張尚韜

摘要：通過對網(wǎng)格資源管理的概念，以及傳統(tǒng)的三種網(wǎng)格資源管理的模型的分析，深入研究最具代表性的基于市場機(jī)制的資源管理模型GRACE，從結(jié)構(gòu)和算法上深入分析討論了傳統(tǒng)模型的不足。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)格資源管理；市場機(jī)制；GRACE模型

中圖分類號：TP393.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）14-0273-03

Abstract： Through the analysis of the concept of grid resource management and the analysis of three traditional grid resource management models， the most representative resource management model GRACE based on market mechanism is deeply studied， and the shortcomings of traditional models are discussed from structure and algorithm.

Key words： grid resource management； market mechanism； GRACE model

網(wǎng)格從實(shí)際應(yīng)用的角度來看，是一個將計(jì)算和相關(guān)資源集合于一體的環(huán)境。首先，網(wǎng)格可以最大限度地吸收計(jì)算資源；接著，網(wǎng)格會對這些計(jì)算資源進(jìn)行轉(zhuǎn)變，使之成為便捷的、可依賴的、規(guī)范又經(jīng)濟(jì)的計(jì)算能力。

1 網(wǎng)格資源管理

網(wǎng)格從實(shí)質(zhì)上來說，是一個靜態(tài)上包含各類資源動態(tài)上進(jìn)行資源管理的平臺。如果要想讓這個平臺正常實(shí)現(xiàn)資源的組織、定位等功能，就必須要進(jìn)行合理的資源管理。通過資源管理，可以了解相關(guān)概念與管理的作用。一般情況下，系統(tǒng)管理員在參考有關(guān)規(guī)則的基礎(chǔ)上，使用相關(guān)軟件對資源進(jìn)行安排與規(guī)范使用。這樣做的目的是共享資源與協(xié)同工作。網(wǎng)格吸納的資源通常都是來源廣泛，屬于多充資源，所以在進(jìn)行網(wǎng)格管理時(shí)，資源管理系統(tǒng)起著決定性作用。在這些方面，目前存在問題的主要有授權(quán)、唯一驗(yàn)證、資源的發(fā)現(xiàn)、訪問和調(diào)度等。較為常見的網(wǎng)格資源是：存儲系統(tǒng)、分布式文件系統(tǒng)、處理能力等。站在用戶的角度來看，網(wǎng)格資源管理和傳統(tǒng)的分布式計(jì)算或集群計(jì)算環(huán)境下的資源管理系統(tǒng)存在很多相似之處，主要作用是：任務(wù)調(diào)度、作業(yè)管理與資源管理。但是，網(wǎng)格系統(tǒng)本身存在的一些特性，比如分布性，使之變得比傳統(tǒng)的資源管理要復(fù)雜一些。網(wǎng)格資源管理不但要實(shí)現(xiàn)不同組織、管理域的任務(wù)調(diào)度，隨時(shí)掌握資源或作業(yè)所處的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)局部的節(jié)點(diǎn)自治。所以在建立資源管理系統(tǒng)模型時(shí)，應(yīng)該要考慮網(wǎng)格的特殊性質(zhì)。此外，除了管理使用資源外，還要格外注意資源的生命周期。這包含資源的注冊、共享與注銷。網(wǎng)格資源的生命周期描述如下圖1所示：

1） 網(wǎng)格資源向本身管理器注冊賬號；

2） 資源管理器將有關(guān)注冊信息寫入數(shù)據(jù)庫；

3） 用戶申請資源時(shí)，可向資源管理器提出請求；

4） 資源管理器搜索數(shù)據(jù)庫，獲得相關(guān)信息；

5） 資源管理器將信息傳達(dá)給用戶；

6） 用戶與資源實(shí)現(xiàn)直接交互。

如果需要刪除網(wǎng)格上的資源，可以向資源管理器申請注銷，管理器處理后就會刪除所有相關(guān)的信息，那么這個資源的生命周期就到此為止了。

2 網(wǎng)格資源管理模型

網(wǎng)格的主要組成部分就是來自各種渠道的資源的集合，在管理這些資源時(shí)，可以采用很多適應(yīng)資源本身特點(diǎn)的管理模型。由于網(wǎng)格環(huán)境的特殊性，現(xiàn)主要適合網(wǎng)格的是：

1）分層模型[1]

該模型的提出是在GGF（Global Grid Forum）第二次會議上。分層模型已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，由于其與其他模型的兼容性比較強(qiáng)，大多數(shù)網(wǎng)格系統(tǒng)都采用分層模型。主要采用的方法是自上而下地將系統(tǒng)分成很多層，以更加便利地實(shí)現(xiàn)資源管理的功能。

2）抽象所有者模型[1]

網(wǎng)格資源在投入使用時(shí)，用戶對于網(wǎng)格的擁有者的關(guān)注度較小，用戶更為關(guān)心的是資源的使用規(guī)范、資格以及是否需要付費(fèi)等。而在實(shí)際網(wǎng)格資源使用過程中，該模型在表示每個資源時(shí)，就使用抽象所有者進(jìn)行表示，使用資源的用戶和資源所有者之間可以通過某種合同關(guān)系或者對話來進(jìn)行資源的傳輸。這個資源使用的過程類似于購物模式，用戶相當(dāng)于顧客，而資源的抽象所有者相當(dāng)于商家。用戶要申請一個資源的使用權(quán)時(shí)，需要向抽象所有者提出請求，而后兩者需要進(jìn)行協(xié)商，比如資源的使用時(shí)間、使用費(fèi)用等。只有兩者在協(xié)商無誤的情況下，抽象所有者才將資源從實(shí)現(xiàn)制定好的窗口傳遞給用戶。這個模式類似于網(wǎng)絡(luò)中的“握手”，但目前僅僅是一個理論模型，由于實(shí)際應(yīng)用中技術(shù)存在的各種缺陷以及保密等，還需要解決匹配等問題。因此，實(shí)際中使用抽象者模型的項(xiàng)目還很少，但這個模式為創(chuàng)建新模式提供了新思路，有利于網(wǎng)格資源管理趨于規(guī)劃化和合理化。該模型與網(wǎng)絡(luò)中很多協(xié)議中的假設(shè)類似，在管理模型中占很重要的地位。

3）計(jì)算經(jīng)濟(jì)模型[1]

該模型是上兩種模型的組合，充分使用了它們的核心思想，也就是明確合理分層的同時(shí)，注重經(jīng)濟(jì)因素在資源的分配過程中的應(yīng)用，最典型的特征就是計(jì)算經(jīng)濟(jì)。這個模型最大的特點(diǎn)就是將經(jīng)濟(jì)的思想融入實(shí)際的網(wǎng)格資源管理，這樣就可以使用經(jīng)濟(jì)市場的相關(guān)規(guī)律，以雙方利益為主體來考慮資源的分配。從本質(zhì)上來講，計(jì)算經(jīng)濟(jì)模型實(shí)現(xiàn)了上面兩張模型的目標(biāo)，還創(chuàng)新地考慮到經(jīng)濟(jì)這一因素。由于實(shí)際生活中，網(wǎng)格資源管理不但具有特殊性，還具有一定的復(fù)雜性并隨著網(wǎng)格規(guī)模的增大，復(fù)雜性也變大。所以資源管理系統(tǒng)一般都采用模型的混合模式，結(jié)合各個模型的精華，當(dāng)然，也體現(xiàn)了各個融合模型的基本特點(diǎn)。

3 基于市場機(jī)制的傳統(tǒng)網(wǎng)格資源管理模型

由于實(shí)際中網(wǎng)格資源管理使用的是混合模型，因此以基于經(jīng)濟(jì)的管理模型為例進(jìn)行分析。經(jīng)濟(jì)具體化可以是市場機(jī)制，而市場機(jī)制需要以利益為基本條件。對于資源涉及的兩方，一般會考慮資源所有者的利益，使其得到的利益最大化，進(jìn)而更多投資資源，降低用戶的使用費(fèi)用。此外，還應(yīng)該意識到網(wǎng)格環(huán)境對于資源分配的影響，需要對之報(bào)以動態(tài)發(fā)展的眼光。系統(tǒng)能提供合適的工具與服務(wù)來表示新的供求關(guān)系。例如，需要統(tǒng)計(jì)用戶對資源的量的要求和價(jià)格要求以及資源所有者所能提供的最大資源服務(wù)和最低價(jià)格。所以，Rajkumar Buyya提出了基于市場機(jī)制的網(wǎng)格資源分配基本體系結(jié)構(gòu)GRACE（Grid Architecture for Computational Economy）。[2]

3.1 GRACE資源管理模型介紹

GRACE中交易模塊構(gòu)成成分是：網(wǎng)格用戶（Grid User，GU）、資源代理（Resource Broker，RB）、網(wǎng)格服務(wù)提供商（Grid Service Provider，GSP）、網(wǎng)格市場目錄（Grid Market Director，GMD）。如圖2所示。該體系是基于計(jì)算經(jīng)濟(jì)方面最具有代表性的資源管理模型。

GRACE依賴于現(xiàn)有的網(wǎng)格中間件，如Globus[3]和Legion[3]。網(wǎng)格用戶跟他們各自的代理進(jìn)行通信，完成網(wǎng)格資源的搜索和使用。

Nimrod-G是GRACE模型的實(shí)現(xiàn)，主要使用的是貪婪算法，調(diào)度對象是計(jì)算網(wǎng)格的參數(shù)掃描應(yīng)用（Parameter Sweep Application）。網(wǎng)格模擬器Gridsim對Nimrod-G模型進(jìn)行了模擬，是研究GRACE和Nimrod-G的好工具。

3.2 GRACE模型調(diào)度算法（Nimrod-G）分析

調(diào)出GridSim的設(shè)計(jì)文檔與源碼，可以看到：使用貪婪算法的過程中，并沒有實(shí)時(shí)考慮資源的使用情況，也就是調(diào)度算法具有一定的危險(xiǎn)性，可能導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰，因?yàn)橹贿M(jìn)行靜態(tài)分配，那對于各個資管的運(yùn)行結(jié)果將一樣。而且，GSP規(guī)定了一個資源在一個時(shí)間點(diǎn)上最多為一名使用者執(zhí)行1個進(jìn)程，但對于同一資源來說，并沒有規(guī)定不能同時(shí)運(yùn)行多個進(jìn)程，這樣造成的后果是導(dǎo)致系統(tǒng)對不同使用者提交的請求都會進(jìn)行處理，有可能使某些網(wǎng)格資源進(jìn)入超負(fù)荷狀態(tài)。

Nimrod-G調(diào)度算法相比上一個算法，是個動態(tài)算法。在資源發(fā)現(xiàn)的過程中，資源代理會了解實(shí)時(shí)信息，該實(shí)時(shí)動態(tài)信息包含了資源從第一次使用到目前所有的使用情況，用平均總體負(fù)荷這一指標(biāo)表示出來。然而這個信息不是全面的，具有一定的限制性：

1） 站在作業(yè)的角度來看，資源發(fā)現(xiàn)運(yùn)行僅一次，而資源代理沒辦法獲得資源的實(shí)時(shí)信息；

2） 對于資源來說，之前的“經(jīng)驗(yàn)”有時(shí)候?qū)τ诂F(xiàn)在不但沒有正面作用，反而不利于系統(tǒng)判斷。

總的來說，資源代理在對資源進(jìn)行判斷時(shí)，應(yīng)該使用科學(xué)的統(tǒng)計(jì)方法對任務(wù)情況進(jìn)行全面分析，考慮各方面因素，才能做出比較有價(jià)值的參考。在資源與用戶請求處于均衡的狀態(tài)下，這些參考是很有價(jià)值的。但是，一旦脫離了這個大前提，比如用戶請求不規(guī)律、資源進(jìn)出不平衡等情況下，這些信息就相當(dāng)于概率統(tǒng)計(jì)學(xué)中那幾百甚至幾萬分之一的可能，不具備參考性。

3.3 GRACE資源管理模型局限性分析

GRACE模型結(jié)合了市場規(guī)律對資源進(jìn)行合理分配和管理，能在一定程度上迎合用戶的口味。但任何模型都不是完美的，它也存在一定的缺陷。主要分為以下幾點(diǎn)：

1） 從模型自身結(jié)構(gòu)組件分析

首先，GRACE模型僅由網(wǎng)格用戶（GU）、資源代理（RB）、網(wǎng)格服務(wù)提供商（GSP）、網(wǎng)格市場目錄（GMD）組成，不能及時(shí)掌握更多實(shí)時(shí)信息，使其功能受到一定限制。在實(shí)踐中，網(wǎng)格資源的使用者存在性質(zhì)差別（政府，福利機(jī)構(gòu)，普通用戶等），而GRACE模型將所有的參與者都視為平等，與實(shí)際應(yīng)用的情況是不符合的。另外，在實(shí)際網(wǎng)格功能應(yīng)用中，存在某個資源提供者在任務(wù)執(zhí)行過程中突然退出的緊急情況等，如何處理該類問題也沒有在GRACE模型中得到體現(xiàn)。

其次，在該模型中，用戶的資源代理Resource Broker實(shí)際上還是用戶，這就讓代理與商業(yè)中的代理概念變成了兩個概念。資源代理的權(quán)限很小，只是比沒有代理更加方面管理，并沒有實(shí)質(zhì)的存儲資源的改變。因此，所謂的資源貿(mào)易實(shí)質(zhì)上貿(mào)易雙方?jīng)]有身份上的不同，不是管理資源的商業(yè)模式。這個模型實(shí)現(xiàn)了以貨幣為媒介的資源交換，即簡單的商品傳輸。

2） 從模型的調(diào)度算法分析

針對實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的問題，對調(diào)度算法的邏輯和GSP處理過程進(jìn)行了深入分析。得出造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果不如意的原因如下：

（1） 調(diào)度算法沒有感知網(wǎng)格資源的變化。針對GRACE模型沒法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息的監(jiān)視與反饋，使得在使用這個模型時(shí)，不能設(shè)計(jì)出算法解決Nimrod-G算法存在的問題。原因如下：

在GRACE模型中，資源分配涉及的僅僅是RB、GMD與GSP。如果要管理動態(tài)資源，只能在RB與GSP較少時(shí)使用，因?yàn)橐坏┻@兩者比較多，會有越來越多作業(yè)需要分配資源，GSP可以接收的作業(yè)數(shù)變得很有限，一旦達(dá)到上限，就會拒絕相關(guān)資源請求。這時(shí)GSP將不會公布資源使用狀態(tài)，RB就無法感知網(wǎng)格資源的實(shí)時(shí)變化。如果GSP將資源信息動態(tài)地更新GMD，則RB要與GMD頻繁進(jìn)行信息傳送。甚至還有一種可能是，當(dāng)一個RB發(fā)現(xiàn)一個合適的資源而向GSP發(fā)送請求時(shí)，可能會有很多RB也是這個狀態(tài)或者占有資源，而GSP拒絕該RB的請求。如果使用者的請求相似或者一致，RB將會更頻繁的訪問GMD，類似于操作系統(tǒng)的死鎖情況，后果就是會造成GMD成為系統(tǒng)的瓶頸。

（2） GSP提供的服務(wù)沒有QoS保證。如果要讓模型可以支持QoS服務(wù)，這就需要用戶的評價(jià)信息。為了全面支持服務(wù)，需要對每個作業(yè)都進(jìn)行評價(jià)的收集，但是用戶評價(jià)的變動很大，系統(tǒng)無法自動區(qū)分合理評價(jià)和惡意評價(jià)，所以服務(wù)評價(jià)應(yīng)交給系統(tǒng)采用一定的算法實(shí)施。在GRACE模型中，使用評價(jià)同樣存在GMD成為系統(tǒng)的瓶頸這個問題。因此，這兩個問題實(shí)質(zhì)上都是關(guān)于資源動態(tài)管理的問題。

4 總結(jié)

以上著重對典型性的基于市場機(jī)制的資源管理模型GRACE做了具體的研究和討論，對存在的問題進(jìn)行了分析，從結(jié)構(gòu)和算法上深入分析討論了傳統(tǒng)模型的不足。在今后的研究中將重點(diǎn)針對基于市場機(jī)制的資源管理模型GRACE提出新型的改進(jìn)模型。

參考文獻(xiàn)：

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