摘   要： 探討了在以服務為中心的網格環(huán)境中分布式查詢的原理及其實現機制，介紹了傳統(tǒng)的數據庫技術在網格環(huán)境中部署和使用的方法，提出了分布式查詢引擎需要處理的問題及目前的解決方案。
關鍵詞： 分布式查詢  網格服務  OGSA

　　網格是近年來國際上興起的一種重要信息技術。它將高速互聯網、高性能計算機、大型數據庫、傳感器、遠程設備等融為一體，實現計算資源、存儲資源、信息資源、知識資源等的全面共享，消除信息孤島和資源孤島。簡言之，傳統(tǒng)因特網實現了計算機硬件的連通；Web實現了網頁的連通；而網格試圖實現互聯網上所有資源的全面連通。網格在動態(tài)變化的多個虛擬機構間共享資源和協(xié)同解決問題。
　　網格中的資源是分布式的，所以基于網格的查詢是分布式查詢。分布式查詢已被廣泛地用于數據密集型的應用程序，用戶關心的數據存放于多個位置，而且是異構的、分散的和自治的，因此需要提供一種集成數據資源的方法。網格資源的異構特性及其網格環(huán)境動態(tài)變化的特點給分布式查詢處理技術帶來了新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的技術已經不能滿足網格環(huán)境的需要。網格的基本功能(如對遠程數據和計算資源的訪問、動態(tài)資源發(fā)現、分配和監(jiān)控機制)為分布式查詢處理提供了技術基礎。網格服務的屬性（如注冊、元數據管理、通知機制、動態(tài)服務創(chuàng)建和生命周期管理等）與分布式查詢處理引擎的實現密切相關。
1  分布式查詢處理原理分析
　　圖1是一個典型的分布式查詢處理(Distributed Query Processing，DQP)機制的示意圖，在很多與分布式查詢處理相關的文獻中都可以看到。這個圖表示了二個階段的優(yōu)化，第一個階段是單節(jié)點優(yōu)化，第二個階段是多節(jié)點優(yōu)化。當一個查詢被提交以后，首先經過一個分析過程，分析器根據數據源的元數據信息進行類型和一致性檢查，將分析結果表示為一棵樹。然后將這棵樹提交到邏輯優(yōu)化器產生一個邏輯計劃，邏輯計劃表示成另外一棵樹，它的葉子節(jié)點與執(zhí)行查詢所需要的操作符相對應。通過物理優(yōu)化，邏輯計劃轉化成一個物理計劃（也是一棵樹）。因為一個邏輯操作符可能與很多個物理操作符相對應，需要使用代價模型選擇一個執(zhí)行時開銷可能最小的計劃。邏輯和物理優(yōu)化器組成了單節(jié)點優(yōu)化器并產生了一個連續(xù)計劃。在并行和分布式系統(tǒng)中，劃分和調度問題在優(yōu)化階段產生。為了最大程度地利用并行性，一個查詢計劃可能被劃分成多個子計劃，然后通過調度器分配機器資源。

　以上介紹了普通的DQP結構，下面結合網格的特點，給出在以服務為中心的網格環(huán)境中實現分布式查詢引擎（DQPE）必須滿足的一些條件。
　　(1)自適應性。網格環(huán)境中數據源的統(tǒng)計信息是不準確的，而且環(huán)境不可預測及易變，只根據編譯時得到的信息很難產生有效的查詢計劃。因此DQP引擎必須利用查詢運行時的信息并根據運行時環(huán)境的變化修改查詢計劃，也就是設計出具有自適應性的分布式查詢引擎。
　　(2)進度監(jiān)控。查詢進度的監(jiān)控是實現自適應性的基礎條件，并且必須解決基于OGSA（開放網格服務體系結構）統(tǒng)一的實現框架，否則無法在實際中應用。
　　(3)對數據庫中數據和元數據的標準訪問。在以服務為中心的體系結構中，數據源都被包裝為服務，查詢引擎需要訪問數據和元數據以獲得查詢優(yōu)化時所需要的信息。其中OGSA-DAI的GDS[5]就提供了對數據庫中數據及其元數據的一致訪問。
2  與DQP設計相關的網格服務屬性
　　OGSA為網格中的資源共享提出了一個以服務為中心的框架。OGSA首先為網格服務提出了一套約定和行為，一個有狀態(tài)的服務實例支持可靠和安全調用、生命周期管理、通知、策略管理和信任狀管理。網格服務規(guī)范也定義了動態(tài)創(chuàng)建服務實例和發(fā)現這些實例的接口。網格服務能維護元數據，而且支持對這些元數據的查詢。下面著重討論一些與分布式查詢處理引擎實現有關的網格服務屬性。
2.1 注冊和服務元數據
　　OGSA中的注冊機構擁有一個服務句柄（GSH）列表，每一個句柄擁有與這個句柄表示的服務有關的靜態(tài)元數據信息的一部分。一旦選擇了一個句柄，就可以進一步查詢與這個服務相關的更多的元數據。在分布式查詢處理中注冊的一個重要用途就是發(fā)現相關數據源的元數據。在查詢的分析和類型檢查階段，DQP引擎查閱這些數據源，根據實現的數據庫的模式、支持的查詢語言及其提交結果的格式等弄清功能。
注冊的另外一個用途就是DQP引擎需要發(fā)現監(jiān)控服務，它監(jiān)控網格上的計算資源，并提供有如處理器的數目、內存容量等的統(tǒng)計信息，還有像某一時刻某一節(jié)點處理器的負載、當前可用的內存、當前的網絡通信量等動態(tài)信息。
2.2 動態(tài)服務創(chuàng)建和生命周期管理
　　一個分布式查詢處理引擎應該能動態(tài)地利用網格上可用的機器分發(fā)和執(zhí)行一個個查詢子計劃，這就需要動態(tài)創(chuàng)建和部署能執(zhí)行這些子計劃的服務，并且必須使服務實例提交完任務之后能撤銷，從而釋放它所利用的資源。網格服務規(guī)范為Factory創(chuàng)建服務實例定義了端口類型和相關的操作，撤銷操作通過顯式的destroy操作或者通過軟狀態(tài)方法實現。
2.3 通知機制
　　網格服務的狀態(tài)信息會隨著系統(tǒng)的運行而發(fā)生變化。網格服務之間的許多交互要求動態(tài)地監(jiān)控狀態(tài)的變化。通知把一種傳統(tǒng)的發(fā)布（NotificationSource）和訂閱（NotificationSink)范式應用于這種監(jiān)控。網格服務支持一個接口，以允許其他網格服務訂閱進行變更。OGSA的通知接口為構建一個進度監(jiān)控系統(tǒng)提供了一個潛在的機制。
3  OGSA環(huán)境中的DQP實現機制
　　這一節(jié)主要介紹在基于OGSA的環(huán)境中執(zhí)行分布式查詢所涉及到的服務交互。
3.1 查詢分析和解釋
　　圖2中設計了四個主體元素：客戶（Client）、注冊機構(Registry)、分析器（Parser）和網格數據服務GDS(Grid Data Service)。Registry是由許多組織共享的一個虛擬組織注冊機構。在OGSA環(huán)境中，它包含了關于服務的大量信息。

　　從圖2中可以看出，客戶提交請求后，分析器為了獲得在類型檢查階段所需要的元數據信息，開始搜索與查詢相關的GDS。實際上，GDS句柄在DQP實例被創(chuàng)建時就已經可以得到。分析器訪問GDS，以獲得執(zhí)行任務所需要的更多的元數據。
3.2 單節(jié)點優(yōu)化
　　網格資源監(jiān)控服務（GRMS）通過圖3所示的注冊機構注冊，它部署在網格上并提供關于計算資源狀態(tài)的實時統(tǒng)計信息。分析器產生一個輸出并將其表示為一棵樹后，分布式查詢優(yōu)化器將查閱注冊機構以獲得在查詢中涉及到的GDS的元數據、可用計算資源的信息以及當前計算負載。計算資源信息對查詢計劃的產生也是必不可少的。

3.3 查詢計劃的調度和執(zhí)行
　　執(zhí)行者(Evaluator)是一個服務，它負責子計劃的執(zhí)行。執(zhí)行者工廠(Evaluator Factory)是一個永久服務，它實現了網格服務工廠端口類型（Grid Service Factory Port Type）。正如圖4所示：當優(yōu)化器使用從GDSs和GRMSs獲得的元數據產生了優(yōu)化的子計劃后，它要把這些子計劃分布到各個節(jié)點上執(zhí)行，其關鍵是子計劃與具體的機器資源的映射。優(yōu)化器根據它獲得的元數據信息及其查詢特征把Evaluators部署在網格中的多個節(jié)點上，這就需要動態(tài)地創(chuàng)建和部署Evaluator實例。OGSI提供了動態(tài)創(chuàng)建服務實例的機制。

3.4 查詢進度監(jiān)控
　　優(yōu)化器服務的內部部件也值得注意。圖5中解決的主要問題是基于進度監(jiān)控的自適應行為的處理。可以使用OGSA通知機制創(chuàng)建一個進度監(jiān)控框架。為了實現這個目標，優(yōu)化器應當實現OGSA 信息接收端口類型(Notification Sink Port type），并且應當有一個內部元件監(jiān)聽Evaluators發(fā)來的消息。Evaluators充當了一個信息源的角色。很顯然，進度消息的內容在這里很重要。對于這個通知消息需要有一個標準的模式，有利于優(yōu)化器產生有效的應答。

4  結束語
　　本文主要分析討論了在OGSA環(huán)境中實現和部署分布式查詢的工作原理與實現機制。在此研究工作中需要注意：DQP訪問數據時遵循一種標準、統(tǒng)一的方式；服務實例的創(chuàng)建、動態(tài)部署和生命周期管理對DQP的運行有重要的影響；查詢進度監(jiān)控的設計影響整個系統(tǒng)的性能。下一步的工作是研究查詢引擎的自適應性，深入優(yōu)化查詢服務。
參考文獻
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5   Krause A，Sugden T，Borley A.Grid Data Service.Technical  report，OGSA-DAI，2003.Document Identi_er：OGSA-DAI-USER-UG-GDS-v4.1，July，2003;6