網(wǎng)格資源分配管理模型的研究

　　摘 要： 網(wǎng)格資源分配管理是網(wǎng)格計(jì)算領(lǐng)域中的關(guān)鍵研究方向之一。在網(wǎng)格計(jì)算中，通過(guò)設(shè)計(jì)適合于網(wǎng)格任務(wù)特征和資源特點(diǎn)的分配管理模型，將網(wǎng)格計(jì)算中的資源合理的分配給匹配的網(wǎng)格，可使網(wǎng)格資源利用率最大化。本文提出了一種基于QoS的網(wǎng)格資源分配管理模型，能夠有效提高現(xiàn)有網(wǎng)格資源的利用率。
　　關(guān)鍵詞： 網(wǎng)格資源分配管理 QoS 資源分配管理模型
　　
　　1.引言
　　網(wǎng)格（Grid）是近年出現(xiàn)的新興技術(shù)。從20世紀(jì)90年代中期出現(xiàn)的元計(jì)算系統(tǒng)開(kāi)始，網(wǎng)格的發(fā)展過(guò)程可以分為三個(gè)階段［１］。早期的網(wǎng)格在當(dāng)時(shí)被稱為元計(jì)算環(huán)境（Metacomputing Environment），通常用來(lái)連接超級(jí)計(jì)算機(jī)為高性能要求的應(yīng)用提供計(jì)算資源，典型的系統(tǒng)為I-WAY；在網(wǎng)格發(fā)展的第二階段，異構(gòu)、分布的資源共享問(wèn)題得到了相當(dāng)?shù)闹匾暎虚g件和標(biāo)準(zhǔn)化是解決資源異構(gòu)性的關(guān)鍵技術(shù)，這個(gè)階段主要的研究包括Globus（3.0版本以下）、Legion、Nimrod/G等；在網(wǎng)格發(fā)展第三階段中，面向服務(wù)的模型和元數(shù)據(jù)是最關(guān)鍵的概念，兩者構(gòu)成OGSA（Open Grid Service Architecture）的核心思想。
　　開(kāi)放網(wǎng)格服務(wù)體系結(jié)構(gòu)OGSA（Open Grid Service Architecture）是Global Gird Forum 4的重要標(biāo)準(zhǔn)建議［２］，OGSA的目標(biāo)是跨分布式異構(gòu)平臺(tái)管理資源；交付無(wú)縫的服務(wù)質(zhì)量；為自治管理解決方案提供公共基礎(chǔ)；定義開(kāi)放的、已公布的接口；利用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的集成技術(shù)。從這些目標(biāo)，我們可以看出，前面三個(gè)目標(biāo)都與網(wǎng)格服務(wù)的服務(wù)質(zhì)量QoS密切相關(guān)。因此，在面向服務(wù)的網(wǎng)格環(huán)境下，服務(wù)質(zhì)量QoS便成為網(wǎng)格系統(tǒng)的一個(gè)重要的性能指標(biāo)。而用戶QoS需求的保證情況取決于執(zhí)行服務(wù)時(shí)系統(tǒng)所分配的資源本身的性能。因此，在面向服務(wù)的網(wǎng)格環(huán)境下，就很有必要進(jìn)行基于QoS的網(wǎng)格資源分配管理的研究。
　　2.網(wǎng)格的資源分配管理
　　2.1網(wǎng)格資源分配管理者（GRAM）
　　GRAM的組成部分主要包括Gatekeeper、任務(wù)管理者、資源管理者等。Gatekeeper位于資源管理者或任務(wù)管理者所在節(jié)點(diǎn)，用于與請(qǐng)求資源的用戶或用戶代理進(jìn)行安全鑒別。簡(jiǎn)單地說(shuō)，當(dāng)用戶要提交一個(gè)任務(wù)時(shí)，則用戶發(fā)一個(gè)執(zhí)行任務(wù)的請(qǐng)求（用RSL進(jìn)行描述）給遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的Gatekeeper；Gatekeeper處理這個(gè)請(qǐng)求，并針對(duì)這個(gè)任務(wù)創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)管理者Job Manager。任務(wù)管理者對(duì)任務(wù)請(qǐng)求中的RSL描述進(jìn)行解析，然后啟動(dòng)并監(jiān)視任務(wù)的執(zhí)行，而且還把任務(wù)的狀態(tài)信息發(fā)送給用戶。當(dāng)遠(yuǎn)程任務(wù)結(jié)束或失敗后，任務(wù)管理者也結(jié)束運(yùn)行。
　　（1）解析和處理任務(wù)請(qǐng)求中的RSL描述，在任務(wù)請(qǐng)求中對(duì)選擇資源、任務(wù)處理和任務(wù)控制等RSL描述，針對(duì)可用資源等情況對(duì)請(qǐng)求作出拒絕處理或執(zhí)行等操作；
　　（2）管理遠(yuǎn)程監(jiān)控啟動(dòng)的任務(wù)；
　　（3）根據(jù)所管理的資源可用情況更新MDS。
　　2.2網(wǎng)格中的資源管理
　　在網(wǎng)格中，廣義的資源可以是任何能為用戶所分享的軟件和硬件，比如處理器周期、共享的打印機(jī)和其他設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)帶寬、數(shù)據(jù)庫(kù)等。本文討論的資源僅指可代表用戶運(yùn)行一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程的主體（entity）［３］。網(wǎng)格資源的主要特點(diǎn)如下［４］。
　　（1）分布性。網(wǎng)格中的資源在地理上分布，在規(guī)模最大的全球性網(wǎng)格中，資源分布在全世界，所以網(wǎng)格無(wú)法采用集中式的資源管理，只能采用完全分布的資源管理方式。
　　（2）自主性。網(wǎng)格中的資源的所有權(quán)和管理權(quán)是分散的，資源管理必須尊重所有者和管理者的自主權(quán)。
　　（3）異構(gòu)性。網(wǎng)格中的資源通常異構(gòu)，因?yàn)椴煌姓吆芸赡苁褂貌煌布蛙浖餐褂貌煌馁Y源管理策略。
　　（4）動(dòng)態(tài)性。網(wǎng)格資源的狀態(tài)不斷變化，而且資源本身通常不是專用于網(wǎng)格，還可能有非網(wǎng)格應(yīng)用，所以資源所在機(jī)器的負(fù)載情況難以預(yù)測(cè)。
　　目前結(jié)合上述特點(diǎn)，將網(wǎng)格資源的分配劃分為GARA和MPICH-GQ兩個(gè)階段進(jìn)行，即首先在網(wǎng)格這個(gè)宏觀環(huán)境下分配，然后由具體的資源管理者在資源所在系統(tǒng)進(jìn)行微觀分配［５］，這種劃分指出了網(wǎng)格環(huán)境下資源分配的特點(diǎn)，但沒(méi)有結(jié)合QoS進(jìn)行考慮。盡管通用的支持資源預(yù)留和分配的體系架構(gòu)GARA為不同種類的資源提供了統(tǒng)一的QoS預(yù)留機(jī)制，向用戶和應(yīng)用開(kāi)發(fā)者提供了方便的End-To-End的QoS控制機(jī)制；消息傳遞架構(gòu)MPICH-GQ，它綜合了QoS描述、預(yù)留和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，從基于消息傳遞編程的角度給出了網(wǎng)格QoS的一些實(shí)現(xiàn)機(jī)制，但都沒(méi)有對(duì)網(wǎng)格QoS的層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，也沒(méi)有對(duì)以服務(wù)為中心的網(wǎng)格QoS的特性進(jìn)行系統(tǒng)分析。
　　3.網(wǎng)格QoS（Quality of Service）
　　3.1網(wǎng)格QoS的特點(diǎn)
　　分析資源虛擬化、邏輯資源與物理資源，QoS對(duì)不同的對(duì)象可以有不同的描述。
　　3.2網(wǎng)格QoS的層次結(jié)構(gòu)
　　最上層是網(wǎng)格服務(wù)QoS層，該層描述了網(wǎng)格服務(wù)的QoS要求，如服務(wù)響應(yīng)時(shí)間、系統(tǒng)傳輸速率、參與服務(wù)的資源質(zhì)量和性能要求等。第二層為虛擬組織QoS層，它包括系統(tǒng)QoS和邏輯資源QoS，描述了滿足網(wǎng)格服務(wù)層QoS參數(shù)的系統(tǒng)需求和邏輯資源需求。其中系統(tǒng)QoS主要指在通信和邏輯資源所在資源節(jié)點(diǎn)的支撐環(huán)境等兩方面的QoS需求，邏輯資源QoS主要指直接提供網(wǎng)格服務(wù)的邏輯資源在性能、安全等方面的QoS需求，如邏輯資源的質(zhì)量等級(jí)、信任度、安全級(jí)別等。最底層是物理資源QoS層，包括網(wǎng)絡(luò)QoS和資源節(jié)點(diǎn)QoS兩個(gè)方面。其中網(wǎng)絡(luò)QoS描述了網(wǎng)絡(luò)性能的具體QoS參數(shù)要求，如延遲、帶寬、丟包率等；資源節(jié)點(diǎn)QoS包括提供網(wǎng)格服務(wù)的物理資源QoS和它所在節(jié)點(diǎn)的支撐環(huán)境QoS，物理資源QoS是邏輯資源QoS在物理資源層的映射，它描述了實(shí)際提供服務(wù)的物理資源的QoS要求，如物理資源的共享策略、可負(fù)載能力、質(zhì)量等級(jí)、可使用時(shí)間、任務(wù)中斷率、要求的訪問(wèn)權(quán)限等，節(jié)點(diǎn)支撐環(huán)境QoS是指資源所在節(jié)點(diǎn)的其他輔助設(shè)備的QoS，如資源節(jié)點(diǎn)的操作系統(tǒng)環(huán)境、內(nèi)存大小等，它是虛擬組織層系統(tǒng)QoS在資源支撐環(huán)境方面的QoS要求的映射。
　　4.網(wǎng)格資源分配管理GRAM-QoS模型
　　GRAM-QoS主要由網(wǎng)格服務(wù)市場(chǎng)、網(wǎng)格中間件服務(wù)、網(wǎng)格資源代理和網(wǎng)格資源節(jié)點(diǎn)等四部分組成。其中網(wǎng)格服務(wù)市場(chǎng)位于網(wǎng)格系統(tǒng)的網(wǎng)格服務(wù)層，該模塊一方面為網(wǎng)格用戶提供查詢網(wǎng)格服務(wù)的功能，另一方面為網(wǎng)格服務(wù)提供者提供注冊(cè)、發(fā)布網(wǎng)格服務(wù)的功能。當(dāng)網(wǎng)格服務(wù)提供者進(jìn)行服務(wù)注冊(cè)、發(fā)布時(shí)，要根據(jù)資源管理系統(tǒng)的要求提供身份證明和服務(wù)的相關(guān)描述，如服務(wù)的資源需求、QoS不同級(jí)別的參數(shù)要求等。網(wǎng)格中間件服務(wù)模塊主要負(fù)責(zé)網(wǎng)格系統(tǒng)的登錄、安全控制、用戶信息管理和用戶資源使用的記賬功能等。網(wǎng)格資源代理位于網(wǎng)格系統(tǒng)的虛擬組織層，它是物理資源在VO中的邏輯表現(xiàn)，代表物理資源與用戶進(jìn)行交互。網(wǎng)格資源節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)格系統(tǒng)的物理資源層，它向網(wǎng)格用戶提供具體的網(wǎng)格服務(wù)，但它的物理特性對(duì)用戶是透明的，用戶只能通過(guò)網(wǎng)格資源代理與物理資源進(jìn)行交互。
　　
　　5.結(jié)語(yǔ)
　　網(wǎng)格是備受矚目的新技術(shù)，雖然目前它還沒(méi)有被廣泛應(yīng)用，但它在科研方面的巨大潛力吸引了國(guó)內(nèi)外研究和商業(yè)力量。在網(wǎng)格技術(shù)的眾多問(wèn)題中，資源分配管理是研究最集中的問(wèn)題之一，但資源分配管理與QoS結(jié)合起來(lái)解決網(wǎng)格中的資源分配管理還是很少觸及的問(wèn)題。本文初步建立了網(wǎng)格QoS的層次結(jié)構(gòu)，以及基于QoS的網(wǎng)格資源分配管理模型GRAM-QoS，從宏觀上提出了一種對(duì)用戶QoS需求支持的解決方案。但在微觀上，還有很多的技術(shù)需要去進(jìn)一步完善，如何有效實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格資源的提前預(yù)留成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是我們下一步要重點(diǎn)研究的內(nèi)容。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　［1］ran Berman，Geoffrey Fox，Tony Hey.Grid Computing-making the Global Infrastructure a Reality［M］.USA：John Wiley and SonsLtd，2003：65-100.
　　［2］都志輝，陳渝，劉鵬網(wǎng)格計(jì)算.清華大學(xué)出版社，2002.10.
　　［3］Tomas Sandholm，Jarec Gawor.Globus Toolkit 3 Core Whitepaper［EB/OL］.http：//www-unix.globus.org/toolkit/docs/3.2/core/，2003-06-02.
　　［4］J Frey，T Tannenbaum，I Foster，et al.Condor-G：A Computation Management Agent for Multi-institutional Grids［J］.Cluster Computing，2002，5（3）：237-246.