（计算机软件与理论专业论文）一种基于博弈的网格资源分配策略.pdf

摘要 网格是近年兴起的一种重要的并行分布式计算技术，其关键技术之一是对网格 中的资源进行管理。一种好的资源管理技术能够充分有效的利用网格上的资源，以 吸引更多的资源拥有者将自身的资源加入到网格上来。由于网格资源异构性、动态 性、自治性和二分特性的特点，使得网格资源的管理不同于一般网络环境中的资源 管理。将经济学理论应用于网格资源管理是当前此领域内的热点问题，大量研究证 明了经济学的引入能够更好的实现网格资源管理。在降低问题复杂性的同时可以利 用经济学里的数学模型对资源管理进行优化分析。 本文介绍了网格的基本概念、国内外网格的研究现状以及网格技术的三要素， 在对网格资源管理现状的研究基础上深入分析了当前在资源管理领域中利用经济学 模型的相关研究，分析了将经济学引入网格资源管理的优势。其中博弈论作为主流 经济学的一部分，是研究决策主体的行为发生直接相互作用时的决策以及这种决策 的均衡问题的。这也正好契合了网格资源管理中的资源分配问题的特点。 在此基础上，考虑用户有预算约束的情况下，将网格环境中的多个用户竞争一 个资源的情况形式化为多人博弈问题。通过假设网格环境和设置相应变量，基于博 弈理论建立了网格资源分配机制和竞价策略博弈模型，并应用动态规划算法证明了 纳什均衡的存在。同时对该模型提出了基于博弈理论的网格资源分配算法。文章最 后利用当前流行的网格仿真工具g r i d s i m 对该算法进行了性能仿真。 实验结果表明，本文提出的基于博弈论的网格资源分配策略是可行的，与其他 两种算法相比可以提高网格资源分配的性能。 关键词：网格；资源管理；博弈论；网格仿真 a b s t r a c t g r i di sas i g n i f i c a n tt e c h n o l o g yo fp a r a l l e ld i s t r i b u t e dc o m p u t i n gr i s ei nr e c e n ty e a r s r e s o u r c em a n a g e m e n ti so n eo fi t sk e yt e c h n o l o g i e s ag o o dt e c h n o l o g yo fr e s o u r c e m a n a g e m e n tc a nu s et h er e s o u r c e so nt h eg r i dm o r ee f f e c t i v e l y , w h i c hc a na t t r a c tm o r e r e s o u r c e so w n e r st op u tt h e i rr e s o u r c e so nt h eg d d t h eg r i dr e s o u r c em a n a g e m e n ti s d i f f e r e n tf r o mt h a ti nn e t w o r ke n v i r o n m e n t ，b e c a u s et h er e s o u r c e si ng r i dh a v es o m e f e a t u r e s ，h e t e r o g e n e o u s ，d y n a m i c ，a u t o n o m ya n dd i c h o t o m y i ti sah o tp r o b l e m t h a tu s e s t h ee c o n o m i ct h e o r yi nt h eg r i dr e s o u r c em a n a g e m e n t ，a n dm a n yr e s e a r c h e sh a dp r o v e d t h a ti tc a nd ob e t t e r t h em a t hm o d e li ne c o n o m i cc a nb eu s e dt oo p t i m i z ea n da n a l y z et h e p r o b l e mi nr e s o u r c em a n a g e m e n tw h i l e l o w e rt h ec o m p l e x i t yo f t h ep r o b l e m t h et h e s i si n 仃o d u c e dt h eb a s i cc o n e e p t si ng r i d , r e s e a r c hs t a t u sd o m e s t i ca n da b r o a d ， a n dt h et h r e ef a c t o r si n 匝dt e c h n o l o g y b a s e do nt h er e s e a r c hs t a t u so fg r i dr e s o u r c e m a n a g e m e n t t h et h e s i sa n a l y z e dt h er e s e a r c hu s i n gt h ee c o n o m i cm o d e li n r e s o u r c e m a n a g e m e n ta n dt h ea d v a n t a g e so fi m p o r t i n ge c o n o m i ct h e o r y a sap a r to fm a i n s t r e a m e c o n o m i c s ，g a m et h e o r yi su s e dt og e tt l l ed e c i s i o n m a k i n gw h e ng r o u p so fp e o p l e i n t e r a c ta n da l s ot h ee q u i l i b r i u mp r o b l e m ，w h i c hf i t st h ef e a t u r e so fr e s o u r c e sa l l o c a t i o n i ng r i dr e s o u r c em a n a g e m e n t t h ec o n t r i b u t i o n so ft h et h e s i sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w s w i t hr e g a r d i n gt h es i t u a t i o n t h a tt h eg r i dc o n s u m e rh a sb u d g e tr e s t r i c t i o n f o r m a l i z et h ep r o b l e mt h a ts e v e r n l c o n s u m e r sc o m p e t ef o ro n er e s o u r c ea sag a m ew i t hs e v e r a lp l a y e r s f r o ma s s u m i n gt h e g n de n v i r o n m e n ta n ds e tv a r i a b l e s t h et h e s i sf o u n d e dag r i dr e s o u r c ea l l o c a t em e c h a n i s m a n dab i d i n g p o l i c ym o d e l ，p r o v e dt h ee x i s t e n to fn a s he q u i l i b r i u m t h e ng a v ea a l g o r i t h mh a s e do ng a m et h e o r y a n di nt h ee n d t h et h e s i sd i dap e r f o r m a n c es i m u l a t i o n u s et h eg r i d s i mt o o l k i t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eg r i dr e s o u r c e sa l l o c a t ep o l i c yu s i n gg a m et h e o r yp r o p o s e di n t 1 1 et h e s i si sf e a s i b l e i tc a ni m p r o v et h e 鲥dr e s o u r c e sa l l o c a t ep e r f o r m a n c ec o m p a r e d w i t ht h eo t h e rt w oa l g o r i t h m s k e yw o r d s ：g i r d ；r e s o u r c em a n a g e m e n t ；g a m et h e o r y ；g n d s i m u l a t i o n 青岛大学硕士学位论文 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，均己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。 论文作者繇韩辉日期时年j 月胭 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。 不保密影 日期：出和如l 日期：d 5 年r 月i l 吖 嗨，互 r 彩，弓乙 醐讳铀 方 ”l 0 尼 一碑缃 p y j 7 3 桃 储 潞 黼 姚 雌 第一章绪论 1 1 网格技术概论 第一章绪论 1 1 1 网格的概念 网格( g r i d ) 1 】技术起源于2 0 世纪9 0 年代初由美国政府资助的分布式超级计算 项目i - w a y i2 。从1 9 9 3 年开始，高性能计算技术和互联网技术进一步融合，酝酿 产生了继因特网、w e b 之后的第三大技术浪潮。“网格”这一术语的思想则源于日常 生活中公共设施的应用，伊恩福斯特出版的著作中最早将它称之为“网格”。 现在，人们已经非常习惯于打开电源开关就能获得照明，打开水龙头就有水自 动流出，而完全不必考虑电力和自来水来自什么地方，它们只是在需要的时候自然 的出现在人们身边。那么，是不是能够用同样的方式来获得和使用复杂的网络资源 呢? 网格技术的出现为这一设想提供了可能。网格思想一经提出，就以构建如同公 共设施一样的共享、可靠的计算系统为最终目的。 网格是一种新技术，与许多新兴技术一样，关于网格计算，不同组织或个人都 有自己的定义。网格技术从提出到现在已有1 0 年时间，与网格相关的技术也日益完 善，但至今仍没有一个确切的概念来定义网格。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”。前者认为网格必须同时满足以下三个 条件【3 】：( 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 ) 提供非凡的服务。而广义的“网格观”则认为网格不仅包括计算网 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格计算模式， 例如对等计算( p 2 p ) 、进化计算等【4 】。 网格计算研究的先导l a nf o s t 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。这一定义无论从范围、程度还是 本质上都已经与当前w e b 所关心的互连问题有了明显的不同，它引入了虚拟组织的 概念，资源的范围更加广泛，共享更具目的性，强调协同解决问题，其问题存在的 环境具有异构、分布、动态、演化等特点。简单的讲，一大批异构的资源组成了一 个网格，这些资源以众所周知并且一致的方式进行交互和运转。具体的讲，网格是 可以作为虚拟的整体而使用的在地理上分散的异构资源，这些资源可能属于不同管 理域，它们包括网络可达的异构计算机、数据库、科学仪器、文件和超级计算系统 等。 1 1 2 网格的特点 与传统分布式技术相比，网格更强调资源共享和不同资源之间的互操作性。其 青岛大学硕士学位论文 特点主要包括： ( 1 ) 分布性： 网格资源通常是跨管理域的资源，这些资源属于不同的组织，它们之间有些建 立了信任关系，有些没有，管理没有信任的网格资源面临重大挑战。通过身份认证 等安全技术可以防止非法用户通过网络使用或获取网格的任何资源，保障数据的安 全性。通过权限控制和数据隐藏技术使用户只能获取允许的信息和知识，而不能窃 取未授权的信息。 ( 2 ) 异构性： 分布在广域网的不同管理域的资源具有异构性，主要表现在：每个系统可能具 有不同的数据表示；每个系统可能安装不同体系结构的处理器；每个处理器可能有 不同的处理速度；每个系统的内部消息可能有不同的通信速度；每个系统可能采用 不同的通信协议；通过将异构资源映射成统一管理的逻辑资源，实现资源的动态收 集、处理与调度是网格资源管理系统的关键。 ( 3 ) 自治性： 网格要保证网格节点的自治性。自治性是指网格系统不应影响节点的原有功能， 节点有自愿加入和退出网格的权力。 ( 4 ) 动态性： 网格的动态性是指网格设备的增加与减少，不影响网格其它部分的功能与性能， 网格可以自动迁徙相关资源或服务到其它部分，不影响网格的应用性能。 ( 5 ) 管理的多重性： 网格上的资源也必须接受网格的统一管理，否则不同的资源就无法建立相互之 间的联系，无法实现共享和互操作，无法作为一个整体为更多的用户提供方便的服 务。冈此网格的管理具有多重性。 1 1 3 网格计算的三要素 在网格计算中，首先要查清网格里所有可用资源，比如哪些主机可供访问、还 空置多少处理能力、数据库里可供使用的数据是什么、共享的应用程序是否已准备 好、共享主机采用何种文件系统等。用户提交的任务要由系统来分配资源并控制其 运行，包括要将其分配到哪些主机上运行、调用哪些数据、启动何种应用程序、何 时开始运行等。这样，网格计算至少需要具备三种基本功能：任务管理、任务调度 和资源管理。 任务管理：用户通过该功能向网格提交任务、为任务指定所需资源、删除任务 并监测任务的运行状态。 任务调度：用户提交的任务由该功能按照任务的类型、所需资源、可用资源等 2 第一章绪论 情况安排运行日程和策略。 一 资源管理：确定并监测网格资源状况，收集任务运行时的资源占用数据。 1 2 研究背景 随着现代科学技术的发展，人类进行科学研究的领域不断拓宽，所遇到的问题 越来越复杂，规模也越来越大，探索科学问题所需要的计算能力和存储能力等需求 也在大幅度提高。对于这些科学问题的研究，局部的计算和存储等资源根本无法满 足要求，需要充分利用广域的分布资源，形成高度集成的有机整体，提供强大的计 算能力、存贮能力、设备访问能力、信息融合和共享的能力。由此，网格( g r i d ) 这种 实现更大粒度和更大范围资源共享与协同的网络计算模式的出现具有一定的必然 性。 网格计算己经成为当前国际研究的一个热点和前沿领域，引起了各国政府、学 术界以及工业界的高度重视，目前国际上己经涌现出一大批网格研究项目，例如， 美国的g l o b u s t 5 】，l e g i o n 6 ，c o n d o r i7 】等，欧洲的c e r n ( 欧洲原子能研究机构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 ，c e r n 为法文缩写) d a t a g 瑚阐，m o l t 4 j 等，澳大利亚的 n i m r o d t 9 】等，日本的n i n t = 【1 0 】等。我国在这一领域同样具有重大的应用需求，同时 也具备了一定的基础。目前己经完成或正在进行的网格研究项目主要有清华大学的 先进计算基础设施( a d v a n c e dc o m p u t a t i o n a li n f r a s t r u c t u r ea c i ) ；以中科院计算所为主 的国家高性能计算环境( n a t i o n a l h i g hp 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 n h p c e ) ；8 6 3 计划支持的“中国网格( c h i n ag r i d ) ”；由中科院计算所领衔开发“织 女星网格”；由上海多所大学开展的“上海教育科研网格”；以及由航天二院和清华 大学共同开展的“仿真网格”等等。 网格初始目标是通过实现对网络上各种资源的充分共享而为特定的大型计算提 供必须的计算能力，随着网格技术和应用发展的需要，网格技术的应用不再局限于 科学计算领域，逐渐在商业领域得以应用和发展，如i b m 公司的e b u s i n e s so n d e m a n d ，h p 公司的a d a p t i v ee n t e r p r i s e ，以及s u n 公司的m i c r o s y s t e m s s p a y a s y o u g o ，这些公司的网格平台都以按需服务为目标。f o s t e r 等结合w e bs e r v i c e 技术提出了开放网格服务结构( o p e ng r i ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e ，o g s a ) ，o g s a 的核心 目的是为网络上的各种资源提供一种安全、高效的共享机制，使得各种异构和孤立 的资源能协同工作，以一个整体服务于不同的应用，：“实现资源在跨组织之间应用的 共享与集成。 网格的本质是对大规模的、分布的、异构的、动态的、多机构的资源进行组织 和管理。网格环境下资源组织与管理的理论与方法是网格系统研究和应用中最基本、 最核心、最关键并最具有挑战性的问题之一，也是目前国际上公认的网格基础理论 青岛大学硕士学位论文 研究方而的热点和难点问题。时格资源管理是一个非常复杂的问题，其复杂性表现 在：资源的分布、异构、动态变化和自治性：应用请求的异构性等等。为了有效地 支持各种应用，作为网格核心设施的资源管理系统( r e s o u r c em a n a g e m e n ts y s t e m ， r m s ) 除了必须满足容错和稳定性的要求以外，还必须符合的需求包括：具有适应 性、可延伸性和可扩展性；允许具有不同管理策略的系统进行协同工作，同时保持 各自站点的自治性；能够对资源进行联合分配；支持服务质量( q o s ) 控制；考虑计算 的经济性。 1 3 研究现状 w o l s k i l l l 】和b u y y a 首先在计算网格中建立了基于经济市场的资源分配机制。 s a n d h o l m t 眩】给出计算、通讯以及保密问题都与经济激励机制密切相关的结论。全 球网格论坛g g f 的一个工作组提出了网格经济服务框架( g r i de c o n o m i cs e r v i c e s a r c h i t e c t u r e ，g e s a ) 劓，目标是在g g f 所提出的o g s a 之上制定关于网格经济服 务架构的一些标准和规范。其中几个关键项目包括网格经济服务接口( g r i de c o n o m i c s e r v i c e si n t e r f a c e ，g e s i ) ，可交易网格服务( c h a r g e a b l eg r i ds e r v i c e s ，c g s ) 和网格银 行服务( g r i db a n k i n gs e r v i c e s ，g b s ) ，目前各项工作刚刚起步，缺乏相关文献和具体 实现。 b u y y a 领衔开发的基于计算经济的网格资源调度系统n i m r o d g 是著名的将计算 经济的方法引入网格计算的项目。n i m r o d g 网格资源调度器能够在计算网格中管理 和调度应用，系统采用经济市场模型对资源进行交易。n i m r o d g 提供资源发现、资 源交易、调度等功能。底层资源管理用g l o b u s 或l e g i o n 系统提供的服务，采用由 用户定义的时间限制和预算限制条件下的应用级调度策略。 b u y y a 基于早期市场机制在分布式系统中的应用研究成果，在文献中深入探讨 了网格环境中的基于经济学的分布式资源管理和调度问题，b u y y a 领衔的g r i d b u s 项目研究数据网格的基于价值的共享与交互问题，并基于一系列应用组件构造了一 个网格经济学框架g r a c e ( g r i da r c h i t e c t u r e f o rc o m p u t a t i o n a le c o n o m y ) 引。 g r a c e 在g i o b u s 之上进行了扩展，补充了一些负责资源交易的中间件，例如网格 市场目录g m d 、网格交易服务器和用于电子支付的g b a n k 等等。图卜1 是g r a c e 的基本架构。 利用经济学中的博弈理论解决资源管理问题侧重于多个理性利益主体的行为 所产牛的相瓦影响与作用的分析，其中个人的最优选择是其他人选择的函数，并将 资源配置看成是一个博弈问题，通过寻求纳什均衡解得到资源的优化配置方案。 m a h e s w a r a n l l 5 】提出了基于纳什均衡的拍卖可划分资源的优化用户费用的资源分配 策略。林雯【删等人则提出了一种最大化资源提供者效用的基于博弈的改进算法机 4 第一章绪论 制。k w o k 提出了一个层次化网格的博弈论模型，考虑了资源的自私行为对整个网 格作业执行性能的影响，但没有考虑用户的自私行为。 ，一 g m d l 畸 服务信息查询 4 g b a n k 网 资源调度 网 格 作 网 格 信 业 格 用 息 控 由 服 制 间 户 件务 器 资源交易 服务提供者 ( g s p ) - 应用部署 图1 - 1g r a c e 框架 1 4 本文的主要工作 - 本文的研究内容是基于经济模型的网格资源分配问题，根据当前网格资源管理 相关研究的某些长处和不足，本文主要在以下几方面做了一些工作： ( 1 ) 比较系统的研究了网格技术及网格资源管理技术的发展背景及研究现状，并 分析总结了现有的网格资源管理系统存在的一些不足之处。 ( 2 ) 分析了将经济学方法引入网格资源管理的优势。对当前已有的基于经济学相 关理论的网格资源管理模型进行了较详细地分析，指出它们的优势和不足之处。 ( 3 ) 系统学习博弈论相关知识，并通过利用数学知识对相关方程求解与分析，将 网格环境中的多个用户竞争一个资源的情况形式化为一个多人博弈问题。通过假设 网格环境和设置相应变量，基于博弈理论建立了网格资源分配机制和竞价策略博弈 模型，并应用动态规划算法证明了纳什均衡的存在。提出了相应的资源分配算法。 ( 4 ) 学习并掌握了使用g r i d s i m 模拟测试的方法，在建立了相关的资源和用户模 型后，对已提出的算法进行了性能模拟，并分析了模拟结果。 1 5 本文组织结构 本文内容安排如下：第一章绪论介绍了网格技术的相关知识；第二章对网格资 5 青岛大学硕士学位论文 源管理技术要点进行了论述；第三章着重介绍了基于经济模型的网格资源管理；第 四章建立了基于博弈论的网格资源分配模型；第五章是仿真试验与性能分析；第六 章足总结与展望。 6 第二章网格资源管理 第二章网格资源管理 2 1 网格体系结构 网格可以简单划分为网格资源，网格系统和网格用户三个层次，如图2 1 所示。 网格体系结构的主要功能是划分系统基本组件，指定组件的目的与功能，刻画组件 之间的相互作用，整合各部分组件。当前已经提出并实现了若干种合理的网格体系 结构。目前影响比较广泛的是网格协议体系结构( g r i dp r o t o c o la r c h i t e c t u r e ) 和计算经 济的网格体系结构g r a c e 模型。前者以o l o b u s 和开放网格服务结构o g s a ( o p e n g r i ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ) 为代表。 f 网格系统 p 夕鑫固参 一：，物理层分布式资源i 图2 - 1 罔格的三层结构 g l o b u s 五层沙漏结构叫： i a nf o s t e r 于2 0 0 1 年提出了网格协议体系结构g l o b u s ，当时被认为是网格建设 的核心，是标准化的协议与服务，并可与i n t e r a c t 网络协议进行类比。该协议建立在 互联网之上，以互联网协议中的通信、路由、名字解析等功能为基础。计算网格的 协议分为构造层、连接层、资源层、汇集层和应用层共五层结构。如图2 2 所示。 构造层是网格中可以被共享的资源所在的层，该层包括计算设备、存储设备、 目录、分布式文件系统、分布式计算机池、计算机集群、网络、传感器、贵重仪器 以及其他设备。该层的功能是向上提供网格中可共享使用的资源接口，网格通过支 持设备共享的协议来访问本地设备。 连接层是网格中处理通信与授权控制的核心协议层。构造层的各种资源间的数 据交换都在这一层的控制下实现。各资源间的授权验证、安全控制也在这里实现。 在此协议中提供一次登陆、委托授权、局域安全方案整合、基于用户的信任关系等 7 青岛大学硕士学位论文 功能。 应用层 ； 聚层 1r 资源层 r 连接层 图2 - 2 五层沙漏结构 资源层的作用是网格中对单个资源实施控制，与可用资源进行安全握手，对资 源进行初始化，监测资源运行情况，统计与付费有关的资源使用数据。该层使用连 接层的通信和安全协议，实现资源共享的安全协商、启动、控制、监控、记账、付 款等。资源层协议有信息协议和管理协议两种。信息用来获得关于资源结构和状态 的信息，管理协议用来协商访问和共享资源。 汇集层的作用是将资源层提交的受控资源汇集在一起，供应用程序共享使用。 汇集层提供目录服务、资源分配、日程安排、资源代理、资源监测诊断、网格启动、 负载控制、帐户管理等功能，协调多个资源之间的工作，有跨资源集合的交互协议 和服务。 网格的最上面一层是应用层，网格应用包括代码和网格调用两部分网格应用 可以调用网格各低层提供的有用服务，如资源管理服务、数据访问服务、资源发现 服务等等。为便于网格应用程序开发，需要构建支持网格计算的库函数。应用程序 通过服务调用网格上的资源来完成任务。 面向服务的o g s a 结构嘲： o g s a 是g l o b u s 工作组和全球网格论坛( o c f ) 合作于2 0 0 2 年6 月制定的。它是 g l o b a lg r i df o r u l4 的重要标准建议，是继五层沙漏结构之后最重要，也是目前 最新的一种网格体系结构，被称为是下一代的网格结构。0 g s a 是在原来的五层沙漏 模型的基础上，结合最新的w e bs e r v i c e s 技术提出来的。0 g s a 包括两大关键技术， 即网格技术和w e bs e r v i c e s 技术。以服务为中心是o g s a 的基本思想。在o g s a 框架 中，将一切都抽象为服务，包括计算机、程序、数据、仪器设备等。这种观念，有 第二章网格资源管理 利于通过统一的标准接口来管理和使用网格。五层模型的目的是要实现对资源的共 享；而在o g s a 中，则要实现的是对服务的共享。 支持w e bs e r v i c e s 的o g s a 架构如图2 - 3 所示，它还可以抽象为四个主要层次。 o g s a 架构的四个主要层次从下到上依次为：资源层包括物理和逻辑资源；w e b 服务 层；基于o g s a 架构的网格服务层和网格应用层。 应用( a p p l i c a t i o n s ) o g s a 体系结构的服务( o g s aa r c h i t e c t u r a ls e r v i c e s ) o g s i w e bs e r v i c e s 图2 - 3 基于w e b s e r v i c e s 的o g s a 架构 物理和逻辑资源层：构成网格能力的资源并不仅限于处理器。物理资源包括服 务器、存储器和网络。物理资源之上是逻辑资源。它们通过虚拟化和聚合物理层的 资源来提供额外的功能。 w e b 服务层：开放网格服务基础结构o g s i 规范定义了网格服务，网格服务建立 在标准w e b 服务技术之上。o g s i 利用x m l 与w e b 服务描述语言( w e bs e r v i c e s d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，w s d l ) 这样的w e b 服务机制，为所有网格资源指定标准的接 口、行为与交互方法。o g s i 进一步扩展了w e b 服务的定义，提供了动态的、有状态 的和可管理的w e b 服务的能力，这些在对网格资源进行建模时都是必需的。 基于0 g s a 架构的网格服务层：w e b 服务层及其o g s i 扩展为下一层提供了基础设 施，即基于架构的网格服务。g g f 目前致力于在诸如程序执行、数据服务和核心服 务等领域中定义基于网格架构的服务。随着这些新架构的服务开始出现，0 g s a 将变 成更加有用的面向服务的架构( s o a ) 。 网格应用层：随着时间的推移，一组丰富的基于网格架构的服务不断开发出来， 使用一个或多个基于网格架构的服务的新网格应用程序亦将出现。这些应用程序构 成了o g s a 架构的第四个主要的层次。 9 青岛大学硕士学位论文 2 2 网格资源管理应提供的服务 网格资源管理的任务就足把网格中分散的各种资源管理起来，使多个资源请求 者可以共享使用网格中的同一个资源，资源请求者可以根据业务需要同时或先后使 用网格中的多个资源，而不需要资源请求者付出额外的劳动。资源管理的目的包括 以下三个： ( 1 ) 为用户提供访问资源的简单接口。 ( 2 ) 协调资源的共享使用。 ( 3 ) 代替请求者去使用资源，并建立安全的网格资源使用机制。 资源管理模块除了管理资源的使用过程以外，更重要的是管理资源的整个生命 周期，即资源的注册、共享到注销的整个过程。此时，资源管理器需要具备的基本 功能包括：资源注册、资源描述、资源发现、资源部署、资源代理和资源注销。 资源注册：资源的拥有者向网格注册中心声明、登记目前自己的闲置的可共享 的资源，使之变成网格资源，能被网格用户发现并使用。在此过程中，需要确定资 源的使用接口、描述资源的功能、确定共享策略等。资源的请求者应遵循标准的资 源描述和接口规范提出资源请求。 资源描述：要采用统一的描述框架和描述形式，以支持网格成员间的互操作。 在同一资源注册中心应采用统一的资源描述方法，以实现在注册中心涉及的资源范 围的有效资源调度。在不同的资源注册中心之间交换信息时，遵循共同的中间交换 格式，也可以实现两个注册中心间的交互。即所谓的网格技术与平台和具体实现无 关。 资源发现：为资源请求者提供描述资源需求的方式，能够根据资源需求描述在 资源信息数据库中查找匹配满足需求的资源信息，并返回请求者。资源的分配是在 资源本身共享的策略的基础上进行的，资源共享也必须根据策略进行。 资源部署：网格资源是动态协同分配和联合调度的，在使用之前需要将资源部 署到资源的运行环境中，即虚拟组织中。 资源代理：作为在用户和资源之间中介，代替用户完成资源发现、分配、调度 和使用等操作。 资源回收和注销：资源回收是分配给用户的资源在使用完后，网格要进行回收， 以便分配给其他用户使用。资源注销是指资源由于资源或节点失效等原因要求退出 网格，相应为其修改资源信息数据库的记录。 2 3 网格资源管理模型 目前网格资源管理体系结构模型主要有三种，分别是分层模型7 1 、抽象所有者 1 0 第二章网格资源管理 模型鲫和经济市场模型1 9 2 0 1 。三种模型都各自体现了不同的特点，经济市场模 型是当前应用最广泛的模型。 2 3 1 分层模型 该模型基本思想就是将整个网格资源管理系统分成若干个功能层，高层次的组 件利用低层次的组件提供的服务来实现自身的功能，并向更高的层次提供服务。图 2 4 显示了基于分层模型的网格资源管理体系结构。 该模型由被动和主动两种组件构成。被动组件包括资源、任务、作业、调度几 个部分。主动组件包括：( 1 ) 全局调度器；( 2 ) 信息服务；( 3 ) 域控制代理；( 4 ) 分配代 理：( 5 ) 用户；( 6 ) 许可控制代理；( 7 ) 监控器；( 8 ) 作业控制代理。 图2 4 分层模型 2 3 2 抽象所有者模型 在该模型中任何网格资源都能被一个或多个“抽象所有者”( a o ) 所代表。假定 由自治代理代表用户来和a o 进行协商。通过协议或对话，客户和a o 之间以协商 的方式对获取和使用资源进行安排。 a o 的一般结构就像百货商店，为了从a o 处获取访问资源，客户与a o 在订购 窗口就资源是否可用、价格如何以及获取资源时所使用的协议进行协商。若客户对 协商结果满意，则进行预订，否则终止协商。预定后，客户可在规定的时间通过交 货窗口从a o 处获取资源。 对所有的协商，a o 将返回一个代码通知操作的成功、协商i d 及其有效期。一 旦“待定”型或“确认型协商获得成功，客户可向交货窗口提交协商i d 并提取资 源。 抽象所有者模型在资源共享过程中遵循定购和交货模式。 抽象所有者模型集中于长期目标，仍有许多尚待解决的问题，目前还没有具体 的网格计算系统采用。 震蒸攀麓豢翟鬻 次模型中相对成熟的技术又明确强调了以矗纂吴羹i 磊：羹：竺：。竺司邕利用层 的汁算经济特征。图2 5 显示了基于经济；喜磊：昱兰! 竺等具有典型 模型主要由以下四个部分组成： “”状土口怡贸源官埋体系结构，该 嬲薯雾未慧鸳2 二詈磐要! 熙参量钒并行应用和协同应用等。 梁，芸燃黧网黧皇! 服务磊蒜晶磊罢嚣：裂嚣蒜 黧兰纂黧毒警黧黧：磊蒹嚣蹒瑟震篓 翥等黧嚣锄能姗作业控制蠢主；矗篇嚣饕黧和分配代理构成。 ”一仅俯、删佾弘u 觅器、交易代理 理、：黧霎誓资霎登耋孥供基棚网格服皴持，包括远程进程管 翥名絮? 存黼悯服纛兰霉茹纛嚣瑟霎薯和作业执行等。”“、y 、其琛坝约、资源交易 能体鬟警黧：耋黧兰苎喜兰内懈境，是经济市场模型中最 霎裟萎篓翼黧。霎黧篓茔宝篓不多主羔嚣。纛茹嚣巍盂霎? 器盖 篙篆喜篓羹淼嚣鬻，运薹盖荔喜翌嚣磊嚣袅嚣竺 裟鬻黧鬻黑。，? 礤减。弑荔鬟詈燃 耋嚣言雾嘉黧雾它与用户协商，菇苫茹蠢鬻翼裔萎姜芸震 化，篓纛恕黧黧耋艘并能够适应环境和用户需求的变 募筹黧蓦棚嬲施具有巨大的潜i 7 鼍苫箍端嚣篙雾嚣喜 理体系结构模型。 心口刖脞州取刀j ；之的嘲格资源管 分层模型是当前许多网格资源管理系统所使用的方法；抽象所者者模型在资源 1 2 第二章网格资源管理 共享过程中遵循定购和交货模式，目前尚无具体的应用；经济市场模型体现分层模 型和抽象所有者模型的本质，并且使用了计算经济的概念。但是每一种模型都不能 满足网格中的所有需求，所以现实中的网格资源管理系统在演化的过程中往往是融 合了多种思想以后变成了混合模型，其体系结构中包含了所有模型的基本特性。 2 4 网格资源管理系统结构 在资源管理系统中，有资源请求者、资源中介( 网格信息服务器) 和资源提供者 三个实体，分别扮演三种角色。根据资源管理过程中信息流动路径的不同，资源管 理系统有三种形式雎引。 ( 1 ) 直线形。资源请求者向资源中介者提出资源请求，资源中介者为用户寻找 合适的资源，为用户提供服务。资源为用户服务的结果仍然是通过资源中介者返回 给资源提供者。 ( 2 ) 折线形。用户向资源中介者提出请求，资源中介者为用户找到合适的资源 并把资源标识和使用资源的接口信息返回给用户。用户根据返回信息，组织消息和 数据，驱动资源工作，得到资源提供的服务。 ( 3 ) 三角形。用户向资源中介者提出请求，资源中介者为用户寻找合适的资源 并驱动资源工作，并告诉资源把服务结果用什么形式、向哪个地址返回给请求者。 资源开始工作，服务结束后按照中介者提供的消息把服务结果告诉资源请求者。 每种结构都有自己的优缺点。表2 - 1 是对三种结构的比较。 一 表2 - i 三种资源管理结构的比较 结构直姗折线形三角，l 用户接口简荤复杂简单 诗求次数 12l 协议通用通用、专用通用、专用 受蠢中赍者动鏖：复杂 简单 较复杂 三种不同的结构中，资源管理器的功能也不一样。在直线形结构中，资源管理 器是用户和资源之间的纽带，不仅要负责匹配用户请求和资源，还要负责用户和资 源的交互信息的转接，功能复杂。在折线形结构中，资源管理器只负责用户请求和 资源之间的匹配，不关心用户和资源之间的真正交易，功能简单。三角形结构则在 具备两者优点的同时也具备了两者的缺点，功能比较复杂。 这三种结构各自适合在不同要求的场合下使用。直线形用于追求用户接口简单 的场合，折线形适用于用户和资源双方需要协商的情况，三角形则适合接口简单又 1 3 青岛大学硕士学位论文 注重效果的情况。 2 5 小结 本章主要介绍了网格中的资源管理，涉及的内容包括网格体系结构，网格资源 管理应提供的服务，网格资源管理模型和网格资源管理系统结构。网格体系结构中 主要介绍了g l o b u s 五层沙漏结构和面向服务的o g s a 结构。网格资源管理模型介绍 了现在主要的三种模型，分别是层次模型、抽象所有者模型和经济市场模型。网格 资源管理系统结构中介绍了三种形式的资源管理系统，直线形、折线形和三角形， 并比较了三种形式各自的优缺点。 1 4 第三章基于经济模型的网格资源管理 第三章基于经济模型的网格资源管理 3 1 经济学应用于网格资源管理的优势 经济学家为稀缺资源的分配建立了一种有效机制市场机制。一方面，大量 的经济活动实践已经证明了市场机制的效用；另一方面，充分的经济理论研究同样 证明了：在众多没有或者很少中央指导的情况下，市场机制能够获得近似最优化的 资源分配结果。用经济学研究网格资源管理问题的合理性体现在2 5 1 ： ( 1 ) 经济学提供了激励机制 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。 ( 2 ) 分散自主决策、动态协调 经济活动中的市场是一种基于分散自主决策的机制。市场的每个参与者都根据 自身掌握的信息，自主地决定商品交易额度，依据个人理性进行决策。网格是一个 自治的、异构的、动态的分布式环境。通过引入市场机制，把每个资源管理者和使 用者都看作是经济社会的理性经济人。由价格机制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自治和动态特征。 ( 3 ) 效率 资源分配的首要目标是效率。经济学通过帕累托优化和社会福利函数来解决资 源分配的效率问题。经济学不仅给出了帕累托优化的观点，还给出了实现帕累托优 化的途径，这就是市场竞争。 ( 4 ) 公平 资源分配的目标还包括公平。网格中用户需求是异构的，即相同的计算能力和 相同的价格对不同的用户具有不同的效用，体现公平需要按需分配。经济学研究了 分配的公平性问题。 用微观经济学研究网格资源共享问题有两大优势，一是经济学方法提供了降低 资源管理问题复杂性的方法，二是经济数学模型能够从不同的角度来研究资源共享 问题。经济学降低资源管理问题复杂性的方法包括分散化组织、竞争和价格体系。 这些方法能够有效解决网格分布、自治、动态等问题。因此研究基于经济模型的资 源管理方法是建立有效的、可扩展的、稳定的资源分配机制的关键途径。在网格环 境下用经济学方法控制资源分配具有如下的优点： ( 1 ) 有利于构建大规模网格。提供了激励机制使得资源拥有者愿意加入网格并获得 收益。 青岛大学硕士学位论文 ( 2 ) 价格机制有利于调节资源的供给和需求，解决资源稀缺和负载均衡问题。 ( 3 ) 允许用户表达其需求和目标，并实现按需分配。 ( 4 ) 用简单的和有效的方法，为不同的用户、在不同的时间、提供不同的服务，满 足用户q o s 需求。 ( 5 ) 提供了高效灵活的竞争机制进行资源分配和管理。 ( 6 ) 资源拥有者和用户能够以自身利益为目标，使收益和效用最大化。 3 2 相关概念 ( 1 ) 网格资源提供者( g r i dr e s o u r c ep r o v i d e r , g r p ) 。它是通过出售资源，允许他人 使用自己的计算资源，从而获得网格货币的计算机。 ( 2 ) 提供者代理( p r o v i d e r a g e n t ，p a ) 。它是网格资源提供者的软件代理，支持不 同的策略，能够根据提供者的意愿发布资源，管理与接收应用程序执行有关的事 务。 ( 3 ) 网格货币( g r i dc u r r e n c y , g c ) 。它是网格环境中的一般等价物， 可以是网格 环境中的一种紧俏资源，对所有网格资源的计量都可按比例地转换为对这种网格货 币的计量。网格货币与现实生活中的货币有一定的对应关系，最终可转换成现实生 活中的货币【2 6 j 。 ( 4 ) 网格资源消费者( g r i dr e s o u r c ec o n s u m e r , g r c ) 。它是通过付出网格货币， 购买网格资源，获得网格服务的计算机。 、 ( 5 ) 消费者