基于WSRF的網(wǎng)格資源共享和調(diào)度的研究＊

（武漢理工大學計算機學院 武漢 430063）

0 引 言

校園網(wǎng)是學校教學、科研及管理的重要基礎(chǔ)平臺．但由于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性、資源地理分布性、動態(tài)性和系統(tǒng)權(quán)限等諸多原因，各種教學資源不能充分共享和利用，重復開發(fā)現(xiàn)象比較嚴重．從目前來看，現(xiàn)有的校園網(wǎng)存在的問題有：異構(gòu)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享和互操作性；異構(gòu)資源的有效管理；某些地方資源閑置造成浪費而其他基礎(chǔ)設(shè)施較差的地方確有缺乏這種資源．網(wǎng)格技術(shù)的出現(xiàn)極大的改善了這種狀況．

隨著網(wǎng)格服務逐漸滲透到社會的各個行業(yè)，網(wǎng)格也已經(jīng)從最初的五層沙漏模型發(fā)展到開放網(wǎng)格服務體系（OGSA），再到 Web服務資源框架（WSRF），網(wǎng)格的研究走向了面向服務的軌道．本文通過對 WSRF的研究，提出了基于 WSRF的教學資源共享的體系結(jié)構(gòu)．

1 WSRF及其體系結(jié)構(gòu)

1.1 WSRF簡介

Ian Foster等人首先提出的是五層沙漏模型［1］，建立在互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議之上，強調(diào)協(xié)議在網(wǎng)格的資源共享和互操作中的地位，側(cè)重于對網(wǎng)格各部分功能的定性描述．這種結(jié)構(gòu)雖然簡單，但是在許多情況下，復雜的服務和應用很難分解成標準而低級的基本協(xié)議，而且人們在解決問題時不習慣按照協(xié)議的方式來進行．

全球網(wǎng)格論壇組織GGF提出的開放網(wǎng)格服務體系結(jié)構(gòu)OGSA（open grid services architecture），它以服務為中心，充分利用現(xiàn)有的解決方案，遵循現(xiàn)有的 Web服務框架，利用諸如XML（extensible markup language）、SOAP（simple object access protocol）、UDDI與 WSDL（web service describe language）同等現(xiàn)有的 Web service機制，并具有良好的擴展性，可以更好地支持臨時服務［2］．OGSA提出后，GGF開始著手研究開放網(wǎng)格服務基礎(chǔ)設(shè)施OGSI草案，但是Web服務支持者認為OGSI有如下4個不利于其發(fā)展的弊?。海?）在一個協(xié)議中包含了過多的內(nèi)容，協(xié)議對不同內(nèi)容的規(guī)定詳細程度也各不相同，使得協(xié)議的實現(xiàn)難于搭建；（2）由于過多的使用XML Schema及其擴展，OGSI與現(xiàn)有的 Web服務和XML工具不能很好的聯(lián)系起來；（3）在編程模式的設(shè)計上過于面向?qū)ο蠡?，要求Web Service對象一樣能夠支持實例內(nèi)部狀態(tài)的維護，這一點得不到Web服務技術(shù)擁護者的支持，同時也難于在基于HTTP的 Web上實現(xiàn)；（4）對 WSDL做了過多的擴展，使得OGSI難以無縫集成到以WSDL為基礎(chǔ)的Web服務協(xié)議棧之中，使OGSI與Web服務不能很好地結(jié)合在一起［3］．為了解決OGSI和 Web服務之間存在的矛盾，2004年1月，IBM，Globus和HP共同提出了WSRF協(xié)議．WSRF采用了與網(wǎng)格服務完全不同的定義，它規(guī)定了資源是有狀態(tài)的，服務時無狀態(tài)的．

1.2 WSRF體系結(jié)構(gòu)

WSRF的規(guī)范是針對OGSI規(guī)范的主要接口和操作而定義的，它保留了OGSI中規(guī)定的所有基本功能，只是改變了某些語法，并且使用了不同的術(shù)語進行表達，WSRF定義了使用Web服務來訪問有狀態(tài)資源的一系列規(guī)范，包括Web服務資源生命周期（WS－ResourceLifetime）、Web服務資源屬性（WS－ResourceProperties）、Web服務服務組（WSServiceGroup）和 Web服 務 基 本 錯 誤 （WS－Base－Faults）規(guī)范．基于 WSRF的網(wǎng)格環(huán)境見圖1［4］．

圖1 基于WSRF的網(wǎng)格環(huán)境

信息處理器負責與外界的信息交換，Web服務將自身提供的功能通過 WSDL（Web service description language）定義成一組操作的集合，這些操作可以被分布式系統(tǒng)中的其他組件（服務請求者）調(diào)用．WSRF的目的是使資源成為 Web服務框架下的有狀態(tài)資源，WSRF框架見圖2．

WS基本錯誤定義了被WSRF服務拋出的SOAP格式的錯誤，WS服務組指定了如何聚合WS資源，WS資源屬性定義了同WS資源進行交互的方式，WS資源生命周期定義了如何管理和銷毀WS資源，WS可更新引用在端點引用無效的時候來檢索所需要的更新版本．

圖2 WSRF框架

2 基于WSRF的教學資源共享模型的設(shè)計

2.1 設(shè)計思想及目標

模型的設(shè)計面向的是多個學科之間甚至是不同地域的多個學校之間，因此對各種資源的封裝非常重要，模型的設(shè)計思路如下：（1）采用一種有效的方法進行資源的封裝，屏蔽資源內(nèi)部的方法和機制，使異構(gòu)分布的資源能夠以統(tǒng)一的方式調(diào)用和管理，實現(xiàn)底層模型對用戶的透明性；（2）采用已用的或可用的標準化規(guī)范，這樣有利于模型的推廣，在模型升級和替換的過程中不受非標準的約束，能夠完全兼容其他的產(chǎn)品；（3）采用基于QoS的資源調(diào)度算法，提高資源調(diào)度的效率和可靠性．使得服務請求者能準確的獲得自己所需要的各種資源并整合起來；（4）系統(tǒng)能夠充分提高資源的利用率，通過該模型設(shè)計的系統(tǒng)應該能充分發(fā)揮閑置資源的作用，這些資源主要是指一些特殊的物理資源，使一些基礎(chǔ)設(shè)施條件較差的部門能使用這些資源，有效提高資源的利用率．

基于上述的設(shè)計思路，設(shè)計的模型應能達到如下目標：

1）對教學資源有統(tǒng)一的描述和傳輸標準，能夠?qū)崿F(xiàn)異構(gòu)資源標準集成，對用戶使用標準的、開放的和通用的協(xié)議與接口，提供統(tǒng)一的方式供用戶進行訪問．

2）根據(jù)QoS的要求，基于該模型的系統(tǒng)必須能夠提供無縫透明的服務質(zhì)量．首先，用戶可以在任何時間、地點訪問各種網(wǎng)格教學資源，網(wǎng)格計算能力可以通過網(wǎng)格系統(tǒng)輸送到任何角落，即資源隨處可得．支持大量訪問及并發(fā)訪問．并且操作界面友好，便于交互操作．

3）支持主體之間的安全通信，防止主體假冒和數(shù)據(jù)泄密；需要支持跨虛擬組織VO邊界的安全，應避免采用傳統(tǒng)的集中管理安全系統(tǒng)；需要支持網(wǎng)格用戶的“單一登錄”，包括跨多個資源和站點的計算所進行的信任委托和信任轉(zhuǎn)移等．安全性是實現(xiàn)服務質(zhì)量的基礎(chǔ)．

2.2 基于WSRF的教學資源共享模型

該共享模型的體系結(jié)構(gòu)見圖3．主要由3部分組成，最底層為網(wǎng)格資源層，中間層為網(wǎng)格服務層，最上層為網(wǎng)格應用層．該模型最底層提供網(wǎng)格的各種物理和邏輯資源，它是教學資源共享平臺的基礎(chǔ)，這里的物理資源指的是教學的一些硬件資源，包括多媒體資源、網(wǎng)絡(luò)教室資源、大型計算資源、存儲資源、實驗儀器、服務器及其他一些基礎(chǔ)設(shè)施資源．邏輯資源主要指軟件資源，如應用軟件和系統(tǒng)軟件．這些資源率屬于不同的學院或者學校，分布在不同的區(qū)域但必須通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接起來，即物理上是連通的．

圖3 基于WSRF的教學資源共享模型

網(wǎng)格服務層整合底層資源并向用戶提供應用接口．由于網(wǎng)格資源具有很強的動態(tài)性，它們可能隨時加入或離開網(wǎng)格系統(tǒng)，而且，它們可能存在于不同的操作系統(tǒng)中，即資源之間的異構(gòu)性很強，因此需要將資源通過Web服務定義語言來描述，使其成為一種虛擬化資源，從而屏蔽資源的異構(gòu)性．虛擬化的資源就可以經(jīng)由網(wǎng)格中間件統(tǒng)一調(diào)度和管理．信息服務包括資源信息收集，將動態(tài)資源存儲到資源數(shù)據(jù)庫中；周期性更改資源信息；資源發(fā)現(xiàn)等內(nèi)容，資源是這個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，需要網(wǎng)格節(jié)點自治管理，又需要這個共享環(huán)境系統(tǒng)對資源進行統(tǒng)一管理，因此必須提供通用的資源管理機制．網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和QoS約束模塊對各類資源進行實時的性能監(jiān)控并獲得狀態(tài)數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)管理及資源調(diào)度提供依據(jù)，由于網(wǎng)格環(huán)境中基礎(chǔ)設(shè)施個體差異較大，分布地域廣，所以數(shù)據(jù)傳輸中的錯誤及系統(tǒng)故障在所難免，另外資源所有者隨意開關(guān)機等都會嚴重降低系統(tǒng)可用性．資源調(diào)度模塊包括資源查找、資源定位、統(tǒng)一調(diào)度和資源分配，在統(tǒng)一調(diào)度的過程中結(jié)合QoS約束，為用戶提供可靠精確的服務．目錄服務是基于網(wǎng)格計算環(huán)境的信息服務框架，主要完成信息的發(fā)現(xiàn)、注冊、查詢、修改等工作，允許虛擬組織參加者通過輕量目錄管理協(xié)議［5］（lightweight directory access protocol，LDAP）在由LDAP服務器組合構(gòu)成的分布目錄中對信息／數(shù)據(jù)進行訪問和存儲．

網(wǎng)格應用層是面向用戶的核心部分，該層為用戶設(shè)計透明、安全的應用程序和服務，用戶不需要知道這些服務時怎么實現(xiàn)的．他們只需要通過用戶注冊成為合法的網(wǎng)格用戶，然后通過網(wǎng)格服務注冊中心搜索所需的網(wǎng)格服務，獲得該服務的調(diào)度方式，就可以使用所需的資源．

3 資源描述和調(diào)度算法

3.1 資源描述模型

1）資源的QoS屬性包括資源費用、完成時間、帶寬、完成率等，這里我們考慮資源費用和完成時間兩個因素．QoS的屬性向量可以表示為Q＝｛q1，q2，…，ql｝，由此統(tǒng)一描述資源，完成資源調(diào)度的時間表示為FTij（表示第i個任務對第j個資源的調(diào)度時間），任務i使用的資源j的花費表示為RCij．

2）用效用函數(shù)［7］表示用戶從完成任務中獲得的QoS滿意程度，效用函數(shù)用ui表示，任務集中所有的任務總效用為系統(tǒng)目標是最大化總效用，即能夠達到．式中：t為用戶規(guī)定的完成時間．3）用T＝ （t1，t2，…，tn）表示所要完成的調(diào)度任務，R ＝ （r1，r2，…，rm）為網(wǎng)格資源，則任務與資源的綁定可以用矩陣來表示．式中：amn為任務tm使用資源rn的數(shù)量．決策矩陣用B＝ （ajk）m＊d表示．式中：d為用戶關(guān)心的資源的QoS屬性維數(shù)，這里d＝2．

4）完成時間屬于成本型屬性，數(shù)值越小越好，資源花費也屬于成本屬性，數(shù)值越小越好．我們對可用決策矩陣B進行規(guī)范化就可以得到規(guī)范化矩陣R．

用戶的滿意度和完成時間、資源花費2個因素的關(guān)系見圖4．

圖4 用戶的滿意度和完成時間、資源花費的關(guān)系

3.2 基于QoS的資源調(diào)度算法

根據(jù)以上對資源的描述，給出一種基于QoS的資源調(diào)度的算法描述：

1）遍歷任務T，對于每個ti再遍歷資源庫R，判定是否為所需資源，若是，令資源任務矩陣A的aij為1，否則為0．

2）若矩陣A的第i行全部為0，說明任務ti沒有符合的資源，程序結(jié)束．

這位導事，在念誦《指路經(jīng)》（死者入棺時念誦）之后，就不再參與儀式的其他環(huán)節(jié)。剩下的祭奠活動，交給其他的人完成。

3）若aij≠0，則將資源rj加入資源隊列R．

4）用戶輸入自己的資源屬性權(quán)重，并給出完成時間約束．

5）遍歷資源R，對rj請求QoS指標，即資源rj能提供的QoS值，根據(jù)完成時間約束，不符合條件的資源從資源隊列中移除．

6）根據(jù)資源效用函數(shù)，對資源隊列中的資源進行排序，計算出每個資源節(jié)點的綜合效用，根據(jù)節(jié)點的最大綜合效用，得出任務的決策矩陣．

7）給擁有最大綜合效用的資源節(jié)點分配任務，執(zhí)行任務調(diào)度，直至整個任務結(jié)束．

算法的偽代碼如下：

MQResSche（T，w）

｛

While任務隊列非空

for（每個等待調(diào)度的任務ti）

f

or（每個可供調(diào)度資源rj）

then aij＋＋，生成可用矩陣A

end for

if（矩陣A的第i行都為零）

將ti從任務隊列中刪除，標記ti調(diào)度失敗

else

根據(jù)效用函數(shù)進行排序得到資源隊列rj

將其加入到資源－任務隊列RT（資源任務對）

end if

end for

從資源－任務隊列找出選出最大的綜合效用U

將資源rj分配給任務ti

……

將ti從任務隊列中刪除，標記ti調(diào)度成功，清空資源任務隊列

endwhile

｝

該算法需要用戶輸入任務T和QoS權(quán)重w，然后為用戶生成可用資源矩陣，根據(jù)可用矩陣得到最大綜合效用的資源任務隊列．

4 結(jié)束語

分析了當前教學資源共享的現(xiàn)狀，針對教育資源存在的異構(gòu)性和分布性方面的難題，提出了一種基于WSRF的教學資源共享模型，通過對資源的描述，屏蔽資源的異構(gòu)性，分布性等問題．通過基于QoS的資源調(diào)度算法，有效實現(xiàn)對資源的全局調(diào)度．本文還存在以下問題有待進一步提高：（1）對資源的封裝沒有給出具體的模型，在 WSRF模型中，資源是有狀態(tài)的，因此它與傳統(tǒng)的基于無狀態(tài)的資源封裝會有很大的差別；（2）共享模型中用戶處于一種自主管理的模式，如何對用戶行為和操作進行約束是需要解決的問題；（3）資源調(diào)度算法中僅僅考慮完成時間和資源花費兩個QoS屬性，這在實際應用中還有所欠缺，如CPU、網(wǎng)絡(luò)帶寬和完成率等因素．

［1］FOSTER I，KESSELMAN S，TUECKE S．The anatomy of the grid：enabling scalable virtual organizations［J］．International J．Supercomputer Applications，2001，15（3）：5－6．

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［3］吳 雷．基于WSRF的服務網(wǎng)格實現(xiàn)框架及其應用的研究［D］．合肥：合肥工業(yè)大學，2006．

［4］沈 彬，劉麗蘭，俞濤．制造網(wǎng)格中基于 WSRF的資源共享架構(gòu)的研究［J］．管理技術(shù)，2005（2）：99－102．

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