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１服务资源网格（TaoGrid0.5）（赵维2004-6）（金陵科技学院，南京）（ygzw@tom.com）目录第一章绪论………………………………………11.1研究背景与意义….……………………21.1.1相关研究背景1.1.2课题的目的和意义1.1.3课题的问题1.2论文结构第二章服务资源网格相关理论….………………32.1网格问题…………….………………….32.1.1网格概念与分歧2.1.2网格目的与意义2.1.3网格的基本要求2.2网格驱动力2.3网格特点………………………………...42.4网格体系结构2.5网格技术………………………………...52.6网格安全2.7网格技术发展趋势2.8TaoGrid的两大标准支撑技术………….62.8.1WebService标准2.8.2WS-ResourceFramework提议2.9现有网格理论与设计的不足2.10Tao网格的主要内容…………………72.11Tao网格的理论依据2.11.1“形”“神”论2.11.2Petri网论2.11.3TaoGrid分析……………….….8第三章网格基础设施及虚拟操作系统…….……103.1网格的基本软件架构3.1.1软件发展历史分析3.1.2网格发展技术分析…………….113.1.3网格体系结构的层次模型3.2网格基础设施GI及其连通性…….…123.3虚拟操作系统vgOS……………….…133.4网格应用举例………………………...143.5结论第四章网格设备个性化安全本地操作系统……154.1网格设备4.2rgOS构造……………………………….154.3网格设备操作系统rgOS的优点………164.4网格应用开发4.4.1软件过程新解4.4.2J*语言…………………………….174.5结论……………………………………...18第五章再析TaoGrid5.1网格的本质特征5.2网络服务、网格资源和网格应用5.2.1基本思想与概念5.2.2网格资源5.2.3共享……………………………….185.2.4网络服务………………………….195.2.5协作5.2.6网格应用5.3网格数据……………………………..…195.4零星讨论………………………………..20第六章网格数据的动态开放多副本管理6.1引言……………………………………..216.2DORM…………………………………..226.2.1DORM的逻辑结构6.2.2DORM机制理论及性质分析…...226.3DORM的副本定位…………………….246.3.1构造哈希函数…………………….246.3.2FRN节点的加入………………...256.3.3FRN节点的退出……...…………266.3.4DORM定位的性能分析……...…266.4DORM评估…………………………….276.5小结……………………………………...28第七章总结与展望7.1论文结语………………………………..297.2我的主要工作…………………………..307.3以后的工作参考文献…………………………………..31第一章绪论在1999年图灵奖获奖演说中[1]，微软的吉姆.格瑞（Jim.Gray）总结了计算机研究开发的三个主要方向，即巴贝奇问题、布什问题以及图灵问题，指出了今后50年仍然是这三个基本问题。论文从分析吉姆.格瑞的演讲入手，分析当前的计算机发展问题，目的是构造一个支持“即插”“即用”的网格“革命性体系结构”，试图解决面临的发展困惑。２1.1研究背景与意义1.1.1相关研究背景吉姆.格瑞问题微软研究院的吉姆.格瑞把三个主要研究方向细化为未来信息技术发展的十二个根本问题，分别是：（1）可伸缩性：除了加入资源，而不做任何其他干预，系统能力就可以自动地提高一百万倍，也就是“即插即效”；（2）图灵测试：具有人一样的“说谎”能力；（3）听写：应该和人听写母语水平相当；（4）诵读：应该和人诵读母语文本的水平相当；（5）人类视觉：能像人那样识别目标和运动状态；（6）人类记忆：记录下一个人看到和听到的一切，而且可以按照要求迅速提取每个纪录；（7）智能资料存储处理系统：包括文本、音乐、图像、艺术作品及视频等，任何关于所存储资料的问题都可以回答和摘要，回答与摘要的准确程度和速度与该领域的专家相当；（8）远程沉浸、远程观察、远程参与：必须与现场无二；（9）无故障系统：每天可供上百万人使用，而只需要一个非全时工作人员管理；（10）安全性的系统：只向得到授权的人士提供服务，任何未得到授权的人士都无法使系统中断业务，存储于系统中的信息不会被窃取；（11）随时可用：系统在每一百年内中断工作的时间不超过1秒；（12）自动编程：建造一种具有完备性的需求描述语言或用户界面，可以很容易地表述其设计（比现有语言容易1000倍），直接编译，系统应该能对具体应用需求进行推理，对例外情况和不完备需求能提出疑问。当前的现实和以上的目标距离还很遥远，表明今天的信息技术远没有“成熟”。这个差距不仅是量而且也是质的问题，因为用现有技术简单延伸是无法跨越的，必须在理论和技术上有大的突破性进展。革命性体系结构计算机体系结构问题就是吉姆.格瑞的巴贝奇问题。美国国家科学基金会认为高性能计算机发展正处于重要的转型期，并于2001年就启动了一系列项目，鼓励“革命性体系结构概念”的研究，重点包括如何用好摩尔定律带来的硬件进步，提高计算机的效率（utilization）和生产力（productivity）：面向服务的或高生产力的高性能计算机体系结构、节点（或者叫其他名词）、处理器芯片、系统软件、编程语言；可信计算与自主计算（自律计算）技术；可重构技术等。美国国家科学基金会最终确定了Cyberinfrastructure项目[2]的重要性和可行性，将于2005年国家每年投资6－10亿美元正式启动，网格就是该项目的重要内容。普遍计算普遍计算（（UbiqutousComputing）或普适计算（pervasivecomputing）[3]解决的是“布什问题”。计算机将无所不在。各种嵌入式计算机将存在于各种设备、工具和设施当中（衣服、家用电器、住宅、办公楼、汽车、公路等等），为人们的衣食住行和工作提供智能监控与服务，所谓的“计算机电子”通过各种无线和有线的互联技术，人们将随时随地都可以联在网上。而这将产生各种各样的新产品和服务，改变政府、企业、金融业的运作模式。例如CRM（CustomerRelationshipManagement客户关系管理）、ERP（EnterpriseResourcePlanning，企业资源计划系统）以及数据仓库等。因此普适计算必须是“即插即用”的计算技术，也必须是“插”“用”分离的技术，即具体的应用必须脱离并不依赖于具体的硬件。网格就是这样一种支持“插”“用”分离的虚拟技术。应用都是基于网格基础之上的，称为网格应用，与具体的硬件无关；网格管理着具体的硬件设备，称为网格设备。网格可大至整个社会基础设施，也可小至几台机器，甚至是一个独立的设备，此时网格应用所需资源刚好可以由该（局部）设备提供，不再依赖于网格的其它部分，因此可以把这个网格应用与网格设备从网格上独立出来，特别地称之为“网格电子”，在无线网络不发达的网格早期，“网格电子”很可能发展为一个独立的巨大产业。人工智能与知识工程主要解决吉姆.格瑞的“图灵问题”。这方面的研究不如前两方面发展的快，与网格以及论文相关的主要包括基于Internet的知识大规模共享以及语义网建设等知识基础设施等方面内容。作为社会信息基础设施的网格，其发展离不开人工智能技术的进一步发展。下面将看到，网格将极大地促进人工智能的发展，并最终依赖于人工智能的发展，特别是语义技术和语用技术。吉姆.格瑞难题中的大部分必须依赖人工智能的巨大发展才能解决。计算机网格网格技术诞生于上个世纪90年代中期，发展迅速，特别是2001年发明了WebService技术，网格立即与之结合，在全世界范围内掀起了包括科技界和工业界的网格研究热潮。网格权威IanFoster认为网格比因特网更进一步：（1）网格计算是指(通过高速网络)集成大量的计算机系统，以提供单一和一组计算机所不能提供的数据处理能力和功能；（2）为满足本地用户的需要，网格系统可以使用共享的语言和接口协议，在全球范围内接入运算资源、信息和服务；（3）对用户而言，组成网格系统的集成网络具有“通透性”，这些由远端提供的服务看起来与本地计算机提供的服务没有区别；（4）网格技３术可以实现虚拟组织成员间的大规模科学与商业合作、远程实验、高性能分布式计算及数据分析。IanFoster进一步认为目前网格已经成功地标准化了创建、使用、探察、发现和管理有状态资源的基础中间件。下一轮的挑战将是如何管理大型分布式的硬件设施，以保证存在失败的情况下能提供可靠的服务？如何才能使用户去利用可点播的资源和服务？在计算机数量和能力呈指数增长的同时，网格概念和技术该如何进一步发展？答案将会从研究和实用经验中得出，而且该答案必将用到自主、普适和点对点（p2p）计算等相关领域出现的创新思想。网格面临的挑战成功应用于科技界的OGSA网格体系结构虽然受到工业界的承认，但工业界却在大力开发基于WebService的产品与服务；学术界质疑网格缺乏理论基础，缺乏研究，也缺乏显示度的应用；人们不怀疑网格的科学目标和远景，但就如何达到这个目标还没有达成完全的共识，而是有各自的想法；以Globus为代表的学术界网格研究有可能被以IBM为代表的产业界超越。因此有理由相信有关“革命性体系结构问题”，将是未来几年内计算机领域，特别是网格研究界的重中之重。1.1.2课题的目的和意义综上所述，到目前为止人们对网格理论基础、网格应用、编程语言以及网格“革命性体系结构问题”等的认识还远未统一。现有的网格理论与实践都主要针对科研领域，对网格如何发展为面向社会信息基础设施的理论和技术研究还很不充分，尤其没有社会网格信息基础设施理论模型、“即插即效”网格设备、“即用”的网格应用的“普适计算”模式、网格编程语言、“网格革命性体系结构”等的专门研究实现。网格研究指导网格实践，开展网格相关方面的理论研究对网格发展及社会网格信息基础设施建设意义重大，论文试图通过构造“网格革命性体系结构”，整合计算机发展的最新成果，解决以上描述的计算机研究与发展所面临的种种困难，特别是网格发展中的关键问题。1.1.3课题的问题设计网格“革命性体系结构”，研究网格社会信息基础设施上的支持“即插”网格设备与网格应用“即用”的网格虚拟操作系统及网格编程语言等理论和技术问题。1.2论文结构第一章绪论后的章节安排如下，第二章总结网格相关理论，服务资源网格的两大标准基础，阐述服务资源网格的理论依据；第三章具体阐述网格基础设施和虚拟操作系统及其应用；第四章重点阐述“即插即用”网格设备个性化操作系统以及其应用；第五章总结TaoGrid的关键概念，定义网格数据；第六章是网格数据集合的管理机制设计与证明；最后总结与展望在第七章。第二章服务资源网格相关理论“网格”是一个出现于上个世纪90年代中期的新概念，代表着一种先进的计算技术。为了后面具体论述服务资源网格的需要，本章首先从网格问题、网格需求、网格特点、网格体系结构、网格技术、网格安全、网格发展趋势以及服务资源网格的两大标准支撑技术等方面总结介绍网格相关理论和技术知识[22]，提出并分析服务资源网格的两个理论依据—中国“形”“神”论哲学以及Petri网原理，分析Tao网格特点。2.1网格问题网格到底是怎样一个技术？前景是什么？应用效果如何？这是网格研究首要解决的问题。虽然网格已经从科研领域进入社会商业应用了，但仍然没有一个统一的认识。本节分析网格基本内涵。2.1.1网格概念与分歧网格概念是借鉴电力网提出来的，网格的最终目标是希望用户在使用网格时，就如同现在使用电力一样方便。网格（Grid）技术是近年来国际上兴起的一种重要信息技术，它的目标是实现网络虚拟环境上的高性能资源共享和协同工作，消除信息孤岛和资源孤岛。网格的作用是将分散在网络上的信息及信息存储