網(wǎng)格監(jiān)控系統(tǒng)研究綜述
2009-01-01 00:00:00黃鑫劉梅梅朱巧明李培峰
計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究 2009年1期
(蘇州大學(xué) a.計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院; b.江蘇省計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 蘇州 215006)
摘 要：闡述了網(wǎng)格監(jiān)控的基本概念和相關(guān)知識(shí)，分析了目前流行的網(wǎng)格監(jiān)控工具及其組成部分，并對(duì)當(dāng)前的網(wǎng)格監(jiān)控工具進(jìn)行了比較，分析各自優(yōu)缺點(diǎn)。提出了服務(wù)網(wǎng)格下網(wǎng)格監(jiān)控的重點(diǎn)，結(jié)合參考文獻(xiàn)給出了解決問題的方法和意見。
關(guān)鍵詞：網(wǎng)格； 網(wǎng)格監(jiān)控； 網(wǎng)格監(jiān)測(cè)體系結(jié)構(gòu)； 服務(wù)網(wǎng)格
中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號(hào)：10013695(2009)01000103
Survey for grid monitoring architecture
HUANG Xina，b， LIU Meimeia，b， ZHU Qiaomingb， LI Peifenga，b
(a.School of Computer Science Technology， b.Key Laboratory of Computer Information Processing Technology of Jiangsu Province， Soochow University， Jiangsu Suzhou 215006， China)
Abstract:This paper expatiated the concept of grid monitoring and correlative knowledge. Then it analyzed some current grid monitoring tools and their components. It also compared these grid monitoring tools and gave the merits and demerits each other. It proposed the focus of the grid monitoring system in service grid and gave some method and advises to solve this problems by references.
Key words：grid; grid monitoring; GMA(grid monitoring architecture); service grid
網(wǎng)格是繼萬維網(wǎng)之后出現(xiàn)的一種新型網(wǎng)絡(luò)計(jì)算平臺(tái)，它是用通信手段把地理位置上分散的資源無縫地集成為一個(gè)有機(jī)整體的技術(shù)[1]。在動(dòng)態(tài)、異構(gòu)、自治的網(wǎng)格環(huán)境中，網(wǎng)格監(jiān)控系統(tǒng)能夠收集網(wǎng)格資源的狀態(tài)信息，并供網(wǎng)格中的組件查詢、分析之用[2]。通過監(jiān)控可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生故障的監(jiān)控對(duì)象，分析系統(tǒng)性能瓶頸，幫助用戶在最短的時(shí)間內(nèi)調(diào)整或恢復(fù)系統(tǒng)；另外監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)還可用來預(yù)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的軌跡，為網(wǎng)格動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡策略提供可靠的依據(jù)。
網(wǎng)格資源是網(wǎng)格監(jiān)控系統(tǒng)獲取信息的主要對(duì)象。一方面由于網(wǎng)格資源種類繁多、數(shù)目巨大、分布廣泛，網(wǎng)格資源監(jiān)控中要考慮到自治性、異構(gòu)性；另一方面網(wǎng)格資源能夠提供包括硬件（如CPU、內(nèi)存）和軟件（如操作系統(tǒng)）在內(nèi)的豐富信息，這些信息的實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性給網(wǎng)格監(jiān)控系統(tǒng)提出了更高的要求。
網(wǎng)格監(jiān)控系統(tǒng)的重要性不言而喻，所以國內(nèi)外有很多學(xué)者都在從事這方面的學(xué)習(xí)和研究。目前大部分工作主要是從網(wǎng)格監(jiān)控系統(tǒng)中資源信息的描述、資源的組織與管理、資源信息訪問以及預(yù)測(cè)等方面進(jìn)行研究。
1 網(wǎng)格監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)工作
1.1 網(wǎng)格監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
網(wǎng)格監(jiān)測(cè)體系結(jié)構(gòu)（GMA）是由Tierney等人[3]提出的?，F(xiàn)在已被全球網(wǎng)格論壇(Global Grid Forum，GGF )采納為網(wǎng)格監(jiān)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。
網(wǎng)格監(jiān)控體系結(jié)構(gòu)包含三種類的組件：a)目錄服務(wù)，支持信息的發(fā)布和發(fā)現(xiàn)；b)生產(chǎn)者，生產(chǎn)性能數(shù)據(jù)（性能數(shù)據(jù)源）；c)消費(fèi)者，接收性能數(shù)據(jù)（性能數(shù)據(jù)接收器）。
生產(chǎn)者將其可提供的數(shù)據(jù)種類及數(shù)據(jù)獲取方法等信息通過事件發(fā)布的方式在目錄服務(wù)中注冊(cè)，需要監(jiān)控服務(wù)數(shù)據(jù)的消費(fèi)者都可以從注冊(cè)目錄中查找并發(fā)現(xiàn)監(jiān)控目標(biāo)(生產(chǎn)者)的相關(guān)信息，進(jìn)而與其直接通信，獲得所需數(shù)據(jù)。RGMA[4]就是GMA 模型在關(guān)系數(shù)據(jù)庫上的一個(gè)實(shí)現(xiàn)。
1.2 資源數(shù)據(jù)獲取
網(wǎng)格監(jiān)控系統(tǒng)中的資源數(shù)據(jù)可以分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)兩種。靜態(tài)數(shù)據(jù)一般是各個(gè)計(jì)算機(jī)中一段較長時(shí)間內(nèi)不變的信息，如系統(tǒng)的操作系統(tǒng)信息、CPU個(gè)數(shù)、內(nèi)存總量信息等，對(duì)于這方面的監(jiān)控顯得比較簡單；動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)是由于被監(jiān)控資源自身處于不斷變化中引起的，如操作系統(tǒng)中進(jìn)程的產(chǎn)生和消失，在這種類型數(shù)據(jù)的監(jiān)控上就要求能夠?qū)?dòng)態(tài)變化及時(shí)作出反應(yīng)。許多文章[5~7]分別從傳感器結(jié)合代理的角度來實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)格中復(fù)雜信息的收集，還有的提出GridView[8]來收集更多有效、動(dòng)態(tài)和不同類型的來自不同平臺(tái)的數(shù)據(jù)[9]。以監(jiān)控資源為主要目的的GridRM[10]通過只監(jiān)控應(yīng)用程序用的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)信息的收集[11]。縱觀現(xiàn)有的一些方式，主要通過主動(dòng)和被動(dòng)兩種方式收集數(shù)據(jù)。主動(dòng)方式就是采用在資源上創(chuàng)建傳感器進(jìn)程的方式來收集數(shù)據(jù)；被動(dòng)方式則利用監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)產(chǎn)生變化的時(shí)刻，及時(shí)收集動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。
1.3 數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)
數(shù)據(jù)收集以后就是將數(shù)據(jù)信息按照某種方式表示并存儲(chǔ)起來。許多人使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫將所有數(shù)據(jù)與資源聯(lián)系在一起，并通過比較MySQL、Postgre、Oracle三種數(shù)據(jù)庫的操作時(shí)間，顯示它們之間的區(qū)別[12]。還有提出在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)之前將其轉(zhuǎn)換為符合統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)要求的方法來解決由于數(shù)據(jù)表示方法不同帶來的問題[13，14]。文獻(xiàn)[15]中更是提出一套描述資源信息的格式——WSLA，從收集信息開始就解決了信息表示這個(gè)難題。無論是利用已有的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，還是通過XML語言來描述，甚至自己提出的描述資源信息方法，其最終的目標(biāo)還是把信息存儲(chǔ)下來，并為下一步的信息查詢提供基礎(chǔ)。
1.4 監(jiān)控信息的顯示
網(wǎng)格監(jiān)控的目的就是把用戶需要的信息及時(shí)地反映出來，之前的所有工作就是為了現(xiàn)在的工作——信息的實(shí)現(xiàn)。由于用戶只關(guān)心他所需要的資源信息，監(jiān)控系統(tǒng)要求能夠提供用戶指定的信息。文獻(xiàn)[14]在GMA體系下，消費(fèi)者與生產(chǎn)者之間通過定制/發(fā)布的方式來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。還有在其采用的數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，在優(yōu)化查詢、支持粗細(xì)粒度方面加快信息的查詢速度，從而可以更加及時(shí)地給用戶提供動(dòng)態(tài)信息[12]。綜合各種方法，監(jiān)控信息的顯示是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的最后一環(huán)，使用各種手段的最終目標(biāo)還是為了能夠及時(shí)顯示動(dòng)態(tài)信息，為用戶下一步工作提供基礎(chǔ)。
2 網(wǎng)格監(jiān)控工具
2.1 RGMA
RGMA是基于全球網(wǎng)格論壇提出的網(wǎng)格監(jiān)控體系結(jié)構(gòu)，即一個(gè)簡單的生產(chǎn)者/消費(fèi)者模型。它最大的特點(diǎn)是采用了傳統(tǒng)的功能強(qiáng)大、靈活的關(guān)系模型來實(shí)現(xiàn)。RGMA提供了一個(gè)全局的信息視圖，就像每個(gè)虛擬組織都有一個(gè)大的關(guān)系數(shù)據(jù)庫。RGMA引進(jìn)一種標(biāo)準(zhǔn)化的SQL語句，生產(chǎn)者按照標(biāo)準(zhǔn)，通過插入一條元組記錄來發(fā)布信息；消費(fèi)者也按照標(biāo)準(zhǔn)，在這些元組語句中通過查詢語句來發(fā)現(xiàn)信息。為了支持監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部的要求，每個(gè)元組中都會(huì)有一個(gè)時(shí)間戳來確保它們的實(shí)時(shí)性。這種數(shù)據(jù)模式被用于網(wǎng)格信息服務(wù)和應(yīng)用監(jiān)控服務(wù)兩個(gè)方面。RGMA原先采用Java servlet技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，在OGSA提出后，正將其改為service的實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[16]中給出了關(guān)于RGMA實(shí)現(xiàn)的一些細(xì)節(jié)。
如圖2所示，可通過選擇定制所需要的信息，同時(shí)也可選擇信息的類型，如歷史信息、最近信息、連續(xù)信息。這樣可以根據(jù)消費(fèi)者的不同要求來監(jiān)控信息。最后結(jié)果在圖3中顯示出來。
RGMA基本上做到了對(duì)網(wǎng)格監(jiān)控資源的合理分類和聯(lián)合查詢，較好地支持了對(duì)用戶所關(guān)心的數(shù)據(jù)的訂閱功能，但是沒有監(jiān)控服務(wù)、應(yīng)用等其他網(wǎng)格組件，基于監(jiān)控結(jié)果的資源性能分析、預(yù)測(cè)、優(yōu)化以及資源分配和調(diào)度等也沒有實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[17]給出了GMA的一個(gè)改進(jìn)，通過加入一個(gè)閉環(huán)反饋結(jié)構(gòu)來提高網(wǎng)格的擴(kuò)展性，并為符合服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的組件提供接口。
2.2 MDS
GT4(globus toolkit 4)中的 MDS4(monitoring and discovery service，監(jiān)控和發(fā)現(xiàn)服務(wù))負(fù)責(zé)網(wǎng)格資源監(jiān)控。它主要通過一組Web service實(shí)現(xiàn)，其中使用了大量的XML和Web service interface。MDS4主要解決了監(jiān)控和發(fā)現(xiàn)問題。
MDS4由index service、trigger service、archive service三個(gè)模塊組成。Index service搜集信息，然后將其作為資源屬性發(fā)布；trigger service也要從資源中搜集數(shù)據(jù)，但是它同時(shí)還要對(duì)所搜集的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視，這樣就可以在數(shù)據(jù)到達(dá)某個(gè)極限值時(shí)執(zhí)行某些預(yù)定操作和事件觸發(fā)；archive service主要將資源信息存儲(chǔ)在持久化的數(shù)據(jù)庫中，方便用戶查詢歷史數(shù)據(jù)。
MDS定義一套網(wǎng)格資源信息收集的規(guī)范，可以將信息進(jìn)行靈活地層次配置，并提供一些基本的數(shù)據(jù)查詢功能。但是由于在網(wǎng)格資源頻繁更新的情況下，目錄服務(wù)動(dòng)態(tài)更新的效率低和不能聯(lián)合查詢等缺點(diǎn)使得MDS性能不是很理想，而且用戶可以進(jìn)行的查詢操作也很有限。文獻(xiàn)[18]提出MDS在資源發(fā)現(xiàn)方面的一些不足，并在此基礎(chǔ)上給出一種基于最短路徑的新資源發(fā)現(xiàn)方法——GNSD，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，這種在原來MDS基礎(chǔ)上改進(jìn)的方法精確度和系統(tǒng)開銷都很高。
2.3 Ganglia
Ganglia是加州大學(xué)Berkeley分校Millennium Workgroup開發(fā)的一個(gè)開源項(xiàng)目。Ganglia是一個(gè)非常成熟的集群以及分布式系統(tǒng)監(jiān)控程序，目前世界上很多的集群都采用Ganglia作為監(jiān)控系統(tǒng)。Ganglia采用了組播協(xié)議來解決各個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)之間的通信。Ganglia主要由三個(gè)組件組成：
a)Gmond。它以一個(gè)后臺(tái)daemon的形式運(yùn)行在需要監(jiān)控的資源節(jié)點(diǎn)上，周期性地從資源上獲取實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，然后利用一個(gè)配置好的組播通道通知其他Gmond組件自己當(dāng)前的狀態(tài)。
b)Gmetad。它運(yùn)行在主要的資源節(jié)點(diǎn)上，通過查詢一個(gè)組播通道中的任何一個(gè)Gmond來獲取該通道內(nèi)所有資源節(jié)點(diǎn)的性能狀態(tài)信息，然后利用一種循環(huán)數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)最新的數(shù)據(jù)，同時(shí)響應(yīng)客戶端的查詢。
c)PhpWeb client。Php Web客戶端負(fù)責(zé)與用戶的交互，它根據(jù)用戶的需要來查詢Gmetad，然后將結(jié)果以圖形的形式顯示。
圖4是Ganglia在蘇州大學(xué)集群上的一個(gè)應(yīng)用，圖上顯示了集群中CPU利用率、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、內(nèi)存使用及集群整體信息。
Ganglia是一個(gè)設(shè)計(jì)成熟的集群監(jiān)控系統(tǒng)，它已經(jīng)在集群等高性能計(jì)算領(lǐng)域取得了很大的成功。許多學(xué)者都提到在監(jiān)控系統(tǒng)中使用Ganglia的好處[12，13]。但是Ganglia是針對(duì)集群設(shè)計(jì)的，所以它的使用環(huán)境有限，不利于擴(kuò)展；同時(shí)由于Ganglia采用組播技術(shù)，這樣對(duì)系統(tǒng)的開銷較大，并且在動(dòng)態(tài)的網(wǎng)格環(huán)境中，這種手動(dòng)配置的方法不利于快速加入和退出。
2.4 GridRM
GridRM[10]是一個(gè)用來監(jiān)控廣泛分布的資源開源的通用系統(tǒng)，它主要是為了給各種客戶端提供一個(gè)將收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合各客戶端要求的數(shù)據(jù)工具。一些人員提出的GridRM是由全局層和局部層兩個(gè)部分構(gòu)成的[11]。全局層負(fù)責(zé)將跨網(wǎng)的或虛擬組織（VO）連接在一起，并且整個(gè)網(wǎng)絡(luò)要求能夠在GMA體系的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)交互；局部層中，GridRM網(wǎng)關(guān)能夠提供一個(gè)使用局部資源訪問控制協(xié)議來訪問局部資源的方法，這樣就可以形成滿足各個(gè)客戶端要求的數(shù)據(jù)。但是由于GridRM發(fā)布新的監(jiān)控配置較復(fù)雜，內(nèi)容交錯(cuò)，系統(tǒng)的擴(kuò)展性不夠，框架的伸縮性有待提高。
2.5 其他網(wǎng)格監(jiān)控工具
除了上面介紹的這些監(jiān)控工具外，還有許多監(jiān)控工具，如HawKeye、GridView[9]、CGSV[19]、GridEye[20]等[21]，所有的網(wǎng)格監(jiān)控工具都具有較強(qiáng)的針對(duì)性。RGMA主要使用在數(shù)據(jù)網(wǎng)格中；CGSV和GridEye在China Grid中作用比較明顯；在氣象網(wǎng)格中GridView有廣泛的應(yīng)用。綜合所有的監(jiān)控工具可以發(fā)現(xiàn)：
a）數(shù)據(jù)收集是整個(gè)監(jiān)控的基礎(chǔ)，各種監(jiān)控工具都能夠收集各種動(dòng)態(tài)變化、異構(gòu)、數(shù)量巨大、種類不同的數(shù)據(jù)。
b）數(shù)據(jù)歸檔是對(duì)先前數(shù)據(jù)的整理，各種監(jiān)控工具以數(shù)據(jù)庫或XML文件等形式整理和存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)，為后面的數(shù)據(jù)顯示提供了基礎(chǔ)。
c）數(shù)據(jù)顯示是整個(gè)監(jiān)控的最后部分，監(jiān)控工具根據(jù)用戶的請(qǐng)求，有選擇地顯示監(jiān)控的部分內(nèi)容，目前主要是以圖表的形式給出。
3 網(wǎng)格監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展
網(wǎng)格技術(shù)與Web技術(shù)的結(jié)合出現(xiàn)了服務(wù)網(wǎng)格。在服務(wù)網(wǎng)格中，所有的任務(wù)和動(dòng)作都被看做是服務(wù)，它必將成為網(wǎng)格技術(shù)的發(fā)展方向。網(wǎng)格監(jiān)控系統(tǒng)作為網(wǎng)格技術(shù)中的重要組成部分，在今后的網(wǎng)格中也肯定以服務(wù)的形式提供。在服務(wù)網(wǎng)格中，網(wǎng)格監(jiān)控系統(tǒng)有如下幾個(gè)問題：a）監(jiān)控系統(tǒng)在進(jìn)行資源信息收集時(shí)，難免影響被監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行。如何在服務(wù)網(wǎng)格中把監(jiān)控包裝為服務(wù)，減小對(duì)被監(jiān)控資源本身的影響，降低系統(tǒng)的額外負(fù)載。b）許多已知和未知的監(jiān)控服務(wù)都在服務(wù)網(wǎng)格中存在，如何提高監(jiān)控系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和伸縮性，使得監(jiān)控能夠前后相互關(guān)聯(lián)，提高系統(tǒng)的效率。c）監(jiān)控服務(wù)的加入與退出、開始與結(jié)束時(shí)刻的變化，動(dòng)態(tài)性是監(jiān)控系統(tǒng)中最常見的，如何及時(shí)通知監(jiān)控系統(tǒng)這些變化，也是重要的部分。d）監(jiān)控系統(tǒng)的最終顯示應(yīng)能提供一個(gè)方便、快捷的可視化界面，提供直觀形象的圖形化數(shù)據(jù)組織形式，友好的用戶接口也是必不可少的內(nèi)容。
綜合上面的這些問題，目前已經(jīng)有了一些意見和方法[20，22~25]。文獻(xiàn)[20，23]中，作者針對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可用性提出了一些方法。其中有的在GMA體系基礎(chǔ)上使用Java技術(shù)，開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)能夠解決由于平臺(tái)異構(gòu)而帶來的一些問題[22]；有的在服務(wù)網(wǎng)格中的方法也有很多改進(jìn)和提高[24，25]。總之，在開發(fā)網(wǎng)格監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該結(jié)合資源的特點(diǎn)、系統(tǒng)的擴(kuò)展、顯示的直觀等，更好地為網(wǎng)格服務(wù)。
4 結(jié)束語
網(wǎng)格監(jiān)控系統(tǒng)是網(wǎng)格的重要組成部分。典型的網(wǎng)格監(jiān)控系統(tǒng)包括生產(chǎn)者、消費(fèi)者、目錄服務(wù)，它們?nèi)咧g既相互聯(lián)系又相互區(qū)別。一方面要在此基礎(chǔ)上，從資源信息獲取、數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示等方面不斷提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)性；另一方面從服務(wù)網(wǎng)格角度出發(fā)，努力提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性、伸縮性，以網(wǎng)格服務(wù)的方式提供給用戶更加直觀、友好的圖表形式，為網(wǎng)格中性能評(píng)估、任務(wù)調(diào)度、故障檢驗(yàn)等問題提供更加有效的途徑。
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