（计算机应用技术专业论文）网格体系结构及其portal应用研究.pdf

摘要 摘要 网格是从电力网的概念借鉴过来的。网格的e l 的是要利用互联网把分散在不 同地理位置的电脑组织成一台虚拟的超级计算机，实现计算资源、存储资源、数 据资源、信息资源、软件资源、通信资源、知识资源、专家资源等的全面共享。 网格体系结构是关于如何建造网格的技术，包括对网格基本组成部分和各部 分功能的定义和描述，网格各部分相互关系与集成方法的规定。网格体系结构是 网格的骨架和灵魂，是网格最核心的技术，只有建立合理的网格体系结构，才能 够设计和建造好网格，才能够使网格有效地发挥作用。比较重要的网格体系结构 有五层沙漏结构，开放网格服务结构及其两种软件实现模型，这些结构的侧重点 各有不同，网格体系结构总体上正走向标准化和技术融合的趋势。 网格技术的发展在很大程度上在于其越来越广泛的应用。网格本身是复杂的， 但对于网格的使用者而言应该提供一种便捷的使用网格的方式，在这种情况下网 格p o r t a l 应运而生。网格p o r t a l 是网格系统的重要组成部分，它是连接网格用户和 网格系统的桥梁。通过网格p o r t a l ，网格用户可以访问各种网格资源，实现对网格 的各种操作。网格p o r t a l 为用户提供了基于浏览器的统一访问界面，降低了复杂网 格系统的使用难度，推动了各种网格应用的快速发展。 本文主要对网格体系结构和网格p o r t a l 应用进行研究。本文的安排如下：首先 概述了网格技术基本理论，接着重点讨论了典型的网格体系结构并进行对比，对 网格p o r t a l 设计所涉及的关键技术进行分析，最后基于实验环境对具体网格p o r t a l 的开发方法，网格编程技术进行了一些有益的尝试和探索。 关键词：网格体系结构，o g s a ，w s r f ，网格p o r t a l a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec o n c e p to f 鲥dc o m e sf r o me l e c t r i cn e t w o r k g r i do r i g i n a l l ym a k eu s eo f c o m p u t e r si nd i f f e r e n tp l a c e sa n dc o m b i n e t h e mt h r o u g hi n t e r a c tt of o r mas u p e rv i r t u a l c o m p u t e r , w h i c hp r o v i d es h a r i n go fs t o r a g er e s o u r c e s ，d a t ar e s o u r c e s ，i n f o r m a t i o n r e s o u r c e s ，s o f t w a r er e s o t t r c e s ，c o m m u n i c a t i o na n dk n o w l e d g er e s o u r c e sa n ds oo n t h ea r c h i t e c t u r eo f 鲥df o c u so nh o wt ob u i l da 鲥d ，i n c l u d i n gt h ed e f i n i t i o no f b a s i cc o m p o n e n t sa n dt h e i rf u n c t i o n ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne a c hc o m p o n e n t sa n d t h e i ri n t e g r a t e dm e t h o d g r i da r c h i t e c t u r ei st h es k e l e t o na n dc o r es k i l lo f 酣d ，i t s i m p o r t a n tt or e a l i z et h a to n l yb a s e do nar e a s o n a b l e 醉da r c h i t e c t u r ec a nw ed e s i g na s u i t a b l e 鲥da n dm a k ef u l lu s eo fi t i m p o r t a n tg 矗da r c h i t e c t u r ea r et h ef i v el a y e r s a n d g l a s ss t r u c t u r e ，t h eo p e n 鲥ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r ea n di t st w od i f f e r e n ts o f t w a r e i m p l e m e n t a t i o nm o d e l ，t h e yc o n c e f no nd i f f e r e n ta s p e c to f 鲥d g r i da r c h i t e c t u r ew i l l b e c o m es t a n d a r d i z e da n dt h ec o m b i n a t i o no f v a r i o u st e c h n o l o g i e s t oal a r g ee x t e n t ，d e v e l o p m e n to fg r i dd e p e n d so ni t sm o r ea n dm o r ee x t e n s i v e a p p l i c a t i o n t h ef a c tt h a t 鲥di ss o p h i s t i cc a l lf o rac o n v e n i e n tw a yb ep r o v i d e dt ou s e 鲥d i ti su n d e rs u c hc i r c u m s t a n c e 嘶dp o r t a lo c c u r r e d g r i dp o r t a li so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tp a r t so fa 鲥d ，i ti st h eb r i d g et h a tl i n k su s e r sa n d 嘶d ，t h r o u g hw h i c hu s e r s c a nv i s i tv a r i o u s 鲥dr e s o u r c e sa n dc o m p l e t ed i f f e r e n to p e r a t i o n s g r i dp o r t a lp r o v i d e s au n i f o r ma c c e s si n t e r f a c eb a s e do nw e b b r o w s e r ，r e d u c i n gt h ec o m p l e x i t yo fu s i n g 鲥d a n da c c e l e r a t e 鲥dd e v e l o p m e n t t h i sp a p e rm a i n l yd or e s e a r c ho n 酣da r c h i t e c t u r ea n dg d dp o r t a la p p l i c a t i o n ，i ti s b a l a n c e da sf o l l o w i n g f i r s t l y , i ts u m m a r i z e st h eb a s i ct h e o r i e so fg r i dt e c h n o l o g y s e c o n d l y , i td i s c u s s e st h ei m p o r tg r i da r c h i t e c t u r ea n dc o m p a r e se a c ho t h e r t h i r d l y , i t a n a l y z e st h ek e yt e c h n o l o g i e sa b o u tg d dp o r t a l f i n a l l y , b a s e do na ne x p e r i m e n t e n v i r o n m e n t , t h i sp a p e ra t t e m p t st os e e kt h em e t h o do fh o wt od e v e l o p 舒dp o r t a la n d p r a c t i c eg e n e r a l 蛳dp r o g r a m m i n gs k i l l s k e y w o r d s ：c r r i da r c h i t e c t u r e ，o g s a ，w s r f , g r i dp o r t a l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 盔如岛日期：d 耐年月7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 日期：如。占年阴9 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的目的和研究内容 近年来科学技术迅猛发展，商业应用，科学研究，工程项目等应用朝着高性 能，异构性，多功能性方向发展。许多大规模应用不仅需要更强的计算能力，而 且需要分布在异构环境中、异构机器上的不同科学设备或资源，从而完成这些大 规模的具有高度挑战性的应用。这些应用要求将地理上分布的各种高性能计算机， 数据服务器，大型检索存储系统和可视化虚拟现实系统等通过高速互连网络连接 并集成起来，形成对用户相对透明的虚拟的高性能计算环境。 网格( g r i d ) 概念产生于9 0 年代中期，是从电力网的概念借鉴过来的。网格的 目的是要利用互联网把分散在不同地理位置的电脑组织成一台虚拟的超级计算 机，实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、软件资源、通信资源、知 识资源、专家资源等的全面共享。传统互联网实现了计算机硬件的连通，w e b 实 现了网页的连通，w e b 服务实现了程序和程序之间的共享，而网格试图实现互联 网上所有资源的全面连通。网格希望用户在使用网格时，就如同现在使用电力一 样方便地使用分布在网络上强大而丰富的各种资源。 自从网格概念被提出，网格技术迅速发展，而其中网格体系结构对网格技术 的发展起着重要作用。网格体系结构，简单的说就是关于如何建造网格的技术， 包括对网格基本组成部分和各部分功能的定义和描述，网格各部分相互关系与集 成方法的规定，网格有效运行机制的刻画【l 】。显然，网格体系结构是网格的骨架 和灵魂，是网格最核心的技术，只有建立合理的网格体系结构，才能够设计和建 造好网格，才能够使网格有效地发挥作用。 网格技术的发展在很大程度上在于其越来越广泛的应用。网格本身是复杂的， 但对于网格的使用者而言应该提供一种便捷的使用网格的方式，在这种情况下网 格p o r t a l 应运而生。网格p o r t a l 是网格系统的重要组成部分，它是连接网格用户 和网格系统的桥梁，通过网格p o r t a l ，网格用户可以访问各种网格资源，实现对 网格的各种操作。网格p o r t a l 为用户提供了基于浏览器的统一访问界面，降低了 复杂网格系统的使用难度，推动了各种网格应用的快速发展。 本课题主要对网格发展过程中的网格体系结构进行研究，对网格p o r t a l 设计 电子科技大学硕士学位论文 的关键技术进行一定的讨论，并在实验环境中对网格p o r t a l 进行实际应用。通过 这一课题的实旌，笔者将深化对网格体系结构的认识，对网格编程技术，网格 p o r t a l 的开发进行一些有益的尝试和探索。 1 2 国内外研究现状 目前，国外的网格研究主要在美国和欧洲。美国政府用于网格技术基础研究 经费则已达5 亿美元。美国军方正规划实施一个宏大的网格计划，叫做“全球信息 网格( g l o b a li n f o r m a t i o ng r i d ) ”，预计在2 0 2 0 年完成。作为这个计划的一部分， 美国海军和海军陆战队已启动了一个耗资1 6 0 亿美元历时8 年的项目，包括系统 的研制、建设、维护和升级。 美国的p a c i 计划支持以加州大学圣地亚哥分校和伊利诺宜大学两个国家超 级计算中心牵头的两支研究队伍开展网格的研究。项目自1 9 9 7 年至2 0 0 2 年，经 费3 6 亿美元。参与研究的有美国1 0 0 多家国家实验室、大学和研究机构。该计 划的任务包括建立网格计算和数据资源，开发网格软件工具，开展网格应用试验， 培养网格人才。作为p a c i 的后继，美国国家科学基金会在2 0 0 1 年8 月又宣布了 “分布式万亿级设施”( d i s t r i b u t e dt e r a s c a l ef a c i l i t y d t f ) 的科研项目，简称 t e r a g r i d 。项目为期三年，经费5 3 0 0 万美元。在阿冈国家实验室和加州理工学院 建立新的网格结点，使网格结点数从p a c i 计划的2 个扩展到4 个。t e r a g r i d 提 供每秒1 4 万亿次的计算能力和4 5 0 万亿字节的存储能力，是世界上第一个从设计 开始就面向网格的广域超级计算平台。2 0 0 3 年又启动了“增强分布式万亿级设施” ( e n h a n c e dd i s t r i b u t e dt e r a s c a l ef a c i l i t y - e d i t ) ，项目将延续到2 0 0 5 年，其使命 是加强现有的d t f 软件和硬件，测试大规模应用，为用户提供更为广泛的接入。 英国的e - s c i e n c e 计划总经费2 5 亿英镑，是多年来英国政府支持的最大的研 究计划。英国政府对此十分重视，把它作为改变英国科学研究现状的重大举措。 e s c i e n c e 意味着通过全球分布协作，使用海量数据集合、万亿次级的计算资源和 高性能的可视化提高科学研究效率。其第一期计划从2 0 0 1 年到2 0 0 4 年，经费1 2 亿英镑。第一期核心研究计划建设了伦敦、剑桥、牛津、南安普敦等1 3 个e s c i e n c e 中心和伯明翰，瓦威克建模中心、布里斯特尔媒体技术中心等7 个优势中心，有超 过8 0 个企业参与了核心研究计划。e s c i e n c e 的第二阶段( 2 0 0 3 年2 0 0 6 年) 从 2 0 0 3 年起开始实施。核心研究计划将突出网格中间件和e s c i e n c e 网格的建设。 欧洲数据网格( e u r o p e a nd a t a g r i d - e d g ) 是一个国际性大型研究和技术发展 第一章绪论 项目，于2 0 0 0 年1 2 月由欧盟提供一千万欧元资金启动，项目完成期限为3 年。 主要针对高能物理应用，解决海量数据的分解存贮和处理问题，提供一种突破地 理局限，允许分布在世界各地的工作者交互、共享数据和设备，共同开展科学研 究的合作环境【2 】。 在网格p o r t a l 的研究上，国外主要的项目有： ( 1 ) a s t r o p h y s i c ss i m u l a t i o nc o l l a b o r a t o r yp o r t a l ( a s c ) 项目 a s t r o p h y s i c ss i m u l a t i o nc o l l a b o r a t o r y ( 简称a s c ) 是由美国自然科学基金“知识 和分布式信息”专项资助的项目，目标是开发一套天体物理方面的协同计算环境。 而a s cp o r t a l 是a s c 项目中的核心组件，起初的开发目标是方便地理上分布的 研究者共同使用a s c 协同计算环境所提供的天体物理软件和网格系统资源。实际 上a s cp o r t a l 是一个典型的面向应用的p o r t a l ，它与应用紧密相关，开发内容包 括许多具体的网格应用。 佗) g r i d p o f t 项目 g r i d p o r t 是一套服务、脚本和工具的集成，使用户能够通过w e b 方式获取后 端的计算网格资源【3 】。它主要是基于g l o b u s 系统和c g i ，p e r l 等标准w e b 技术开 发的，能够提供底层架构和安全方面的一致接口。g r i dp o r t 被设计为一个开放的 平台，这体现在它允许其他应用的开发者和计算科学用户使用g r i dp o r t 的服务并 建立自己的接入网页。 ( 3 ) g r i d p o r t a ld e v e l o p m e n tk i t s ( g p d k ) 项目 g p d k 最初是由美国能源部的网格研究项目的子项目。由于g p d k 的开发者 意识到，网格应用发展的关键在于使计算科学领域的科学家，研究人员和高性能 计算、高性能应用的用户能够通过网页接口轻松的获取资源，因此他们将g p d k 定位于一系列的网格接入组件。其他的p o r t a l 开发者可以使用这些组件来建立自 己的网格接入网站，对要使用网格资源的用户进行安全认证，显示从远端数据库 上获取的静态资源信息，帮助用户采取更好的资源调度策略。总之，g p d k 提供 了一个网格p o r t a l 二次开发的环境。 ( 4 ) g r i d s p h e r e 项目 g r i d s p h e r e 提供一个基于p o r t l e t 的高级开放源代码门户。g d d s p h e r e 是在欧 盟提供基金的g r i d l a b 项目下开发的，提供了一个非常复杂的门户，该门户为 各种终端用户提供高度定制的环境。p o r t l e t 模型向用户提供了一个灵活易用的接 口，并向门户开发人员提供了一个模型，用于创建可插入的和动态的应用程序支 持【4 j 。 电子科技大学硕士学位论文 在国内，我国科技界自2 0 世纪9 0 年代中后期就开始密切关注国外相关领域 的动向，并及时开展跟踪研究。 2 0 0 2 年4 月，十五8 6 3 重大专项“高性能计算机及其核心软件”研究项目启 动。项目周期为2 0 0 2 年2 0 0 5 年，计划经费1 亿人民币。该项目的总体目标是建 设新一代国家信息基础设施试验床中国国家网格( c h i n a n a f i o n a l g r i d ，简称 c n g r i d ) ，提供高性能计算、资源共享、协同工作的能力，在科学研究、环境资 源、制造业、服务业中建设若干大型的行业应用网格。研制面向网格计算，具有 良好的应用开发环境的高性能计算机，装备网格结点，促进我国高性能计算机的 研究和产业化。在网格体系结构、网格软件、网格应用技术、网格服务模式、网 格安全以及网格管理和运行机制等方面突破一批关键技术，在网格技术方面达到 世界先进水平，大幅度地提高我国的综合国力和国际竞争能力。 2 0 0 2 年底，上海市宣布将投入两个多亿，建设e i n s t i t u t e ，其中网格是重点， 将把上海交大、复旦、华东理工等多所重点高校用网格整合起来，共享资源，协 同教学科研。清华大学教授、上海大学计算机学院院长李三立院士担任网格主题 的首席科学家。 另外教育部也对网格研究进行大力支持。早在2 0 0 0 年，教育部就支持李三立 院士进行先进计算基础设施a c i 北京上海试点工程，取得阶段性成果。教育部希 望百所重点高校拥有千亿次级别的高性能计算机，以提高科研水平，并在此基础 上建设一个覆盖全国主要高校的教育网格。 目前已经完成或正在进行的网格研究项目有： 8 6 3 计划支持的“中国网格( c h i n ag r i d ) ”建设，有多家单位参加。 “上海教育科研网格”，多所上海的大学参加 “织女星网格”，由中科院计算所领衔开发 “地质调查网格”，由国家地质调查局承担 “数字林业网格”，中国林科院资源信息研究所承担 “科学数据网格”，依托分布在全国4 0 多个研究所的科学数据库，由中科院 计算机网络信息中心承担 在网格p o r t a l 项目上，有中国科学技术大学翰海网格平台网格p o r t a l 研究等 另外，全国还有几十所大学和研究机构已经开展各种网格研究。 第一章绪论 1 3 作者的主要工作 在论文写作期间，主要对网格、网格体系结构、网格p o r t a l 应用等几个方面 进行研究，本文的主要工作和创新在于： 五层沙漏、o g s a 网格体系结构分析 t b o g s a 软件实现模型从o g s i 向w s r f 的对比研究 网格p o r t a l 设计所涉及的关键技术研究 基于w s r f 的网格编程技术分析和应用 文件浏览功能网格p o r t a l 应用开发 网格计算功能网格p o r t a l 应用开发 基于o g s a - d a i 的网格数据访问及其p o r t a l 应用实践 1 4 本论文的章节安排 全文共分七章。 第章是绪论，介绍本论文的研究目的和研究内容、国内外研究现状、作者 的主要工作和论文的章节安排。 第二章介绍网格技术的一般知识。 第三章介绍网格体系结构的发展，详细探讨了五层沙漏结构，开放网格体系 结构，基于w e b 服务资源框架的新一代网格结构。 第四章介绍p o r t a l 和p o r t l e t 技术，j s r l 6 9 规范。 第五童是对网格p o r t a l 设计中所涉及的主要问题做一个分析。 第六章详细讨论了网格p o r t a l 的三个应用场景，包括一个文件浏览服务， 个网格计算服务和一个基于o g s a d a i 的数据集成服务，对网格服务的编程模式 也进行一定的探讨。 第七章是全文工作总结以及进一步的工作展望。重点介绍了本文作者在傲硕 士论文期间针对所涉及的课题而产生的些思路和想法。这也是本文作者今后进 一步工作的方向和考虑的重点。 网格技术是与多学科有联系的很新的领域，网格p o r t a l 及其应用研究落围十 分广泛，许多新的理论和实际问题还有待进一步解决，新的挑战层出不穷。作者 从事网格研究的时间不长，理论知识和实践经验欠缺，在文中难免存在不少缺点 和不足之处，敬请读者批评指正。 和不足之处，敬请读者批评指正。 电子科技大学硕士学位论文 2 1 网格产生的背景 第二章网格技术简介 最初的网格技术，来源于9 0 年代初美国政府资助的大规模高性能计算研究项 目分布式超级计算( d i s t r i b u t e ds u p e r c o m p u t i n g ) 或元计算( m e t a e o m p u t i n g ) 。这 类项目的目标是将地理上广泛分布、系统平台异构的多种计算资源，用高速网络 连接起来，形成虚拟的超级计算平台，获得前所未有的处理能力，用于解决诸如 飞行器数字模拟、核爆炸模拟、天体运行模拟、虚拟现实和高分子材料分析等需 要超强计算能力的科学和工程问题。与传统的分布式计算相比，这类系统具有更 复杂的特征，如动态扩展性、系统多层次的异构性、结构的不可预测性、动态和 不可预测的系统行为、多级管理域等。这些问题的解决，需要一种新的技术，从 整体上来管理系统的运行。网格就是作为这样一种技术被提出的，它作为“粘合” 中间件，来实现系统的用户管理、资源信息管理、作业管理和安全认证管理等功 能，保障计算系统的可靠运行。同时，这类系统也开始被称为网格( c r d d ) 或计算网 格( c o m p u t i n gc , r i d ) 。 随着网格应用发展的需要，人们将网格资源的类型进一步扩展，将一些广泛分 布的贵重仪器和大型设备，也加入到网格系统中，实现这些设备的远程共享，提 高它们的使用效率，扩大它们的应用范围。例如，由美国能源部资助的x p o r t 项目， 其目标是让远程使用科学仪器达到前所未有的方便程度。它使用的是几个高亮度x 射线结晶学设备，能提供远程仪器使用规划、仪器操作、数据获取、筛选和分析 等功能，从而实现巨型分子晶体结构的分布式设计和实施。x p o r t 带来的明显好处 是：一方面它大大缩短了研究时间，提高了设备的利用率，使普通的科技工作者 能够用上先进设备；另一方面它提供了一个协同研究的平台，使研究能够以团队 的方式开展，为交叉学科研究创造了条件。 与此同时，欧洲原子能机构( c e r n ) 也开展了与网格相关的项目研究。与美 国的计算网格不同，他们主要面向的是数据密集型计算应用，更侧重于数据的存 贮、传输和处理。这方面的典型应用背景包括粒子物理研究、生物与医学研究和 地球卫星数据处理。这些应用的共同之处在于，面对的都是海量数据。而解决这 一问题的途径就是建立数据网格( d a t ag r i d ) ，将大量数据分散到全球各地的计算 第二章网格技术简介 机上进行分布式处理，由世界各地的专家共同研究。 2 2 什么是网格 从广义上讲，网格就是一个集成的计算与资源环境，或者说是一个计算资源池。 网格能够充分吸纳各种计算机资源，并将它们转化为一种随处可得的，可靠的， 标准的同时还是经济的计算能力。除了各种类型的计算机，这里的计算机资源还 包括网络通信能力、数据资料、仪器设备甚至是人等各种相关资源。 从狭义的角度讲，网格被称为计算网格( c o m p u t a t i o n a lg r i a ) ，即主要用于解决 科学与计算问题的网格，它的资源指的仅是计算机资源。 网格计算( g a dc o m p u t i n g ) 是指基于网格问题的求解，它将分布的计算资源组织 起来协同解决复杂的科学与工程计算问题。网格计算的概念是研究人员为了解决 当今的一些科学难题而提出的，它是一种利用互联网或专用网络把地理上广泛分 布的各种计算资源互连在一起的技术，这些计算资源包括超级计算机、计算机集 群、存储系统和可视化系统等。 认为网格就是仅仅把计算机，人，仪器，数据等连接起来的观点是过时的，它 过分强调了物理的网络和离散的网格资源，而没有将它们作为一个有机统一整体 来看待：把网格简单的等价于中间件系统，这种观点也是不全面的，它过分强调 了网格逻辑上的功能。物理资源本身和对资源的管理与逻辑上的抽象都是十分重 要且密不可分的，它们是网格环境的两大核心组成要素。 图2 一l 网格资源、网格管理与网格环境三者间的关系 对于网格概念的定义，全世界有很多争论。全球网格研究的领军人物、美国阿 ( a r g o n n e ) 雪家实验室的资深科学家、美国o l o b u s 项目的领导人i a nf o s t e r 曾在 电子科技大学硕士学位论文 网格：2 1 世纪信息技术基础设施的蓝图一书中这样描述网格：“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，让人们透明地使用计算、存储等其他资源。”1 5 2 0 0 0 年，i a nf o s t e r 在网格的剖析这篇论文中把网格进一步描述为“在动 态变化的多个虚拟组织问共享资源和协i 司解决问题。”至此，人们仍然就什么是网 格而争论不休。 2 0 0 2 年7 月，i a nf o s t e r 在什么是网格? 判断是否网格的三个标准一文 中，限定网格必须同时满足三个条件：( 1 ) 在非集中控制的环境中协同使用资源； ( 2 ) 使用标准的、开放的和通用的协议和接口( i a n f o s t e r 认为目前只有g l o b u s 才算 得上标准协议) ；( 3 ) 提供非平凡的服务。这三个条件非常严格，象p 2 p 、s u n g r i d e n g i n e 、c o n d o r 、e n t r o p i a 、m u l f i c l u s t e r 等都被排除在网格之外。 但并不是所有人都同意他的观点，有许多人赞同广义的网格概念，它称作巨大 全球网格g g g ( g r e a tg l o b a l g r i d ) ，它不仅包括计算网格、数据网格、信息网格、 知识网格、商业网格，还包括一些已有的网络计算模式，例如对等计算p 2 p 口e e l t o p e e r l 、寄生计算等。可以这样认为，i a n f o s t e r 赞成狭义的“网格观”，而g g g 是 一种广义的“网格观”。 作者的观点是，关于网格的定义并没有个严格的限制，从不同的观点来解释 都是可以的，而科学研究不应该把过多的精力放在网格概念的精确定义上，而应 更多的注重解决网格的实际问题，如何实现网格的核心思想。 2 3 网格的分类 目前，人们现在对网格的研究，因为各自的侧重点不同，所以研究的方向 也不大一样。中科院计算所徐志伟研究员在因特网涅磐一正在浮现的网格技 术一文中，将网格主要分为下面几种不同的类型，如图2 - 2 所示： 第二章网格技术简介 g g o ( g r e a t g l o b a lc m d ) 蝴r 二7 蝴八 肼 i p g n t 。 a s c l g d d d 8 协斯i d 知恹辩格 s e n u m t i cw e b i ( n o w l 卅孽em 卸盎g t 0 咄o l o 豁 抽岛n 口蝴亳o np b d o r m i c d n i 啪c lw e b s 口v 耙e s i b mw e bs e r v i c e s m i c r o s o f n 武 s u n o n e n a p s z 甜 鼹霹避躐燃 e n t r o p i a 图2 - 2 网格的分类 最“正统”的网格研究来源于美国联邦政府过去十年来资助的高性能计算科研 项目。这类研究使用的名词就是“网格”( g r i d ) 或“计算网格”。早些年间还使用 了另一个名词，即“元计算”( m e t a c o m p u t i n g ) 。这类研究的目标是将跨地域的多台 高性能计算机、大型数据库、贵重科研设备、通信设备、可视化设备和各种传感 器等等，整合成一个巨大的超级计算机系统，支持科学计算和科学研究。这方面 的代表性研究工作包括美国国家科学基金会资助的n p a c i 、国家技术网格( n t g ) 、 分布万亿次级计算设施( d t f ) ，美国宇航总署的i d g ，美国能源部的a s c ig r i d ， 以及欧盟的d a t ag r i d ，等等。 也有一些人把网格看成是未来互联网技术。中国科学院计算所所长李国杰院士 认为，网格实际上是继传统互联网、w e b 之后的第三个大浪潮，可以称之为第三 代互联网应用。简单地讲，传统互联网实现了计算机硬件的连通，w e b 实现了网 页的连通，而网格试图实现互联网上所有资源的全面连通，包括计算赘源、存储 资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源等等。 还有一类研究的侧重点是智能信息处理，它与网格研究的共同点是如何消除 信息孤岛和知识孤岛，实现信息资源和知识资源的智能共享。这方面研究常见的 名词包括语义网( s e m a n t i c w e b ) 、知识管理( k n o w l e d g e m a n a g e m e n t ) 、知识本体 ( o n t o l o g y ) 、智能主体( a g e n t s ) 、信息网格、知识网格、一体化智能信息平台等 等。 企业界用的名字就更多了，包括内容分发( c o n t e n t sd e l i v e r y ) 、服务分发 ( s e r v i c ed e l i v e r y ) 、电子服务( e s e r v i c e ) 、实时企业计算( r e a l t i m ee n t e r p r i s e c o m p u t i n g ，简称r t e c ) 、分布式计算、p e r - t o p e e rc o m p u t i n g ( 简称p 2 p ) 、万维 9 电子科技大学硕士学位论文 网服务( w e bs e r v i c e s ) 等等【6 1 。这些名词所代表的技术有一个共同点，即将互联 网上的资源整合成一台超级服务器，有效地提供内容服务、计算服务、存储服务、 交易服务等等。另一个共同点是这些技术会尽量利用现有的i n t e m e t w e b 技术，以 便早出产品。当然这些技术也各有小的区别。比如，p 2 p 强调打破c l i e n t s e r v e r 或 b r o w s e r s e r v e r 的主从模式，用对等模式( 或无服务器模式) 实现超级服务器的功 能。r t e c 则强调对企业级在线事务处理的实时支持。 2 4 网格的目的和意义 网格是借鉴电力网概念提出来的，网格的最终目标是希望用户在使用网格时， 就如同现在使用电力一样方便。 网格概念将根本地改变人们对“计算机应用”的看法，这是一种全新的、更方 便的计算方式，轻松搞定现今解决不了的更加复杂的问题。建设网格的意义有： 首先是计算能力的限制，网格可以联合并放大全社会的计算能力，这是目前无 法想象的。 其次是地理物理位置的限制，把“全社会的计算能力”送到你的桌面。 再次是节约资源，现今的计算机资源利用率远不充分，很多应用又缺乏资源。 网格不仅可以把“资源”送到你的桌面，更可以把“应用”放至网格中完成，“桌 面”都可以节省。 最后是网格打破了传统共享与协作方面的限制。网格以“虚拟组织”的方法， 实现了全社会范围的资源共享与服务协作。 2 5 网格的特点 研究网格特点可以更好地认识与把握网格的开发应用。网格具有分布共享性、 自相似及整体性、动态多样性以及自治虚拟性等特点。 分布与共享 网格设备( 具有唯一i p 网络地址的硬件) 是地理上分布的，网格资源( 可以 网格寻址的抽象) 也是分布在不同的网格设备上的，因此只能是分布式的计算模 式。虽然网格资源存在分布性，但网格资源也是可以充分共享的，即网格上的任 何资源可以提供给网格上的任何用户。分布性网格资源的共享问题是网格的核心 问题。通过网络服务协作实现了物理上分布的网格资源的全局共享，这是网格的 第二章网格技术简介 本质特征。 自相似性与整体性 网格系统的局部与整体具有一定的相似性，网格局部也是网格，局部组合成整 体时，功能与性能里超线形增加，体现出“整体大大大于部分和”的特性。 动态多样性 网格的动态性是指网格设备的增加与减少，不影响网格其它部分的功能与性 能，网格可以自动迁徙相关资源或服务到其它部分，不影响网格的应用性能【5 】。网 格设备具有多样异构性，网格资源的多样异构性，是网格的本质特征。解决异构 资源的集成正是网格的吸引力所在。 自治性 网格资源是属于资源所有者的，所有者有权决定资源是否向网格开放( 出租换 钱) 以及向谁、怎么公开。网格资源是否为网格接受并被用户租用，要取决于网 格及其用户，用户有权决定自己使用谁的网格资源。 2 6 网格的应用 在早期我们谈起网格的时候，总把它想得像电力网一样，“插上插头”就能源 源不断地获得计算能力。现在，网格旱已远远超出了计算的范畴。除了计算网格 外，数据网格、仪器网格、虚拟现实网格、服务网格、信息网格、知识网格等， 将网格应用扩展到方方面面。网格的应用领域主要有几个方面：分布式超级计算、 分布式仪器系统、数据密集型计算、远程沉浸和信息集成，他们所呈现的特点和 发展方向如下所述： ( 1 1 分布式超级计算 分布式超级计算( d i s t r i b u t e ds u p e r c o m p u t i n g ) 是指将分布在不问地点的超级计 算机用高速网络连接起来，并用网格中间件“粘合”起来，形成比单台超级计算 机强大得多的计算平台。事实上，网格的最初设计目标主要就是要满足更大规模 的计算需求，g l o b u s 正是从这类应用起家的。在这个领域有两个应用引人关注： 第一个是军事仿真项目s fe x p r e s s ，它将大型军事仿真任务分解到分布式环境 中运行，在场景分发、资源配置、资源管理、信息服务、日志服务、监视和容错 等方面，都利用了g l o b u st o o l k i t 的动态管理功能。 第二个应用称作数字相对论，它利用网格求解爱因斯坦相对论方程并模拟出天 体的运动规律。该项目使用了4 台超级计算机，并采用了许多措旅来优化分布式 电子科技大学硕士学位论文 计算的整体性能，运行效率由优化前的1 5 ，提升到了优化后的6 3 。 ( 2 ) 分布式仪器系统 分布式仪器系统( d i s t r i b u t e di n s t r u m e n t a t i o ns y s t e m ) 是指用网格管理分布在 各地的贵重仪器系统，提供远程访问仪器设备的手段，来提高仪器的利用率，方 便用户的使用。在网格出现之前，人们就试图通过网络访问一些仪器设备或仪器 数据，但当时的软硬件环境还不成熟，只能实现一些低要求应用。而网格将分布 式仪器系统变成了一个非常易于管理和有弹性的系统。这个领域有代表性的是美 国能源部支持的x p o r t 项目。它基于g l o b u s ，能提供远程仪器使用规划、仪器操 作、数据获取、筛选和分析等功能，它明显地简化了巨型分子晶体结构的设计和 实施。科技工作者只要用邮包把晶体快递给仪器所在地，就可以在自己的实验室 中获取到晶体内部结构的可视化图像。 ( 3 ) 数据密集型计算 数据密集型计算( d a t ai n t e n s i v ec o m p u t i n g ) 对应的数据网格更侧重于数据的存 贮、传输和处理。在这个领域独占鳌头的项目是欧洲原予能研究机构c e r n 所开 展的数据网格d a t a g r i d 项目，它的目标是处理2 0 0 5 年建成的大型强子对撞机源源 不断产生的p b s 量级实验数据。 ( 4 ) 远程沉浸 远程沉浸( t e l e i m m e r s i o n ) 是一种特殊的网络化虚拟现实环境。这个环境可以是 对现实或历史的逼真反映，可以是对高性能计算结果或数据库的可视化，也可以 是个纯粹虚构的空间。“沉浸”的意思是人可以完全融入其中：各地的参与者通过 网络聚在同一个虚拟空间里，既可以随意漫游，又可以相互沟通，还可以与虚拟 环境交互，使之发生改变。目前，已经开发出几十个远程沉浸应用，包括虚拟历 史博物馆、协同学习环境等。更重要的是，它将“人机交互”模式扩展成为“人 机人协作”模式，不仅提供协同环境，还将对数据库的实时访问、数据挖掘、高 性能计算等集成了进来，为科技工作者提供了一种崭新的协同研究模式。 ( 5 ) 信息集成 网格最早是以集成异构计算平台的身份出现，接着跨入分布式海量数据处理领 域，自然而然地，网格将在信息集成领域一展身手。所谓的信息网格，就是要通 过统一的信息交换架构和大量的中间件，向用户提供“信息随手可得”式的服务。 信息网格研究的中心问题有如何描述信息、存储信息、发布信息和查找信息； 如何将异构平台、不同格式、不同表述方式的信息进行转换，实现信息的无障碍 交换；如何充分利用现有网络技术，如h t t p 、x m l 、w s d l 、u d d i 、s o a p 等， 第二章网格技术简介 构成一个完整的服务链；信息的语义表示，即如何赋予信息以内涵，以及如何避 免信息的二义性；如何对信息加密，防止信息泄露，等等。 网格信息集成将更多地用在商业上。网格将使分布在世界各地的应用程序和 各种信息，能够进行无缝融合和沟通，从而形成崭新的商业机会。例如，对于一 位想到美国旅行的人来说，他需要办理各种手续，如护照、签证、机票、酒店、 地面交通等。如果所有的服务设施都把它们的服务通过网格发布出来了的话，就 可以让程序自动为其办理手续和安排行程了。 ( 6 ) 商用化应用 信息集成( 如信息网格、服务网格、知识网格等) 将是最近几年网格最可能流 行起来的应用方向。2 0 0 2 年2 月2 0 日，g l o b u s 联盟和i b m 在全球网格论坛上发 布了开放性网格服务架构o g s a ( o p e ng r i ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ) 及其详细规范 o g s i ( o p e n g r i d s e r v i c e s l u f r a s t r u c t u r e ) ，把g l o b u s 标准与支持商用的w e bs e r v i c e s 的标准结合起来。2 0 0 4 年1 月2 0 日，g l o b u s 联盟、m m 和h p 等又联合发布了新 的网格标准草案w s r f ( w e bs e r v i c e sr e s o u r c ef r a m e w o r k ) ，干脆把o g s i 转换成 了6 个用于扩展w e bs e r v i c e s 的规范。这时，网格服务已经与w e b 服务彻底融为 一体了。这标志着网格已经调整好方向，将信息集成作为第一目