（通信与信息系统专业论文）网格通信相关技术研究.pdf

摘要 网格作为建立在互联网之上的新一代技术，在国内外的学术界和工业界都引 起了广泛的关注。不同于传统的分布式计算，网格将网络、通信、计算和信息结 合起来形成一个虚拟平台为用户提供一体化信息和应用服务。 本文结合近年来国内外对网格技术的研究成果，对网格的概念、网格的体系 结构及网格的应用进行了论述，并结合现有的网络技术，对网格通信中存在的问 题进行了分析总结，其中包括网格通信的协议、网格带宽管理、网格环境下的高 速网络性能分析和基于策略的网格管理。最后，本文从网格q o s 特性、网格q o s 保 证机制、基于q o s 的网格体系结构及网格参数等四个方面着手，对网格q o s 进行了 理论上的研究，并通过实验对两种网格q o s 支持体系g a r a 和g q o s m 进行了分析 比较。 关键词：网格计算带宽协议策略服务质量 a b s t r a c t a san e wg e n e r a t i o no ft e c h n o l o g yb a s e do nt h ei n t e r n e t ，t h e 西di sw i d e l yp a i d a t t e n t i o nt ow i t h i na c a d e m i aa n di n d u s t r yc i r c l e sb o md o m e s t i c a l l ya n di n t e r n a t i o n a l l y d i s t i n g u i s h e df r o mc o n v e n t i o n a ld i s t r i b u t e dc o m p u t i n g ，t h eg r i dc o m b i n e sn e t w o r k i n g ， c o m m u n i c a t i o n , c o m p u t a t i o na n di n f o r m a t i o nt op r o v i d eav i r t u a lp l a t f o r mf o ru s e r s w i t ha ni n t e g r a t e di n f o r m a t i o na n d a p p l i c a t i o ns e r v i c e s b a s e do nt h er e s e a r c h e so nd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lg n dt e c h n o l o g yi nr e c e n t y e a r s ，t h ec o n c e p t ，a r c h i t e c t u r e ，a n dt h ea p p l i c a t i o no ft h e 鲥da r ed i s c u s s e di nc u r r e n t p a p e r c o m b i n e d 晰t 1 1e x i s t i n gn e t w o r kt e c h n o l o g y , s e v e r a l 鲥dc o m m u n i c a t i n gi s s u e s ， s u c ha st h eg r i dp r o t o c o l s ，鲥db a n d w i d t hm a n a g e m e n t ，a n a l y s i so f h i g h - s p e e dn e t w o r k p e r f o r m a n c ei n 曲de n v i r o n m e n ta n dp o l i c y b a s e dg i r dm a n a g e m e n ta r ea n a l y z e da n d s u m m a r i z e d f i n a l l y , s o m ei n - d e p t h s t u d i e so nt h e o r i e sa r ed o n eb a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i c so f 酣dq o s ，t h eg u a r a n t e em e c h a n i s mo f 酊dq o s ，q o s - b a s e d 鲥d a r c h i t e c t u r ea n d 鲥dp a r a m e t e r s ，a n dt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa r e d e s i g n e dt o a n a l y z ea n dc o m p a r et h et w ok i n d so fg r i dq o ss u p p o r t i n gs y s t e m ，g a r aa n d g q o s m k e y w o r d s ：g r i dc o m p u t i n g b a n d w i d t h p r o t o c o lp o l i c yq u a l i t yo fs e r v i c e 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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；也不包含为获得西安电子科技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中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 之! 筮日期呈墟：至! 丝 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布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论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 日期逊：主：丛 羞 名 名 签 签 人 师 本 导 第一章绪论 1 1 1 网格的概念 第一章绪论 1 1 网格概述 网格是一种新技术，它通过高速的共享网络，将不同地域的各种资源连结起 来，形成一个逻辑整体，就像一台虚拟的超级计算机一样。这台虚拟计算机可以 为用户提供一体化的信息和应用服务( 计算、存储、访问等) ，实现资源共享和协 同工作，彻底消除资源“孤岛 ，让人们像用电一样简单的使用各种资源( 这是借 鉴“t h ee l e c t r i c a lp o w e rg r i d ”的概念) 。 然而，人们在认识网格的过程中，通常存在两种观点：第一种是将网格作为 一种特殊的中间件系统来看待，它将网格开发工具作为整个网格系统，忽视了网 格中庞大的资源规模和复杂的结构组成：另一种观点是把网格看做是由计算机、 人、仪器、数据等通过网络连接起来的一个系统，它过分强调网格资源的独立性 和离散性，忽视了它们之间的联系。这两种观点都存在一定片面性，只有将两者 结合在一起，才是对网格系统完整的理解。 i a nf o s t e r 在文献【l 】中给出了网格最初的定义：“网格是构建在互联网上的一组 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，而网格的功能则更多更强，它可 以让人们透明地使用计算、存储等其他资源。 后来，f o s t e r 为了帮助大家更好地理解网格系统，他在文献1 2 中给出了判断网 格的依据，这需满足以下三个条件： ( 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。 目前，网格技术的研究还在处于婴儿期，从提出到现在不过十几年的时间， 它精确地含义和内容还没有固定，还处于不断地变化之中，然而，随着网格技术 的快速发展，新思想、新技术、新观点不断地提出，我们对于网格的理解也将更 加精确、更加成熟。 1 1 2 网格的特性 网格是一个在地理位置上广泛分布的基础设施，用户数量巨大，资源千差万 2网格通信相关技术研究 别，需求种类繁多，应用功能各异。网格要给用户、资源提供畅通的渠道，提供 安全、高效、高质量的服务，必须具备以下基本特性： ( 1 ) 虚拟性。网格中的资源和用户都要经过抽象，把实际的用户和资源虚拟 成为网格用户和网格资源。网格用户使用标准、开放、通用的协议和界面，可以 访问网格中的各种资源，网格资源对外提供一个虚拟化的接口供用户使用，但实 际的用户和物理资源之间是互相不可兼得的。 ( 2 ) 共享性。网格中的各种资源都能够被共享使用，它是一个提供资源共享 的场所，它的多个用户不仅能够使用同一个资源，而且一个用户也可以同时使用 多个资源。 ( 3 ) 集成性。网格把地理位置上分布的各种资源集成在一起，形成一个有机 的整体，它能够对资源进行统一的协调处理，并根据不同的需求将资源分散给世 界各地的网格用户。用户不仅可以使用单个资源提供的功能，而且能够联合使用 多个资源的合成功能。网格可以集成来自不同管理系统、不同管理平台及具有不 同能力的资源。 ( 4 ) 协商性。网格支持资源的协商使用，资源请求者和资源提供者可以通过 协商得到不同质量的服务，满足不同的实际需求。通过协商，请求者和提供者之 间还可以建立专用的服务接口，提供突出个性的服务。请求者可以制定系统响应 时间、数据带宽、资源可用性、安全性等各种要求，得到非平凡的服务质量。 1 2 网格的研究意义 在我们的工作和学习中，许多领域需要很强的计算能力，但是我们个人或者 单位所拥有的资源却不能达到所需的要求。网格把地理位置上分布的各种资源集 成起来，给网格用户或上层应用提供访问各种资源的统一接口，提供共享资源的 机制，帮助人们节约计算资源，带给人们更加强大的生产力，并能够在信息领域 的生产者和消费者之间建立一种和谐关系，走可持续发展道路【3 】。 网格有着非常广泛的应用领域，一旦建立网格，可以开展许多以前无法进行 的工作和研究。随着研究的深入，技术的发展，网格的应用可以覆盖科技、商业、 工业、医学、自然科学等多个学科的研究，例如：欧洲核子研究中一t , ( c e r n ) 启 动的粒子对撞机便是网格使用的最突出例子，它利用一个全球性的超级计算机网 络进行筛选分析所获得的数据，用于科研研究，同时有将近3 5 个国家1 5 8 个机构 的5 0 0 0 多名科学家将世界各地的存储和处理资源集于一体，对粒子撞击事件进行 分析。 第一章绪论 1 3 国内外研究现状及研究组织 下面，简单的介绍一下六个国内外主要的网格研究项目。分别是u ke s c i e n c e p r o g r a m m e 、t h eu st e r a g r i d 、日本的n a r e g i 、中国的c h i n a g r i d 、欧洲的e g e e 、德 国的d 。g r i di n i t i a t i v e 。 1 3 1 中国的c h i n a g r i d 当前，中国有三个国家级网格项目：分别是中国国家网格( c n 嘶d ) 、中国网 格( c h i n a g r i d ) 、中国科学网格项目( c h i n as c i e n c eg r i dp r o j e c t ) 。 其中最为著名的是c h i n a g r i d t 4 j 。2 0 0 2 年，教育部提出c h i n a g r i d 项目，是2 1 1 工 程公共服务体系建设的重大专项，目的是将分布在教育与科研网上自治的分布异 构海量信息资源集成起来，消除信息孤岛，提供有效的服务，形成高水平低成本 的计算服务平台，将高性能计算送到教育与科研网用户的桌面上，成为国家科研 教学服务的大平台。它的长远目标是建设中国乃至世界上“最大、最先进、最实 用 的网格系统。 c h i n g f i d 的基本框架是c e r n e t ( c h i n ae d u c a t i o na n dr e s e a r c hn e t w o r k ) ，它构 建于1 9 9 4 年，覆盖全国8 0 0 多所高校和科研单位。c h i n g r i d 的第一个阶段是 2 0 0 3 2 0 0 6 年，有1 2 所重点高校参与，研究重点是计算网格平台及应用。第二阶段 是2 0 0 7 2 0 1 0 年，将覆盖全国3 0 至u 4 0 所大学，研究重点是将计算网格的应用扩展到 信息服务网格。第三阶段是2 0 1 1 2 0 1 5 年，覆盖全国1 0 0 所大学，网格应用更加多样 化，例如可进行设备共享。 c h i n a g r i d 为各种网格应用提供基础支撑的网格核心中间件一h i n a g r i d 公共 支撑平台( c g s p ) ，用来支撑以上提到的三个阶段：e s c i e n c e ，e i n f o r m a t i o n ，a n d e i n s t r u m e n t 。c g s p 共划分为5 个功能模块：网格门户，为网格终端用户提供网格 服务的入口；网格开发工具包，提供资源网格化封装的工具包和网格构建管理工 具包，以及提供面向网格环境的编程模型，用于复杂的网格作业开发；信息服务， 负责网格环境中各类资源信息的管理，实现一个全局的资源视图，提供网格信息 服务，并实时更新网格资源信息；网格管理，为网格提供各种工作的基本支持环 境；网格安全，提供包括用户身份的认证、资源和服务的授权、加密传输、以及 用户身份到资源授权的映射等功能。 1 3 2 德国的d g r i di n i t i a t i v e 2 0 0 3 年，德国科学家和科学组织共同发表了一份战略文件，分析了网格在德国 的研究现状和技术成果，并提出了网格研究和发展的长期战略。2 0 0 4 年3 月，d g r i d 4 网格通信相关技术研究 项目开始建立。d g r i d l 5 的第一个阶段开始于2 0 0 5 年9 月1 日，目标是在未来五年内 设计一个集成性的分布式网络，能够让高性能的虚拟资源及相关服务处理大量的 科学数据和信息。 d g r i dl ：2 0 0 5 2 0 0 8 。设计和创建早期的计算科学社区来为科学家提供信息技 术服务。这种全球化服务框架被称为社区网格( c o m m u n i t yg r i d s ) ，用于高能物理， 天体物理学，医学和生命科学，地球科学，科学数据库等等。 d g r i d2 ：2 0 0 7 2 0 1 0 。网格服务提供者为科学家、工业和商业提供基础服务， 包括化学、生物、金融、制药等新的应用。d g r i d2 将在现存的网格构架基础上扩 展服务水平协议s l a 和知识管理层，增添多个虚拟技术中心，并利用该网格基础设 施服务于整个社会。 1 3 3 欧洲的e g e e e g e e t ：q ：是在e u r o p e a n d a t a g r i d ( e d g ) 项目基础上建立的，目的是建立一个能 够一天2 4 4 , 时运转的可靠和安全的网格基础设施。在第一阶段，e g e e 包括7 0 多个 合约组织和3 0 多个非合约组织，并分为1 2 个联盟，广泛涵盖了科学和工业的应用。 第二阶段从2 0 0 6 年4 月1 日启动，有超过3 2 个国家的9 0 个合约组织和4 8 个非合约组 织参与。 e e g e 项目有三个核心方面：第一个方面是建立一个统一，强大和安全的网格 网络，吸收额外的计算资源。第二个方面是不断提高和维护中间件功能来为用户 提供可靠的服务。第三个方面是从工业、科学领域吸收新的网格用户，确保他们 能接受较高层次的培训并对他们的需求进行支持。 该项目最初的重点包含了高能物理和生物医学两个应用领域，目前已经发展到 天体物理、计算化学、地球科学、财政仿真、核能、地球物理、高能物理、生命 科学、多媒体等9 个领域2 0 多个应用。 1 3 4 日本的t h en a r e g ia r o j e c t n a r e g i 8 1 项目是日本国家网格项目，它以全球化网格环境为标准，主要目标 是开发网格中间件作为未来电子科学的基础，来实现大规模的计算环境。n a r e g i 项目于2 0 0 3 年由日本m e x t 提出建立，并于2 0 0 6 年进一步研究开发，扩展到了下一 代超级计算机应用环境中。2 0 0 8 年推出了n 触迮g i 网格中间件1 0 版本，并于2 0 1 0 年推出2 0 版本。 1 3 5 英国的t h ee s c i e n c ep r o g r a m 英国e s c i e n c e 开始于2 0 0 1 年，它由工程和物理科学研究理事会代表所有研究团 第一章绪论 体进行管理，利用通用技术开发的中问件，将各种不同资源进行无缝接入网络并 建立计算网格。 目前，e s c i e n c e 9 1 已进入第三阶段的研究。它的前两个阶段分别是：2 0 0 1 2 0 0 4 年和2 0 0 4 2 0 0 6 年。 第一个阶段围绕着六个内容进行，分别是：国家e s c i e n c e 中心与连接到区域 e s c i e n c e 网格中心网络的连接、通用网格中间件和示范项目、网格计算科学的研究 项目、支持e s c i e n c e 应用的试点项目、参与国际网格项目及活动、建立一个网格网 络团队。 第二个阶段也是围绕着六个内容进行，分别是：国家e s c i e n c e 中心与连接到区 域e s c i e n c e 网格中心网络的连接、对u ke s c i e n c e 社区的支持、开放中间件基础构 架研究所( o m i i ) 、数字典藏中心( d c c ) 、e s c i e n c e 的新模型、参与国际网格项 目和活动。 1 3 6 美国的t e r a g d d t e r a g r i d 【6 】是由芝加哥大学网格基础设施团队( g i g ) 协调，1 1 个站点参与所组 成的开放性科学发现框架。t e r a g d d 利用高速网络将各地的高性能计算机、数据资 源和工具，高端实验设备连接起来。目前，t e r a g r i d 拥有超过千万亿次的计算能力、 能够管理和存储3 0 p b 的数据，并能在高性能网络上进行快速访问和检索。研究人 员还可以访问超过1 0 0 个分类数据库。这样的资源组合，使t e r a g r i d 在开放性科学 研究上成为世界最大的、最全面的分布式网络基础设施。 1 4 本文组织结构 本文主要围绕网格的相关通信技术，在总结与分析现有研究成果基础之上， 对网格通信中存在的关键问题进行了研究，实现了网格实验平台的搭建，并对两 个基于q o s 保证的网格支持体系模型进行了分析比较。 本文主要内容安排如下： 第一章综述了网格的概念、国内外研究现状和研究组织及网格研究的意义。 第二章讨论了网格的体系结构，并对主要的网格中间件进行介绍。 第三章提出目前网格网络中存在的主要问题，并针对相关问题进行了分析。 第四章对网格q o s 进行了讨论，从网格q o s 特性、网格q o s 保证机制、基于q o s 的网格的体系结构及网格参数等四个方面进行了理论上的研究，并通过实验对两 种网格q o s 支持体系g a r a 和g q o s m 进行了分析比较。 第五章对全文进行总结。 第二章网格的体系结构及中间件 7 第二章网格的体系结构及中间件 2 1 网格体系结构 网格体系结构是网格设计的基础，是关于如何构建网格的技术。当前，比较 重要的网格体系结构有三个，分别是五层沙漏结构、开放网格服务结构o g s a ( o p e ng r i ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ) 、w e b 服务资源框架w s r f ( w s r e s o u r c e f r a m e w o r k ) 。 在网格的体系结构中，有两个内容至关重要，一个是协议和服务，另外一个 是a p i s 和s d k s ( 软件开发包) 。 2 1 1 五层沙漏结构 五层沙漏结构【1 0 】是根据该结构中各组成部分与共享资源的距离来定义的，它 把对共享资源的操作、管理和使用的功能分散在五个不同的层次，由下至上分别 为构造层、连接层、资源层、汇聚层和应用层。越向下层就越接近于物理共享资 源，越向上层就越接近于抽象资源，如图2 1 。 五层沙漏结构 t c p 舻 i 应用层 l l 1 i r 汇聚层 l i 1r 资源层 i 1r i 连接层 l 图2 1 五层沙漏体系结构与t c p f i p 协议层的比较 构造层( f a b r i c ) ：构造层面对的是一个个具体的物理( 也可以是逻辑) 资源， 它通过对这些局部资源的管理，向上层提供访问这些资源的接口。构造层的资源 可以是计算资源、存储资源、网络资源或者是一个复杂的系统，它提供的功能越 丰富，则可以支持的高级共享操作就越多。构造层应该实现的基本功能包括查询 虽 8 网格通信相关技术研究 机制( 发现资源的结构和状态等信息) 、控制服务质量的资源管理能力等。 连接层( c o n n e c t i v i t y ) ：主要是为下层的物理资源提供安全的数据通信能力，这 是资源之间进行互操作的前提，它使孤立的单个资源之间建立了联系。连接层的 基本功能就是实现资源之间的相互通信，它定义了核心的通信和认证协议，利用 这些协议可以在构造层的资源之间交换数据。 资源层( r e s o u r c e ) ：主要功能就是实现对单个组织内的资源共享，它反映的是 抽象的局部资源特征。资源层建立在连接层的通信和认证协议之上，它只考虑单 个的局部资源，而忽略了全局状态和跨越分布资源集合的原子操作。 汇聚层( c o l l e c t i v e ) ：它的功能是将以单个资源形式表现出来的资源集中起来， 协调解决多个资源之间的问题。由于汇聚层的协议和服务描述的是资源的共性， 因此并不涉及资源的具体特征。而且由于汇聚层是建立在资源层和连接层形成的 协议瓶颈之上，所以不需要在资源上再强加其它的新要求。 应用层( a p p l i c a t i o n ) ：它和资源的距离最远，所关心的是有什么样的资源可以 由下层提供给虚拟组织，解决不同虚拟组织的具体问题。应用层是在虚拟组织环 境中存在的，是根据在任一层次上定义的服务来构造的。 五层结构中，最重要的思想就是以“协议”为中心，强调服务与应用程序接 口( a p i ，a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e s ) 和软件发展工具( s d k ，s o f t w a r e d e v e l o p m e n tk i t s ) 的重要性。资源层和连接层共同组成了瓶颈部分，使得该结构呈 沙漏形状。其内在的含义就是各部分协议的数量是不同的，对于其最核心的部分， 要能够实现上层各种协议向核心协议的映射，同时实现核心协议向下层各种协议 的映射，核心协议在所有支持网格计算的地点都应该得到支持，因此核心协议的 数量不应该太多，这样核心协议就形成了协议层次结构中的一个瓶颈。 2 1 2 开放网格服务体系结构( o g s a ) o g s a 1 1 , 1 4 是针对五层结构的不足发展起来的，它将g l o b u s 标准与万维网服 务结合起来，基于w e b 服务、采用诸如x m l 和h t t p 标准协议、建立面向服务 的分布式系统，并引入网格“服务概念，把一切都抽象为服务，即可以表示为 网格= 网格服务。 如果说五层沙漏结构是以协议为中心的“协议结构 ，则o g s a 就是以服务为 中心的“服务结构 。可以这样理解网格服务，网格服务= 接口行为+ 服务数据。以 服务为中心的好处是可以通过提供一组统一的核心接口，将所有的服务通过这些 接口实现，并且可以使多个逻辑资源实例映射到相同的物理资源上，通过网格服 务的虚拟化，将通用的语义和行为，无缝地映射到本地平台的基础设施之上。 第二章网格的体系结构及中间件 9 登柔瓣黝问一燃络黼卜 显示撤销 叶 ( 必需的)( 可选的) r 软状态生命周期 绑定特性 可靠激活 认证 1 标准接口 通知 授权 服务创建 服务注册 管理 并发 2 面向特别应 用的接口 图2 2o g s a 网格服务结构 o g s a 包括两大技术，即网格技术( 如g l o b u s 软件包) 和w e bs e r v i c e 技术。 g l o b u s 是一种基于社团的、开放结构的、开放源码的服务集合，也是支持网格和 网格应用的软件库，该工具包能解决安全、信息发现、资源管理、数据管理、通 信、错误监测以及可移植等问题。w e bs e r v i c e 是一种新的w e b 应用程序分支，通 常采用x m l 进行信息交换，它可以提供一组松散耦合、具有封装性、与平台和编 程语言无关的接口，来解决服务发现、服务创建、生命周期管理、通知等问题。 o g s a 是个抽象的东西，是一个框架，它的核心规范是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 ，开放网格服务基础结构) 。o g s i 是构建o g s a 的基础设施， 是基于w e b 服务标准的网格服务基本规范。o g s i 提出了网格服务的概念，并针对 网格服务定义了一套标准化的接口，主要包括：服务实例的创建、命名和生命期 管理、服务状态数据的声明和查看、服务数据的异步通知、服务实例集合的表达 和管理、以及服务调用错误的处理等。 o g s a o g s l l l 2 1 架构由四个主要的层次构成，分别是：资源层、w e b 服务层、 基于o g s a 架构的服务层、网格应用程序层，如图2 3 。 ( 1 ) 资源层：资源是o g s a 以及网格计算的中心部分，包括物理资源和逻辑 资源。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，逻辑资 源通过虚拟化和聚合物理层的资源来提供额外的功能。 ( 2 ) w e b 服务层：o g s a 架构中的第二层是w e b 服务，这里有一条重要的 o g s a 原则是所有网格资源( 逻辑的与物理的) 都被建模为服务。o g s i 规范定义 了网格服务并建立在标准w e b 服务技术之上。o g s i 利用x m l 和w e b 服务描述语 言这样的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。 ( 3 ) 基于o g s a 架构的服务层：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。全球网格论坛目前正在致力于在诸如程序执 l o 网格通信相关技术研究 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，o g s a 将变成更加有用的面向服务的架构。 ( 4 ) 网格应用程序层：随着时间的推移，一组丰富的基于网格架构的服务不 断被开发出来，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 架构的第四个层。 应用 基于o g s a 架构的服务 o g s i w 曲服务 旧o g s 流ai 旧o g s ali 嚣il 需l 旧o g s a 统i 旧o g s 库al o g s a o g s ao g s a 服务 网络存储 图2 3o g s a o g s i 的主要架构 2 1 3w e b 服务资源框架( w s r f ) 随着o g s i 实践经验的积累，o g s i 的不足逐渐显现，例如：o g s i 单个规范 中的内容太多，所有接口和操作都与服务数据有关，缺乏通用性，而且o g s i 规范 没有对资源和服务进行区分；o g s i 不能与现存的w e b 服务工具包一起良好地工 作，因为它过多地采用了x m l 模式，这可能带来移植性差的问题；o g s i 把一个 有状态的资源刻画成为一个封装状态的w e b 服务，把服务的标识、生命周期和资 源状态耦合在一起，延展性不强。上述原因促使了w s r f ( w 曲s e r v i c e sr e s o u r c e f r a m e w o r k ，w e b 服务资源框架) 的出现，它将w e b 服务和网格技术融合到了一 起，从而使得网格和w e b 服务在一个共同的基础上发展。在图2 4 中，描述了w s r f 的发展历程。 第二章网格的体系结构及中间件 网格 i w e b w s l 强- 图2 4 网格与w e b 服务的融合 w s r f 采用了与网格服务完全不同的定义：资源是有状态的，服务是无状态 的。w s r f 的目的在于，定义出一个通用且开放的架构，利用w e b 服务对具有状 态属性的资源进行存取，并包含描述状态属性的机制，也包含如何将机制延伸至 w e b 服务中的方式。 和o g s a 的最初核心规范o g s i 相比，w s r f 具有以下优点： w s r f 把o g s i 功能划分成为一组规范，并将功能进行分离，使之简化并进 行拓展，增强了它的伸缩性。 w s r f 融入w e b 服务标准，同时更全面地扩展了现有的x m l 标准，在目 前的开发环境下，使其实现更为简单。 w s r f 重新清晰地说明了o g s a 体系结构，给出无状态w e b 服务和在其上 运行的有状态资源的清晰区别。 2 1 4w s i 己f 和o g s a o g s a 是一个体系结构，w s r f 则提出了一个标准的方法把w e b 服务刻画成 有状态的资源，因此w s r f 是可以直接作用在o g s a 环境中的网格服务基础结构。 o g s a 服务可以由w s r f 优化其性能，可以使用w e b 服务开发工具，而且网格应 用不需要特定的w e b 服务架构。o g s v w s i 疆的架构如图2 5 。 o g s a 平台服务是网格的基本服务，这些服务用于作业订阅、用户认证和授 权、信息服务等等。w s r f 服务是网格的核心服务，用于有状态的w e b 服务资源 的创建、撤销和生命周期管理。 1 2 网格通信相关技术研究 应用 基于o g s a 架构的服务 w s r f w 曲服务 悸o g s 流ai 悸o g s ajf 管f f o 消g 息s a f 旧o g s a 统j 旧o g s 库ai o g s ao g s a o g s a 服务网络 存储 图2 5o g s a 月v s r f 的主要架构 2 2 网格的中间件 网格的中间件是网格关键技术之，其主要任务是为用户提供具有统一编程 接口的虚拟机器，利用分布于整个互联网的异构资源，包括计算集群，存储设备， 科学仪器等等，通过构成一个同构的环境使得这些资源能够为世界各地的用户提 供协同式的服务，以达到在整个广域网范围内的计算资源共享，图2 6 说明了中间 件在网格环境中的地位。 图2 6 网格中间件的地位 第二章网格的体系结构及中间件 2 2 1 主要的网格中间件 下面介绍几种主要的网格中间件： 1 、a p p l e s 1 9 , 2 0 1 ( a p p l i c a t i o nl e v e ls c h e d u l i n g ) ：加州大学圣迭戈分校开发的， 主要用于开发计算机网格中单个资源的调度代理。它基于应用层调度方法，用其 对应用的影响来评价系统的每个事件。每个应用都有其自己的a p p l e s ，结合其所 具有的信息制定特定的应用调度，并根据特定应用和特定系统所产生的信息，将 所谓“好的调度作为对应用性能判断的标准。 a p p l e s 代理有一种单一的活跃代理，称为协调者，它有四个子系统，分别为 资源选择器、计划制订器、性能估计器和执行器。资源选择器根据应用的执行来 选择和过滤不同的资源组合；计划制订器根据资源的组合来制定调度方案；性能 估计器根据用户( 或应用) 的性能度量为候选调度进行性能估计；执行器执行对 于目标资源管理系统最好的调度。 2 、c o n d o f f c o n d o v g 【2 5 j ：c o n d o r 是由美国威斯康星大学开发的是一个用来管 理计算密集型任务的批处理队列系统。像其他功能齐全的批处理系统一样，c o n d o r 能够提供工作队列机制、调度策略、优先权策略、资源监测和资源管理等功能。 它接收用户提交的工作，然后放入一个队列，并基于策略选择运行的时间和地点， 仔细监测作业的进展，最终完成后通知用户。它的优点是可以有效地利用闲置浪 费的资源。 该系统由作业管理和资源管理两部分组成。作业管理负责管理用户作业，用 户可以通过它了解作业队列的情况，提交新的作业，或者查询作业完成的情况等。 资源管理监视资源的使用情况，进行资源的分配与调度等。在资源管理部分中， c o n d o r 不同于以往的分布式计算系统集中控制模型，c o n d o r 中的资源所有者拥有 对该资源的最高优先权，他可以根据自己的实际情况，制定资源使用策略，其他 用户提交给系统执行的作业不会妨碍资源所有者对其资源的使用。 c o n d o r 把自身出色的作业管理功能和g l o b u s 的域间安全通信协议及远程批处 理系统的标准化访问协议结合起来，形成了c o n d o v g 系统。这使得c o n d o r 系统 的用户可以很方便的使用g l o b u s 资源。 3 、n i m r o d n i m r o d g 【2 3 , 2 4 】：n i m r o d 项目是由澳大利亚m o n a s h 大学开发的一个 网格项目，致力于解决在一组分布式计算机上执行大量的参数仿真问题，它使用 了一个经济模型来完成资源管理与调度，并促使用户在任务完成时间与经济代价 ( 且p d e a d l i n e 和b u d g e t ) 之间取得平衡。n i m r o d g 是n i m r o d 的一种新版本，它是建 立在g l o b u s - i - 具集基础之上的一个专门用于模拟参数的网格项目，但它并不是 n i m r o d 在g l o b u s i 具集上的简单重写，最主要的不同是二者的调度策略。 n i m r o d g 的基本思想是：资源使用者有一个效用模型，代表它们对资源的要 1 4 网格通信相关技术研究 求和喜好，然后由这个模型自动产生所选资源的策略，而资源提供者则根据价格 产生方案，通过经济学的协议帮助他们提供竞争性的服务。它的一个调度策略可 有几种选择：时间最小算法，即在不超过一定的计算费用的基础上得到最短的任 务运行时间；费用最小算法，即在一定的最终期限的限制下，用户追求尽可能最 小的运行任务花费；还有一种是用户在最终期限之前和一定费用之内完成任务， 而不追求最小化的策略。 4 、l e g i 0 1 2 1 ，2 2 】：是一个由弗吉尼亚大学开发的面向对象的大系统或网格操作系 统。l e g i o n 是一个旨在提供基于面向对象、高度可用和有效的可扩展系统的研究 项目，其目标是提供一台具有可扩性、容易编程、容错、安全、站点自治且具有 可扩展核心的一个单一的、连贯的、一致的虚拟机器。 l e g i o n 是用c + + 的一个并行版本称为m e n t a t 编写的，它试图连接松散的工作 站以建立单一的大范围网格环境，可以在处理器上透明地调度应用构件、管理数 据传输，并且提供通信和同步管理。在l e g i o n 中调度数据并行构件是静态的，并 且可以分成三个明显的阶段：处理器选择、负载选择和布置。首先是识别候选处 理器，然后选择处理器的数量与类型以及分解数据域，最后任务被映射到通信时 间最少的处理器上。 2 2 2g l o b u st o o l k i t g l o b u st o o l k i t 0 3 a s 】是目前应用最广泛最成功的网格开发工具。它来源于 g l o b u s 项目，是一个开放性源码的网格基础平台。g l o b u st o o l k i t 基于开放结构、 开放服务资源和软件库，并支持网格和网格应用，具有较为统一的国际标准，有 利于整合现有资源，也易于维护和升级换代。 随着网格技术的研究与发展，g l o b u s 的体系结构也经历了几次发展，变得越 来越完善。下面简单介绍一下g l o b u st o o l k i t 的三个不同版本情况。 g t 2 ：1 9 9 7 年，g l o b u st o o l k i t 工具包成为网格计算的标准，着重于可用性和 互操作性能力，定义和实现了一些协议、a p i 和服务。但是，g t 2 的目的是针对 网格具体实现，并没有一个正式的标准，也没有进行公开检测，在一定程度上限 制了它的发展。 g t 3 ：2 0 0 2 年2 月，在加拿大召开的全球网格论坛( g g f ) 会议上，g l o b u s 项目组和i b m 共同提出了一个全新的网格标准o g s a 。2 0 0 3 年，符合o g s a 规范 的g t 3 发布，这标志着o g s a 已经从一种理念，走向实践阶段。g t 3 提供了一个 完整的开放网格服务基础设施( o g s i ) 的实现，将服务发现、程序执行、作业提 交、监控和可靠的文件传输，定义成为与o g s i 相兼容的服务。 g t 4 2 0 0 4 年1 月，g l o b u s 联盟和i b m 等六公司公布了网格计算和w e b 服务 第二章网格的体系结构及中间件 的新标准“w s - n o t i f i c a t i o n 和“w s r r s o u r c ef r a m e w o r k 。2 0 0 5 年1 月，发布了 g t 4 ，实现了w s r f 和w s n 标准，g t 4 提供a p i 来构建有状态的w e b 服务，目 标是建立分布式异构计算环境。 为了有效地支持网格计算环境，g l o b u s 工具包对g l o b u s 提出的协议提供了一系 列的服务、软件库、a p i 和使用例子。总体上讲，g l o b u s 工具包的实现具有四个方 面的内容： 网格安全基础框架( g r i ds e c u i t yi n f r a s t r u c t u r e ，g s i ) ：g s i 是g l o b u s 网格环境 实现的首要前提，它基于公钥加密体系，采用x 5 0 9 认证和s s l ( s e c u r es o c k e t s l a y e r ) 通信协议，并对此进行扩展。它负责在广域网环境下的安全认证和加密通 信，提供身份认证、单一登录等功能。 网格资源管理：g l o b u s 网格中实现任务的执行管理需要g r a m ( g l o b u s r e s o u r c ea l l o c a t i o nm a n a g e r ) ，r s l ( r e s o u r c es p e c i f i c a t i o nl a n g u a g e ) 脚本和 d u r o c ( d y n a m i c a l l y u p d a t e dr e q u e s to n l i n ec o a l l o c a t o r ) 协同工作。g r a m 主要 负责资源请求、资源分配和任务管理等工作，并在任务执行过程中将计算资源信 息反馈给m d s 。r s l 是一个描述资源的通用可交换语言，它提供了一个框架性的 语法，可用来进行复杂的资源描述。d u r o c 是资源体系中协调分配组件，协同在 多个g r a m 间处理的请求。 数据管理：网格数据管理的核心就是如何有效地利用存储空间、网络带宽以 及计算资源等。g l o b u s 网格环境为数据管理提供了两种数据传输机制，分别为： g a s s 和g r i d f t p 。g a s s ( g l o b a la c e e s st os e c o n d a r ys t o r a g e ) 是全局二级存储访 问，用来支持在网格环境下对远程文件的i o 操作。g r i d f t p 是网格计算环境中的数 据传输工具，基于f t p 协议并加入了g s i 安全机制，集成了f t p 的通用性和广泛性， 并对f t p 进行了扩展。 信息服务：元计算目录服务( m e t a c o m p u t i n gd i r e c t o r ys e r v i c e ，m d s ) 是g l o b u s 提供信息服务的一个模块，它的主要任务是管理网格中的各种信息，其功能包括 信息的发现、注册、描述、查询、更新、注销等。m d s 包含了两个重要组件：网 格资源信息服务( g r i dr e s o u r c ei n f o r m a t i o ns e r v i c e ，g r i s ) 和网格索引信息服务 ( g r i di n d e xi n f o r m a t i o ns e r v i c e ，g i i s ) 。其中，g r i s 基于l d a p 协议，提供一种 分布的信息服务，