仿真网格资源管理系统关键技术研究

论文摘要

网格作为一种新型的网络计算平台，目的是为用户提供一种全面共享各种资源的基础设施，网格技术就是实现这种基础设施的方法和手段，为网格的构建提供技术支撑。利用网格技术的优势，进行基于网格的仿真技术研究，构建仿真网格是完善目前分布式仿真系统的有效途径，可以解决系统的资源分配、系统柔性、协同性、安全和可管理性等方面存在的许多不足。资源是仿真网格中的主要对象，构建仿真网格的一个关键问题就是要管理好网格中的各种资源，为需要资源的用户提供透明一致的使用接口，所以对仿真网格资源管理系统的研究是构建仿真网格的关键，本文对资源管理及其所涉及的关键技术进行了系统的研究。本文首先对仿真网格资源SGR（Simulation Grid Resource）进行分析。在此基础上，研究了仿真网格资源管理系统的概念模型，分析了资源管理系统的功能，提出了仿真网格资源管理系统的集中-分布式结构模型，并进一步设计了仿真网格资源管理系统框架，对框架中的管理子系统进行详细的分析和设计。明确了资源管理系统需要解决的关键技术问题，主要包括资源的组织、资源的协同分配和应用任务的调度等。根据仿真网格中SGR的特点，对SGR进行了形式化描述，在此基础上提出了仿真网格的层次式组织模型，该模型通过物理资源层和逻辑资源层进行SGR资源信息的组织。采用LDAP协议进行仿真网格资源的元数据描述，设计了仿真网格资源组织框架，并分析了资源层通信协议和仿真子网格SSG（Sub Simulation Grid）间的资源组织方式。在组织框架中对应用的资源需求进行了描述，分析了资源匹配算法；对仿真网格资源发现问题进行了研究，将仿真网格中的资源发现分为了域内和域间发现两部分，重点分析了域间资源发现方法和资源发现过程中的超时机制。在资源协同分配方法的研究中，主要对资源的死锁和活锁问题进行了研究。分析了资源协同分配过程中的死锁和活锁问题，建立了基于有限状态机FSM（Finite StateMachine）的资源协同分配模型RCAM（Resource Co-allocation Model），并制定了资源协同分配的基本策略。根据单目标和多目标两种不同的资源分配状态分别进行了资源协同分配算法的设计：对于单目标资源的协同分配设计了SGRCA、SGDPRCA和SGATRCA分配算法；对于多目标资源的协同分配设计了MGDPRCA和MGATRCA分配算法。根据仿真网格资源协同分配的特点设计实现了仿真网格资源协同分配仿真器GRCS（Grid Resource Co-Allocation Simulator），通过资源协同分配试验分析了上述算法的性能和适用情况，验证了算法理论分析的正确性。对仿真网格应用任务的调度问题进行了研究。首先分析了分布式仿真应用的通信模式，在此基础上建立了基于图理论的应用任务的需求模型和资源结构拓扑模型。通过对仿真应用任务调度问题的描述，定义了调度过程中的性能函数和相关的性能指标。根据调度过程中不同的情况，对单节点单任务STSN（Single Task in Single Node）和单节点多任务MTSN（Multiple Tasks in Single Node）的调度分别进行了研究：对STSN调度提出启发式的调度算法STSN-TS，并对算法进行了分析；对于MTSN调度，首先通过FN（Furthest-Neighbor）算法的HAC（Hierarchical Agglomerative Clustering）聚类方法进行应用任务群划分，在此基础上设计MTSN调度算法MTSN-TS，并对算法进行了分析。在资源管理系统及其关键技术研究的基础上，设计实现了仿真网格资源管理原型系统SG-RMPS（Simulation Grid Resource Management Prototype System）。设计了系统框架，并对框架中的各个模块进行了详细设计；通过SGE（Sun Grid Engine）和Globus等组件实现了SG-RMPS；通过以XX对抗仿真系统为原型的仿真应用实例，验证了本文所进行的仿真网格资源管理系统关键技术研究工作的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 仿真技术
• 1.1.2 仿真网格技术研究的必要性
• 1.1.3 仿真网格资源管理系统研究的意义
• 1.2 仿真网格资源管理技术的研究现状
• 1.2.1 仿真网格技术的研究现状
• 1.2.2 仿真网格资源管理及其关键技术的研究现状
• 1.3 论文的研究内容、组织结构和主要贡献
• 1.3.1 论文研究的主要问题
• 1.3.2 论文组织结构和研究内容
• 1.3.3 论文的主要贡献
• 第二章 仿真网格资源管理系统研究
• 2.1 仿真网格资源
• 2.2 资源管理系统
• 2.2.1 概念模型
• 2.2.2 功能分析
• 2.2.3 结构模型
• 2.2.4 系统框架
• 2.2.5 子系统 SSG-RMS
• 2.2.6 仿真网格资源管理系统的关键技术
• 2.3 相关工作比较
• 2.4 小结
• 第三章 资源组织及其相关技术研究
• 3.1 SGR 的资源组织模型
• 3.1.1 SGR 的形式化描述
• 3.1.2 资源组织模型
• 3.2 仿真网格的资源组织
• 3.2.1 SGR 的资源元数据描述
• 3.2.2 仿真网格的资源组织框架
• 3.3 仿真网格资源匹配方法
• 3.3.1 SGR 需求描述
• 3.3.2 SGR 资源匹配算法
• 3.4 仿真网格中资源的发现
• 3.4.1 资源发现分析
• 3.4.2 域间资源发现方法
• 3.4.3 SGR 资源发现中的超时机制
• 3.5 相关工作比较
• 3.6 小结
• 第四章 资源协同分配方法研究
• 4.1 问题的提出
• 4.1.1 死锁问题
• 4.1.2 活锁问题
• 4.2 资源协同分配模型
• 4.2.1 有限状态机 FSM 原理
• 4.2.2 资源协同分配过程中的相关定义
• 4.2.3 基于 FSM 的资源协同分配模型 RCAM
• 4.3 资源协同分配策略
• 4.3.1 资源协同分配的特点
• 4.3.2 资源协同分配的两种基本策略
• 4.4 单目标资源分配状态的协同分配方法
• 4.4.1 资源协同分配过程中的安全性
• RCA'>4.4.2 资源协同分配算法 SG_RCA
• DPRCA'>4.4.3 资源协同分配算法 SG_DPRCA
• ATRCA'>4.4.4 资源协同分配算法 SG_ATRCA
• 4.5 多目标资源分配状态的协同分配方法
• 4.5.1 多目标资源分配状态的处理
• RCA 和 MG_DPRCA'>4.5.2 资源协同分配算法 MG_RCA 和 MG_DPRCA
• ATRCA'>4.5.3 资源协同分配算法 MG_ATRCA
• 4.6 资源协同分配算法的仿真分析
• 4.6.1 单目标资源分配状态的协同分配方法分析
• 4.6.2 多目标资源分配状态的协同分配方法分析
• 4.6.3 资源协同分配方法讨论
• 4.7 相关工作比较
• 4.8 小结
• 第五章 应用任务调度方法研究
• 5.1 仿真应用的通信模式
• 5.1.1 分布式应用通信模式
• 5.1.2 基于 HLA 的仿真应用通信模式
• 5.2 应用任务调度模型
• 5.2.1 仿真应用任务描述
• 5.2.2 任务需求模型
• 5.2.3 资源拓扑结构模型
• 5.2.4 应用任务调度问题描述
• 5.2.5 性能指标和性能函数
• 5.2.6 调度过程中的其它参数指标
• 5.3 应用任务 STSN 调度算法
• 5.3.1 STSN-TS 算法设计
• 5.3.2 启发函数
• 5.3.3 算法描述
• 5.3.4 算法分析
• 5.4 应用任务 MTSN 调度算法
• 5.4.1 算法结构
• 5.4.2 仿真应用任务的聚类
• 5.4.3 任务调度算法
• 5.4.4 调度算法的改进
• 5.4.5 算法分析
• 5.5 讨论
• 5.6 小结
• 第六章 仿真网格资源管理原型系统的设计与实现
• 6.1 SG-RMPS 框架设计
• 6.1.1 SG-RMPS 框架
• 6.1.2 SG-RMPS 主要功能组件
• 6.2 SG-RMPS 的实现
• 6.2.1 Sun Grid Engine
• 6.2.2 系统实现
• 6.2.3 系统应用运行流程
• 6.3 SG-RMPS 中的应用实例
• 6.3.1 实例描述
• 6.3.2 应用实例
• 6.3.3 讨论
• 6.4 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 下一步工作展望
• 作者在攻读博士学位期间发表的主要学术论文
• 攻读博士学位期间参加的科研工作
• 致谢
• 参考文献