面向航运的信息服务网格关键技术研究

论文摘要

以网络化信息技术为支撑的航运信息服务平台是现代航运服务模式的重要标志之一。航运信息服务平台以实现众多组织参与的、广域分布的航运信息资源交互与共享、系统集成为目标、以实现船舶、航道、货物等航运要素的动态信息适时交换为重点,建设一个面向航运全行业及社会公众的、集行业管理、运输组织及运输服务于一体的航运信息服务平台。其构建必须充分考虑已有系统和资源的有效利用,需要整合不同时期、不同类型和跨行业边界的异构系统；消除信息孤岛、实现系统间协同工作以及信息共享与交互；能够快速响应航运动态变化的业务需求和实现自由扩充；系统的扩展性和开放性、异构系统松耦合交互和节点动态性等问题。网格（Grid）技术提供了研究解决上述问题的有效途径。它将高速互联网、高性能计算机、大型数据库,传感器,远程设备以及各种航运资源融为一体,实现全面共享与互操作。而服务网格将Web Service体系结构与网格相结合,提出了“网格服务”的概念,用于解决服务发现、动态服务创建、服务生命周期管理等与临时服务有关的问题,从而保证了服务网格能够及时地响应与处理各种航运信息的服务请求,为存储于网格上的各种航运资源提供一种安全、高效的共享机制,使得各种异构和孤立的资源能协同工作,以一个整体服务于不同的应用,实现资源在跨组织之间应用的共享与集成。鉴于此,本文研究的重点是探讨将服务网格应用到航运信息系统,搭建灵活、高效、可靠和可扩展的航运信息服务平台。在构建了面向航运的信息服务网格体系结构的基础上对其中的关键技术,服务网格的任务调度和资源分配进行了分析与研究,为航运信息化的发展提供了新的思路和方向。为服务网格在航运信息系统进行进一步的应用研究奠定了坚实的基础。首先,本文分析了航运信息系统具有海量数据以及异构系统之间缺乏信息共享机制和协调机制等现实情况,并对现有的服务网格系统进行了探讨和研究。在OGSA和WSRF基础之上提出并构建了面向航运的信息服务网格体系结构。将服务模型融入到网格之中,网格中的节点基于服务的概念,应用程序被划分成更小的组件,大大提高了网格各个节点之间的松散耦合性能。同时由于每个节点的组件是基于服务的,可以方便的在节点与协调者之外建立节点与节点之间的通信,从而实现更加灵活的分布式、自由通信的结构。该体系结构充分考虑了网格的服务发现机制、策略机制、安全机制、资源管理机制和调度机制等多项功能模块的配置,使得网格用户能够快速的匹配到需要的服务,并在与系统内其它用户协调的基础上,在授权的范围内,能够优化服务,利用最优资源,实现自己的用户需求。满足了航运系统中各个异构系统和平台的共享和协作问题。文中对体系结构中的网格服务层结合航运信息系统进行了展开描述,通过模拟案例描述了为航运系统用户提供服务的流程。其次,本文分析了服务网格任务调度的目标和对当前各种任务调度算法进行了分析研究,考虑了面向航运的信息服务网格中支持复杂多目标的服务质量（QoS）控制和用户任务的关联性的特点,参考Buyya提出的调度策略,在已有的基于计算经济调度基础上,提出一种基于关联任务的多个QoS属性效用函数调度算法。把用户的多QoS的属性描述为效用函数,考虑到多个QoS属性很难同时满足,而且有些服务目标甚至相互冲突的问题,本文采取将多个效用函数进行折中考虑得出一个综合的总效用函数,并将其作为任务调度优化的目标函数来驱动动态资源调度,寻找效用最大化的任务调度。本文通过GridSim对该算法进行模拟,并与现有经典的DBC-T算法、DBC-C算法和DBC-CT算法进行了比较,结果说明,该算法可以权衡多QoS属性,而不是单独优化一个目标,反映了用户的最佳效用,并且相对于现有的任务调度算法具有更高的执行效率。最后,对于面向航运的信息服务网格中的资源分配,本文在引入微观经济方法的基础上运用博弈论对服务网格中的资源分配进行了进一步的研究。根据对现有的服务网格资源分配方法的研究,结合航运信息服务网格中所获取的信息具有动态可变的特点以及各个服务请求之间对资源的占有和使用也存在相互依存和相互竞争的关系,设计了一种双模式的网格资源分配模型,运用竞价机制,在网格资源丰富时,采用动态的序贯博弈模式,基于Nash均衡最优确定网格最优资源分配,同时为提供者确定最优售价；在网格资源稀缺时,采用竞价模式基于效用函数的效用最大化为网格服务请求代理分配资源。保证了服务网格资源在多个服务请求之间的有效分配。文中还对这个模型中的几个重要问题,例如,如何使得网格资源利用的最大化等进行了进一步的探讨。为服务网格中的资源有效分配提供了一个良好的应用解决方案和进一步研究的基础。将服务网格引入到航运信息系统构建面向航运的信息服务网格是航运信息系统研究领域的一个新思路和新方向,具有很好的发展前景。结合服务网格以及其它的一些智能化方法,可以很好的解决复杂航运信息系统中的海量数据、异构平台和信息共享等问题。但本文的研究只是对航运信息系统与服务网格相结合的初步探讨,限于时间和精力,主要针对面向航运信息服务网格的体系结构、任务调度和资源分配进行了较为深入地研究。还有一些更深入和具体的工作需要进一步的研究和探讨。在本文的最后,给出了服务网格在航运信息系统的应用所面临的问题和未来研究的方向。文中的内容、观点不免有疏漏、偏颇之处,敬请不吝指正

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 航运信息化
• 1.2.1 航运信息化现状
• 1.2.2 航运信息化面临的问题
• 1.2.3 航运信息化发展趋势
• 1.3 航运信息服务平台
• 1.3.1 航运信息服务平台的基本需求
• 1.3.2 现有系统集成技术的局限性
• 1.3.3 服务网格技术与航运信息服务平台
• 1.4 主要研究内容和组织结构
• 第2章 面向航运的信息服务网格体系结构
• 2.1 网格
• 2.1.1 网格概念
• 2.1.2 网格的发展
• 2.1.3 网格的基本功能模块和分类
• 2.1.4 服务网格研究进展
• 2.2 开放网格服务体系结构
• 2.2.1 虚拟组织
• 2.2.2 OGSA的服务接口
• 2.2.3 OGSA的服务模型
• 2.3 Web服务资源框架
• 2.3.1 WSRF技术规范
• 2.3.2 WSRF与OGSI的比较
• 2.4 航运信息服务网格体系结构
• 2.4.1 网格基础设施层
• 2.4.2 网格资源层
• 2.4.3 网格服务层
• 2.4.4 网格的策略层
• 2.4.5 网格的应用层
• 2.4.6 其它网格模块
• 2.5 航运信息网格服务示例说明
• 第3章 面向航运的信息服务网格的任务调度
• 3.1 任务调度概述
• 3.2 任务调度的目标
• 3.3 任务调度算法相关研究
• 3.4 基于多QoS属性效用函数的服务网格任务调度
• 3.4.1 基于QoS约束的服务网格调度管理系统
• 3.4.2 效用函数
• 3.4.3 基于多QoS属性效用函数的服务网格任务调度
• 3.4.4 任务描述及任务分组
• 3.4.5 基于关联任务的多QoS属性效用函数的调度算法
• 3.5 MUS算法模拟实验
• 3.5.1 网格仿真工具GridSim概述
• 3.5.2 实验资源模型
• 3.5.3 模拟实验结果及性能分析
• 3.6 小结
• 第4章 面向航运的信息服务网格的资源分配
• 4.1 网格资源管理特点
• 4.2 网格资源管理与分配的研究状况
• 4.2.1 传统网格资源分层管理与分配方法
• 4.2.2 基于代理的网格资源管理分配方法
• 4.2.3 基于经济学的网格资源管理分配方法
• 4.3 基于博弈论经济模型的网格资源分配
• 4.3.1 博弈论理论
• 4.3.2 资源分配博弈论模型
• 4.3.3 关于算法中一些问题的讨论
• 4.4 小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间公开发表论文
• 攻读学位期间参加的主要研究项目
• 致谢