一種基于策略的可擴(kuò)展網(wǎng)格資源管理機(jī)制

摘要：提出了一種基于策略的網(wǎng)格資源管理機(jī)制和采用的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)將網(wǎng)格應(yīng)用的用戶(hù)和資源節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行分類(lèi)，較好地處理了網(wǎng)格系統(tǒng)中集中與分布的矛盾。引入資源預(yù)留的思想來(lái)解決散戶(hù)的突發(fā)批量作業(yè)提交。采用集中和分布并重、直接認(rèn)證和代理認(rèn)證結(jié)合的多策略認(rèn)證結(jié)構(gòu)，以提高網(wǎng)格安全認(rèn)證的效率。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)格資源管理；資源請(qǐng)求代理；虛擬組織；多策略認(rèn)證；對(duì)等網(wǎng)絡(luò)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001－3695(2007)07－0211－03

0引言

隨著人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)在資源共享、分布計(jì)算、空閑資源的收集和利用等方面需求的提高，被認(rèn)為是下一代互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)格研究受到世界各國(guó)的重視。如今網(wǎng)格研究呈現(xiàn)兩個(gè)趨勢(shì)：一是研究中心由美國(guó)向其他國(guó)家擴(kuò)展，如歐盟的EGEE、DATAGrid、EuroGrid，英國(guó)的E－Science，德國(guó)的D－Grid，亞太地區(qū)的ApGrid，日本的Ninf、NAREGI、BioGrid，中國(guó)的中國(guó)國(guó)家網(wǎng)格（China National Grid）、教育科研網(wǎng)格（China Grid）、織女星網(wǎng)格（Vega Grid）等[1~3]；二是研究被越來(lái)越多的商業(yè)機(jī)構(gòu)關(guān)注，并且他們積極參與到研究中，加快了研究的進(jìn)度，如Sun公司的Grid Engine，還有IBM、Microsoft、HP、Compaq、Intel、SGI、Pfizer、波音公司、福特公司、愛(ài)立信（Ericsson）、日立（Hitachi）、寶馬（BMW）等都在構(gòu)造和試用自己的內(nèi)部網(wǎng)格[1]。

網(wǎng)格研究中的關(guān)鍵技術(shù)主要有體系結(jié)構(gòu)、資源管理、任務(wù)管理和安全機(jī)制等。當(dāng)前對(duì)網(wǎng)格資源管理的研究主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)是以代理服務(wù)器為中心的集中式管理模式；一類(lèi)是以虛擬組織（Virtual Organization， VO）[4]為代表的分布式模式。本文在設(shè)計(jì)網(wǎng)格的資源管理機(jī)制時(shí)，將資源管理和安全機(jī)制放在一起考慮，充分考慮安全性與可擴(kuò)展性之間的平衡，提出了一種基于策略的網(wǎng)格資源管理機(jī)制。

1網(wǎng)格資源管理體系和安全體系

1．1網(wǎng)格資源管理體系

網(wǎng)格的資源管理包括資源的發(fā)現(xiàn)、描述、組織、定位、調(diào)度、分配、確認(rèn)、監(jiān)測(cè)、更新、進(jìn)程創(chuàng)建以及信息的發(fā)布等其他活動(dòng)。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，主要采用兩種方式，即集中式和分布式。在集中方式中（圖1），用戶(hù)主要是通過(guò)資源請(qǐng)求代理[5]來(lái)獲得所需的節(jié)點(diǎn)資源，而網(wǎng)格系統(tǒng)也是通過(guò)資源代理來(lái)對(duì)系統(tǒng)中的資源進(jìn)行調(diào)度和管理。用戶(hù)通過(guò)資源信息服務(wù)器[5]來(lái)向系統(tǒng)通報(bào)自身的資源狀況，同樣，系統(tǒng)也通過(guò)信息服務(wù)器來(lái)發(fā)布系統(tǒng)中資源的動(dòng)態(tài)變化；用戶(hù)也可通過(guò)信息服務(wù)器來(lái)實(shí)時(shí)查詢(xún)系統(tǒng)的資源狀況。不同的系統(tǒng)主要是對(duì)資源請(qǐng)求代理和信息服務(wù)器的組成方式進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，使其更適合于一個(gè)具體的網(wǎng)格系統(tǒng)。比如有的系統(tǒng)根據(jù)代理在系統(tǒng)中所扮演的不同角色，將資源請(qǐng)求代理分為資源代理、應(yīng)用代理和經(jīng)紀(jì)人代理[6]。還有的系統(tǒng)將資源請(qǐng)求代理和信息服務(wù)器兩者的功能分別叫做資源分發(fā)和資源發(fā)現(xiàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)的方法或基于代理（Agent）的方法實(shí)現(xiàn)資源的管理[7]，但其實(shí)質(zhì)與基于代理的集中方式還是一樣的。

在分布方式中（圖2），主要是基于虛擬組織[4]的分布式網(wǎng)格資源管理的思想。其出發(fā)點(diǎn)是單個(gè)網(wǎng)格應(yīng)用不大可能也沒(méi)有必要使用系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)為其服務(wù)，而且如果某個(gè)網(wǎng)格應(yīng)用需要用到的資源節(jié)點(diǎn)比較多。為了協(xié)調(diào)各節(jié)點(diǎn)間的行為，用于通信的開(kāi)銷(xiāo)也會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加而急劇增長(zhǎng)。因此，當(dāng)接收到某個(gè)網(wǎng)格應(yīng)用時(shí)，資源調(diào)度系統(tǒng)首先按照某種策略選擇一個(gè)代價(jià)相對(duì)較小的資源集，然后涉及該網(wǎng)格應(yīng)用的資源管理就在這個(gè)資源集中進(jìn)行（VO） [8]。為了進(jìn)一步避免虛擬組織占用的資源規(guī)模較大且較為分散， 提高系統(tǒng)性能和降低作業(yè)處理的代價(jià)，有些系統(tǒng)引入了子虛擬組織（SVO）的概念[9，10]。

1．2網(wǎng)格安全體系

網(wǎng)格的安全體系主要要解決的問(wèn)題有[11]：①現(xiàn)有系統(tǒng)與技術(shù)的集成；②不同主機(jī)環(huán)境的協(xié)同工作；③相互影響的主機(jī)環(huán)境之間的信任。其結(jié)構(gòu)也主要分為集中式和分布式。集中式的網(wǎng)格安全體系主要有William Johnston等人提出的Akent和美國(guó)加州大學(xué)L.Pearlman等人提出的CAS (Community Authorization Server)模型[12]。這兩種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是對(duì)分布式資源的適應(yīng)性不好，如果一旦資源證書(shū)主機(jī)或CAS服務(wù)器失效，則整個(gè)系統(tǒng)就將癱瘓，系統(tǒng)的可靠性較差。分布式的網(wǎng)格安全體系主要有A.Shah等人提出的一種基于Java的網(wǎng)格安全框架——Symphony(交響樂(lè))體系框架。這種安全體系通過(guò)代理證書(shū)和屬性證書(shū)使得用戶(hù)之間能夠進(jìn)行協(xié)作，其缺點(diǎn)是對(duì)現(xiàn)有安全模型的兼容性不夠[12]。

2基于策略的可擴(kuò)展網(wǎng)格資源管理機(jī)制

2．1新機(jī)制提出的思想和可行性

目前的網(wǎng)格應(yīng)用主要包括網(wǎng)格計(jì)算、資源（包括數(shù)據(jù)庫(kù)和設(shè)備等）共享、空閑資源的收集和利用等，而人們眼前的網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)容量（包括用戶(hù)數(shù)和資源數(shù)）巨大、異構(gòu)、動(dòng)態(tài)、資源孤立分散的系統(tǒng)。現(xiàn)實(shí)中用戶(hù)對(duì)網(wǎng)格的需求是多種多樣的，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的各個(gè)組成部分也是千差萬(wàn)別的。在這種情況下如果只采用一種方式來(lái)力求把兩者有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，并且能夠良好地工作，在目前還是比較困難的。因?yàn)閺牡?章的介紹和分析中可以清楚地看到，在集中方式中資源管理的機(jī)制比較簡(jiǎn)單，安全體系也比較簡(jiǎn)單，但實(shí)際上又在無(wú)形中產(chǎn)生了兩個(gè)新的資源孤島——資源信息與調(diào)度服務(wù)器，以及安全認(rèn)證服務(wù)器，使得整個(gè)網(wǎng)格系統(tǒng)的可靠性比較差。而在分布的方式中雖然解決了系統(tǒng)可靠性問(wèn)題，但其資源管理機(jī)制又比較復(fù)雜，效率比較低，如何屏蔽千差萬(wàn)別的本地安全機(jī)制也是一個(gè)不小的難題。

本文將用戶(hù)的需求和資源節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行了分類(lèi)，從用戶(hù)的不同需求出發(fā)，結(jié)合集中式和分布式兩者的優(yōu)點(diǎn)，引入P2P網(wǎng)絡(luò)在擴(kuò)展性和靈活性方面的特點(diǎn)，提出了基于策略的可擴(kuò)展網(wǎng)格安全資源管理機(jī)制（圖3）。在這種機(jī)制中，本文借鑒股市中的管理辦法，將用戶(hù)分為大戶(hù)和散戶(hù)，對(duì)于大戶(hù)采用集中的方式。因?yàn)榇髴?hù)的數(shù)量相對(duì)來(lái)說(shuō)比較穩(wěn)定，其對(duì)擴(kuò)展性方面的要求較小。對(duì)于散戶(hù)則采用分布的方式。因?yàn)樯?hù)是網(wǎng)格系統(tǒng)中的不穩(wěn)定因素，其對(duì)擴(kuò)展性方面的要求比較高，所以采用具有某些P2P網(wǎng)絡(luò)特征的基于虛擬組織的分布式網(wǎng)格資源管理機(jī)制來(lái)對(duì)散戶(hù)資源進(jìn)行調(diào)度。考慮到有些散戶(hù)可能的需求，引入資源預(yù)留機(jī)制[13]來(lái)解決散戶(hù)突發(fā)的批量作業(yè)提交。

2．2新機(jī)制采用的策略

從圖3可以看到，當(dāng)用戶(hù)提交了一個(gè)網(wǎng)格應(yīng)用后，系統(tǒng)先通過(guò)用戶(hù)信息來(lái)判斷該應(yīng)用是來(lái)自大戶(hù)還是散戶(hù)，用戶(hù)信息為了避免存放在一個(gè)固定服務(wù)器上導(dǎo)致的可靠性問(wèn)題，采用了在所有主節(jié)點(diǎn)上存放副本的策略。這種做法雖然造成了一定的存儲(chǔ)冗余，但提高了系統(tǒng)的可靠性，這樣的代價(jià)還是值得的。當(dāng)正在使用的主節(jié)點(diǎn)Down機(jī)時(shí)，其他主節(jié)點(diǎn)采用隨機(jī)的方式迅速接替其作為信息服務(wù)器的工作。由于主節(jié)點(diǎn)的加入和退出不可能很頻繁，各主節(jié)點(diǎn)上的信息采用請(qǐng)求方式進(jìn)行更新。當(dāng)某些主節(jié)點(diǎn)要加入或退出系統(tǒng)時(shí)發(fā)出一個(gè)信息更新請(qǐng)求，存放在各主節(jié)點(diǎn)的信息同時(shí)進(jìn)行更新，從而做到各副本的一致性。對(duì)于散戶(hù)，由于數(shù)量和位置無(wú)法確定，采用只要不是大戶(hù)，就一律看成散戶(hù)的方式。而對(duì)于大戶(hù)身份的認(rèn)定，可以根據(jù)用戶(hù)為系統(tǒng)提供服務(wù)和作為客戶(hù)向系統(tǒng)申請(qǐng)和接受服務(wù)過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的等級(jí)來(lái)決定。其指標(biāo)可以根據(jù)具體的某個(gè)實(shí)際網(wǎng)格系統(tǒng)的側(cè)重點(diǎn)來(lái)設(shè)定，主要還是一種靜態(tài)的方式，然后根據(jù)應(yīng)用過(guò)程中的一些變化采用管理員手工方式或用戶(hù)申請(qǐng)、系統(tǒng)審核的方式來(lái)進(jìn)行調(diào)整。這樣做的好處一是使得所要存儲(chǔ)的信息量比較小，因?yàn)橹恍枰鎯?chǔ)大戶(hù)的信息；二是用戶(hù)信息比較穩(wěn)定，查詢(xún)和判斷的時(shí)間比較短，安全性也比較好。另外，與用戶(hù)信息存放在一起的資源預(yù)留列表的作用是當(dāng)某些散戶(hù)發(fā)生突發(fā)的批量作業(yè)提交時(shí)，通過(guò)查詢(xún)資源預(yù)留列表為其提供及時(shí)的服務(wù)，從而避免了資源調(diào)度系統(tǒng)重新進(jìn)行資源分配造成的時(shí)間延遲，提高了系統(tǒng)的QoS。

2．3新機(jī)制的具體實(shí)現(xiàn)

當(dāng)通過(guò)查詢(xún)信息判斷某一網(wǎng)格應(yīng)用的用戶(hù)為大戶(hù)時(shí)，采用集中的資源管理機(jī)制和安全體系，即代理服務(wù)器模式。通常來(lái)說(shuō)，大戶(hù)的信譽(yù)度均比較高，動(dòng)態(tài)變化較小，用戶(hù)數(shù)量也較少，但同時(shí)用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、服務(wù)優(yōu)先級(jí)、安全保障（包括運(yùn)行結(jié)果的安全和通信的安全）等的要求也較高，而這些正好是集中方式的優(yōu)勢(shì)。相應(yīng)地，為大戶(hù)提供服務(wù)的節(jié)點(diǎn)資源也只是系統(tǒng)中的主節(jié)點(diǎn)，因?yàn)橹鞴?jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性、可靠性、處理能力、安全性等均比較高，是為用戶(hù)提供高質(zhì)量服務(wù)的有力保證。而且主節(jié)點(diǎn)的數(shù)量相對(duì)來(lái)說(shuō)比較少，從而各主節(jié)點(diǎn)之間和各主節(jié)點(diǎn)與代理服務(wù)器之間的通信量也比較小，提高了系統(tǒng)的效率和減小了系統(tǒng)受攻擊的概率。為了提高通信的安全性，各主節(jié)點(diǎn)之間采用VPN(虛擬專(zhuān)用網(wǎng))技術(shù)進(jìn)行連接，在各主節(jié)點(diǎn)之間建立一條臨時(shí)、安全的連接通道，一條穿過(guò)雜亂無(wú)章的公共網(wǎng)絡(luò)的安全、穩(wěn)定的隧道[14]。在該網(wǎng)中的主節(jié)點(diǎn)將不會(huì)覺(jué)察到公共網(wǎng)絡(luò)的存在，仿佛所有的主節(jié)點(diǎn)均處于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，公共網(wǎng)絡(luò)似乎只由本網(wǎng)絡(luò)在獨(dú)占使用。VPN網(wǎng)絡(luò)的參考模型主要有四類(lèi)[15]：①虛擬租用線路（VLL）；②虛擬專(zhuān)用路由網(wǎng)絡(luò)（VPRN）；③虛擬專(zhuān)用撥號(hào)網(wǎng)（VPDN）；④虛擬專(zhuān)用LAN片斷（VPLS）。在這里采用VPLS，因?yàn)樵谶@種虛擬網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)的是鏈路層橋接，而不像VPRN那樣采用網(wǎng)絡(luò)層轉(zhuǎn)發(fā)。但其組網(wǎng)的靈活性比VPRN要弱一些，不過(guò)這對(duì)主節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)影響不大，因?yàn)橹鞴?jié)點(diǎn)的數(shù)量是相對(duì)穩(wěn)定的。不過(guò)VPLS有一個(gè)最大的好處就是協(xié)議完全透明，便于實(shí)現(xiàn)多協(xié)議傳輸，這對(duì)網(wǎng)格這種異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)是非常必要的。

目前VPN主要采用四項(xiàng)技術(shù)來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩訹15]：

（1）隧道技術(shù)（Tunneling）；

（2）加/解密技術(shù)（Encryption Decryption）；

（3）密鑰管理技術(shù)（Key Management）；

（4）使用者與設(shè)備身份認(rèn)證技術(shù)（Authentication）。

若某一網(wǎng)格應(yīng)用的用戶(hù)為散戶(hù)時(shí)，則采用分布的資源管理機(jī)制和安全體系。在這里本文通過(guò)引入P2P(Peer－to－Peer)網(wǎng)絡(luò)的某些做法來(lái)改進(jìn)基于虛擬組織的分布式網(wǎng)格資源管理機(jī)制，目的是提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。P2P網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)（Peer）均是平等的，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)均能夠共享系統(tǒng)內(nèi)的資源，Peer間通過(guò)直接交換信息來(lái)進(jìn)行信息和服務(wù)的共享[16]。雖然P2P網(wǎng)絡(luò)的這種特點(diǎn)能使系統(tǒng)的擴(kuò)展性非常好，但同時(shí)也帶來(lái)了安全性方面的問(wèn)題。因?yàn)樵赑2P的安全機(jī)制中一般都不進(jìn)行認(rèn)證和內(nèi)容確認(rèn)，相反卻提供確保匿名和應(yīng)對(duì)信息審查的協(xié)議[16]，所以不能簡(jiǎn)單地把P2P網(wǎng)絡(luò)移植到網(wǎng)格系統(tǒng)中。在改進(jìn)的機(jī)制中網(wǎng)格應(yīng)用可以通過(guò)任意一個(gè)非主節(jié)點(diǎn)向系統(tǒng)提交作業(yè)，該提交任務(wù)的節(jié)點(diǎn)周期性地向網(wǎng)絡(luò)中的其他非主節(jié)點(diǎn)報(bào)告它的資源現(xiàn)狀，同時(shí)發(fā)現(xiàn)其鄰居節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)信息[16]。每個(gè)非主節(jié)點(diǎn)均具有全局資源調(diào)度、網(wǎng)格信息服務(wù)和網(wǎng)格性能預(yù)測(cè)的能力，通過(guò)每個(gè)非主節(jié)點(diǎn)中各功能部件之間的交互以及虛擬組織中各相關(guān)非主節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)商來(lái)完成網(wǎng)格系統(tǒng)中散戶(hù)的資源調(diào)度功能[8]。在安全體系方面，用戶(hù)與提交任務(wù)的節(jié)點(diǎn)之間采用直接認(rèn)證的方式，與其他節(jié)點(diǎn)之間采用代理認(rèn)證的方式，從而做到單點(diǎn)登錄。這種多策略認(rèn)證結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)直接認(rèn)證與通過(guò)代理來(lái)認(rèn)證的折中思想，提高了網(wǎng)格計(jì)算和安全認(rèn)證的效率[17]。

3結(jié)束語(yǔ)

網(wǎng)格資源管理和安全體系是網(wǎng)格領(lǐng)域的核心研究?jī)?nèi)容，本文在設(shè)計(jì)網(wǎng)格的資源管理機(jī)制的同時(shí)充分考慮安全因素，提出了一種基于策略的可擴(kuò)展網(wǎng)格資源管理機(jī)制，通過(guò)將網(wǎng)格應(yīng)用的用戶(hù)和資源節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行分類(lèi)，較好地處理了網(wǎng)格系統(tǒng)中集中與分布的矛盾。并引入資源預(yù)留的思想來(lái)解決散戶(hù)的突發(fā)批量作業(yè)提交。下一步的工作主要是細(xì)化機(jī)制中的一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)，比如在本文提出的機(jī)制中，對(duì)用戶(hù)和資源節(jié)點(diǎn)的分類(lèi)主要采用的是一種靜態(tài)的方式，是否能夠引入經(jīng)濟(jì)模型中的信譽(yù)度[18]的概念，從而動(dòng)態(tài)地來(lái)對(duì)用戶(hù)和資源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分，使該機(jī)制更加完善。 

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文”