面向服務的網格體系架構
2007-12-31 00:00:00王彬許卓群
計算機應用研究 2007年8期
摘要：Web服務和網格計算技術，出現了日益融合的趨勢。網格研究人員在Web服務規范基礎上進行了創造性的補充和改進，提出了適合網格需要的網格服務規范。網格服務規范的代表就是WSRF，它較好地解決了如何在一個成熟的無狀態的Web服務框架內以一種標準的方式實現有狀態資源的問題。
關鍵詞：OGSA； 面向服務體系架構； Web服務； 網格服務； WSRF中圖分類號：TP393文獻標志碼：A
文章編號：1001－3695(2007)08－0013－04
網格計算技術是一個生機勃勃、充滿活力的領域。從誕生之日起，網格的體系架構就不斷更新演化。主要可分為兩個階段，最初采用了支持元計算的傳統的以協議為中心的五層沙漏體系架構[1]，后來轉向了面向服務的OGSA體系架構[2]。
OGSA框架的推出和廣泛認同標志著網格計算進入了一個新的時代——基于服務的時代。同時，OGSA確立了網格技術與Web服務技術相結合的路線方針。對于Web服務技術，網格界沒有被動地照單全收，而是根據網格計算的實際和需求，對Web服務進行了創造性的改進和探索，提出了基于Web服務核心標準的網格服務。目前最新的網格服務規范是WSRF[3]。
WSRF引入了WSresource[4]的概念，成功地把“有狀態（statefulness）”能力加到Web服務中，并將這種能力標準化。這是一個兩全其美的解決方案，既兼容了已有的Web服務標準，又滿足了網格有狀態資源的需求。
1開放網格服務體系架構OGSA
1．1OGSA的設計思想
全球網格論壇GGF在2002年首次制定并公布了開放網格服務體系架構OGSA[5]，此后OGSA的規范不斷地得到演進、更新和完善，2005年正式發布1．0版[2]。
OGSA是網格計算發展的一個里程碑，標志著網格計算從其誕生起最重大的一次轉變，即轉向面向服務的體系架構SOA。OGSA確定了用基于服務的技術來實現和應用網格。在OGSA體系架構內，使用了基于Web服務標準的網格服務作為實現網格內互操作的共同協議標準。
OGSA從三個方面精確地定義了網格功能、網格技術如何被實現和應用，指引了整個網格界的研究：
a）從服務本質的角度說明了網格虛擬組織內部所需的互操作性，即能對協議的消息作出響應；
b）確定了網格計算技術與Web服務技術結合的方針；
c）網格計算不僅適用于科學計算場景，同樣也適用于商業計算環境。
OGSA最突出的設計思想就是服務化和虛擬化。OGSA確立了網格計算采用面向服務的架構。具體的體現是OGSA將關鍵的網格技術（資源管理、信息服務和數據管理等）與Web服務機制（服務描述和發現；根據服務描述自動產生客戶端和服務端代碼；服務描述與互操作的網絡協議的綁定；與當今眾多開放標準、服務和工具的兼容；廣泛的商業支持）結合起來。
網格是由跨多個管理域分布的、動態組合的、異構的資源構成。資源是網格計算環境的最底層支持，是完成現代科學活動中計算任務的最終執行體。資源是一個含義很廣泛的概念。在網格中的不同層次，站在不同的角度，資源一詞具有不同含義。任何在網格環境中可以提供一定能力的事物都可以被稱為資源，如高性能計算機、數據庫、科學計算程序、網絡，甚至人。但是，各種類型的資源是不能為網絡計算環境所直接利用的。在一個分布的、多組織的網格環境中，網格體系架構必須考慮對資源進行虛擬化來屏蔽資源的異構多樣性，也就是采用一種統一的描述定義方式、本地異地透明地調用和一致的語法來共享使用這些資源。
基于服務的架構很好地解決了資源虛擬化的問題。通過將各種資源包裝成開放、通用、標準的網格服務，就可以用統一的協議定義描述服務接口，使用統一格式的消息來與服務通信，使用統一的服務語法調用服務。
面向服務的資源虛擬化模型具有如下好處：服務化封裝各類型資源管理和操作的公共接口，允許在本地異地透明的情況下跨多個異構平臺對資源一致地訪問，大大提高網格環境的可用性、用戶易用性和運行的健壯性。在將網格環境中所有的組件都進行服務虛擬化后，就可以通過提供一組相對統一的核心接口，將所有的服務都基于這些接口實現，即可以一種統一的方式來看待這些跨越不同抽象層次的服務。
1．2OGSA的設計架構
OGSA的目標就是以標準的形式規定一個網格中必須提供的服務。OGSA設計了一個共同的、標準的和開放的架構，定義了任何一個網格都要有的一組共有的服務[2]。這些服務包括核心、執行管理、資源信息、數據管理、資源管理、安全服務、自管理服務等。
核心，又稱為網格織基（grid fabric）或基礎設施服務（infrastructure services），是構建網格服務和支撐網格服務運行所必需的基礎架構。它包括服務交互、服務管理、服務通信和安全等。技術上采用Web服務的技術框架作為基礎。實際上，OGSA可以看做Web服務核心標準的一個具體應用。選擇了Web服務技術作為基礎技術即意味著OGSA中的服務使用WSDL定義接口，XML作為描述標記語言，SOAP作為主要的傳輸綁定協議。
但是，已有的Web服務技術并不能滿足所有的網格需求，需要對已有的Web服務規范進行修改和擴展。OGSI和WSRF就是在Web服務核心規范基礎改進而得到的研究成果，它們規定了一個服務為了適合OGSA的框架所必須實現的接口。所以，OGSA規定的核心就是支持符合OGSI/WSRF標準的服務的創建、部署和運行的基礎架構服務。
OGSA中規定的執行管理服務（execution management ser￣vice）支持以一種標準的方式訪問分布在一個網格環境中的各種底層資源。執行管理服務是網格技術中的關鍵部分，它既要訪問（使用）底層的各種資源，又要為更高層的程序提供一個通用的執行接口。執行管理服務負責在網格計算資源上提交作業、執行程序，并管理作業運行的整個生命期。一個作業是指網格管理的最小獨立工作單元。執行管理服務涵蓋了作業執行過程中的各個方面，包括協商選定執行作業的網格資源、準備作業的執行、啟動作業的執行、管理監視作業的執行等。
在網格環境中，為了提供統一的資源描述、管理和發現功能，OGSA規定了資源信息服務。資源信息服務對整個網絡環境中的資源都進行了統一的描述和規范，在這個統一的規范基礎上通過對工作需求和資源情況的統籌匹配，來實現網格環境中所有資源的共享。資源信息服務可以高效地訪問和操縱與網格環境下各種應用、資源和服務有關的信息，并提供了靈活的查詢匹配機制。一個信息服務需要支持多樣的服務質量需求，如可靠性、安全性和性能。主要的網格計算中間件系統均提供了信息服務工具，實現了資源信息服務的功能，幫助創建網格資源服務信息框架。
在創建網格時，用戶網格內最重要的資產之一就是數據。網格的設計，要確定用戶的數據需求，怎樣以一種安全、有效的方式將數據在網格基礎設施上移動或者穿過網格基礎設施訪問需要的數據。OGSA規定的數據服務主要處理分布環境中數據的緩存、訪問、復制等操作，網格中的數據可以分為平面文件數據、流媒體數據和關系數據等。OGSA數據服務的最簡單用途就是跨越網格范圍訪問遠處的數據資源。數據服務掩蓋了與客戶端之間的通信機制，也可隱藏遠處數據的確切位置；對遠程訪問進行優化，將一部分數據緩存到一個本地資源上。OGSA的數據服務還支持創建一個虛擬數據資源，可以將來自多個獨立維護數據源的數據綁在一起。
2網格與Web服務的結合
當今的兩大熱點研究領域——網格計算和Web服務出現了結合的趨勢。網格界已經確定將Web服務技術作為實現網格內互操作的共同協議標準，提出了基于Web服務的網格服務為基礎構造面向服務的網格體系架構。
2．1Web服務技術的優勢
Web服務技術具有以下一些優勢，使其成為實現網格面向服務架構的最理想選擇：
a）采用了開放性通用的標準，解決了困擾網格界的標準化問題。
由于不同的網格中間件系統的核心協議各自獨立，彼此無法兼容，網格系統之間的互操作問題日益突出。這些問題導致網格應用之間互相孤立，進而使跨自治域的應用資源共享和集成變得異常復雜，已經制約了網格技術的發展和推廣。為此，網格界迫切需要制定一個統一的協議標準，來指導和規范不同網格間的互操作問題。
將Web 服務成熟的協議規范引入網格研究領域，有助于解決網格研究所面臨的系統互操作和標準化問題。把Web服務的廣泛認可的開放性協議規范作為基礎，結合網格計算的已有技術，就可以制定一個通用的網格服務標準規范，作為網格界通用的互操作協議標準，從而有力地推動網格的發展。
b）平臺無關、語言無關，易于在Internet上廣泛部署，理想的分布式系統中間件。
Web服務是一個建立大規模分布式系統的強有力框架，較好地解決了跨異構平臺的多種語言的互操作問題，是實現分布式的網格基礎設施的理想工具。Web服務之所以能夠迅速獲得成功，是因為它在各種異構平臺上構筑了一層通用的、與平臺無關的信息和服務交換設施，從而屏蔽了互聯網中的各種差異，使信息和服務暢通無阻地在計算機之間流動。
網格資源環境具有廣域分布特性，Web服務技術在Internet部署上的優勢使其成為構建網格的最佳分布式系統中間件。采用了Web服務作為網格系統的基礎，將可以充分利用已有的廣域網絡基礎，而無須對網絡進行改造，也不會對網絡系統的設備造成限制。另外一個優勢就是可以大大降低搭建網格的成本開銷，促進網格技術的推廣和使用。
c）服務的注冊、發現，廣泛的工具支持。
對于網格的構建者來說，Web服務技術具有兩個優勢：a)需要支持在異構環境中動態發現、組合服務，這就使得需要如下機制：注冊、發現接口定義、端點實現描述和為某一個特定接口動態地生成基于（可能多個）綁定代理。WSDL提供了一個標準的定義接口定義機制，與在一個特定綁定內（傳輸協議和數據編碼格式）的實現相分離。b)Web服務已獲得廣泛使用，所以一個基于Web服務的框架就能夠充分利用眾多的工具和現存的服務。例如，WSDL處理器可以為多種語言（如WSIF）產生語言的綁定，WSDL上的工作流系統和Web服務的承載環境。Web服務技術得到了各大公司的支持，推出了眾多的開發工具。
2．2Web服務相對于網格的局限性
OGSA確立了網格計算采用面向服務的架構，而采用的互操作的服務標準就是網格服務。采用網格服務的目的是因為現有的Web服務技術無法完全滿足網格計算的要求，所以對Web服務加以擴展和補充，提出了網格服務標準。
Web服務技術提供了一種基于服務的框架結構，框架內的服務一般都是永久的、無狀態的。一個Web服務通常是一個持久性服務，較長時間運行提供服務。其生命期與承載它的Web服務容器密切關聯，當服務容器啟動后，Web服務就可以一直提供服務，直到服務容器停止。Web服務同時也是無狀態的，不保留與它所服務的客戶對話有關的狀態信息。換句話說，當一個Web服務被調用執行時，它沒有“記憶力”，并不知道在此之前執行的請求和后面將執行的請求，用戶每一次調用Web服務所需要的信息全部通過調用參數來傳遞。所以，對于同一個用戶在一次作業中進行的多次請求，Web服務沒有狀態保持機制，無法辨別。
而在網格應用環境中，面臨的大量服務是臨時生成、生命期短暫、具有狀態的服務，如某個計算程序的一次執行，一次對數據庫的查詢，一個數據挖掘操作，一個網絡帶寬的分配，一個運行著的數據傳輸等。例如，網格應用普遍存在的瞬間有狀態服務、異步狀態通知，現有的Web服務技術沒有提供一種標準的方式加以解決。如圖1所示，某個高性能計算機上的一個計算服務（calculation service），提供了Op1~Op5等多種計算操作。實際運行中的場景是，某個時刻有多個用戶使用計算服務，用戶A、B、C同時使用計算服務。用戶的計算請求是并發進行的，持續時間也各不相同，有可能瞬間完成，也可能持續較長時間；用戶的計算請求是按照各自用戶的需要調用一系列操作進行的，操作之間需要保持中間結果和狀態信息。而現有持久的、無狀態的Web服務技術顯然無法滿足需要。此外，在一個協作的科學計算過程中還有可能存在著大量的異步通信，如某個計算任務需要知曉另一個計算任務的狀態，然后才能開始運算，但是兩者之間又不想彼此等待，緊耦合地同步通信，這就需要狀態的異步通知機制的支持。
網格的基礎設施和應用中普遍需要狀態，所以希望能夠以一種統一、標準的方式來表示、訪問和操縱狀態。一個標準統一的資源狀態機制意味著可以以標準統一的方式描述和獲取各種網格資源的有關信息，從而有效地支持了資源的發現選擇。設計網格應用時，可以將服務的抽象類型組裝起來，不考慮具體的實現，不是立即與具體的資源綁定，而是在執行時利用狀態訪問機制獲取實時的狀態信息，綁定到最佳的一個有狀態資源實例。同時，協同的服務間通過彼此的狀態變化進行通信，然后調整彼此的行為，可以大大改善服務和應用運行的健壯性。在作業運行時，通過狀態訪問機制就能方便地監控資源的狀態，了解作業進度狀況。數據傳輸服務通過狀態機制記錄傳輸的階段和進度，通知給用戶，并支持斷點續傳和第三方傳輸。因而統一標準的手段實現狀態的表示、訪問和獲取就可以有力地支持網格應用和基礎設施的創建。
3網格服務
考慮到網格環境的具體特點和需求，網格界在繼承現有Web服務核心標準的基礎上加以創造性的改進和探索，提出了網格服務的概念。一個網格服務就是一個符合一套約定和接口的顯狀態的Web服務，這些約定和接口提供了對顯狀態服務的一種可控的、抗錯的和安全的管理。從定義可以看出，網格服務是建立在Web服務基礎上的，是為了網格基礎設施和應用的需要而專門設計的一種特殊的Web服務，是對Web服務的精練和進化。此外，還提出了網格服務實例的概念，一個網格服務實例（grid service instance）是指符合一套以WSDL接口表達的約定、擴展和行為特征的服務，目的是為了進行生命期管理、特征發現和通知等。通過網格服務和網格服務的實例，網格界很好地解決了服務發現、動態服務創建、服務生命周期管理等與臨時服務有關的問題。
與一般的Web服務一樣，網格服務采用了WSDL語言來向外公布其可以實現的功能操作，稱為網格服務的接口。一個WSDL服務接口的描述包含對一組操作、消息的一個抽象定義、綁定到這些操作、消息的一個具體協議和這個綁定的一個網絡端點規范。
網格服務提供者通過開發網格服務實現文件來實現網格服務接口規定的功能行為，從而在用戶提交服務請求時，為其提供承諾的服務。
按照OGSA的架構設想，網格的功能以一組符合通用標準的所謂網格服務的形式暴露以供外界調用。基于網格服務的概念，OGSA將整個網格看做是網格服務的集合。但是這個集合不是一成不變的，是可以擴展的。這反映了網格的動態特性。
按照OGSA的服務模型，構成網格的服務集合應當包括少量的永久服務和大量的瞬時服務。所有的服務遵循網格服務接口和行為的定義，支持可靠的服務激活、生命周期管理、發現、授權、通知、升級、并發和可管理性，支持管理服務實例的接口。
瞬間服務就是網格服務實例，是非常輕量級的實體，用于管理短生命期的活動行為。例如，可以將科學計算程序的一次執行看做一個瞬間服務實例管理的行為。當用戶提出科學計算請求時，就為其實例化一個瞬間網格服務實例（科學計算網格服務），負責啟動、管理科學計算程序進程，并在計算過程中與用戶進行交互計算，待計算結束之后匯報計算進程并退出信息。
網格服務一般運行在一定的服務運行承載環境中。服務運行承載環境，也稱做服務容器，目前已有的參考實現包括支持OGSI網格服務的GT3網格服務容器，支持WSRF規范服務的GT4網格服務容器等。服務容器環境定義了一個框架環境，在其內部符合環境定義接口的構件可以被實例化，也可組裝起來創建成更復雜的應用程序。用戶通過服務容器環境請求執行容器內承載的某個服務接口中定義的操作，而服務容器則為其調用該服務的實現文件，從而實現了對該服務的調用，使用了服務提供的功能。服務容器實現了對網格服務的生命周期管理[8]，包括按照用戶請求而為其創建符合環境定義接口的網格服務實例，并以適當的方式銷毀服務實例。目前，網格服務容器借鑒了工廠模式來產生一個或多個服務實例。網格服務容器支持兩種方式銷毀服務實例，即立即銷毀和調度銷毀。一般情況下，請求者會在使用完服務之后請求立即銷毀，容器就會同步地完成銷毀的消息交換、釋放資源、完成銷毀操作。但是在其他一些情況下，請求者可能不愿意主動銷毀，或者已經和服務容器斷開，無法聯系了，這時就可以借助調度銷毀方式，預定在將來的某個時間終止，回收相應的系統資源。
網格服務使用的服務容器環境與科學計算遺產程序依存的較低層面的執行環境存在著較大的技術溝壑，無法直接將科學計算遺產程序部署到網格服務容器內，需要適當的網格包裝工具，將遺產程序進行適當的包裝，轉換成符合網格服務規范的服務形式，部署到服務容器中。一個支持科學計算的網格環境需要考慮提供網格包裝工具支持。
4WSRF
開放網格基礎設施(open grid service infrastructure，OGSI)1．0版[6]通過擴展Web服務定義語言WSDL和XML Schema的使用，來解決具有狀態屬性的Web服務的問題。它提出了網格服務的概念，并針對網格服務定義了一套標準化的接口，主要包括服務實例的創建、命名和生命期管理、服務狀態數據的聲明和查看、服務數據的異步通知、服務實例集合的表達和管理，以及一般的服務調用錯誤的處理等。但是OGSI由于自身的缺陷和Web服務技術的一些進展，沒有取得成功[7]。
看到OGSI在實踐中的不足和問題，globus聯盟與Web服務技術研究人員合作，將OGSI的功能進行了分解和演化，并充分利用了Web服務體系架構的最新成果，制定了Web服務資源框架（WSresource framework，WSRF）[3]。
WSRF推出的目的是，定義一個通用且開放的架構，利用Web服務對具有狀態屬性的資源進行存取。這個架構包含了描述狀態屬性的機制，并將其延伸至Web服務標準中。
WSRF不是對OGSI完全否定，而是OGSI的重新分解和進化，OGSI中的思想和本質功能都在組成WSRF的幾個規范中完整地保留下來，只不過更換了語法和術語，更加貼近、符合現有的Web服務標準，更容易利用現有的Web服務開發部署工具和XML工具。
為了充分兼容現有的Web服務，WSRF使用WSDL 1．1定義OGSI中的各項能力，避免對擴展工具的要求，原有的網格服務已經演變成了Web服務和資源文檔兩部分。
WSRF包括六個獨立的技術規范，如表1所示。
WSRF的核心就是引入了WSresource[4]的概念，目的是將有狀態能力加到Web服務中，并將這種能力標準化。GGF將符合WSRF規范的網格服務作為網格界統一通用的標準進行推廣。
WSRF將狀態信息保存在稱為資源的單獨實體內，每一個資源具有一個惟一的身份標志符，所以用戶在與Web服務進行有狀態的交互時，只需在消息中告訴Web服務使用的特定資源的身份標志符即可。一個Web服務可對應多個資源，一個資源也可對應多個Web服務。一個WSresource可以定義為“在Web服務上下文中，一個Web服務與一個有狀態資源的組合（composition）”。一個WSresource可以表示為
WSresource=Web服務+關聯的資源
即一個WSresource由一個Web服務和一個有狀態資源兩個部分組成，也就是將一個有狀態資源與一個Web服務關聯起來。WSresource的服務界面可以用其Web服務（與一般的Web服務完全相同）來抽象地描述，而WSresource所關聯的資源是實現其Web服務的支撐資源。一個具體WSresource的地址稱為一個端點引用（endpoint reference）。
例如，如圖2所示，一個累加器WSresource由accumulator service及用于記錄累加結果的資源（數據變量B）所組成。圖中的A、B、C皆為變量型資源，它們用身份標志符來區別。用戶在使用累加器服務時，要指明所使用資源的身份標志符（作為輸入參數）。在用戶請求服務的消息中既指明了累加器服務，又指明了所涉及的特定資源，這被稱為一個WSresource的端點引用。
WSresource通過將Web服務與狀態信息完全分離，用有狀態資源來保存狀態信息，巧妙地解決了網格界和Web服務研究人員面臨的共同難題——“Web服務既能保持狀態信息，又具有無狀態性”，這是一個兩全其美的解決方案。保持Web服務的無狀態性具有重要意義，既可以充分兼容現有的Web服務標準，利用工業界已推出的大量支持工具，又能支持那些不需要狀態的Web服務的開發。而Web服務
提供了用戶訪問和操作服務的狀態數據的能力，能很好地滿足網格界對有狀態的網格服務的需求。
5結束語
網格采用面向服務的體系架構是大勢所趨，而WSRF解決了許多困擾網格研究的問題，更有力地推動了OGSA的發展。WSRF得到了網格界的一致好評，被認為是實現OGSA架構的理想網格服務標準。WSRF自推出后得到廣泛采用和支持，globus聯盟已經開發出實現WSRF標準的globus toolkit4（GT4）[9]。
參考文獻：
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[8]FREY J， GRAHAM S， CZAJKOWSKI K， et al. WSresource lifetime specification[EB/OL]. (2004－03－05).http://www106.ibm.com/developerworks/library/wsresource/wsresourcelifetime.pdf.
[9]FOSTER I. Globus toolkit version 4: software for serviceoriented systems[C]//IFIP International Conference on Network and Parallel Computing.Berlin: SpringerVerlag， 2005:213.
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”
