CN102572958B - 一种适用于无线移动网格的资源组织系统及资源查询方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于无线移动网格的资源组织系统及资源查询方法，资源组织系统主要分为三个层次：本地节点内部资源信息层、虚拟舰队内部资源信息层和虚拟舰队之间全网资源信息层资源。资源查询时首先查询本地一级资源信息高速缓存，再选择查询二级资源信息高速缓存，最后本地主控指挥节点将向其他VF主控指挥节点按照广播发送查询请求。本发明充分利用无线移动网格节点间的无线通信系统特点和资源利用特点，将资源组织形式形成三层结构，并利用两级高速缓存机制达到高效的资源组织和资源属性查询。与现有技术相比，本发明大大降低资源组合和查询所需要的消息数，提高资源查询的效率以及资源组织和查询的抗毁伤性能。

Description

一种适用于无线移动网格的资源组织系统及资源查询方法

技术领域

本发明属于无线移动网格基础架构技术领域，具体涉及一种适用于通信带宽受限无线移动网格的资源组织系统与资源查询方法。

背景技术

无线移动网格利用网格技术将分布在广阔地域、且位置在不停移动中的网络节点通过无线通信系统无缝的连接起来，实现计算资源、存储资源、通信资源等网络资源的自由共享。并着眼于为用户构建网格化的应用信息基础平台，实现用户应用的网格化信息处理体系。

对用户而言，无线移动网格是一台虚拟的超级计算机，其具体的实现细节对用户是透明的，用户所关心的只是向网格系统提交任务请求，然后等待网格系统反馈执行结果，任务的具体调度策略，以及具体运行任务的节点则由网格系统自身去处理和分配。因此，从用户的角度出发，资源管理、任务管理和任务调度是无线移动网格的三大基本功能。资源管理要完成无线移动网格资源的组织、发现、监控和查询，向任务调度实时提供满足任务要求的可用资源列表；任务管理要完成用户任务的提交、撤销、删除、任务分解，为任务调度提供等待调度的任务列表；任务调度则负责对提交的待调度任务，依照一定的约束条件在网格可用资源列表中寻找合适的资源，在各网格节点之间为任务分配这些资源并执行任务、反馈执行结果。资源组织与查询是资源管理的核心技术，它利用不同无线移动网格节点间固定格式的交互信息，实时反映网格节点所拥有资源的可用状态，保持资源的某种结构化逻辑结构，为可用资源列表的生成提供资源属性的查询功能。

无线移动网格是网格技术在无线通信环境中的应用，具有普通网格的分布与共享性，自相似性，动态多样性，自治和管理多样性。五层沙漏模型也同样适合无线移动网格。但是，由于无线通信环境的特殊性，尤其当无线通信带宽受到一定限制的条件下(比如应急移动应用系统)，使其又具有和普通网格不同的特性，这些特性具体表现为网格节点间通信状态的多样性、网格节点运动状态的多样性、网格节点计算能力的多样性、网格节点逻辑组织上的多样性，这样的特性对通信带宽受限的无线移动网格资源组织与查询方法提出了较高的要求：

1)资源组织与查询方法要符合无线通信系统的特点

无线移动网格的应用能力在很大程度上受限于其依赖的无线通信系统的通信能力。各类可承载数据通信的无线通信系统的工作频段、覆盖距离、工作方式、通信带宽、性能指标等都有一定的差异，但从总体上看，视距范围内的通信，其带宽、误码率、连接质量、通信频率均高于中、远距通信，即节点间的通信概率具有地理范围内的聚合性，距离相近的节点之间的通信概率较高，通信质量容易保证，连通性较高，反之，距离远的节点之间的通信概率较低，通信质量不容乐观，连通性较低。同时，由于无线电波的传播特性，相对有线通信而言，无线通信系统的可靠性、持续性及通信速率都较低，而且容易受到外界环境变化和地形起伏的干扰，表现出一定程度的不稳定性。资源组织和查询方法必须能够适应无线通信系统的这些特性。

2)资源组织与查询方法要尽可能降低用于资源组织和查询的网络消息数量。

无线通信系统的带宽较有线通信系统低，尤其是通信带宽受限的无线通信系统，这类通信系统的通信速率低的只有几Kpbs，这样的通信环境要求资源组织和查询方法要尽可能的降低用于资源组织和查询的网络消息数量，以避免不必要的网络通信，节省无线带宽和无线信道资源为应用系统所用。

3)资源组织与查询方法要适应节点不断移动的动态性

由于不受电缆的连接限制，无线移动网格中的网格节点与其他网格系统中的节点相比较具有更广泛和自由的移动空间，动态性显著。某些节点可能处于不断的移动中，比如由车辆、船舶或飞行器承载的网格节点，节点地理位置和环境的改变会影响无线通信系统的工作，从而影响网格节点间的连接状态，使得网络拓扑结构发生持续性变化，资源组织和查询方法要适应这样的变化，能够根据节点移动的动态性进行自动调整和更新。

4)资源组织与查询方法要能适应不同应用规模的要求。

无线移动网格应用的规模可大可小，无线移动网格的资源组织模型要尽可能满足的不同规模的应用需求，即资源组织、查询的广度和深度可以调整，资源查询方法能够适应各种规模的应用，小到单独节点的独立资源共享，大到全网规模内的资源共享，由于无线通信的特点，尤其是应急条件下可能受到的损坏，当网格节点间的通信不能保证的时候，资源组织架构和查询方法要能在可连通的节点间重新组织资源，满足当前规模的资源共享要求，当通信恢复时，又需要根据要求进行调整，因此，资源组织方法是动态可调整的。

为了满足上述无线移动网格对资源组织和查询方法的要求，本发明提出一种适应无线移动网格通信环境、动态运动环境的资源组织架构和查询方法，该方法可以较低通信次数达到全网范围内的资源覆盖，具有较好的性能指标、工程可行性和发展前景。

发明内容

本发明提供一种适用于无线移动网格的资源组织系统及资源查询方法，有效解决无线移动网格环境下资源组织困难、资源属性信息查询困难，资源组织结构动态调整困难的问题。

一种适用于无线移动网格的资源组织系统，包括多个虚拟舰队VF，虚拟舰队VF包括主控指挥节点、备份指挥节点和成员节点，虚拟舰队VF内的任意两节点之间通过无线数据通讯网络连接，不同虚拟舰队VF之间的主控指挥节点通过无线数据通讯网络连接；所述成员节点存储有该节点提供给网格应用的资源属性信息和历史资源查询结果；所述主控和备份指挥节点存储有其所在VF内所有节点的资源属性信息和历史资源查询结果。

所述资源属性信息采用树形结构，树中的叶子节点为分组属性哈希散列表，且根据资源能力进行排序。

在所述的资源网络系统中的资源查询方法，包括以下步骤：

(1)查询节点查询其存储的历史查询结果，若历史查询结果中存在满足当前查询条件的资源属性信息，则返回查询结果，结束；否则，进入步骤(2)；

(2)查询节点向其所在VF的主控指挥节点发送查询请求；

(3)查询节点所在VF的主控指挥节点查询其存储的历史查询结果，若历史查询结果中存在满足当前查询条件的资源属性信息，则返回查询结果，结束；否则，进入步骤(4)；

(4)查询节点所在VF的主控指挥节点广播查询请求；

(5)收到广播查询请求的VF的主控指挥节点查询其存储的资源属性信息，返回符合查询条件的查询结果；

(6)收到查询结果的主控指挥节点将查询结果汇总后反馈给查询节点。

本发明基于创新性的虚拟舰队思想(Virtual Fleet，简称VF)和P2P消息机制，将无线移动网格资源分为三个层次进行组织，第一层为本地资源层，其特征为网格内资源通过网格节点内部的数据通讯网络互联(比如数据总线、节点内部局域网络等)，具有较好的网络可达性和传输速率；第二层为虚拟舰队内部资源层，其特征为虚拟舰队内部节点通过相对较高可靠性和传输速率的无线通信系统互联；第三层为全网资源层，其特征为不同虚拟舰队指挥节点集之间可通过长距离的无线通信系统互联，这些系统可靠性和通讯速率均无法得到充分保证。网格节点间利用P2P机制持续进行资源属性消息的转发和更新。

在上述的三层资源组织模式下，按照本地资源优先结合多级高速缓存的机制进行资源属性信息的查询和更新。从而满足无线移动网格资源管理服务的需求。

与目前网格资源组织和发现方法相比，本发明方法具有以下优点：

●较低的通信开销。保持网格节点间无线通信开销的最小化，尽可能减少需要通过无线传输系统传输的资源属性信息单元的数量。

●较高的抗毁伤性。在部分通信系统失效的情况下，依旧可以保持通信可达范围内的资源组织和查询，满足局部网格化应用的要求。符合功能可降级但不能出现功能失效的应急系统原则。

●支持动态优化和结构调整。虚拟舰队的规模可根据实际应用环境的需要进行动态调整，并根据通信系统的状态、节点工作状态进行自动切分或聚合。

●较高的资源属性查询效率。利用三层的资源组织形式，并在资源层间引入高速缓存机制可大幅度提高资源属性的查询效率。

附图说明

图1为网格节点组成示意图

图2为虚拟舰队思想框图；

图3为全网资源组织层次模型；

图4为本地资源组织结构示意图；

图5为VF主控指挥节点资源组织结构示意图；

图6为资源查询算法流程。

具体实施方式

1、虚拟舰队思想(简称VF，Virtual Fleet)：

虚拟舰队思想是本资源组织和查询方法的核心思想(见图2)。

虚拟舰队被定义为一个无线移动网格节点的集合，这些网格节点具有如下的特性：

(1)节点具有逻辑上的聚合性，服务于共同的应用；

(2)节点间没有复杂的多层从属关系，大部分节点在从属关系上具有相同的等级，而少数节点具有相对其它节点较高的权限，从属关系的层次小于等于2；

(3)节点间网格任务对资源的需求满足约80％的资源请求在这些节点间，约20％的资源请求在这些节点之外。资源需求上表现出一定的内聚性；

(4)节点之间有较为可靠的无线通信手段，即在任意T时刻，存在两个均匀分布的随机数T_start和ΔT_span，使得在[T+T_start，T+T_start+ΔT_span]时间段内节点间存在可靠的无线数据链接，在这条链接上可以保证无差错的完成数据传输。

每一个VF是包含两个子集合的集合，这两个子集合分别表示指挥节点集合(简称CN，Command Nodes)和成员节点集合(简称MN，MemberNodes)。

指挥节点集合CN由一个主控指挥节点(MCN，Main Command Node)和若干备份指挥节点(BCN，Backup Command Nodes)组成，主控指挥节点负责整个VF的管理，包括网格节点的加入、退出、安全性认证、权限控制、任务管理、信息管理及和其他VF的信息交互，主控指挥节点可以由VF内的成员通过一定的策略选举产生也可以由系统管理员指定产生，它应该具有足够的处理能力和通信能力。

备份指挥节点则负责保存主控指挥节点上负责VF管理的所有相关数据的副本，备份指挥节点之间以及备份指挥节点和主控指挥节点间应存在相对其它节点较高通信速率和可靠性的无线通信链路，用于实时备份管理数据，一旦主控指挥节点失效，则由备份指挥节点中的一个担任新的主控指挥节点，备份指挥节点可以由VF内的成员主动申请、由主控指挥节点指定或者由系统管理员配置指定。

成员节点集合由若干网格节点组成，这些网格节点担任一定的处理任务，在逻辑关系上从属于指挥节点，其上用于网格任务处理的资源由主控指挥节点负责调度，成员节点间也需要存在有效的无线通信链接，用于成员节点之间以及和指挥节点间的数据交互，对任意的成员节点MNi，和任意的指挥节点CNj，存在一条可靠无线链路，用于数据传输，这样所有VF内的节点均可以通过有限跳路由到达其他节点。VF内形成两层的逻辑控制关系，由主控指挥节点和备份指挥节点组成树根，而成员节点组成树的叶子，由主控指挥节点负责整成VF内的管理和控制。

不同的VF之间形成另一个控制域环境，这个控制域环境没有VF内较严格的逻辑控制关系，相对扁平化。每一个VF中的主控指挥节点负责代表整个VF和其他VF进行通信，该指挥节点必须具备到其他VF主控指挥节点的可靠无线通信链路。VF之间地位平等，不同VF的主控指挥节点形成对等关系，VF内的节点与另一个VF内节点的通信需要得到主控指挥节点的授权，如果两者间存在直接通信链路，则在授权后通信不再由主控指挥节点控制，否则必须通过主控指挥节点路由。

在无线移动网格中，以VF方式组织和使用资源符合应急网格系统环境要求。通过虚拟舰队的思想，一个大规模的应急网格应用系统可以由若干个VF组成，每一个VF包含一个网格应用组，网格应用组之间通过主控指挥节点通信，如果主控指挥节点间的无线通信遭到破坏，每一个VF可以独立的支持一定规模的处理任务，当通信恢复时又将重新开始协同计算。同时在VF内，如果无线通信受到影响，一个VF也可以被分裂成若干个新的VF，每一个新的VF产生新的主控指挥节点，并通过主控指挥节点负责和其他VF间的信息交互。当通信恢复时，又可以根据需要将不同规模的VF按需求合并成一个较大规模的网格应用组，通常这个组中的网格节点数控制在20-30个比较合适。

对于相对固定的网格应用子系统，若其节点间的通信相对良好，可以将整个系统看成一个大的VF，在这个VF内节点的数目可配置，不受无线通信系统的限定。这些网格节点可通过设定一个具备足够无线通信能力的子节点作为VF的主控指挥节点同无线通信环境中的其他VF进行信息交互与资源共享。通过以上的方式最终可形成覆盖多种应用和通信环境的全网资源组织体系。

本发明对网格节点的定义为对外统一提供资源共享服务的节点，至少包含无线数据通信设备、存储设备、处理器及提供共享服务的资源(见图1所示)。比如一个网格节点可以为移动终端、个人计算机，或者通过局域网连接在一起的若干台计算机，这些计算机统一对外提供资源共享服务，可视为单一的网格节点，但节点样式并不仅限于上述示例。

2、资源组织结构

根据虚拟舰队思想，本方法资源的组织将主要分为三个层次：本地节点内部资源信息层、虚拟舰队内部资源信息层和虚拟舰队之间全网资源信息层(图3所示)。

在本地网格节点内部资源信息层，主要包括两类资源信息，一类是网格节点自身能够提供给网格应用的资源属性信息，另一类是网格节点通过历史查询或被动监听方式获取的本VF内和不同VF间节点的历史资源属性信息，形成第一级资源信息高速缓存。资源信息采用树形结构，并结合本地HASH散列算法，利用分组属性散列表将不同类型的资源属性和约束条件存储在本地网格资源设备中，当本地节点收到查询请求时，根据目标所需资源的要求，按资源分类查询相应的散列表，如果找到合适的资源则反馈给目标节点，否则发送查询无效反馈。以上的两类信息均通过相同的组织方式进行存储和处理。

在虚拟舰队内部资源信息层，由主控指挥节点负责存储本舰队内的所有分类资源信息及历史查询中或被动监听方式获取的其他VF内分类资源信息，这些历史信息形成第二级资源信息高速缓存。本虚拟舰队内部的节点在加入VF时要通过主动上报协议将自己的资源属性发送给主控指挥控制节点，由主控指挥控制节点负责对VF中的所有资源信息进行汇总。同时，根据无线通信的状况，主控指挥节点可以通过向本VF内其它节点发送主动查询消息来获取VF内节点资源状态的变化，也可以由VF内节点主动上报状态变化消息来更新资源状态。主控指挥节点还将根据本VF内节点的能力分类汇总资源属性，并以统一的方式提供给其他VF查询。即将主控指挥节点作为代表整个VF处理能力的虚拟网格节点对外提供服务。从资源信息的组织结构上，主控指挥控制节点不仅具有普通VF成员节点的资源属性数据结构，还需要代表整个VF的虚拟资源数据结构。出于可靠性的要求，一方面在主控指挥节点上需要进行资源属性数据的镜像备份，另一方面，VF内其他指挥节点集合的成员需要保存和主控指挥节点一致的数据副本，一旦主控指挥节点故障，则由备份指挥节点接替主控指挥节点进行资源信息的查询和更新。

在虚拟舰队之间全网信息层，不同VF的主控指挥控制节点保存本VF的所有资源信息，通过P2P机制，这些节点将转发来自VF内部的资源查询请求，并响应其他VF主控指挥节点发送的查询请求，从而形成覆盖全网的资源组织模式。同时，备份指挥节点也可以在逻辑上形成多层次的资源信息副本，从而在一定程度上减少了由于主控指挥节点故障带来的可靠性问题。

3、资源信息的组织

1)本地网格节点上的信息组织

本地网格节点需要保存的信息为本地资源属性表。本地资源属性表用于按照资源属性树分组记录资源属性的具体数据，每一类资源按属性分成若干表结构，每一个表结构按照资源的能力大小排序，以方便根据资源的需求进行多属性复杂查询(如图4所示)。

2)VF指挥节点上的信息组织

VF中的主控指挥节点和备份指挥节点采用相同的信息组织方式以方便当主控指挥节点失效时备份指挥节点能够迅速的恢复对VF的控制。和普通成员节点相比，指挥节点不仅包括普通成员节点的相关信息结构，而且将对本VF内所有节点的资源信息按资源的分类属性进行汇总，每一类汇总信息按照资源的能力大小进行排序。

同时指挥节点将按资源分类生成一个虚拟的网格节点，汇总整个VF在该类资源上的能力，并保存该VF中最小能力的资源属性和最高能力的资源属性，以及平均的资源属性能力，以加快不同的VF中进行资源发现的处理速度。当接收到来自其他VF的资源查询请求时，主控指挥节点将根据这些信息判断本VF内是否具备提供服务的能力，并反馈结果给请求方。(如附图5所示)

4、资源属性查询方法

在以上的资源组织架构的基础上，一个相关资源的主动查询请求的具体流程如下：资源查询发起者首先查询本地一级资源信息高速缓存中的信息，如果找到合适的资源，则向这些资源所在的网格节点发送状态查询消息，如果该资源可用，且可满足任务对资源数量的要求，则查询结束，否则，向所在VF中的主控指挥节点发送查询请求，主控指挥节点首先查询二级资源信息高速缓存，若找到合适资源则向资源节点确认后返回查询结果，否则，查询本VF内的所有资源信息，如找到合适的资源则将结果发送给发起者，否则主控指挥节点将向其他VF主控指挥节点按照广播发送查询请求，各VF的主控指挥节点查询本地资源信息并反馈查询结果。由本地VF主控指挥节点汇总后转发给发起者。从而究成一次查询，在查询的过程中，相应的高速缓存将得到更新。(见附图4)

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种适用于无线移动网格的资源组织系统，包括多个虚拟舰队VF，虚拟舰队VF包括指挥节点集合和成员节点集合；

指挥节点集合由一个主控指挥节点和若干备份指挥节点组成，主控指挥节点负责整个虚拟舰队VF的管理，包括网格节点的加入、退出、安全性认证、权限控制、任务管理、信息管理及和其他VF的信息交互，每一个VF中的主控指挥节点负责代表整个VF和其他VF进行通信，该指挥节点具备到其他VF主控指挥节点的可靠无线通信链路；备份指挥节点则负责保存主控指挥节点上负责VF管理的所有相关数据的副本，备份指挥节点之间以及备份指挥节点和主控指挥节点间应存在相对其它节点较高通信速率和可靠性的无线通信链路，用于实时备份管理数据，一旦主控指挥节点失效，则由备份指挥节点中的一个担任新的主控指挥节点；所述主控和备份指挥节点存储有其所在VF内所有节点的资源属性信息和历史资源查询结果；

成员节点集合由若干网格节点组成，这些网格节点担任一定的处理任务，在逻辑关系上从属于指挥节点，其上用于网格任务处理的资源由主控指挥节点负责调度，成员节点间存在有效的无线通信链接，用于成员节点之间以及和主控指挥节点间的数据交互；所述网格节点的定义为对外统一提供资源共享服务的节点，至少包含无线数据通信设备、存储设备、处理器及提供共享服务的资源

在本地网格节点内部资源信息层，包括两类资源信息，一类是网格节点自身能够提供给网格应用的资源属性信息，另一类是网格节点通过历史查询或被动监听方式获取的本VF内和不同VF间节点的历史资源属性信息,形成第一级资源信息高速缓存；

在虚拟舰队内部资源信息层，由主控指挥节点负责存储本舰队内的所有分类资源信息及历史查询中或被动监听方式获取的其他VF内分类资源信息,这些历史信息形成第二级资源信息高速缓存；

在虚拟舰队之间全网信息层，不同VF的主控指挥控制节点保存本VF的所有资源信息，通过P2P机制，这些节点将转发来自VF内部的资源查询请求，并响应其他VF主控指挥节点发送的查询请求，从而形成覆盖全网的资源组织模式。

2.根据权利要求1所述的资源组织系统，其特征在于，所述资源属性信息采用树形结构，树中的叶子节点为分组属性哈希散列表，且根据资源能力进行排序。

3.在权利要求1所述的资源组织系统中的资源查询方法，包括以下步骤：

(1)资源查询发起者首先查询本地一级资源信息高速缓存中的信息，如果找到合适的资源，则向这些资源所在的网格节点发送状态查询消息，如果该资源可用，且可满足任务对资源数量的要求，则查询结束；否则，进入步骤(2)；

(2)查询节点向其所在VF的主控指挥节点发送查询请求；

(3)主控指挥节点查询二级资源信息高速缓存，若找到合适资源则向资源节点确认后返回查询结果，否则，查询本VF内的所有资源信息，如找到合适的资源则将结果发送给发起者，结束；若没找到，进入步骤(4)；

(4)查询节点所在VF的主控指挥节点广播查询请求；

(5)收到广播查询请求的VF的主控指挥节点查询其存储的资源属性信息，返回符合查询条件的查询结果；

(6)收到查询结果的主控指挥节点将查询结果汇总后反馈给查询节点。