（计算机软件与理论专业论文）基于网格经济模型的资源分配策略研究.pdf

摘要 网格计算是解决科学计算，工程计算和商业计算等大规模计算的下一代极 具潜力的计算平台。利用网格技术，人们可以将原本毫无关系的服务器、存储系 统与网络联合在一起，组成一个超级计算系统，为用户提供高质量的计算服务。 然而网格中资源分布于不同的地理位置，属于不同的所有者，而且是异构多变 的。因此网格环境下的资源分配并不容易。尤其当网格与经济相结合后，由于诸 任务具有不同的目标、时间限制、优先级和预算经费，要在满足用户性能需求且 不超出预算经费的前提下，将任务安排到网格的适当资源上进行计算必然非常 复杂。传统的资源分配方式很难满足网格经济发展的要求，因此对于网格经济环 境下的资源分配策略的研究成为近年来的研究热点。 本论文首先对网格经济体系结构g r a c e ( g r i da r c h i t e c t u r e f o r c o m p u t a t i o n a le c o n o m y ) 进行了分析和研究，针对现有框架的特点，设计了一个 基于g r a c e 的资源定价浮动模块r p f m ( r e s o u r c ep r i c i n gf l u c t u a t i o nm o d u l e ) ， 提出了一种具有资源定价浮动机制的资源分配策略。其次，在研究传统的信誉度 控制模型的基础上，本论文提出了一种与网格经济环境相适应的信誉度评估模 型，并给出了基于此模型的信誉度控制模块r c m ( r e p u t a t i o nc o n t r o lm o d u l e ) 的 实现方法。另外，本文还设计了一种跨越多个虚拟组织域v o d ( v i r t u a l o r g a n i z a t i o n a ld o m a i n ) 的分布式的信誉度控制框架，提出了基于信誉度的资源 分配策略。 通过在网格模拟器g r i d s i m 中进行的模拟实验，证明了本文对网格经济体系 结构和资源分配策略所做的改进能够有效的提高网格服务提供者g s p ( g r i d s e r v i c ep r o v i d e r ) 和网格服务消费者g s c ( g r i ds e r v i c ec o n s u m e r ) 双方的效益。 关键字：网格；网格经济；资源分配；信誉度 a b s t r a c t g r i dc o m p u t i n gi st h en e x tg e n e r a t i o na n dp o t e n t i a lc o m p u t i n gp l a t f o r mf o r s o l v i n gl a r g es c a l ec o m p u t i n gl i k es c i e n t i f i cc o m p u t i n g ，e n g i n e e r i n gc o m p u t i n ga n d b u s i n e s sc o m p u t i n g b yg r i dt e c h n o l o g y , p e o p l ec a nc o m b i n ew i 廿1s e r v e r s ，s t o r e s y s t e m sa n dn e t w o r k t h e nt h e yc a nb em a d eu po fas u p e rc o m p u t i n gs y s t e ma n d p r o v i d eh i 曲q u a l i t ys e r v i c e so fc o m p u t i n g h o w e v e r , g r i dr e s o u r c e sa r eb e l o n g i n gt o d i f f e r e n tp r o v i d e r s ，d i s t r i b u t e di nd i f f e r e n tp l a c e s ，h e t e r o g e n e o u sa n dc h a n g e a b l e t h e r e f o r e ，i ti sn o te a s yf o r t h er e s o u r c ed i s t r i b u t i o ni ng r i de n v i r o n m e n t s e s p e c i a l l y ， a f t e rc o m b i n i n gg r i dw i t he c o n o m y ，a s s i g n i n gt h ea p p r o p r i a t er e s o u r c et ot a s k sw i l l d e f i n i t e l yb e c o m eac o m p l e xi s s u eb e c a u s eg r i ds e r v i c e sc o n s u m e r sh a v ed i f f e r e n t t a r g e t s ，d e a d l i n e s ，p r i o r i t i e s ，a n db u d g e t s t h e n ，t h ec o n v e n t i o n a lr e s o u r c ed i s t r i b u t i o n m e t h o d sc a nh a r d l yc a t c hu pw i t ht h ed e v e l o p m e n to fg r i de c o n o m yi nt h i sc o m p l e x g r i de n v i r o n m e n t t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho fr e s o u r c ed i s t r i b u t i o ni ng r i de c o n o m y e n v i r o n m e n t si sb e c o m i n gar e s e a r c ha t t r a c t i o ni nr e c e n ty e a r s t h i sp a p e rf i r s t l yd o e ss o m es t u d ya n da n a l y s i so ng r i de c o n o m ya r c h i t e c t u r e s g r a c e ( g r i da r c h i t e c t u r ef o rc o m p u t a t i o n a le c o n o m y ) a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n g a r c h i t e c t u r e s c h a r a c t e r s ，t h er p f m ( r e s o u r c ep r i c i n gf l u c t u a t i o nm o d u l e ) i s d e s i g n e db a s e do ng r a c e i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rp r o p o s e sar e s o u r c ed i s t r i b u t i o n s t r a t e g ya d d e dt h em e c h a n i s mo fr e s o u r c ep r i c i n gf l u c t u a t i o n t h e n ，b a s e do nt h e r e s e a r c ho fc o n v e n t i o n a lr e p u t a t i o nc o n t r o lm o d e l s ，t h i sp a p e rg i v e san e wr e p u t a t i o n e v a l u a t i o nm o d e lw h i c hi sa d a p t e dt ot h eg r i de c o n o m ye n v i r o n m e n ta n di n t r o d u c e s t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h er c m ( r e p u t a t i o nc o n t r o lm o d u l e ) w h i c hi sb a s e do nt h e n e wm o d e l a tl a s t ，t h i sp a p e rp r o p o s e sad i s t r i b u t e dr e p u t a t i o nc o n t r o la r c h i t e c t u r e w h i c hs p a n ss e v e r a lv o d ( v i r t u a lo r g a n i z a t i o n a ld o m a i n ) a n dd e s i g n sar e s o u r c e d i s t r i b u t i o np o l i c yb a s e do nt h er e p u t a t i o n t h r o u g hs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t si ng r i d s i me n v i r o n m e n t ，t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ei m p r o v e m e n t so fg r i de c o n o m ya r c h i t e c t u r ea n dr e s o u r c ed i s t r i b u t i o ns t r a t e g i e s w o u l di m p r o v et h eb o t l lb e n e f i t sb e t w e e ng s p ( g r i ds e r v i c ep r o v i d e r ) a n dg s c ( g r i ds e r v i c ec o n s u m e 0 k e yw o r d s ：g r i d ；g r i de c o n o m y ；r e s o u r c ed i s t r i b u t i o n ；r e p u t a t i o n 图表索引 图2 1g r a c e 体系结构。1 2 图2 2g e s a 体系结构1 3 图3 1g r a c e 核心框架一1 7 图3 2 带有价格浮动模块的g r a c e 新体系框架18 图3 3r p f m 内部结构1 9 图4 1 不同v o d 之间的信誉度2 5 图4 2r c m 内部结构。2 8 图4 3 加入r c m 后的g r a c e 体系结构2 9 图4 4 分布式信誉度控制整体框架结构3 0 表5 1 资源列表3 6 表5 2 任务列表3 6 表5 3 定价浮动机制在资源分配中的作用3 7 图5 1 任务调度成功率3 8 表5 4 任务调度统计3 8 图5 2 系统收益3 9 表5 5 系统收益统计3 9 图5 3 通信耗时4 0 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名： i 研肇日期：扫位p 年f 月仁日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密 ( 请在以上方框内打“) 论文作者签名：弓，i 寇辱日期：2 口扩年5 月，z 日 铷繇；钆锣f 亥 隰细留年2 日 ( 本声明的版权归青岛大学所有，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用) 4 8 青岛大学硕上学位论文 第一章绪论 从1 9 9 3 年开始，高性能计算技术和互联网技术相互融合，酝酿并产生了继因特 网、w e b 之后的第三大技术浪潮，这就是网格计算( g r i dc o m p u t i n g ) 。网格技术起源 于由美国政府资助的分布式超级计算项目1 - w a y n l 。其目的是利用互联网把分散在 不同地理位置的计算机组织成一台“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、通信资源、知识资源、专家资源等的全面共 _ - _ l 孚。 1 1 网格技术概述 1 1 1 网格计算的概念和特点 1 网格的概念 “网格”这一术语的思想源于口常生活中公共设施的应用。人们对网格的界定 大致可以分为两种，即狭义的“网格观”和广义的“网格观”。其中狭义“网格观” 是以g l o b u s 项目的领导人i a nf o s t e r 为代表，他曾在1 9 9 8 年出版的网格：2 1 世 纪信息技术基础设旌的蓝图一书中这样描述网格：“网格是构筑在互联网上的一 组新兴技术，它将高速互联网、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。 而另一些人则赞同广义的“网格观 ，并把它称作巨大全球网络( g r e t ag l o b a lg r i d ) 它不仅包括计算网格、数据网格、信息网格、知识网格、商业网格，还包括一些已 有的网络计算模式，例如对等计算( p e e r - t o p e e o 、进化计算等。 由于网格处于动态发展的过程中，所以目前还没有一个被普遍接受的定义。网 格计算研究的先导i a nf o y e r 给网格下的定义是：网格计算是动态多机构虚拟组织 中的一个协调的共享资源和解决问题的过程。 2 网格的特点 网格是一个集成的计算与资源环境，它将计算与资源转化成为一种随处可得的、 可靠的、标准的，并且相当经济的计算能力口儿司畸1 。因此它具有一些区别于其它计算 系统的特性。 ( 1 ) 异构性。网格的异构性是指网格中的资源类型多样，规模较大，分布在不同 的地理位置。包括各类主机、工作站甚至p c 机，它们是异构的，可运行在u n i x 和 w i n d o w sn t 等多种操作系统下，也可以是上述机型的机群系统、大型存储设备、 数据库或其他设备。 ( 2 ) 共享性。网格的共享性是指网格上的任何使用者都可以使用网格上的任何资 1 第一章绪论 源。网格的根本特征就是分布资源的共享问题。此共享与以往所说的共享已有很大 不同，它更具有目的性，目的性体现在它已经不再是简单的资源互联和单一使用， 而是通过互联、组合、协作解决用户需要解决的问题，产生具有附加值的新服务、 新数据、新信息等资源。 ( 3 ) 动态性。网格的动态性是指网格资源不是一成不变的，使用者在某一时刻拥 有的资源和权限在下一刻都有可能发生变化。动态性包括动态增加和减少两个方面 的含义。 ( 4 ) 可扩展性。网格的可扩展性体现在规模、能力、兼容性等几个方面。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，并和原来的资源 融合，共同发挥作用，不降低网格计算的性能。 1 1 2 网格的发展前景 网格技术凭借其分布式计算模式以及独特的联合计算能力，在学科研究、企业 信息处理、电子政务、个人娱乐方面拥有广泛的应用前景。网格计算利用分布式计 算机网络处理大量计算量任务，可以最大限度地利用现有网络的计算能力，而不必 为增加信息处理能力而添置新的设备；通过租用网格的计算能力，可以实现许多以 前因计算能力不够，或者因增加计算能力导致成本过高而难以实现的商业应用。 网格技术发展的必然趋势是全球范围内的标准化、技术融合和大型化m 1 。 1 标准化趋势：就像i n t e m e t 需要依赖t c p i p 协议一样，网格也需要依赖标准 协议才能共享和互通。 2 技术融合趋势：基于o g s a 之后，网格的一切对外功能都以网格服务( g r i d s e r v i c e ) 来体现，并借助一些现成的、与平台无关的技术，如x m l 、s o a p 、w s d l 、 u d d i 、w s f l 、w s e l 等，来实现这些服务的描述、查找、访问和信息传输等功能。 这样，一切平台及所使用技术的异构性都被屏蔽。 3 大型化趋势：近些年来，国外包括美、英、日在内的一些国家每年都投入高 额经费，用于跨域甚至跨国的大型网格项目的建设。 1 1 3 网格技术研究现状 1 国外研究现状 ( 1 ) 美国的g l o b u s 项目是全球最具影响的网格计算项目之一，它对全世界的网格 研发工作起到了巨大的推动作用。该项目要开发一个面向科学计算的基本软件基础 设施，利用这一设施，把不同地理位置上的计算资源和信息资源集成起来。同时，该 项目还研究网格计算的关键理论，具体包括资源管理、网格安全、信息服务、数据管 理等；开发支持网格计算的工具软件和网格应用程序；帮助规划和组建大型的网格 2 青岛大学硕士学位论文 试验平台。 ( 2 ) l e g i o n 是美国弗吉尼贬大学于1 9 9 3 年提出的一个基于对象的元系统软件项 目。其目标是为用户提供单一、一致的虚拟机器模型。在l e g i o n 内，将硬件和软件 等一应实体都视为对象，每一个对象由其类对象定义和管理，l e g i o n 中类对象的作 用相当于管理者，它除了定义实例之外，还制定管理策略。 ( 3 ) 欧洲研究现状。欧洲数据网格e d g ( e u r o p e a n d a t ag r i d ) 是一个国际性的大 型研究和技术发展项目。该项目由欧洲粒子物理实验室c e r n ( e u r o p e a n o r g a n i z a t i o nf o rn u c l e a rr e s e a r c h ) 领导，另外包括e s a ( e u r o p e a ns p a c ea g e n c y ) 、法 国c n r s ( c e n t r en a t i o n a ld e l ar e c h e r c h es c i e m i f i q u e ) 、意大利i n f n 、荷兰n i k h e f 、 英国p p a r c 等五个主要合作伙伴以及欧洲各国的1 5 个相关研究机构。d a t ag r i d 主 要针对c e r n 的高能物理应用，解决海量数据的分解存贮和处理问题，提供突破地 理局限，允许分布在世界各地的工作者交互、共享数据和设备，共同开展科学研究的 合作环境。 ( 4 ) 英国政府开展了e s c i e n c e 计划，他们认定网格是w o r l dw i d ew e b 的必然后 继者，投资2 亿英镑左右支持网格研究，并确定了用网格计算技术构建e s c i e n c e ，为 大规模科学研究提供基于i n t e r n e t 的分布式全球操作计算环境。其应用包括粒子物 理、生物信息学、气候环境变化、工程系统设计等多学科领域。e s c i e n c e 计划联合 多所大学、国家级研究所和工业界共同完成多学科的大规模科研信息基础设施和环 境建设。 ( 5 ) u n i c o r n 是德国联邦教育和研究部资助的一个项目。参加研究的有中等范 围天气预报欧洲中心、布莱尼兹计算中心、卡尔斯鲁尔计算中心、惠普公司、国际 商务机器公司、富士通公司等。其目的是提供一套软件，该软件支持并允许用户向远 程高性能计算机提交自己的作业，而无需知道远程计算机的操作系统、数据存储格 式、管理策略和过程。它充分利用了已有的万维网技术。授权用户可以通过浏览器 和接口访问任何地方的u n i c o i 资源。 ( 6 ) n o r d u 网格是挪威、丹麦、瑞典、芬兰利用网格中间件建设的网格基础设 施，n o r d u 网格的主要构成部分有计算元素、存储元素、复制目录、信息系统、网格 管理器用户接口等。 ( 7 ) 日本是亚洲开展网格研究比较早的国家。日本的d a t a f a r m 网格项目与欧洲 数据网格相连，主要用于p e t a b y t e 数据量的高能物理实验数据的分析和处理。n i n f 是k t 本全球计算基础设施项目，它允许用户访问分布在广域网上的资源，包括软件、 硬件和数据。n i n f 目前正在实施。日本的另一个研究项目b r i c k s 是一个性能评价系 统，允许在典型的高性能全球计算环境上分析和评价不同调度策略，同时，它还可以 模拟异地全球计算系统的不同行为，尤其是网络的行为和资源调度算法的行为。 3 第一章绪论 ( 8 ) 韩国的网格计划之一是ng r i d ，这是韩国信息通讯部支持的一个项目。n g r i d 的目标是建立韩国国家网格，该项目包括计算网格、数据网格、访问网格和应 用网格。它将韩国的超级计算机和高性能机群连接在一起，建立应用试验床、应用门 户和开发具体的应用程序。 2 国内研究现状 我国同世界其他各国政府一样，为大幅度提高我国的综合国力和国际竞争能力， 对于网格的建设十分关注，同时在网格计算方面做了大量基础性和前瞻性研究工作。 并在8 6 3 专项中提出了具体的目标。专项确立了“战略与系统综合研究”、“高性能 计算机”、“网格结点 、“网格软件”和“应用网格”五个方面的课题。目前，我国 已开展了“中国国家网格”、“教育科研网格”、“织女星网格”和“先进计算基础 设施北京、上海试点工程”等五大网格项目的研究。 其中，中国国家网格将提供高性能计算、资源共享、协同工作的能力；在科学 研究、环境资源、制造业、服务业中建设若干大型行业应用网格。研制面向网格计 算的高性能计算机，装备网格结点，促进我国高性能计算机的研究和产业化。研究 以网格软件为代表的网格核心技术，力争在网格体系结构和网格软件、网格应用技 术、网格服务模式、网格安全以及网格管理和运行机制等方面有所突破；推动网格 的产业化进程。 目前参与我国网格研究的主要有中科院计算所、清华大学、国防科技大学、江 南计算所等几家在高性能计算方面有较强实力的研究单位。其中，中科院计算所在 高性能计算领域的主要成果是曙光3 0 0 0 超级服务器，其他单位的主要成果有银河巨 型机、同方探索机群系统等。另外，很多企业也把网格作为未来几年内的主攻方向， 如联想、海尔、t c l 等。 1 1 4 网格计算中的资源调度 网格计算的目的是使人们可以无缝地集成广域资源来合作解决问题，因此，在 网格环境里如何有效地管理资源和分配资源就成为影响网格计算是否成功的重要的 因素之一。同时，由于资源在广域上分布、本质上异构、由不同的个人或组织拥有、 具有小同的存取和开销模式、负载和可用性动态变化等，使得网格环境下的资源管 理十分复杂和具有挑战性m 1 。下面对网格计算中的资源调度的特点、分类和目标进 行一下概述。 1 网格资源调度特点 传统计算系统的资源管理已经得到了比较充分的研究，如批调度器、工作流引 擎和操作系统。网格资源管理与传统资源管理的目标都是高效、合理地利用资源， 且都具有并发性、共享性和随机性的特点，但他们之间又有着很大的4 、= 同，他们的 4 青岛大学硕士学位论文 根本区别在于网格资源具有广域分布性、异构性和动态性。由此可见网格资源的调 度具有如下的几个特点口儿阳 ( 1 ) 资源的分布自治性。资源跨多个管理域，地理上分布、自治、规模庞大， g r m s ( g l o b a lr e s o u r c em a n a g e m e n ts y s t e m ) 需要支持对资源、用户的全局命名空 间；资源的共享与私有并存，不同的管理域有不同的本地资源管理系统l r m s ( l o c a l r e s o u r c em a n a g e m e n ts y s t e m ) ，g r m s 对资源无完全的知识和控制，需与l r m s 交互， 共同使用资源。 ( 2 ) 资源平台的异构性。由于网格系统是由分布在i n t e r n e t 上的各类资源组成的， 包括各类主机、工作站甚至p c 机，它们是异构的，可运行在u n i x ，w i n d o w sn t 等多种操作系统下，也可以是上述机型的机群系统、大型存储设备、数据库或其他 设备。因此网格系统中的任务调度必须面向异构平台，并在这些平台上实现删格资 源的调度。 ( 3 ) 资源调度的非集中性。由于网格系统是一个大到整个i n t e m e t 的分布式系统。 要实现一种全局的统一集中的资源调度管理是很难实现的。因此，网格必须以分布、 并行方式进行资源的管理与调度。 ( 4 ) 资源可扩展性。网格系统初期的计算规模较小，随着超级计算机系统的不断 加入，系统的计算规模也必将随之扩大。因此，在网格资源规模不断扩大、应用小 断增长的情况下，网格系统的资源调度必须具有可扩展性，不致降低网格系统的性 能。 ( 5 ) 资源调度的自适应性。网格中的资源不但是异构的而且网格的结构总是不停 地改变；有的资源出现了故障，有的新资源要加入到网格中，有些资源重新开始工 作等。总之网格的动态性是明显的，所以任务调度系统必须适应网格的这种动态性， 从可利用的资源中选取最佳资源为用户提供应用服务。 ( 6 ) 资源的协同性。很多网格任务需要跨域协同分配多个资源。g r m s 需完成跨 域的资源协同分配，这需要了解不同域的安全机制、资源特征，进行任务的跟踪， 并处理各种形式的错误。 2 网格资源调度分类 从不同的观察角度可把网格中资源调度策略按照不同的标准分类。本文根据调 度策略的目的，把网格资源调度策略分成三种： ( 1 ) 面向应用的调度策略。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调度方案要求的资源调度策略。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间，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个资源等。目前大部分调 度策略都属于这一类。 5 第。章绪论 ( 2 ) 面向系统的调度策略。它是从整个系统的角度来衡量每个可能的资源调度方 案，从中选择能最大程度提高整个系统的性能，如吞吐率、资源利用率、负载- 甲衡 等方案的调度策略。值得注意的是，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。所以可以把网格在同一个管理域中的部分作为一个系统，由域中的管理 者来进行系统级的资源调度，即把整个网格划分成多个系统，在每个系统内执行资 源管理。在系统内采用面向系统的调度策略，在客户端采取面向应用的调度策略能 在一定程度上取长补短，同时兼顾应用任务和系统整体的性能。 ( 3 ) 面向资源市场的调度策略。除了上述两类调度策略外，还有无法划入两种中 任意一种的调度策略，最主要的是面向“资源市场”调度策略。这种调度策略由澳 大利亚m e l b o u r n e 大学的r a j k u m a rb u y y a 最早提出，它的主要思想如下，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，并把宏观经济学和微观经济学的各种模型应用到网格 资源调度过程中，如拍卖模型、商品模型等。 3 网格资源调度目标 简单地说，网格资源调度的目标就是要对用户提交的任务实现最优调度，并设 法提高网格系统的总体吞吐率。具体的目标包括口引：最优跨度( o p t i m a lm a k e s p a n ) 、 服务质量q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 、负载均衡( l o a db a l a n c e ) 、经济原贝, l j ( e c o n o m i c p r i n c i p l e ) 。 ( 1 ) 最优跨度。跨度指的是调度的长度，也就是从第一个任务开始运行到最后一 个任务运行完毕所经历的时间。跨度越短说明调度策略越好。当用户向网格系统提 交任务后，最大的愿望之一是网格系统尽快完成自己的任务。可见，实现最优跨度 是用户和网格系统的共同目标。 ( 2 ) 服务质量q o s 。网格系统要为用户提供计算和存储服务时，用户对服务的要 求是通过q o s 形式反映出来的。资源管理与调度系统在进行分配调度任务时，应当 保障网格应用的q o s 。 ( 3 ) 负载均衡。在开发并行和分布计算应用时，负载平衡是一个关键问题。网格 系统更进一步扩展了这个问题。网格资源调度是涉及交叉域和大规模应用的调度， 解决好系统的负载均衡是一个非常重要的问题。 ( 4 ) 经济原则。网格的计算经济模型环境中的资源在地理上是广泛分布的，而且 每个资源都归属于不同的组织，都有各自的资源管理机制和政策。根据现实生活中 的市场经济原则，不同资源的使用费用也应是不相同的。市场经济驱动的资源管理 与任务调度必须使消费双方( 资源使用者和资源提供者) 互惠互利，才能使网格系统 长久地发展下去。 6 青岛大学硕士学位论文 1 2 本文研究背景、目的和意义 随着w r e b ，x m l 技术的迅速发展，网格正在从以前以计算驱动的网格环境渐渐 转变为以服务驱动的下一代网格环境n 3 。同时，网格中用于共享的资源种类也越来 越多，不仅仅限制于物理资源，像带宽资源，安全性能，系统稳定性等逐渐的成为 了网格资源的重要组成部分瞻1 。然而，目前大多数网格环境中资源的共享都是自愿 的。大家自觉的把资源拿出来，共同组成一个网格系统，来进行研究和学习。这就 会导致一系列问题。比如用户为了满足自己的服务质量q o s 的需要，总是贪婪的通 过竞争服务资源获得最好的服务质量，这样造成了资源的无效使用，进而降低了系 统的性能。因此将经济模型与网格计算相结合，在网格中加入经济激励机制和q o s 定价策略便显得非常有必要。当用户将不再无偿使用资源时，用户就会根据自己对 服务质量要求和承受价格，来综合考虑自己所需要申请使用的资源。从而保证了网 格系统的性能。 将网格计算和经济模型相结合，使以系统为中心的网格环境向以用户为中心的 网格环境转变，对网格的发展有着重要的实践意义。首先它将激励资源提供者构建 一个大规模的网格环境，来开展网格服务。并且有助于规范资源的提供和请求。其 次，通过给用户提供一个经济激励机制，将减少对高服务质量资源的盲目请求，提 高了系统的吞吐量和可靠性。最后它可以使用户和资源提供者互惠互利，促进网格 系统的发展。 在网格经济环境中，资源调度系统是其重要的组成部分，它要根据任务信息采 用适当的策略把不同的资源分配给相应的任务。由于网格系统的异构性和动态性， 以及运行于网格系统之中的应用程序对于资源的不同需求，使得资源调度变得极其 复杂。不佳的资源分配策略，将会增加任务的执行时间、降低整个网格系统的吞吐 量，大大降低网格系统的效率。并且会降低网格资源提供者的利润，提高网格资源 使用者的成本。因此，网格经济环境下的资源分配是实现网格经济的关键，也是一 个非常值得研究的课题。 1 3 本文所作的主要工作 网格经济模型作为网格和经济的结合体，目前在部分领域得到了初步的应用。 但是由于经济问题的复杂性高，在应用过程中必然面临着许多困难，网格经济模型 中的许多机制仍小够完善。其主要表现在： 1 资源的定价浮动机制。网格中资源定价应该根据网格经济环境中的供求关系 动态的进行变化。但是目前的网格经济模型尚没有一个相对完善的独立模块对网格 中资源定价进行管理。 7 第一章绪论 2 由于网格中节点存在异构性和随机性，这就需要建立一定的信誉度评估机制 来对节点的行为进行约束和规范。然而，传统的信誉度评估方法不能很好的适应网 格经济环境，因此也就不能很好的控制网格经济中节点的行为和网格系统的稳定性。 本文探讨的是基于网格经济模型的资源分配策略，通过对网格经济框架和资源 分配策略的深入全面的研究，根据当前资源分配策略相关研究中的长处和不足，主 要做了以下几个方面的工作： 1 在g r a c e u 们( g r i da r c h i t e c t u r ef o rc o m p u t a t i o n a le c o n o m y ) 网格经济体系结构 框架基础上，设计了一个资源定价浮动模块r p f m ( r e s o u r c ep r i c i n gf l u c t u a t i o n m o d u l e ) 。使网格中资源的定价可以根据网格环境中实际的供求关系进行浮动。将资 源定价浮动与资源分配相结合，提出了网格经济中具有资源定价浮动机制的资源分 配策略。 2 对传统的信誉度评估模型进行了改进，使之能更好的适应网格经济环境。并 在此基础上给出了一种网格经济信誉度控制模块r e p u t a t i o nc o n t r o lm o d u l e ( r c m ) 的实现方法。 3 根据网格环境的特点，提出了一种分布式的信誉度控制结构和分布式的信誉 度评估模型。将信誉度与资源分配相结合，提出了一种网格经济中基于信誉度的资 源分配策略。 4 使用g r i d s i m 网格模拟器对提出的资源分配策略进行了仿真实验，通过实验 证明了本文提出的改进的资源分配策略能够有效的提高网格经济环境的任务执行成 功率并同时提高网格服务使用者g s c ( g r i ds e r v i c ec o n s u m e r s ) 和网格服务提供者 g s p ( g r i ds e r v i c ep r o v i d e r s ) 双方的效益。 1 4 本文的组织和结构 本文共分为六章，结构如下： 第一章，绪论。介绍了网格计算的基本概念，国内外最新的研究情况以及网格 计算中的资源调度。然后介绍了本文研究的目的和意义，最后介绍了本文所作的主 要工作和各章节安排。 第二章，网格经济。介绍了网格计算与经济模型想结合的情况，分析了目前比 较先进的几种网格经济体系结构，并对网格经济中的资源分配策略进行了介绍。 第三章，具有定价浮动机制的资源分配策略。提出了一种新的网格经济中的资 源定价浮动模块，并对模块的内部结构进行了详细的分析。然后，根据这个模块提 出了一种具有资源定价浮动机制的资源分配策略。 第四章，基于信誉度的资源分配策略。提出了与网格经济环境相适应的信誉度 评估模型，并设计了一个分布式的信誉度控制框架和基于信誉度的资源分配策略。 r 青岛大学硕上学位论文 第五章，仿真实验。在g r i d s i m 仿真环境下对提出的算法和资源分配策略进行 了仿真实验，并对实验结果进行了分析和评价。 第六章，总结与展望。总结了本文的工作，并对未来的研究进行了展望。 9 第二章网格经济 2 1 网格计算引入经济学 第二章网格经济 最初，人们将世界各地的超级计算机通过广域网互连，来求解一些大规模科学与 工程计算等问题，从而形成了网格计算系统。网格资源的共享不仅仅包括计算资源， 还包括高速互连的异构计算机、数据库、科学仪器、文件和超级计算系统等资源。 这种共享不仅仅限制在部门、组织内部，而是要建立全球范围的网格资源市场，这 就需要建立一个广泛接受的资源使用的付费和支付机制。由于网格系统中的资源供 需关系与现实世界的商品经济模型可以类比，网格服务提供者g s p ( 嘶ds e r v i c e p r o v i d e r s ) 相当于商品制造商，为用户提供资源和服务，并收取费用。网格资源消 费者c s c ( g r i ds e r v i c ec o n s u m e r s ) 相当于商品购买者，为了满足自己对资源需求并 支付一定的费用，双方目标是实现利益最大化。因此，经济学理论便被引入网格计 算来建立网格资源市场。在网格中引入经济学主要基于以下一些理由n 们： 1 采用经济模型，可以通过市场行为实现分布式的资源优化复制配置策略，这 是引入经济模型最主要的原因。 2 现有的网格系统大多是为了一些学术研究目的而开发的，在这些系统中强调 资源的共享和协同工作，但是却没有考虑到资源的价格因素。在实际应用中，大量 的资源并不是无偿使用的，要吸引资源的拥有者加入网格，就必须保证他们的利益。 3 网格是一个异构的、动态的分布式环境，对资源的使用和资源的供应都是在 不断的变化之中。通过引入经济学，特别是基于价格的市场机制，由价格浮动来反 映资源供需情况的动态变化，通过供需均衡实现资源优化分配，能够很好地表现网 格的动态特征。 4 网格环境下的资源分配涉及到消费者、生产者的个体行为，微观经济学中的 一些模型正好与之配合。 应用经济学理论来建立网格资源使用的支付、收费、记账机制，调度网格市场 资源，调整供给和需求，是网格经济学的主要研究内容。 2 2 网格经济研究现状和主要项目 很多政府、企业都实施了网格经济研究项目，这些项目主要包括u ke s c i e n c e 3 项目，n i m r o d g 咖网格资源代理f f l g c o m m e r c e 3 计划。 1 0 青岛大学硕士学位论文 2 2 1u ke - s c i e n c e 项目 u ke s c i e n c e 项目由u k sc o r e p r o g r a m $ 1 j 定并实施，目的为学术界和商业团体 开发网格经济的基础设施。英国网格支持中心通过u ke s c i e n c e 网格基础设施配置资 源。实施这个项目有两个主要目标：一是开发基于o g s a 的支持网格服务交易基础设 施，在这个基础设施上开发多种经济模型，应用经济模型在u ke s c i e n c e 中心配置资 源。通过分布的实验床开发实用化的网格服务的收费、记账支付系统。另外一个目 的是通过这个项目建立网格经济体系结构国际标准。根据这个项目制定的网格经济 服务结构g e s a n 3 1 ( g r i de c o n o m i cs e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ) 标准已经由全球网格论坛 g g f u 习( g l o b a lg r i df o r u m ) 发布。 2 2 2n i m r o d g 网格资源代理 为了合理地配置资源，调节资源的供给和需求，r a j k u m a rb u y y a 提出了一个分 布的计算经济网格体系结构g r a c e ( g r i da r c h i t e c t u r ef o rc o m p u t a t i o n a le c o n o m y ) ， 并开发了基于体系结构n i m r o d g 的网格资源代理，n i m r o d g 是基于市场模型资源 调度管理工具的，它强调资源的交易和资源服务质量的保证。n i m r o d g 支持用户设 定资源使用时长，支持在调度优化时考虑预算约束，使用资源贸易服务来管理网格 资源的供需。 2 2 3g c o m m e r c e 计划 g c o m m e r c e 是美国田纳西大学的研究项目，它研究了不同经济模型对网格经 济的作用和效果。主要比较了日用品模型和拍卖模型的优缺点。拍卖模型价格被高 估，不适合网格经济资源交易，相反，日用品模型适合网格资源管理。 2 3 网格经济体系结构 网格经济的体系结构就是关于如何建造网格经济环境的技术，它给出了网格经 济的基本组成和功能，描述了网格经济各组成部分的关系以及它们集成的方式或方 法，刻画了支持网格经济有效运转的机制。到目前为止，比较重要的网格经济体系 结构有两个：一个是r a j k u m a rb u y y a 提出了一个分布的计算经济网格体系结构 g r a c e ，另一个是全球网格论坛g g f 发布的网格经济服务结构g e s a 。 2 3 1g r a c e 体系结构 g r a c e 体系结构由网格的用户、资源代理g r b ( g r i dr e s o u r c eb r o k e r ) 、网格 中间件、服务提供者g s p ( g r i ds e r v i c ep r o v i d e r ) 四部分组成。它是在g l o b u s 的基础 上增加了构建经济网格必需的服务，新增加的服务包括：资源代理、资源交易协议、 1 1 第二章网格经济 网格市场目录服务器g m d ( g r i dm a r k e td i r e c t o r y ) 、资源请求和服务供