（计算机科学与技术专业论文）数值天气预报的应用虚拟化研究和实现.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 嘀i要 近年来，应用虚拟化技术受到r r 企业和研究机构的密切关注，它致力于将关键应用从 系统底层环境中分离出来，并对应用及其相关数据进行整合，通过集中化技术改善应用操 作性和安全性，提高关键应用系统的利用率，降低系统的维护成本。 在数值天气预报领域，存在大量的用f o r t r a n ，p e r l 等语言编写的遗留代码，这些代码 通常都是采用n a m e l i s t 控制的以命令行方式运行的单用户应用程序，运行时间长且涉及的 数据量大，难以直接集成到复杂的网格环境中。 本文结合数值天气预报具体应用特点，对数值天气预报领域的应用虚拟化展开了深入 的研究，设计了数值天气预报应用虚拟化的基本框架，实现了服务封装工具及一组功能扩 展。在服务封装工具方面，引入了服务工厂的方法，解决了服务的动态创建问题。在功能 扩展方面，为了避免多用户运行数值天气预报应用时产生的数据干扰，引入了工作目录的 思想并设计了工作目录扩展以解决网格环境下数值天气预报应用的多用户使用问题；在研 究服务安全级别基础上，设计了基于服务访问策略的权限认证扩展以保证合法用户对授权 服务的合法访问，保证了服务的安全性；为了提高应用的运行效率，研究了应用在网格环 境下的分发模型，设计了分发管理扩展以实现应用的按需分发。 在以上技术的基础上，实现了数值天气预报应用虚拟化，并在数值天气预报网格系统 中得到了应用。 关键词：应用虚拟化，网格，w e b 服务，遗留代码，服务封装工具，扩展 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t a p p l i c a t i o nv i r t u l z a t i o nt e c h n o l o g yh a s g a i n e dp o p u l a r i t yf r o mi te n t e r p r i s e sa n di n s t i t u t e s i nr e c e n ty e a r s t h i sk i n do ft e c h n o l o g yd e d i c a t e st os e p a r a t et h ek e ya p p l i c a t i o nf r o mt h e b o t t o me n v i r o n m e n t ，a n di n t e g r a t et h ea p p f i c a f i o na n dt h er e l a t e dd a mi n t ot h ed a t ac e n t e r i t i m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo ft h ek e ya p p l i c a t i o na n dr e d u c e st h ec o s to fs y s t e mm e i n t a i n e n c eb y i m p r o v i n gt h ea p p l i c a t i o no p e r a b i l i t ya n ds e c u r i t yt h r o u g ht h ec e n t e r a l i z a t i o nt e c h n o l o g i e s i nt h ef i e l do fn u m e r i c a lw e a t h e rp r e d i c t i o n , t h e r ea r eal o to fl e g a c yc o d e sw r i t t e ni n f o r t r a n t h e s ec o d e s ，w h i c hn o r m a l l yu s e db yt h es i n g l eu s e ra n dr u ni nt h ec o m m a n d - l i n e c o n 拄o l e db yn a m e l i s t , h a v et or u nw i t hav e r yl o n gp e r i o da n di n v o l v ea l a r g eq u a n t i t yo fd a t a t h e r e f o r e ，i ti sd i 岱c u i tt oi n t e g r a tt h e mi n t ot h ec o m p l e x 鲥d t a k i n ga l lt h ea b o v ei n t oc o n s i d e r a t i o n , a f t e rad e e pr e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o n v i r t u a l i z a t i o nf o rn u m e r i c a lw e a t h e rp r i d i c t i o n , af r a m e w o r kw h i c hi n c l u d e saw e bs e r v i c e s w r a p p e ra n dag r o u po fe x t e n s i o n si sd e s i g n e d 越bd e a l i n gw i t ht h ew e bs e r v i c e sw r a p p e r , a m e t h o do fs e r v i c ef a c t o r yi sa d o p t e dt oe r e a tw e bs e r v i c e sd y n a m i c a l l y ；w h i l ed e a l i n gw i t ht h e e x t e n s i o n s ，w o r k i n gd i r e c t i o r yi ss d o p t e dt oa v o i dt h ed a mi n t e r f e r e n c ec a u s e db yo p e r a t i o nf r o m d i f f e r e n tu s e r s ，a n da w o r k i n gd i r e c t i o r ye x t e n s i o ni sd e s i g n e dt os o l v et h ed a t ap r o b l e m s ；b a s e d o nt h es t u d yo fs e c u r i t yl e v e l s ，ap o l i c y - b a s e da u t h e n t i c a t i o ne x t e n s i o ni sd e s i g n e dt oa s s u r et h e a u t h o r i z e du s e r sl e g i t i m a t ev i s i t eo nw e bs e r v i c e s ；i no r d e rt oi m p r o v et h er u n n i n ge f f i c i e n c yo f a p p l i c a t i o n s ，w i t has t u d yo nt h ed i s t r i b u t i o nm o d e lo fa p p l i c a t i o ni ng r i 也ad i s t r i b u t i o n m a n a g i n ge x t e n s i o ni sd e s i g e n e dt od i s t r i b u t ea p p l i c a t i o n so nd e m a n d 1 f 1 1 ea p p l i c a t i o nv i r t u l i z a t i o nf o rn u m e r i c a lw e a t h e rp r e d i c t i o ni sr e a l i z e do nt h eb a s eo ft h e t e c h n o l o g i e sm e n t i o n e da b o v e ，a n dh a sb e e na p p l i e di nt h en u m e r i c a lw e a t h e rp r e d i c t i o n s y s t e m k e y w o r d s ：a p p l i c a t i o nv i r m a l i z a t i o n ，西d ，w e bs e r v i c e s ，l e g a c yc o d e s ，w e bs e r v i c e s w r a p p e r , e x t e n s i o n 第1 i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图，目录 图1 1g r i d s e r v e r 的基本结构图j 3 图1 2f a b m c s e r v e r 的结构图网4 图2 。l 在单个物理资源上实现多个逻辑资源7 图2 2 多个物理资源实现一个逻辑资源7 图2 3w e b 服务技术体系结构【1 5 】1 0 图2 4 两个层次的w e b 服务的安全性要求l l 副1 1 图2 5 基于w s s e c u s r r y 的高级安全规范【1 5 1 1 2 图2 6 应用虚拟化的实现过程1 3 图2 7 应用的界面与核心相分离1 4 图2 8 应用程序组件化一15 图2 9 应用程序及其组件的虚拟化1 5 图2 1 0 虚拟化应用程序的网格结构1 6 图3 1g r a p e s 系统流程图【1 7 】：1 8 图3 2 ( 浓a p e s 模拟流程图2 0 图3 3w r f 模式系统流程副9 】2 1 图3 4w r f 模式模拟流程图。2 2 图3 5 集合预报系统流程2 3 图3 6 数值天气预报应用虚拟化的网络架构图2 5 图3 7 数值天气预报应用虚拟化的功能结构图2 6 图4 1w aw r a p p e r 基本结构图2 9 图4 2 服务工厂创建服务的流程图。3 0 图4 3 应用程序的基本模型3l 图4 4 应用服务的服务请求处理过程3 2 图4 5 数据库的各种表的基本结构3 3 图4 6 工作目录的层次结构3 4 图4 7 虚拟层外的安全性。3 5 图4 8 网格节点的安全性3 6 图4 9 应用组件的安全性3 6 图4 1 0 服务描述文档中的服务安全策略3 7 图4 1 1 权限表的基本结构3 8 图4 1 2 权限认证的基本流程。3 8 图4 1 3 简单批处理模型。3 9 图4 1 4 并发模型4 0 图4 1 5 平行模型4 l 图4 1 6 可调度的并行模型“。4 2 图4 1 7 引入分发管理的应用描述文档4 3 图4 18 发布订阅模型4 4 图4 1 9 事件通知服务的应用4 4 图5 ，l 数值天气预报网格应用虚拟化的总体架构4 7 图5 2 主机注册页面4 9 图5 3 应用注册页面4 9 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图5 4 服务注册页面5 0 图5 5 工作流编辑器中集合预报服务列表5 0 图5 6 集合预报网格工作流编辑页面5 l 图5 7 集合预报网格工作流运行与监控5 l 第i v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 表4 1 应用程序模型的组成元素3 1 表4 2 注册服务的操作类型表3 2 表4 3 服务的事件表4 5 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我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的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 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 患作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：熬僮丞氢亟揠鲍廑用廑挞丝珏究塑塞理 学位论文作者签名：么垂区耋鱼 日期：力7 年2 月9 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查闶和借阅；可以将学位论文的全部或部分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 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：熬焦丞氢亟拯鲍廑周廑拯丝珏窥塑塞趣 学位论文作者签名：焦远塑 删僦 日期：矽刀年1 月日 日期：抄心年1 月2 日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 在数值天气预报领域，存在着大量的科学计算应用程序。这些应用程序大多都是用 f o r t r a n 、c 和脚本写的命令行程序，这些程序虽然高效，但通常是平台相关的，难以同其 他应用程序进行集成。由于缺乏统一的使用方式，客户端或终端用户需要访问这些应用程 序时往往难以找到它们，而且对于不熟悉这些应用程序的用户来说，开发远程调用这些应 用程序的代码也不是一个轻松的工作。许多气象应用程序是没有图形用户界面的，这也使 得用户与应用程序之间的交互变得比较复杂。 另外，数值天气预报系统的运行牵涉到复杂的流程控制和大量的参数设置，传统的解 决方法是采用脚本语言和n a m e l i s t 将控制过程编写为作业卡。采用手工编写作业卡方法时 容易出现格式错误等问题，即使是熟练的操作人员，也可能在写作业卡的时候忘了某个符 号，而这种人为的错误是在进行业务操作时应当尽可能减少的。 而近年来，网格技术在数值天气预报领域的应用越来越广，通过网格技术可以将分布 在不同地理位置上的气象数据、计算资源和气象应用等资源整合成为一个无缝的计算环 境。然而由于上述原因，在网格环境中直接使用这些现有的应用程序是不可行的，但是也 难以从根本上修改应用程序的工作方式或重新开发应用程序。因此本文通过研究应用虚拟 化技术，将应用程序的实现与底层的硬件和环境分离开来，从而让现有的应用程序也可以 网格上运行。 1 2 应用虚拟化研究现状 虚拟化是目前一个热门的基础设施话题。虚拟化是以某种用户和应用程序都可以很容 易从中获益的方式来表示计算机资源的过程，而不是根据这些资源的实现、地理位置或物 理包装的专有方式来表示它们【1 1 。虚拟化为数据、计算能力、存储资源以及其他资源提供 了一个逻辑视图，而不是物理视图。其主要目的是简化对资源的访问和对这些资源的管理。 消费者通过受虚拟资源支持的标准接口来对资源进行访问，这消除了从这些资源的物理实 现对它们进行的访问。虚拟化技术本身有很多的方向，网络级、芯片级、硬件级( 存储设备 服务器) 、操作系统级、软件级等。其中服务器虚拟化技术更是备受关注，它在提高服务 器使用率和节省各种软硬件资源体现了独特的优势。 而受服务器虚拟化技术【l j 在创建更紧凑、高度灵活和高性价比的服务器基础设施的应 用的激发，近年来开始研究应用的虚拟化技术，一些i t 厂商纷纷推出了各自的应用虚拟化 产品。虽然各厂商对应用虚拟化的提法不尽相同，但总体宗旨都是将关键应用计算从用户 设备中分离出来，通过集中化技术改善了控制力和安全性，从而提高关键应用系统的利用 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 率和降低系统的维护成本。以下列举了几个典型的虚拟化应用实例： 1 2 1p l a t f o r ms y m p h o n y p l a t f o r ms y m p h o n y 2 是p l a t f o r m 软件有限公司的一个专为金融业开发的网格计算产 品，可以将用户闲置的具有计算能力的各种计算机集合起来，对c p u 资源进行最合理的分 配利用。s y m p h o n y 充分利用现有n 资源，构建容错、可共享、可扩充，将计算密集型 应用服务分布于现有的异构i t 资源中，并使之虚拟化，从而实现快速执行，并创造出可 共享、可扩充、容错的虚拟基础设施。 p l a t f o r ms y m p h o n y 构建于p l a t f o r me n t e r p r i s eg r i do r c h e s t r a t o r 正g o b 基础之上。 p l a t f o r me g o 是一款将虚拟化、自动化和r r 资源共享能力赋予每种应用类型之中的网格 平台，通过将资源管理与负载管理相分离，可运用企业的业务政策，有效地分配、排序并 管理资源供应。p l a t f o r m e g o 充分利用网格计算平台的优势，提供了一个单一的管理环境， 可在地理位置分散的站点之间，为所有的关键任务应用、服务及工作任务集中分配共享资 源。 基于p l a t f o r me g o ，p l a t f o r ms y m p h o n y 可以轻松实现支持网格的应用，在同一网格上 可以管理多个应用，应用开发商能够在不依靠i t 人员的情况下，迅速实现其应用对网格 的支持。同时还借助通用w e b 接口，可对多种平台产品的轻松管理。自动故障切换与告 警通知功能为客户提供所需的业务连续性，显著提高资源利用率更快取得成效，并显著缩 短应用任务的运行时间；更迅捷的成效与按需分配的资源使您得以更为灵活并快速地适应 业务需要。 1 2 2 思杰公司的应用虚拟化技术 思杰公司已经在应用虚拟化领域奋斗了多年，积累了相当多的技术，从最开始的 w i n v i e w 和w i n f r a m e 到现在的m e t a f r a m e 和p r e s e n t a t i o ns e r y 洲。思杰在完成对 x e n s o u r c e 的收购后推出r r 业界最广泛的涵盖服务器、应用和桌面的完整的端到端虚拟化 产品。它通过c i t r i xx e n s e r v e r 实现服务器虚拟化，通过c i t r i xp r e s e n t a t i o ns e r v e r 实现应用 软件虚拟化，通过c i t r i xx 肋d e 蜘0 p 【4 】实现桌面虚拟化。现在我们比较关心的是c i t r i x p r e s e n t a t i o ns e r v e r 。 思杰与微软公司是共享合作伙伴关系，其软件虚拟化技术主要是针对w i n d o w s 应用。 c i t r i xp r e s e n t a t i o ns e r v e r 将所有的w i n d o w s 应用软件都统一安装并存放在数据中心【3 】内， 然后通过创新性的应用虚拟化技术和应用流技术将应用按需交付给终端用户，实现用户终 端设备应用软件“零维护”。对于企业的业务应用软件，所有软件的运算和数据库的访问都 在数据中心内完成，而将运算结果的显示屏幕进行虚拟化，并交付给终端用户；另外，对 于单独在客户端运行的应用软件，例如w o r d 软件，可以采用c i t r i x 的应用流技术，将应 用软件交付到桌面，并在客户端的一个受保护的虚拟化环境中单独运行。 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 2 3d a t a s y n a p s e 的应用虚拟化技术 d a t a s y n a p s e 是应用虚拟化软件的全球供应商，它的主要产品有g r i d s e r v 一5 1 和 f a b r i c s e r v e r l 6 1 。 g r i d s e r v e r 是一种网格计算的应用环境。它为基于分布式计算的工作负载提供了一种 组件体系结构。g r i d s e r v e r 对外提供自适应的非确定性负载平衡、动态调度和作业任务范 例。g r i d s e r v e r 包含三个基本组件：控制器、代理和引擎。如图1 1 所示，控制器是客户 端的主要联系点，它知道整个环境中所有代理的信息，以及这些代理都在管理哪些应用。 图1 1g r i d s e r v e r 的基本结构图 当客户端与控制器协商任务时，控制器就推荐客户端与适当的代理( 与应用相关的) 进行 协商。代理将对任务进行调度，将其发给网格中的引擎。它接收来自客户机的请求，并向 正在该环境中执行的引擎提供作业任务。引擎是执行所请求任务的组件。 当在服务器上启动引擎时，它将与代理进行联系，告知自己已经可用。在初始化阶段， 它将搜索所有可用的更新信息。一旦向代理注册之后，就可以用该例程接收任务了。引擎 通常都有一个主代理，其自身就被连接到这个代理上；但是它们可以根据网格环境的需要， 从一个代理转移到另外一个代理上。可以通过w e b 界面对这种环境进行管理，w e b 界面 可以提供精细的视图，或者对执行环境进行控制：也可以通过w e b 服务接口对这种环境 进行管理。 为了将计算资源以代理的形式呈现给用户和开发人员，d a t a s y n a p s e 采用了多种w e b 服务规范和标准，其中包括结构化信息标准促进组织o a s i s 的w e b 服务资源框架w s r f h i 和w 3 c 联盟的w e b 服务描述语言w s d l 1 2 1 。代理可以消除客户端绑定的需求，让应用安 装文件无需本地加载，并使商业逻辑在脱离特定服务器资源时也能实现。 f a b r i c s e r v e r 用于虚拟化w e b 应用以及在传统j a v a 应用服务器中运行的w e b 服务。它 可以跨越不同应用服务器来管理部署、激活以及可适应的负载均衡。f a b r i c s e r v e r 比较关注 如何简化应用的管理和部署，提高操作的效率和灵活性，同时减少成本和复杂性。它通过 第3 页 l 匿 l ( 巫堕蔓j 二二竺二二一 商。、1 7 ，7 商、隧圈 玎发jj 测试 声。镰 2 闲与兵亨 图1 2f a b r i c s e r v e r 的结构图1 6 】 1 2 4m i c r o s o f ts o r ( 讯d s o f t g f i d 7 原来是s o f t t r i c i t 的产品，后来s o f t t r i c i t 被微软收购，从而产生了m i c r o s o f t s o f t g r i d 应用虚拟化解决方案。使用s o f t g r i d 时，应用程序是从数据中心或其他网络位置 提供的，并在虚拟环境下的远程客户端上本地运行。虚拟化应用程序在真空区中运行，并 且其操作独立于操作系统和本地桌面上的其他应用程序。s o f t g r i d 可以隔离w i n d o w s 和运 行在其上的应用，并提供对应用的部署和管理。s o f t g r i d 包含一个“序列器”实用程序，可 以将所有系统变化都封装起来，让应用的安装过程可以将这些封装好的内容和已安装的应 用镜像一起放置在p c 机上半隔离的虚拟环境中。应用是根据a c t i v ed i r e c t o r y 中设定的策 略自动提供的，而且在会话终止时也会被自动清除。 s o f t g r i d 解决方案以活动目录为基础，结合s o f t g r i ds e r v e r 、s o f t g r i ds e q u e n c e r 、 s o f t g r i dc l i e n t 一并形成完整的虚拟应用程序解决方案，其中s o f t g r i ds e q u e n c e r 用以测试 和制作需要部署的应用程序包，s o f t g r i ds e r v e r 用以向s o f t g r i dc l i e n t 分发s o f t g r i d s e q u e n c e r 生成的程序包。s o f t g r i d 体系结构是由大量相互协作的组件组成的。它包含众多 s o f t g f i d 组件，如数据存储、虚拟应用程序服务器、排序器、管理控制台、管理w e b 服 务和客户端应用程序等，这些组件与标准的基础结构组件协作。s o f t g r i d 数据存储充当整 个虚拟化环境的中央存储库。数据存储安装在数据库中，用于保留记录、应用程序、配置、 许可数据、报告信息和日志记录信息。s o f t g r i d 具有两种类型：用于通用桌面的m i c r o s o f t 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 s o f l g l i d 应用程序虚拟化和用于终端服务器的m i c r o s o rs o r g r i d 应用程序虚拟化。 通过m i c r o s o f ts o f l c 试d 进行应用程序虚拟化可以显著改进系统可用性并简化管理。 当大量的部件协同工作时，该体系结构实际上可以与r r 基础结构进行无缝协作。由于应 用都通过流的方式提供并且完全被虚拟，用户只要登录任意一台电脑就可以接收到自己的 应用。 1 2 5t r i g e n c o t r i g c n c e 应用虚拟化软件产品被称为t r i g e n c ea e ( a p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t i s ，应用环 境) ，它将应用程序封装为独立、可移动的应用程序。t r i g e n c e 的主要精力集中在服务应 用层上，在这里应用与下层操作系统被分离开来。相对于“应用虚拟化”，t r i g c n c e 更偏爱 用“应用集装化”( a p p l i c a t i o nc o n t a i n e r i z a t i o n ) 这个词来描述应用与操作系统分离的过程。 t r i g e n c e 称应用集装化为应用的提取和分离 ，旨在实现简单的面向对象的管理，包 括复制和存档。例如，开发人员可以“克隆”某项应用，以便在需求量很大时，将克隆后的 应用放置在网上供用户使用。开发人员也可以将应用放在资料库中，以符合规定的要求。 利用应用环境，可以将生产过程中的应用和数据原封不动地复制并保存下来。 t r i g e n c e 的a e 的工作方式是将应用和特定的下层操作系统或服务器隔离开。它结合 使用了c 、c _ 卜+ 和j a v a ，对个体数据中心应用进行打包，响应g u i 命令，将它们送到另一 个位置。a e 可以运行在w i n d o w s 、l i n u x 和u n i x 上。 一些应用环境的早期使用者利用该技术处理了多年前遗留的应用，这些用户都非常害 怕去接触这些应用，因为知道如何移动、修改和安装这类应用的人已经是少之又少了。利 用应用环境，企业可以将应用和相关的操作系统组件收集起来，将其作为数据中心内的有 价值单元，保留下来。由于可以从下层系统中分离出特定应用的详细内容，就可以更轻松地 支持不同的应用，包括那些在单一操作系统授权的单台服务器上运行多操作系统的特殊应 用。集装化后的应用可以在不同版本的操作系统间自由移动，但仍然必须使用同一品牌的 处理器。也就是说，用户不能把那些在s p a r c 处理器上运行的应用迁移到英特尔处理器 上。 1 3 课题研究内容及目标 本文将针对数值天气预报系统的应用需求，研究和实现数值天气预报的应用虚拟化解 决方案。主要工作如下： 1 研究和设计一个服务封装工具，用于将现有应用程序封装为w e bs e r v i c e s ，以便 在多个机器之间实现任务的分发。研究如何实现服务的动态按需创建，如何实现 服务的可扩展性。 2 研究和设计分布式工作目录管理模块，避免多用户运行数值天气预报应用时产生 的数据干扰问题。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 研究应用虚拟化的服务安全级别，结合应用封装工具设计基于策略的权限认证模 块，实现服务的安全访问控制。 4 研究应用虚拟化的分发管理模型，结合应用封装工具设计分发管理模块，提高资 源利用率。 5 研究事件通知模型，设计事件通知服务以支持数值天气预报应用虚拟化中应用及 服务的运行信息的发布。 1 4 论文结构 全文总共分为六章，各章内容如下： 第一章：绪论。首先介绍了课题的研究背景，然后介绍了5 种目前比较热门的应用虚 拟化解决方案，最后介绍了本课题的研究内容及目标。 第二章：应用虚拟化研究。首先介绍应用虚拟化的概念，然后引出应用虚拟化的相关 技术，接着重点介绍了应用虚拟化的三步基本实现过程，最后研究应用虚拟化带来的优势。 第三章：数值天气预报的应用虚拟化系统框架。首先介绍数值天气预报系统中三种具 体应用的特点，然后设计系统的总体架构和功能结构，并总结系统的特点。 第四章：数值天气预报的应用虚拟化关键模块的研究和设计。分别从应用封装工具、 工作目录管理、安全性设计、分发管理和事件通知六个方面对数值天气预报的应用虚拟化 进行详细地研究和设计。 第五章：数值天气预报的应用虚拟化实践。结合数值天气预报应用网格应用需求，实 现数值天气预报系统的应用虚拟化。 第六章：结束语。总结课题的研究工作，并展望未来的研究方向。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章应用虚拟化研究 虽然虚拟化技术已经出现了很长一段时间，但应用虚拟化技术却是在近几年来才被人 们关注的，因此有必要先去了解应用虚拟化的概念、主要工作以及能够带来什么优势。本 章从总体上认识应用虚拟化技术，首先介绍应用虚拟化的概念和相关技术，然后讨论应用 虚拟化的基本过程以及应用虚拟化带来的优势。 2 1 应用虚拟化的概念 目前应用虚拟化还没有一个明确的定义，不同的组织和企业对应用虚拟化的理解也各 有不同。有些偏重于屏蔽底层环境的复杂性而为用户提供友好的用户体验，有些偏重于提 高资源的利用率从而节省成本，还有些则偏重于构造一个虚拟化以便遗留应用程序的系统 集成。此外，不同解决方案的应用虚拟化的程度也各有差异，有的仅仅为应用的接口做了 一层包装，有的则在对应用的内部进行分解基础上进行修改和封装。 就虚拟化来说，通常存在两种目标：一是在单个物理资源上实现多个逻辑资源，如图 2 1 ；二是将多个物理资源实现一个逻辑资源，如图2 2 。前者的目的主要是为了提高资源 的利用率，后者的目的主要是从单一的逻辑角度来看待不同的物理资源，从而简化原本复 杂的管理过程。 图2 1 在单个物理资源上实现多个逻辑资源 图2 2 多个物理资源实现一个逻辑资源 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 应用虚拟化是在屏蔽具体物理资源的情况下为用户提供应用体验的过程。体验是指用 户只需调用应用的虚拟接口，而不用去运行具体的应用。本文研究的应用虚拟化主要面向 数值天气预报系统。通过应用虚拟化，将现有的气象应用程序从底层中脱离出来，排除应 用复杂配置产生的问题，使之能作为网格应用程序运行于网格之上。经过虚拟化后的应用 程序能充分利用网格的优势，实现对资源的有效利用，应用程序及其生成的大量共享数据 和功能能够被用户在需要的时候访问和使用。 2 2 1w e b 服务 2 2 相关技术分析 根据w 3 c 对w e b 服务的定义：w e b 服务【1 4 1 是由u r i 标识的软件系统，其接口和绑定 可以用x m l 来定义和描述并且可以被发现，与其他软件通过基于i n t c m c t 的协议以x m l 消息交互的方式直接交互。简单来说，w e b 服务就是一个向外界暴露出的能通过i n t e r a c t 进行调用的a p i 或应用程序。 2 2 1 1w e b 服务的特征 w e b 服务具有以下5 个特征【1 4 】： 1 完好的封装性 w e b 服务既然是一种部署在w e b 上的对象，自然具备对象的良好封装性，对于使用 者而言，他能且仅能看到该对象提供的功能列表。 2 松散耦合 这一特征也是源于对象组件技术，当一个w e b 服务的实现发生变更的时候，调用者 是不会感到这一点的，对于调用者来说，只要w e b 服务的调用接口不变，w e b 服务的实 现任何变更对他们来说都是透明的，甚至是当w e b 服务的实现平台从j 2 e e 迁移到了n e t 或者是相反的迁移流程，用户都可以对此一无所知。对于松散耦合而言，尤其是在i n t e r a c t 环境下的w e b 服务而言，需要有一种适合i n t e r a c t 环境的消息交换协议。而x m l s o a p 正是目前最为适合的消息交换协议。 3 使用协约的规范性 这一特征从对象而来，但相比一般对象其界面规范更加规范化和易于机器理解。首先， 作为w e b 服务，对象界面所提供的功能应当使用标准的描述语言来描述( 比如w s d l ) ；其 次，由标准描述语言描述的服务界面应当是能够被发现的，因此这一描述文档需要被存储 在私有的或公共的注册库里面。同时，使用标准描述语言描述的使用协约将不仅仅是服务 界面，它将被延伸到w e b 服务的聚合、跨w e b 服务的事务、工作流等，而这些又都需要 服务质量( q o s ) 的保障。其次，我们知道安全机制对于松散耦合的对象环境的重要性，因此 我们需要对诸如授权认证、数据完整性( 比如签名机制) 、消息源认证以及事务的不可否认 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 性等运用规范的方法来描述、传输和交换。最后，在所有层次的处理都应当是可管理的， 因此需要对管理协约运用同样的机制。 4 使用标准协议规范 作为w e b 服务，其所有公共的协约完全需要使用开放的标准协议进行描述、传输和交 换。这些标准协议具有完全免费的规范，以便由任意方进行实现。一般而言，绝大多数规 范将最终有w 3 c 或o a s i s 作为最终版本的发布方和维护方。 5 高度可集成能力 由于w e b 服务采取简单的、易理解的标准w e b 协议作为组件界面描述和协同描述规 范，完全屏蔽了不同软件平台的差异，无论是c o r b a 、d c o m 还是e j b 都可以通过这一 种标准的协议进行互操作，实现了在当前环境下最高的可集成性。 2 2 1 2w e b 服务采用的技术 目前，以下这些技术在w e b 服务中得到广泛应用【1 4 】： 1 x m l ( 可扩展的标记语言) x m l 是w e b 服务平台中表示数据的基本格式。除了易于建立和易于分析外，x m l 主 要的优点在于它既是平台无关的，又是厂商无关的。x m l 解决了数据表示的问题，但它没 有定义一套标准的数据类型，更没有说怎么去扩展这套数据类型。例如，整形数到底代表 什么? 1 6 位，3 2 位，还是6 4 位? 这些细节对实现互操作性都是很重要的。w 3 c 制定的 x m l s c h e m a ( x s d ) 就是专门解决这个问题的一套标准。它定义了一套标准的数据类型，并 给出了一种语言来扩展这套数据类型。w e b 服务平台就是用x s d 来作为其数据类型系统 的。 2 s o a p ( 简单对象访问协议) w e b s e r v i c e 建好以后，你或者其他人就会去调用它。简单对象访问协议口( s o a p ) 提供 了标准的r p c 方法来调用w e b 服务。s o a p 规范定义了s o a p 消息的格式，以及怎样通 过h t t p 协议来使用s o a p 。s o a p 也是基于x m l 和x s d 的，x m l 是s o a p 的数据编码 方式。 3 w s d l 1 2 】( w e b 服务描述语言) w s d l 就是描述x m lw e b 服务的标准x m l 格式，w s d l 由a r i b a 、i n t e l 、i b m 和微 软等开发商提出。它用一种和具体语言无关的抽象方式定义了给定w e b 服务收发的有关操 作和消息。w s d l 是一种x m la p p l i c a t i o i l ，它将w e b 服务描述定义为一组服务访问点， 客户端可以通过这些服务访问点对包含面向文档信息或面向过程调用的服务进行访问。 w s d l 首先对访问的操作和访问时使用的请求响应消息进行抽象描述，然后将其绑定到具 体的传输协议和消息格式上以最终定义具体部署的服务访问点。相关的具体部署的服务访 问点通过组合就成为抽象的w e b 服务。 4 u d d i ( 统一描述、发现和集成) u d d i 由i b m 、a r i b a 和m i c r o s o f t 建立的，其目的是在网页上自动查找w e b 服务。 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 u d d i 构建于网络传输层和基于s o a p 的x m l 消息传输层之上。u d d i 基于现成的标 准，如可扩展标记语言( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ，x m l ) 和简单对象访问协议( s i m p l e o b j e c ta c c e s sp r o t o c o l ，s o a p ) 。u d d i 的所有兼容实现都支持u d d i 规范。一旦w e b 服务注册到u d d i ，客户就可以很方便地查找和定位到所需要的w e b 服务。 2 2 1 3w r e b 服务技术体系 w e b 服务技术体系由一系列开放的协议和规范组成，这些协议和规范可以由任意方实 现。为了标准化w e b 服务技术，w 3 c 和o a s i s 都成立了相应的工作组进行w e b 服务的 标准化工作。m m 、m i c r o s o f t 、h p 、b e a 、s u n 、o r a c l e 等公司也在积极促进w e b 服务技 术的发展和标准化。 w e b 服务技术体系如图2 3 所示，其中最下层的传输协议是被i n t e r a c t 和其他分布式 计算平台广泛使用的标准，这表明w e b 服务技术可以架构在多种分布式平台之上。技术体 系中s o a p 、w s d l 和u d d i 三个部分构成了w e b 服务的核心技术规范。最上层是服务流 程，提供了一种服务编程语言，用该语言可以组合基本服务形成支持业务过程的复合服务。 另外，安全、管理和服务质量也是w e b 服务技术不可或缺的部分，它们是所有层次都需要 的。 图2 3w e b 服务技术体系结构【1 5 】 2 2 1 4w e b 服务在数值天气预报系统的应用 在数值天气预报系统的应用虚拟化中，需要将现有应用从底层运行环境中分离出来， 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 且能够运行与网格之上。对应用程序和核心服务进行抽象最好是通过一系列开放标准进 行。虚拟化的目的是为系统提供一个兼容的标准化接口，因此通过使用开放标准，就可以 确保虚拟层尽可能地开放和得到最为广泛的支持。 w e b 服务的所有规范都是基于x m l 的，因此继承了) a l 良好的数据互操作性和扩 展性。数据互操作性体现在与任何平台编程语言相关的私有数据格式都可以映射为标准 的、文本格式的x m l 表示，从而超越了平台编程语言相关的具体实现。扩展性体现在可 以容易地构造双方都能理解的结构化信息。w e b 服务的所有规范都是开放的，客户对w e b 服务的调用并不依赖于任