基于WSRF的網格資源共享和調度的研究＊

（武漢理工大學計算機學院 武漢 430063）

0 引 言

校園網是學校教學、科研及管理的重要基礎平臺．但由于現有網絡的異構性、資源地理分布性、動態性和系統權限等諸多原因，各種教學資源不能充分共享和利用，重復開發現象比較嚴重．從目前來看，現有的校園網存在的問題有：異構系統間的數據共享和互操作性；異構資源的有效管理；某些地方資源閑置造成浪費而其他基礎設施較差的地方確有缺乏這種資源．網格技術的出現極大的改善了這種狀況．

隨著網格服務逐漸滲透到社會的各個行業，網格也已經從最初的五層沙漏模型發展到開放網格服務體系（OGSA），再到 Web服務資源框架（WSRF），網格的研究走向了面向服務的軌道．本文通過對 WSRF的研究，提出了基于 WSRF的教學資源共享的體系結構．

1 WSRF及其體系結構

1.1 WSRF簡介

Ian Foster等人首先提出的是五層沙漏模型［1］，建立在互聯網協議之上，強調協議在網格的資源共享和互操作中的地位，側重于對網格各部分功能的定性描述．這種結構雖然簡單，但是在許多情況下，復雜的服務和應用很難分解成標準而低級的基本協議，而且人們在解決問題時不習慣按照協議的方式來進行．

全球網格論壇組織GGF提出的開放網格服務體系結構OGSA（open grid services architecture），它以服務為中心，充分利用現有的解決方案，遵循現有的 Web服務框架，利用諸如XML（extensible markup language）、SOAP（simple object access protocol）、UDDI與 WSDL（web service describe language）同等現有的 Web service機制，并具有良好的擴展性，可以更好地支持臨時服務［2］．OGSA提出后，GGF開始著手研究開放網格服務基礎設施OGSI草案，但是Web服務支持者認為OGSI有如下4個不利于其發展的弊病：（1）在一個協議中包含了過多的內容，協議對不同內容的規定詳細程度也各不相同，使得協議的實現難于搭建；（2）由于過多的使用XML Schema及其擴展，OGSI與現有的 Web服務和XML工具不能很好的聯系起來；（3）在編程模式的設計上過于面向對象化，要求Web Service對象一樣能夠支持實例內部狀態的維護，這一點得不到Web服務技術擁護者的支持，同時也難于在基于HTTP的 Web上實現；（4）對 WSDL做了過多的擴展，使得OGSI難以無縫集成到以WSDL為基礎的Web服務協議棧之中，使OGSI與Web服務不能很好地結合在一起［3］．為了解決OGSI和 Web服務之間存在的矛盾，2004年1月，IBM，Globus和HP共同提出了WSRF協議．WSRF采用了與網格服務完全不同的定義，它規定了資源是有狀態的，服務時無狀態的．

1.2 WSRF體系結構

WSRF的規范是針對OGSI規范的主要接口和操作而定義的，它保留了OGSI中規定的所有基本功能，只是改變了某些語法，并且使用了不同的術語進行表達，WSRF定義了使用Web服務來訪問有狀態資源的一系列規范，包括Web服務資源生命周期（WS－ResourceLifetime）、Web服務資源屬性（WS－ResourceProperties）、Web服務服務組（WSServiceGroup）和 Web服 務 基 本 錯 誤 （WS－Base－Faults）規范．基于 WSRF的網格環境見圖1［4］．

圖1 基于WSRF的網格環境

信息處理器負責與外界的信息交換，Web服務將自身提供的功能通過 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中的其他組件（服務請求者）調用．WSRF的目的是使資源成為 Web服務框架下的有狀態資源，WSRF框架見圖2．

WS基本錯誤定義了被WSRF服務拋出的SOAP格式的錯誤，WS服務組指定了如何聚合WS資源，WS資源屬性定義了同WS資源進行交互的方式，WS資源生命周期定義了如何管理和銷毀WS資源，WS可更新引用在端點引用無效的時候來檢索所需要的更新版本．

圖2 WSRF框架

2 基于WSRF的教學資源共享模型的設計

2.1 設計思想及目標

模型的設計面向的是多個學科之間甚至是不同地域的多個學校之間，因此對各種資源的封裝非常重要，模型的設計思路如下：（1）采用一種有效的方法進行資源的封裝，屏蔽資源內部的方法和機制，使異構分布的資源能夠以統一的方式調用和管理，實現底層模型對用戶的透明性；（2）采用已用的或可用的標準化規范，這樣有利于模型的推廣，在模型升級和替換的過程中不受非標準的約束，能夠完全兼容其他的產品；（3）采用基于QoS的資源調度算法，提高資源調度的效率和可靠性．使得服務請求者能準確的獲得自己所需要的各種資源并整合起來；（4）系統能夠充分提高資源的利用率，通過該模型設計的系統應該能充分發揮閑置資源的作用，這些資源主要是指一些特殊的物理資源，使一些基礎設施條件較差的部門能使用這些資源，有效提高資源的利用率．

基于上述的設計思路，設計的模型應能達到如下目標：

1）對教學資源有統一的描述和傳輸標準，能夠實現異構資源標準集成，對用戶使用標準的、開放的和通用的協議與接口，提供統一的方式供用戶進行訪問．

2）根據QoS的要求，基于該模型的系統必須能夠提供無縫透明的服務質量．首先，用戶可以在任何時間、地點訪問各種網格教學資源，網格計算能力可以通過網格系統輸送到任何角落，即資源隨處可得．支持大量訪問及并發訪問．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，防止主體假冒和數據泄密；需要支持跨虛擬組織VO邊界的安全，應避免采用傳統的集中管理安全系統；需要支持網格用戶的“單一登錄”，包括跨多個資源和站點的計算所進行的信任委托和信任轉移等．安全性是實現服務質量的基礎．

2.2 基于WSRF的教學資源共享模型

該共享模型的體系結構見圖3．主要由3部分組成，最底層為網格資源層，中間層為網格服務層，最上層為網格應用層．該模型最底層提供網格的各種物理和邏輯資源，它是教學資源共享平臺的基礎，這里的物理資源指的是教學的一些硬件資源，包括多媒體資源、網絡教室資源、大型計算資源、存儲資源、實驗儀器、服務器及其他一些基礎設施資源．邏輯資源主要指軟件資源，如應用軟件和系統軟件．這些資源率屬于不同的學院或者學校，分布在不同的區域但必須通過網絡設備連接起來，即物理上是連通的．

圖3 基于WSRF的教學資源共享模型

網格服務層整合底層資源并向用戶提供應用接口．由于網格資源具有很強的動態性，它們可能隨時加入或離開網格系統，而且，它們可能存在于不同的操作系統中，即資源之間的異構性很強，因此需要將資源通過Web服務定義語言來描述，使其成為一種虛擬化資源，從而屏蔽資源的異構性．虛擬化的資源就可以經由網格中間件統一調度和管理．信息服務包括資源信息收集，將動態資源存儲到資源數據庫中；周期性更改資源信息；資源發現等內容，資源是這個系統的基礎，需要網格節點自治管理，又需要這個共享環境系統對資源進行統一管理，因此必須提供通用的資源管理機制．網絡監控和QoS約束模塊對各類資源進行實時的性能監控并獲得狀態數據，為系統管理及資源調度提供依據，由于網格環境中基礎設施個體差異較大，分布地域廣，所以數據傳輸中的錯誤及系統故障在所難免，另外資源所有者隨意開關機等都會嚴重降低系統可用性．資源調度模塊包括資源查找、資源定位、統一調度和資源分配，在統一調度的過程中結合QoS約束，為用戶提供可靠精確的服務．目錄服務是基于網格計算環境的信息服務框架，主要完成信息的發現、注冊、查詢、修改等工作，允許虛擬組織參加者通過輕量目錄管理協議［5］（lightweight directory access protocol，LDAP）在由LDAP服務器組合構成的分布目錄中對信息／數據進行訪問和存儲．

網格應用層是面向用戶的核心部分，該層為用戶設計透明、安全的應用程序和服務，用戶不需要知道這些服務時怎么實現的．他們只需要通過用戶注冊成為合法的網格用戶，然后通過網格服務注冊中心搜索所需的網格服務，獲得該服務的調度方式，就可以使用所需的資源．

3 資源描述和調度算法

3.1 資源描述模型

1）資源的QoS屬性包括資源費用、完成時間、帶寬、完成率等，這里我們考慮資源費用和完成時間兩個因素．QoS的屬性向量可以表示為Q＝｛q1，q2，…，ql｝，由此統一描述資源，完成資源調度的時間表示為FTij（表示第i個任務對第j個資源的調度時間），任務i使用的資源j的花費表示為RCij．

2）用效用函數［7］表示用戶從完成任務中獲得的QoS滿意程度，效用函數用ui表示，任務集中所有的任務總效用為系統目標是最大化總效用，即能夠達到．式中：t為用戶規定的完成時間．3）用T＝ （t1，t2，…，tn）表示所要完成的調度任務，R ＝ （r1，r2，…，rm）為網格資源，則任務與資源的綁定可以用矩陣來表示．式中：amn為任務tm使用資源rn的數量．決策矩陣用B＝ （ajk）m＊d表示．式中：d為用戶關心的資源的QoS屬性維數，這里d＝2．

4）完成時間屬于成本型屬性，數值越小越好，資源花費也屬于成本屬性，數值越小越好．我們對可用決策矩陣B進行規范化就可以得到規范化矩陣R．

用戶的滿意度和完成時間、資源花費2個因素的關系見圖4．

圖4 用戶的滿意度和完成時間、資源花費的關系

3.2 基于QoS的資源調度算法

根據以上對資源的描述，給出一種基于QoS的資源調度的算法描述：

1）遍歷任務T，對于每個ti再遍歷資源庫R，判定是否為所需資源，若是，令資源任務矩陣A的aij為1，否則為0．

2）若矩陣A的第i行全部為0，說明任務ti沒有符合的資源，程序結束．

這位導事，在念誦《指路經》（死者入棺時念誦）之后，就不再參與儀式的其他環節。剩下的祭奠活動，交給其他的人完成。

3）若aij≠0，則將資源rj加入資源隊列R．

4）用戶輸入自己的資源屬性權重，并給出完成時間約束．

5）遍歷資源R，對rj請求QoS指標，即資源rj能提供的QoS值，根據完成時間約束，不符合條件的資源從資源隊列中移除．

6）根據資源效用函數，對資源隊列中的資源進行排序，計算出每個資源節點的綜合效用，根據節點的最大綜合效用，得出任務的決策矩陣．

7）給擁有最大綜合效用的資源節點分配任務，執行任務調度，直至整個任務結束．

算法的偽代碼如下：

MQResSche（T，w）

｛

While任務隊列非空

for（每個等待調度的任務ti）

f

or（每個可供調度資源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從任務隊列中刪除，標記ti調度失敗

else

根據效用函數進行排序得到資源隊列rj

將其加入到資源－任務隊列RT（資源任務對）

end if

end for

從資源－任務隊列找出選出最大的綜合效用U

將資源rj分配給任務ti

……

將ti從任務隊列中刪除，標記ti調度成功，清空資源任務隊列

endwhile

｝

該算法需要用戶輸入任務T和QoS權重w，然后為用戶生成可用資源矩陣，根據可用矩陣得到最大綜合效用的資源任務隊列．

4 結束語

分析了當前教學資源共享的現狀，針對教育資源存在的異構性和分布性方面的難題，提出了一種基于WSRF的教學資源共享模型，通過對資源的描述，屏蔽資源的異構性，分布性等問題．通過基于QoS的資源調度算法，有效實現對資源的全局調度．本文還存在以下問題有待進一步提高：（1）對資源的封裝沒有給出具體的模型，在 WSRF模型中，資源是有狀態的，因此它與傳統的基于無狀態的資源封裝會有很大的差別；（2）共享模型中用戶處于一種自主管理的模式，如何對用戶行為和操作進行約束是需要解決的問題；（3）資源調度算法中僅僅考慮完成時間和資源花費兩個QoS屬性，這在實際應用中還有所欠缺，如CPU、網絡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］劉會斌，都志輝．網格與 Web服務的融合－WSRF和WS－Notification［J］．計算機科學，2005，32（2）：76-79．

［3］吳 雷．基于WSRF的服務網格實現框架及其應用的研究［D］．合肥：合肥工業大學，2006．

［4］沈 彬，劉麗蘭，俞濤．制造網格中基于 WSRF的資源共享架構的研究［J］．管理技術，2005（2）：99－102．

［5］JAMHOUR E．Distribute security management using LDAP directories［C］∥Los Alamitors：IEEE Com－puter Society Press，2001：144－153．

［6］李春林，鄭 輝．網格計算中基于QoS的資源調度優化［J］．武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2008，32（2）：199－202．

［7］王 進，解 福．基于效益函數驅動的網格資源調度算法研究［J］．計算機工程與設計，2009，30（23）：5311－5313．