c et h e i rp h y s i c a ll o c a t i o n st i r e ：d e c i d e d ；t h e r e f o r e ， w ei n t r o d u c em o b i l ea g e n t st or e p r e s e n te n e r g y , e m p l o y i n gt h e i rm o b i l i t yt os t a n df o r e l l e i g yf l o w , a sw e l l 鹊e n e r g yc o n s u m p t i o na n do t h e ra c t i v i t i e s h e n c e ，r e s o u r c e a u o e a t i o mc a nb er e a l i z e d0 1 3 b a s i cp r i n c i p a l s - m o b i l ea g e n t sr e p r e s e n t i n ge n e r g yf l o w f r o mp r o v i d e rt od e m a a d e ra c t i v e l yo u to f e n e r g yd i f f e r e n c e t h e r e f o r e ，w et r yt os o l v et h el * e s o l l l - c em a n a g e m e n tp r o b l e mu n d e rg r i ds i t u a t i o n w i t ht h e g e n e r a l i z e de n e r g ym e c h a n i s m t h eb a s i ci d e ai s ：s e tu pt h er e s o u r c t 嚣 m a n a g e m e n tm o d e lb a s e d0 1 1g e n e r a l i z e de n e r g yu n d e rg r i dc o n t e x t , a n dg r a n tt h e g e n e r a l i z e de l l e l g yv a l u eo fr e , s o u l c et om o b i l ea g e n tw h i c hi sf o r c e dt om o v eb yt h e d i f f e r e n c eo f v o l t a g e c a u s e db ye n e r g yd i f f e r e n c es ot h a tt h er e s o u r c ea c t i v e l y a l l o c a t i o ni ss u c c e s s f u l l yr e a l i z e d i nt h i s 弘i p e r w h a tw e ：a r c ：c o n c e n t r a t e d0 1 3a r eb e l l o w s ： ( 1 ) w e a n a l y z et h r e ek i n d so f g r i dr e s o u r c em a n a g e m e n tm o d e l sa sf o l l o w s ：t h e c o m p u t a t i o n a le c o n o m ym o d e l ，t h ea b s t r a c to w n e rm o d e la n dt h eh i e r a r c h i c a lm o d e l a n dw eg e t1 3 c o n c l u s i o no f t h e i re h a r a c t e r i s t i c s ( 2 ) w ei n t r o d u c et h ec o n c e p t so f t h e g e n e r a l i z e de n e r g ym e e h a t t i s mt ot h eg r i d i e s o u i c c ：m a n a g e m e n t , g i wt h ed e f i n i t i o no fg e n e r a l i z e de n e r g ya n dd e s c r i b eb a s i c c o n c e p t so ft h eg e n e r a l i z e de n e r g ym e c h a n i s m t h em a i ni d e ao ft h i sm e c h a n i s mi s ： 武汉理工大学硕士学位论文 l i t i i i z i n gg e n e r a l i z e de n e r g yt or e p r e s e n to fa l lt h el f e s o u r c ea n de x p l o i tm o b i l ea g e n t r e a l i z et h eg r i dr e s o u r c ee n e r g yf l o w i n g , a c c u m u l a t i o ne n n s u l a p t i o ba n dr e s t o r et o r e a l i z et ot h ea l l o c a t i o no f 咒u r c e s ：c a t e g o r i z eg e n e r a l i z e de n c t g yi n t od i f f e r e n tc l a s s t or e f i n et h er a n g eo f m o b i l ea g e n t ( 3 ) w ep r o p o s et h em a i nf r a m e w o r ko f g r i dr e s o i l r o em a n a g e m e n tm o d e lb a s e d o ng e n e a a l i z e de n e r g yt h r o u g hh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r eo fn o d e ( 1 0 c a l ) a n dk e r n e ln o d e ( g i o b a l ) ，a n dg i v ea d e t a i l e df u n c t i o nd e s c r i p t i o no ft h ed e s i g no fe a c hp a r to ft h e m o d e l ( 4 ) w ep r o p o s ea n dd e s c r i b et h em a i nw o r km e c h a n i s mo ft h e 鲥dr e s o b r c e m a n a g e m e n tm o d e lb a s e do ng e n e r a l i z e de n f f g yi n c l u d i n g ：e n t r ya n dq u i to ft h e r e s o u l - c en o d e ；e n t r yo f u s e ra n da n n o u n c e m e n to fe e q u e s t s ；e n e r g yf l o wm e t h o d ；t a s k s c h e d u l i n g ；c h a r g ep l a na n de t c k e y w o r d g ： g r i d ；a g e n t ；g e n e r a l i z e de n e r g y ；r e s o u r c em a n a g e m e n l i 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 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书面使用过的材料。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了谢意。 签名：釜勤日期：竺丑：五：丛 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) 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 2 0 世纪末，i n t e m e t 蔓延到世界各地，把遍布于世界各地的计算机用t c p i p 协议连接起来，通过w e b 信息浏览实现了全球网页的连通，成为人们沟通信息和 协同工作的重要工具，使人们的思维方式、工作模式以及生活理念都发生了巨大 变化。随着计算机性能的不断提高和网络通信技术的迅猛发展，需求的日益扩大， 人们开始思考如何将i n t e m e t 上汇聚的成千上万的计算资源，数据资源，存储资 源，软件资源，信息资源和各种数字化设备和控制系统等，这些物理上互联的众 多资源联合起来提供服务。而以e m a i l 为主要应用的第一代i n t e m e t 和以w e b 信 息浏览为主的第二代i n t e r n e t 都已无法满足这种要求。为了满足这种要求，须把 整个i n t e m e t 整合成一台巨大的超级计算机，实现资源的全面共享，这就是网格 计算( g i r dc o m p u t i n g ) 1 1 1 回。 网格的概念来自电力网，人们试图在使用计算能力时，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地点的发电站输送出来的， 也不需要知道电能的产生方式，使用的是一种统一形式的电能。网格也是希望给 最终用户提供的是与地理位置无关、与具体的计算设施无关的通用计算能力 3 1 。 网格是一个集成的计算资源环境，或者说是一个计算资源池。它能够充分吸纳各 种计算资源并将他们转化为一种随处可得的，可靠的同时还是经济的计算能力。 这里的计算资源除了各种类型的计算机，还包括网络通信能力，数据资料，仪器 设备等各种相关资源。在网格环境下，用户能够共享文件、计算资源、数据资料、 仪器设备等资源，而不必由用户决定在何处执行自己的程序以及进行毕业的程序 和数据文件拷贝等操作，完全由计算网格自动完成。由于把用户置于一个相同的 虚拟环境中，因此可以更有效的实现异地、跨学科的不同用户的协同工作。 越来越多的计算机专家认为，网格技术是计算机网络未来的发展方向。美国 福布斯杂志科技版( f o r b e sa s a p 在2 0 0 1 年9 月l o 日发表了一组文章， 预测信息技术的下一波大浪潮将在2 0 0 4 - 2 0 0 5 年度出现，这一波浪潮的本质特征 就是互联网( w o r l dw d cw e b ) 升级为网格( g r e a tg l o b a lg r i d ) ，也许用不了多 武汉理工大学硕士学位论文 久，人们上网时就不再用w w w ，而是g g g 了。之后不久，中国科学院计算机所长 李国杰院士也指出，网格实际上是继传统互联网，w e b 之后的第三个大浪潮，可 以称为第三代互联网川。 目前，网格计算不仅在学术界、研究领域得到了深入的研究与实验，同时也 得到了来自产业界诸如m m 、h p 、m i c r o s o f t 、i n t e l 和s u n 等各大公司的巨资投 入支持和商业开发。初步的研究结果表明网格计算的确是一个可行的高性能广域 分布计算模式，同时这些初步研究结果也展示了许多仍待解决的挑战性问题。资 源管理分配就是影响网格计算是否成功的一个关键问题。资源管理是网格计算的 核心，它负责组织和管理各种类型资源，以满足不同应用的需求。网格资源管理 系统p l 是网格计算系统的重要组成分。从为用户提供方便、高效的服务的角度来 看，它与传统的分布式计算环境或集群计算环境下的资源管理系统类似。然而， 由于网格系统的分布性、异构性和动态性，使得网格资源管理比分布式计算环境 或集群计算环境下的资源管理更加复杂，不仅要支持跨组织或管理域的任务调 度，实时监控资源和作业执行的状态，而且要维护局部的站点自治，提供相应的 支持。因此需要建立适应于网格这种复杂环境的特殊的资源管理系统模型，研究 其特征及功能，为具体实现网格资源管理系统提供必要的指导，从而满足网格系 统的用户服务需求和为网格系统其它服务组件提供支持。 1 2 国内外研究现状 在世界范围内，网格计算正处在迅速发展的阶段。网格计算的重要战略意义 以及其广阔应用前景，称为当今吸引众多研究人员和巨大资金投入的研究热点。 网格计算的发展可以总结为三个阶段嘲： ( 1 ) 萌芽阶段：9 0 年代早期，主要是建设千兆测试床，以及进行一些元计 算实验； ( 2 ) 早期实验阶段：在9 0 年代中期到晚期，主要为学术研究实验； ( 3 ) 迅速发展阶段：2 0 0 2 年以来，出现了大量的应用社团和项目，如i b m , m i c r o s o f t , s u n 等开展基础设施建设和使用。形成了具有相当规模的g g f ( g l o b a l g r i df o r u m ) 组织。全球网格论坛( g l o b a lg r i df o r u m ) 是目前主要的 合作组织，g g f 已经成为事实上的全球性的网格技术标准化组织。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 1 国外研究现状 面对即将到来的第三代互联网应用，很多发达国家都投入了大量研究资金， 希望能抓住机遇，掌握未来的命运。美国，欧渊，日本都相继启动了大型网格研 究计划。他们也处于网格研究的领先地位，研究范围和规模都比较大，并且已经 推出了一些实验系统。 在美国由自然科学基金资助的p a c i ( p a r m e r s h i pf o r a d v a n c e dc o m p u t a t i o n a l i n f r a s t r u c t u r e ) 项目，包括两个重要的部分：n c s a ( n a t i o n a lc o m p u t a t i o n a ls c i e n c e a l l i a n c e ) 和n p a c i( n a t i o n a lp a r t n e r s h i pf o ra d v a n c e dc o m p u t a t i o n a l i n f r a s t r u c t u r e ) 。这一项目通过将学术界、政府部门和工业界的力量结合起来，建 立一个网格计算基础设施的伙伴联盟，来促进科学发现和工程研究的发展。美国 的n a s a ( n a t i o n a la e r o n a u t i c sa n ds p a c ea d m i n i s t r a t i o n ) 正在构造一个网格计 算实验床，称为i p g ( i n f o r m a t i o np o w e rg r i d ) ，它可以将n a s a 分布在各地的资 源通过网络( 包括无线通信手段) 连接起来，解决n a s a 目前无法解决的科学与 工程计算等问题。如今，美国政府用于网格技术基础研究的经费已近5 亿美元。 美国军方更为积极，已在规划实施一个宏伟的计划，投资数百亿美元的“全球信 息网格”( g l o b a li n f o r m a t i o ng r i d ) ，为期达二十年，预计在2 0 2 0 年建成 7 1 。英国 政府也己决定投资1 亿英镑，用来建设“英国国家网格”( u k n a t i o n a lg r i d ) 欧 洲的d a t a g f i d 涉及欧盟2 0 多个国家，是一种典型的。大科学”应用平台嘲。日 本n t t 数据公司联合i n t e l 、s o i 等，在2 0 0 2 年中期开展了为期6 个月的网格计 算试验，试验将连接日本家庭、企业和学术机构的1 0 0 万台p c ，集合处理能力 达到每秒6 5 万亿次浮点运算。2 0 0 2 年1 1 月，日本产业技术综合研究所网格计算 研究中心宣布，在由多台个人电脑通过网络连接组成的网格计算环境下，实现了 日美之间创记录的7 0 t m b p s 的数据传输。 企业也预感到了网格蕴藏着巨大的市场，所以也纷纷加入了网格开发的队伍 【9 】。美国微软公司已经决定支援o l o b u s 计划，s u n 公司也早己在开发一系列支持 网格计算的软件( g r i de n g i n e ) ，日本的软库( s o f t b a n k ) 公司也向从事网格计算 研究的新兴企业u n i t e dd e v i c e s 投资。除此以外，辉瑞( p f i z e r ) 制药公司以及飞 机制造商波音公司等大公司，都已开始进行有关网格计算的实验，目前它们实验 的目标主要着眼于将其应用于大规模的科学仿真。i b m 公司则在2 0 0 1 年8 月启 动投入4 0 多亿美元“网格计算创新计划”( g r i dc o m p u t i n gi n i t i a t i v e ) ，全面支持 网格计算。i b m 认为网格是下一代互联网发展的趋势，具有战略重要性。世界上 武汉理工大学硕士学位论文 还有一些大公司，如爱立信( e r i c s s o n ) 、日立( h i t a c h i ) ，宝马( b m w ) 等都已 经在开始构造和试用内部网格。 目前，国外已有多个网格软件系统的实现，如研究界的g l o b u st o o l k i t 。 l e g i o ns y s t e m 【l l 】【翻，商业界的w e b s p h e r e ( i b m 公司) ，s u n o n e ( s u n 公司) ， e s p e a k ( r i p 公司) ，n e t ( 微软公司) 等等。其中最具影响力的系统是g l o b u s ， 它是美国能源部a g r o u n e 国家实验室于1 9 9 5 年启动的高性能计算研究项引1 3 1 。 目前大多数网格项目都是基于g l o b u s t o o k i t 所提供的协议及服务建设的，例如美 国的物理网格g r i p h y n 、欧洲的数据网格d a t a g r i d 、荷兰的集群计算机网格 d a s - 2 、美国能源部的科学网格和d i s c o m 网格、美国学术界的t e r a g r i d 等等。 日前，g l o b u s 项目把在商业计算领域中w e bs e r v i c e 技术融合在一起，希望不仅 仅局限于科学计算领域，而且能够对各种商业应用进行广泛的、基础性的网格环 境支持，实现更方便的信息共享和互操作。 1 2 2 国内研究现状 在国内，网格计算目前也正处于快速发展时期。在网格计算关键技术的研究 方面与国外差距不大，基本处于相同的起跑线。目前，我国的网格计算研究主要 集中于中科院计算所、国防科大、清华大学等几家在高性能计算方面有较强实力 的科研单位。 主要项目有中科院牵头8 6 3 重点项目“国家高性能计算环境( n a t i o n a l h i g hp e r f o r m a n c ec o m p u t i n ge n v i r o m e n t ，简称n h p c e ) ”1 1 4 。n h p c e 的长期 目标是提高计算网格系统的性能，可扩展性及可用性，建立一个计算资源广域分 布、支持异构特性的计算网格示范系统。它把我国的8 个高性能计算中心通过 i n t e r n c t 连接起来，进行统一的资源管理、信息管理和用户管理，并在此基础上开 发了多个具有高性能计算能力的网格应用系统，取得了一系列研究成果。中科院 计算机所在国家高性能计算环境之后，推出了“服务网格”( s e r v i c eg r i d ) 的概 念，并把其网格研究统称为“织女星网格”。其研究内容包括：在网格硬件层面， 研究下一代曙光高性能计算服务器，它们将是面向网格的超级服务器；在网格系 统软件层面，研究开发一个名为g c p 的网格计算协议栈以及有效支持g c p 的织 女星网格操作系统( v e g ac o s ) ；在网格应用层面，主要开展了信息网格和知识 网格的研究工作【1 5 】。 在教育部的支持下，李三立院士带领清华大学网格研究组进行了。先进计算 4 武汉理工大学硕士学位论文 基础设施a c i ( a d v a n c c dc o m p u t a t i o n a li n 细s 蚋l c t l i 佗) 北京上海试点工程”的研 究。在a c i 系统中，清华大学研制的高性能计算机“t h n p s c - 2 ”与上海大学研 制的高性能计算机“自强2 0 0 0 ”通过高速网络连接在一起，此外还连接了4 个应 用结点这6 个地理位置不同的网格节点可以同时召开网络会议。除此之外，还 开发了相应的中间件，可以构成跨地区、跨学科的“虚拟实验室”研究环境。清 华a c i 系统具有一套健全的资源管理系统、任务管理系统、用户管理系统及安全 服务与监控系统。清华a c i 系统于2 0 0 1 年6 月通过了鉴定【1 6 1 。 2 0 0 2 年4 月4 5 日，国家科技部在北京召开“网格战略研讨会”，确认将网 格和应用列为“8 6 3 计划”的一个专项，随即成立了专家组，投资高达3 个亿。 这次研讨会标志着由8 6 3 支持的“中国国家网格”( c h i n an a t i o n a lg r i d ，简称 c n g r i d ) 专项正式启动。c n c r r i d 将在全国设立多个网格节点，已经放置在北京 中科院计算机网络信息中心的联想深腾6 8 0 0 速度达到4 万亿次，即将落户上海 超级计算中心的曙光4 0 0 0 a 速度将达1 0 万亿次【l 。 2 0 0 2 年底，上海市宣布将投入两个多亿，建设e - i n s t i t u t e ，其中网格是重点 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。清华大学教授、上海大学计算机学院院长李三立院士担任网格主题 的首席科学家卅。 2 0 0 3 年l o 月，教育部与i b m 合作共建的、投资2 0 0 0 万元人民币“中国教 育科研网格项目( c h i n a g r i d ) ”正式启动，教育部副部长赵沁平任项目领导小组 组长，华中科技大学金海教授担任项目专家组组长，全国共有1 2 所高校、1 3 名 教授任专家组成员。c h i n a g r i d 的目标是在2 0 0 5 年建立聚合能力超过1 5 万亿次 量级的教育科研网格，它将在教育科研网上把全国1 0 0 所2 1 1 建设重点大学的资 源广泛共享，并争取在网格计算的基础研究和应用研究方面走在世界前列。i b m 为该项目提供了网格中闻件、服务器、全面存储解决方案，并将和各大学依据开 放式网格服务结构和网络服务等标准建立一个网格应用联合研发中心。 2 0 0 5 年1 2 月2 1 日中国国家网格正式开通运行，这意味着我国己能有效整合 全国范围内大型计算机的计算资源，从而形成一个强大的计算平台，帮助科研单 位和科技工作者等实现计算资源共享、数据共享和协同工作。 可以看出，网格研究正在我国迅速展开。我国的许多行业，如能源、交通、 气象、水利、农林、教育、环保等对高性能计算网格( 即信息网格) 的需求是非 常巨大的。预计在最近的两三年内，就能看到更多的成功的网格计算应用实例。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本文所做的工作 ( 1 ) 归纳总结了目前三种主要的资源管理模型：分层模型、抽象所有者模 型和计算经济模型，并分析了其特点。 ( 2 ) 在网格资源管理中引入了广义能量概念，给出了广义能量的基本定义， 及其相关概念的特征定义和描述。该机制的主要思路为用广义能量的概念来定义 各种资源；并利用移动代理来表征资源广义能量的流动、积累、消耗和恢复，完 成网格资源的主动分配；采用能级的观点限定资源的能量流动区域。 ( 3 ) 提出了基于广义能量的网格资源管理模型的基本框架，采用了节点( 局 部) 和中心节点( 全局) 的层次化管理模式，并对各部分组成实体进行了详细的 模块设计和功能描述。 ( 4 ) 提出了在广义能量机制下实现网格资源管理的基本策略，包括资源的 加入与退出机制，用户的加入和需求发布机制，能量代理迁徙策略和作业的执行 机审4 等，为实现基于广义能量的网格资源管理模型奠定了理论基础。 1 4 本文结构和组织 论文共分为六章，主要的内容概要如下： 第l 章是概述了本课题的背景和意义，系统开发的背景，简要的说明了论文 所解决的问题和其创新之处。叙述了论文的组织结构。 第2 章对于网格技术的研究进展进行了综述。网格的定义、特点，和网格系 统的主要功能，介绍了目前两种主流的网格体系结构，五层沙漏结构和开放网格 服务结构。 第3 章介绍了网格资源的概念，网格资源管理系统，包括网格资源管理系统 的功能需求和目前三种主要的网格资源管理模型。 第4 章提出了网格资源管理的广义能量机制，介绍了广义能量的定义，介绍 了广义能量机制的基本概念，并介绍了移动a g e n t 与网格资源广义能量生存周期 的关系。 第5 章提出了基于广义能量的网格资源管理模型的结构，并对其各部分组成 模块进行了详细描述，还提出了的基于广义能量的网格资源管理模型的工作机 制，包括资源接点的加入与退出机制、用户的加入与需求发布机制，广义能量的 确定和能量费用机制。 第6 章对所做工作的总结和对未来工作的展望。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 网格的定义 第2 章网格技术概述 上世纪9 0 年代中期，网格的概念最早被用于表述在高端科学和工程上分布 式计算的一种基础构造形式。从那以来，网格取得了相当大的发展成果。我们已 经看到形式各样的网格，如计算网格、数据网格、科学网格、存取网格、知识网 格、地理网格、传感器网格、集群网格、校园网格、亿万量级网格( t e r ag r i d ) 和商品网格等。但同时，网格概念本身也就被混淆了。不少人认为，包含从高性 能网络到人工只能的一切事物均属于网格。一个清晰的网格定义，不仅是学术研 究的需要，也是网格广泛流行的需要。 早1 9 9 3 年出版的网格：2 l 世纪信息技术基础设施蓝图一书中，全球网 格研究的领军人物、美国阿岗( a r g o n n ) 的国家实验室的资深科学家、美国g l o b u s 项目的领导人i a nf o s t e r ，这样描述网格定义；“网格是构筑在互联网上的一组新 兴技术，它讲高速互联网、高性能计算机、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，而网格功能则更多更强，让人们透 明地使用计算、存储等其他资源。”0 9 1 2 0 0 0 年i a nf o s t e r 在网格的剖析一文中将网格进一步描述为“在动态变 化的多个虚拟机构问共享资源和协同解决问题” 2 0 1 。至此，人们仍然就什么是网 格争论不休。 2 0 0 2 年7 月，i a nf o s t e r 在什么是网格? 判断是否网格的三个标准一文中， 限定网格必须同时满足三个条件脚】： ( 1 ) 在非集中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 ) 提供非平凡的服务。 这三个条件非常严格，像p 2 p ，s u ng r i de n g i n e ，c o n d o r ，e n t r o p i a ，m u l t i c l u s t e r 等都被排除在网格之外。 后来经过一段时间的研究对于网格以及网格计算又有了如下的定义：网格就 是一个集成的计算的资源环境，或者说是一个计算资源池圈。网格能充分吸纳各 7 武汉理工大学硕士学位论文 种计算资源；并将他们转化成一种随处可得的，可靠的、标准的同时还是经济的 计算能力网格计算就是基于网格的问题求解。上面给出的网格和网格计算的定 义是相对抽象的，而日是广义的定义，其实网格计算还有狭义的定义。狭义的网 格定义中网格资源主要指分布的计算机资源。狭义的网格一般称为计算网格 ( c o m p u t a f i o n a lc n - i d ) ，主要解决科学与工程计算问题的网格。 不管是狭义还是广义的网格，其目的不外乎是要利用互联网把分散在不同地 理位置的电脑组织成一台“虚拟的超级计算机”，实现计算资源、存储资源、数 据资源、信息资源、软件资源、存储资源、通信资源、知识资源、专家资源等的 全面共享。其中每一台参与的计算机就是一个“节点”，就像摆放在围棋棋盘上 的棋子一样，而棋盘上纵横交错的线条对应于现实世界的网络，所以整个系统就 叫做“网格”了。在网格上做计算，就像下围棋一样，不是单个棋子完成的，而 是所有棋子互相配合形成合力完成的。传统互联网实现了计算机硬件的连通，w e b 实现了网页的连通，而网格试图实现互联网上所有资源的全面连通田】。 2 2 网格的特点 由于网格计算技术是基于分布式计算技术发展而来，因此两者具有许多公共 特性，例如，它们都支持异构性，以屏蔽底层平台的差异；但网格计算又与分布 式系统和并行系统有着重要的区别。由于髓格计算是解决动态、异构的多管理策 略虚拟组织中的协同资源共享问题，因而网格计算具有如下一些特性刚； ( 1 ) 分布与共享分布性 是指网格的资源是分布在地理位置互不相同的地方，而不是集中在一起，它 决定了基于网格的计算一定是分布式计算而不是集中式计算。分布性是网格最主 要的特点。网格资源虽然是分布的，但是它们却可以充分共享的。共享是指网格 上的任何资源都可以提供给任何使用者。共享是网格的目的，解决分布资源的共 享问题是网格的核心内容。分布是网格硬件在物理上的特征，而共享是网格软件 下实现的逻辑上的特征。 ( 2 ) 自相似性 网格的自相似性是指网格的局部和整体之间存在一定的相似性，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 武汉理工大学硕士学位论文 省级网格都会有各自的计算中心，只不过在计算能力上有差异而已；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已。 ( 3 ) 动态性 网格的动态性包括动态增加和动态减少两个方面的含义。因为对于网格来 说，它不是一成不变的。具体是指原来拥有的功能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加入进来。它决定了网格一定要具 有很高的可扩展性和自适应性。当网格资源的动态减少或者资源出现故障时，要 求网格能够及时采取措施，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。在网格的设计与实现时，必须考虑到新的资源能否很自然地 加入到网格中来，并且可以和原来的资源融合在一起，共同发挥作用，解决网格 的扩展性问题。网格扩展要求体现在规模、能力、兼容性等几个方面。网格资源 是异构和多样的，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，因此网格系统必须能够解决这些不同结构、不同类型资源之间的通信和互 操作问题。 ( 4 ) 异构性和多样性 是指网格资源是异构和多样的，即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。分布在广域网的不同管理域的资源具有异构性，网格 资源的异构性主要表现在： 每个系统可能具有不同的数据表示； 每个系统可能安装不同体系结构的处理器： 每个系统可能有不同的处理器速度； 每个系统的内部消息可能有不同的通信速度； 每个系统可能采用不同的通信协议； 任何两个系统闯的详细通信带宽可能不同。 通过将异构资源映射成统一管理的逻辑资源，实现资源的动态收集、处理与 调度是网格资源管理系统的关键。因此网格系统必须要能够解决这些不同结构、 不同类别资源之间的通信和互操作问题。 ( 5 ) 自治性与管理的多重性 网格上的资源首先是属于某一个组织或者个人的，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和自主的管理能力，这就是网格的自治性。的管 理能力，这就是网格的自治性。但是网格资源也必须接受网格的统一管理，否则 9 武汉理工大学硕士学位论文 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方便的服务。因此网格的管理具有多重性。这样网格资源不仅 被拥有者自主管理网格，也必须接受网格的统一管理，以能实现共享和互操作。 2 3 网格系统的主要功能 网格计算环境要求不影响各节点本地的管理和自主性，不改变原有的操作系 统、网络协议和服务等，保证用户和远程结点的安全性，允许远程结点选择加入 或退出网格系统，尽量使用已存在标准的技术，以便与已有的应用兼容并能提供 可靠的容错机制。一个理想的网格计算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。对用户而言，它把众多同构、异构的资源 变成了同构的虚拟计算环境。为此，网格计算环境设计需要有以下主要功能嘲： ( 1 ) 管理层次。确定管理层次体系，管理域按区域层次划分，决定管理信 息流的流向。 ( 2 ) 通信服务。根据应用目的的不同提供不同的服务，包括可靠的点对点 通信和不可靠的广播通信，支持各种通信协议，提供通信链路延迟、带宽和可靠 性等指标。 ( 3 ) 信息服务。提供方便可靠的机制，获得不断变化的各结点信息和状态。 ( 4 ) 名字服务。提供全局统一的名字服务，典型的有国际通用的x 5 0 标准 i n t e r a c t 上的d n s 标准。 ( 5 ) 编程工具。必须提供丰富的用户接口和编程环境，提供最常用的语言， 如c ，c - h ，f o r t r a n , m p i , p v m 以及分布式共享存储器和一些函数库等 ( 6 ) 文件系统。提供一个分布式文件系统机制、全局存储和缓存空间。 ( 7 ) 安全认证。应包括登录认证、可信赖、完整性和记账等方面的安全性， 这是网格计算的难点，也是系统成败的关键。 ( 8 ) 监视系统。提供监视系统资源和运行情况的工具。 ( 9 ) 资源管理和调度。提供透明的资源调度，高效地利用可利用的资源是 系统的核心。 ( 1 0 ) 资源交易机制。为鼓励不同组织或资源拥有者加入系统，应提供一种 计算资源的交易机制，允许提供资源者获得利益，使系统能动态地取得最好的性 价比资源。 ( 1 1 ) 用户图形界面。提供直观的用户访问接口，包括w e b 方式，使用户 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 可以在任何位置、任何平台上使用系统资源。 2 4 网格体系结构 网络体系结构就是关于如何建造网格的技术。随着网格技术不断地发展，人 们逐渐意识到网格体系结构的重要性。它用来划分系统的基本组件，指定系统组 件的目的和功能，说明组件之间如何相互作用，规定了网格各部分相互关系与集 成方法，刻画了支持网格有效运转的机制。可以说，网格系统结构是网格的骨架 和灵魂，是网格技术的核心部分。 到目前为止，比较重要的网格体系有两个。一个是在网格领军人物i a nf o s t e r 等在早些时候提出的五层沙漏结构，另一个是以i b m 为代表的工业界影响下，在 考虑到w e b 技术的发展和影响后，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 务机构o g s a ( o p e ng r ! i ds e r v i c e a r c h i t e c t u r e ) 。下面就分别介绍这两种体系结构。 2 4 1 五层沙漏结构 五层沙漏结构是一种早期的抽象层次结构，它的主要思想是以“协议”为中 心，强调协议在网格的资源共享和互操作中的地位 2 6 1 。通过协议实现一种机制， 使得虚拟组织的用户与资源之间可以进行资源使用的协商、建立共享关系，并且 可以迸一步管理和开发新的共享关系。这一标准化的开放结构对网格的扩展性、 互操作性、一致性以及代码共享都有好处。网格体系通常为层次结构，每一层的 组件共享了一些共同的特征，并且构建低于更低一层提供的服务上。每层的功能 定义由内部协议和外部协议组成。五层沙漏结构侧重于定性的描述而不是具体的 协议定义，因此很容易从整体上进行理解，是一种影响十分广泛的结构。 2 4 1 1 基本思想 五层沙漏结构基本思想如下叨；