关键词：校园网格，计费系统，资源置换
1 引言
美国阿岗(Argonne)国家实验室的资深科学家、美国网格计算项目的领导人，曾在1998年主编过题为《网格：21世纪信息技术基础设施的蓝图》的一本书。他这样描述网格：“网格是构筑在互联网上的一组新兴技术，它将高速互联网、高性能计算机、大型数据库、传感器、远程设备等融为一体，为科技人员和普通老百姓提供更多的资源、功能和交互性。互联网主要为人们提供电子邮件、网页浏览等通信功能，而网格功能则更多更强，能让人们透明地使用计算、存储等其他资源。”网格要把整个互联网整合成一台巨大的超级计算机，试图实现互联网上所有资源的全面连通，实现计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源的全面共享。互联网的第三次浪潮的实质，就是要将万维网（World Wide Web）升华为网格（Great Global Grid）。
随着教育信息化程度的提高，校园网上各种应用系统不断出现，如教务管理系统、设备管理系统、人事管理系统、办公自动化系统、招生就业系统、电子图书资料管理系统等，网络资源呈几何级数增长；另一方面， 校园网又是一个重要的教学及科研工作平台，信息时代的学习是开放式、协作式，学习者需要通过网络进行交流与合作，研究人员需要通过网络获取其所需的数据及计算能力等。但是由于网络和操作系统的异构性，不同的系统之间的数据共享比较困难，形成了一个个的信息孤岛。资源管理及互操作性也难以完成。[2]校园网格就是在大学校园中利用网格技术，实现校园内网络资源共享的一种应用。
与传统网络环境相比，校园网格计算环境极其复杂。校园网格结点就是网格计算资源的提供者，即各院系、部的各类资源，它包括校园网内的高性能服务器、集群系统、工作站、数据库、个人PC机、存储设备等。用户一般是学校的教职员工和学生，他们通过校园网格共享计算资源、信息资源、存储资源、教学资源等。网格资源的共享性是网格的目的，校园网格系统中资源的提供者也可能同时是使用者，计费解决方案也就显得更加复杂。基于校园网格的特殊性，必须建立一种合理的、适应校园网格特点的计费系统。以便更好地维护校园网格系统，随时掌握各系部及用户的情况，按照“谁使用，谁付费”的原则，向资源使用者进行适当的收费，以维护校园网格的正常运行，同时也有利于将来的发展。
2 计费方法的设计与实现
2.1 常用计费方法分析
设计计费系统时，先要确定计费规则，即根据哪些指标对用户进行收费。对于校园网格系统来说一般根据用户对系统资源的使用情况计费：
（1）根据用户CPU时间计费：由于用户作业实际是在校园网格计算结点上并行运行的，因此在用户程序执行完后，服务器收集每个网格计算结点上该用户作业的CPU时间，并将之求和，可得到每个用户作业的总CPU时间；
（2）基于会话的计费：其出发点是在网络层完成会话层的计费；
（3）所占存储空间计费：用户任务占用校园网格系统内存空间、硬盘空间大小；
（4）根据传输计费：在校园网格系统上传输数据费用和QoS费用；
（5）网络带宽消耗计费：高带宽和低带宽的收费是有差别的；
（6）基于内容的计费：用户使用数据需向数据资源的提供者支付的费用；
（7）其它资源消耗费。
2.2 资源置换抵账
与一般的计算网格、信息网格不同，校园网格目的在于将分布于校园网内的集群、高性能服务器、超级计算机以及计算软件等计算资源有机地聚集起来，通过Web方式为校园网用户提供方便实用的计算服务。一方面，校园网格结点就是网格计算资源的提供者，根据用户的实际情况进行适当的收费。另一方面，当需要使用他人的计算资源时，又变成了资源使用者，随之会产生费用问题。传统的计费方式不适合网格计算环境用户使用资源的特点。因此，需要在校园网格计费系统中设计一种策略使得用户相互利用资源的费用可以抵消，以提高资源提供者的积极性，充分发挥校园网格有限的资源、使其发挥最大效能。
3 校园网格计费系统设计
3.1 校园网格计费系统设计方案
合理的计费系统能使校园网格资源得到充分有效的利用，同时也能创造一定的经济效益和社会效益。本文提出的校园网格计费系统结构为图1所示，由若干进程模块组成，通过一个记账模块实现各进程间的数据共享和交换。
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图1 校园网格计费系统
（1）认证模块：给校园网格计算系统中的每个实体签发证书，实体包括资源或用户。通过证书来实现对实体身份的证明，证书由统一身份认证系统进行签发，表现为一段信息或一个文件，包括了证书拥有者的信息，证书的有效时间和认证模块的数字签名。对所有访问的资源和用户通过所持有的认证证书来鉴别身份，如果合法，才提交用户作业并进行资源计算。同时将认证信息记录到记账模块中。
（2）用户代理模块：当用户需要使用校园网格计算资源的时候，用户无需关心各类资源复杂的地理位置分布，只需向用户代理提出申请，然后将所需要的资源信息和计算的用户作业委托给用户代理模块，由用户代理模块代替用户完成安全认证、申请资源、执行计算、收集结果并传达给用户等工作。从用户提交一个作业到得到正确的结果，校园网格计算系统进行了大量复杂的工作，但对于用户而言，他不需要知道他所提出的用户作业是如何在网格中进行计算的，他只关心是否能在最短的时间内得到正确的作业运行结果。
（3）网格资源代理模块：通过各院系部服务器登记校园网格的各类资源，进行资源管理，确定并监测网格资源状况。当一组资源加入校园网格计算系统时，接到任务的各资源提供者根据资源需求量、供应量和负载情况为此任务估计一个总费用，并把结果告诉用户代理，用户代理把估计的费用告知用户。如果用户同意，则网格资源代理通知资源提供者开始执行任务。资源提供者将资源信息发送给资源代理模块，该资源代理负责这组资源的双向认证、以及分配和回收等工作。如果用户不同意此费用，网格资源代理可以与资源提供者协商，调整价格，或向用户提供可以完成作业的其它资源提供者。
（4）资源分配模块：负责资源的分配工作。资源分配模块从用户代理得到任务，向资源代理发送资源需求信息。网格资源代理收到分配服务通知后，将其所管理资源的信息发送给资源分配模块，并在资源更新的时候将资源的更新信息发送给资源分配模块。该模块对收到的资源信息进行整理，形成抽象的、逻辑的资源信息。作业完成后把任务结果交给用户代理，将用户于什么时段使用哪些资源的信息记录于记账模块中。资源分配模块是各模块间信息交流的核心。
（5）记账模块：记录及处理用户和资源的信息。认证模块把所有申请加入到校园网格计算系统的用户和资源的信息写入到记账模块，资源分配模块在完成计算后把提交作业的信息也写入到该模块。用户作业完成后，记账模块根据校园网格系统内各类资源消耗量，经过一系列计算，最后得到用户需要为该作业所支付的费用。记账模块每收到一条费用记录就把该记录，存入相应用户的账单统计表中，作为一个用户每月所需缴纳消耗资源总费用的一条记录。
（6）资源置换模块[4]：在每个月计费终止后，将各个用户的账单统计表取出并分析用户账单记录，发现用户既是资源使用者，同时也资源提供者，资源置换模块根据用户各条记录里的资源信息，计算出相应抵扣费用，修改用户计费统计表。在所有分析、修改工作完成后，生成新的账单，将各用户计费统计表交给记账模块。此时用户可以通过计费系统查询上月所用校园网格系统资源总费用。
3.2 数据库的设计与实现
记账模块数据库是是各个模块的数据源和数据归属，其应用将大大增强各功能模块的独立性和重用性。认证模块将用户和资源信息存人数据库；资源分配模块把提交作业的信息也写入到数据库；资源置换模块从数据库中取出数据，计算出相应冲抵费用，再将处理结果存入数据库。
在记账模块数据库中设计了3张表记录用户信息、资源信息、用户使用资源的信息。我们不仅要保证数据存储的方便快捷，更要保证数据的一致性和完整性，整个计费系统是由多个线程组成的，他们通过一个共享内存交换信息，由于多个进程要同时访问共享的内存区，就会产生共享访问的冲突。
（1）用户表，记录各个用户的用户名、密码、用户权限等详细信息，该表的主键值是user_id。
表1 用户表
字段 | 类型 | 宽度 | 含义 |
user_id | String | 16 | 用户名，用户登陆校园网格的代号， 唯一的索引和主键 |
user_password | Char | 16 | 用户登陆密码 |
user_type | Char | 1 | 用户类型，区分权限 |
usercer_id | String | 16 | 用户证书号，记录用户的认证信息 |
state | Char | 1 | 记录用户当前是合法的还是非法的 |
（2）资源信息表，记录各类资源的名称、资源消耗时间等信息，该表的主键值是res_id。
表2 资源信息表
字段 | 类型 | 宽度 | 含义 |
res_id | String | 16 | 资源代号，某个资源加入校园网格的代号， 唯一的索引和主键 |
res_type | Char | 1 | 资源类型，区分是普通资源还是专署资源 |
rescer_id | String | 16 | 资源证书号，记录资源的认证信息 |
in_time | Timestamp | 8 | 资源加入到校园网格计算的时刻 |
out_time | Timestamp | 8 | 资源退出校园网格计算的时刻 |
（3）用户资源映射表，记录各个用户每天的网络流量、上网时段等主要计费信息，数据处理主要是对此表内的信息进行处理。该表有两个候选关键字user_id， res_id。
表3 用户资源映射表