基于市场机制的传统网格资源管理模型不足的研究

张尚韬

摘要：通过对网格资源管理的概念，以及传统的三种网格资源管理的模型的分析，深入研究最具代表性的基于市场机制的资源管理模型GRACE，从结构和算法上深入分析讨论了传统模型的不足。

关键词：网格资源管理；市场机制；GRACE模型

中图分类号：TP393.1 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）14-0273-03

Abstract： Through the analysis of the concept of grid resource management and the analysis of three traditional grid resource management models， the most representative resource management model GRACE based on market mechanism is deeply studied， and the shortcomings of traditional models are discussed from structure and algorithm.

Key words： grid resource management； market mechanism； GRACE model

网格从实际应用的角度来看，是一个将计算和相关资源集合于一体的环境。首先，网格可以最大限度地吸收计算资源；接着，网格会对这些计算资源进行转变，使之成为便捷的、可依赖的、规范又经济的计算能力。

1 网格资源管理

网格从实质上来说，是一个静态上包含各类资源动态上进行资源管理的平台。如果要想让这个平台正常实现资源的组织、定位等功能，就必须要进行合理的资源管理。通过资源管理，可以了解相关概念与管理的作用。一般情况下，系统管理员在参考有关规则的基础上，使用相关软件对资源进行安排与规范使用。这样做的目的是共享资源与协同工作。网格吸纳的资源通常都是来源广泛，属于多充资源，所以在进行网格管理时，资源管理系统起着决定性作用。在这些方面，目前存在问题的主要有授权、唯一验证、资源的发现、访问和调度等。较为常见的网格资源是：存储系统、分布式文件系统、处理能力等。站在用户的角度来看，网格资源管理和传统的分布式计算或集群计算环境下的资源管理系统存在很多相似之处，主要作用是：任务调度、作业管理与资源管理。但是，网格系统本身存在的一些特性，比如分布性，使之变得比传统的资源管理要复杂一些。网格资源管理不但要实现不同组织、管理域的任务调度，随时掌握资源或作业所处的状态，实现局部的节点自治。所以在建立资源管理系统模型时，应该要考虑网格的特殊性质。此外，除了管理使用资源外，还要格外注意资源的生命周期。这包含资源的注册、共享与注销。网格资源的生命周期描述如下图1所示：

1） 网格资源向本身管理器注册账号；

2） 资源管理器将有关注册信息写入数据库；

3） 用户申请资源时，可向资源管理器提出请求；

4） 资源管理器搜索数据库，获得相关信息；

5） 资源管理器将信息传达给用户；

6） 用户与资源实现直接交互。

如果需要删除网格上的资源，可以向资源管理器申请注销，管理器处理后就会删除所有相关的信息，那么这个资源的生命周期就到此为止了。

2 网格资源管理模型

网格的主要组成部分就是来自各种渠道的资源的集合，在管理这些资源时，可以采用很多适应资源本身特点的管理模型。由于网格环境的特殊性，现主要适合网格的是：

1）分层模型[1]

该模型的提出是在GGF（Global Grid Forum）第二次会议上。分层模型已经得到广泛的应用，由于其与其他模型的兼容性比较强，大多数网格系统都采用分层模型。主要采用的方法是自上而下地将系统分成很多层，以更加便利地实现资源管理的功能。

2）抽象所有者模型[1]

网格资源在投入使用时，用户对于网格的拥有者的关注度较小，用户更为关心的是资源的使用规范、资格以及是否需要付费等。而在实际网格资源使用过程中，该模型在表示每个资源时，就使用抽象所有者进行表示，使用资源的用户和资源所有者之间可以通过某种合同关系或者对话来进行资源的传输。这个资源使用的过程类似于购物模式，用户相当于顾客，而资源的抽象所有者相当于商家。用户要申请一个资源的使用权时，需要向抽象所有者提出请求，而后两者需要进行协商，比如资源的使用时间、使用费用等。只有两者在协商无误的情况下，抽象所有者才将资源从实现制定好的窗口传递给用户。这个模式类似于网络中的“握手”，但目前仅仅是一个理论模型，由于实际应用中技术存在的各種缺陷以及保密等，还需要解决匹配等问题。因此，实际中使用抽象者模型的项目还很少，但这个模式为创建新模式提供了新思路，有利于网格资源管理趋于规划化和合理化。该模型与网络中很多协议中的假设类似，在管理模型中占很重要的地位。

3）计算经济模型[1]

该模型是上两种模型的组合，充分使用了它们的核心思想，也就是明确合理分层的同时，注重经济因素在资源的分配过程中的应用，最典型的特征就是计算经济。这个模型最大的特点就是将经济的思想融入实际的网格资源管理，这样就可以使用经济市场的相关规律，以双方利益为主体来考虑资源的分配。从本质上来讲，计算经济模型实现了上面两张模型的目标，还创新地考虑到经济这一因素。由于实际生活中，网格资源管理不但具有特殊性，还具有一定的复杂性并随着网格规模的增大，复杂性也变大。所以资源管理系统一般都采用模型的混合模式，结合各个模型的精华，当然，也体现了各个融合模型的基本特点。

3 基于市场机制的传统网格资源管理模型

由于实际中网格资源管理使用的是混合模型，因此以基于经济的管理模型为例进行分析。经济具体化可以是市场机制，而市场机制需要以利益为基本条件。对于资源涉及的两方，一般会考虑资源所有者的利益，使其得到的利益最大化，进而更多投资资源，降低用户的使用费用。此外，还应该意识到网格环境对于资源分配的影响，需要对之报以动态发展的眼光。系统能提供合适的工具与服务来表示新的供求关系。例如，需要统计用户对资源的量的要求和价格要求以及资源所有者所能提供的最大资源服务和最低价格。所以，Rajkumar Buyya提出了基于市场机制的网格资源分配基本体系结构GRACE（Grid Architecture for Computational Economy）。[2]

3.1 GRACE资源管理模型介绍

GRACE中交易模块构成成分是：网格用户（Grid User，GU）、资源代理（Resource Broker，RB）、网格服务提供商（Grid Service Provider，GSP）、网格市场目录（Grid Market Director，GMD）。如图2所示。该体系是基于计算经济方面最具有代表性的资源管理模型。

GRACE依赖于现有的网格中间件，如Globus[3]和Legion[3]。网格用户跟他们各自的代理进行通信，完成网格资源的搜索和使用。

Nimrod-G是GRACE模型的實现，主要使用的是贪婪算法，调度对象是计算网格的参数扫描应用（Parameter Sweep Application）。网格模拟器Gridsim对Nimrod-G模型进行了模拟，是研究GRACE和Nimrod-G的好工具。

3.2 GRACE模型调度算法（Nimrod-G）分析

调出GridSim的设计文档与源码，可以看到：使用贪婪算法的过程中，并没有实时考虑资源的使用情况，也就是调度算法具有一定的危险性，可能导致系统的崩溃，因为只进行静态分配，那对于各个资管的运行结果将一样。而且，GSP规定了一个资源在一个时间点上最多为一名使用者执行1个进程，但对于同一资源来说，并没有规定不能同时运行多个进程，这样造成的后果是导致系统对不同使用者提交的请求都会进行处理，有可能使某些网格资源进入超负荷状态。

Nimrod-G调度算法相比上一个算法，是个动态算法。在资源发现的过程中，资源代理会了解实时信息，该实时动态信息包含了资源从第一次使用到目前所有的使用情况，用平均总体负荷这一指标表示出来。然而这个信息不是全面的，具有一定的限制性：

1） 站在作业的角度来看，资源发现运行仅一次，而资源代理没办法获得资源的实时信息；

2） 对于资源来说，之前的“经验”有时候对于现在不但没有正面作用，反而不利于系统判断。

总的来说，资源代理在对资源进行判断时，应该使用科学的统计方法对任务情况进行全面分析，考虑各方面因素，才能做出比较有价值的参考。在资源与用户请求处于均衡的状态下，这些参考是很有价值的。但是，一旦脱离了这个大前提，比如用户请求不规律、资源进出不平衡等情况下，这些信息就相当于概率统计学中那几百甚至几万分之一的可能，不具备参考性。

3.3 GRACE资源管理模型局限性分析

GRACE模型结合了市场规律对资源进行合理分配和管理，能在一定程度上迎合用户的口味。但任何模型都不是完美的，它也存在一定的缺陷。主要分为以下几点：

1） 从模型自身结构组件分析

首先，GRACE模型仅由网格用户（GU）、资源代理（RB）、网格服务提供商（GSP）、网格市场目录（GMD）组成，不能及时掌握更多实时信息，使其功能受到一定限制。在实践中，网格资源的使用者存在性质差别（政府，福利机构，普通用户等），而GRACE模型将所有的参与者都视为平等，与实际应用的情况是不符合的。另外，在实际网格功能应用中，存在某个资源提供者在任务执行过程中突然退出的紧急情况等，如何处理该类问题也没有在GRACE模型中得到体现。

其次，在该模型中，用户的资源代理Resource Broker实际上还是用户，这就让代理与商业中的代理概念变成了两个概念。资源代理的权限很小，只是比没有代理更加方面管理，并没有实质的存储资源的改变。因此，所谓的资源贸易实质上贸易双方没有身份上的不同，不是管理资源的商业模式。这个模型实现了以货币为媒介的资源交换，即简单的商品传输。

2） 从模型的调度算法分析

针对实验发现的问题，对调度算法的逻辑和GSP处理过程进行了深入分析。得出造成实验结果不如意的原因如下：

（1） 调度算法没有感知网格资源的变化。针对GRACE模型没法实现实时信息的监视与反馈，使得在使用这个模型时，不能设计出算法解决Nimrod-G算法存在的问题。原因如下：

在GRACE模型中，资源分配涉及的仅仅是RB、GMD与GSP。如果要管理动态资源，只能在RB与GSP较少时使用，因为一旦这两者比较多，会有越来越多作业需要分配资源，GSP可以接收的作业数变得很有限，一旦达到上限，就会拒绝相关资源请求。这时GSP将不会公布资源使用状态，RB就无法感知网格资源的实时变化。如果GSP将资源信息动态地更新GMD，则RB要与GMD频繁进行信息传送。甚至还有一种可能是，当一个RB发现一个合适的资源而向GSP发送请求时，可能会有很多RB也是这个状态或者占有资源，而GSP拒绝该RB的请求。如果使用者的请求相似或者一致，RB将会更频繁的访问GMD，类似于操作系统的死锁情况，后果就是会造成GMD成为系统的瓶颈。

（2） GSP提供的服务没有QoS保证。如果要让模型可以支持QoS服务，这就需要用户的评价信息。为了全面支持服务，需要对每个作业都进行评价的收集，但是用户评价的变动很大，系统无法自动区分合理评价和恶意评价，所以服务评价应交给系统采用一定的算法实施。在GRACE模型中，使用评价同样存在GMD成为系统的瓶颈这个问题。因此，这两个问题实质上都是关于资源动态管理的问题。

4 总结

以上着重对典型性的基于市场机制的资源管理模型GRACE做了具体的研究和讨论，对存在的问题进行了分析，从结构和算法上深入分析讨论了传统模型的不足。在今后的研究中将重点针对基于市场机制的资源管理模型GRACE提出新型的改进模型。

参考文献：

[1] Ferguson T S，Melolidakis C. Games with finite resources[J]. International Journal of Game Theory，2002，29（2）：289-303.

[2] Smith R，Davis R. The contract net protocol： high level communication and control in a distributed Problem solver[J]. IEEE Transactions on Computers，2000，29（12）：1104-1113.

[3] Buyya R， Abramson D， Giddy J， etc. Economy models for resource management and scheduling in grid[J]. Concurrency and Computation Parities and Experience， 2010， 14（13-15）：1507-1542.