网格服务可管理性模型及策略研究

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1、网格服务可管理性模型及策略研究网格服务可管理性模型及策略研究摘摘 要：要：随着网格技术和应用的不断发展，一些关键领域或业务应用场景要求网格系统提供更好 的服务质量(QoS)，而具有较高可管理性的服务管理策略可以在提供较高服务质量的同时减小系统 的开销。本文提出了网格服务的干扰和可管理性的形式化描述及量化计算方法，并建立了描述干扰 发生过程的网格系统随机 Petri 网(SPN)模型。之后本文对服务管理策略进行了分类研究，并根据 SPN 模型的仿真计算结果，对各类策略对网格服务的干扰情况的影响，以及对网格服务可管理性的 量化评价结果进行了比较和分析，为具有高可管理性的策略的设计提供依据。关键词关

2、键词: 网格服务; 可管理性; 干扰; 服务管理; 随机Petri网 中图法分类号中图法分类号:TNTP391. 7Research on Manageability of Grid Service Model Method and Management StrategiesAbstract With the development of Grid technology and Grid application, higher requirements are imposed on the efficiency and quality of the grid system. And the s

3、ervice management is a necessary method to improve quality of service (QoS). In this paper, the definition and formalized description of Grid service churn and manageability are proposed. And a stochastic Petri net (SPN) model is upbuilt to describe the process of Grid service with churns. On the ot

4、her hand, service management strategies are classified and researched. According to the computing results of SPN model, the influences of these strategies to churn and the quantifying results of manageability are analyzed. This paper can provide the reference to actual application.Key words Grid ser

5、vice; manageability; churn; service management; Stochastic Petri Net (SPN) 1 引言引言网格计算1现在已不再仅仅局限于科学研究， 工业界与学术界联盟正致力于使网格计算在更广 泛的领域得到推广和应用。网格计算的一个重要 特征就是在互联网环境下的资源共享与协同问题 求解，十年来经历了从面向计算到计算与服务相 融合的发展过程，面向服务的开放网格体系结构 已成为网格技术发展的重要趋势。通过网格服务2， 网格系统可以完成各种的用户请求，随着网格技 术和应用的不断发展，一些关键领域或业务应用 场景，如实时数据计算及传输、多媒体展现等

6、都 对网格的服务质量(quality of service，QoS)3提出 了更高的要求，有效的服务管理是提高网格服务 质量的必要手段。但是，由于网格资源的动态性和自治性，网格节点会动态的加入或撤出网格系 统；同时，网格资源的异构性和广域分布等特性， 使得网络传输过程中，以及任务执行过程中网格 节点或子节点都有可能遭受故障或操作事故等意 外的影响，我们把这些影响称作对网格服务可管 理性的干扰4，它的存在导致了整个网格系统的管 理复杂度的增加。因此,有必要对这个问题进行深 入的研究，而目前对网格服务可管理性的研究较 少，且大多集中在定性上，缺乏对网格服务管理 策略进行定量分析的有效理论和方法。同

7、时，在 管理策略的设计中也缺乏对可管理性因素的考虑， 使得虽然在某些策略作用下，网格系统能够提供 一定服务质量的服务，但却可能花费较大的代价。随机Petri网(stochastic Petri nets, SPN)5是图形 的、数学的模型和分析工具，它已广泛地应用于计算机科学、网络管理与控制建模，以及系统性 能评价等领域之中，并已充分显示了它的有效性， 它的并发、资源共享描述特性很适合对网格系统 建模和资源管理策略研究6。 针对上述问题，在前期工作的基础上，我们提 出网格服务可管理性的概念和形式化描述方法， 并通过建立基于随机Petri网的网格服务模型，对网 格服务管理策略进行量化分析比较，研

8、究如何在 任务分配前以及干扰发生后，通过选择合适的节 点，来提高网格服务的可管理性。 本文第2节介绍相关工作，同时进一步阐明本 文与相关工作的差异和深入研究的意义；第3节提 出网格服务可管理性的概念，及其形式化描述方 法；第4节研究网格服务的随机Petri网模型，为管 理策略的量化分析，以及网格服务可管理性的计 算提供基础；第5节对各种管理策略的特点进行分 类研究，并进行SPN模型的仿真计算；第6节分析 各种管理策略在不同的环境和条件下的特点，及 其对网格服务可管理性的影响；第7节总结全文， 并展望下一步的研究工作。2 相关工作相关工作目前，网格环境下的服务管理研究刚刚起步， 已有的管理策略大

9、都是基于传统的分布式系统提 出的。文献7在多管理域的大规模网络计算系统 中引入了QoS驱动的管理策略，利用效用函数量化 服务质量等级，提出作业级动态调度算法来优化 性能和完成时间。文献8提出了一种基于网格服 务工作流模型的容错管理策略，该策略在任务级 和工作流级上对应用错误进行处理，但其对错误 的检测是基于静态心跳机制的，不能较好地满足 网格系统的动态性，且可扩展性较差；文献9通 过改进传统的Min-Min调度启发式，提出了一个自 适应的，性能驱动的Min-Min启发式算法。同样， 文献10以平均响应时间作为性能要求，提出以 Sufferage为基算法的算法，此算法性能在期望完成 时间和平均响

10、应时间方面显著优于Max-Min等算法。 文献11提出的策略中通过对服务失效数据的分析， 来选择一个性能最佳的计算节点来执行服务。这 些服务管理策略大多以系统性能或服务质量为设 计目标，在一定程度上忽略服务本身的可管理程 度。文献12提出了管理质量的概念认为服务的可 管理程度应该和服务质量一样是可以度量的。文 献131415从不同角度对服务可管理性进行了 描述，但都缺乏针对网格特点的服务管理模型。 本文将重点研究网格环境下服务可管理性的形式化定义，并通过描述干扰事件发生过程的网格系 统SPN模型，研究各种典型服务管理策略的可管理 性的情况。3 网格服务可管理性网格服务可管理性为了探讨网格服务可

11、管理性的问题，必须首先 对可管理性的研究范畴进行界定，进而研究影响 网格服务可管理性的因素。现有文献对可管理性 并没有给出精确的定义，但是这个术语经常作为 系统设计思想。研究网格服务的可管理性，首先 要研究网格服务状态和网格资源的特性。在不同 的环境下网格服务状态繁多，对可管理性的研究， 就是从管理角度来描述服务操作的可管理程度。 网格的功能要通过网格服务的形式来具体实现， 而具体的操作就是网格系统与其外部环境间的作 用，它可以由输入、输出向量来描述，输入、输 出向量则由一定的信息流量来表示。网格资源管 理系统从其环境中所获得的信息流量的总和，构 成该系统的输入向量；网格服务的结果又体现为 转

12、向其环境的网格信息流量，这些流量的总和构 成该系统的输出向量。在完全可管理的网格系统 中，确定的输入向量一定对应着确定的输出向量。 但由于现实环境中存在网格节点的动态性，以及 开放的网格系统更易受到故障、事故以及安全事 件等的内外因素的干扰，故通常的网格服务的结 果都会带有一定的不确定性。通过上面的分析， 我们给出网格服务可管理性的定义如下： 定义定义 1 网格服务可管理性：指在网格节点受到内外干扰的情况下，网格系统为用户提供服务的过程及结果可以预期的程度。分析网格服务的可管理性，并进行量化评估， 首先，需要对整个网格服务状态的变化情况进行 形式化的描述。 假设在任意时刻，网格系统中有n个节点

13、，且 每一个节点存在有效和失效两种状态，其中那些 处于有效状态的节点既可能是正在被使用，也可 能是处于可用状态等待被使用。节点按照某种过 程失效和恢复。我们称一个节点处于有效状态的 平均时间为该节点的服务周期。在任意时刻，网 格资源管理系统可以选择添加节点或者从正在使 用的节点中删除节点，使节点从有效状态变成使 用或者退出的状态。处于使用状态的节点目标数 量满足，k=n，0j） ， 是采用策略 V 时，在 t2时刻使用序列中的节点。 策略 W 通过删除节点使用序列 i 中 j 到 l 之间 的所有节点，在时间t1, t2)内只保留节点 vij。 这两个策略只在t1, t2)时间内有所不同，则策

14、 略 V 中至少要产生一次迁移的干扰，而此时策 略 W 中最多只发生一次失效。 (2) 节点 vij在时间t1, t2)内一次被使用。如果在节 点 vij使用序列 i 中再次被使用，则我们只需要 从策略 W 的节点使用序列中删除受到干扰的 节点。否则，如果它被其它节点序列 l 所使用，则我们变换节点使用序列如下：序列 i 保留 vij 直到它失效，然后从时间 t2往前参照序列 l 的 选择。序列 l 根据序列 i 前面的选择进行选择。 很明显，如此构建策略 W 只能够减少失效和 再次选择总的次数。重复上述过程，定理得证。服务迁移的发生虽然对服务过程带来了一定的 干扰，但由于同时也提高了服务的性

15、能，从而影 响着服务状态的变化。即虽然使得公式(1)中的 C 有所增长，但同时减少了 对可管理性的影响。4 网格服务模型网格服务模型目前，尚没有针对网格服务可管理性的模型和评价理论，对网格服务特性的定量分析需要建立相应的数学模型。这里的数学模型可以是运用运筹学、随机理论等数学的方法和技术建立的模型，主要用于定量地描述网格系统的有关动态和静态的过程，对网格服务进行定量的分析和数值计算。具体可分为确定模型和随机模型等。排队模型是一种确定性的数学模型，它是很好的网络建模工具，其确定性表现在：队列根据到达先后确定排队先后；服务器的服务策略是预先确定的；信源分布也是事先确定的。这里的服务器可以用来描述网

16、格系统中的某个独立功能的节点，如：终端、链路或网格节点，也可以是某层的网络协议，而队列刻画的是网络系统中待处理的对象的序列关系。随机模型是以随机过程为基础、主要包括马尔可夫回报模型、随机进程代数、以及随机Petri 网等，这些基于状态的随机方法更容易对网格系统状态进行全面有效的描述，精确刻画网格系统随机行为以及节点之间的相互关系，便于计算各种分析指标。网格事件的发生时间一般可设为随机变量，网格服务行为具有随机性的特点；同时，网格节点间的相互作用又具有很强的相关性，系统行为具有既随机又相关的特点，对网格服务可管理性的建模和分析要综合考这些特性。因此，在研究网格服务的可管理性模型方法时还应该考虑网格系统的结构模型，既要刻画网格系统的物理实体和逻辑实体的操作，还要刻画网格的具体结构以及节点之间的关系。研究可管理性，要充分研究各种方法的特点，以及分析网格服务可管理性评价的需要。随机Petri 网模型既与马尔可夫过程同构的特性，便于数学求解；又有图形化描述系统结构的特点。而直接使用马尔可夫模型，却很难对马尔可夫模型进行