（计算机应用技术专业论文）基于globus的网格技术研究.pdf

摘要 摘要 网格是继互联网和万维网之后网络发展的第三次技术浪潮。网格是一种 新兴的计算基础设施，它希望把整个因特网整合成一台巨大的超级计算机， 实现i t 资源的全面共享和协作。 网格体系结构是关于如何建造网格的技术和规范的定义，是网格的骨架 和灵魂。网格的体系结构经历了从五层沙漏模型到开放网格服务体系结构 0 g s a 的发展。五层沙漏模型以协议为中心，将网格协议分为五层，中间的 资源层和连接层所用的协议少，构成了沙漏的颈部，其下是构造层，其上是 汇聚层和应用层。o g s a 以服务为中心，用服务将各种资源封装起来，网格 中的一切都是服务。开放网格服务基础设施o g s i 扩展了w e b 服务，是 o g s a 的底层规范。w e b 服务资源框架w s r f 是w e b 服务和网格计算技术 融合的产物，是对o g s i 的重构和演进。 g l o b u s 是最著名的网格项目之一，其最重要的成果是g l o b u st o o l k i t ， 是对o g s i 的实现。g l o b u s 对网格的研究涉及网格的信息服务、资源管理、 数据管理、网格安全以及应用开发环境等各个方面。信息服务为用户提供所 需要的网格信息，在3 o 以前称为元计算目录服务，之后称为监视与发现服 务。资源管理模块包含协同分配器d u r o c 和g l o b u s 资源分配管理器 g r a m 两部分，负责网格资源的分配和管理。数据管理负责网格环境中数 据的定位，传输和远程访问。网格安全基础设施g s i 提供了在网格环境下 的方便，安全的访问网格资源的功能。 基于g l o b u s 平台，开发一个网格试验床g f t p ，实现在教育网内方便 和快捷地查找和传输文件的功能。g f t p 系统中的文件服务器可以方便地加 入和退出系统各服务器可以相互协作，通过将下载频率高的文件复制到较 为空闲的服务器中，实现各服务器的负载均衡。用户通过一个简单的客户端 程序来查询和下载文件。通过使用g r i d f t p 来传输文件，可以获得比以前 的f t p 传输更快的传输速度和更可靠的服务质量。 关键词网格g l o b u so g s ag f t p ：一：一 一：一= = ：塑些奎兰：三鲨妻鎏篁量一：= = ：一：= ： a b s t r a c t g r i dc o m p u t i n gi st h et h i r dt e c h n o l o g yw a v ea f t e ri n t e r n e ta n dw e b g r i di s an e wc o m p u t i n gi n f r a s t r u c t u r e ，w h i c hi n t e g r a t et h ew h o l ei n t e r n e ti n t oas u p e r c o m p u t e r ，o b t a i n i n gt h et h o r o u g hs h a r ea n dc o l l a b o r a t i o no f i tr e s o u r c e g r i da r c h i t e c t u r ei st h ef r a m e w o r ka n ds o u lo fg r i d ，t h et e c h n i q u e ， s p e c i f i c a t i o na n dd e f i n i t i o na b o u th o wt oc o n s t r u c tg r i d ，g r i da r c h i t e c t u r eh a s e v o l v e df r o mf i v el a y e r ss a n d g l a s sa r c h i t e c t u r et oo p e ng r i ds e r v i c e a r c h i t e c t u r ec e n t e r i n go np r o t o c o l ，t h e r ea r ef i v el a y e r so fp r o t o c o li nf i v e l a y e r ss a n d g l a s sa r c h i t e c t u r e w i t hl i t t l e k e r n e l p r o t o c o l ，t h em i d d l el a y e r s ， r e s o u r c el a y e ra n d c o n n e c t i v i t yl a y e r , c o m p o s et h eb o t t l e n e c ko ft h es a n d g l a s s t h eb o t t o ml a y e ri sf a b r i cl a y e ra n dt h et o pl a y e r sa r ec o l l e c t i v el a y e ra n d a p p l i c a t i o nl a y e r o g s ac e n t e r s o ns e r v i c e ，w h i c he n c a p s u l a t ea l lk i n d o f r e s o u r c e e v e r y t h i n gi ng r i di ss e r v i c e e x p a n d i n gf r o mw e bs e r v i c e o p e ng r i d s e r v i c ei n f r a s t r u c t u r e ( o g s i ) i st h er o c k - b o t t o ms p e c i f i c a t i o n w e bs e r v i c e r e s o u r c ef r a m e w o r k ( w s r f ) ，m e r g e df r o mw e bs e r v i c ea n dg r i dc o m p u t i n g t e c h n o l o g y ，i st h er e f a c t o r i n ga n de v o l u t i o no fo g s i g l o b u si so n eo ft h em o s tf a m o u sg r i dp r o j e c t ，a n dg l o b u st o o l k i ti st h e m o s ti m p o r t a n tp r o d u c t i o no ft h i sp r o j e c t g l o b u st o o l k i ti st h er e a l i z a t i o no f o g s i g l o b u sp r o j e c ti n v o l v em a n ya s p e c t si ng r i da r e a ，i n c l u d ei n f o r m a t i o n s e r v i c e ，r e s o u r c em a n a g e m e n t ，d a t am a n a g e m e n t ，g r i ds e c u r i t ya n da p p l i c a t i o n d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t i n f o r m a t i o ns e r v i c ep r o v i d et h er e q u i r e dg r i d i n f o r m a t i o nt ou s e r r e s o u r c em a n a g e m e n tm o d u l e ，c o m p o s e db yd u r o ca n d g r a m ，i sr e s p o n s i b l ef o rt h eg r i dr e s o u r c e sa l l o c a t i o na n dm a n a g e m e n t d a t a m a n a g e m e n ti sr e s p o n s i b l ef o rt h e d a t al o c a t i o n ，t r a n s f e ra n da c c e s s g r i d s e c u r i t yi n f r a s t r u c t u r em a k et h ea c c e s so fg r i dr e s o u r c ec o n v e n i e n ta n ds a f e u n d e rg r i de n v i r o n m e n t ， g f t p , w h i c hi sas y s t e mf o rf i l es e a r c ha n dt r a n s f e ri ne d u c a t i o nn e t w o r k ， h a sd e v e l o p e db a s e do ng l o b u s f i l es e r v e r sc a nj o i ni na n de x i tf r o mt h es y s t e m c o n v e n i e n t l y t h el o a dc a nb eb a l a n c e da m o n gs e r v e r sb ym o v i n gt h eh i g h - f r e q u e n c yd o w n l o a df i l e t ot h e l i g h t l o a d e ds e r v e r s u s e r c a ns e a r c ha n d d o w n l o a df i l e sw i t has i m p l ec l i e n tp r o g r a m t r a n s f e r r i n gf i l e sb yg r i d f t p , t h e t r a n s f e rs p e e dw i l lb ef a s ta n dt h es e r v i c eq u a l i t yw i l lb em o r er e l i a b l e k e yw o r d sg r i dg l o b u s0 g s ag f t p 独创性( 或创新性) 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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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了谢意。 申请学位沦 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期：坐塑：丛 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公摊学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期：止：! ：! 亟 日期：乒划弓b l 绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 因特网把台台计算机连了起来，使得世界各地的计算机用户可以使用 电子邮件，f t p 等方式进行通信。万维网把一个个网页连了起来，使用户可 以通过一个个的超链接浏览到世界各地的网页。但是过去的网络并没有把应 用连起来，比如数据格式不同就不能互连互通，这就形成了一个个信息孤岛 和知识孤岛。同时，随着i n t e r n e t 的迅猛发展，i n t e r n e t 上的信息呈爆炸性 增长，对用户来说，要在i n t e r n e t 上搜索信息变得越来越困难。 在企业界，为了提高产品和服务的市场竞争力，企业往往希望能将自己 的产品和服务尽快的推入市场和加快资金流通，这就要求企业与各种伙伴、 供应商、已及企业内部的各个部门进行协作。但在i t 方面，协作的企业之 间经常有各自不同的应用程序集，不同的和异构的硬件平台和操作系统环 境，这些程序使用了不同的编程模型和语言，即使在同一个企业内部，各不 同的部门也存在着异构的硬件和软件资源，这就给这种协作带来了更多的困 难。而且，为了提高资源的可靠性、容错性和可用性，这些系统通常按照峰 值时的需求进行设计的，在大多数时间内的利用率很低。据报道，目前计算 机资源的利用率只有1 0 ，有的甚至低于5 。即便如此，运行在这些资源 上的计算密集型和数据密集型应用所需要的时间和准确性也受到了限制。 在科学和工程领域，某些问题的解决对计算能力的要求也越来越高，有 的甚至使用现有的超级计算机都无法完成。比如在天文学研究中天文望远 镜每年所产生的数据不少于1 0 p b 。假设计算机处理l m b 的数据需要ls ， 则处理1 0 p b 的数据需要大约3 0 0 年的时间，显然是不能满足要求的【l l 。在 高能物理、天文学、医学、基因研究等领域，都需要有超大规模的计算和数 据分析能力。 网格就是为了解决以上问题而出现的。网格是继因特网( i n t e r n e t ) 、万维 网( w e b ) 之后，互联网发展的第三个里程碑。 1 2 网格概述 网格( g r i d ) 一词来自于电力网( e l e c t r i cp o w e rg r i d ) ，网格的最终目 的是希望用户在使用网格计算能力时，就如同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发电站输送出来的，也不需要知道该电 力是通过什么样的发电机产生的，不管是水力发电，还是通过核反应发电， 我们使用的是一种统一形式的“电能”。同样，我们也不需要考虑我们使用 电力做什么，不管是照明，取暖，还是给电动机或仪器供电，我们都只需将 插头插入带电的插座即可。网格希望把整个互联网虚拟为一台超级计算机， 给最终的使用者提供一种与地理位置无关、与具体的计算设施无关的通用计 算能力。 网格是构筑在互联网上的一组新兴技术，它将高速互联网、计算机、 大型数据库、传感器、远程设备等融为一体，为科技人员和普通用户提供更 多的资源、功能和服务。有人把网格看成是未来的互联网，国外媒体常用 “下一代i n t e r n e t ”、“国际互联网2 ”等词汇来描述网格相关技术。 网格把用通信手段连接起来的资源无缝集成为一个有机的整体。它给 用户提供一种基于i n t e r n e t 的新型计算平台，在这个平台上对来自客户的请 求和所提供资源的能力之间进行合理的匹配，为用户的请求选择合适的资源 服务，可实现广域范围的资源共享。网格把分布的资源集成为一台能力巨大 的超级计算机，提供计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资 源、专家资源、设备资源的全面共享。资源共享是网格的根本特征，消除资 源孤岛是网格的奋斗目标。 网格的发展经历了三个阶段【2j ：第一阶段是网格的萌芽阶段，开始于 2 0 世纪9 0 年代早期，研究内容是关于于兆网试验床以及一些元计算方厦的 工作：第二阶段是一些早期的试验，时间大概从2 0 世纪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，比如i - w a y ， g l o b u s ，l e g i o n 等：目前是网格计算发展的第三阶段，也是迅速发展的阶 段，关于网格的研究，开发和应用项目大量涌现，出现了影响很大的全球网 格论坛，同时网格计算也不再仅仅局限于科学研究，工业界与学术界开展了 广泛联盟，正致力于使网格计算在更广泛的领域得到推广和应用。 以技术作为划分标准，d a v i d 等人把网格划分为三代，如图l l 所示。 绪论 f a f n e rg l o b u sw e bs e r v i c e i - w a y l e g i o n o g s a 1 9 9 52 0 0 0年年 “ 第一代第二代第三代 图l 一1 网格技术的发展阶段 第一代网格大致是1 9 9 5 年以前的网格，典型代表是f a f n e r 和i w a y 这两个项目。这个时期的网格都是把超级计算机节点连接起来，为高 性能应用提供计算资源，元计算的概念就是这个时期提出来的。主要解决的 问题是通信、资源管理和远程数据管理。f a f n e r 发展之后出现了 s e t i h o m e 和d i s t r i b u t e d n e t 的项目，i - w a y 发展之后出现了g l o b u s 和 l e g i o n 等项目。 第二代网格的大致时间是从1 9 9 5 年到2 0 0 0 年，典型代表是g l o b u s 和 l e g i o n 项目，尤其是g l o b u s 工具集的开发和应用，对网格的研究和发展起 了显著的推动作用。这个时期的网格要解决的问题涉及网格的异构性、可扩 展性、适应性等，网格安全也被提到了很高的高度。这个时期的主要工作是 支持大规模数据和计算的中间件的开发，人们逐渐认识了计算网格，建立了 面向协议和模块的网格体系结构。 第三代网格的典型代表是w e b 服务( w e bs e r v i c e ) 和开放网格服务体 系结构( o g s a ) 。w e b 服务是面向商业领域的计算框架，其中的基本技术 包括简单对象访问协议( s o a p ，s i m p l eo b j e c ta c c e s sp r o t o c a i ) 、w e b 服务 描述语言( w s d l ，w e bs e r v i c ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 和统一描述、发现 与集成( u d d i ，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 ) 。这个阶 段网格的主要特点是面向服务的网格结构。2 0 0 2 年2 月发布的开放网格服 务体系结构( o g s a ，o p e ng r i ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e ) 把w e b 服务和网格计 算结合起来，建立了以服务为核心的网格体系结构。 1 3 国外研究现状 目前，网格的研究已经从美国和欧洲推广到了世界各个大洲，各个国家 北京邮电大学工学硕士学位论文 和地区都投入了大量的资金进行网格技术研究和网格基础设施建设。英国政 府己投资超过l 亿英镑，建设英国国家网格；美国政府用于网格技术基础研 究经费已超过5 亿美元；欧盟也投入巨资建设欧洲数据网格和欧洲网格；亚 洲的中国、日本、泰国、韩国、马来西亚等国也开始了网格研发和建设工 作。美国军方目前正在实施“全球信息网格”计划，预计在2 0 2 0 年完成。 作为这个计划的一部分，美国海军陆战部队已经启动了一个将耗资1 6 0 亿美 元、历时8 年的项目，包括系统的研制、建设、维护和升级等多方面的工 作。 网格研究始于美国，美国是目前网格研究走在世界最前列的国家。美 国的研究最初是从科研机构开始的，美国的多家研究机构开展了与网格相关 的研究工作，开发了c o n d o r ，l e g i o n ，g l o b u s 等比较有影响的软件和工 具。 g l o b u s 3 j 工具软件已经在世界范围内得到了一定程度的使用。他对全 球的网格研究开发工作起到了巨大的推动作用，成了网格领域受世人关注的 焦点。该项目要开发一个面向科学计算的基本软件基础设施，利用该设施， 把地理位置上分布的计算资源和信息资源集成起来。该项目研究网格计算的 关键理论，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 大型的网格实验平台。关键理论包括资源管理、网格安全、信息服务、数据 管理等。工具软件是g l o b u s 最重要的成果，他的目标是能够在各种平台上 运行。2 0 0 3 年中发布了第三版，2 0 0 4 年初发布了3 2 版，预计2 0 0 5 年春将 发布4 0 版本。 l e g i o n 4 1 是弗吉尼亚大学的一个基于对象的元系统软件项目，始于 1 9 9 3 年。它的目标是为用户提供单一、一致的虚拟机器模型。l e g i o n 是一 个基于计算的元系统，支持透明调度、数据管理、容错、站点自治和多种安 全机制。在l e g i o n 内，所有的实体都是对象，包括硬件实体和软件实体。 每一个对象由它的类对象定义和管理，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。 c o n d o r 5 1 是威斯康星一麦迪逊大学的研究项目，它是一个专用的计算 密集型负载管理系统，提供队列机制、调度策略、优先级方案、资源监控、 资源管理等功能。用户向c o n d o r 提交自己的作业后，c o n d o r 把作业放在队 列中，并根据定的策略，选择合适的时间在合适的节点上运行用户提交的 作业。作业运行过程中，它监控作业的运行过程：作业运行结束时，通知提 交作业的用户。用户提交的作业可以是串行作业，也可以是并行作业。 4 绪论 此外，在美国，比较著名的网格项目还有应用层调度( a p p l e s ) 、 d o c t 、p u n c h 、e n t r o p i ap c 等。 美国已经有不少的商业公司加入到网格研究的行列，多家大公司都纷纷 宣布各自的网格战略计划。i b m 和g l o b u s 提出的开放网格服务体系结构正 在赢得大家的认可，对未来的网格研究将产生重大的影响。微软目前正在开 发一个名为“b i g t o p ”的网格计划1 6 】，以使开发人员能够相对快捷的创建一 套松耦合分布式操作系统组件。微软在这一项目中没有把少数几台高性能系 统紧密连接在一起。而是通过松散连接大量性能适中的计算机系统来达到同 样的效果。o r a c l e 将网格技术融入到了其最新版本的数据库中，并将其数据 库命名为o r a c l e1 0 g ，其中的g 就是代表支持网格的意思。 欧洲也是网格研究和建设非常活跃的地区，已经启动了多个网格研究 项目，其中的欧洲网格和数据网格是由多个国家参与的研究项目。 欧洲网格的基本目标是建立一个给用户提供安全、简单、透明访问欧 洲范围内信息资源的平台，为欧洲的科学研究服务。欧洲数据网格 ( e u r o p e a nd a t ag r i d ) 是欧盟支持的一个项目，目标是建设提供计算强度 大、共享超过1 0 1 4 b 数据的大规模分布式数据库的下一代计算基础设施。 u n i c o r e 是德国联邦教育和研究部资助的一个项目，它的目的是提供一套 软件，允许用户给远程高性能计算机提交自己的作业，而不需要知道远程机 器的操作系统、数据存储格式、管理策略和过程。 除此之外，欧洲比较有名的网格项目还有荷兰网格，爱尔兰网格，欧 洲网格计算数据库。俄罗斯科学网格，n o r d u 网格等。 在亚洲，网格的研究和应用也已在许多国家和地区轰轰烈烈地开展起 来。 日本是亚洲开展网格研究比较早的国家之一，已经进行了多个项目的 研发。n i n f 是日本正在实施的全球计算基础设施项目。它允许用户访问包 括硬件、软件和数据在内，分布在广域网上的资源。b r i c h s 是日本的另一个 研究项目，它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。它能够模拟不同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。 此外，韩国、泰国、印度的国家也积极开展了多项网格研究工作。 1 4 国内研究现状 近年来，网格研究在我国也得到了迅速发展，在网格研究上的投入也连 年增长。国家在九五期1 司就资助了“8 6 3 ”重点项目“国家高性能计算环 境” ”。该项目由中科院计算所联合了十几家科研单位共同参与，其目标是 建立一个分布式环境下支持异构平台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 e 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计算型的网格应用系统，取得了一系列 研究成果。十五期间，国家设立了“8 6 3 ”重大专项“高性能计算及其核心 软件”，计划在2 0 0 2 年到2 0 0 5 年期间投资“8 6 3 ”计划经费l 亿元。并吸引地 方政府、应用部门和产业界2 3 倍的配套资金。目前，正在进行的比较大的 网格项目有五个p j 。 中国国家网格【9 1 专项由国家8 6 3 高技术研究发展计划资助，旨在建立面 向企业、高等院校、科研机构、政府部门的国家高性能计算环境。主节点采 用自行研制的、面向网格的高性能计算机。若干工业、服务业、科学研究以 及资源环境领域的网格应用投入运行，实现资源共享、协同工作。专项的主 要任务包括：建设中国国家网格实验床( c n g r i d ) ：建立具有4 万亿次以上计 算能力的网格主节点；支持网格应用以及维护网格系统运行的网格软件；开 发具有代表性的网格生产性应用。 中国教育科研网格c h i n a g r i d 0 j 计划是教育部“十五”2 1 1 工程公共服 务体系建设的重大专项，受国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目支 持。它是迄今为止由政府推出的最宏大的网格工程，该项目由1 2 所大学联 合推出，到网格建成时，它将在教育科研网上把全国1 0 0 所2 1 l 建设重点大 学的资源广泛共享。中国教育科研网格的目标是将广泛分布在中国教育科研 网c e r n e t 和高校中的异构海量资源集成起来，实现c e r n e t 环境下资源 的有效共享，消除资源孤岛，提供有效的服务，形成为国家科研教学服务的 大平台。 e s c i e n c e 网格研究计划是国家基金委员会投资1 5 0 0 万的大型网格项 目。该项目建设以网络为基础的科学活动环境，目标是利用网络技术将地理 上位置不同的计算设施、存储设备、仪器仪表等集成在一起，建立面向网络 服务的通用基础支撑环境，实现i n t e r n e t 上计算资源、数据资源和服务资源 的有效聚合和广泛共享，从丽建立一个能够实现区域或全球合作或协作的虚 绪论 拟科研和实验环境，支持以大规模计算和数据处理为特征的科学活动。 中国空间信息网格是国家投资2 0 0 0 万建立的又一大型网格项目。空间 信息网格( s p a t i a li n f o r m a t i o ng r i d ，s i g ) 是一种汇集和共享地理上分布的 海量空间信息资源，对其进行一体化组织与处理，从而具有按需服务能力 的、强大的空问数据管理和信息处理能力的空间信息基础设施。空间信息网 格是一个创新性的体系框架，它为空间信息用户对空问数据进行信息获取、 共享、访问、分析和处理等各种需求提供了实用可行的解决思路和实施方 案。空间信息网格是一个分布的网络化环境，连接空间数据资源、计算资 源、存储资源、处理工具和软件以及用户，能够协同组合各种空间信息资 源，完成空间信息的应用与服务。在这个环境中，用户可以提出多种数据和 处理的请求，系统能够联合地理上分布的数据、计算、网络和处理软件等各 种资源，协同完成多个用户的请求，确保来自任何空间信息源的空间信息 ( a n yr e s o u r c e ) 经过处理能在任何时候( a n y t i m e ) 发送并服务于在任何地 点( a n y w h e r e ) 任何有需求而且有相应权限的最终用户( a n y o n e ) 。 上海信息网格( s h a n g h a i g r i d ) 是上海市科委2 0 0 3 年重大科技攻关项 目，计划出上海市科委投入9 0 0 万元，并带动资金5 0 0 0 万元，为期两年 ( 2 0 0 3 2 0 0 5 ) 。其目标是在两年内，依托国家8 6 3 、国家自然科学基金、国家 教育部和地方重大科研攻关项目的最新研究成果，研究符合雹际标准的信息 网格体系结构和关键技术，开发具有自主知识产权和推广价值的信息网格系 统软件、应用丌发环境和虚拟研究平台，通过对虚拟组织中的计算、数据、 软件等各种信息的共享和协同，建立具有上海特色的信息网格，并初步实现 交通信息网格典型应用。 北京邮电大学工学珂l 士学位论义 第2 章网格体系结构 网格体系结构就是关于如何建造网格的技术，它描述了网格的基本组成 和功能，以及各个组成部分之间的相互关系和网格的运行机制。 网格技术是在现有的概念和技术的基础上提出来的，随着分布式计算等 其它计算技术的发展和相关标准的提出和完善，以及人们对网格认识的进一 步深化，网格体系结构也在逐步的演进。五层沙漏模型是i a nf o r s t e r 等在网 格发展的早期阶段提出来的一种网格体系结构。后来，在以i b m 为代表的 工业界的影响下，在网格体系结构中引入了w e bs e r v i c e 技术，提出了目前 广泛流行的开放网格服务体系结构o g s a ( o p e ng r i d s e r v i c e s a r c h i t e c t u r e ) 。0 g s a 在较高的层次上对网格的整体结构和服务进行了抽象 的定义，为网格的构建绘制了一幅蓝图，但对于具体各部分的功能和实现， 以及相关的协议则没有进行定义。开放网格服务基础设施o g s i ( o p e ng r i d s e r v i c e si n f r a s t r u c t u r e ) 基于o g s a 标准，对网格环境中使用的各种服务之 间的接口和协议进行了标准化。w e b 服务资源框架w s r f ( w e bs e r v i c e s r e s o u r c ef r a m e w o r k ) 是在吸收了w e b 服务的最新发展之后，对o g s i 的重 构和演进。本章将分别对五层沙漏模型、o g s a 、o g s i 和w s r f 进行介绍 和分析。 2 1 五层沙漏模型 五层沙漏模型1 是一种以协议为中心的协议结构，强调“协议”的重 要性。类似于网络协议中的分层结构，五层沙漏模型将整个网格环境中的各 种协议分为五层，从下往上分别是：构造层( f a b r i c ) ，连接层 ( c o n n e c t i v i t y ) ，资源层( r e s o u r c e ) 、汇聚层( c o l l e c t i v e ) 和应用层 ( a p p l i c a t i o n ) 。在i n t e r n e t 协议栈中，网络层协议( i p ) 和传输层协议 ( t c p ，u d p ) 构成了i n t e r n e t 协议栈的瓶颈。类似地，在五层沙漏模型 中，资源层和连接层共同组成了沙漏的瓶颈，是该模型的核心协议部分，起 到了承上启下的作用，如图2 1 所示。 网格体系结构 应用层 - - - - ，- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 汇聚层 。- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - j 资源层 j - j 连接层 j r - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - j 构造层 ：!：。，、，j 图2 1 五层沙漏模型 网格构造层基本功能是控制局部资源，向上提供访问这些资源的接口。 构造层的资源可以非常广泛，可以是计算资源、存储系统、目录、网络资 源、传感器。一个资源可能是一个逻辑的实体，比如分布式文件系统，计算 机集群和分布式计算池等，这时，在这些资源的内部实现中会涉及到许多协 议，但这些都不属于构造层协议要考虑的范畴。显然，构造层的实现依赖于 特定的资源。 连接层的基本功能是支持便利和安全的通信，它定义了在网格环境中的 网络事务处理所需的核心的通信和认证协议。通信协议允许在构造层资源之 间交换数据，认证协议建立在通信协议的基础上，为用户和资源的识别提供 加密的安全机制。这里的通信包括传输、路由和命名等功能，实际上，这些 都可以从目前的t c p i p 协议栈中提取出来。在网格环境中的安全问题是一 个很复杂的问题，另一方面，目前已经开发出来了许多适应于互联网协议的 安全标准，在实现中，应该尽可能地利用已有的各种标准。网格环境中的认 证协议应该具有如下一些特征： ( 1 ) 单点登录：用户只登录一次就能够访问不同的构造层资源。 ( 2 ) 代理：用户必须有让程序以自己身份运行的能力。 ( 3 ) 与各种本地安全方案集成：每个站点或资源都有其各自的本地安 全方案，网格安全方案应该能够与那些本地方案进行互操作。 ( 4 ) 基于用户的信任机制：用户可以使用多个提供者提供的资源，但 并不要求资源提供者在安全环境中协同操作或者互操作。 资源层的主要功能是实现对单个资源的共享。资源层建立在连接层的通 信和认证协议之上，定义的协议包括安全初始化、监视、控制单个资源的共 享操作、审计以及付费等。资源层协议考虑的完全是单个的局部资源，因此 忽略了全局状态和跨越分布资源集合的原子操作。资源层两个主要的协议是 9 北京邮电大学工学硕士学位论文 信息协议和管理协议。信息协议用来获得资源的结构和状态信息，管理协议 用来协商对共享资源的访问。资源层和连接层协议形成了沙漏模型的瓶颈部 分，因此这个协议集合要小，而且尽量标准化。这些协议要能够抓住涵盖不 同资源类型的基本共享机制，但是又不能够对高层协议的类型和性能有约 束。 汇聚层建立在资源层之上，其主要功能是协调各种资源的共享。汇聚层 协议和服务描述的是资源的共性，并不涉及资源的具体特征，说明不同资源 集合之间是如何相互作用的。汇聚层的协议跨越了从通用型到高端应用和特 殊领域的需求，该层协议应该简明扼要而且易于扩展。汇聚层功能可以作为 永久的服务来进行实现，包括相关的协议以及与应用相关联的a p i s d k 。 应用层通过调用以下各层所提供的服务来实现用户特定的任务。用户的 需求是千差万别的，显然，应用层的各种应用和协议也将是非常丰富的。 2 2 面向服务的体系结构和w e b 服务 面向服务的体系结构( s o a ) d 2 1 是一种由相互独立，分布和协作的服 务组件构成系统的体系结构方法。这种服务可以分布在组织的物理边界和安 全域之内或之外，可以存在于不同的平台上，也可以由不同的编程语言实 现。 s o a 的关键是服务所实现的功能使用标准的接口描述语言暴露给外 部，实现细节则被隐藏在服务内部，外部应用通过其所暴露的接口来调用其 功能。w e b 服务是一种实现s o a 的方式。 2 2 1s o a 的基本组件 s o a 的基本组件是元素和服务之间的操作，如图2 2 所示。 三个关键元素：服务提供者、服务请求者和服务注册器。 服务提供者( s e r v i c e p r o v i d e r ) 负责创建有用的服务，为这个服务生成 服务描述并将之发布到一个或多个服务注册器，接收一个或多个服务请求者 的服务调用消息。 服务请求者( s e r v i c e r e q u e s t o r ) 负责从一个或多个服务注册器中查找服 务描述，使用服务描述来绑定和调用服务提供者提供的服务。一个服务的任 何消费者都可以被认为是一个服务请求者。 网格体系结构 图2 2s o a 的基本组件 服务注册器( s e r v i c e r e g i s t r y ) 负责发布服务提供者登记的服务描述， 并接受服务请求者查找特定的服务描述。一旦服务注册器提供了一个匹配的 服务描述，服务提供者和服务请求者之间的交互不再需要服务注册器的参 与。 一个应用组件可以是以上的任何角色。注意的是，一个应用组件可以充 当多个角色，比如一个游客在计划进彳亍一次旅游时，可以请求订票服务进行 订票，而陔订票服务则是一个上层的服务，需要调用下面的飞机票预定、火 车票预定和汽车票预订等服务。在此过程中。订票服务开始作为的是服务提 供者，在其后则作为服务请求者。 操作由以上所述的元素之间的约定所定义。主要有三种类型的操作：发 布( p u b l i s h ) ，查找( f i n d ) 和绑定( b i n d ) 。 发布( p u b l i s h ) 是服务提供者和服务注册器之间的约定。服务提供者使 用注册操作将它所提供的服务接口注册到服务注册器。一旦发布，服务提供 者所提供的服务就能够被服务请求者使用。 查找( f i n d ) 是服务请求者和服务注册器之间的约定。服务请求者使用 查找操作来获取一个满足其需要的服务提供者列表。在查找操作中，服务请 求者可能指定一个或多个查找标准，比如期望的可用性和性能等。服务注册 器在其所注册的所有服务供者中进行查找，并返回适当的信息。 绑定( b i n d ) 是服务请求者和服务提供者之间的约定，它允许在调用发 生之前服务请求者连接服务提供者。绑定可以是动态的，也可以是静态的。 在荫一种情况下，服务请求者在服务调用时基于从服务注册器中获取的服务 描述产生客户端的代理。在后种情况下，在应用的开发过程中生成服务请 求者的客户端代理。 北京邮电大学工学硐士学位论j 2 2 2w e b 服务 w e b 服务【i 引被广泛用于实现s o a 。w e b 服务使用一种程序到程序的通 信模型，基于x m l 标准，以一种平台、语言、硬件传输设备和软件供应商 中性的方式来描述数据。w e b 服务并不指定一种特定的通信协议，任何的 通信层协议如h t t p 、j m s 等都能够用于消息交换。 w e b 服务中，w e b 服务描述语言( w s d l ) 用于描述服务的内容和用 法，简单对象访问协议( s o a p ) 用于在w e b 服务之间交换消息，统一描 述、发现与集成规范( u d d i ) 允许w e b 服务提供者注册他们的服务和服务 请求者查找所需要的服务提供者。 s o a p 为在一个松散的、分布的环境中使用x m l 对等地交换信息提供了 一个简单且轻量级的机制。s o a p 本身并不定义任何应用语义，如编程模型 或特定语言实现，它只是定义了一种简单的机制，通过一个模块化的包装模 型和对模块中特定格式编码的数据重编码机制来表示应用语义。s o a p 的这 项能力使得它可以被很多类型的系统用于从消息系统到r p c 的延伸。s o a p 包 含四个部分：s o a p 信封、s o a p 编码规则、s o a pr p c 表示和s o a p 绑定。 s o a p 消息一般通过h t t p 协议传送。但是使用s o a p 并非必须有h t t p ，一 些s o a p 的实现也支持m s m q 、s m t p 等。 w s d l 用于描述服务，包括接口和访问的方法。w s d l 文件是个x m l 文档，它描述了s o a p 消息的一个集合以及这些消息如何相互交换。可以将 w s d l 看作是w e bs e r v i c e 的i d l ，如同c o r b a 或c o m 。w s d l 不仅描述 一个w e bs e r v i c e 的内容，也描述了其调用规范，这使得对w e bs e r v i c e 的检 索成为可能。 u d d i 是w j bs e r v i c e 的黄页，用户可以在u d d i 上将其w e b 服务进行注 册，以便为更多的客户进行服务。u d d i 目录入口是一个描述了商务及其提 供的服务的x m l 文件。在u d d i 目录中，其入口包括3 部分。“w h i t e p a g e s ”描述了提供服务的公司名称、地址、联系办法等。“y e l l o w p a g e s ”包 括标准分类法的工业类别。“g r e e np a g e s ”描述了服务接口的详细信息，以便 客户使用该服务完成其自身的应用。同时，u d d i 目录也包含了一些搜寻用 户需要的服务的方法。 除此之外，w e b 服务还定义了其他标准比如与w e b 服务q o s 相关的 w s s e c u r i t y ，w s r e l i a b l em e s s a g i n g ，w s c o o r d i n a t i o n ，w s t r a n s a c t i o n 系 列，与协作的商业过程相关的w s b u s i n e s sp r o c e s se x e c u t i o nl a y e r 等。 嘲格体系结构 2 3 开放网格服务体系结构 g l o b u s 小组和i b m 于2 0 0 2 年初提出了一个新的网格结构，该结构是 要将当时网格领域最热门的两个技术一一计算网格和w e b 服务结合起来， 把原来按照两条路线进行的研究活动归纳到条主线上来。开放网格服务体 系结构o g s a ( o p e ng r i ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e ) 是一个面向服务的系统结 构，主要突出从网格用户的角度看上去的网格系统是什么样子。 2 3 1o g s a o g s a 【1 4 1 的主要思想