（电力系统及其自动化专业论文）基于网格的校园计算资源集成技术的研究.pdf

iii research on campus resourses integrate technology based on grid abstract grid development and application have a widely adoption, which enhance the utilization of the various of resources in a deep degree. how to use grid technology for campus resources integration in the campus networks, promote the efficiency and sharability of information services inter-campus and inter-school comes to a fundamental project for the campus grid researchers. by researching on the existing campus grid model and analysising the resourcess characteristics of anhui polytechnic university (ahpu), the design and implementation of a semantic-awared campus teaching grid prototype system are presented, which meets the requirements that status quo of teaching resources in auts, the urgent needs of high-perfomance computing on school research, teaching in campus and puts forward the specification of building campus teaching grid. meanwhile, according to the features of the campus resources and taking advantages of the campus net work, a solution based on semantic-awared grid services into the tradional grid application is proposed, which will eliminate resources island and improve resource utilization. then, two key technologies of grid computing are introduced: one is called open grid service architecture (ogsa) that represents an evolution towards a grid system architecture based on web services concepts and technologies. the other one is called the globus toolkits technology which is an open source software toolkit used for building grids comply with the ogsa specification. furthermore, the current prevalent semantic grid reference architecture for semantic grid development is compared with each other in detailed. at the basis of above study, a semantic-ogsa(s-ogsa)-based architecture model of the campus teaching resources is described, which makes the campus grid services are semantic-awared ones. it given embodies the subjectivity, uncertainty, dynamic and application specific in the grid more deeply and thoroughly. according to the architecture mentioned above, a set of proposals are advanced to implement the teaching grid system. the detail design aspects are described as the followings: (1) in the resource layer, for the teaching resources have the distribution and heterogeneity, they are classified in detail. at the basis of characteristics of teaching resources, semantic campus resources ontology libraries are built based on iv ontology web language-services (owl-s) and the condor-g resource integration software are used to integrate teaching resources; (2) a center job scheduling model based on feedback-based scheduling cache algorithm are designed in order to achieve the core grid services layer services. the detailed design of the grid job scheduling and task monitor are given in grid sevices layer; (3) the grid gridsphere portal framework and javaserver faces (jsf) middleware technology are adopted to develop the user portal web services and used the agent myproxy to achieve the security of grid user authentication management, which meet the requirement that grid portal should be a customizable and safe web service platform. at the basis of the above-mentioned solution, grounding on the ahpu campus networks, the semantic grid services are developed on the eclipse platform and the detailed configuration for grid development is provided. finally, the teaching grid platform is implemented. the test system is operating well, which fully indicates that a grid services implementation of the integrated sharing of teaching resources may achieve an effective integration of teaching resources and can improve resource efficiency, transparency and user-friendly, safe use of resources results. keywords: grid； grid service architecture； grid services； teaching resources； viii 插图清单 插图清单 图 2-1 面向协议的层次结构图 . 7 图 2-2 网格协议层次结构. 8 图 2-3 网格系统的基本管理功能 . 8 图 2-4 网格服务的产生过程. 10 图 2-5 ogsa 的服务结构 . 10 图 2-6 gt4 服务结构图 . 13 图 3-1 以网格服务为基础的校园网格功能层次图 . 14 图 3-2 语义网格 . 16 图 3-3 语义网格三层服务体系结构 . 17 图 3-4 s-ogsa 在 ogsa 中的表示 . 19 图 4-1 基于 s-ogsa 的校园教学网格体系结构 . 20 图 4-2 部分教学资源本体的层次结构 . 24 图 4-3 用户作业调度功能. 25 图 4-4 作业状态转换图. 25 图 4-5 用户层功能流程. 28 图 4-6 myproxy 工作原理 . 32 图 4-7 gridsphere 工作原理架构 . 33 图 5-1 网格作业调度中心线程执行流程 . 37 图 5-2 jobschdeuler 核心代码 . 38 图 5-3 作业监听器流程 . 39 图 5-4 通知处理流程. 39 图 5-5 管理员用户主界面. 44 图 5-6 普通用户主界面. 45 图 5-7 作业提交主界面. 45 ix 表格清单 表格清单 表 3-1 关键组件的核心功能. 17 表 4-1 状态通知类型 . 26 表 4-2 用户基本信息表. 30 表 4-3 角色代码表. 30 表 4-4 功能模块表. 30 表 4-5 用户权限表. 30 表 4-6 作业表. 31 表 4-7 工厂表. 31 表 4-8 资源信息表. 31 i 独 创 性 声 明 独 创 性 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志和致谢的地方外，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 合肥工业大学 或其他教育机构的学位或证书而使用 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。 学位论文作者签字： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 合肥工业大学 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，允许论文被查阅或借阅。本人授权 合肥工业大学 可以将学位论文的全部或部分论文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） 学位论文者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 电话： 通讯地址： 邮编： 1 第一章 绪 论 第一章 绪 论 1.1 选题背景 1.1 选题背景 当前，我国优质教育资源供需矛盾突出以及教育管理方式落后的现状，对 教育信息化提出了强烈的需求：一方面，实现优质教育资源的共享需要优质网 络来支撑；另一方面，优化教育管理迫切需要搭建起信息沟通的平台。然而， 随着网格技术的兴起，这为校园信息化平台的构建提供了有利的条件。 网格是近年来逐渐兴起的一种 internet 计算模式，其目的是为了在分布、 异构、自治的网络资源环境上构造动态的虚拟组织，并在其内部实现跨自治域 的资源共享与资源协作，有效地满足面向互联网的复杂应用对大规模计算能力 和海量数据处理的需求。网格计算的理想目标是使网络上的所有资源易于协同 工作，服务于不同的网格应用，实现资源在跨组织（自治域）之间应用的共享 与集成。 网格研究源于分布式元计算，早期的网格研究（如 globus 1，legion2， condor 3等）多集中研究“计算力”资源的共享和集成。目前，应用资源的多样 性和异质性为网格研究带来新的机遇和挑战，需要网格技术对异类、异构的网 络资源提供无缝的共享和集成支持。这些资源不仅包括计算、存储、大型仪器 等物理资源，也包括网络带宽、软件服务等逻辑资源。因此，如何建立开放、 可扩展的网络中间件体系结构，以满足对各类网络资源的共享与集成需求，成 为网格研究的一个根本问题。 网格技术的出现使得在多机构之间大规模的资源共享和合作使用成为可能 4。网格具有高性能、一体化、知识生产、资源共享、异地协同工作、支持开放 标准、功能动态变化等优点，这为校园计算网格的建设提供了有利的条件。 1.2 本课题研究意义 1.2 本课题研究意义 我国高校在感受信息化技术所带来众多欣喜变化的同时，也面临着种种困 惑、需求与难题：一些学校片面追求网络技术的先进性和网络建设的一步到位， 结果因软件应用或人力资源无法跟上而造成设备的闲置和浪费；一些学校虽然 重视网上多媒体课件的评比与制作，却没有进行有效的资源积累和管理，导致 许多低水平重复开发的课件不能得到有效利用，造成教师和网络资源的极大浪 费；还有一些学校苦于没有后续资金的投入使现有设施不能得到充分利用甚至 无法投入正常使用，使前期投资无法得到正常回报。实现网上所有资源的全面 协同共享，消除信息孤岛，正变得日趋强烈。 凡此种种现象的存在，都说明了在这个技术日新月异的信息时代，对现代 教育技术的研究提出了更高的要求，对信息技术成果在教育领域应用也存在更 大的挑战。教育应不断地预测未来社会的需求，并且为满足这些需求而努力。 未来技能的焦点将集中在思考、学习以及交流等方面，而基于信息技术的教学 2 和学习是学生获得这些技能的关键途径。作为教育信息化解决方案的提供者和 服务者，应时刻注意和预测教育的需求，不断地为教育寻求一个更为广泛的走 向信息技术之路的基础，并为满足这些需求而努力。 针对上述问题，本课题提出以网格计算技术为核心，集成 web 服务（ws， web services 5-7） ，运用网格开发工具包（gt4，globustookit48） ，gridsphere 网格门户框架 9和基于面向对象的 java 技术10，以及结合我校的实际情况，研 究和开发出一种适用于校园资源计算网格服务（gs，grid services 11）平台系 统原型。以满足目前高校教育信息平台系统的应用需求。所开发的网格服务平 台以基于 web 服务方式存在，它可以使得学生、教师、家长等用户可以很方便 地根据自己的需要来访问网格服务资源，同时可以把自己的课件等资源动态发 布为网格服务部署到网格系统中，以供广大客户群访问。 网格是将分散的系统连接起来创造出一个统一的虚拟计算资源。网格技术 可将资源进行“虚拟组合” ，从而可以不必考虑地点、硬件类型和操作系统之间 的差异而使它们协同工作，使总体性能真正超越各部分性能之和。网格提供单 一的系统映像，具有“透明性、可靠性、负载平衡等功能”网格支持对异构数 据资源的访问，为用户提供统一的访问接口，选择适当的访问协议来实现用户 提出的数据访问请求。网格与目前的计算机网络不同，网格能实现应用层面的 协同共享，它主要关注的是如何消除信息孤岛，实现信息资源的智能共享，网 格技术的充分应用，能够极大地提高我国高校网络教学资源的利用效率，且大 规模应用将有效减少 it 重复建设投资，节能降耗，符合国家建设节约型社会的 总体要求。因此，开展网格基础中间件技术的研究，对实现我国教育信息化具 有重大的理论和实际意义。 1.3 研究现状 1.3 研究现状 网格技术是现代信息技术发展的必然产物， 是 internet 技术的进一步发展， 它一经提出就受到世界各国的高度重视。 在国外，美国、英国、欧洲等国家都启动了大型网格技术研究计划。美国 是最早开展网格项目研究和建设的国家，相继提出了各种网格理论，美国国家 航空和宇航局（nasa） 12资助开发高性能计算与数据网格项目，美国国防部规 划实施的全球信息网格， 将在 2020 年完成。 2005 年， 美国国家科学基金会 （nsf） 计划资助建立以网格技术为基础的国家级电子基础设施，它是一个超级计算资 源的集成系统，为广大科学家和工程师所共享，每年投资额为 610 亿美元；英 国 e-science 13是多年来英国政府支持的最大的研究计划，e-science 意味着通 过全球分布协作，使用海量数据集合、亿万次级的计算资源和高性能的可视化 提高科学研究效率，其第一期计划从 2001 年到 2004 年，经费 112 亿英镑，支 持各个领域的网格应用、核心研究计划以及高性能计算机等重要装备采购。网 3 格应用项目分布在粒子物理和天文学、生物技术和生物学、医学、自然环境、 经济和社会学等领域。 网格技术在我国也开始引起重视，863 计划已经启动了中国网格技术的研 究。国家于 1999 年初正式启动 863 计划重点项目：国家高性能计算环境。该项 目在中科院网络中心、国家气象中心、中国科技大学、上海复旦大学国防科技 大学、清华大学、西安交通大学、西南交通大学等单位建立了 8 个国家高性能 计算中心，这些中心都装备了神州、银河、曙光高性能计算机和清华探 108 机 群系统，通过中国教育科研网和中国科技网连接，初步形成了具有网格特征的 国家高性能计算环境，该项目开发了一套对网格资源和用户提供统一管理，提 供一致的服务，具有一定安全管理能力的网格系统软件。由清华大学等单位共 同完成的数字化学习网格支撑环境与关键技术研究2005 年 4 月通过了教育 部主持的科技成果鉴定，该研究得到国家自然科学基金资助在我国，网格已经 开始从研究院所的象牙塔走向实际应用，为社会创造价值。由中国教育科研网 格（chinagrid） 14成功开发部署了生物信息学、图像处理、计算流体力学、海 量信息处理、大学课程在线等网格应用。在高等教育这个领域，目前我国已经 有一些大学组建了自己的校园网格环境，如清华大学、山东大学、华中科技大 学和河海大学等。chinagrid support platform（cgsp） 15,16是 chinagrid 具有 自主知识产权的网格核心中间件。 它是由来自全国 9 所知名高校的 42 个年轻人， 集中在清华大学国家实验室网格研究部，花了两年时间开发出来的。2004 年该 小 组 公 布 了 第 一 个 版 本 ， 这 是 全 球 最 早 公 布 的 基 于 open grid services architecture（ogsa） 17框架，参照 web service resource framework (wsrf)18 规范实现的基于 wsrf 的网格中间件 19 。这些高校的校园网格基本上都是设计 高性能的网格计算平台，亦即为大规模网格。本文针对我校校园的实际情况， 研究基于网格的资源集成，实现资源共享和协同工作，使得我校校园网络虚拟 成一个大的资源服务提供者，以提高我校网络等资源的利用率。 1.4 本文主要工作 1.4 本文主要工作 1.4.1 研究内容 本课题针对高校网络教学资源的应用提出了建立校园资源整合计算的网格 服务平台，通过研究网格计算中间件 gt4 及 web services、j2ee 20,21 和 gridsphere 门户框架等技术来实现校园计算网格服务的门户的建立和实现其网 格服务的生成工具包，搭建出校园教学网格应用平台，通过该网格应用平台， 管理员可以方便、高效地管理用户、作业和资源，而用户可以安全、可靠地向 校园计算网格服务平台提交串行和并行作业。其中主要研究内容为： 1、研究各异构资源的整合方法及向用户提供一个统一访问方式的接口技 术； 4 2、中间件环境的搭建、配置和测试方法； 3、校园教学网格层次模型的分析和设计； 4、校园教学网格体系中网格服务层的设计和实现方法：web services 和 grid service； 5、基于 gridsphere 中间件技术，设计和实现用户门户的展现形式，包括 用户管理、作业管理、资源管理、作业状态监控、系统服务管理和作业提交的 方法； 1.4.2 本文结构 本文研究了基于 ogsa 的网格服务， 以及在此基础之上实现的一个应用实例。 其组织结构如下： 第一章 绪论。对本课题做整体介绍，包括课题的提出、研究内容和意义以 及本文所做的研究工作。 第二章 网格和网格服务。介绍了网格的定义和特点，分析了网格的组织和 层次结构。重点介绍了网格的五层协议结构和开放网格服务（ogsa）体系结构 和语义网格应用开发所使用的参考体系框架。 第三章 语义网格与校园教学资源。讨论了当前校园网格应用的发展状况。 分析了传统校园和语义网格应用，对它们的原理和优缺点进行了探讨。 第四章 重点介绍了基于 s-ogsa 框架上的校园资源集成系统的体系结构， 给出了基于本体的校园教学资源的分类和设计。设计了基于语义网格教学资源 集成系统框架。 第五章 校园教学网格的实现。设计了作业调度中心模块、mds 资源监听器 和作业监听器及教学网格门户层。 第六章 结束语。 总结论文的研究工作， 提出进一步研究工作的重点和方向。 1.5 本章小结 1.5 本章小结 本课题在基于 gt4 网格开发环境下，利用 web services、 j2ee 框架和 gridsphere 门户框架来开发校园计算网格门户，以此来解决网格用户的需求关 系，利用移动 agent 技术建立用户应用和资源间的动态逻辑配置，实现分布式 资源共享。解决异构网络的配置问题和软件的可重用性，实现网格门户中间件 与系统下层网络管理系统、计算机操作系统、硬件设备驱动、软件算法计算等 融合，实现网格门户中间件与系统上层用户资源的配置等应用业务流程及其应 用系统的集成。 5 第二章 网格和网格服务 第二章 网格和网格服务 2.1 网格概述 2.1 网格概述 2.1.1 网格的定义 网格的定义有一个随着网格技术的发展而不断丰富、 不断深入的过程。 1998 年，网格研究主要关注如何支持用户获得资源的位置透明性和资源提供者的透 明性 1。2001 年，foster 重新将网格定义为“动态的、多组织之上、虚拟组织 内的协调资源共享和问题求解” 22，提出共享与协作是网格系统的根本特征。 这种界定很快得到了国际学术界的共识。由于共享是协作的基础，协作是共享 的目标，而问题求解是协作的最终目的，因此，这也标志着网格从多种专用技 术的集成向一种广域资源应用模式的过渡。在实现机制上，网格研究可以融合 许多技术从而解决网格问题，而 web 服务技术是这种技术融合的一个重要代表。 网格可理解为： 第一、从概念上，网格的目标是资源共享和分布协同工作。网格的这种概 念可以清晰地指导行业和企业中各个部门的资源进行行业或企业整体上的统一 规划、部署、整合和共享，而不仅仅是行业或大企业中的各个部分自己规划、 占有和使用资源。 第二、网格是一种综合性技术。为了达到多种类型的分布资源共享和协作， 网格计算技术必须解决多个层次的资源共享和合作技术，制定网格的标准，将 internet 从通讯和信息交互的平台提升到资源共享的平台。 但是目前并行计算、 分布计算中间件等现行技术远远没有解决多组织之间资源的共享问题，以及广 域范围的多系统之间联合处理和计算等网格计算所面临的关键问题。因此，网 格计算技术研究具有独特性、紧迫性和挑战性。 第三、网格是基础设施，是通过各种网格综合计算机、数据、设备和服务 等资源的基本设施。这种设施的建立，将使用户如同今天我们按需使用电力一 样，无需在用户端配置大量的全套计算机系统和复杂软件，就可以简便地得到 网格提供的各种服务。这样，设备、软件投资和维护开销将大大减少。 2.1.2 网格的特点 首先，网格是建立在因特网和 web 基础上的，不会替代它们。因特网的出 现，将独立的计算机个体联成网络，但是，它不能共享其它机器的资源。web 的 兴起，通过网页的方式连接起来，计算机可以做包括电子商务在内的更多事情。 但是，各行业在应用层面上的互联互通远远没有实现，计算机的使用也远不如 电话这么方便。而网格将能实现应用层面上的互联互通，即用户使用层面上的 互联互通。 其次，网格可以实现全面的资源共享。 再次，网格采用的是国际标准，标准化意味着，网格可以使接入设备像电 6 力网格一样易用。现在世界上有很多组织在致力与网格标准的制定和开发，如 global grid forum (ggf),oasis (organization for the advancement of structured information standards), w3c (world wide web consortium), ietf (the internet engineering task force), and dmtf (the distributed management task force)。 最后，计算平台和技术会发生变化。目前网络的运行主要基于微软的操作 系统、intel 的芯片、思科的网络设备。网格的应用会改变计算平台，带动网络 界面发展。这是一个新的计算平台。平台使用模式改变了，平台也改变了，就 会涌现大量的新产品和各种利用这些技术提供的各类服务的新模式，包括新的 技术模式和商业模式。 2.2 网格体系结构简介 2.2 网格体系结构简介 2.2.1 网格的层次结构 系统分层实现对软件的复用、系统的可扩充性、系统的健壮性等都有很大 的帮助。网格系统的整体功能分散在不同的层次实现，把那些经常使用的基本 功能在比较低的层次上实现，扩展的或比较少使用的功能在较高层次上实现， 用户的特定需求在最上层由用户自己实现。这样，可以利用底层提供的功能和 接口实现上层的功能和接口，提高网格系统的健壮性，做到功能使用的最大化。 网格系统为了把分布在低层资源的不同细节对高层用户隐藏起来，给网格用户 提供统一访问不同资源的接口，使网格上的资源使用起来简单容易。充分共享 网格上的资源和增加互操作性，也需要建立层次式的网格体系结构，需要对不 同功能、不同接口、不同表示形式的各种资源进行多个层次的抽象，最后给网 格用户或网格应用提供一个不依赖具体资源特性而访问资源的统一访问接口。 目前,许多学者提出了不同的网格层次结构 22-24，但其本质具有较大的一致 性，基于层次化方法，网格层次结构主要有面向协议的层次结构和面向服务的 层次结构两种。 面向协议的层次结构示意图如图 2-1 所示，网格协议是对底层资源的第一 级抽象，有了大家都理解的标准协议，相互之间就可以了解对方的意图。网格 协议需要有软件来解释并处理，使用标准协议描述的信息。用户通过网格提供 给用户的接口使用网格资源，网格应用接口可以用 api、命令、应用开发语言等 形式提供，用户或应用开发人员只需要了解应用接口相应的内容，就可以使用 网格或开发网格环境应用程序了。面向协议的层次结构示意图如图 2-1 所示， 把资源包装成服务，以服务的形式提供给用户使用也是共享网格资源的一种重 要手段。制定大家都认可的统一协议仍然是以服务形式共享资源的基础。在统 一的协议上开发一些基本的服务作为基础。基本服务是任何网格活动都必需的 一些核心服务，它们为网格提供基本的功能，类似于操作系统的内核，如数据 7 传输服务、通信服务、信息服务、安全服务、监控服务等都是基本服务。基本 服务要求具有运行的可靠性、实现的高效性。 图 2-1 面向协议的层次结构图 构造层（fabric）它的功能是向上提供网格中可供共享的资源，它们是物 理或逻辑实体。常用的资源包括处理能力、存储系统、目录、网格资源、分布 式文件系统、分布式计算机池、计算机集群等。toolkit 中相应组件负责侦测可 用的软硬件资源的特性、当前负荷、状态等信息，并将其打包供上层协议调用。 连接层（connectivity）它是网格中网络事务处理通信与授权控制的核心 协议。构造层提交的各种资源间的数据交换都在这一层的控制下实现。各种资 源间的授权验证、安全控制也在这里实现。在 toolkit 中，相应组件采用基于 公钥的网格安全基础协议（gsi） 。在此协议中提供一次登录、委托授权、局域 安全方案整合、基于用户的信任关系等功能。资源间的数据交换通过传输、路 由及名字解析实现。 资源层(resource)这一层的作用是对单个资源实施控制，与可用资源进行 安全握手、对资源做初始化、监测资源运行状况、统计与付费有关的资源使用 数据。在 toolkit 中有一系列组件用来实现资源注册、资源分配和资源监视。 toolkit 还在这一层定义了客户端的 c、java 的 api 和 sdk。 汇集层(collective)这层的作用是将资源层提交的受控资源汇集在一起， 供虚拟组织的应用程序共享、调用。为了对来自应用的共享进行管理和控制， 汇集层提供目录服务、资源分配、日程安排、资源代理、资源监测诊断、网格 启动、负荷控制、账户管理等多种功能。 应用层（applications）这层是网格上用户的应用程序。应用程序通过各 层的 api 调用相应的服务，再通过服务调用网格上的资源来完成任务。应用程 序的开发涉及大量库函数。为便于网格应用程序的开发，需要构建支持网格计 算的库函数。 8 2.2.2 网格的基本模块 网格是以原有的国际互联网为基础构建的，需要已有的一些协议和规范作 为支持（如图 2-2 所示） 。国际互联网上使用的超文本传输协议（http） 、文件 传输协议（ftp） 、简单邮件传输协议（smtp）等都是网格协议的传输载体。因 为有这些用户已经熟悉的协议作为支持，网格的建设就具有了一定的基础。但 是，由于这些已有的协议都是为了满足各自专门用途而提出来的，因此会给网 格功能的实现带来一定的限制。 网 格 应 用 网 格 系 统 (系 统 软 件 、 工 具 集 、 a p i) x m l (s o a p 、 w s d l 、 ) 互 联 网 协 议 (h t t p 、 f t p 、 s m t p 、 ) 图 2-2 网格协议层次结构 为了实现网格本身的目的，网格系统需要以下的基本管理功能，它们之间 基本关系如图 2-3 所示。 (1) 信息管理：为网格中的活动提供依据。 (2) 资源管理：负责管理网格中的所有资源，为用户提供友好的使用界面。 (3) 数据管理：管理数据的存储、数据的表示、副本管理等。 (4) 通信与安全管理：保证网格上的活动合法，信息通达。 (5) 界面管理：负责用户和网格之间信息的转换和表现。 (6) 作业管理：支持用户在计算资源上运行自己的代码。 (7) 公共管理：包括用户的管理、网格的监控、记账等。 在这些模块的基础上，人们可以增加其他的功能模块，丰富网格的功能。 用户界面 界面管理数据管理作业 信息管理 公共管理 图 2-3 网格系统的基本管理功能 2.3 网格服务 2.3 网格服务 2.3.1 ogsa 体系结构 2001 年，foster 提出了开放的网格服务体系架构(open grid service architecture，简称 ogsa) 11,25，将 web 服务的互操作模型引入到网格研究中， 9 确立了 web服务作为网格资源的新的抽象形式和构造基础。 在 2003年 3月的 ggf7 上，ogsa 已经成为目前网格研究的主流方向，其发展经历了从基于开发网格服 务结构 open gridservices infrastructure(ogsi) 26到基于 web 服务资源框架 (wsrf)的体系结构，因此，web 服务技术极大地增强了网格协议和服务的互操作 性，也为网格应用提供了一种统一的功能扩展机制。领域相关的功能可以通过 引入新的应用服务扩充到网格系统中，而新引入的服务与其他网格服务之间的 交互则采用一致的服务交互模型。这种融合不仅解决了网格间的互操作问题， 而且也使网格应用不再局限于科学计算方面。基于 web 服务的网格应用能够扩 展到电子商务、电子政务等更为广泛的应用领域。 如果说五层协议结构是以“协议”为中心的“协议结构” ，那么 ogsa 就是 以“服务”为中心的“服务结构” 。在 ogsa 框架中一切都看作是网格服务，网 格是可扩展的网格服务的集合，即网格=网格服务。这里的服务是指具有特定 功能的网络化实体。这里的服务所指的概念更广，包括各种计算资源、存储资 源、网络、程序、数据库等等，一切都是服务 11 。五层协议模型实现的是对资 源的共享，而在 ogsa 中，实现的对服务的共享。在 ogsa 中，将一切都抽象为 服务，这种抽象能够将资源、信息、数据等统一起来，十分有利于通过统一的 标准接口来管理和使用网格。 2.3.2 网格服务与 web 服务 ogsa 是面向服务的体系结构，所谓“服务”在 ogsa 中被定义为： “在网络 支持下通过信息交换能够给客户提供某种能力的实体” 。在分布式环境中，从信 息交换的角度来看，服务可以看作是导致服务实体执行某些操作的特定信息交 换序列，因此，在 ogsa 中可见的操作都是信息交换的结果。ogsa 将服务操作封 装在一个面向消息的公共接口之中，从而实现服务的虚拟化，即将服务的定位 与服务实现细节相分离。 ogsa 在原来 web 服务的基础上，提出了网格服务的概念，用于解决服务发 现、动态服务创建、服务生命周期管理等临时服务有关的问题。ogsa 将整个网 格看作是网格服务的集合，这个集合的动态性很强，是可以扩展的，体现了网 格的动态特性。ogsa 把网格中的所有资源都包装成服务，把网格中的各种资源 的异构性隐藏起来，用服务这种统一的实体提供共享接口，为了和人们常用的 服务概念加以区别，网格服务规范定义了网格服务的概念，符合网格服务规范 定义的 web 服务就是网格服务。 网格服务是一种有状态的 web 服务 27，网格服务的标准接口不依赖于具体 的实现和运行环境。一个网格服务可以部署在不同的软件环境中，人们常常把 网格的运行环境叫做容器。不同的容器包含不同的软件环境、不同的机器型号、 不同的操作系统等，甚至也有可能是不同的设备。ogsa 还提供了一种网格安全 10 机制来确保服务间所有的通信是安全的。网格服务可以创建服务实例，人们通 过访问特定的服务实例得到服务。 网 格 服 务 句 柄 (grid service handle ， gsh) 和 网 格 服 务 引 用 (grid servicereference，gsr)是 ogsa 中关于网格服务的两个重要概念。gsh 只是一 个 url 形式的名字，没有携带访问网格服务实例所需要的信息，要访问一个 gsh 对应的网格服务实例，必须解析 gsh 从而得到相应的 gsr。gsr 中包含访问对应 服务实例所需要的所有信息，有了一个服务实例的有效 gsr，用户就可以访问相 应的服务实例了。网格服务调用过程如图 2-4 示： r eg isterf acto ry s erv icec lien t 1 5 2 4 3 1 .服 务 f acto ry 注 册 ， c lien t 查 询 服 务 2 . c lien t请 求 facto ry 的 创 建 服 务 操 作 以 创 建 服 务 实 例 3 . f acto ry 创 建 服 务 实 例 4 . fac to ry 返回服 务实例 的gsh 5 . c lien t调 用 服 务 实 例 图 2-4 网格服务的产生过程 2.3.3 网格的核心服务 网格服务分为：网格核心服务、网格程序执行服务、网格数据服务、特定 领域的服务等四种（如图 2-5 所示） 。前三个类别代表 ggf 研究或工作小组的当 前工作领域。随着时间的推移，当这些服务成熟时，就可以规定特定领域的服 务，让它们利用这些服务所提供的功能。ggf 工作小组当前正在集中精力制定有 用网格服务的广泛集合，而软件供应商和开发人员现在就可以开始实现这些服 务。 特 定 领 域 的 服 务 网 格 程 序 执 行 服 务网 格 核 心 服 务网 格 数 据 服 务 服 务 管 理服 务 通 信策 略 管 理安 全 扩 展 的 web服 务 （ wsdl1.x） 图 2-5 ogsa 的服务结构 如上图表明，网格核心服务由四种主要的服务类型组成： 服务管理：提供相关功能来管理分布式网格中部署的服务。服务管理自动 化和帮助网格系统中各种各样的安装、维护、监控和诊断任务。它还包括相关 的功能，用于收集和交换关于网格操作的数据。这些数据同时用于在线和离线 管理操作，并包括关于错误、事件、问题确定、审核、测量、会计和账务的信 11 息。 服务通信：包括一系列的功能，这些功能支持网格服务用来与其它网格服 务通信的基本方法。它们支持多种通信模型，这些模型能够允许进行有效的服 务间通信，包括消息排队、发布-订阅事件通知，以及可靠的分布式日志记录。 策略服务：提供一个用于创建、执行和管理系统操作策略和协议的一般框 架。这包括控制安全、资源分配和性能的策略，以及一个用于策略敏感的服务 的基础结构，以便使用策略来控制它们的操作。策略和协议文档提供一种机制， 用于表示和谈判服务提供商和客户之间的条款。这些条款包括功能规范、性能， 以及供应商和客户交换的质量需求和目标，这些质量需求和目标可用于影响他 们的互动。 安全服务：以一种使得不同操作系统能够安全得互操作的方式，支持、集 成和统一流行的安全模型、机制、协议和技术。这些安全服务启用并扩展了核 心 web 服务安全协议和绑定，同时提供面向服务的身份验证、授权、信任策略 强制、证书转换等机制。 2.4 网格开发工具 globustoolkit4 2.4 网格开发工具 globustoolkit4 2.4.1 gt4 简介 globus 1,28是目前国际上最有影响的与网格计算相关的项目之一。该项目 发起于 20 世纪 90 年代中期，其最初的目的是希望把美国境内的各个高性能计 算中心通过高性能网络连接起来，方便美国的大学和研究机构使用，提高高性 能计算