《电子技术应用》
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移动网格计算综述

2008-06-03
作者:赵文进, 石昭祥, 黄曙光

  摘 要: 介绍了移动网格的研究现状及相关技术,包括基本概念的诠释,移动网格实现的技术难点,分析了移动设备" title="移动设备">移动设备在移动网格中的双重角色,提出了移动网格可行的体系结构、国内外的研究进展,并对移动网格巨大的应用前景进行了预测和分析。
  关键词: 移动网格 移动代理" title="移动代理">移动代理 服务代理 中间件


  网格技术" title="网格技术">网格技术是近年来兴起的新技术研究热点。它能充分利用因特网上丰富的闲置资源,开展协同工作,可用来解决很复杂的科学或商业问题,在生物、医学、航空、化学、天气、地理、高能物理等领域有着广泛应用。网格具有支持资源共享、协同工作的固有能力和面向服务的基本特征,其本身也成为新一代社会信息基础设施的雏形。
  网格计算" title="网格计算">网格计算系统是大规模的分布式系统,典型应用有基因分析、地震预测、环境管理、分子工程、流体动力学、航空航天学等。在网格中,分布在不同区域的计算资源通过因特网聚集起来,并能自主地管理,协同解决一个大任务。这样,巨大的工作量分摊开来,整个网格系统" title="网格系统">网格系统的计算速度和吞吐量可与超级计算机媲美,甚至远远地超过它。
  随着移动无线网络系统的快速发展,用户在任何地点、任何时间都可以访问全球网络资源。这意味着除了静态结点外,网格系统也应考虑把移动结点包含在内,这种结合所产生的技术就称为“移动网格计算”。它实际上是传统网格计算在无线计算环境中的扩展,它以无缝、透明、安全、有效的方式支持移动用户和资源,是无线技术与网格计算这两种新技术的融合。
  移动网格适合的应用环境有:石油钻探中的感应器,地震监测/预测中的感应器和监视器、灾难管理系统、战场命令系统。例如,在不同城市的科学家收集地震数据并使用并行算法来预测未来的地震活动;嵌入式军事超级计算应用,如坦克、卡车、飞机、船只使用无线网络连接起来,收集数据,传到网格上的其他结点,使用分布式算法来作出决策;紧急事件智能预报,如飓风,分散在各处的移动结点收集数据,传送给其他结点,并使用这些数据预测飓风的路径和强度。这些应用可在一个网格系统上执行,但数据资源分散在各个移动结点上,而且,这些移动结点空闲的CPU周期也可被利用。因此,在现代计算领域和移动网络系统中,移动网格计算会起着重要的作用。
1 移动网格计算系统结构及技术难点
  当前大多数网格结构和算法并没有把移动计算环境考虑在内,因为移动设备还没有被认真地考虑为合法的网格计算资源或接口。在网格计算环境中定位移动设备的角色,可以考虑两种,一是可作为同网格系统交互的接口,使用者可通过移动设备向网格要求服务,利用网格资源来完成任务,可远程监控任务的执行,并从网格中获得所要求的结果;另一种是把移动设备也作为网格的计算资源,可参与到网格的计算任务中,而不仅仅是网格服务的接收者。因此,移动设备要有效地嵌入到网格中,既可以作为要求网格服务的接收者,也可以作为网格服务的提供者。
  但由于移动设备本身的一些限制,可能会对它们集成到网格中产生一定的阻碍,如移动设备本身资源的贫乏(计算速度和内存),电池的问题,不可靠的连接性问题及安全性问题。但随着无线技术的进一步发展和研究的深入,一系列难题会迎仞而解的。如移动处理器的产生,Intel Mobile Pentium,Intel Celeron AMD-K6-2处理器,它们比桌面处理器工作电压低,功耗低,这样就延长了系统电池的寿命,这些移动处理器与现有软件兼容;对解决移动设备连接的不可靠性问题,也有解决方案的出现,如Sang-Min Park等人把移动结点连接的不连续性考虑在内[1],提出了一种新的调度算法。
  为了把移动设备融入到网格计算系统的体系结构中,并考虑移动设备本身的特性及在网格中的角色,可设计移动网格计算系统结构如图1所示。


  图中网格系统分为三个部分:静态网格站点、移动设备群、以及连接静态和移动资源的网关。移动设备可通过WLAN或远程蜂窝网络(如GSM、CDMA)连到因特网上。在移动设备和网关一侧,都需装有移动代理和服务代理。
  当移动用户提交任务,想获取网格计算系统的服务时,实际上是通过移动设备中的移动代理与网关中的移动代理进行交互,再由网关中的移动代理向网格系统提交任务。若网关中的移动代理侦测到移动设备与之连接中断,就负责作为移动设备的代理来完成与网格计算系统的交互,如监测任务的执行,输入必要的信息等。任务完成后,结果数据就暂时保存在网关中的移动代理中。一旦网关中的移动代理侦测到移动设备与之连接恢复,就把结果数据传给移动设备。
  当网格用户提交任务给网格系统时,移动设备群作为移动网格系统中的移动站点也可以参与到网格任务的计算中。这时,网关处的服务代理负责把分配给移动站点的任务进行分解,并根据分配算法把子任务分给各个移动设备完成(在移动网格中为移动站点设计任务分配算法,要充分考虑到移动设备的移动性和相较于有线设备的连接不可靠性,充分利用有限的移动资源,最大化它们的吞吐量),移动设备方的服务代理负责与网关处的服务代理进行交互,一旦网关处的服务代理监测到某移动设备中断通信,就把任务迁移到别的移动设备处执行,移动设备完成任务,就通过它的服务代理通知网关处的服务代理,把结果传出去。移动代理和服务代理共同作用,完成移动设备在网格计算系统的双重角色。
  把移动因素考虑在内,会产生一系列亟待解决的问题。
  ·移动设备有限的通信范围及它本身的移动性所造成的连接时断时续性问题,会造成移动设备与网格的连接中断。在有线网格中,这种状况可忽略,但在移动网格中,这种现象却不容忽视;
  ·安全方面的挑战是保证用户和服务提供者只执行授权行为,更具体的说:要确认用户的安全要求;在给定的时间内,根据用户的要求和网格的能力来协调网格的安全;还要开发一个统一的安全结构;
  ·设备的异构性问题,要解决各平台间的通讯,涉及到的平台包括客户端设备(iPAQ、Smart Phone和其他手持设备)和服务器端设备(Linux和Windows服务器)之间的通信;。
  ·移动网格的高可靠性和容错设计,它们是无线网格QoS的保证(设想移动网格上运行金融交易业务,用于战场战略决策的移动网格系统);
  ·移动网格的负载平衡问题,由于移动设备本身的特性,会因为无线连接中断等原因出现在短时间内大量移动设备资源急剧下降和故障修复后移动设备资源迅速上升的突发性状况,以及移动设备从一个服务区域移到另一个服务区域时的状况处理;
  ·移动网格中间件的设计,要考虑移动设备的多样性,服务的透明性,界面的一致性,提供给用户一种随时随地访问网格资源,进行工作、娱乐和连接功能。
  这些技术挑战在实现移动网格的过程中是必须要解决的问题,是移动网格走向成熟应用的关键。
2 移动网格目前发展状况及未来发展前景
  移动通信是近几年通信各领域中发展最快的领域之一。据全球GSM运营商联盟统计, 2003 年底GSM用户已达到9.7亿,其中新增用户1.8亿,共占全球新增用户的80%;又据移动通信的另一组织CDMA发展组织(CDG)宣布,2003年全球CDMA新增用户4200多万,增长率达29%,用户总量突破1.88亿;据ITU统计,2004年中期,全球移动用户总数已近15亿,占世界人口的四分之一,特别是发展中国家移动电话用户数量呈快速增长的态势。自2000年以来,发展中国家的移动电话用户翻了一番。至2004年中期,发展中国家的移动电话用户总数已经超过发达国家。中国信息产业部统计显示,截至2005年8月底,全国手机用户超过3.7亿户,比上年底增长3795.2万户。
  以上数据足以说明移动设备资源无比巨大并呈上升趋势,传统有线网格计算要充分利用这类资源,把传统网格计算的应用从科学领域向商业、政府、国防、民用领域扩展,实现真正意义上的全球网格计算。
  可以说,虽然目前已经有很多应用系统都采用了移动设备,但是,在软件开发方面、后台通信方面、信息共享方面并没有一个统一的规范,许多开发商处于各自为战的状态。如果将这些应用了移动设备的系统,用移动网格技术进行统一的话,将大大简化这些应用系统的开发和实施,并进一步推广网格技术的发展和普及[4]
  在国内,有不少高校已经参与了有关移动网格的研究,也制定了相应的构架。在国外,许多公司和机构都非常热衷于移动网格的研究,如Oracle、微软等。HP公司对移动网格也作了比较深入的研究,并制定了Grid lite构架。随着开放网格服务体系结构OGSA[8]和Web服务资源框架WSRF的提出,单纯面向科学活动的网格计算已经真正开始转向面向服务的信息网格。工业界开始积极参与网格研究并逐步起到主导作用。在工业界,以IBM、HP、SUN、Oracle等为代表的大型企业积极推出自己的网格计算方案和产品。
  在国外,有很多传统的网格项目,如美国的Cyberinfrastructure、英国E-Science计划、德国网格Deutschland Grid/D-Grid项目、亚太地区网格ApGrid等[5],其中与移动网格项目有关的,值得关注的项目有:
  2004年,欧洲委员会投资5200万欧元(6300万美元)用于研发项目SIMDAT,旨在推进其25个成员国之间的网格计算技术。其中大部分资金将投向四个项目:SIMDAT是运用数值模拟方法进行过程产品开发的数据网格技术,着重于汽车、宇航及制药行业。NEXTGRID着力于在未来十年内开发出一种新的网格计算体系。COREGRID则是为了将现有的网格研究团体聚合在一起。而AKOGRIMO[9]的重点则在移动通信及IPv6(互联网协议版本6)。全球信息网格GIG是美国军方支持的一个项目,主要应用于国家军事领域,它支持所有的防御部门、国防安全以及相关的智能社团。GIG提供来自所有操作场所的能力。这些场所包括基地、邮局、露营地、工厂、移动平台以及开发场地等,并提供各兵种协同作战能力;韩国信息与通信部支持的K*Grid[10]项目,它的目标是为工业和学术界提供一个强大的研究环境,在此项目中,对移动网格技术的研究构建在对大量移动设备的闲置资源进行利用,并开发一个移动网格平台,研究范围包括:对无线移动网络、设备和技术、无线网格需求的分析,基于PDA和无线LAN技术的移动网格平台的设计和实现。据解放军报报道,中国首家军事网格研究中心2004年5月28日在南京理工大学正式挂牌成立,它是由各种通信卫星、通信飞机、作战地域网等通信和计算机设施组成的广域分布、无缝连接、动态开放的互联网络,这是移动网格具体的应用。
  可以说,移动网格项目数量与传统有线网格相比要少得多,而且正在研究的初步阶段,还没有一个成熟的应用。但传统有线网格正逐步走向民用,下面是一个国内网格走向民用的一个例子。
  Gridmedia 网格媒体技术是清华大学网格传媒信息技术研发中心研发的具有自主知识产权的网络传媒技术。该技术大胆地将网格技术、Peer-to-Peer 技术和组播技术相结合,将网格计算与流媒体传输技术有机的结合起来,能够实现超大规模环境下的高质量音视频传输,并能广泛用于网络电视台、视频点播、视频聊天/会议、多媒体新闻发布、网络视频广告展示等多媒体信息服务。目前,Gridmedia与央视国际cctv.com联合推出Gridmedia公网测试版,用户只要下载Gridmedia引擎,就可用Windows Media Player收看CCTV1等5个台,画面很流畅,这是网格技术在中国第一次为平民大众服务的一个例子,虽然还处于测试阶段,还存在一些问题,但这是普通大众第一次领略了网格技术的魅力。而Gridmedia下一步的研究目标肯定是应用网格技术为广大的移动用户服务。
  网格以后的应用发展趋势是由从科学计算领域向商业、民用领域发展,为大众提供娱乐服务、医疗服务、计费业务、消息提醒业务、功能评估业务、数据挖掘业务、保险业务等,而要使传统网格的功能进行延伸,就不得不研究移动网格,使网格成为真正意义上的第三代互联网。
参考文献
1 Sang-Min Park, Young-Bae Ko, Jai-Hoon Kim, Disconne-cted Operation Service in Mobile Grid Computing. http://www.cs.virginia.edu/~sp2kn/paper/icsoc03.pdf,2005
2 M. Satyanarayanan. Fundamental Challenges in Mobile Com-puting. In Proceedings of the fifteenth annual ACM Sympo-sium on Principles of Distributed Computing, Philadelphia, Pennsylvania, 1996
3 Sang-Min Park, Young-Bae Ko, Jai-Hoon Kim. Disconn-ected Operation Service in Mobile Grid Computing. http://www.cs.virginia.edu/~sp2kn/paper/icsoc03.pdf,2005
4 移动网格变革服务.http://www.ccu.com.cn/houtai1/content.asp?newsid=1892,2005
5 ChinaGrid建设目标http://www.cutech.edu.cn/%5Cjiaoyux-inxihua%5C000132.asp,2005
6 Munehiro Fukuda, Koichi Kashiwagi,Shinya Kobayashi,AgentTeamwork: Coordinating Grid-Computing Jobs with Mo-bileAgents,http://depts.washington.edu/dslab/AgentTeam-work/doc/ateam.pdf,2005
7 BHAGYAVATI and Stan KURKOVSKY, Emerging Issues in Wireless Computational Grids for Mobile Devices.http://csc.colstate.edu/kurkovsky/Research/Grid/Pubs/SCI2004.pdf,2005
8 OGSA. http://www.globus.org/ogsa/,2005
9 AKOGRIMO项目. http://www.akogrimo.org,2005
10 K*Grid 项目. http://gridcenter.or.kr/MobileGrid/index.php,2005
11 T. Phan, L. Huang, C. Dulan. Challenge: Integrating Mo-bile Wireless Devices Into the Computational Grid.http://portal.acm.org/ft_gateway.cfm?id=570679&type=pdf,2005

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