基于网格技术的仪器设备共享模型

摘要：文章提出了一种基于网格的仪器设备共享模型，能为提供超强的计算能力，将设备对用户透明化，并用一个实验实例来对模型进行论证。在面对更为复杂的实际情况时，对提出的模型进行修正，改进。
关键词：网格计算；模型；分布式计算

0 引言
    近年来，信息量存储越来越高、信息处理越来越复杂。而且，仪器设备的处理性能日益成为发展的瓶颈，很难得到突破性的提高。网格作为一种重要的基础设施，和其它的系统相比，具有分布性、自相似性、动态多样性(不可预测性)以及管理的多重性等特点。其可以实现跨平台、跨地域的资源整合，以解决复杂的大规模问题。网格在分布式超级计算、高吞吐率计算、数据密集型计算、数据资源共享等多个科学研究领域有着广泛的实践应用。基于此，我们提出了一种基于网格的三层结构的仪器设备共享模型。该模型利用分布计算技术，将目前分散、空闲的仪器设备的计算资源集中起来组成网格，实现了仪器设备的虚拟化、透明化与设备无关性，同时为用户提供超强的计算能力，用以满足高性能计算的需求。

1 仪器设备共享的模型
1．1 模型的提出
    网格计算资源，就像我们平时用电一样，我们不需要知道它是从那个地方的发电站输送过来的，也不需要知道该电力是通过什么样的发电机产生的，更不需要自己购买发电机，不管是水力发电，还是核能发电，我们使用的是一种统一形式的“电能”。通过这样的方式，用户不需要自行购买昂贵的高性能设备或者软件，只需接入网格系统就可以得到需要的计算资源。同时在满足用户需求的情况下，降低了用户维护设备仪器、软件维护与更新所需的成本。这里，我们将空闲的仪器设备的计算能力集中到了网格中，设计了一种三层结构的仪器设备共享模型。通过此模型，实现仪器设备的虚拟化、透明化，并为有高性能计算需求的用户提供超强的计算资源。
1．2 模型的介绍
    如图1所示，用户向主控机发出任务请求，主控机能够自动将任务递交给空闲的主任务机，若是主任务机都在忙碌状态，则请求放入等待消息队列。主任务机接受任务，将计算任务智能分解后分配到其资源池的计算单元进行计算，然后返回的计算结果由主任务机进行整合，整合后的最终结果由主控机接收，反馈给用户。

1．3 可行性分析
    (1)TCP／IP协议，为模型中主控机与主任务机，主任务机与计算单元提供了可靠的通信技术。
    (2)利用分布式计算可以实现网格资源池设备的共享与资源的整合，为协同计算提供了有效的技术支持。
    (3)当仪器设备接入网格时，通过socket接口向主控机发送上线通知，在主控机建立消息索引，成为网格中的一个单元，从而实现了网格资源池中的实时动态的接入。同时当仪器设备退出网格资源池时，发送下线通知给主控机，主控机端注销其索引。在运行时，主控机实时监测网格资源池中设备的运行状况，若出现无效资源，就注销其索引。从而实现了网格资源池中资源的动态管理。

2 理论模型的实验论证
2．1 实验论证方案
    需求：求解1到2000的阶乘的和。即S=1!+2!+3!+………+2000!。
    方案：
    (1)写一个求解阶乘和的代码(不考虑算法优化)，在传统模式下在用一台计算机运行程序，得出结果并记录耗时。
    (2)在仪器设备共享的模型中采用一台主任务机、一台计算单元的情形下，采用与第一步相同的算法运行求解问题，记录结果和耗时。
    (3)将计算单元依次增加到两台、三台到多台，其他实验条件不变，记录实验结果。
2．2 实验环境

    实验时在小型局域网内进行，网络间的连接良好，没有出现网络突然断开等异常现象。
2．3 实验结果及分析
    实验测试结果如表2所示。

    通过以上实验数据，我们可以看到在使用一个计算单元时，比一般情况下使用一台电脑进行计算耗时多，这是由于网格中信息传送、资源调度所消耗的时间。而当计算单元增加到两台、三台时总消耗时间明显减少，由此我们可以得出结论，此模式能实现仪器设备共享，提供预期的、强大的计算能力，满足用户需求。

3 模型的改进与前景
    本模型的资源整合功能将闲置设备资源充分利用，提供了强大的计算能力，实现了设备仪器的虚拟化。由于对设备资源的动态管理，网格资源池就像一台计算能力可持续增长的超级计算机。但是在复杂的实际应用环境中，主任务机与用户机计算单元往往相互重叠，其复杂度是理论模型不能解决的。
    理论模型中计算单元中，主任务机是固定的，所以在运行时，会有许多仪器设备处于闲置状态，造成了计算资源的大量浪费。鉴于此，该模型的计算能力还有很大的提升空间。
    为此对模型进行了改造，提出星型结构的仪器设备共享模型。

    由用户端向网格主控机提出需求，网格主控机根据资源池内闲置资源指定某个单元为临时的主任务机，临时的主任务机接到任务后，自行组织闲置资源作为计算单元，然后返回的计算结果由临时的主任务机进行整合，整合后的最终结果由主控机接收，反馈给用户，同时，临时的主任务机变为普通资源。此模型的任务中的用户、主任务机、计算单元都为网格中的某个单元。
    在星型结构中，我们可以看出主任务机、用户、计算单元之间的角色转换由主控机智能地进行，减少了仪器设备的闲置状态，接入网格中的单元也不是单一的角色，这样可以适应实际应用中复杂的情形。

4 结束语
    本文针对网格计算提出了解决的理论模型，并通过一个简单的实例进行论证。其实验结果表明此模型是可行的、高效的。我们通过深入分析，找出了此模型的不足，并针对这种不足，又提出了更为优化的星形设备共享模型。虽然这模型是实验室的一个雏形，但它展示了闲散仪器设备整合后提供的强大计算能力。它是现有单个资源不能满足越来越复杂的业务需求，越来越高的计算能力需求的解决方案。