（机械电子工程专业论文）基于制造网格的模具虚拟企业及资源调度研究.pdf

摘要 模具企业作为一种典型的订单驱动型企业，需要对市场做出快速响应，能够 及时完成客户订单，但中国的模具企业大多为中小型模具企业，不具备制造所有 模具的各种资源，这就要求企业之间打破壁垒，能够共享资源，既能按时完成订 单，又能让资源发挥最大经济效益，增加企业利润。 为了达到上述目的，本文引入了基于制造网格的模具虚拟企业，虚拟企业是 一种构建在互联网之上的企业形式，是一种面向应用的企业，它根据特定的需求 完成整个企业的组织。但在现有条件下，虚拟企业难以实现订单驱动的企业组织 和结构调整，难以可靠而有效地管理企业资源，无法实现虚拟企业制造资源的高 效调度。 本文引入网格理论和技术，对虚拟企业的组织与制造资源调度进行研究，主 要内容包括： 1 阐述了网格的基本概念及网格技术的相关理论知识，指出网格技术的目标是实 现网络虚拟环境下的高性能资源共享和协同工作，消除信息孤岛与资源孤岛， 并介绍了网格计算、网格技术在制造领域的应用。 2 在制造网格的基础上，创建了面向应用的模具虚拟企业架构，并基于该架构建 立了虚拟企业的整体框架，研究在该框架下虚拟企业的组织问题，资源调度问 题； 3 虚拟企业的制造资源调度分为分布式调度和本地调度两个阶段，重点研究了基 于a l l p 算法的分布式资源调度，结合一个具体的实例，给出了调度算法的整个 过程。 4 虚拟企业制造平台的实现 关键词：虚拟企业，制造资源调度，制造网格，a h p 算法 ：变三些奎兰至圭兰堡垒兰 a b s t r a c t a sak i n do ft y p i c a lo r d e r - d r i v e ne n t e r p r i s e ，m o u l de n t e r p r i s e sh a v et or a p i d l y r e s p o n dt om a r k e t sc h a n g e ，c o m p l e t ec u s t o m e r so r d e r so nt i m e h o w e v e r ，m o s to f m o u l de n t e r p r i s e si nc h i n ao n l yh a v es m a l lo rm i d d l es c a l e ，w i t h o u ta l lm a c h i n e r i e s a n de q u i p m e n t sm a n u f a c t u r i n ga n ym o u l d ，w h i c hr e q u e s tt ob r e a kb a r r i e r sa n ds h a r e r e s o u r c e sa m o n ge n t e r p r i s e s s o ，t h em o u l de n t e r p r i s e sc a nc o m p l e t et h eo r d e r so n t i m ea n dm a k ef u l l yu s eo fr e s o u r c e s a tl a s t ，t h ee n t e r p r i s e sp r o f i tc a nb ei n c r e a s e d t oa c h i e v et h ea b o v eo b j e c t i v e ，m o u l dv i r t u a le n t e r p r i s e ( m v e ) b a s e do n m a n u f a c t u r i n gg r i d ( m g ) w a si n t r o d u c e d v ei saf o r mo fe n t e r p r i s eb u i l d i n go n i n t e r n e t ，w h i c hf a c i n ga p p l i c a t i o na n do r g a n i z ee n t e r p r i s ea c c o r d i n gt ot h es p e c i f i c a p p l i c a t i o n b u tu n d e re x i s t i n gc o n d i t i o n s ，i tw a sv e r yd i f f i c u l t yt oo r g a n i z ea n d r e s t r u c t u r eam o u l dv e r e l i a b l ea n de f f e c t i v em a n a g e m e n to f t h ee n t e r p r i s er e s o u r c e w a sa l s od i f f i c u l t y e f f i c i e n tr e s o u r c es c h e d u l i n gu n d e rv ee n v i r o n m e n tc a nn o tb e i m p l e m e n t e de f f e c t i v e l y t oi m p r o v ee f f i c i e n c yo fo r g a n i z a t i o na n do p e r a t i o ni nv i r t u a le n t e r p r i s e s ( ) ， g r i dt e c h n o l o g yw a si n t r o d u c e d t h ea p p l i c a t i o n - o r i e n t e df r a m e w o r kf o rv ew a s c o n s t r u c t e db a s e do nm a n u f a c t u r i n gg r i d d i s t r i b u t e ds c h e d u l i n gs t r a t e g yw a s p r o p o s e d ，w h i c h w a sc e n t e r e do f fa h p m a i nc o n t e n t si n c l u d i n g ： 1 g r i d sf u n d a m e n t a lc o n c e p t i o na n dt h er e l a t i v et h e o r i e so fg r i dt e c h n o l o g ya r e d i s c u s s e de x p l i c i t l y f i r s t l y , t h ep a p e rp o i n t st h a tg r i dt e c h n o l o g yi sag r o w i n g i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , a n di ta i m st ob u i l dt h ev i r t u a lo r g a n i z a t i o n ，r e s o u r c es h a r i n g a n dc o l l a b o r a t i v ew o r k i n ge n v i r o n m e n t i tc a ne l i m i n a t et h ei n f o r m a t i o na n dr e s o u r c e l o n e l yi s l a n d s e c o n d l y , t h ea p p l i c a t i o n so fg r i dt e c h n o l o g ya n dg r i dc o m p u t i n gi n m a n u f a c t u r i n ga r ei n t r o d u c e d 2 m o u l dv es t r u c t u r ef a c i n ga p p l i c a t i o nw a sc r e a t e db a s e do nm g t e c h n o l o g y , a n db a s e do nw h i c ht h ew h o l ef r a m eo fv ew a sc r e a t e d v eo r g a n i z a t i o na n dr e s o u r c e s c h e d u l i n gp r o b l e mw a sr e s e a r c h e di nt h i sf r a m e 3 v i r t u a le n t e r p r i s em a n u f a c t u r i n gr e s o u r c es c h e d u l i n gw a sd i v i d e dt w o p h a s e s ： d i s t r i b u t e ds c h e d u l i n ga n dl o c a ls c h e d u l i n g d i s t r i b u t e dr e s o u r c es c h e d u l i n gb a s e do n a h pw a sf o c u s e do n f i n a l l y , a ne x a m p l eo fm o u l dm a n u f a c t u r i n gw a sp r o v i d e d ， r e s o u r c e ss c h e d u l i n gp r o c e s sw a sd e s c r i b e do nd e t a i l e d 4 v em a n u f a c t u r i n gp l a t f o r mr e a l i z a t i o n k e yw o r d s ：v i r t u a le n t e r p r i s e ，m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c es c h e d u l i n g ， m a n u f a c t u r i n gg r i d ，a h p 1 1 i 广东工业大学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的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，不包 含本人或其他用途使用过的成果。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。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处。本人承担一切相关责任，特此声明。 艚狮毵秘旷 论文作者签字： 闻辱 2 0 0 7 年5 月 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 1 i 1 模具行业生产特点 第一章绪论 模具是工业生产的基础工艺装备，它对于一般的产品来说属于工具范畴，精 度高，结构复杂，并有较高的材质要求，是典型的高附加值、高风险产品。其制 造过程十分复杂，涉及产品设计、模具设计、毛坯制造、电加工、机械加工、测 量技术、表面工程、热处理和快速原型制造技术等方面，需要多种技术装备，而 且使用率很不平衡【l j 。 模具制造业是典型的客户驱动性制造业，是属于面向资源的工程订货类型。 它根据客户订单生产，由客户提出最终产品设计，模具制造商则根据客户要求， 设计、制造模具。订单的获得具有很大随机性，生产要在订单签订之后才能开始。 企业在接到订单前，对于订单的种类、数量、客户的具体要求、交货期是不知道 的：企业从接到订单、签订合同到向用户交货，要完成设计、工艺准备、物料采购 和制造加工等一系列新产品设计制造的全过程；订单的重复几率极小，生产多为 单件加工或多品种小批量生产，每一次生产都带有试制的性质。 随着当前全球制造的发展趋势，模具开发又面临着尺寸大型化、形状复杂化、 加工精密化、材料多样化、成本低廉化和生产周期快速化的挑战 2 】客户对模具 制造也提出了更高的要求：如要求降低成本，缩短交货时间；提高尺寸精度和整 体质量；允许快速原型系列的生产；能迅速响应市场变化和方便地适应系列产品 的设计变更等。 1 1 2 模具行业现状与应对之策 近年来，我国的模具工业发展迅速，据不完全统计，目前模具生产厂家共有 广东工业大学硕士学位论文 2 万多家，从业人员约5 0 万人。我国模具总量己位居世界第三，但设计制造水平 在总体上要比德、美、日等发达国家落后许多，模具商品化和标准化程度也比国 际水平低许多。 。 我国的模具生产企业一般可划分为四大类：专业模具厂( 专业生产模具外供) 、 企业的模具分厂或车间( 以供给本企业所需的模具为主要任务) 、三资企业的模具 分厂( 其组织模式与专业模具厂相类似，以小而专为主) 、乡镇模具企业( 与专业模 具厂相类似) 。其中以第二类数量最多，模具产量约占总产量的7 0 以上。模具 行业是典型的。小企业、大行业”，我国模具行业大部分为中小型模具企业中，而 模具行业特点又决定了模具生产不能由单个企业以大而全或小而全的形式单独完 成。需要中小模具企业联手协作，共享资源。然而，现阶段模具企业在资源又存 在诸多闯题1 4 ： 1 源供需“错位” 目前的一些中小模具企业的现状是：一方面是一些实力不强、知名度不高的 中小企业经常接不到加工订单，企业的设备、人才资源经常空闲和闲置。而另一 方面却是一些实力较强、知名度和信誉较好的企业手中经常积压大量的加工订单， 但由于企业本身的资源不全、设备资源、加工能力不够或交货时闻紧限制，他们 需要将一些不太重要的订单外包，但却苦于找不到合适的合作伙伴。从资源的总 量上看，之所以出现上述的资源错位现象。并不是由于资源的数量的真正绝对过 剩或短缺，而是因为资源的拥有者和资源的消费者之间缺少一种符合市场经济运 行规律的资源共享的交换以及资源配置机制。如何从根本上解决这一资源共享是 一个普遍性的问题。 2 重复建设、“储备”资源现象 模具制造业属于典型的面向资源、单件订货型的制造行业。模具企业如果没 有某些关键设备( 即某种加工能力) ，往往就无法承接到较大的订单；而如果模具 企业花费资金添置了某些关键设备，却又往往发现开工率不足。由于重复购置所 造成的资源空置、空闲、人力物力财力的浪费令人触目惊心，这种不合理的怪圈在 模具企业中比比皆是。 3 资源共享困难 虽然目前许多企业已经实施了或部分实施了企业内部信息化管理，但由于企 2 第一章绪论 业在管理理念上画地为牢，各自为战。分散化经营，设备资源及制造信息、知识 等等重要资源，都被当作企业的核心竞争力掌握在各自企业手中。各部门、行业 与单位之间的资源、信息封锁和壁垒十分严重。 4 业务流程难以随需应变、难以协同 无情的激烈的市场竞争使得产品的交货期一短再短，质量一高再高，价格却 一降在降。生存的压力迫使企业采用各种先进的思想和方法，诸如并行工程( c e ) ， 知识熔合( k n o w l e d g e f u s i o n ) ，产品生命周期管理( p l m ) 等等提高产品的市场 竞争力。然而要实现并行工程、知识融入等思想，其关键点是业务流程难以随需 应变。业务流程随需应变的最大难点和障碍不是技术，而是企业的各种资源( 包 括有形的物理资源，无形的信息，知识资源、文化、行为等) 经济属性和社会属 性上的障碍。要达到业务流程能够随需应变，最大的难点就是突破不同企业、部 门之问的资源壁垒，将资源从企业的各种约束关系中“解放”出来。 综上所述，必须找到一种能够打破企业的资源壁垒，使企业之间可以共享资 源的解决方案。 1 2 虚拟企业 1 2 1 基本理论 虚拟企业也称动态联盟，是一种由多家独立的企业为了抓住和利用迅速变化 的市场机遇，在一定时间内，通过信息技术联系起来的网络结构组织。联盟中的 各参与企业基于共同的目的，充分信任与合作，利用各自的核心资源，分担风险 与利润，一旦市场机遇消失，虚拟企业即解散或重新组合。通过虚拟企业的运作， 可迅速有效集成满足特定市场机遇所需的核心资源，从而对市场变化做出积极响 应，以最小的投入、最好的质量与服务、最快的上市时间满足市场的需要。 目前关于虚拟企业创建及运作的理论有很多。如传统的交易费用理论i s l 、竞 争理论i 1 、战略决策模型、战略行为模型、社会交易理论以及基于资源的理论等。 其中基于资源的理论最具代表性，强调企业通过共享和利用有价值的资源以获得 最大利润：即企业通过虚拟企业试图找到最优的资源边界，通过它使自身的资源价 3 广东工业大学硕士学位论文 值得以最好地实现：强调企业加入动态联盟而不进行企业合并或其他合作方式的 目的是：获取其他企业有价值的资源，保持和发展自身所具有的资源，并最终形成 企业自身的核心竞争能力【7 】。 1 2 2 虚拟企业的运作模型 传统的企业的绩效改善主要集中在企业内部，很少将注意力集中在外部。虚 拟企业则是对企业外部资源的整合，发挥综合效应，合作包括顾客、供应商甚至 竞争对手在内的各方。联合把利益之饼做大，各方利益共享。 虚拟企业把企业绩效的改善逐步转向外部，虚 拟企业的运作模型一四圈模型【i l 说明了绩效改善的 集中点。在虚拟企业中，雇员被称作“合伙人”、“成 员一，在建立的动态团体协作过程中，团队都有充足 公司 的资源支持在每个小核心的机会。其部门也发生变 化，以虚拟任务团队开发的形式利用各人的能力， 共同协作完成项目，不受传统企业中的框架约束和 限制。传统企业的组织完全打破后，绩效改善的集 中点就在于四圈模型的重叠处( 如图1 1 ) 。 i 2 3 虚拟组织的组织模式 顾客的顾客 顾客 供应商和合伙人 图1 1 虚拟企业四圈模型 f i g 1 1f o u rc i r c l em o d e l o fv i r t u a le n t e r p r i s e 根据我国中小型制造业的特点，在动态联盟中中小型制造企业动态联盟可以 采取中心卫星型模式( 有盟主的虚拟企业) 组织模式、平行模式或民主联盟组织模 式和联邦模式等几种模式川( 如图l 一2 所示) 。其中，有盟主的虚拟企业组织模式比 较适合模具中小型企业现状。 第一章绪论 ( a ) 移酷 ( c ) 图i 一2 三种网络结构( a ) 星型结构( b ) 民主联盟( c ) 联邦结构 f i g 1 - 2t h r e en e ts t r u c t u r e ( a ) s t a r l i k e ( b ) d e m o c r a c ya l l i a n c e ( c ) f e d e r a t i o n 这类虚拟企业一般由一个占主导地位的企业( 盟主) 和一些固定的伙伴( 盟员) 组成。盟主负责制定虚拟企业运行规则，并负责协调盟员之间的关系。这类组织 形式类似零部件转包、委托加工的企业间合作，是较传统的合作方式。从提高现 有资源利用率，统一计划、管理、调度，提高交货速度，减少重复投资考虑以实 力相对较强的企业为盟主企业，对原有的合作企业进行适当的调整和改造，以资 源具有互补性的企业为成员组成动态联盟，构成中心卫星组织结构。 1 2 4 虚拟企业运营存在的难题 在耳前条件下，虚拟企业运营存在以下闯题：缺少一种能够支持成员企业 间高效协调和通信的机制，难以实现订单驱动的虚拟企业组织和结构调整；缺 少一种可靠而有效的制造资源管理机制，难以监控各成员企业制造资源的信息和 状态，无法实现虚拟企业制造资源的高效调度。 针对这两个问题，本文引入网格理论与技术，对模具虚拟企业组织和制造资 源调度进行研究。网格是下一代网络，与目前的网络相比，它具有可扩展性、互 操作性、自适应性和动态性等特点。网格的引入，将把虚拟企业的应用推到一个 全新的境界。 将在第二章对网格与制造网格做详细的介绍。 5 广东工业大学硕士学位论文 1 3 资源调度是虚拟企业运营过程中的关键点 1 3 1 虚拟企业资源调度概述 虚拟组织运营过程中的一个关键环节，就是管理分布在各组织成员中的资源， 并根据虚拟组织的目标和任务来合理地调度这些资源。资源调度的好坏将在很大 程度上决定虚拟企业，尤其是制造型虚拟企业的运营效率【l o 1 2 】。 虚拟企业制造资源调度流程分为分布式调度和本地调度两个阶段。分布式调 度是将制造总任务分解为多个制造任务，根据每个制造任务在外网格中选择最适 合承担该任务的成员企业节点，并将制造任务分配给该成员企业节点：本地调度 是将分布式调度分配的制造任务分解成多个制造子任务，在网格中选择最适合承 担该制造子任务的制造资源节点，并将制造子任务分配给该制造资源节点。 l - 3 2 制造资源调度方法 针对网络化环境下制造资源的动态优化配置与共享问题，国内外开展了以。利 用外部资源而不必拥有为特征”的虚拟企业、网络化制造、基于a s p 的制造资源 共享、e 一制造系统、制造网格等先进制造模式的理论和应用研究。为了解决各先 进制造模式中的制造资源调度问题，相应的制造资源调度模型相继被提出，同时 给出了很多解决资源调度问题的算法。 西北工业大学的马雪芬m 】等建立了网络化制造环境下资源优化调度模型，以 总的运行成本、运行时间和加工质量为优化目标，给出了基于遗传算法的资源调 度方法，并对算法作了相应的改进。西安交通大学的张映峰j 等设计了e 一制造 调度系统的求解机制和数学模型，并开发了基于遗传算法的e 一制造单元调度系 统，实现了资源调度求解过程。北京理工大学的王大震j 等为解决网络环境下的 资源优化调度问题，在综合考虑成本价格和作业执行时间的基础上，提出了经济 模型下基于时间预算和作业价格预算的成本和时间综合最优调度策略。四川大学 的廖敏等对p e t r i 网进行了扩展，建立了基于p e t r i 网的工作流模型，并利用扩展 p e t r i 网来实现资源配置【l 1 上海大学的刘丽兰 t t , l s 等提出了基于层次分析法的制 6 第章绪论 造网格资源调度方法，通过建立基于t q c s 的多目标、多层次模型来选择满足 用户需求的制造资源。 如何基于制造任务协调和共享制造两格环境下的资源服务，是促进制造网格 技术趋于应用必须面对的问题，也是目前研究制造网格中资源调度和优化配置的 难点。从前面的描述可知，基于遗传算法的资源调度模型在很多的先进制造模式 下都得到了充分的研究和证明，能够很好地解决网络环境下的资源调度问题，然 而在解决制造网格系统资源调度问题上，还只有基于层次分析法的资源调度模型。 虽然层次分析法在解决目标决策问题上存在很大优势，但是由于层次分析法自身 的缺陷导致决策结果与实际情况相差较远，单纯使用该方法不能很好地解决制造 两格中的资源调度问题。因此，如何将先进的资源调度算法与制造网格环境相结 合，建立制造网格任务管理系统将是亟待解决的问题。 1 4 课题来源与主要研究内容 本论文来源于国家自然科学基金。面向定制服务的资源网格化封装及柔性工 作流程的配置的机理研究”( 5 0 4 7 5 0 4 7 ) 。该项目以模具制造行业为背景，旨在从 微观和宏观两方面来探讨网格构架内网格服务的构成要素和本质特征、及构筑其 上的上层建筑即虚拟组织之间的必然联系和内在规律。具体地，本项目将研究制 造网格的结构体系、如何实现资源的标准化规范化封装，服务内容的抽象定义及 描述方法，标准接口及实现机制、虚拟组织的构建及运行机制等，为最终解决制 造资源最佳配置及与业务流程控制等相关问题奠定理论基础，为提高制造企业竞 争力提供先进的切实可行的实现途径。作为该项目的一个重要组成部分，制造任 务管理系统主要研究在制造网格环境下制造任务从任务提交到任务完成的全生命 周期管理的过程，并结合制造网格特点详细研究其中的制造资源调度算法，从而 实现制造资源的优化调度和有效管理。本文详细研究了网格环境下基于网格服务 的模具虚拟企业制造系统。主要研究内容包括： 1 阐述了网格的基本概念及网格技术的相关理论知识，指出网格技术的目标是实 现网络虚拟环境下的高性能资源共享和协同工作，消除信息孤岛与资源孤岛， 并介绍了网格计算、网格技术在制造领域的应用。 2 在制造网格的基础上，创建了面向应用的模具虚拟企业架构，并基于该架构建 7 广东工业大学硕士学位论文 立了虚拟企业的整体框架，研究在该框架下虚拟企业的组织问题，资源调度问 题； 3 虚拟企业的制造资源调度分为分布式调度和本地调度两个阶段，重点研究了基 于a h p 算法的分布式资源调度，结合一个具体的实例，给出了调度算法的整个 过程。 1 5 论文章节安排 第一章：绪论，介绍论文研究的背景、相关领域、课题来源，总结了本论文的主 要研究内容和研究意义。 第二章；技术基础，论述论文研究工作理论基础和实现技术。理论基础包括网格 服务、网格体系结构和制造网格；实现技术包括g l o b u s 项目和g t 4 开 发工具包。 第三章：对模具虚拟企业作需求分析，指出模具企业实施虚拟企业的必要性，给 出了引入网格技术的原因。在制造的网格的基础上给出了模具虚拟企业 的面向应用的架构，讨论了虚拟企业的组织及资源调度。 第四章：模具虚拟企业资源调度，虚拟企业的制造资源调度分为分布式调度和本 地调度两个阶段，重点研究了基于a i - i p 算法的分布式资源调度，结合一 个具体的实例，给出了调度算法的整个过程。 第五章：总结论文研究工作，并对今后的研究内容提出了作者的思路和意见。 0 第二章网格技术与虚拟企业 第二章网格技术 网格实际上是继传统互联网、w e b 之后的第三个大浪潮，可以称之为第三代 互联网应用。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 网格则试图实现互联网上所有资源的全面连通。为了适应网络化的环境，企业的 技术构成、资源形态、组织结构和运作模式等必然要迸行一系列重要调整，如强 调特色、核心技术以及协作等i l ，】。 2 1 网格的概念 网格概念【2 0 川是借鉴电力网提出来的，网格的最终目标是希望用户在使用网 格时，就如同现在使用电力一样方便。网格( g r i d ) 技术是近年来国际上兴起的一 种重要信息技术，它的目标是实现网络虚拟环境上的高性能资源共享和协同工作， 消除信息孤岛和资源孤岛全球网格研究的领军人物、美国a r g o n n e 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 mj 曾在1 9 9 8 年出版的网格： 2 l 世纪信息技术基础设施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。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、存储等其它资源。”在2 0 0 0 年，i a nf o s t e r 又进一步把 网格描述为。在动态变化的多个虚拟机构间共享资源和协同解决问题” 总之，网格的目的就是要利用互联网，把分散在不同地理位置的各种资源 组织成一台“虚拟组织”，实现计算资源、存储资源、信息资源、软件资源、知 识资源、设备资源等的全面共享。传统的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，w e b 服务实现了程序和程序之间的共享，而网格则试图实现 互联网上所有资源的全面连通。 9 广东工业大学硕士学位论文 2 1 1 网格的本质和特点 作为新一代网络计算与应用技术，网格的本质不是它的规模，而是充分利用 互连网络中的软硬件资源，支持广域环境上的计算、数据、存储、信息和知识资 源的共享、互通与互用，消除资源孤岛，以较低的成本获得高性能。 网格的目标是将地理上分布的、系统上异构的多种计算资源通过高速网络连 接起来，协同解决大型应用问题，进行广域信息资源的分布共享，最终把整个因 特网整合成一台超级虚拟计算机。 2 1 2 网格的基本要求 网格提供的计算能力需要满足以下四个基本要求：可靠性要求、标准化要求、 易访问性要求和价格低廉要求【2 3 】。 ( 1 ) 可靠性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 格内部局部资源的变化对网格应用应该是透明的。就如我们日常使用电灯时不应 该因为个别发电厂临时出现故障而造成整个电网电力供应的中断一样，电力网应 该能够保证实时地从别的发电厂引入电力来弥补本地电力的不足，网格也应该能 够保证提供持续、稳定的计算能力网格还应该满足各种形式的安全要求，比如 数据传输的加密、权限的认证、避免非法入侵和非法使用等，如果没有安全性保 障，这种先进的计算服务就不能得到广泛应用。 ( 2 ) 标准化要求网格的标准化一方面是指网格资源之间应该有一个统一的 接口或者协议标准，因为只有这样才能实现网格资源的相互操作，从而实现充分 的资源共享( 标准化是共享的前提) ；另一方面是指网格对用户提供的计算能力应该 满足一定的标准，有一个统一的形式，从而便于用户以一种统一的方式进行访问。 对于访问者来说，不能因为时间、地点、具体访问系统等的不同而要求他不断改 变访问形式，访问形式应该有一致性，当然一致性的前提是网格必须提供给用户 一个稳定的标准化接口。 ( 3 ) 易访问性要求网格的易访问性是指用户可以在任何时间( a n y t i m e ) 、任何 地点( a n y w h e r e ) ，以自己熟悉的统一形式访问和使用网格资源。网格计算能力可以 第二章网格技术与虚拟企业 通过网格系统输送到任何角落，随处可得。换句话来说，对用户而言在网格上没 有资源处在什么位置的概念，而只有。在网格上”和。不在网格上”两种情况， 无论你在任何地方，网格资源就像在你身边。人们以前在解决问题的时候不得不 到特定的地点来处理，比如到某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的所在位置不同而受到地理限制。 ( 4 ) 费用低廉性要求网格费用的低廉性是网格能够被普遍接受和推广的前 提。不管网格有多少优点，如果大多数的使用者无法承担其费用，网格就不可能 被普及，它的各种优势也根本无法得到体现。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，而且可以避免以前由于地理位置限制所带来的额外开销，显然网格对使 用者存在很大的降低费用的潜力。 ， 以上四项要求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旌，需要各方面联合起来，共同协作才可以很好实 现。 2 2g l o b u st o o l k i t4 0 网格平台软件 g l o b u s 是一个多研究机构联合开发的项目l ，它力图实现计算网格结构， 来提供对高性能远程计算资源普遍的、可靠的、一致性的访问 2 5 - 2 7 。目前的g l o b u s 可以认为是计算网格技术的典型代表和事实上的规范，在2 0 0 5 年4 月3 0 日， g l o b u sa l l i a n c e 正式向开发社区发布了最新的g l o b u st o o l k i t4 0 版本。它是程序 员相信代码质量已经足以满足企业需求的第一个版本，与g t 以前的版本相比， g t 4 包括很多w e b 服务和标准。网格先驱i a nf o s t e r 在一次访谈中谈到：。g t 4 是g l o b u s 进化的一个延续，其重要之处在于，这是我们第一次觉得可以告诉其他 组织一代码质量足以满足企业需求了。” 2 2 1g t 4 软件体系结构 g l o b u st o o l k i t 4 0 对一组w e b 服务进行打包，这些服务提供了一个面向服务 的基础设施。g t 4 最重大的改进在于w s r f 和w e bs e r v i c e sn o t i f i c a t i o n ( w s n ) 广东工业大学硕士学位论文 这两个新标准的实现，从而在建立对有状态资源进行访问的w e b 服务时，不再需 要像o g s i 那样对w e b 服务进行扩展，而是以通用的标准来实现，更有利于网格 应用的发布与使用。所有知名的g t 3 协议( 资源管理使用的w s g r a m ，数据管 理使用的r f t 以及信息服务使用的m d s ) 都被重新设计为可以使用w s r f 的， 安全协议g s i 现在也被称为w sa u t h e n t i c a t i o n 。所有的g t 4ws 组件都使用与 w s i n t e r o p e r a b i l i t y 协议兼容的传输和安全机制，不仅相互间可以进行协作，还可 以与其他的w e b 服务交互。此外，所有的g t 4 组件( 包括w s 和l i o n w s ) 都支 持x 5 0 9 端点实体证书和代理证书，因此，客户端可以使用相同的信任状与g t 4 w s 组件或者n o n w s 组件进行身份验证。 g t 4 的体系结构如图2 1 所示，它由它由许多不同的组件组成，这些组件基 于功能来分类可以分为5 个不同的方面：安全，数据管理，执行管理，信息服务和 公共运行时环境( 原来成为资源管理的组件现在称为执行管理) 。从图中可以看到， g t 4 致力于把服务构建在w e b 服务之上，但也有一些服务不是基于w e b 服务的， 比如g r i d f t p , r l s ，x i o 等。 第二章两格技术与虚拟企业 图2 1g t 4 的体系结构 f i g 2 - 1g t 4 a r c h i t e c t u r e 2 2 2g t 4 容器 g t 4 除了提供很多网格实用服务外，还允许网格用户自定义网格服务，这些 服务很多都是基于w s 或者w s r f 的，这就需要一个统一管理和执行这些服务的 运行环境。g l o b u st o o l k i t 提供容器来实现对w s 或者w s r f 服务的管理，g t 4 容器具有以下四大功能l ： 1 基于h t t p 的s o a p 消息传输协议，在传输层和消息层提供安全通讯安全 机制； 2 实现了w s a d d r e s s i n g ，w s r f ，ws - n o t i f i c a t i o n 规范； 3 支持l 0 9 4 j ，提供完善的日志管理； 4 部署基于w s 或者w s r f 的服务组件，并提供访问这些服务信息的接口； 广东工业大学硕士学位论文 g t 4 容器的组成如图2 2 所示，它在最低层支持w s d l ，so a p 。ws - s e c u r k y 这三个协议来实现普通的w e b 服务：在低层w s 协议的支持下，实现 w s a d d r e s s i n g ，w s r f ，w s n o t i f i c a t i o n 等规范来实现基于w s r f 的w e b 服务， 从而提供网格应用需要的有状态服务；j a v a 容器还内建了基于w s r f 的g r a m ， m d s ，r f t 等网格基础服务；此外，容器提供了基本的服务注册管理服务用以查 询和引用部署在容器内的各种服务，客户端程序通过标准的w s 和w s r f 接口就 可以使用容器提供的服务。 图2 - 2g t 4 容器组成结构图 f i g 2 - 2g t 4c o n t a i n e ra r c h i t e c t u r e 为了实现对多平台和多语言的支持，g t 4 提供了分别支持j a v a ，c ，p y p h o n 语言的容器。其中j a v a 容器提供的功能最全面，它采用a p a c h ea x i s 作为s o a p 引擎，支持使用j a v a 语言编写的w e b 服务；使用a p a c h e 相关组件实现 w s a d d r e s s i n g 与w s s e c u r i t y 规范；支持g t 4j a v aw sc o r e ，从而实现w s r f 和w s n o t i f i c a t i o n 规范；可部署使用j a v a 实现的g t 4 服务：g r a m ，r f t ， m d s i n d e x ，m d s t r i g g e r 和m d s a r c h i v e 等。c 容器支持使用c 语言编写的w e b 服务和g t 4cw sc o r e ，提供对w s r f 和w s n o t i f i c a t i o n 规范的支持。p y p h o n 容器支持使用p y p h o n 语言编写的w e b 服务和g t 4p y p h o nw s c o r e 。 2 2 3g t 4 的高层服务 g l o b u s 通过对信息安全、资源管理、信息服务、数据管理以及应用开发环等 网格计算的关键理论和技术进行了广泛研究，开发出能在多种平台上运行的网格 计算工具包软件( g l o b u st o o l k i t ) 。g l o b u s 工具包是g l o b u s 项目的最重要的实践 1 4 第二章两格技术与虚拟企业 成果，g t 4 基于o g s a ，并且结合w e bs e r v i c e 技术，在原来的技术基础上取得 很大的进步。 为了有效地支持网格计算环境，g l o b u s 工具包针对g l o b u s 项目中提出的各种 协议，提供一系列的服务( s e r v i c e ) 、软件库、编程接口a p i 和使用实例。从整体 上讲，g l o b u s 工具包的实现主要有以下几个方面的内容p o ，j j ； 1 公共运行时( c o m m o nr u n t i m e ) 公共运行时( c o m m o n r u n t i m e ) 组件是g t 4 的基础，它提供了一组程序库和工 具来支持w e b 服务和非w e b 服务的创建和部署，支持最新的w s r f 和 w s - n o t i f i c a t i o n 规范，从而提供有状态的w 曲服务。它主要包括e x t e n s i b l e i o ( x i o ) ，cc o m m o nl i b r a r i e s ，j a v aw sc o r e ，cw sc o r e ，p y p h o nw sc o r e 等 e x t e n s i b l e i o ( x l o ) 是一个用c 语言写的i o 库，它提供单一的接口( o p e n ，c l o s e ， r e a d ，w r i t e ) 支持多种连线协议，每种协议都被封装成一个d r i v e r ，以屏蔽其低层实 现。在g t 4 中，x l od r i v e r 支持t c p , f i l e ，h t t p , g s lg s s a p if t p , t e l n e t 和队 列。 cc o m m o n l i b r a r i e s 为数据类型、l i b c 统调用、数据结构提供了一个抽象层， 它不仅应用在g t 4 本身，对基于g t 4 的应用程序开发也是很有用的。 j a v a w sc o r e 是对w s i l f 和w s - n o t i f i c a t i o n 规范标准的一个实现，它提供了 a p i 函数和工具来构建有状态的w 曲服务。 2 安全( s e c u r i t y ) 网格安全基础设施( g s i ) 采用公钥密码体系作为网格安全体系的基础，它在消 息层和传输层上都提供可靠的安全服务。通过支持w s s e c u r i t y 标准和w ss e c u r e c o n v e r s a t i o n 规范实现对s o a p 消息的保护，通过支持t l s 规范实现在传输层基 于x 5 0 9 代理证书的安全通讯。安全组件主要包括：证书管理，p r e w s 验证授权， w s 验证授权，证书委托，社区授权服务等。 3 数据管理( d a t am a n a g e m e n o 在网格环境下的数据管理很复杂也很重要，g t 提供了许多组件实现数据移 动和副本管理。g r i d f t p 工具和r f t ( r e l i a b l ef i l et r a n s f e r ) 提供数据移动服务， r l s ( r e p l i c al o c g i o ns e r v i c e ) 提供数据副本管理服务。 g r i d f t p 是一个高性能、安全、可靠的数据传输协议，适合在高带宽、广域 的网络上使用。它基于使用广泛的f t p 协议，并在它的基础上加入了很多新的特 广东工业大学硕士学位论文 性以满足当前数据网格的需求。在g t 4 中，r f t 使用w e b 服务通过g r i d f t p 来 提交和管理第三方数据传输以及删除文件和目录。 r l s 实现对副本的登记和查询，它负责维持和访问数据项的逻辑名称到实际 名称的映射，这些实际名称代表的是数据项的物理位置或者是r l s 定向到另外一 个层次的数据项逻辑名。 4 执行管理( e x e c u t i o nm a n a g e m e n t ) g t 4 的执行管理在原来的g t 版本称为资源管理。它提供了在网格计算资源 上进行作业提交、监控、取消的基于w e b 服务或者非w e b 服务的u n i x 系统套件， 它们都成为g r a m ，而w sg r a m 则指的是仅仅通过w e b 服务实现的。作业( j o b ) 指的是一些进行输入输出操作的计算任务，从而影响计算资源及其文件