动态网格计算工作流关键技术研究

论文摘要

网格计算工作流能为现代企业的业务重组、业务跨区域和跨行业的执行带来有效的支持。而网格计算环境的动态性、资源的丰富性和多样性,又为工作流技术的发展和应用带来了很大的机遇。本论文将详细分析和研究工作流技术应用于网格计算环境下的动态性问题。并针对网格动态工作流从建模到执行的体系结构和网格计算环境动态变化的特性,对目前网格动态工作流技术的若干核心问题作比较深入的研究,提出问题和解决的办法。需要解决的问题有:（1）网格动态工作流元模型的逻辑与语义不清。目前大部分文献在工作流元模型动态支持的元素基础上,引入了引起逻辑和语义含混的重做和循环等元素,致使工作流在执行过程中,出现逻辑层次和语义层次的交叉重叠,混淆了机器的自动处理和人工参与的决策过程,导致工作流总体执行路径的错误。（2）网格计算工作流模型对动态性支持不足,缺乏针对网格丰富的动态资源充分利用的工作流调度策略。目前的网格计算工作流系统不能充分体现网格计算环境的动态性,在运行过程中,一旦环境改变,工作流模型就很难根据动态信息进行有效的拓展。随着网格应用的深化,对于某些关联应用,工作流的模型执行过程又缺乏优化。与模型相应的调度算法不能充分发挥网格计算工作流优势而对网格资源利用率较低,造成资源的空闲和浪费。（3）缺乏网格计算工作流中数据流的拥塞控制策略。网格计算工作流实例研究中,控制流的研究较多,而数据流方面的研究文献非常少。特别是针对密集型数据流的传送调度策略研究较少。而数据流的传送在动态变化的网格计算环境下,因其各使用域的网络环境异构,服务质量的差异和使用竞争等特性,数据流传送不能简单依赖网络底层的传输控制策略,而传送的稳定性和高吞吐量又直接关系到工作流的执行效率和能否顺利执行。数据流传送速率,链路带宽和接收性能等如果不匹配,很容易造成拥塞,缓冲区溢出等情况,严重的还会导致工作流任务执行的失败。（4）缺乏对全局网格计算工作流执行路径的规划和预期。针对以上问题,本论文获得了以下的研究成果。（1）结合实际参与的“智能公交系统中网格动态工作流研究”项目,对网格计算工作流重新进行了定义,把工作流逻辑和工作流语义两个核心概念区别开。同时分析了网格计算环境下工作流动态适应性的情况,修正相关文献中的不恰当之处,研究了适合网格动态工作流建模的元模型,并引用了黑盒模型来处理模型定义阶段的不确定性,提出了支持动态工作流模型的正确分解规则,重点对智能公交系统ITS的网格计算工作流元模型的动态适应性做了研究,并提供了针对以上分解规则的检验算法。（2）在研究Petri网和WF-net模型的基础上,提出了新的支持网格动态变化的动态适应性工作流建模方法DFP-net,实验证明它具有可行性,比WF-net等静态建模方法更能适应动态变化的网格计算环境;随后在DFP-net模型基础上,提出了网格计算工作流的动态适应性调度算法DFSA,试验结果说明,它除了能提高工作流执行中对动态变化的适应性外,还能充分利用丰富的网格服务资源,具备较好的整体执行性能。（3）引入主动队列管理AQM技术来处理网格计算中密集型工作数据流的动态调度,以避免拥塞。在分析研究AQM经典算法RED,FEM基础之上,把模糊数学方法与主动队列管理技术相结合,在网格工作流层面上提出了工作流中数据密集型任务的数据流拥塞的控制调度算法,即基于模糊控制的数据流调度算法DFSFA。该算法主要考察链路和节点性能,并引入价格机制来衡量网格计算环境数据流传送状况并调节发送端的发送速率,来控制网格计算工作流节点队列到较小的稳定值水平,有效地避免拥塞状况的发生,提供数据流的稳定传送性能,以适应网络和网格服务节点的动态变化。（4）分析了网格计算工作流动态执行路径规划的重要性,提出把蚁群优化理论用于工作流执行路径的动态规划而设计了算法DGWFF,即基于蚁群优化元启发式架构的动态网格计算工作流规划算法。该算法重点考虑网格服务,节点性能,网络状况等动态变化因素,为工作流的服务绑定,执行路径的选择提供依据和指导。实验结果说明DGWFF规划的路径是有效的,能为网格动态工作流的执行提供较好的依据和路径,并能带来较好的执行效率。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 问题的提出及研究意义
• 1.2.1 网格计算工作流与云计算
• 1.2.2 网格计算工作流的动态性
• 1.3 网格计算工作流及其动态特性研究现状
• 1.3.1 建模阶段
• 1.3.2 执行阶段
• 1.3.3 其他方面
• 1.4 本论文的工作与创新点
• 1.5 论文的组织结构
• 2 网格计算工作流的动态适应性
• 2.1 引言
• 2.2 网格计算中的动态工作流
• 2.2.1 相关概念
• 2.2.2 网格服务
• 2.2.3 动态网格计算工作流体系结构
• 2.3 网格计算工作流动态技术
• 2.4 动态适应性问题
• 2.5 本章小结
• 3 动态网格计算工作流元模型研究
• 3.1 引言
• 3.2 网格计算工作流
• 3.2.1 相关概念
• 3.2.2 网格计算工作流的动态性
• 3.3 网格计算工作流动态元模型
• 3.3.1 工作流元模型中对过程定义的改进
• 3.3.2 动态元素的支持
• 3.4 智能公交系统ITS 中网格计算工作流动态建模及验证
• 3.4.1 ITS 技术
• 3.4.2 ITS 工作流元模型
• 3.4.3 ITS 工作流模型动态适应性的建模技术
• 3.4.4 ITS 工作流模型验证算法
• 3.5 本章小结
• 4 基于 PETRI 网的工作流过程模型的动态适应性
• 4.1 引言
• 4.2 相关研究工作
• 4.3 网格计算工作流动态适应性建模及验证
• 4.3.1 网格计算工作流建模分析
• 4.3.2 动态适应性的建模及其验证
• 4.4 网格计算工作流的动态适应性调度算法DFSA
• 4.4.1 算法描述
• 4.4.2 算法的实验验证分析
• 4.5 本章小结
• 5 网格计算工作流中基于拥塞避免的数据流调度
• 5.1 引言
• 5.2 问题的描述
• 5.2.1 网格计算工作流中的数据流
• 5.2.2 数据流调度
• 5.2.3 数据流调度拥塞控制策略
• 5.3 基于模糊控制的网格计算工作流的数据流调度算法DFSFA
• 5.3.1 DFSFA 算法设计
• 5.3.2 仿真实验
• 5.4 本章小结
• 6 网格计算工作流执行路径动态规划
• 6.1 引言
• 6.2 蚁群优化算法原理
• 6.2.1 蚁群优化ACO 算法
• 6.2.2 蚁群优化算法原理分析
• 6.2.3 ACO 通用算法框架
• 6.3 网格计算工作流执行路径的动态规划算法DGWFF
• 6.3.1 问题的描述
• 6.3.2 动态路径的规划
• 6.3.3 数据配置
• 6.3.4 动态路径的规划算法
• 6.4 仿真实验及数值分析
• 6.4.1 实验环境的设定
• 6.4.2 实验结果分析
• 6.5 本章小结
• 7 总结
• 7.1 本论文研究工作总结
• 7.2 下一步研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录