基于WSRF的網(wǎng)格資源共享和調(diào)度的研究＊

（武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 武漢 430063）

0 引 言

校園網(wǎng)是學(xué)校教學(xué)、科研及管理的重要基礎(chǔ)平臺(tái)．但由于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性、資源地理分布性、動(dòng)態(tài)性和系統(tǒng)權(quán)限等諸多原因，各種教學(xué)資源不能充分共享和利用，重復(fù)開(kāi)發(fā)現(xiàn)象比較嚴(yán)重．從目前來(lái)看，現(xiàn)有的校園網(wǎng)存在的問(wèn)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(fèi)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(wù)逐漸滲透到社會(huì)的各個(gè)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(kāi)放網(wǎng)格服務(wù)體系（OGSA），再到 Web服務(wù)資源框架（WSRF），網(wǎng)格的研究走向了面向服務(wù)的軌道．本文通過(guò)對(duì) WSRF的研究，提出了基于 WSRF的教學(xué)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(jiǎn)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(qiáng)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(duì)網(wǎng)格各部分功能的定性描述．這種結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但是在許多情況下，復(fù)雜的服務(wù)和應(yīng)用很難分解成標(biāo)準(zhǔn)而低級(jí)的基本協(xié)議，而且人們?cè)诮鉀Q問(wèn)題時(shí)不習(xí)慣按照協(xié)議的方式來(lái)進(jìn)行．

全球網(wǎng)格論壇組織GGF提出的開(kāi)放網(wǎng)格服務(wù)體系結(jié)構(gòu)OGSA（open grid services architecture），它以服務(wù)為中心，充分利用現(xiàn)有的解決方案，遵循現(xiàn)有的 Web服務(wù)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(jī)制，并具有良好的擴(kuò)展性，可以更好地支持臨時(shí)服務(wù)［2］．OGSA提出后，GGF開(kāi)始著手研究開(kāi)放網(wǎng)格服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施OGSI草案，但是Web服務(wù)支持者認(rèn)為OGSI有如下4個(gè)不利于其發(fā)展的弊病：（1）在一個(gè)協(xié)議中包含了過(guò)多的內(nèi)容，協(xié)議對(duì)不同內(nèi)容的規(guī)定詳細(xì)程度也各不相同，使得協(xié)議的實(shí)現(xiàn)難于搭建；（2）由于過(guò)多的使用XML Schema及其擴(kuò)展，OGSI與現(xiàn)有的 Web服務(wù)和XML工具不能很好的聯(lián)系起來(lái)；（3）在編程模式的設(shè)計(jì)上過(guò)于面向?qū)ο蠡骔eb Service對(duì)象一樣能夠支持實(shí)例內(nèi)部狀態(tài)的維護(hù)，這一點(diǎn)得不到Web服務(wù)技術(shù)擁護(hù)者的支持，同時(shí)也難于在基于HTTP的 Web上實(shí)現(xiàn)；（4）對(duì) WSDL做了過(guò)多的擴(kuò)展，使得OGSI難以無(wú)縫集成到以WSDL為基礎(chǔ)的Web服務(wù)協(xié)議棧之中，使OGSI與Web服務(wù)不能很好地結(jié)合在一起［3］．為了解決OGSI和 Web服務(wù)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(wù)完全不同的定義，它規(guī)定了資源是有狀態(tài)的，服務(wù)時(shí)無(wú)狀態(tài)的．

1.2 WSRF體系結(jié)構(gòu)

WSRF的規(guī)范是針對(duì)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(yǔ)法，并且使用了不同的術(shù)語(yǔ)進(jìn)行表達(dá)，WSRF定義了使用Web服務(wù)來(lái)訪問(wèn)有狀態(tài)資源的一系列規(guī)范，包括Web服務(wù)資源生命周期（WS－ResourceLifetime）、Web服務(wù)資源屬性（WS－ResourceProperties）、Web服務(wù)服務(wù)組（WSServiceGroup）和 Web服 務(wù) 基 本 錯(cuò) 誤 （WS－Base－Faults）規(guī)范．基于 WSRF的網(wǎng)格環(huán)境見(jiàn)圖1［4］．

圖1 基于WSRF的網(wǎng)格環(huán)境

信息處理器負(fù)責(zé)與外界的信息交換，Web服務(wù)將自身提供的功能通過(guò) 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(wù)請(qǐng)求者）調(diào)用．WSRF的目的是使資源成為 Web服務(wù)框架下的有狀態(tài)資源，WSRF框架見(jiàn)圖2．

WS基本錯(cuò)誤定義了被WSRF服務(wù)拋出的SOAP格式的錯(cuò)誤，WS服務(wù)組指定了如何聚合WS資源，WS資源屬性定義了同WS資源進(jìn)行交互的方式，WS資源生命周期定義了如何管理和銷(xiāo)毀WS資源，WS可更新引用在端點(diǎn)引用無(wú)效的時(shí)候來(lái)檢索所需要的更新版本．

圖2 WSRF框架

2 基于WSRF的教學(xué)資源共享模型的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思想及目標(biāo)

模型的設(shè)計(jì)面向的是多個(gè)學(xué)科之間甚至是不同地域的多個(gè)學(xué)校之間，因此對(duì)各種資源的封裝非常重要，模型的設(shè)計(jì)思路如下：（1）采用一種有效的方法進(jìn)行資源的封裝，屏蔽資源內(nèi)部的方法和機(jī)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(shí)現(xiàn)底層模型對(duì)用戶的透明性；（2）采用已用的或可用的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范，這樣有利于模型的推廣，在模型升級(jí)和替換的過(guò)程中不受非標(biāo)準(zhǔn)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(wù)請(qǐng)求者能準(zhǔn)確的獲得自己所需要的各種資源并整合起來(lái)；（4）系統(tǒng)能夠充分提高資源的利用率，通過(guò)該模型設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)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(mén)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(jì)思路，設(shè)計(jì)的模型應(yīng)能達(dá)到如下目標(biāo)：

1）對(duì)教學(xué)資源有統(tǒng)一的描述和傳輸標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)異構(gòu)資源標(biāo)準(zhǔn)集成，對(duì)用戶使用標(biāo)準(zhǔn)的、開(kāi)放的和通用的協(xié)議與接口，提供統(tǒng)一的方式供用戶進(jìn)行訪問(wèn)．

2）根據(jù)QoS的要求，基于該模型的系統(tǒng)必須能夠提供無(wú)縫透明的服務(wù)質(zhì)量．首先，用戶可以在任何時(shí)間、地點(diǎn)訪問(wèn)各種網(wǎng)格教學(xué)資源，網(wǎng)格計(jì)算能力可以通過(guò)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(wèn)及并發(fā)訪問(wèn)．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(yīng)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(gè)資源和站點(diǎn)的計(jì)算所進(jìn)行的信任委托和信任轉(zhuǎn)移等．安全性是實(shí)現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量的基礎(chǔ)．

2.2 基于WSRF的教學(xué)資源共享模型

該共享模型的體系結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(wù)層，最上層為網(wǎng)格應(yīng)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(xué)資源共享平臺(tái)的基礎(chǔ)，這里的物理資源指的是教學(xué)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(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、實(shí)驗(yàn)儀器、服務(wù)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(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件．這些資源率屬于不同的學(xué)院或者學(xué)校，分布在不同的區(qū)域但必須通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接起來(lái)，即物理上是連通的．

圖3 基于WSRF的教學(xué)資源共享模型

網(wǎng)格服務(wù)層整合底層資源并向用戶提供應(yīng)用接口．由于網(wǎng)格資源具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性，它們可能隨時(shí)加入或離開(kāi)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(qiáng)，因此需要將資源通過(guò)Web服務(wù)定義語(yǔ)言來(lái)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(wù)包括資源信息收集，將動(dòng)態(tài)資源存儲(chǔ)到資源數(shù)據(jù)庫(kù)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(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，需要網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)自治管理，又需要這個(gè)共享環(huán)境系統(tǒng)對(duì)資源進(jìn)行統(tǒng)一管理，因此必須提供通用的資源管理機(jī)制．網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和QoS約束模塊對(duì)各類資源進(jìn)行實(shí)時(shí)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(gè)體差異較大，分布地域廣，所以數(shù)據(jù)傳輸中的錯(cuò)誤及系統(tǒng)故障在所難免，另外資源所有者隨意開(kāi)關(guān)機(jī)等都會(huì)嚴(yán)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(guò)程中結(jié)合QoS約束，為用戶提供可靠精確的服務(wù)．目錄服務(wù)是基于網(wǎng)格計(jì)算環(huán)境的信息服務(wù)框架，主要完成信息的發(fā)現(xiàn)、注冊(cè)、查詢、修改等工作，允許虛擬組織參加者通過(guò)輕量目錄管理協(xié)議［5］（lightweight directory access protocol，LDAP）在由LDAP服務(wù)器組合構(gòu)成的分布目錄中對(duì)信息／數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)和存儲(chǔ)．

網(wǎng)格應(yīng)用層是面向用戶的核心部分，該層為用戶設(shè)計(jì)透明、安全的應(yīng)用程序和服務(wù)，用戶不需要知道這些服務(wù)時(shí)怎么實(shí)現(xiàn)的．他們只需要通過(guò)用戶注冊(cè)成為合法的網(wǎng)格用戶，然后通過(guò)網(wǎng)格服務(wù)注冊(cè)中心搜索所需的網(wǎng)格服務(wù)，獲得該服務(wù)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(fèi)用、完成時(shí)間、帶寬、完成率等，這里我們考慮資源費(fèi)用和完成時(shí)間兩個(gè)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(shí)間表示為FTij（表示第i個(gè)任務(wù)對(duì)第j個(gè)資源的調(diào)度時(shí)間），任務(wù)i使用的資源j的花費(fèi)表示為RCij．

2）用效用函數(shù)［7］表示用戶從完成任務(wù)中獲得的QoS滿意程度，效用函數(shù)用ui表示，任務(wù)集中所有的任務(wù)總效用為系統(tǒng)目標(biāo)是最大化總效用，即能夠達(dá)到．式中：t為用戶規(guī)定的完成時(shí)間．3）用T＝ （t1，t2，…，tn）表示所要完成的調(diào)度任務(wù)，R ＝ （r1，r2，…，rm）為網(wǎng)格資源，則任務(wù)與資源的綁定可以用矩陣來(lái)表示．式中：amn為任務(wù)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(shí)間屬于成本型屬性，數(shù)值越小越好，資源花費(fèi)也屬于成本屬性，數(shù)值越小越好．我們對(duì)可用決策矩陣B進(jìn)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(shí)間、資源花費(fèi)2個(gè)因素的關(guān)系見(jiàn)圖4．

圖4 用戶的滿意度和完成時(shí)間、資源花費(fèi)的關(guān)系

3.2 基于QoS的資源調(diào)度算法

根據(jù)以上對(duì)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(wù)T，對(duì)于每個(gè)ti再遍歷資源庫(kù)R，判定是否為所需資源，若是，令資源任務(wù)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(shuō)明任務(wù)ti沒(méi)有符合的資源，程序結(jié)束．

這位導(dǎo)事，在念誦《指路經(jīng)》（死者入棺時(shí)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(dòng)，交給其他的人完成。

3）若aij≠0，則將資源rj加入資源隊(duì)列R．

4）用戶輸入自己的資源屬性權(quán)重，并給出完成時(shí)間約束．

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

6）根據(jù)資源效用函數(shù)，對(duì)資源隊(duì)列中的資源進(jìn)行排序，計(jì)算出每個(gè)資源節(jié)點(diǎn)的綜合效用，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的最大綜合效用，得出任務(wù)的決策矩陣．

7）給擁有最大綜合效用的資源節(jié)點(diǎn)分配任務(wù)，執(zhí)行任務(wù)調(diào)度，直至整個(gè)任務(wù)結(jié)束．

算法的偽代碼如下：

MQResSche（T，w）

｛

While任務(wù)隊(duì)列非空

for（每個(gè)等待調(diào)度的任務(wù)ti）

f

or（每個(gè)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(wù)隊(duì)列中刪除，標(biāo)記ti調(diào)度失敗

else

根據(jù)效用函數(shù)進(jìn)行排序得到資源隊(duì)列rj

將其加入到資源－任務(wù)隊(duì)列RT（資源任務(wù)對(duì)）

end if

end for

從資源－任務(wù)隊(duì)列找出選出最大的綜合效用U

將資源rj分配給任務(wù)ti

……

將ti從任務(wù)隊(duì)列中刪除，標(biāo)記ti調(diào)度成功，清空資源任務(wù)隊(duì)列

endwhile

｝

該算法需要用戶輸入任務(wù)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(wù)隊(duì)列．

4 結(jié)束語(yǔ)

分析了當(dāng)前教學(xué)資源共享的現(xiàn)狀，針對(duì)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(xué)資源共享模型，通過(guò)對(duì)資源的描述，屏蔽資源的異構(gòu)性，分布性等問(wèn)題．通過(guò)基于QoS的資源調(diào)度算法，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的全局調(diào)度．本文還存在以下問(wèn)題有待進(jìn)一步提高：（1）對(duì)資源的封裝沒(méi)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(wú)狀態(tài)的資源封裝會(huì)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(duì)用戶行為和操作進(jìn)行約束是需要解決的問(wèn)題；（3）資源調(diào)度算法中僅僅考慮完成時(shí)間和資源花費(fèi)兩個(gè)QoS屬性，這在實(shí)際應(yīng)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．

［2］劉會(huì)斌，都志輝．網(wǎng)格與 Web服務(wù)的融合－WSRF和WS－Notification［J］．計(jì)算機(jī)科學(xué)，2005，32（2）：76-79．

［3］吳 雷．基于WSRF的服務(wù)網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)框架及其應(yīng)用的研究［D］．合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，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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［6］李春林，鄭 輝．網(wǎng)格計(jì)算中基于QoS的資源調(diào)度優(yōu)化［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2008，32（2）：199－202．

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