信息網(wǎng)格服務(wù)結(jié)構(gòu)模型及未來發(fā)展方向

網(wǎng)格(Grid)這個詞來自于電力網(wǎng)格(PowerGrid)。“網(wǎng)格”與“電力網(wǎng)格”形神相似。一方面，計算機網(wǎng)縱橫交錯，很像電力網(wǎng)；另一方面，電力網(wǎng)格用高壓線路把分散在各地的發(fā)電站連接在一起，向用戶提供源源不斷的電力。用戶只需插上插頭、打開開關(guān)就能用電，一點都不需要關(guān)心電能是從哪個電站送來的，也不需要知道是水力電、火力電還是核能電。建設(shè)網(wǎng)格的目的也是一樣，其最終目的是希望它能夠把分布在因特網(wǎng)上數(shù)以億計的計算機、存儲器、貴重設(shè)備、數(shù)據(jù)庫等結(jié)合起來，形成一個虛擬的、空前強大的超級計算機，滿足不斷增長的計算、存儲需求，并使信息世界成為一個有機的整體。

1 信息網(wǎng)格

信息網(wǎng)格是網(wǎng)格計算模型的核心組件。它使最終用戶和應(yīng)用程序可以獲得對任何信息源的安全訪問，不管它在什么地方。這種訪問可以通過內(nèi)部網(wǎng)、Internet、甚至在一個外部網(wǎng)（extranet）環(huán)境中的本地和分布式網(wǎng)絡(luò)進行。信息網(wǎng)格提供了對異質(zhì)文件、數(shù)據(jù)庫和存儲系統(tǒng)的訪問，并且它支持共享數(shù)據(jù)以用于處理和大規(guī)模的協(xié)作。

網(wǎng)格是一種新興的技術(shù)，正處在不斷發(fā)展和變化當中。目前學(xué)術(shù)界和商業(yè)界圍繞網(wǎng)格開展的研究有很多，其研究的內(nèi)容和名稱也不盡相同因而網(wǎng)格尚未有精確的定義和內(nèi)容定位。比如國外媒體常用“下一代互聯(lián)網(wǎng)”、“Internet2”、“下一代Web”等來稱呼網(wǎng)格相關(guān)技術(shù)。但“下一代互聯(lián)網(wǎng)（NGI）”和“Internet2”又是美國的兩個具體科研項目的名字，它們與網(wǎng)格研究目標相交叉，研究內(nèi)容和重點有很大不同。企業(yè)界用的名稱也很多，有內(nèi)容分發(fā)（Contents Delivery）、服務(wù)分發(fā)（Service Delivery）、電子服務(wù)（e-service）、實時企業(yè)計算（Real-Time Enterprise Computing，簡稱RTEC）、分布式計算Peer-to-Peer Computing（簡稱P2P）、Web服務(wù)（Web Services）等。中國科學(xué)院計算所所長李國杰院士認為，網(wǎng)格實際上是繼傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)、Web之后的第三次浪潮，可以稱之為第三代互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

網(wǎng)格是利用互聯(lián)網(wǎng)把地理上廣泛分布的各種資源（包括計算資源、存儲資源、帶寬資源、軟件資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源、知識資源等）連成一個邏輯整體，就像一臺超級計算機一樣，為用戶提供一體化信息和應(yīng)用服務(wù)（計算、存儲、訪問等），虛擬組織最終實現(xiàn)在這個虛擬環(huán)境下進行資源共享和協(xié)同工作，徹底消除資源“孤島”，最充分的實現(xiàn)信息共享。

信息網(wǎng)格中的核心問題是研究各類信息資源在網(wǎng)格上的注冊、表示、定位、管理、存儲和訪問機制，研制一體化的智能信息處理平臺，消除信息孤島，方便用戶發(fā)布、處理和獲取信息。信息網(wǎng)格包含計算網(wǎng)格和數(shù)據(jù)網(wǎng)格的全部功能，重點拓展了廣域信息共享服務(wù)。信息網(wǎng)格利用數(shù)據(jù)挖掘、信息融合和資源引擎等技術(shù)完成網(wǎng)絡(luò)資源的搜集與共享，并利用單一系統(tǒng)映像技術(shù)完成信息的單一映像和有效融合，保證邏輯資源的物理可用性，便于用網(wǎng)格引擎實現(xiàn)資源的獲取。信息網(wǎng)格作為網(wǎng)格的高端研究領(lǐng)域，還未形成標準的體系結(jié)構(gòu)。本文參照關(guān)系數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)抽象層次和開放式網(wǎng)格服務(wù)結(jié)構(gòu)(OGSA)，提出了一種支持信息網(wǎng)格的服務(wù)結(jié)構(gòu)模型，詳細討論了實現(xiàn)這種服務(wù)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。

2 信息網(wǎng)格的服務(wù)結(jié)構(gòu)模型

信息網(wǎng)格主要是利用現(xiàn)有的網(wǎng)格基礎(chǔ)設(shè)施、協(xié)議規(guī)范、Web技術(shù)和DB技術(shù)，為網(wǎng)格用戶提供一體化的智能信息平臺，其目標是創(chuàng)建一種架構(gòu)在OS和Web之上的基于Internet的新一代信息平臺和軟件基礎(chǔ)設(shè)施。在這樣的平臺上，信息的處理是分布式的、協(xié)作的和智能化的，用戶可以通過單一入口訪問所有信息。信息網(wǎng)格追求的最終目標是能夠做到服務(wù)點播（Service On Demand）和一步到位的服務(wù)（One Click Is Enough）。

信息網(wǎng)格服務(wù)結(jié)構(gòu)模型主要由物理層、邏輯層、應(yīng)用層三個層次和A-L映射、L-P映射二級映射組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(1)物理層。信息網(wǎng)格基礎(chǔ)物理層的主要元素是網(wǎng)格中產(chǎn)生、保存和管理信息的分布式異質(zhì)存儲系統(tǒng)(如數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、Web站點等)，以及存儲系統(tǒng)中提供信息的各種數(shù)據(jù)實體的集合。

(2)邏輯層。信息網(wǎng)格的邏輯層是在基礎(chǔ)物理層的基礎(chǔ)上抽象出邏輯資源層，是存儲系統(tǒng)中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，是所有用戶的公共數(shù)據(jù)視圖。定義邏輯層時不僅要對各種不同形式的數(shù)據(jù)實體進行抽象，而且要定義與數(shù)據(jù)有關(guān)的安全性、完整性要求，定義這些數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。邏輯層把各種資源統(tǒng)一封裝成服務(wù)，并提供標準的訪問接口。

(3)應(yīng)用層。信息網(wǎng)格應(yīng)用層是對網(wǎng)格用戶可以看見和使用的局部數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，是網(wǎng)格用戶的數(shù)據(jù)視圖，是與某一應(yīng)用有關(guān)的數(shù)據(jù)的邏輯表示。而特定用戶只關(guān)心整個網(wǎng)格信息中的一部分內(nèi)容，并且通常是經(jīng)過組合加工的內(nèi)容，因此邏輯層的內(nèi)容對于他們而言仍然顯得復(fù)雜而沒有針對性。信息網(wǎng)格應(yīng)用層的形成正是針對這一問題，為最終用戶提供更為有效的組合信息。

(4)A-L映射。當邏輯層改變時，由信息網(wǎng)格系統(tǒng)對各個A-L映射（應(yīng)用層-邏輯層映射）關(guān)系作相應(yīng)改變，可以使應(yīng)用層保持不變，從而不必改變具體的應(yīng)用，進而保證了數(shù)據(jù)的邏輯獨立性。

(5)L-P映射。定義了數(shù)據(jù)全局邏輯結(jié)構(gòu)與存儲結(jié)構(gòu)之間的對應(yīng)關(guān)系。當數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)改變時，由信息網(wǎng)格系統(tǒng)對L-P映射（邏輯層-物理層映射）作相應(yīng)改變，可以使邏輯層保持不變，從而保證了數(shù)據(jù)的物理獨立性。

3 面向智體的實現(xiàn)

Agent是一個運行于動態(tài)環(huán)境的、接受另一個實體的委托并為之服務(wù)的、具有較高自治能力的實體，是一種模擬人類智能行為并提供相應(yīng)服務(wù)的計算機程序。它具有自主性(autonomy)、主動性(activity)、反應(yīng)性(reactivity)、可動性(mobility)、智能性(Intelligence)等。

本文根據(jù)信息網(wǎng)格的服務(wù)結(jié)構(gòu)模型特點和Agent的特性設(shè)計了一種集中式與分散式相結(jié)合的混合式信息結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

混合式信息服務(wù)結(jié)構(gòu)中的信息服務(wù)中心負責信息網(wǎng)格服務(wù)的注冊、定位、服務(wù)綁定等協(xié)調(diào)管理工作。網(wǎng)格用戶一方面把自己能提供的服務(wù)通過自己的用戶智體(Agent-oriented)發(fā)布到信息服務(wù)中心；另一方面當網(wǎng)格用戶需要網(wǎng)格提供服務(wù)時，用戶首先在信息服務(wù)中心進行注冊，注冊成功后，服務(wù)請求者從服務(wù)中心發(fā)現(xiàn)自己需求的服務(wù)。經(jīng)過發(fā)現(xiàn)之后，服務(wù)提供者和服務(wù)請求者就綁定在一起，二者之間隨之建立了緊密的聯(lián)系。這里需要詳細說明以下幾點：

(1)信息服務(wù)中心是一個服務(wù)器群組集合。

(2)用戶智體隱去本地資源的異質(zhì)特征，能夠提供透明的服務(wù)。所有的用戶智體都具有對等(P2P)的權(quán)限，即在滿足各種協(xié)議和操作規(guī)程的前提下同等地使用網(wǎng)格資源。所有的Agent之間共用資源、相互協(xié)作、相互服務(wù)、共同完成一個任務(wù)。當Agent之間出現(xiàn)依賴關(guān)系時，可以通過相互協(xié)商與合作來加以控制和管理。

(3)各用戶智體獨立負責各自的資源調(diào)度，能和信息服務(wù)中心動態(tài)地交互信息，以便信息服務(wù)中心實時了解其資源信息并根據(jù)具體情況動態(tài)地修改管理決策、協(xié)調(diào)資源“爭用”、資源“獨占”等問題。

(4)各用戶智體對其他用戶智體的信息和使用權(quán)限只能通過信息服務(wù)中心授權(quán)獲得。兩用戶智體間一旦建立連接，所有事務(wù)就由雙方相互協(xié)調(diào)完成，不需信息服務(wù)中心的干預(yù)。兩用戶智體間的合作可以根據(jù)任務(wù)的具體要求采用直接/主動非終止模型或直接/主動終止模型。所謂直接/主動非終止模型是指服務(wù)請求方Agent首先向服務(wù)提供方Agent發(fā)出主動非終止服務(wù)請求，要求服務(wù)提供方一旦條件滿足即主動地為它提供服務(wù)。服務(wù)提供方Agent接收到服務(wù)請求后，向服務(wù)請求方做出直接主動非終止服務(wù)承諾，一旦條件成立即主動地提供服務(wù)，并返回相應(yīng)結(jié)果。所謂直接/主動終止模型是指服務(wù)請求方Agent首先向服務(wù)提供方Agent發(fā)出主動終止服務(wù)請求，要求服務(wù)提供方在條件滿足時主動提供服務(wù)。服務(wù)提供方Agent接收到服務(wù)請求后，向服務(wù)請求方作出直接主動終止服務(wù)承諾，一旦條件成立即主動地提供服務(wù)，并返回相應(yīng)的結(jié)果，服務(wù)提供意味著合作終止。

用戶智體由通信模塊、用戶接口模塊、感知模塊、控制協(xié)調(diào)模塊、任務(wù)處理模塊等組成，如圖3所示。

(1)通信模塊。主要負責與其他Agent之間的聯(lián)系，它既可以把其他Agent的請求/應(yīng)答信號傳遞給任務(wù)處理模塊，也可以把任務(wù)處理模塊產(chǎn)生的協(xié)作/協(xié)商信息傳送給其他Agent。

(2)用戶接口功能模塊。此模塊是用戶的智能接口，負責系統(tǒng)與用戶之間的信息交換，幫助用戶向系統(tǒng)提出要求并以用戶喜歡的方式顯示返回處理結(jié)果。用戶只能通過用戶接口功能模塊與系統(tǒng)進行交互。用戶接口功能模塊接收到一項任務(wù)后，即將任務(wù)送到控制協(xié)調(diào)模塊進行處理。

(3)感知模塊。用于感知外部環(huán)境施加的刺激，并把相應(yīng)的信息傳遞到控制模塊進行處理?？刂茀f(xié)調(diào)模塊在接收到信息后先對其進行過濾及抽象處理，形成與外部環(huán)境中的對象相對應(yīng)的有意義的符號，然后從功能函數(shù)集中搜索相應(yīng)的方法進行匹配，并產(chǎn)生相應(yīng)的決策。

(4)控制協(xié)調(diào)模塊。在眾模塊中起核心的作用，統(tǒng)籌管理各模塊。通過協(xié)調(diào)各結(jié)果，最后決策具體任務(wù)的執(zhí)行，存放并管理所有處理任務(wù)，對任務(wù)的狀態(tài)進行記錄。

(5)任務(wù)處理模塊?；诋斍暗闹R和一定的規(guī)則進行判斷推理，執(zhí)行具體行為的功能函數(shù)或方法，從而完成相應(yīng)的任務(wù)。

4 總 結(jié)

實現(xiàn)信息網(wǎng)格資源的透明訪問是非常重要的，但目前還沒有一個成型的、系統(tǒng)的信息網(wǎng)格結(jié)構(gòu)模型。本文在借鑒關(guān)系數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)抽象層次的基礎(chǔ)上，結(jié)合信息網(wǎng)格的特征，提出了一個具有三層結(jié)構(gòu)和兩級映射的信息網(wǎng)格服務(wù)結(jié)構(gòu)模型，并利用被稱之為“第四代程序設(shè)計方法” 的面向“智體”（Agent-Oriented）的軟件工程方法進行具體實現(xiàn)。