（计算机应用技术专业论文）基于元数据的制造网格资源发现研究.pdf

基于元数据的制造网格资源发现研究 学科：计算机应用技术 研究生签字： 五疹 指导教师签字：伤亢砂， - 摘要 网格被认为是下一代网络，其目标在于实现网络环境内的资源共享和协同工作，而 实现资源共享和协同工作的关键前提在于有效地发现资源。因此，网格资源发现机制长 期以来都是网格研究的核心和难点，对它的研究在基础理论和系统开发等方面具有很大 意义。制造网格是在分析制造业特点的基础上，为了解决制造业的实际需求而提出来的， 是网格技术在制造业中的具体应用。制造网格环境中的技术资源、信息资源、人力资源 和服务资源都是高度自治的、异构的、分布式的，并且随着制造网格规模的不断扩大和 复杂化，传统的资源发现模式也需要不断地改进和更新。 针对制造网格中的资源发现的发展动向以及所面临的问题，本文系统地研究了网格 及制造网格的资源发现模式和方法，提出了一种基于元数据的分层的制造网格资源发现 模型，简称s r d g ( s t r a t i f i e dr e s o u r c ed i s c o v e r yo f g r i d ) ，并在制造网格中基于元数据 对网格资源分类，设计出s r d g m 体系结构。 首先研究和分析了网格及制造网格的现状和特点，在此基础上详细分析了网格及制 造网格的体系结构。 其次，论文针对制造网格环境中资源的特点，研究和分析了分布式环境中的资源发 现机制；系统地分析比较了网格环境、w e bs e r v i c e 环境和p 2 p 中的资源发现机制的特点 及优缺点。 接着，针对资源发现在制造网格规模及应用不断扩展过程中变得越来越复杂的问题， 提出了一种分层模型的资源发现模式s r d g ，并详细阐述了s r d g 模式的设计思想。该 模型在网格环境中融合w e bs e r v i c e 技术，同时引入p 2 p 思想，将资源发现模型分为内 外两层，在此基础上分析了p 2 p 环境中不同搜索算法的性能，提出外层采用w e bs e r v i c e 技术，内层采用泛洪算法。 然后本文在上述研究的基础上，以制造网格为实例，首先依照都柏林核元数据标准， 为制造网格设计了元数据标准，再以此元数据标准对制造网格资源进行分类，设计出基 于元数据的制造网格分层资源发现的模型，即s r d g m 。 最后，论文详细设计了仿真实验来检验s r d g m 模型，并以详实的实验数据得出结 论：s r d g m 资源发现模型有效地解决了集中式模式带来的节点瓶颈等问题，并大幅降 低分布式系统中资源发现产生的网络流量，具有高效性、可扩展性和鲁棒性。 关键词：资源发现；制造网格；元数据；p 2 p ；泛洪算法 t h e s t u d y o ft h em a n u f a c t u r i n gg r i dr e s o u r c ed i s c o v e r y b a s e do nm e t a d a t a d i s c i p l i n e ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y s t u d e n ts i g n a t u r e ：w 咽 s u p e r v i s 。rs i g n a t u 托： 文 a b s t r a c t g r i di sc o n s i d e r e da st h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r ka n dl t sa i mi st oa c h i e v er e s o u r c e s h a r i n ga n dc o o p e r a t i n gw o r ki ne n v i r o n m e n to fi n t e r a c t h o w e v e r , t h er e s o u r c es h a r i n ga n d c o o p e r a t i o ni sb a s e do ne f f e c t i v ed i s c o v e r y , w h i c hi sw o r t hd e e p l yr e s e a r c h i n gi nt h e o r ya n d p r a c t i c e t h em a n u f a c t u r i n g 嘶dt e c h n o l o g yi st h ei m p l e m e n to ft h e 曲dt e c h n o l o g yi n m a n u f a c t u r i n g t h et r a d i t i o n a lm o d e lo f 酊d r e s o u r c er e c o v e r yr e q u i r e si m p r o v i n ga n d u p d a t i n g 晰t 1 1t h ec o m p l i c a t i o na n de n l a r g e m e n to ft h e 鲥ds c a l e t h e p a p e rc o m b i n e dw e b s e r v i c et e c h n o l o g yw i t hg r i de n v i r o n m e n ta n di n t r o d u c e dt h e c o n c e p to fp 2 pe q u i v a l e n c e a n dan e w s t r a t i f i e dm o d e lw a sp u tf o r w a r d ，w h i c hh a st w o l a y e 卜t l l ei n s i d eo n ea n dt h eo u t s i d eo n e w h e nw ea p p l i e dt h i sa r c h i t e c t u r ei nm a n u f a c t u r i n g g r i d , w en a m e d i ts r d g - m f i r s t l y , t h i sp a p e rs t u d i e sf e a t u r eo fg r i da n dm a n u f a c t u r i n g 酣也a n dd e e p l ya n a l y s i st h e s t r u c t u r em o d e l ，d i s c u s s e st h er e s o u r c ed i s c o v e r ym e c h a n i s mi nt h ed i s t r i b u t e de n v i r o n m e n t a n dr e s e a r c h e st h er e s o u r c ed i s c o v e r yi n 面da n dp 2 pa n dw e bs e r v i c e n e x t ，t of r e dn u m e r o u sa n dc o m p l i c a t e dg r i dr e s o u r c e se f f e c t i v e l yi sav e r yi m p o r t a n t f a c t o ra f f e c t i n gt h eg r i d sp e r f o r m a n c e a l o n g 、析t l lt h ee x p a n s i o no fg r i d ss c a l ea n d a p p l i c a t i o n , w a y so fr e s o u r c ed i s c o v e r yb e c o m ei n c r e a s i n g l yc o m p l i c a t e d i nt h i sp a p e rw e c o m b i n et h ew e bs e r v i c et e c h n o l o g yw i t hg r i de n v i r o n m e n ta n di n t r o d u o et h ec o n c e p to fp 2 p e q u i v a l e n c e a n dan e w s t r a t i f i e dm o d e lw a sp u tf o r w a r d ，w h i c hh a st w ol a y e r t h ei n s i d eo n e a n dt h eo u t s i d eo n e a n dt h e n , t h ep a p e rg i v e sam e t a d a t as t a n d a r do ft h em a n u f a c t u r i n gg r i d a c c o r d i n gt o t h i ss t a n d a r dw ec l a s s i 鸟t h em a n u f a c t u r i n g 班dr e s o 愀a n dd e s i g ns r d g m f i n a l l y , t h i sp a p e rd e s i g n se x p e r i m e n t si nd e t a i lt ot e s ta n dv e n f ys r d g - m t h ed e t a i l e d r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o b l e mo fc h o c kp o i n ti nt r a d i t i o n a lm o d e li sr e a d i l ys o l v e da n dt h e n e t w o r kt r a f f i ci nd i s t r i b u t e ds y s t e mi sr e d u c e dg r e a t l y i na d d i t i o n ，s r d g mm o d e li sv a l i d ， s c a l a b l ea n dr o b u s t k e yw o r d s ：r e s o u r c ed i s c o v e r y ；m a n u f a c t u r i n gg n d ；m e t a d a t a ；p 2 p ；f l o o d i n ga l g o r i t h m 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。学校有权保留送( 提) 交的学位论文，并对学位论文进行二次文献加工供其他读者查阅和借阅；学校可以在网络 上公布学位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学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者躲五崧 指导教师签名： 绥六衫、 日期：川、年升 学位论文独创性声明 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，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导 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，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位 或他人己申请学位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致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： j 移 指导教师签名：岛六力方) 日期：1 历叫 5 9 1 绪论 1 1 研究背景及意义 l 绪论 1 1 1 研究背景 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。作为继传统因特网、w e b 之后的第三个大浪潮，网格也被称之为第三代因特 网。传统因特网实现了计算机硬件的连通，w e b 实现了网页的连通，而网格试图将分散 在网络上的各种共享资源，包括计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、 知识资源等，通过虚拟化的方式组织起来，形成动态可扩展的虚拟有机整体，向用户提 供强大的计算能力、存贮能力、设备使用能力及更有效的信息融合和共享能力，从而实 现资源的全面共享和协同工作i l 】【2 j 。制造网格是在分析制造业特点的基础上，为解决制 造业的实际需求而提出来的，是网格技术在制造业中的具体应用。与网格集成环境中充 斥着许多异质资源一样，制造网格环境中的技术资源、信息资源、人力资源和服务资源 都是高度自治的、异构的、分布式的。 资源发现功能的强弱直接决定了网格使用的效率。i e e ei n t e r n e tc o m p u t e r2 0 0 1 年的 统计表面，互联网每年产生2 x 1 0 1 8 字节的信息量，能够被公众访问到的只有2 1 0 b 字节， 利用率仅为0 0 0 0 1 5 ，著名的搜索引擎g o o g l e 也只能搜索到1 3 x 1 0 1 8 字节页面1 3 j ，并且 这组数据统计的仅仅是信息资源，而网格中，资源即服务，资源这一概念所包含的意义 远不止信息资源这一种。同样，企业在参与协同制造的过程中，总是希望能够得到全球 范围最新的制造资源信息，同时希望其他企业能够及时、准确地搜索到本企业的制造资 源信息。因此，制造资源信息的发布与发现对大型制造业至关重要。在制造业全球化和 网络化环境下，如何更好地利用全球制造资源，实现协同制造是制造企业提高竞争力的 重要手段。 “动态、多机构虚拟组织中的资源共享和协同问题解决，这一网格概念中真正的也 是核心的问题决定了网格环境不同于传统分布式计算环境的根本特征。在分布式网格环 境中，虚拟组织、资源的动态、异构分布、演化特征以及共享模式、协同方式的实时变 化使得动态性成为首要面对的问题。既然无法对所处环境中的资源进行预先配置，那就 必须实时地获取可用资源和服务的信息，这就是资源发现所要完成的工作。而对于网格 环境中抽象的逻辑资源，发现的前提必须是对资源进行足够的、合理的描述。因此，资 源的描述与发现是任何网格系统运作中必需的也是关键的环节，直接为资源的分配管理 和任务的调度提供支持，其机制及实现方式都直接影响到整个网格系统的实施【4 】。 西安t 业大学硕士学位论文 1 1 2 资源发现在网格中的意义 资源是可以在一段时间内使用的可更新或不可更新的东西，它们的所有者可能向其 他使用资源的人收费，共享，或独占。资源可能被清晰地定义，或用参数描述。网格中 常用的资源包括处理能力、存储系统、目录、分布式文件系统、分布式计算机池、计算 机集群等。网格的资源还包括服务、应用软件、数据、信息、知识以及计算机、天文望 远镜、雷达、家用电器等设备和仪器，并具有面向用户和透明性的特点，用户可以在不 考虑资源物理位置的情况下，方便的使用资源。 网格资源有如下特点： 1 ) 资源的地理分布极广，资源之间、资源和客户以及客户之间往往通过广域网连 接； 2 ) 资源类型和数量巨大，而且要求一定程度的协同工作； 3 ) 资源是动态变化的，包括资源属性的变化，以及在网格内的复制和迁移等： 4 ) 资源工作在异构平台上并且由不同的管理策略控制。 网格系统本质上是一个基础设施，它允许位置无关的资源和服务获取，这些资源和 服务是由地理上分布的机器和网络提供的。支持这种位置无关计算的一个基本操作就是 资源发现1 5 儿6 】。资源发现是网络计算的一个非常重要的方面，通过资源发现机制将返回 一组与预想的资源描述相匹配的资源，网络计算的成功主要依赖准确对特定任务定位资 源，资源定位是网络计算所需的基本服务。另外，资源发现为网格计算环境下的其它服 务中间件的正常运作奠定了基础，如资源监控，资源匹配，资源调度等【7 】【8 】【9 】。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 网格现状 网格技术研究发展源于美国。目前比较有影响力的有g l o b u s 、l e g i o n 、c o n d e r 等项 目。其中g l o b u s 项目是一个网格相关技术的基础研究项目，由美国a r g o n n e 国家实验室 及多所大学和研究机构联合开发，力图实现计算网格结构，用来提供对高性能远程计算 资源普遍的、可靠的、一致性地访问。由于近年来网格体系结构的发展从原来单纯面向 计算的五层沙漏模型变成面向服务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 e a r c h i t e c t u r e ) ，o g s a 将w e bs e r v i c e 和g r i d 相结合，为网格扩展到更多的应用领域提供 了支持。g l o b u s 项目开发了比较成熟的软件g l o b u st o o l k i t s ( 简称g t ) ，该软件是网格 体系结构的具体实现，解决了一些网格环境中工具、服务和应用开发的关键技术问题， 提供了一个模块化的服务包【l o j 。 欧洲也是网格研究和建设非常活跃的地区。e u r og r i d 项目是欧洲经济共同体共同出 的研究和技术发展项目，是信息社会技术程序的一部分。基本目标是给户提供安全、简 2 1 绪论 单、透明地访问欧洲范围内信息资源平台，为欧洲的科学研究服务【l 。 在我国，国内织女星网格( v e g a ) 工作组提出了解决资源发现问题的方法一织 女星网格资源发现v i r d ( v e g ai n f r a s t r u c t u r ef o rr e s o u r c ed i s c o v e r y ) ，在该方法中提出 了服务网格的概念和虚拟计算机的体现结构模型。 目前，国内已经开展了一些网格项目的研究与初步应用【1 2 1 1 引。 1 9 9 9 年到2 0 0 1 年8 6 3 重点项目“国家高性能计算环境”( n h p c e ：n a t i o n a lh i g h p e r f o r m a n c ec o m p u t i n ge n v i r o n m e n t ) 。这个项目是中科院计算所联合江南计算所、国防 科大等十几家科研单位，共同承担。该项目旨在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，把我国8 个高性能计算中心通过i n t e m 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网格应用系统，取得了 一系列研究成果。 由教育部支持、清华大学牵头的重点项目“先进计算基础设施”也进行了部门内的网 格计算试验。2 0 0 1 年6 月鉴定了清华大学“先进计算基础设施北京上海试点工程”、中科 院计算所“织女星”工程( v e g ag r i d ) 。 建设中的网格项目有：科技部2 0 0 2 年8 6 3 计划信息技术领域的重大专项“高性能计 算机及其核心软件”；教育部的“c h i n ag r i d ”计划；国家自然科学基金委“e s c i e n c e 重 大专项计划以及其他部门的网格规划。国家8 6 3 计划开始启动的网格研究项目，重点建 设以北京、上海为中心的网格计算系统，突出网格应用。项目包括五个子课题：战略与系 统综合研究；应用网格；网格软件；面向网格的高性能计算机；网格结点。 当前国内外的网格研究主要是集中在计算领域，对网格技术在工程领域应用的研究 还不深入，对资源发现的研究也主要集中在网格计算环境，而制造业领域中网格资源发 现的研究比较空白。 1 2 2 制造网格国内外现状 在国外，典型的制造网格有美国n a s a 的和n s f 联合开发的i p g ，其目的是建立一 个完全分布式的计算资源和数据资源的管理环境，以支持大型科学和工程问题的异地协 同。他们以飞行器的多团队仿真问题为背景，重点解决由不同研究小组开发的地域分布 的单元仿真器之间的资源和应用集成等的问题；波音公司在f 一1 8 e f 的设计中，利用网 格技术联合组织多家研究中心协作进行全机流场c f d 模拟，最终找出了经常发生单侧机 翼突然失速的原因，并基于网格计算研究航天器形状的多学科优化，采用遗传算法，对 飞行器外形优化得到的第5 0 0 代和第3 0 0 0 代的形状进行了比较，获得了很好的计算结果。 汽车制造商亦可利用网格进行模型的模拟测试，从而取代原来的电路测试和风洞试验， 降低产品的设计成本；i b m 电子商务随需应变战略、惠普公司的适应性企业战略，日本 k a z u om u t o 研究了使用x m l 系统集成各种设备，福特公司用网格技术构造了一个网上 集市，弗吉尼亚大；学o d u 和威斯康星一麦迪威大学w i s c 联合研制的一个可配置虚 3 西安工业大学硕士学位论文 拟现实应用框架；新加坡国立大学的g a r yt a n 等人提出了当前经济下的供应链的作用， 提出了将网格技术应用到分布式供应链仿真，同时研究了网格的几个优点。德国f a l k n e u b a u e r 等人研究了网格服务中工作流管理；美国佛罗里达中心大学研究了智能网格环 境下的工作流管理。英国沃里克大学高性能系统实验室的j u n w e ic a o 研究了a 4 ( a g i l e a r c h i t e c t u r ea n da u t o n o m o u sa g e n t s ) 来管理计算网格的资源。除此之外，爱立信、日立、 宝马等也都己经开始构造和试用内部网格【1 9 1 。 在国内，首先是我国航天二院和清华大学共同开展了“仿真网格”的研究。清华大 学c i m s 研究中心目前承担了国家8 6 3 课题网络化制造资源网格系统研究，尝试将 先进的网格技术运用于传统的制造业，探索一条以信息化带动工业化的新路。上海大学 以本校分散在异地的快速制造资源为例，实现了装备资源互联。每台设备和每套软件都 作为一个资源节点，通过相应的管理系统和网格接口加入到网格中【2 0 1 。资源节点间通过 共享s t e p + x m l 格式的信息和数据，彼此协同工作，共同完成整个任务；中科院计算 所的“织女星网格”项目，其核心思想是基于宽带和无线网络，让现有每一台计算机内 的各种部件都能独立上网，并开发出面向网格的服务器、路由器、操作系统、协议等具 体产品和技术，同时指出了网络计算的趋势及其应用；长沙理工大学提出了网格在e r p 系统中的应用，提出了协同制造网格的概念。 从全球整体上来说，网格技术扩展到制造领域，开展基于网格技术的制造网络理论、 技术、方法等方面的研究主要在如下几方面在制造网格概念、体系结构、内涵、应用前 景、预期效果综述等方面在虚拟企业应用研究方面在航空制造业方面在模具制造业方面 在装备保障方面在仿真方面在快速制造方面等。 1 3 本文的主要工作及创新 针对资源发现在网格规模及应用不断扩展过程中变得越来越复杂的问题，论文研究 所做的主要工作是：在阅读大量相关文献的前提下，以更深刻地认识网格的本质及制造 网格概念及准确把握国内外资源发现研究现状为基础，设计一种资源发现的新方法，并 学习掌握了资源发现的多种评价标准，从多种角度对所设计的新方法予以检验。具体内 容和创新点如下： 1 ) 提出一个分层网格资源发现模型，简称s r d g ，将资源发现模型分为内外两层； 2 ) 在网格环境中融合w e bs e r v i c e 技术，设计了资源发现外层的u d d i 注册中心； 3 ) 在资源发现内层引入p 2 p 思想，设计了内层的对等节点； 4 ) 根据制造网格的特点，设计制造网格的元数据标准； 5 ) 将s r d g 模型应用于制造网格中，基于元数据对网格资源分类，设计出制造网 格资源发现即s r d g m 模型结构： 6 ) 从多角度设计实验，用充分的实验数据证明了s r d g m 模型有效解决了集中式 模式带来的节点瓶颈等问题，并大幅降低分布式系统中资源发现产生的网络流量，具有 4 1 绪论 高效性、可扩展性和鲁棒性。 1 4 本文的组织结构 本文共分七章。 第一章为绪论，主要介绍课题的研究背景、研究现状、当前研究存在的问题，以及 本文的主要研究思路、内容和论文的组织。 第二章简要介绍了制造网格的相关技术。 第三章对分布式环境中的各种资源发现机制进行剖析和总结。 第四章提出一个分层网格资源发现模型，详述s r d g 模型的原理、模型设计及算法。 第五章提出s r d g m 体系结构，它是s r d g 模型在制造网格中的应用实例。本章 详述如何基于元数据将s r d g 模型应用于制造网格之中从而设计出分层分类的制造网格 资源发现方法。本章并设计了适用于制造网格的元数据标准。 第六章建立了一个非集中式网格资源发现的仿真环境，先是介绍评价资源发现的各 种标准，然后以这些标准用仿真实验从各种角度对s r d g m 进行评价，得出具有说服力 的结果。 第七章结论部分总结了全文的工作，并提出以后研究和应用的方向。 西安丁业大学硕士学位论文 2 1 网格概论 2 制造网格相关技术理论 网格的概念最初来自于“元计算。由于高性能计算的应用需求使计算能力不可能在 单一计算机上获得，因此，必须通过构建“网络虚拟超级计算机或“元计算机”来获 得超强的计算能力。2 0 世纪9 0 年代初，根据i n t e r n e t 上主机大量增加但利用率并不高的 状况，美国国家科学基金会( n f s ) 将其四个超级计算中心构筑成一个元计算机，逐渐 发展到利用它研究解决具有重大挑战性的并行问题。它提供统一的管理、单一的分配机 制和协调应用程序，使任务可以透明地按需分配到系统内的各种结构的计算机中。元计 算被定义为通过网络连接强力计算资源，形成对用户透明的超级计算环境。 全球网格研究的领军人物、美国阿岗( 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1 a nf o s t e r 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 图一书中这样定义：“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。2 0 0 0 年，i a nf o s t e r 在网格的剖析一文中把网格进一步定义为：在动态变化的多个虚拟机构间共享资源 和协同解决问题。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：( 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 ( p e e rt op e e r ) 、s u ng r i d e 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。 网格的目的不外乎就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 技术实现了网页的连通，而网格试图实现互联网上所有资源的全面连通1 2 。 作为一种新兴的网络技术，网格有区别于现有i n t e m e t 的特点 2 2 1 1 2 3 j 。 1 ) 网格是开放的、动态的 对于网格来说，这个强大的资源池是开放的，动态的。方面，现有的计算资源出 现故障或者不可用：另一方面，新的资源也可能随时添加进来。这就要求网格一方面必 6 2 制造网格相关技术理论 须能够实现任务的自动迁移，以保证服务质量；另一方面又要能够实现性能的多形式扩 展，特别是网格的应用系统模块必须是可扩展的。然而由于各种资源的异构性，网格的 性能必须要解决不同体系结构和操作系统间的计算机系统的通信和互操作问题，这也是 网格的软件设计所面临的一大挑战。 2 ) 网格是自相似的 网格的奋斗目标是消除资源孤岛，使得全世界任何角落的网格主体都可以提出应用 需求，并获得响应。但是网格的构建并不是一蹴而就的，而是一个具有自相似性的分形 模型。网格的整体和局部之间体现着一定的相似性，小的网格组成大的网格，省级网格 组成国家级网格，网格就是这样以联盟的形式最终成为一种无所不在的功能设施。 3 ) 网格环境是异构的 在网格中人们可使用的网格资源也更加多种多样，包括计算资源、存储资源、数据 资源、传感器等。要提供多种服务，网格资源也必须是多样化的，而网格就是要在这些 复杂的、异构的网格节点上实现协同共享。 4 ) 网格支持的应用更加多样化 与传统的网络相比，网格寄希望于提供简单透明的访问接口，使得用户可以在任何 时间，任何地点，轻松地访问网格资源。同时，人们不需要通过网络工具，而是可以在 任何平台下，用任何编程语言，实现其应用。 5 ) 网格提供更可信赖的服务质量 网格将会是有偿服务，最终走向市场，而让用户付费的网格客体必须是能够提供高 质量服务的系统。目前己经被大量使用的p 2 p 技术，已经具有网格的概念，但是由于其 服务是自觉性的，所以很难保证q o s ，且p 2 p 也不具备统一、开放、通用的协议和界面， 所以其仍然不是真正的网格。对于面向市场的网格技术来说，q o s 将会是衡量网格性能 的一个重要指标。 2 2 网格体系结构 网格体系结构是对网格系统的总体抽象描述，给出了网格系统的基本组成与功能， 描述网格体系各组成部分之间的关系以及他们之间集成的方式或方法，并解释网格运转 的过程。在当前的网格系统的研究中主要采用的网格体系结构有三种，分别是由f o s t e r 等人提出的五层沙漏结构、开放网格服务结构o g s a ，以及针对w e b 服务提出的w s r f 框架5 1 。 五层沙漏结构结构模型的五层分别是构造层、连接层、资源层、汇聚层和应用层。 在五层沙漏结构中，体系结构的每一层都由一定数量的协议组成，协议是体系结构各层 的核心。处于最底层的构造层所面对的是一个个具体的物理( 或逻辑) 资源，通过对这 些局部资源的管理，构造层向体系结构的上层提供管理和控制接口，为上层提供服务。 连接层处于构造层之上，为构造层的物理资源提供安全的数据通讯服务，将系统中孤立 7 西安工业大学硕士学位论文 的资源连接起来，为上层提供服务。资源层反映的是抽象资源的局部特征。汇聚层的作 用是将下面以单个资源形式表现出来的资源集中起来，处理多个资源间的协同问题。应 用层关心的是网格中有什么样的资源，解决不同虚拟组织的具体问题。 五层沙漏结构是最早的网格体系结构之一，其影响非常广泛。它主要侧重于定位的 描述而不是具体协议的定义。另外，在五层沙漏结构中，各层所包含的协议数量不同， 在资源与连接层中，集中了系统的核心协议，数量相对较少，功能也相对统一，主要为 数据访问、计算机访问等功能。而其他层在不同的系统组成时，服务类型变化相对较大， 需要更多的协议，从而形成沙漏的形状。沙漏的思想可以和微内核的操作系统进行类比， 即操作系统只实现一些关键的基本功能，而把大量与特定设备有关和与应用有关的部分 交给其他部分来完成。一个小的核心是有利于移植的，同时也可以比较容易的实现和得 到支持。 开放网格体系结构( o g s a ) 是由g l b o a lg r i df o r u m ( g g f ) 提出的一个重要标准。 与五层沙漏模型相比，o g s a 不再是以协议为中心，而是一种服务结构，将计算资源、 存储资源、网络、程序、数据库等系统中的所有资源作为服务。o g s a 是网格技术与 w e b 服务技术的融合。w e b 服务提供的一种基于服务的框架结构。普通的w e b 服务一般 都是永久性的服务，但是网格中存在有大量临时性的服务，比如一个技术任务的执行。 结合网格的特点，o g s a 在原来w e b 服务的基础上提出了“网格服务”的概念，即将服务 的状态引入到了w e b 服务当中。 o g s a 的系统结构符合当前网格技术的发展方向，即将网格中的所有资源( 包括计 算机资源、软件等) 以服务的形式提供给用户【2 4 】。采用以服务为中心的o g s a 网格体系 结构有如下优点：网格中所有的组件都是虚拟的，通过统一的接口供外界进行调用。基 于这种思想，开发人员就会很容易的对网络中的各种资源以网格服务的形式进行组合， 最终开发出复杂的网格服务。 从网格技术的发展来看，早期的网格技术的研究重点是研究如何将分布于不同区域 的强大的技术能力通过网格技术连接成一个强大的整体，来满足大型、技术密集型任务 的需要。但随着数据网格、信息网格等其他网格系统的出现，共享的资源不仅仅是计算 能力、存储能力等计算机本身的资源，而是网格中任何可以共享的资源。将网格中的所 有资源以服务的形式进行封装符合网格系统“即插即用”的目标。o g s a 提出之后，g g f 开始着手研究开放网格服务基础设施o g s l 草案，并在2 0 0 3 年7 月发布了o g s l 的1 0 版本。o g s l 规范通过扩展w e b 服务定义语言w s d l 和x m ls c h e m a 的使用，来解决有 状态属性的w e b 服务问题。但是在o g s l 规范的应该过程中，该规范的缺陷也逐渐的显 露出来。o g s l 过分强调网格服务与w e b 服务的差别，而且没有对资源和服务进行区分， 导致两者不能很好的融合在一起。o g s l 通过封装资源状态将具有状态的资源建模为 w e b 服务，但这与w e b 服务的无状态性产生了矛盾，同时对多数已经实现了的w e b 服 务无法完成网格服务中对服务的动态创建和销毁这一要求。 8 2 制造网格相关技术理论 为了解决o g s l 和w e b 服务之间的矛盾，g l b o u s 联盟和i b m 联合提出了w e b 服务 资源框架( w s i u ) 。w s r f 采用了与网格服务完全不同的定义，它规定资源是有状态的， 服务是无状态的。w s r f 中将w e b 服务与有状态的资源进行了分离，提出了w e b 服务 资源的概念。 w s r f 的规范是针对o g s l 规范的主要接口操作来定义的，它保留了o g s l 规范中 定的所有基本功能。w s r f 使w e b 服务的体系结构发生了以下两点变化：第一，w s r f 供了传输中立机制来定位w e b 服务；第二，w s r f 提供已发布服务的w s d l 描述、m l 定义和使用这些服务的必要信息。 作为o g s a 最新规范的w e b 服务资源框架w s r f ，它提出了加速网格和w e b 服务 融合，以及科技界与工业界的接轨。与o g s a 的核心规范o g s l 相比，w s r f 有如下点 优势。 1 ) 由于o g s l 错误的认为w e b 服务一定需要很多的基础设施，因此，o g s l 中术 语和结构让w e b 服务组织感到困惑。w s r f 通过对消息的处理和状态资源的分离除上述 问题，明确了其目的是容许w e b 服务操作对状态资源进行管理和控制。 2 ) o g s l 中的工厂接口只提供了较少的可用功能，在w s r f 中定义了更加通用w r e b 连 服务资源工厂模式。 3 ) w s r f 规范融入了w e b 服务规范，同时更加全面的扩展了现有的x m l 标，支 持大多数的w e b 服务实现工具，在目前的开发环境下使用简单化。 4 ) o g s i 规范中的通知接口既不支持事件系统中要求的功能，也不支持现有的向消 息的中间件所支持的各种功能。w s r f 规范从广义的角度上来理解通知机制，弥了o g s l 的不足。w s r f 中的状态改变通知机制正是建立在常规的w e b 服务的需求之上。 5 ) o g s l 的规模非常庞大，以至读者不能充分理解其内容及明确具体任务中需的组 件。在w s r f 中通过将功能进行分离，简化并扩展组合的伸缩性。 2 3 制造网格 2 3 1 制造网格概念 制造网格是利用网格技术、信息技术、计算机和先进管理技术，克服空间上的距离 给不同企业间的协作带来的障碍，实现地理上分散的各类制造资源的全面连通通过各类 制造资源的封装和集成，屏蔽资源的异构性和地理分布性，以透明的方式为用户提供各 类制造服务，使用户能像使用本地资源一样方便地使用封装在制造网格中的所有资源， 在最大程度上实现设计、制造、信息、技术等各类资源的共享，以及协同制造过程中物 流、信息流、价值流的优化运行。为构建具有数字化、柔性化、敏捷化、远程化、可视 化等基本特征的优势互补的协同企业提供支持环境，实现企业间的各种协作设计协同、 制造协同、商务协同，使基于制造网格环境运行的企业群体能够以最低的成本、最短的 9 西安工业大学硕+ 学位论文 开发周期、最优的服务、最好的灵活性、制造出符合现代市场需求的高质量产品【2 副。 二十一世纪的制造业正在向着智能化、集成化、网络化的方向快速发展，资源共享 和协同成为了当今制造企业奏响的主旋律。作为以快速响应市场和提高企业竞争力为目 标的网络化制造，实现了本企业以及企业间的资源协同、共享和集成，为市场快速地提 供了高质量、低成本的所需产品和服务。如基于网络制造模式支持的资源共享平台，支 持异地协同产品设计的网络化品设计平台，大规模定制服务平台，支持电子商务和供应 链的平台，支持虚拟制造企业的动态联盟平台、分布式网络化制造平台、分散化网络制 造平台和敏捷制造平台等。然而，目前网络化制造还局限在单个企业的不同部分之间和 区域性的联盟之间，共享的资源局限于数据，并且是集中的而非离线分布，资源的动态 更新困难，这些严重地困扰制造领域的制造资源共享瓶颈问题，严重地阻碍了制造企业 向经济全球化迈进的步伐。于是，迫切需要一种新的技术来解决这些问题。 2 3 2 制造网格特点 制造网格是网格技术在制造业中的应用，但是，制造网格不是网格技术的简单照搬， 而是有它独有的特点 2 6 1 1 2 7 1 ： 1 ) 业务的多样性 由网络化制造和制造网格的目的可知，资源的共享和协同是研究的核心。各个企业 里的业务资源通过封装为服务的形式提供给使用者使用。而各个企业里的提供的业务服 务可能涉及到设计业务、制造业务、销售和物流的业务等等。较大的业务又可以分解将 某一部分封装为服务的形式提供给其它的业务来使用。不同的资源提供者可能提供的共 享业务有很大的区别。单个企业可以作为制造网格中的一个业务节点，企业里面的某个 业务也可以作为制造网格中的节点，所以，不同的企业提供的业务具有多样性的特点， 就需要有合理的规范来指导企业对业务的封装。 2 ) 层次的复杂性 制造企业是二维的结构。其横向是一个梯形的结，包括企业级、工厂级、车间级、 设备级。各个层次的关系因不同的企业而错综复杂、参差不齐，资源的共享模式和程度 也不尽相同。因此，合理地分配、协调和调度各个级别的资源服务对制造网格来说显得 尤为的重要。 3 ) 服务的在线或离线性 产品从设计、制造、销售的整个生命周期中既有在线的资源又有离线的资源。如设 计资源、管理资源和销售资源等这些资源完全可以数字化为计算机可以处理的信息，形 同于计算网格中的计算资源，属于在线的资源。而制造中的物流就属于离线的资源，如 采购、制造、供应、运输等。特别是运输资源具有时间和空间上的差异，计算网格是无 法处理这类资源服务的，而制造网格就要兼顾这些资源。 1 0 2 制造网格相关技术理论 4 ) 用户易变性 任何用户只要通过了合法的身份认证，支付一定的费用，都可以使用制造网格中的 资源。所以，在任何时刻制造网格的用户和用户数量都不是固定的。 5 ) 最充分、最低成本的协同 制造网格在接受到用户发出的任务请求后，在综合考虑各制造资源的时间、质量、 成本、风险等性能指标( 其中也包括运输时间和费用) 的基础上，总是尽可能的在全局 范围内选择能够完成该任务的最佳的制造资源。 以上制造网格的特点充分说明，制造网格中的资源发现也必然要具有其自身的特点。 2 3 3 制造网格与网络化制造 网络化制造的概念，是伴随着早期的局域网和目前的因特网技术的不断发展而延伸 的。广义的网络化制造涵盖了利用网络技术支持企业制造全过程的所有环节，狭义的网 络化制造是指通过网络整合制造系统，在相应的使能技术的配合下，完成对应的制造功 能。即网络化制造是企业为应对知识经济和制造全球化的挑战而实施的，以快速响应市 场需求和提高企业和企业群体竞争力为主要目标的一种先进制造模式。通过采用先进的 网络技术、制造技术及其它相关技术，构建面向企业特定需求的基于网络的制造系统， 并在系统的支持下，突破空间地域对企业生产经营范围和方式的约束，开展覆盖产品整 个生命周期全部或部分环节的企业业务活动( 如产品设计、制造、销售、采购、管理等) ， 实现企业间的协同和各种社会资源的共享与集成，高速度、高质量、低成本地为市场提 供所需的产品和服务一。网络化制造系统的主要功能包括共享信息平台、敏捷企业协作 平台、产品协同设计制造系统、在线远程制造服务、资源共享系统、供应链管理系统、 电子商务系统、虚拟采购中心、产品虚拟展示及销售中心及技术支援中心。 但是，由于没有统一的标准和规范，使得传统网络化制造只能局限于某个地域，某 个行业，甚至