网格环境下的服务调度机制研究

论文摘要

目前,借助于面向服务体系结构,以“实现资源的跨组织协调共享和提供虚拟组织问题解决环境”为特征的网格计算技术与企业计算在目标、理念和实现等方面正逐步走向融合,形成了面向服务的以信息集成为主要特点的新一代网格――服务网格。服务网格的一个根本特征就是向用户屏蔽资源共享和协同的复杂性,实现按需提供服务。为此需要存在一种调度机制来解决网格服务的自动组合、动态发现与匹配问题,并且要求能够实现实时服务绑定以适应网格资源动态变化的特点。网格环境的动态、异构、自治的特点决定了网格调度需要比传统的本地资源调度考虑更多方面的问题,如跨管理域的资源协作、分布式安全等。同样,服务网格与计算网格环境中的调度实现机制也存在差异:服务网格环境下调度的对象不仅仅是以批处理为主要特征的面向科学计算任务的“裸”的硬件资源,更多地是具有交互特征的以服务形式存在的各种资源,调度的评价标准不单独是计算速度、吞吐率等传统的指标,而是类似“服务等级协议”、“服务质量”、“体验质量”等一套用户满意度和服务质量评价标准。目前对于网格调度的研究主要包括以下三个方面:网格资源组织模型、网格应用模型和网格调度算法的研究,本文着重从服务网格中资源组织模型、调度模型、调度算法以及调度实现机制等几个方面入手,分别对目前的有关研究进行了分析比较,明确了实现服务调度的关键问题,以Petri网为形式化工具,结合工作流思想,对服务调度过程进行了建模,提出了多QoS约束下的服务调度算法,并基于网格中间件实现了一个服务调度系统G-Sched,其中的主要工作和研究成果如下:（1）提出了支持动态服务调度的语义服务描述和组织模型结合本体服务,对开放网格服务体系结构（Open Grid Service Architecture）进行了语义支持方面的扩展;讨论了OGSA的核心规范WSRF（Web Service Resource Framework）关于服务资源的建模方法,通过对Web服务资源（WS-Resource）的描述语言（WSDL）元数据模型的扩展,实现了其对服务语义的支持,并在此基础上,提出了基于语义的Web服务资源组织模型。（2）提出和实现了动态服务调度模型讨论了服务网格中调度实现的关键问题,在借鉴工作流、动态Web服务组合的技术基础上,结合Web服务资源的语义描述模型,提出了基于着色Petri网的服务调度模型,并对模型进行了分析和验证。在调度模型的建立方面,以Web服务资源作为调度的基本单位,考虑了异常处理、数据传输以及QoS约束等多个方面,这相对目前存在的批处理作业调度机制,其调度粒度较细,在约束条件上也更苛刻。（3）提出了两种多QoS约束的服务调度算法从调度算法的角度来研究调度方案的优化问题,在分析现有网格应用模型及其调度算法的基础上,将网格环境中的服务调度问题转化为按照服务调度方案查找和匹配相应的服务组件的过程,从而提出了两种算法（遗传算法和基于效用函数的路径选择算法）来解决在多目标约束条件下如何保持服务组件之间QoS一致性的问题,从实现和仿真两个方面验证了算法的有效性。（4）实现了网格服务调度组件在分析网格服务动态调度执行过程及涉及的关键问题的基础上,系统地讨论了网格服务动态调度系统的组成、系统架构及实现技术,初步设计和实现能够完成服务网格中调度需求的服务调度组件-G-Sched,并以模拟网络化虚拟制造作为应用示例来验证我们所提出方法的有效性。本论文的工作受到国家“863”课题“面向电子商务的新型网络服务体系及集成软件环境”（2003AA413320）和江苏省博士后创新基金“基于网格的分布式产品数据管理系统”（KR20003）的资助。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 Web 服务概述
• 1.1.2 网格计算
• 1.2 网格调度问题及研究现状
• 1.2.1 网格调度问题
• 1.2.2 网格调度研究现状
• 1.3 存在问题
• 1.3.1 服务网格中资源组织模型问题
• 1.3.2 网格调度建模问题
• 1.3.3 资源调度服务质量问题
• 1.4 本文的目标和主要工作
• 1.5 论文的创新点
• 1.6 本文的结构
• 第二章 基于语义的服务网格资源组织模型
• 2.1 服务网格体系结构
• 2.1.1 OGSI 规范向WSRF 演变
• 2.1.2 支持语义服务的OGSA 网格体系结构
• 2.2 目前服务网格资源组织模型
• 2.2.1 基于WSRF 的服务资源模型
• 2.2.2 基于WSRF 的服务组织模型
• 2.2.3 目前服务网格平台采用的资源组织模型
• 2.2.4 存在问题及解决思路
• 2.3 基于WSRF 的网格资源建模语义扩展
• 2.3.1 网格元数据的表示
• 2.3.2 当前基于语义的Web 服务描述模型
• 2.3.3 Web 服务资源（WS-Resource）的语义描述
• 2.3.4 语义网格服务的组织模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于着色Petri 网的网格服务调度模型
• 3.1 工作流技术概述
• 3.1.1 传统工作流模型
• 3.1.2 Web 服务与工作流的结合
• 3.1.3 Web 服务组合与网格服务调度的比较
• 3.2 网格服务调度模型
• 3.2.1 网格服务调度模型的要求
• 3.2.2 网格服务调度模型的定义
• 3.2.3 网格服务调度过程模型
• 3.2.4 建模实例
• 3.2.5 模型分析
• 3.3 调度模型的验证
• 3.3.1 与Petri 网验证有关的概念
• 3.3.2 简化流程模型验证的措施
• 3.3.3 模型的验证
• 3.4 本章小结
• 第四章 网格环境中多QoS 约束的服务调度算法
• 4.1 网格调度算法概述
• 4.1.1 网格应用模型
• 4.1.2 启发式调度算法
• 4.1.3 存在问题
• 4.2 多QoS 约束的复合服务应用模型
• 4.2.1 基本概念
• 4.2.2 复合的应用服务模型
• 4.3 服务调度算法
• 4.3.1 服务路径的生成算法
• 4.3.2 服务执行路径的选择算法
• 4.4 本章小结
• 第五章 服务调度机制与原型系统实现
• 5.1 服务网格调度体系结构
• 5.1.1 网格调度过程与功能需求分析
• 5.1.2 基于语义的服务网格调度体系结构
• 5.2 服务网格中调度实现机制
• 5.2.1 网格服务调度实现的关键问题
• 5.2.2 服务调度实现机制
• 5.3 服务调度组件的设计与实现
• 5.3.1 服务网格中间件GT4.0
• 5.3.2 调度组件G-Sched 系统设计
• 5.3.3 调度组件G-Sched 的实现
• 5.4 应用实例
• 5.4.1 示例问题描述
• 5.4.2 实验
• 5.4.3 运行结果与分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 进一步的工作
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读博士学位期间发表论文清单
• 博士期间已经和正在参与的项目