摘   要： 利用Spaces模型的時間和空間透明性，將Spaces用作網(wǎng)格計算中共享數(shù)據(jù)和分配任務(wù)的“黑板”，設(shè)計了一個基于Spaces的網(wǎng)格計算構(gòu)架——GCFS，為網(wǎng)格計算的框架設(shè)計提供了一種新方法。
關(guān)鍵詞： 網(wǎng)格計算  異步通信  Spaces模型  Master-Worker模型

　　隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)格計算作為一種新型的分布式技術(shù)，提供了集成的計算與資源環(huán)境，在提高資源利用率方面起到越來越重要的作用。但在分布式系統(tǒng)中，進(jìn)程間的通信、事件同步是必須解決的問題。目前出現(xiàn)了眾多的解決方法，具有代表性的有RMI、CORBA、Web Service等分布式計算模型。由于這些方法在解決問題時的抽象層次不一樣，所以對系統(tǒng)的開銷、可擴展性、跨平臺性以及易實現(xiàn)性等方面的影響程度也不一樣。
　　耶魯大學(xué)的David Gelernter在Linda系統(tǒng)中提出了元組空間（Tuple Space）的思想。該系統(tǒng)的初衷是利用Spaces為并行計算提供全局的通信緩存。由于Spaces模型簡單且能較好地協(xié)調(diào)進(jìn)程間的同步，因此，可將它作為另一種抽象的分布式計算模型應(yīng)用于當(dāng)前的各種分布式計算領(lǐng)域。T Spaces、JavaSpaces作為由Tuple Space模型發(fā)展起來的通用分布式中間件，已被應(yīng)用到很多分布式計算中。但在實際應(yīng)用中，它們的一些功能是不必要的，且容易引起性能效率的降低。網(wǎng)格計算中一個很重要的性能是可將位于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的多種資源整合為虛擬的統(tǒng)一視圖，由不同的應(yīng)用動態(tài)地共享。本文把Spaces用作網(wǎng)格計算中共享數(shù)據(jù)和分配任務(wù)的“黑板”，通過動態(tài)地創(chuàng)建或取消Spaces服務(wù)來適應(yīng)網(wǎng)格計算環(huán)境的變化并設(shè)計了具有良好可伸縮性的GCFS（Grid Computing Framework with Spaces）框架。
1  Spaces模型
　　分布式應(yīng)用中的通信通常有兩種。一種是異步通信，指不同進(jìn)程間的消息傳遞；另一種是同步通信，指遠(yuǎn)程過程的調(diào)用。Spaces擴展了進(jìn)程間異步通信的模型，應(yīng)用的參與者集中在一個或多個Spaces中，資源提供者將信息放到Spaces，訂閱該資源的請求者可從Spaces訪問到這些信息，也就是說Spaces為網(wǎng)絡(luò)資源的提供者和請求者的相互協(xié)作提供了共同的虛擬空間。圖1為Spaces模型，它體現(xiàn)了Spaces的以下特點：

　　(1)具有分布式應(yīng)用的四個最基本操作：讀、寫、取、通知。
　　(2)計算機間的進(jìn)程通信是間接的，并不需要預(yù)先知道其他進(jìn)程的情況，直接和Spaces進(jìn)行信息交互即可。與多個點對點通信的方式相反，所有的計算機都能通過Spaces看到相同的全局消息。
　　(3)具有持久性，即使創(chuàng)建消息的進(jìn)程不再存在，它們所生成的消息也仍然可以保留。
　　(4)作為允許N個進(jìn)程同時進(jìn)行協(xié)作通信的公共中介，Spaces以一種自然的方式實現(xiàn)了分布式計算的可擴展性。新進(jìn)程的加入和離開不需分別通知其他進(jìn)程，只需由對應(yīng)的Spaces進(jìn)行管理。
　　根據(jù)上述特點，可把Space定義為一個可通過網(wǎng)絡(luò)訪問并提供協(xié)作異步通信服務(wù)的共享消息庫。與RMI、CORBA、Web Service等進(jìn)程間直接通信的計算模型不同，在Spaces模型中，進(jìn)程間的協(xié)作交互是通過在一個或多個Spaces中交換消息來實現(xiàn)的。Spaces模型具有異步性，對Spaces內(nèi)的信息操作具有時間和空間的透明性。該特性能有效地解決分布式系統(tǒng)設(shè)計中所遇到的局部失敗、平臺獨立性、系統(tǒng)間難以相互發(fā)現(xiàn)等問題，從而減低了開發(fā)分布式應(yīng)用程序的難度。
　　盡管Spaces能夠存儲各種消息，支持在應(yīng)用間共享消息，但它們并不是分布式文件系統(tǒng)或者數(shù)據(jù)庫。Spaces側(cè)重于利用消息來協(xié)調(diào)分布式計算，而分布式文件系統(tǒng)側(cè)重于對信息進(jìn)行存儲管理。由于兩者的應(yīng)用目的不同，所以使用方式也有很大差別。例如，在文件系統(tǒng)中，通過命名對先前存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，用惟一的名字來標(biāo)識文件，并通過文件的名字或內(nèi)容來查找文件。而Spaces是邏輯共享內(nèi)存模型，與常規(guī)的共享內(nèi)存模式不同，它與值關(guān)聯(lián)，但沒有地址，可通過模板進(jìn)行匹配查找。消息的名字、類型、內(nèi)容以及消息間的關(guān)系等都可以作為查找條件。
2  GCFS的設(shè)計
2.1 體系結(jié)構(gòu)
　　GCFS是利用Spaces的異步性來創(chuàng)建一個靈活且具有可擴展性的網(wǎng)格計算框架。圖2所示的體系結(jié)構(gòu)包含了六個主要構(gòu)件，分別是：Space管理器、任務(wù)管理器、任務(wù)調(diào)度器、Space服務(wù)、負(fù)責(zé)通信的Agent以及網(wǎng)格應(yīng)用程序。

　　Space管理器本身也是由Spaces模型建立起來的，它的主要功能是負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)中的各個Space服務(wù)。Space管理器通過所掌握的參與網(wǎng)格計算的所有計算機的信息，動態(tài)地創(chuàng)建或者撤銷Space服務(wù)，即系統(tǒng)中的Space服務(wù)能夠隨著計算環(huán)境的變化而動態(tài)變化。例如，在網(wǎng)格搭建的初期，A地參與的計算機數(shù)量較少，可以通過位于B地的Space服務(wù)為A地的計算機提供任務(wù)分配服務(wù)。但隨著A地越來越多的計算機參與該網(wǎng)格平臺，Space管理器將采用評估算法判斷是否有必要專門在A地建立一個Space服務(wù)，從而減少兩地之間的通信開銷。相反，如果A地網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量減少到一定程度，為了減輕Space管理器的管理成本，Space管理器也會評估是否有必要撤銷A地的Space服務(wù)，并將A地的計算機重新引導(dǎo)到相鄰地區(qū)的Space服務(wù)中。
　　在Space管理器中的任務(wù)管理器將任務(wù)劃給各個Space服務(wù)。相應(yīng)地，Space服務(wù)的任務(wù)調(diào)度器負(fù)責(zé)將任務(wù)分配給合適的網(wǎng)格節(jié)點執(zhí)行。Space服務(wù)為網(wǎng)格節(jié)點提供信息的公共存儲和共享服務(wù)，在GCFS中起到了連接網(wǎng)格節(jié)點和待處理任務(wù)的中間橋梁作用。一個Space服務(wù)可以管理多個網(wǎng)格節(jié)點，但每個網(wǎng)格節(jié)點只接受一個Space服務(wù)管理。此外，GCFS框架具有良好的負(fù)載均衡性，參與計算機首先連接平臺的Space管理器，Space管理器根據(jù)當(dāng)前各個Space服務(wù)的負(fù)載、計算機的處理能力以及地理位置等情況，將計算機引導(dǎo)到相應(yīng)的Space服務(wù)。如果某個Space服務(wù)出錯或者出現(xiàn)過載，Space管理器會根據(jù)調(diào)度算法重新將該服務(wù)區(qū)域中的網(wǎng)格節(jié)點切換到其他的Space服務(wù)。
　　圖3描述了將GCFS應(yīng)用于Master-Worker模式的方法示例。一個位于A地的Master（同時作為Space管理器）通過任務(wù)管理器劃分多個任務(wù)到各個Space服務(wù)。位于各地的Worker通過Space管理器訪問相應(yīng)的Space服務(wù)，從中獲取任務(wù)進(jìn)行計算并將計算結(jié)果返回Space服務(wù)。Master從各個Space服務(wù)中收集返回的結(jié)果進(jìn)行匯總分析。圖3中用虛線圈出的Space是虛擬的，由位于各地的多個Space服務(wù)構(gòu)成，它們可以被動態(tài)地創(chuàng)建或撤銷。位于各地的Worker看到的是一個虛擬統(tǒng)一的Space，其中真實存在的Space服務(wù)的變動對Workers來說是透明的。

2.2 實現(xiàn)方法
　　由于Java語言具有良好的跨平臺性和可移植性，因此GCFS的實現(xiàn)采用Java語言。本節(jié)重點討論GCFS的主要類設(shè)計，其類結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　Computer類負(fù)責(zé)管理參與網(wǎng)格的計算機基本信息。這些基本信息主要包括計算機的所在位置、計算機名、用戶、IP地址、CPU處理能力、內(nèi)存大小、硬盤空間、操作系統(tǒng)版本、網(wǎng)絡(luò)連接情況以及開始參與系統(tǒng)的時間等。evaluateComputer方法根據(jù)計算機的屬性評估其性能指標(biāo)，為Space-
Manager類的evaluateSpace方法提供算法判斷依據(jù)，使Space管理器能夠選擇計算能力強的計算機提供Space服務(wù)。同時，任務(wù)管理器和任務(wù)調(diào)度器也能夠根據(jù)計算機的性能情況分配合適的任務(wù)給各個網(wǎng)格節(jié)點進(jìn)行處理。
　　SpaceManager類用于管理網(wǎng)格中的Space服務(wù)，包括Space服務(wù)的動態(tài)創(chuàng)建、撤銷和監(jiān)控。evaluatedSpace方法的作用是評估在某個網(wǎng)格節(jié)點上創(chuàng)建或者撤銷一個Space服務(wù)的必要性。該方法首先要判斷網(wǎng)格中是否需要創(chuàng)建新的或者撤銷一個已有的Space服務(wù)，然后再選擇應(yīng)該在哪個網(wǎng)格節(jié)點上執(zhí)行新建或者撤銷的操作。
　　TaskManager類管理網(wǎng)格中的任務(wù)，決定如何進(jìn)行任務(wù)劃分和分配。assignTask方法利用智能任務(wù)調(diào)度算法，根據(jù)各個Space的當(dāng)前負(fù)載情況，決定在何時將何任務(wù)分配給何Space服務(wù)。
　　Space類用于提供Space服務(wù)。在本框架中，Space服務(wù)的主要作用是為任務(wù)提供管理服務(wù)，網(wǎng)格節(jié)點能夠從Space服務(wù)中獲取任務(wù)。該類提供了read、write、take、inform等基本方法操作存放在Space服務(wù)中的系統(tǒng)信息和任務(wù)。
　　TaskScheduler類對在Space服務(wù)中的任務(wù)進(jìn)行調(diào)度。它的scheduleTask方法與TaskManager類的assignTask方法功能類似，都是將任務(wù)分配給合適的資源，其差別為二者分配的資源對象不同。scheduleTask是將在Space服務(wù)中的任務(wù)分配給該服務(wù)轄下的網(wǎng)格節(jié)點。
　　Task類表示子任務(wù)的信息，starttime屬性表示任務(wù)的開始時間，estimatedinterval屬性表示預(yù)計要處理的時間。這兩個屬性用于容錯，如果當(dāng)前時間超出了starttime+k×estimatedinterval(其中k是一個經(jīng)驗值)，任務(wù)調(diào)度器就會通知Space服務(wù)，要求其檢查負(fù)責(zé)該任務(wù)的網(wǎng)格節(jié)點是否出現(xiàn)故障。taskobject屬性包含了任務(wù)的可執(zhí)行代碼，當(dāng)網(wǎng)格節(jié)點從Space服務(wù)獲得一個Task實例后，taskobject會自動地下載到節(jié)點上執(zhí)行，并將計算結(jié)果返回給Space服務(wù)。
　　ClientAgent類和ServerAgent類用于網(wǎng)格節(jié)點、Space服務(wù)和Space管理器之間的相互通信。connectServer、listentoServer等方法采用的是UDP通信協(xié)議。目前GCFS在安全方面的措施還較少，參與任務(wù)計算的網(wǎng)格節(jié)點不需驗證就可以直接連接到Space服務(wù)和Space管理器上，且網(wǎng)格節(jié)點對服務(wù)器傳送的數(shù)據(jù)也是信任的。
3  結(jié)束語
　　網(wǎng)格技術(shù)要對計算資源進(jìn)行“虛擬”組合，使得位于不同位置、具有不同硬件和操作系統(tǒng)的資源能夠協(xié)同工作。Spaces模型是一種非常抽象的分布式計算模型，可管理消息、資源和任務(wù)等信息。通過在網(wǎng)格中動態(tài)地創(chuàng)建Space服務(wù)，GCFS系統(tǒng)建立了一個輕量級的網(wǎng)格計算框架。為了提高3G無線網(wǎng)絡(luò)仿真的性能，該框架正被應(yīng)用于移動通信的3G仿真。該框架還存在著許多需要深入研究的問題，例如，如何使多個Spaces進(jìn)行相互協(xié)作，如何更好地增強Spaces在Internet中的安全性以及如何有效地對任務(wù)進(jìn)行分解和調(diào)度等。
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