網(wǎng)格技術(shù)

　　網(wǎng)格技術(shù)基本概念:
　　一家票務公司要銷售滾石樂隊的告別演出門票，IT部門經(jīng)理擔心，開始網(wǎng)上售票后，公司的服務器和軟件會不會不堪重負?但實際上該公司并沒有增加數(shù)十個服務器和存儲系統(tǒng)，有關(guān)IT人員只是擰開開關(guān)，將公司的骨干網(wǎng)與一個“網(wǎng)格”相聯(lián)。結(jié)果公司在3分鐘內(nèi)銷售了90萬張門票，沒有一個顧客因系統(tǒng)處理能力不足而被拒之門外。
　　上述情景并非可望而不可及。網(wǎng)格作為一種能帶來巨大處理、存儲能力和其他IT資源的新型網(wǎng)絡，可以應付臨時之用。網(wǎng)格計算通過共享網(wǎng)絡將不同地點的大量計算機相聯(lián)，從而形成虛擬的超級計算機,將各處計算機的多余處理器能力合在一起，可為研究和其他數(shù)據(jù)集中應用提供巨大的處理能力。有了網(wǎng)格計算，那些沒有能力購買價值數(shù)百萬美元的超級計算機的機構(gòu)，也能利用其巨大的計算能力。
　　計算的“烏托邦”？
　　Gartner公司的Rob Batchelder認為，網(wǎng)格的構(gòu)想一直是計算領(lǐng)域的“烏托邦”，在科技應用上雖有巨大前景，但最大的缺陷是缺乏明顯的商業(yè)應用。自20世紀90年代在歐美出現(xiàn)以來，網(wǎng)格主要被用于幫助分散的大學研究人員分析粒子加速器和巨型望遠鏡的數(shù)據(jù)。但在過去的兩年中，網(wǎng)格的概念和GlobusToolkit已在研究和教育領(lǐng)域得到廣泛應用，數(shù)十項全球性的大項目采用這些技術(shù)，以挑戰(zhàn)科學計算中的海量計算問題。
　　目前網(wǎng)格技術(shù)雖主要為學術(shù)機構(gòu)所控制，但企業(yè)也在陸續(xù)跟進。事實上，全球網(wǎng)格論壇（GlobalGridForum)的主要贊助企業(yè)就包括Unilever——一家以經(jīng)銷肥皂、冰淇淋著稱的企業(yè)。與許多正在研究和評估網(wǎng)格技術(shù)的企業(yè)一樣，Unilever自己對于如何利用此技術(shù)仍秘而不宣。而Johnson&Johnson與Merck等制藥公司、BMW與波音等制造企業(yè)卻已利用這一技術(shù)的處理能力和存儲空間進行仿真試驗，例如藥品能否保護細胞免受病毒侵襲？飛機機翼是否會在暴風雨中折斷？
　　基因研究是網(wǎng)格技術(shù)的自然應用，這一領(lǐng)域所需的投資很難由一家企業(yè)來承擔，生物科技企業(yè)可用網(wǎng)格技術(shù)來分析基因數(shù)據(jù);醫(yī)生可以用網(wǎng)格技術(shù)制作出病人器官的三維模型，作為診斷疾病的輔助手段;網(wǎng)格可以處理來自商店現(xiàn)金記錄或金融市場的數(shù)據(jù)流。其他行業(yè)，如航空、保險、運輸和國防，也會從中受益。如此看來，網(wǎng)格計算并非是可望不可及的烏托邦，其商業(yè)應用的廣闊前景就在眼前。
　　爭奪控制權(quán)
　　網(wǎng)格計算被譽為繼Internet和Web之后的“第三個信息技術(shù)浪潮”，有望提供下一代分布式應用和服務，對研究和信息系統(tǒng)發(fā)展有著深遠的影響。主要IT廠商早就為獲得網(wǎng)格計算的控制權(quán)展開了競爭。
　　Sun公司日前發(fā)布了“網(wǎng)格引擎”企業(yè)版5.3的測試版，使企業(yè)內(nèi)部的計算機網(wǎng)格更容易聯(lián)接，提供更好的管理和資源分配。網(wǎng)格引擎軟件提供了開放源代碼版本，自2000年發(fā)布到目前為止，共被下載了1.2萬次，共有11.8萬個CPU利用該軟件進行管理。Sun公司技術(shù)產(chǎn)品營銷經(jīng)理PeterJeffcock認為，網(wǎng)格計算有明顯的三個階段:群集網(wǎng)格、校園網(wǎng)格和全球網(wǎng)格，目前發(fā)布的GridEngine企業(yè)版5.3使Sun向功能校園網(wǎng)格邁進了一步。Sun還與競爭對手一起支持AVAKI與Globus等行業(yè)組織，積極參與網(wǎng)格計算開放標準的建立。
　　Microsoft的研究部門也參與了各項分布式計算研究項目，包括容錯遠程文件系統(tǒng)Farsite，以及建設(shè)分布式系統(tǒng)的Millenium；HP也表示將提供Coolbase軟件，使用戶可以通過Internet共享各種計算設(shè)備;Compaq宣布正在制定一個全球性的網(wǎng)格計算解決方案計劃，向?qū)で缶W(wǎng)格計算系統(tǒng)的客戶提供軟硬件和技術(shù)支持。為此，Compaq與加拿大PlatformComputing結(jié)盟，充分利用該技術(shù)，以及CompaqTru64UnixAlpha服務器系統(tǒng)和運行Linux的CompaqProLiant服務器，為用戶提供完整的、集成的、開放的網(wǎng)格解決方案。Compaq還建立了網(wǎng)格計算高級研究中心，繼續(xù)對該技術(shù)進行研究。日本的企業(yè)在網(wǎng)格計算方面也躍躍欲試。NTT宣布將于2002年中期開展為期6個月的網(wǎng)格計算試驗，參與者包括了Intel、SGI等。
　　今年8月，IBM宣布在網(wǎng)格計算領(lǐng)域投資40億美元，在全球建設(shè)40家數(shù)據(jù)中心，正式進入網(wǎng)格計算領(lǐng)域。IBM被英國政府選中，負責NationalGrid(國家網(wǎng)格)項目，這項預算達2500萬美元的網(wǎng)格會把8所大學的計算機相連。IBM目前正與美國的賓夕法尼亞大學合作，將數(shù)家醫(yī)院聯(lián)接，構(gòu)建一個復雜的計算網(wǎng)格。參與的醫(yī)院可快速利用遠方的醫(yī)療數(shù)據(jù)，并共享分析程序。日前，IBM還宣布了一項名為北卡羅來納生物信息科學網(wǎng)格的項目，涉及60家企業(yè)、大學和生物醫(yī)學研究公司，這是全球第一個主要由私營行業(yè)參與的網(wǎng)格項目。而此時距IBM進入網(wǎng)格計算領(lǐng)域僅僅3個月。看來IBM是要立志做網(wǎng)格技術(shù)的“領(lǐng)頭羊”。
　　那么，這一項目的實施是否標志網(wǎng)格計算已開始進入商業(yè)應用呢？
　　標準是成功關(guān)鍵
　　就像TCP/IP協(xié)議是Internet的核心一樣，構(gòu)建網(wǎng)格計算也需要對標準協(xié)議和服務進行定義。目前，包括Global Grid Forum、研究模型驅(qū)動體系結(jié)構(gòu)（Model Driven Architecture）的對象管理組織(OMG)、致力于網(wǎng)絡服務與語義WWW研究的W3C,以及Globus.org等標準化團體蠢蠢欲動。
　　今年7月，OMG、W3C、Grid Forum等標準化組織與來自學術(shù)、商業(yè)領(lǐng)域的人士出席了“軟件服務網(wǎng)格研討會”，加快全球大網(wǎng)格(GGG)標準的制定。接著，另一開放源代碼網(wǎng)格標準組織——Globus也集會研究通過廣域網(wǎng)聯(lián)接的高性能計算的基礎(chǔ)設(shè)施問題。Globus目前正致力于開發(fā)標準的網(wǎng)格架構(gòu)和其他技術(shù)。
　　迄今為止，網(wǎng)格計算還沒有正式的標準，但在核心技術(shù)上，相關(guān)機構(gòu)與企業(yè)已達成一致：由美國Argonne國家實驗室與南加州大學信息科學學院(ISI)合作開發(fā)的Globus Toolkit已成為網(wǎng)格計算事實上的標準，包括Entropia、IBM、Microsoft、Compaq、Cray、SGI、Sun、Veridian、Fujitsu、Hitachi、NEC在內(nèi)的12家計算機和軟件廠商已宣布將采用Globus Toolkit。作為一種開放架構(gòu)和開放標準基礎(chǔ)設(shè)施，Globus Toolkit提供了構(gòu)建網(wǎng)格應用所需的很多基本服務，如安全、資源發(fā)現(xiàn)、資源管理、數(shù)據(jù)訪問等。目前所有重大的網(wǎng)格項目都是基于Globus Tookit提供的協(xié)議與服務建設(shè)的。
　　除了標準以外，安全和可管理性、IT人才的缺乏也是網(wǎng)格計算亟待解決的一個問題，否則將無法成為企業(yè)的商業(yè)架構(gòu)。在內(nèi)部系統(tǒng)環(huán)境中常常視而不見的問題，如安全、認證和可靠性，在任何分布式環(huán)境下都必須得到解決。研究咨詢公司StencilGroup的合伙人Brent Sleeper認為:“這要求具有高層次的架構(gòu)技能，而不是簡歷上列出的編程語言。”如果把全球的網(wǎng)格都聯(lián)在一起，那么就能借用彼此未用的資源，網(wǎng)格就會更強大和靈活。雖然這也是網(wǎng)格的最終目標，但把網(wǎng)格聯(lián)在一起也會帶來政治問題。IBM為大學建設(shè)網(wǎng)格或Unilever建設(shè)內(nèi)部的網(wǎng)格都只是單純的IT決策，而將私有網(wǎng)格聯(lián)接，形成能力更大的共享網(wǎng)格，其中的風險卻大得多。在客戶需要時，相互競爭的網(wǎng)格提供商是否愿意出售彼此多余的資源？此外，網(wǎng)格應用常涉及大量的數(shù)據(jù)和計算，需要在各組織間共享安全資源，這不是當前的Internet和網(wǎng)絡基礎(chǔ)設(shè)施所能做到的�？磥碓诰W(wǎng)格計算實現(xiàn)商業(yè)應用之前，還有很多的問題需要解決。
　　然而，設(shè)想一下運用前所未聞的計算能力所能完成的工作，我們都會明白，構(gòu)建全球網(wǎng)格的前景幾乎是無法抗拒的。美國Argonne國家實驗室的科學家Rick Stevens指出：“就像最初的Arpanet成為Internet的中心一樣，就把Teragrid看做是形成全球網(wǎng)格中心的雛形吧！”
　　網(wǎng)格的商業(yè)應用
　　生物醫(yī)學：網(wǎng)格可提供藥品開發(fā)人員所需的計算能力，用以研究藥物和蛋白質(zhì)分子的形態(tài)與運動。
　　工程：波音、福特、bmw公司都在嘗試用網(wǎng)格計算進行復雜的仿真與設(shè)計。
　　數(shù)據(jù)搜集/分析：制造、石油加工、貨物運輸、甚至零售企業(yè)都要維護昂貴的設(shè)備，時常會出現(xiàn)問題，造成不好的結(jié)果。同無線傳感器一樣，網(wǎng)格能夠存儲和處理所有交易。
　　娛樂產(chǎn)業(yè)：特殊效果設(shè)計。
　　網(wǎng)格作為一個集成的計算與資源環(huán)境，能夠吸收各種計算資源，將它們轉(zhuǎn)化成一種隨處可得的、可靠的、標準的且相對經(jīng)濟的計算能力，其吸收的計算資源包括各種類型的計算機、網(wǎng)絡通信能力、數(shù)據(jù)資料、儀器設(shè)備甚至有操作能力的人等各種相關(guān)資源�！�
　　網(wǎng)格是借鑒電力網(wǎng)的概念提出的，網(wǎng)格的最終目的是希望用戶在使用網(wǎng)格計算能力解決問題時像使用電力一樣方便，用戶不用去考慮得到的服務來自于哪個地理位置，由什么樣的計算設(shè)施提供。也就是說，網(wǎng)格給最終的使用者提供的是一種通用的計算能力。
　　電力網(wǎng)中需要有大量的變電站等設(shè)施對電網(wǎng)進行調(diào)控，相應的網(wǎng)格中也需要大量的管理站點來維護網(wǎng)格的正常運行。網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)及資源的調(diào)控將更復雜，需要解決的問題也更多。因為網(wǎng)格所關(guān)心的問題不再是文件交換，而是直接訪問計算機、軟件、數(shù)據(jù)和其他資源。這就要求網(wǎng)格具備解決資源與任務的分配和調(diào)度、安全傳輸與通信實時性保障、人與系統(tǒng)以及人與人之間的交互等能力。網(wǎng)格提供的資源是隨時間動態(tài)變化的，原來擁有的資源或者功能，在下一時刻可能就會出現(xiàn)故障或者拒絕被使用，而原來沒有的資源，可能隨著時間的進展會不斷加入進來。
　　一、網(wǎng)絡的典型體系結(jié)構(gòu)
　　網(wǎng)格技術(shù)不斷地發(fā)展使人們逐漸地意識到了網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)的重要性。網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)用來劃分系統(tǒng)的基本組件，指定系統(tǒng)組件的目的和功能，說明組件之間如何相互作用，規(guī)定了網(wǎng)格各部分相互的關(guān)系與集成的方法�？梢哉f，網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)是網(wǎng)格的骨架和靈魂，是網(wǎng)格技術(shù)中最核心的部分。
　　1．五層沙漏結(jié)構(gòu)
　　五層沙漏結(jié)構(gòu)是一種早期的抽象層次結(jié)構(gòu)，以“協(xié)議”為中心，強調(diào)協(xié)議在網(wǎng)格的資源共享和互操作中的地位。通過協(xié)議實現(xiàn)一種機制，使得虛擬組織的用戶與資源之間可以進行資源使用的協(xié)商、建立共享關(guān)系，并且可以進一步管理和開發(fā)新的共享關(guān)系。這一標準化的開放結(jié)構(gòu)對網(wǎng)格的擴展性、互操作性、一致性以及代碼共享都很有好處。圖1為五層沙漏結(jié)構(gòu)的典型結(jié)構(gòu)圖。
　　五層結(jié)構(gòu)之所以形如沙漏，是由各部分協(xié)議數(shù)量的分布不均勻引起的�？紤]到核心的移植、升級的方便性，核心部分的協(xié)議數(shù)量相對比較少 (例如Internet上的TCP和HTTP)，對于其最核心的部分，要實現(xiàn)上層協(xié)議（沙漏的頂層）向核心協(xié)議的映射，同時實現(xiàn)核心協(xié)議向下層協(xié)議（沙漏的底層）的映射。按照定義，核心協(xié)議的數(shù)量不能太多，這樣核心協(xié)議就成了一個協(xié)議層次結(jié)構(gòu)的瓶頸。在五層結(jié)構(gòu)中，資源層和連接層共同組成這一核心的瓶頸部分，它促進了單獨的資源共享。
　　2. 開放網(wǎng)格服務結(jié)構(gòu)
　　開放網(wǎng)格服務結(jié)構(gòu)OGSA是Global Grid Forum4的重要標準建議,是目前最新也最有影響力的一種網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)，被稱為是下一代的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。OGSA的目的就是要將Grid的一些功能，更確切的說是Globus的一些功能融合到Web Service這個框架中。與前期網(wǎng)格不同的是，OGSA是面向服務的結(jié)構(gòu)，將所有事務都表示成一個Grid服務，計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡、程序、數(shù)據(jù)等都是服務，所有的服務都聯(lián)系對應的接口，所以，OGSA被稱為是以服務為中心的“服務結(jié)構(gòu)”，通過標準的接口和協(xié)議支持創(chuàng)建、終止、管理和開發(fā)透明的服務，其發(fā)展象征著Web Service的一個進步，結(jié)合目前的Web Service技術(shù)，支持透明安全的服務實例，OGSA有效地擴展了Web Service架構(gòu)的功能。五層模型與OGSA都相當重視互操作性，但OGSA更強調(diào)服務的觀點，將互操作性問題轉(zhuǎn)化為定義服務的接口和識別激活特定接口的協(xié)議。這一面向服務模型具有很多優(yōu)點，環(huán)境中的所有組件都是虛擬化的，通過提供一個所有Grid服務實現(xiàn)基礎(chǔ)的一致接口的核心集，可以使得分級的、更高級別的服務的構(gòu)建能夠跨多個抽象層以一種統(tǒng)一的方式進行處理。虛擬化還促使從多個邏輯資源實例到同一物理資源的映射，不考慮實現(xiàn)的服務組合，以及一個VO內(nèi)的基于低級資源組合的資源管理。正是Grid服務的虛擬化加強了通用服務語義行為無縫地映射到本地平臺設(shè)施的能力。
　　二、網(wǎng)格協(xié)議Globus工具包
　　由于現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)并不是針對網(wǎng)格計算設(shè)計的，為了使網(wǎng)格計算和現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)兼容，一個可擴展的中間件是必需的，也就是基于操作系統(tǒng)之上的網(wǎng)格管理軟件。在網(wǎng)絡化應用成為主流的時代，單機操作系統(tǒng)如NT、Windows等的地位已經(jīng)降低，網(wǎng)格管理軟件實際上是更高層次的網(wǎng)格操作系統(tǒng)，其核心技術(shù)主要是一體化的信息平臺、語義網(wǎng)站、智能代理和知識本體技術(shù)等。建立網(wǎng)格服務的協(xié)議與標準是網(wǎng)格發(fā)展的重點和難點。Globus項目是目前國際上最有影響力的與網(wǎng)格計算相關(guān)的項目之一，是來自世界各地關(guān)注網(wǎng)格技術(shù)的研究人員和開發(fā)人員共同努力的成果。它是圍繞四種主要活動來組織的：研究、軟件工具、實驗臺和應用程序。Globus對資源管理安全、信息服務及數(shù)據(jù)管理等網(wǎng)格計算的關(guān)鍵技術(shù)進行研究，開發(fā)能在各種平臺上運行的網(wǎng)格計算工具軟件，幫助規(guī)劃和組建大型的網(wǎng)格實驗平臺，開發(fā)適合大型網(wǎng)格系統(tǒng)運行的大型應用程序。Globus工具包是Globus最重要的實踐成果，它是一個開放源碼的關(guān)鍵Grid協(xié)議的參考實現(xiàn)，支持大量的主要的電子科學項目。該工具包基于開放結(jié)構(gòu)、開放服務資源和軟件庫并支持網(wǎng)格和網(wǎng)格應用，致力于安全、信息發(fā)現(xiàn)、資源管理、數(shù)據(jù)管理、通信錯誤診斷等問題。Globus的網(wǎng)格計算協(xié)議是建立在互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議之上的，以互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議中的通信、路由、名字解析等功能為基礎(chǔ)。Globus的協(xié)議分為5層：構(gòu)造層、連接層、資源層、匯聚層和應用層。上層協(xié)議可調(diào)用下層協(xié)議的服務。網(wǎng)格內(nèi)的全局應用都通過協(xié)議提供的服務來調(diào)用操作系統(tǒng)。Globus工具包包括網(wǎng)格安全、網(wǎng)格信息獲取與分布、網(wǎng)格資源管理及網(wǎng)格遠程傳輸?shù)葍?nèi)容，這些都是網(wǎng)格開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)和必須解決的重要問題。
　　三、網(wǎng)格核心技術(shù)
　　為解決不同領(lǐng)域復雜科學計算與海量數(shù)據(jù)服務問題，人們以網(wǎng)絡互連為基礎(chǔ)構(gòu)造了不同的網(wǎng)格，有代表性的如計算網(wǎng)格、拾遺網(wǎng)格、數(shù)據(jù)網(wǎng)格等，它們在體系結(jié)構(gòu)和需要解決的問題類型等方面不盡相同，但都需要共同的關(guān)鍵技術(shù)，主要有如下幾種:
　　高性能調(diào)度技術(shù) 在網(wǎng)格系統(tǒng)中，大量的應用共享網(wǎng)格的各種資源，如何使得這些應用獲得最大的性能，這就是調(diào)度所要解決的問題。網(wǎng)格調(diào)度技術(shù)比傳統(tǒng)高性能計算中的調(diào)度技術(shù)更復雜，這主要是因為網(wǎng)格具有一些獨有的特征，例如，網(wǎng)格資源的動態(tài)變化性、資源的類型異構(gòu)性和多樣性、調(diào)度器的局部管理性等。所以網(wǎng)格的調(diào)度需要建立隨時間變化的性能預測模型，充分利用網(wǎng)格的動態(tài)信息來表示網(wǎng)格性能的波動。在網(wǎng)格調(diào)度中，還需要考慮移植性、擴展性、效率、可重復性以及網(wǎng)格調(diào)度和本地調(diào)度的結(jié)合等一系列問題。
　　資源管理技術(shù) 資源管理的關(guān)鍵問題是為用戶有效地分配資源。高效分配涉及到資源分配和調(diào)度兩個問題，一般通過一個包含系統(tǒng)模型的調(diào)度模型來體現(xiàn)，而系統(tǒng)模型則是潛在資源的一個抽象，系統(tǒng)模型為分配器及時地提供所有節(jié)點上可見的資源信息，分配器獲得信息后將資源合理地分配給任務，從而優(yōu)化系統(tǒng)性能。
　　網(wǎng)格安全技術(shù) 網(wǎng)格計算環(huán)境對安全的要求比 Internet的安全要求更為復雜。網(wǎng)格計算環(huán)境中的用戶數(shù)量、資源數(shù)量都很大且動態(tài)可變，一個計算過程中的多個進程間存在不同的通信機制，資源支持不同的認證和授權(quán)機制且可以屬于多個組織。正是由于這些網(wǎng)格獨有的特征，使得它的安全要求性更高，具體包括支持在網(wǎng)格計算環(huán)境中主體之間的安全通信，防止主體假冒和數(shù)據(jù)泄密；支持跨虛擬組織的安全；支持網(wǎng)格計算環(huán)境中用戶的單點登錄，包括跨多個資源和地點的信任委托和信任轉(zhuǎn)移等。
　　網(wǎng)格研究最初的目標是希望能夠?qū)⒊�級計算機連接成為一個可遠程控制的元計算機系統(tǒng)（MetaComputers），現(xiàn)在，這一目標已經(jīng)深化為建立大規(guī)模計算和數(shù)據(jù)處理的通用基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)，將網(wǎng)絡上的各種高性能計算機、服務器、PC、信息系統(tǒng)、海量數(shù)據(jù)存儲和處理系統(tǒng)、應用模擬系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、儀器設(shè)備和信息獲取設(shè)備（例如傳感器）集成在一起，為各種應用開發(fā)提供底層技術(shù)支撐，將Internet變?yōu)橐粋�功能強大、無處不在的計算設(shè)施，最終實現(xiàn)資源共享和分布協(xié)同工作。網(wǎng)格的這種概念可以清晰地指導行業(yè)和企業(yè)中各個部門的資源進行行業(yè)或企業(yè)整體上的統(tǒng)一規(guī)劃、部署、整合和共享，而不僅僅是行業(yè)或大企業(yè)中的各個部門自己規(guī)劃、占有和使用資源。這種思想的溝通和認同對行業(yè)和企業(yè)是至關(guān)重要的，將提升或改變整個行業(yè)或企業(yè)信息系統(tǒng)的規(guī)劃部署、運行和管理機制。

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