唐麗麗，侯韶華

（南京郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，南京210003）

0 引言

在過去幾年中，軟硬件技術(shù)都發(fā)生了翻天覆地的變化，主要表現(xiàn)為硬件的高速化與軟件的復(fù)雜化，計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力都有了質(zhì)的提高。但在許多應(yīng)用領(lǐng)域中，如科研、工程以及商業(yè)領(lǐng)域，仍然有一些問題技術(shù)是使用現(xiàn)有最先進(jìn)的超級計(jì)算機(jī)也不能很好地解決。這類問題的特點(diǎn)是需要高強(qiáng)力計(jì)算，以及TB級到PB級的數(shù)據(jù)處理與共享。為了解決這類問題，網(wǎng)格技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它通過高速網(wǎng)絡(luò)連接分布在不同地理位置的各類資源，不但是各類計(jì)算資源（超級計(jì)算機(jī)），而且包括各種大型數(shù)據(jù)庫、大容量存儲(chǔ)設(shè)備以及其他高性能儀器設(shè)備，形成對用戶相對透明的虛擬高性能科研環(huán)境。

但在傳統(tǒng)的網(wǎng)格系統(tǒng)中，并沒有把網(wǎng)絡(luò)作為一種可控制的資源提供給用戶，只是作為一種數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇閇1]。傳統(tǒng)網(wǎng)格系統(tǒng)不能像調(diào)度應(yīng)用資源一樣調(diào)度網(wǎng)絡(luò)連接資源，難以將網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行分配和配置。隨著智能光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)由原來間接為用戶提供服務(wù)的業(yè)務(wù)支撐網(wǎng)，逐步演變成為可以直接面向用戶提供電路、帶寬、用戶端設(shè)備，甚至波長業(yè)務(wù)的新業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)[2]。這種發(fā)展趨勢使網(wǎng)絡(luò)逐漸具備了靈活預(yù)留、分配、重配置等功能，為網(wǎng)絡(luò)的地位提升提供了技術(shù)支持。

光子網(wǎng)格就是將光網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行抽象化，融合其它網(wǎng)格資源，為用戶提供動(dòng)態(tài)可控的網(wǎng)格服務(wù)，實(shí)現(xiàn)廣泛資源共享的一種基礎(chǔ)設(shè)施。對于數(shù)據(jù)密集型的網(wǎng)格應(yīng)用，光子網(wǎng)格能夠提供廉價(jià)的帶寬資源和可靠的傳輸性能。光子網(wǎng)格的主要目標(biāo)就是按需地為網(wǎng)格業(yè)務(wù)提供光網(wǎng)絡(luò)資源，使光網(wǎng)絡(luò)資源與傳統(tǒng)的應(yīng)用資源一樣，成為網(wǎng)格可共享、可調(diào)度和可管理的資源的一部分。

1 網(wǎng)格監(jiān)控和發(fā)現(xiàn)服務(wù)（MDS4）

（GT4，Globus Toolkit4）是目前應(yīng)用最為廣泛的網(wǎng)格開發(fā)工具包，網(wǎng)格監(jiān)控中間件（MDS4，Monitoring and Discovery Service）是一種基于網(wǎng)格計(jì)算環(huán)境的信息服務(wù)，主要完成對網(wǎng)格計(jì)算環(huán)境中資源的監(jiān)控（包括資源的采集、注冊、更新等）和發(fā)現(xiàn)（包括資源的查詢等），提供網(wǎng)格計(jì)算環(huán)境的一個(gè)真實(shí)、實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)反映[3]。MDS中的信息流動(dòng)如圖1所示。

聚合器資源：是一個(gè)Java類，用來實(shí)現(xiàn)聚合器框架中收集到的 XML格式的數(shù)據(jù)的接口。它使用信息資源特有的訪問機(jī)制和聚合器特定的Web服務(wù)接口從所有注冊的資源中，周期收集信息的最新數(shù)據(jù)和狀態(tài)。聚合器服務(wù)把所有收集的信息保存為XML格式，該格式可以使用Xpath表達(dá)式進(jìn)行查詢。

聚合器框架：負(fù)責(zé)對聚合器源中的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、管理和索引。

聚合器服務(wù)：包括索引服務(wù)、觸發(fā)服務(wù)和歸檔服務(wù)，都是建立在聚合器框架上的服務(wù)。索引服務(wù)，支持Xpath表達(dá)式從信息服務(wù)中查詢獲得最新值；觸發(fā)服，一旦收集到的信息符合用戶確定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)執(zhí)行特定的用戶響應(yīng)；歸檔服務(wù)，在持續(xù)的數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)信息資源值，然后用戶可以查詢數(shù)據(jù)庫獲得歷史信息[4]。

圖1 WS-MDS中的信息流動(dòng)

2 基于MDS4的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

MDS4可以方便且準(zhǔn)確地描述網(wǎng)格的計(jì)算節(jié)點(diǎn)，如CPU速度和數(shù)量、存儲(chǔ)大小、磁盤空間、操作系統(tǒng)類型和版本等等，但它目前不能描述計(jì)算機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。MDS4也不能保持網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)性能屬性相關(guān)的信息[5]。

給出的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)模型，把光網(wǎng)絡(luò)抽象為一種網(wǎng)格資源，用戶可以像調(diào)度應(yīng)用資源一樣調(diào)度網(wǎng)絡(luò)資源，如圖2所示。為了突出網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)作為可調(diào)度的網(wǎng)格資源，模型把遠(yuǎn)程應(yīng)用資源都抽象為計(jì)算機(jī)（host），同時(shí)忽略交換機(jī)或路由器。

圖2 網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型

這個(gè)模型把網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了分組，每一個(gè)子網(wǎng)內(nèi)的計(jì)算機(jī)具有大致相同的通信性能。模型中有一個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn)：“根節(jié)點(diǎn)”——Grid B。這個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn)列出了所有屬于該網(wǎng)格的子網(wǎng)絡(luò)——“myrinet”、“internet”、“gigabit”。這個(gè)“根節(jié)點(diǎn)”沒有雙親，它所有的孩子都是獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)組。圖中的葉節(jié)點(diǎn)對應(yīng)于網(wǎng)格中的計(jì)算機(jī)資源，這些葉節(jié)點(diǎn)有一個(gè)或多個(gè)雙親但沒有孩子。

用XML保存數(shù)據(jù)。在XML描述符中，雙親有指向他們孩子的指針。程序閱讀并解析 XML數(shù)據(jù)后維護(hù)一個(gè)雙向鏈接：從父網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)指向子網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的鏈接和從子網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)指向父網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的鏈接。這個(gè)雙向鏈接可發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)計(jì)算機(jī)是否相互通信并且如何相互通信（需要通過他們共同的父網(wǎng)絡(luò)分組），并可檢索屬于某一網(wǎng)絡(luò)分組的所有計(jì)算機(jī)（通過子網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)列表）。下面給出了Grid B的部分網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)資源信息。

其中，XML描述符中主要有2種元素：grid nodes和GIS references。grid nodes（網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)）代表可用Globus4 gatekeeper訪問的計(jì)算資源。Gatekeeper是位于遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上的一個(gè)進(jìn)程，主要負(fù)責(zé)處理任務(wù)分配請求。它具有單一的入口地點(diǎn)，在收到客戶(client)的任務(wù)分配請求以后，它將和客戶互相進(jìn)行安全認(rèn)證，若客戶通過認(rèn)證，則將被Gatekeeper映射到本地安全環(huán)境，同時(shí)，啟動(dòng)一個(gè)具有本地權(quán)限的任務(wù)管理器JobManager。GIS references（網(wǎng)格信息服務(wù)引用）是一種使用MDS4或HTTP獲得XML描述的方法。

使用該模型訪問網(wǎng)絡(luò)資源的方法及過程如下：

（1）網(wǎng)絡(luò)資源端

當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)作為資源加入 Grid B時(shí)，主動(dòng)向MDS4提交注冊信息（如：網(wǎng)絡(luò)帶寬、時(shí)延、損耗、父網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，等等）。并且，注冊具有生命周期，如果不定期更新的話就會(huì)超期。因此，MDS4中的聚合器會(huì)定期自我清理，當(dāng)過期網(wǎng)絡(luò)資源停止更新注冊時(shí)就會(huì)自動(dòng)消失。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)描述圖被映射進(jìn) MDS4：子網(wǎng)絡(luò)分組維護(hù)一個(gè)父節(jié)點(diǎn)列表，父網(wǎng)絡(luò)分組也維護(hù)一個(gè)子節(jié)點(diǎn)的列表。MDS4也提供將子節(jié)點(diǎn)注冊到父節(jié)點(diǎn)，其命令行程序如下：只需要給MDS4增加一個(gè)簡單的信息提供腳本，從而通過閱讀已經(jīng)存在的MDS4配置文件找出父節(jié)點(diǎn)的列表，其命令行程序如下：

（2）聚合器服務(wù)端

MDS4中的Index Service周期性更新索引信息，將網(wǎng)絡(luò)資源的最新信息保存下來，并可供用戶進(jìn)行Xpath查詢。

MDS4中的Trigger Service會(huì)根據(jù)用戶作業(yè)的要求，以及遠(yuǎn)程應(yīng)用資源映射到本地所需帶寬的大小、時(shí)延等性能選擇最佳的網(wǎng)絡(luò)資源，從而用戶選擇該最佳網(wǎng)絡(luò)資源傳輸作業(yè)。

MDS4中的Archive Service將用戶選擇的網(wǎng)絡(luò)資源實(shí)時(shí)保存下來，以供用戶查詢網(wǎng)絡(luò)資源相關(guān)的歷史信息。

3 結(jié)語

網(wǎng)格真正有效地使用依賴于對網(wǎng)格資源的有效應(yīng)用部署。一個(gè)主要的困難來自于計(jì)算節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)資源的異構(gòu)性。而計(jì)算節(jié)點(diǎn)相對好掌握，但網(wǎng)格的網(wǎng)絡(luò)描述還不適合用于網(wǎng)格部署應(yīng)用的約束條件。接下來的工作是要設(shè)計(jì)出基于資源組件的自動(dòng)部署的模型，把網(wǎng)絡(luò)資源和普通應(yīng)用資源作為對等資源，真正實(shí)現(xiàn)像電網(wǎng)一樣的光子網(wǎng)格。

[1] 劉冬梅. 光子網(wǎng)格中資源管理及數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 北京：北京郵電大學(xué). 2007.

[2] 藍(lán)茜英，林剛. 光分組交換網(wǎng)絡(luò)中時(shí)隙波長交織網(wǎng)研究[J]. 通信技術(shù),2010,43(09):1.

[3] SOTOMAYOR B,CHILDERS L. Globus Toolkit4: Java網(wǎng)格服務(wù)編程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[4] 向穗華. 基于MDS4的網(wǎng)格資源及任務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].泉州師范學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué), 2008, 26(04):1-2.

[5] Lacour S, Christian P, Priol T. A Network Topology Description Model for Grid Application Deployment[M]. USA:IEEE, 2004.