計算網(wǎng)格技術(shù)是二十世紀(jì)末興起的一種重要的并行分布式計算技術(shù)，被稱為繼Internet之后又一次網(wǎng)絡(luò)技術(shù)革命，網(wǎng)格被視為二十一世紀(jì)的新型網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)。目前網(wǎng)格技術(shù)正處于發(fā)展階段，還有許多技術(shù)難題需要解決。但經(jīng)過多年的研究，網(wǎng)格技術(shù)在網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格高層服務(wù)、網(wǎng)格基本編程工具包等方面取得了成就，已經(jīng)具備技術(shù)應(yīng)用條件。其中網(wǎng)格資源管理是網(wǎng)格計算中的關(guān)鍵技術(shù)之一。資源管理的關(guān)鍵是把網(wǎng)格中分散的各種資源管理起來，并為申請資源的用戶合理有效地分配資源。由于網(wǎng)格中的資源具有廣域分布、異構(gòu)和動態(tài)的特性，使得網(wǎng)格資源管理變得很復(fù)雜。大量的網(wǎng)格項(xiàng)目試圖提供一種合適的資源管理模型，但到目前為止還沒有一種網(wǎng)格資源管理模型能夠處理所有的網(wǎng)格應(yīng)用需求。
　　由于網(wǎng)格資源管理中主要是對網(wǎng)格資源進(jìn)行有效的描述、組織和管理，使系統(tǒng)可以高效地為計算任務(wù)尋找合適的資源，所以網(wǎng)格資源模型的設(shè)計決定了資源管理體系思想。當(dāng)前網(wǎng)格計算環(huán)境中所使用的資源模型主要有簡單資源池模型和以Globus為代表的分層資源模型二種。
　　本文提出單一虛擬資源模型設(shè)計思想" title="設(shè)計思想">設(shè)計思想，并在該資源模型基礎(chǔ)上構(gòu)建了優(yōu)化的資源管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有網(wǎng)格資源狀態(tài)動態(tài)監(jiān)控、查詢、組織和管理功能，同時在地震減災(zāi)仿真網(wǎng)格項(xiàng)目中運(yùn)用該資源模型設(shè)計思想和優(yōu)化的資源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了地震應(yīng)用領(lǐng)域的高性能計算、視景仿真、虛擬會商等功能。
1 資源模型
　　網(wǎng)格資源指所有能夠通過網(wǎng)格遠(yuǎn)程使用的實(shí)體，包括計算機(jī)軟件、計算機(jī)硬件、設(shè)備和儀器等。計算機(jī)軟件資源包括系統(tǒng)軟件、應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)等；計算機(jī)硬件資源包括處理器、存儲器、硬盤以及其他計算機(jī)設(shè)備；設(shè)備和儀器包括通信介質(zhì)、天文望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、傳感器等。
　　目前，網(wǎng)格資源管理模型主要分為分層模型和簡單資源池模型。采用較多的是分層模型。其中網(wǎng)格技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的主要參與者、在網(wǎng)格協(xié)議制定上有重要發(fā)言權(quán)的Globus項(xiàng)目組就采用了分層模型。IBM、Microsoft、Sun、Compaq、SGI、NEC等眾多公司都宣布支持Globus Toolkit，大部分網(wǎng)格應(yīng)用系統(tǒng)都是建立在Globus Toolkit工具包之上。因此Globus所采用的分層模型代表了網(wǎng)格資源管理的發(fā)展趨勢。
　　1999年，Globus項(xiàng)目組推出了第一版Globus Toolkit；2002年2月，IBM與Globus聯(lián)合發(fā)布開放網(wǎng)格服務(wù)架構(gòu)OGSA(Open Grid Services Architecture)，把Globus標(biāo)準(zhǔn)與商用的Web Services標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合，讓網(wǎng)格能夠支持Web Services；2004年1月，Globus提出Globus Toolkit 4，它是基于WSRF規(guī)范的版本，旨在完成從現(xiàn)在的Globus到一個基于網(wǎng)格及Web服務(wù)概念和技術(shù)的網(wǎng)格系統(tǒng)" title="網(wǎng)格系統(tǒng)">網(wǎng)格系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。從Globus Toolkit2資源信息管理MDS2到Globus Toolkit 4的MDS4，均采用了分層模型。但由于MDS2和MDS4采用了不同的管理協(xié)議和模式，在具體實(shí)際運(yùn)用中存在很大差異。所以如何將MDS2、MDS3、MDS4統(tǒng)一管理，為用戶提供統(tǒng)一的資源管理模式，是一個非常重要和迫切需要解決的問題。
2 單一虛擬網(wǎng)格資源模型
2.1 模型的提出
　　本文提出的單一虛擬網(wǎng)格資源模型，用以實(shí)現(xiàn)對不同資源管理協(xié)議的統(tǒng)一管理。在由地震局和航天科工集團(tuán)航天二院聯(lián)合開發(fā)的應(yīng)用項(xiàng)目(地震減災(zāi)仿真科學(xué)計算網(wǎng)格系統(tǒng))中運(yùn)用了該資源模型，以實(shí)現(xiàn)地震應(yīng)用科學(xué)計算。單一虛擬網(wǎng)格資源模型設(shè)計思想是將虛擬組織中的網(wǎng)格資源抽象為單一虛擬資源樹模型，通過對資源樹的管理，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格資源的管理。
　　具體實(shí)施方法是：在網(wǎng)格資源管理設(shè)計中采用協(xié)議自動識別器識別出網(wǎng)格資源管理協(xié)議，然后通過協(xié)議解釋器將不同的網(wǎng)格資源管理協(xié)議翻譯為資源樹統(tǒng)一模型，即統(tǒng)一的協(xié)議，從而解決了由于在異構(gòu)的網(wǎng)格環(huán)境下網(wǎng)格資源管理協(xié)議不統(tǒng)一而造成的資源管理混亂的問題。本文重點(diǎn)設(shè)計了Globus Toolkit的MDS2、MDS3、 MDS4三種資源管理協(xié)議的協(xié)議解釋器和協(xié)議自動識別器。單一虛擬網(wǎng)格資源管理系統(tǒng)模型框架如圖1所示。

　　單一虛擬網(wǎng)格資源管理系統(tǒng)模型通過協(xié)議自動識別器和協(xié)議解釋器動態(tài)地提供所有虛擬組織中網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上可見的資源信息。任務(wù)的資源申請通過資源分配" title="資源分配">資源分配器獲得資源信息，然后將資源合理地分配給任務(wù)，從而優(yōu)化系統(tǒng)性能。網(wǎng)格資源管理系統(tǒng)如圖2所示。

2.2 資源模型
　　在單一虛擬網(wǎng)格資源管理模型中，本文參考了有關(guān)資源模型并運(yùn)用了資源樹的表示方式。使用樹結(jié)構(gòu)來表示整個網(wǎng)格環(huán)境中的網(wǎng)格資源。資源樹中的節(jié)點(diǎn)稱為資源節(jié)點(diǎn)，某資源節(jié)點(diǎn)連同其所有后繼節(jié)點(diǎn)的集合稱為以該節(jié)點(diǎn)為根的資源子樹。一棵資源樹的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　資源樹只是一個邏輯結(jié)構(gòu)，它并不反映各資源節(jié)點(diǎn)之間網(wǎng)絡(luò)連接的真實(shí)拓?fù)洹＠纾瑘D3中各子節(jié)點(diǎn)與父節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系并不表示它們之間的網(wǎng)絡(luò)連通關(guān)系，而只是一種邏輯上的聯(lián)系。這種邏輯關(guān)系可參照資源節(jié)點(diǎn)之間客戶/服務(wù)的關(guān)系確定。在一個虛擬子網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，作為虛擬子網(wǎng)的服務(wù)器是資源子樹的根節(jié)點(diǎn)，如果有多個服務(wù)器，則可設(shè)定多個資源子樹，客戶機(jī)作為資源子樹的葉子節(jié)點(diǎn)，而此虛擬子網(wǎng)邏輯上又是上一層更大子網(wǎng)的子節(jié)點(diǎn)。這種聯(lián)系在進(jìn)行資源查找、資源管理和資源調(diào)度時起到很好的作用。
　　在資源樹中的非葉子節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)對以它為根的資源子樹進(jìn)行管理，并為其上層節(jié)點(diǎn)提供該子樹的信息，每個資源節(jié)點(diǎn)實(shí)時存儲資源狀況屬性。
2.3 協(xié)議識別器
　　協(xié)議識別器作為單一資源管理系統(tǒng)模型的重要組成部分，其作用是根據(jù)不同的網(wǎng)格資源管理協(xié)議規(guī)范識別虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中所采用的資源管理協(xié)議，并將識別結(jié)果傳送給協(xié)議解釋器。本研究實(shí)現(xiàn)了對MDS2、MDS3、MDS4的識別功能。本設(shè)計中運(yùn)用協(xié)議規(guī)范庫記錄可以識別的資源管理協(xié)議。隨著系統(tǒng)的不斷完善，系統(tǒng)將支持更多的資源管理協(xié)議，協(xié)議規(guī)范庫將同步保持最新的協(xié)議信息。
2.4 協(xié)議解釋器
　　協(xié)議解釋器作為單一資源模型系統(tǒng)中的另一個重要組成部分，其作用非常大。它根據(jù)協(xié)議識別器返回的結(jié)果，將不同的資源管理協(xié)議中資源模型轉(zhuǎn)換為單一虛擬網(wǎng)格資源模型定義規(guī)范，即資源樹模型。
　　(1)MDS2采用基于輕量目錄訪問協(xié)議LDAP(Lightweight Directory Access Protocol)結(jié)構(gòu)。協(xié)議解釋器需要獲得在LDAP服務(wù)器上所有資源的目錄信息樹(DIT)，進(jìn)而獲得描述資源屬性的＜屬性，值＞的組合，并將獲得的資源信息存儲到資源樹中。例如，LDAP的屬性對示例如下：
　　dn：cn=Sample Computer，ou=devices，dc=casic，dc=com.cn
　　cn：CEDASGrid
　　usage：computing
　　resource：2.8GHz
　　resource：512MB memory
　　resource：120GB Storage
　　resource：Linux OS
　　(2)MDS3采用基于Grid Service規(guī)范定義。協(xié)議解釋器根據(jù)Grid Service定義獲取資源定義中的Service Data信息，并將獲得的資源信息存儲在資源樹中。
　　Grid Service使用的基本資源模型是XML，XML構(gòu)造網(wǎng)格服務(wù)數(shù)據(jù)，例如：
　　＜service name=″base/index/IndexService″provider=″Handler″style=′″wrapped″＞
　　＜parameter name=″name″ value=″Index Service″/＞
　　＜parameter name=″schemaPath″ value=″schema/base/index/index_service.wsdl″/＞
　　＜parameter name=″classname″ value=″org.glogus.ogsa.base.index.IndexService″/＞
　　＜parameter name=″baseClassname″ value=″org.glogus.ogsa.impl.base.index.IndexServiceImpl″/＞
　　……
　　＜parameter name=″serviceConfig″ value=″index-service-config.xml″/＞
　　＜/service＞
　　(3)MDS4采用基于Web Service規(guī)范定義。協(xié)議解釋器根據(jù)Web Service定義獲取資源定義中的Service Data信息，并將獲得的資源信息存儲到資源樹中。
2.5 資源分配器
　　資源分配器是網(wǎng)格任務(wù)管理中的組件之一，主要負(fù)責(zé)將接收到的任務(wù)請求進(jìn)行分析，得到資源需求信息，然后將在資源樹中查找滿足條件的資源信息組進(jìn)行分配，最后返回分配結(jié)果。任務(wù)管理是網(wǎng)格中不可缺少的功能，它是保證網(wǎng)格用戶合理有序地使用網(wǎng)格資源的基礎(chǔ)。由于網(wǎng)格的特性致使網(wǎng)格任務(wù)管理比傳統(tǒng)的任務(wù)管理更加復(fù)雜，因此需要信息管理、數(shù)據(jù)管理和安全通信的支持。任務(wù)管理對用戶提交的任務(wù)進(jìn)行全程管理，最終給用戶返回任務(wù)運(yùn)行結(jié)果。
　　任務(wù)請求分析是對資源描述語言(RSL)進(jìn)行分析，進(jìn)而獲得每個任務(wù)的資源需求。資源分配器在資源樹中搜索滿足需求的資源。在搜索時首先隨機(jī)選擇搜索的起始位置，然后為每個任務(wù)分別返回最先發(fā)現(xiàn)的滿足該任務(wù)需求的資源。如果任何一個資源都不滿足任務(wù)的資源需求，則向資源分配器返回空值，同時發(fā)送反饋信息，取消任務(wù)請求。設(shè)資源樹所記錄的資源數(shù)量為N，則資源分配的計算復(fù)雜度為O(N)。
　　資源規(guī)范語言RSL是Globus設(shè)計的一種簡單的資源描述語言，為不同平臺的資源描述提供一種公共的描述交換語言。它提供了一種可以描述復(fù)雜資源的語法框架，RSL的基本語法是關(guān)系，通過關(guān)系把屬性和值聯(lián)系起來。例如：用RSL描述“地震震源破裂科學(xué)計算”任務(wù)： (executable=/bin/chmod)
　　(directory=/home/earthquake″)
　　(arguments=744 runOne.sh olson xolson)
2.6 資源分配策略
　　在資源分配器進(jìn)行資源分配時，資源分配策略至關(guān)重要，它極大地影響資源的使用效率。由于不同的任務(wù)需求所需的分配策略不同，所以針對不同的任務(wù)要選用合適的分配策略，以使計算時間最短。資源分配管理提供分配策略的管理，實(shí)現(xiàn)動態(tài)、靈活地選取適合某一個計算需求的分配策略，最終完成某計算。本研究綜合影響資源效率的因素，提出分配策略：(1)獲選的資源信息應(yīng)盡量接近相應(yīng)任務(wù)的資源需求，避免資源的浪費(fèi)。(2)獲選資源和任務(wù)提交節(jié)點(diǎn)間的總網(wǎng)絡(luò)延遲應(yīng)盡量小。(3)為每個用戶規(guī)定了資源占用量的上限。
　　基于以上策略，設(shè)計出資源分配算法：(1)對每個任務(wù)，分析資源請求信息。(2)獲取資源樹中滿足條件的資源組信息。(3)分析資源組中資源信息及資源的計算能力。(4)分析資源的網(wǎng)絡(luò)延遲時間。(5)尋求與資源需求最相近的資源綜合能力(計算能力和網(wǎng)絡(luò)能力)。
3 模型應(yīng)用
　　我國是世界上地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一，最大限度地減輕地震災(zāi)害已經(jīng)成為政府和社會的迫切愿望。目前我國的防震減災(zāi)工作中還有一些結(jié)構(gòu)性和技術(shù)性的問題亟待解決。主要問題為：(1)由于缺少海量計算能力和實(shí)時分析能力，我國的地震監(jiān)測信息和其他海量地震數(shù)據(jù)在地震預(yù)報分析、地震應(yīng)急救援中發(fā)揮的作用還未能完全體現(xiàn)出來。(2)多單位、多部門、多學(xué)科交叉合作程度和技術(shù)保障能力不足。(3)對地震現(xiàn)場的實(shí)時把握能力存在明顯不足。
　　為了更好地發(fā)揮地震部門的防震減災(zāi)職能，提高應(yīng)對地震災(zāi)害的整體能力和水平，針對上述3個主要問題，有必要采用新的技術(shù)和手段實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的跨越式發(fā)展。而網(wǎng)格技術(shù)的出現(xiàn)為解決上述問題提供了極好的機(jī)會和條件。
　　在國家發(fā)展與改革委員會和國家地震局的資助下，國家地震局及其多個研究所和中國航天二院國家工程研究中心聯(lián)合研制開發(fā)了“中國地震減災(zāi)仿真網(wǎng)格CE-DASGrid(China Earthquake Disaster Alleviation and Simulation Grid)試驗(yàn)系統(tǒng)”。該系統(tǒng)包括三個子系統(tǒng)：科學(xué)計算子系統(tǒng)、地震會商子系統(tǒng)和視景仿真子系統(tǒng)。本文是針對科學(xué)計算子系統(tǒng)的系列研究之一。
3.1 設(shè)計思想
　　依據(jù)上述的單一資源模型的設(shè)計思想，在地震減災(zāi)仿真科學(xué)計算網(wǎng)格系統(tǒng)中運(yùn)用單一虛擬網(wǎng)格資源模型實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)格資源的有效管理。通過提供統(tǒng)一用戶界面、一致的命令格式的全網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的資源狀態(tài)動態(tài)監(jiān)控和查詢，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格資源的統(tǒng)一管理。
　　在地震減災(zāi)仿真網(wǎng)格系統(tǒng)中，網(wǎng)格資源包括各計算節(jié)點(diǎn)資源、數(shù)據(jù)資源、服務(wù)資源等，其中以計算資源為最重要的網(wǎng)格資源。運(yùn)用本資源模型思想，可為系統(tǒng)建立單一的資源樹，實(shí)現(xiàn)對資源樹信息的統(tǒng)一管理并提供統(tǒng)一的用戶界面，可動態(tài)地對資源狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和資源信息實(shí)時查詢。
3.2 應(yīng)用實(shí)現(xiàn)
　　運(yùn)用本研究的設(shè)計思想，在地震減災(zāi)仿真網(wǎng)格系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了如下功能：
　　(1)資源管理：資源注冊、資源修改、資源刪除、資源查詢。資源管理實(shí)現(xiàn)計算資源的動態(tài)管理，該功能使用戶能夠?qū)崟r了解網(wǎng)格系統(tǒng)資源狀態(tài)，并且能夠動態(tài)地加入已授權(quán)的新計算資源于整個網(wǎng)格系統(tǒng)中，修改、刪除已有的資源信息。
　　(2)計算管理：實(shí)現(xiàn)地震算法選擇、計算參數(shù)設(shè)定、資源選擇、環(huán)境設(shè)定、科學(xué)計算執(zhí)行、計算過程監(jiān)控及計算結(jié)果顯示。計算管理是系統(tǒng)的核心功能，該功能可完成科學(xué)計算執(zhí)行和計算結(jié)果分析。用戶可以動態(tài)地選定計算算法、計算參數(shù)及計算資源。
　　(3)用戶管理：用戶注冊、用戶刪除、用戶修改。用戶管理實(shí)現(xiàn)用戶注冊、用戶信息的修改和刪除。
　　(4)信息瀏覽：地震計算相關(guān)信息。信息瀏覽幫助用戶了解有關(guān)科學(xué)計算的相關(guān)信息，例如算法說明、計算參數(shù)解釋、計算結(jié)果說明等。
　　本研究通過建立統(tǒng)一的網(wǎng)格資源模型，為網(wǎng)格資源管理提供了一種有效的方法和工具，并在地震減災(zāi)仿真科學(xué)計算網(wǎng)格應(yīng)用系統(tǒng)中運(yùn)用此模型實(shí)現(xiàn)具體的地震應(yīng)用科學(xué)計算功能。實(shí)驗(yàn)證明此設(shè)計思想是可行的，它為地震應(yīng)用領(lǐng)域科學(xué)計算網(wǎng)格化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)，下一步的工作是在此研究的基礎(chǔ)上解讀其他資源模型協(xié)議，為更廣泛的應(yīng)用提供有力的支持。
參考文獻(xiàn)
1 周 健，戴 梅，王作遠(yuǎn)等.計算網(wǎng)格資源管理優(yōu)化技術(shù)和相關(guān)算法研究.電子技術(shù)應(yīng)用，2004；(10)
2 楊廣文，武永衛(wèi)，朱 晶.一種全局統(tǒng)一的層次化網(wǎng)格資源模型.計算機(jī)研究與發(fā)展，2003；(12)
3 Foster I，Kesselman C著，金海，袁平鵬，石柯譯.網(wǎng)格計算.北京：電子工業(yè)出版社，2004
4 都志輝，陳 渝，劉 鵬.網(wǎng)格計算.北京：清華大學(xué)出版社，2002
5 徐志偉，馮百明，李 偉.網(wǎng)格計算技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社，2002
6 肖 儂，任 浩，徐志偉等.基于資源目錄技術(shù)的網(wǎng)格系統(tǒng)軟件設(shè)計與實(shí)現(xiàn).計算機(jī)研究與發(fā)展，2002；(8)
7 Joseph J，F(xiàn)ellenstein C著，戰(zhàn)曉蘇，張少華譯.網(wǎng)格計算.北京：清華大學(xué)出版社，2004
8 Foster I，Kesselman C，Nick J et al.The Physiology of the Grid：An Open Grid Services Architecture for Distributed Systems Integration.Globus Project，USA，2002