2 网格QoS保证技术

QoS（Quality of Service，服务质量）是网格技术中极其重要的研究内容。网格资深专家伊安 ▪ 福斯特（Ian Foster）提出判断网格的三个标准之一就是“提供非凡的服务质量”。下面我们简要地介绍网格QoS保证技术。

2.1 网络QoS与网格QoS的关系

QoS在计算机网络中是一个流行的研究领域，它关注的是如何提供更可靠的网络传输服务，满足应用的传输延时、延时抖动、分组丢失等质量保证。

网格是运行在互联网之上的，单纯的网络QoS机制不能够保证网格应用的QoS。网格中除了网络资源外，还有计算、存储等其它类型的资源。网格应用需要所有这些网格资源，包括网络资源在内，都能按需地向网格应用提供相应的QoS保证。所有这些资源都为E2E（End to End，端到端）QoS做出了贡献，但是E2E资源QoS并不是所涉及的这些资源简单、线性的组合，而需要高层对它们进行协调。

总之，为了满足网格应用的端到端QoS保证，除了网络层次的QoS保证外，还需在网格系统结构上考虑相应的QoS保证措施。

2.2 网格QoS的要求

为了保证网格应用的端到端QoS，需要网格QoS机制能够满足以下要求：

（1）以服务为中心的网格特点

网格体系结构已经由以协议为中心的五层沙漏结构发展为以服务为中心的OGSA结构。以服务为中心的网格是主流趋势，在这类网格中，所有的一切都是服务。网格用户使用网格发现和使用服务，这个特性要求网格QoS的保证机制也以服务的形式提供给用户。

（2）不同特征混合流的支持

远程可视化、科学数据分析、科学仪器在线控制和远程沉浸等领域中的网格应用经常混合着大量不同特征的多个流，这些特征包括带宽、时延、抖动、可靠性等。它们要求网格QoS机制能支持这些流，并允许具有不同特征流的共存，同时需要网络QoS技术为应用提供可靠的网络数据传输服务的保证。

（3）统一的资源预约和分配

高性能应用对一些特别的资源需求很大，如高带宽虚拟通道、科学仪器和超级计算机等。需要新的概念和构造，为属于不同管理域的多种异构资源实现统一形式的提前和立即预约，以及多资源联合分配，以保证网格应用使用资源和提供服务时的性能。

（4）安全性

网格QoS机制应当是安全的，可使用网格中的安全机制，对QoS服务的访问进行验证、鉴别和授权，防止保证网格QoS所需的服务QoS能力、资源预约、策略等相关信息被非法用户侵入或篡改。

（5）强壮性和可扩展性

由于网格是一个全球规模的基础设施，连接着巨大数目的动态网格资源，随时都有新资源加入和旧资源退出，这要求网格QoS机制能适应网格的动态变化，具有强壮性和可扩展性。

2.3 网格QoS控制模型

在网格QoS 控制模型方面，罗伊（Roy）和伊安 ▪ 福斯特等人在Globus 工具集（GT，Globus Toolkit）之上建立了GARA（General-purpose Architecture for Reservation and Allocation，通用预约和分配体系结构）模型。GARA 由各级API（Application Program Interface，应用编程接口）和各种RM（Resource Manager，资源管理器）组成，通过统一的接口，使用现有的DiffServ BB (Bandwidth Broker，带宽代理)、DSRT（Dynamic Soft Real Time，动态软实时）、DPSS (Distributed Parallel Storage System，分布式并行存储系统)分别作为网络、CPU 和存储资源管理器，提供提前和立即预约功能，实现端到端网格QoS保证。

开放网格服务体系结构是继五层沙漏结构之后新的网格体系结构。2002年，英国Cardiff大学的Rashid Al-Ali提出了G-QoSM（Grid QoS Management Architecture，网格QoS管理体系结构），它是OGSA 网格环境中进行资源预约和自适应调节的QoS 管理体系结构。它提供三个主要功能：QoS服务的注册、发现和选择；建立服务等级协定（SLA，Service Level Agreement），要求在中间件层和网络层提供QoS；为分配的资源提供自适应调节功能。

GARA和G-QoSM是目前仅有的两种比较完整的网格QoS体系结构。GARA首次提出了对异构资源使用统一的API进行预约和管理，着重网格中间件级和网络级的QoS提供，但是它没有深入研究网格中资源预约的实现机制和预约的性能问题。同时，它还不能直接应用到目前的面向服务的网格体系结构当中来。G-QoSM考虑的主要问题是如何在服务网格中提供和管理QoS服务，重点在于应用级的QoS机制。对网格中间件级和资源级的QoS保证机制完全依靠GARA机制。这两个体系结构目前对包括网络在内的资源级的QoS 控制研究仍没有深入。它们使用的NRM（Network Resource Manager，网络资源管理器）是现有的DiffServ 带宽代理，单纯的DiffServ 带宽代理不能很好地完成NRM 的功能。其它现有的资源管理器也不能完全适合网格的要求。

2.4 网格QoS关键技术

网格QoS控制机制主要包括基于QoS属性的网格服务注册与发现机制、网格服务组合机制、网格资源的预约与管理机制、网格性能监控与自适应调节机制等。

保证网格应用QoS的第一步就是要发现能够提供QoS保证的网格服务，但目前常规的服务注册与发现机制不支持基于QoS属性的服务注册与发现，为了实现该功能，国内外研究者对已有的UDDI注册中心进行非功能性属性的扩展， 使用tModel来发布由服务提供者宣布的QoS信息。由于QoS信息是动态变化的，这种方式注册和发布QoS信息很难保证信息的实时性。同时，发布的QoS信息要求具有准确性和公平性，为此有学者提出了基于代理的注册与发现机制，该机制中由代理实施对服务提供者宣布的QoS信息进行验证，但由提供者单方面宣称的QoS不能保证其真实性，这需要由公正的第三方实时地对服务的QoS进行监测和评价。

在网格服务组合方面，对服务组合的方式、服务组合的流程描述语言都有了较多的研究。服务组合的关键之一是如何选择合适的服务，服务选择有两种方式，一种是局部选择的方式，即独立地为每个任务选择服务，这种方式最大的缺点就是无法实现全局的选择优化。另一种是全局的服务选择，这种方式可实现全局的选择优化，例如可指定总的执行价格作为全局约束。

服务选择时考虑功能性要求是必需的，但也要考虑服务的QoS能力，这方面开展的研究还不多。在网格QoS的计算方面，需要讨论如何建立公开、公平、动态和安全的Web 服务QoS评价机制，并且对QoS 的公平计算和执行既不能引入大量的额外开销，同时又要赢得服务提供者和使用者双方的信任。

资源预约是在网格中为资源的使用提供QoS 保证的一种手段，资源的预约和资源的分配通常联系在一起，实现服务到资源的映射。资源预约包括立即预约和提前预约两种，其中立即预约可以看作预约时间和使用时间都是现在的、特殊的提前预约。预约请求至少包括预约的时间、资源能力、要求的QoS等参数。常规的预约请求中这些参数是固定不变的，但是这样的预约请求通常会导致资源的利用率降低，甚至是预约请求得不到满足而被拒绝。为此，提出可延伸预约的概念，这种预约在时间参数、QoS等参数上可变化，以增加预约请求的接受率和资源利用率。但是最初的可延伸预约机制中QoS 参数只能按单一恒定的数值预约，这使得需要较长持续时间的预约请求由于资源使用的多个峰值时刻的存在而被拒绝。为此有研究者提出柔性预约的机制，通过参数相对柔性的变化，克服了可延伸预约的缺点。

为提高预约资源的可靠性，研究者提出了基于资源聚集的备份资源选择算法。该算法将为应用分配的资源按照资源之间的关系聚集成多个资源集合，然后根据应用的可靠性需求为每个资源集合选择备份资源，每个资源集合中的资源共享同一组备份资源。但是这种方式中如果设置集合中最大资源数目的阈值不恰当，就会导致集合数目多，从而造成备份资源的浪费。另外任务迁移到备份资源后网格应用的QoS没有保证。

在网格性能监控与自适应调节方面，GGF（Global Grid Forum，全球网格论坛）提出了GMA（Grid Monitoring Architecture，网格监控体系结构），它描述了一种生产者/消费者模型和发布/订阅的数据传送方式，但它还不成熟，有关的实现仍不完整，许多研究者对其进行了扩充。自适应调节是其中重要的一个环节，在GMA基础上，可引入自适应调节机制提高了网格应用的性能。