一種基于混合方式的網格資源目錄模型

摘要：基于冪規律和小世界特性而建立的一種具有可擴展性、動態自適應性的網格資源管理模型——DPGS，可以使網格服務請求者通過分布式目錄池在盡可能短的時間內獲得所需硬件資源的信息。DPGS中現場信息管理模塊SIM很好地滿足了網格用戶繼續進行被中斷工作的要求。DPGS不但支持各種網格硬件資源的動態加入和退出，也支持用戶對硬件資源的一次多種類、多批量的需求。

關鍵詞：網格；資源；目錄 

中圖分類號：TP393．02文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2007)05－0266－03

在傳統的單計算機系統和機群系統中，計算資源的分布比較集中，從而計算所需使用的資源查找操作可很快完成，對計算性能的影響很小。但在網格計算中，由于資源的廣域分布、現有Internet存在的帶寬和延遲限制以及網絡的不可靠性，廣域范圍內的資源定位將在很大程度上影響計算的性能，需要一種有效的資源查找方法解決廣域資源的快速定位問題。而資源能否快速定位，對資源進行描述的資源服務目錄如何管理就是需要重點研究的問題之一。

1網格資源管理策略研究概略

在路由轉發資源查找算法中，網格中的每個節點都是信息節點。每個信息節點中存放著所有資源的路由信息而不是該資源的直接位置，即在查找某個資源時，路由信息需要把搜索的方向指向相鄰的某個節點。從起點Vo出發查找資源r，選擇與Vo相連的信息節點Vs，根據路由算法求出將要訪問的下一個節點。如果Vs是資源所在節點，那么查找結束；否則，根據路由算法算出下一個節點的位置，將此資源請求轉發給與當前節點相鄰的下一個節點，直到找到所需的資源。

通過比較三種算法，可知窮舉查找算法設計最簡單，但是資源查找時間最長；集中查找算法的資源查找時間最少，然而空間耗費最大；路由轉發資源查找算法的資源查找時間處于前兩個算法之間。

本文提出的資源管理目錄模型，很好地結合了上述三種策略的優點，有效地避免了它們的缺點。主要體現如下：

(1）查找時間少。因為有一張資源—服務器IP映射表及目錄表上的資源屬性字段，可根據表中IP地址直接到相應計算機上查找，而無須中轉過程中的再次查表及資源確認的反饋過程。

（2）并行性。通過客戶端目錄池，一次可完成用戶對資源的多種類、多批量的請求，不再是一次只能申請一個資源，從而提高了效率。

（3）存儲空間小。由于資源目錄是無數據冗余地分布存放，使得每臺服務器上目錄信息所占空間較小；同時由于數據量小，查找時間也將減少。

2網格節點組織模式

根據現有網絡的組織模式[3]、中國國家網格的分布[4]以及世界網格研究的成功項目和發展趨勢，可以認為網格將是由局域網格組成的分布式的層次組織模式，如圖1所示。

網格中，一般是以超級計算機擔當高性能計算節點，這些節點組成整個網格的主干網；此外，各地區還有自己的區域主干網，地區主干網也有自己的高性能計算節點。這樣就形成了一個分布層次模型。在這樣的結構下，將不同類型的資源目錄無數據冗余地分別分布在一個或幾個節點服務器上。這種分布存放方法既克服了窮舉法順序查找的缺點，又克服了集中查找法占用存儲空間大的問題，同時也解決了路由轉發方法中每個節點路由信息量大的不利因素。

在頂層固定超級計算機上有一張記載此時整個網格中可用的各分類資源及相應各類資源服務器IP的資源—服務器IP映射表。每個客戶端剛登錄注冊并經過身份認證后，都到頂層固定超級計算機上下載此表，以后需要相應資源時就可直接查詢相應的服務器。

3網格服務目錄池

網格中資源的種類很多，提供的資源服務類型更是海量的。如果對資源沒有一個統一的、有效的組織和管理，客戶要快捷、高效地獲得資源服務是非常困難的。資源服務目錄的有效組織就是一種很好的解決方法。服務的目錄是服務身份的有效表示和唯一標志；目錄的信息量很小，這樣就便于查找和傳輸。在服務多而帶寬等資源相對較小的網格環境下，目錄的組織是非常重要的。本文提出的網格資源服務目錄模型如圖2所示。

客戶通過Web調用進入客戶身份認證管理器（Authentication Manager，AM）；認證通過后，到頂層固定超級計算機上下載資源—服務器IP映射表。該表記錄此時整個網格中可用的各分類資源及相應各類資源服務器IP的資源—服務器IP映射表，如表1所示。之后進入客戶端的資源目錄服務池（Client Directory Service Pool，Client DSP）。客戶在資源目錄服務池可進行服務的發布或請求；同時相應目錄屬性可通過一定機制在目錄服務器進行更新。如果客戶的服務請求得到滿足，則客戶利用返回的服務權限信息通過調用管理器（Invoking Manager）進行遠程調用（RPC），獲得最終的網格服務。同時記錄所獲得的資源目錄來自于哪個服務器，以便釋放資源時可快速回填目錄屬性，即將“忙”狀態值0改為“空閑”狀態值1。

3．2客戶端目錄服務模型

圖3為客戶端的目錄服務模型。服務目錄數據結構為

服務目錄（Service Directory，Sd）:〈name〉〈type〉〈address〉〈data〉〈callinf〉〈maxConcurrentProcesses〉

其中，name設置服務ID號，就是網格服務的名稱；

type標明目錄資源的類型；address是資源提供者的IP地址;data存放資源的參數，如存儲器大小、打印機型號等，其參數格式隨資源類型（type字段）不同而不同;callinf存放遠程調用該資源的命令格式；

maxCP(maxConcurrentProcesses)是最大并發進程數。該字段表明，對一項服務在某一時刻允許同時申請該項服務的進程數或用戶數。用戶申請成功該項服務，則并發數減1；用戶釋放該項服務，則并發數加1。但如果是一個臨界資源，則該值為1，表明該項服務只能被獨占。

客戶在本機上安裝客戶端軟件后，客戶可把空閑的資源放于客戶資源目錄服務池。客戶資源目錄服務池自動檢測，根據負載平衡機制及資源—服務器IP映射表，把資源目錄發送到相應的資源服務目錄服務器中。如果客戶要撤銷本地提供的共享資源服務，則只需將相應服務的屬性置0，客戶端就會將忙的屬性并行傳送到此類資源的目錄服務器上，并將對應目錄修改成“忙”狀態。

如果客戶申請了相應的服務，并從目錄服務器中獲得了相應服務的權限，則相應服務的目錄屬性要置0，直到服務進程結束（正常結束或是不正常中斷）。這時要根據申請資源成功時所記錄的資源目錄所在服務器IP信息，將此服務器上對應的服務目錄使用屬性置1。

如果客戶中斷服務，則現場信息將保持一段時間，稱為保持（Holding）時間，以免誤操作造成客戶的損失。如果確認是中斷，那么將自動調用現場信息管理器SIM ，將現場信息加以保存，同時客戶在服務使用屬性上置1。通過更新機制對服務器的服務目錄狀態屬性進行更新，即置1，表示釋放資源。

（1）請求管理器(Request Manager，RM)

RM收到客戶的請求后，通過對Factory Service調用CreateService操作請求生成網格服務實例。服務調度模塊啟動目錄服務請求線程，根據資源—服務器IP映射表及所要請求的資源種類，分別直接到相應的資源目錄服務器上查找，無須進行任何資源查找的中轉工作，從而減少了查找時間。同時，由于所需的各類資源的查找是并行進行的，即各線程是并行執行的，查找到所有所需資源的時間會進一步減少。

（2）發布管理器(Submission Manager，SM)

客戶將空閑的資源 “掛入”SM，SM自動將資源信息以網格服務目錄方式根據資源—服務器IP映射表及目錄發布的平衡負載機制，向相應目錄服務器DS發布并修改相應的目錄屬性。

（3）現場信息管理器（Spot Information Manager，SIM）

經常地，請求的資源服務不可能在一個時間段做完，經過一段時間間隔后，使用者需要恢復當時的工作環境繼續工作。因此每當中斷工作時，現場信息管理器就為使用者記錄下所獲得的每項服務的工作環境和工作進度等現場信息。這樣當需要繼續進行工作時，就可以再現當時的工作環境并繼續工作。

3．3目錄池服務器端

目錄池服務器端由目錄服務器（Directory Server，DS）和協同管理器（Coordination Manager，CM）組成，如圖4所示。

（1）目錄服務器

網格服務的目錄根據一定機制，按目錄樹方式分類存儲在DS中。這樣有利于目錄的查找和更新操作。服務目錄數據結構與客戶端的相同。

（2）協同管理器（CM）

CM負責處理同類資源DS之間的負載平衡。例如當某一客戶端提交某一可用資源目錄到服務器時，客戶端程序會查詢此資源的類型；再根據資源—服務器IP映射表將資源目錄提交至同類資源服務器中的任一臺上；CM則定時在同類資源服務器之間，根據相應策略實現服務器之間的負載均衡，以達到最佳查找效果。

3．4調用管理器（IM）

用戶根據目錄服務的請求信息，通過Web服務由IM調用相應的服務。理解 Web 服務的工作方式，最簡單的方法是將其想象成一種遠程過程調用（RPC）[7]。通過這種方式可以從一臺計算機（客戶機）上調用某個功能，而代碼和實際的功能是在另外一臺計算機（服務器）上執行的。

4實驗結論

實驗為計算兩臺計算機之間的連接時間及查詢數據時間（部分數據），如表2所示。其中，所取數據均為每種情況下的最后一個記錄。

從實驗可看出，兩臺計算機之間的連接時間基本固定。當然由于進行實驗的兩臺服務器正在工作，連接數據有時會有變化，數據查詢時間則隨著數據量的增大而增長，從筆者所做的多組數據結果可知，查詢時間幾乎與數據量的增長倍數相同。

從此實驗可知，要想快速查詢到所需資源目錄，減少查詢時間，可采用下列方法：①減少查詢路徑上的計算機數目，即減少計算機之間的連接次數。②查詢路徑上的每臺計算機盡可能少地存放查詢信息，即減少需查詢的數據量。

注:連接時間是指本地機與異地機之間的連接；本地機是南寧機房服務器；異地機是崇左機房服務器;連接線為2Mbps移動數字專線；本地機與異地機之間通過路由器連接。

從上述兩點來分析，本文描述的三種資源存放方式和本文提出的資源目錄組織方式可知，本文提出的針對可共享的硬件資源目錄模型具有查詢速度快的優勢。特別是隨著數據量的增大，此模型的優勢就愈發得以體現。

5結束語

網格是備受矚目的新技術，雖然目前還沒有被廣泛應用，但它在科研的巨大潛力吸引了國內外研究和商業力量。為使網格真正發展為一臺聯系全球的虛擬超級計算機，服務目錄的研究是提高網格資源的有效利用，滿足客戶需求的重要內容。本文對網格中目錄服務器的分布以及目錄池的組織進行了初步研究，提出了網格目錄服務池模型，主要是針對共享硬件資源提出來的。該模型是建立在分布式和層次結構的網格節點基礎上的，能高效快捷地為網格服務用戶提供資源目錄服務。在今后的工作中還有很多工作需要深入，如根據怎樣的標準來確定網格服務的并發數maxCP的大小，如何更好地確定最優的網格分布式層次結構等。

參考文獻：

［1］馮百明，劉興武，李偉.一種面向消費者的服務發現機制[J].計算機研究與發展，2003，40（12）：1787－1790.

[2]李偉，徐志偉，等.網格環境下一種有效的資源查找方法[J].計算機學報， 2003， 26(11): 1546－1549.

[3]丁箐， 陳國良， 顧鈞. 計算網格環境下一個統一的資源映射策略[J].軟件學報， 2002，13（7）:1303－1308.

[4]中國國家網格[EB/OL].（2004）.http://www.cngrid.org/category.html.

[5]徐志偉，李偉.織女星網格的體系結構研究[J].計算機研究與發展，2002，39(8):923－929.

[6]JOVANOVIC M. Modeling large－scale peer－to－peer networks and case study of gnutella[J]. Science，1999，286:509－512.

[7]BROWN M C. The integration of the grid and Web service[EB/OL].(2003－12）.http://www.ibm.com/grid.

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文”