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海洋环境信息可视化网格门户的应用研究 摘要 网格技术是在网络的高速发展基础上出现的，它最大限度地利用网络将地理 上广泛分布的各种资源组织起来，从根本上消除了资源“孤岛”，实现真正的资 源共享。然而，由于网格环境的复杂性，制约了网格技术的发展，为提供一种使 用户快速访问网格环境的接口，网格门户的建设逐渐发展起来。 海洋环境信息可视化网格门户的应用研究，这个课题的选题基于国家8 6 3 计 划“基于网格的海洋环境数据共享与信息服务技术的研究”( n o 2 0 0 6 a a 0 9 2 1 3 9 ) 课题。本文选用当前比较流行的门户框架g r i d s p h e r e 框架，结合海洋环境信息数 据共享服务的实际需求，设计开发海洋环境信息可视化网格门户。研究内容主要 包括以下三点： 首先，介绍了海洋环境信息可视化网格门户的研究背景和网格门户相关技 术，选定基于g r i d s p h e r e 框架，采用p o r t l e t 技术设计与研究。 然后，根据海洋环境信息可视化网格平台体系结构，分析海洋环境信息可视 化网格门户的需求，设计出具体的网格门户体系结构，将每一个应用组件封装为 独立的p o r t l e t ，并对网格门户的安全策略进行了详细的介绍。 最后，根据对海洋环境信息可视化网格门户实现的具体功能的分析，以基本 的p o n l e t 编程方式为例，介绍了应用组件原型实现，并且给出了具体的应用组 件示例图。 关键字：海洋；网格；网格门户；可视化；g r i d s p h e r e ；p o r t l e t t h e a p p l i c a t i o na n dr e s e a r c ho fo c e a nd a t ev i s u a l i z a t i o n g r i dp o r t a l a b s t r a c t g r i dt e c h n o l o g yi se m e r g i n gw h i c hb a s e do nt h er a p i dd e v e l o p m e n to fn e t w o r k ， i tf u r t h e s to r g a n i z e sk i n d so fg e o g r a p h i c a l l yd i s t r i b u t e dr e s o u r c e s ，r a d i c a l l ye l i m i n a t e s t h e “i s o l a t e di s l a n d ”a n da c h i e v e st h er e a lr e s o u r c e ss h a r i n g h o w e v e r , b e c a u s eo ft h e c o m p l e x i t yo fg r i de n v i r o n m e n t ，i tr e s t r i c t e dt h ed e v e l o p m e n to fg r i dt e c h n o l o g y , i n o r d e rt op r o v i d ea ni n t e r f a c et h a tc a nq u i c k l ya c c e s st o 鲥de n v i r o n m e n tf o ru s e r , b u i l d i n gt h eg r i dp o r t a li sg r a d u a l l yd e v e l o p e d t h ea p p l i c a t i o na n dr e s e a r c ho fo c e a nd a t ev i s u a l i z a t i o ng r i dp o r t a l ，t h es u b j e c t b a s e do nt h e “8 6 3 ”p r o j e c t “s t u d yo ng r i db a s e do no c e a nd a t as h a r i n ga n d i n f o r m a t i o ns e r v i c e ”( n o 2 0 0 6 a a 0 9 2 13 9 ) t h ep a p e rc h o i c em o r ep o p u l a ro ft h e c u r r e n tf r a m e w o r ko fg r i d s p h e r ep o r t a lf r a m e w o r k ，c o m b i n e dw i t ht h ea c t u a ln e e d s o fo c e a ne n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o nd a t as h a r i n gs e r v i c ea n dd e s i g na n dd e v e l o pt h e a p p l i c a t i o na n dr e s e a r c ho fo c e a nd a t ev i s u a l i z a t i o n 鲥dp o r t a l s t u d yi n c l u d e st h e f o l l o w i n gt h r e ep o i n t s ： f i r s to fa l l ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n do f 西dp o r t a la n dt h e g r i dp o r t a lr e l a t e dt e c h n o l o g i e s ，b a s e do nt h eg r i d s p h e r ef r a m e w o r k ，b s ep o r t l e t t e c h n o l o g yt od e s i g na n dr e s e a r c h s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h ea r c h i t e c t u r eo ft h ea p p l i c a t i o na n dr e s e a r c ho fo c e a n d a t ev i s u a l i z a t i o ng r i dp o r t a l ，a n a l y z et h er e q u i r e m e n to fg r i dp o r t a l ，d e s i g nt h eg r i d p o r t a la r c h i t e c t u r e ，e n c a p s u l a t e e a c ha p p l i c a t i o nc o m p o n e n tf o rt h ei n d e p e n d e n t p o r t l e ta n di n t r o d u c et h es e c u r i t yp o l i c yo f 鲥dp o r t a l i nt h ee n d ，a c c o r d i n gt oa n a l y z et h ef u n c t i o n so fg r i dp o r t a l ，t a k eab a s i cp o r t l e t p r o g r a m m i n gm o d ea sa ne x a m p l e ，i n t r o d u c eap r o t o t y p ei m p l e m e n t a t i o no ft h e a p p l i c a t i o nc o m p o n e n t s ，a n dg i v et h es p e c i f i ce x a m p l e s o ft h ea p p l i c a t i o nc o m p o n e n t p i c t u r e i i k e yw o r d s ：o c e a n ；g r i d ；g r i dp o r t a l ；v i s u a l i z a t i o n ；g r i d s p h e r e ；p o r t l e t i l l 独创声明 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，除了文中特另, j j m 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，也不包含未获得 ( 逵! 垫逡直基丝益要缱型直盟笪! 奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 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。 学位论文作者签名：謇撇签字日期：砌7 年月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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 授权学校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。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签烽敛 一字：射 海洋环境信息可视化网格门户的应用研究 1 绪论 1 1 课题研究背景 随着计算机技术和网络信息技术的迅速发展，网络技术在科学研究，工程项 目应用以及商业性的应用等社会各个方面的作用日趋重要，加速了社会各个环节 正常运转的速度。目前，高性能的计算机、大容量的存储设备以及高速度的交换 网络使得硬件基础不再成为信息技术发展的瓶颈。那么随之而来的资源可利用 率、信息服务质量等则成为了制约信息技术发展的新的因素，信息时代的人们面 临着的问题是：一方面无处不在的海量信息资源；另一方面却是无法快速获得有 效资源的尴尬局面。于是，一项新的技术网格( g r i d ) 技术就应运而生了。 网格技术的出现对现有的互联网进行了非常好的管理，它是把不同的、分布 式的各种软件和硬件资源组合在一起，为科学和工程技术人员提供统一的计算环 境，试图解决数据和高性能集中计算问题，避免出现异构资源“孤岛”，实现了 各种分散资源的有效共享。也就是说，在软件方面，网格的作用就像一个操作系 统，它将因特网上的各种硬件和软件资源有机地整合起来进行管理，以便这些分 散的部件能够很好地协同运作；在硬件方面，网格需要将地理上分布在不同的地 方的硬件资源，如网络、计算机、数据仓库以及可视化虚拟现实显示仪等设备有 机地连接起来。但是，随着网格技术的推广和进步，开发者们越来越发现，网格 环境非常复杂，使用起来需要学习和记忆很多知识，在很大程度上影响了他们的 工作效率，同时也影响了网格技术的推广与普及。这样开发者们就想到了寻找一 种简单地访问网格服务的方法，呈现给用户一个直观的网格资源界面，快速的引 导用户使用网格资源，在这种思想基础上产生了网格门户。 简单来说，网格门户与w e b 门户类似，是基于w e b 的应用程序，提供了个 性化、单点登录、聚集不同的资源，是网格资源的用户接入点。它通常用于以聚 集的方式提供信息和应用的接入，使用网格资源的用户不必知道自己需要的资源 是如何通过调用服务完成的，并且服务与服务之间又存在着怎样的依赖关系等， 只是为网格用户提供了一个使用网格服务，从而获得网格信息资源的简单、直观 的界面，也为系统管理员提供部署和维护各类网格资源的接口。 海洋环境信息可视化网格门户的应用研究 海洋环境信息可视化网格门户的应用研究，这个课题的选题基于国家8 6 3 计 划“基于网格的海洋环境数据共享与信息服务技术的研究 课题。通过选用当前 比较流行的门户框架g r i d s p h e r c 框架，结合海洋环境信息数据共享服务的实际需 求，设计开发海洋环境信息可视化网格门户，不仅为网格用户提供一个直观、方 便地访问网格资源的接口，而且使系统管理员可以安全、可靠的管理及维护网格 环境下的各类海洋信息资源。 1 2 国内外研究现状 目前，网格的研究主要以美国和欧洲的国家为主。基本上是集中在计算网格 ( c o m p u t i n gd a t a ) 、信息网格( i n f o r m a t i o ng r i d ) 、数据网格( d a t ag r i d ) 和知 识网格( k n o w l e d g eg r i d ) 等几种类型网格，并且在研究过程中投入巨大的资金 支持。典型的例子如：英国政府在研制“英国国家网格( u kn a t i o n a lg r i d ) 中 已经投入了1 亿英镑作为研究资金；预计在2 0 2 0 年完成的，美国军方正在规划 实施的叫做“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 ) ”的网格计划项目，美国 政府投入的研究经费已经高达5 亿美元。国际上的网格研究目前主要面向科学计 算而我们国内的网格研究最大特色是“服务网格”的思想。截止到2 0 0 2 年，国 内完成了以中科院计算所为主的国家高性能计算环境n h p c e ( n a t i o n a lh i g h p e r f o r m a n c ec o m p u t i n ge n v i r o n m e n t ) 和清华大学的先进计算基础设施a c i ( a d v a n c e dc o m p u t a t i o n a li n f r a s t r u c t u r e ) 两个网格项目，同时也取得了相应的研 究成果。自从2 0 0 2 年开始，国家科技部“8 6 3 计划 、教育部、上海市纷纷启动 了针对新的网格项目的研究工作。具有代表性的项目有：“8 6 3 计划支持的“中 国网格 ( c h i n ag r i d ) 、中科院计算所的“织女星网格( v e g 1 j ) 以及上海多所 大学共同参加的“上海教育科研网格”等。随着学术界的研究者对网格技术研究 的加速，一些信息产业的大公司也先后开始了与网格目标一致的研究计划。 随着网格技术的深入研究，越来越多的研究者发现，网格环境异常复杂，不 易理解，制约了网格技术的快速发展，因此，降低网格环境的复杂性，实现直观 地、简单地使用网格环境下的资源，网格门户的设计和实现逐渐成为了研究的热 点问题。网格门户的发展从广义上可以分为两代，第一代网格门户是和中间件紧 密耦合的，是由有网格经验的网格系统开发者开发的，如g l o b u s ，虽然，它可 2 海洋环境信息可视化网格门户的应用研究 以提供作业提交、资源监控和数据传输等服务，但它缺少定制功能：第二代网格 门户主要是利用p o r t l e t 等技术来提供更为专用的解决方案，网格终端用户可以 通过选择可用的p o r t l c t 构建满足自己需要的门户界面。近年来，对于网格门户 的研究许多组织和科研机构基于具体应用开发的，主要针对各个学科领域的具体 应用需求。典型的面向应用的网格门户包括：美国c h i c a g o 大学与大规模相对天 体物理模拟实验室共同开发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 r o t a r y 门户、美国 m i s s i s s i p p i 州立大学开发的分布式海洋环境预报系统的f - j p 等。还有一种是面向 用户的网格门户，如：我国的生物信息学网格门户、美国先进计算基础设施全国 联盟( n p a c i 2 】) 的h o t p a g e 等，这类网格门户主要是为具体的组织或者研究中 心提供服务，用户不需要知道自己需要的资源是如何完成的，网格内部之间的交 互是如何进行的，只是直观地得到所需要的网格资源。 正是由于网格门户面向的对象不同，设计的目标不同，在网格门户的设计方 面，还主要停留在针对数据网格、计算网格等几种早期提出并广泛使用的大规模 专用网格上面，没有统一的开发标准和开发工具，建立的网格门户系统存在过于 庞大，开发复杂，不易部署等问题。因此，随着网格技术的发展，为了改变这些 复杂的，大型的专用网格门户，一些小型面向用户的网格门户逐渐发展起来。 1 3 研究内容 海洋环境信息可视化网格门户是面向海洋环境信息数据共享服务设计的门 户，根据海洋环境信息数据共享服务的需求特点，海洋环境信息可视化网格门户 采用目前比较流行的门户框架g r i d s p h e r e 框架，面向海洋环境信息数据共享服务 的结构设计思想开发。通过分析，提供获得海洋信息资源的平台，设计充分体现 面向服务的思想，呈现给用户的是一服务的集合，将网格门户提供的具体功能应 用封装成独立的p o r t l e t ，部署至u g r i d s p h e r e 框架中。用户通过w e b 方式访问网格门 户提供的服务，具体的应用p o r t l e t 使用标准的通信协议，如：使用s o a p 与海洋 环境信息数据共享服务进行交互，反馈给用户需要的信息。 本文具体工作主要有： ( 1 ) 对网格技术进行介绍，包括网格概述、体系结构、g l o b u s 软件包： ( 2 ) 探讨了本文所使用的门户开发框架g r i d s p h e r e 、其体系结构以及p o r t l e t 3 海洋环境信息可视化网格门户的应用研究 技术； ( 3 ) 给出了海洋环境信息可视化网格平台的体系结构，通过对海洋环境信息 可视化网格门户进行需求分析，完成了门户的总体设计( 结构设计、安全策略设 计) ： ( 4 ) 讨论了网格门户实现的基本功能；介绍g r i d s p h e r e 框架中的p o r t l e t 编程； 以功能组件的实现为例子介绍门户原型，并且给出功能组件的运行效果图。 1 4 本文组织结构 本论文共分六章。 第一章绪论。介绍课题研究背景、目前国内外网格门户研究发展状况、简 单阐述本文研究的主要内容。 第二章网格门户相关技术介绍。首先介绍了w e bs e r v i c e s 技术，然后，对网 格的概念、网格的特点、网格体系结构以及g l o b u s 软件包进行阐述，最后，详细 介绍了网格门户框架g r i d s p h e r e 及t p o r t l e t 相关技术。 第三章海洋环境信息可视化网格门户设计。介绍了海洋环境信息可视化网 格平台体系结构，通过需求分析，概括了海洋环境信息可视化网格门户特点、设 计标准和用户分类；通过对网格门户发展与设计方式的介绍，给出了海洋环境信 息可视化网格门户的体系结构；最后，介绍了海洋环境信息可视化网格门户的安 全策略设计问题。 第四章海洋环境信息可视化网格门户功能描述。通过对功能的分析，详细 介绍了各个功能组件的组成部分以及所要实现的功能。 第五章海洋环境信息可视化网格门户的实现。介绍了网格门户开发平台配 置情况，p o r t l e t 的编程，以具体的功能组件实现为例进行介绍，并且给出了功能 组件运行的效果图。 第六章总结与展望。 4 海洋环境信息可视化网格门户的应用研究 2 网格门户相关技术介绍 2 11 i bs e r v i c e s 2 1 1w e bs e r v i c e s 的定义及特征 现在网格技术已经被越来越多的研究者所掌握，并且广泛应用于社会的各个 方面。网格系统是一个典型的分布式系统，它可以聚集网络上的若干个相对分散 的服务单元，这些不同的服务单元之间要进行信息交换、传输等功能，而被人们 广泛接受的w e bs e r v i c e s 技术可以将异构网上的各种应用连接起来，因此，这个 技术现在越来越多地被引用到网格中来。g l o b u s 就提出了基于w e bs e r v i c e s 的开 发网格服务体系结构。 w e bs e r v i c e s 是一种构建应用程序的普通模型，并能在所有支持i n t e m e t 通 讯的操作系统上实施运行。w e bs e r v i c e s 令基于组件的开发和w e b 的结合达到 最佳，而w e bs e r v i c e s 利用s o a p 和x m l 对这些模型在通讯方面作了进一步 的扩展以消除特殊对象模型的障碍。w e bs e r v i c e s 产生的目的是为了实现互联网 中计算机之间端到端的互操作【3 1 。它是利用一种简单的，基于i n t e r n e t 统一、开 放的标准，如h i t p 、x m l 、s o a p ( 简单对象访问协议) 、w s d l 等来解决分布 式计算问题的新技术。w e bs e r v i c e s 具备的特征如下【4 】【5 l ： ( 1 ) 松散藕合：这一特点包含两个方面：一方面，基于对象组件的技术， 只要其调用接口不变，其余的任何改变对于调用者都是透明的；另一方面是w e b s e r v i c e s 独特的运行架构，调用者不需要在开发应用程序时，预先知道被调用对 象组件的实例和与其交换信息的通信协议。 ( 2 ) 完好封装性：具备对象的良好封装性，调用者仅仅能够看到这个w e b s e r v i c e s 提供的功能列表。 ( 3 ) 使用标准协议规范：所有w e bs e r v i c e s 的公共协议在进行描述、传输 和交换中完全使用开放的标准协议。其使用的开发标淮协议，不仅体现在服务界 面定义方面，还被延伸到服务质量、服务管理机制和服务安全机制等方面。 5 海洋环境信息可视化网格f - j p 的应用研究 ( 4 ) 高度可集成能力：由于w e bs e r v i c e s 使用标准的协议作为组件界面和 协同描述的规范，完全屏蔽了不同软件平台之间的差异，c o r b a 以及d c o m 都 可以通过标准的协议进行互操作，达到当前环境下的高度可集成性的最佳状态。 2 1 2w e bs e r v i c e s 的体系结构及协议 w e bs e r v i c e s 体系结构是由w e bs e r v i c e s 角色、w e bs e r v i c e s 操作、实 现角色之间进行操作的w e bs e r v i c e s 描述和w e bs e r v i c e s 间传输协议等构 成的【5 1 。 ( 1 ) w e bs e r v i c e s 角色包括三种角色： 服务提供者：是服务的所有者，同时也是管理服务的平台，简单来说， 就是提供服务，进行注册以使服务可用。 服务代理：服务交换所，为服务提供者和服务请求者之间联系提供平台。 服务提供者发布自己的服务描述，提供给服务请求者来查询；服务请求 者通过这个交换所查找所需要的服务。 服务请求者：向服务代理请求服务，调用这些服务创建应用程序。服务 请求者角色可以由浏览器或者程序来担当。 ( 2 ) w e bs e r v i c e s 操作包括三种操作： 发布不发布( p u b l i s h u n p u b l i s h e d ) ：服务提供者可以根据向服务代理发布 ( 注册) 服务或不发布( 移去) 这些服务的注册。 发现( f i n d ) ：由服务请求者向服务代理执行f i n d 操作，服务请求者描述 要找的服务类型，服务代理分发匹配的结果；对于服务请求者来说，可 能同时存在两个生命周期内进行发现操作。 绑定( b i n d ) ：绑定服务请求者和服务提供者，这两部分协商以使服务请 求者可以访问和调用提供者的服务。 ( 3 ) w e b 服务描述语言( w s d l ) w e b 服务描述语言( w e bs e r v i c e sd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，w s d l ) 1 6 】是 一种x m l 语法，为服务提供者提供了描述构建在不同协议或编码方式之上 的w e bs e r v i c e s 请求基本格式的方法。w s d l 用来描述一个w e bs e r v i c e s 能够做什么，位置在哪里，怎样调用它等。在假定以s o a p h r r p m i m e 作 6 海洋环境信息可视化网格门户的应用研究 为远程对象调用机制的情况下，w s d l 会发挥最大作用。w s d l 将服务定 义为一个网络端点的集合，或者说端口的集合。在w s d l 里面，端点及消 息的抽象定义与它们具体的网络实现和数据格式绑定是分开的。这样就可 以反复使用这些抽象定义：消息，需要交换的数据的抽象描述；端口类型， 操作的抽象集合。针对一个特定端口类型的具体协议和数据格式规范构成 一个可重用的绑定。一个端口定义成网络地址和可重用的、绑定的连接， 端口的集合定义为服务。 w s d l 文档在w e bs e r v i c e s 的定义中使用的元素包括以下【7 l 【8 1 ： t y p e s ：提供用于描述所交换消息的数据类型定义。 m e s s a g e ：代表所传输数据的抽象定义。使用t y p e s 所定义的类型来定义 整个消息的数据结构。m e s s a g e 元素包含了一组p a r t 元素，每个p a r t 元 素都是最终消息的一个组成部分。 p o r t t y p e ：指抽象操作的集合。每个操作可以由一个或多个服务访问点 来支持。一个p o r t t y p e 可以包含若干个o p e r a t i o n ，而p o r t t y p e 的定义 中会引用消息定义部分的一个到两个消息，作为请求或响应消息的格 式。 b i n d i n g ：为由特定p o r t t y p e 定义的操作和消息指派具体的传输协议和数 据格式规范。 p o r t ：为绑定( b i n d i n g ) 指定一个地址，从而定义一个服务访问点。 s e r v i c e s ：用于聚合一组相关的服务访问点构成一个w e bs e r v i c e s 的定 义。一个s e r v i c e s 往往会包含多个服务访问入口，而每个访问入口都会 使用一个元素来描述。 ( 4 ) 简单对象访问协议( s o a p ) 简单对象访问协议( s i m p l eo b j e c t a c c e s sp r o t o c o l ，s o a p ) 是在分布式环境 中基于x m l 协议进行通信的一种简单的网络协议，完全继承了x m l 的开放性 和可扩展性。s o a p 协议规范描述了有关s o a p 的消息处理过程，并涉及到性能 和安全性的问题。s o a p 本身并不定义任何应用语义，仅定义了一种简单的机制， 通过一个模块化的包装模型以及对模块中特定格式编码的重编码机制来表示应 用语义【9 】。s o a p 主要包括四个部分： 7 海洋环境信息可视化网格门户的应用研究 s o a p 封装( e n v e l o p e ) ：定义了描述消息中内容、发送者、接收者、处 理者和处理方式的框架； s o a p 编码规则( e n c o d i n gr u l e ) ：表示使用数据类型的实例； s o a pr p c 表示( r p cr e p r e s e n t a t i o n ) - 表示远程过程调用和应答的协定； s o a p 绑定( b i n d i n g ) ：表示使用底层协议交换信息。 根据s o a p 规范，可以使用两种s o a p 的方式。其一，被称作s o a p 消息 传递( 或文档) 样式的，是用于描述一个一般的x m l 文档。其二，需要用一 个过程调用的名称和参数值来描述过程调用或者是描述一个过程的返回，要求嵌 套的x m l 文档遵循远程过程调用( r e m o t ep r o c e d u r ec a l l 简称r p c ) 语义。通 过s o a p 协议可以在不同的服务之间实现通信和数据共享，而不需要考虑服务的 编写语言和运行的平台，也不用考虑服务由哪些技术来实现的。 因此，s o a p 可以理解成这样一个开放协议，它基于t c p i p 的应用层 协议如h t t p 、s m t p 等作为底层的通讯协议，一致性的调用途径使用r p c 以x m l 格式作为数据传送的格式。x m l 是一个开放的、有语义的、健全 的消息机制，而h t t p 是一个能避免防火墙的协议，在i n t e r n e t 上允许服务 提供者和客户经过防火墙进行通讯交互，从而实现了编程语言和系统平台 的无关性。 综上，s o a p 的主要优点是简单性，s o a p 的网络通讯协议使用h 1 曙，采 用x m l 作为接受和传送数据参数的数据格式，体现了与平台和环境无关的特性。 使用x m l 和s o a p 这些跨语言、跨平台的解决方案使得多个应用之间的一致性 问题得到了简化【1 0 1 。 2 2 网格技术 2 2 1 网格概述 互联网诞生于2 0 世纪8 0 年代，它的核心应用是将世界上的各种计算机连接 起来，给人类的生活带来了翻天覆地的变化，9 0 年代初万维网又在科学技术的 需求中出现并迅速推广，将不同形式的信息资源连接起来，实现了由硬件相连到 网页连通。然而，信息社会每时每刻都在产生大量的数据和信息，例如，在高能 8 海洋环境信息可视化网格门户的应用研究 物理领域，西欧高能物理中心一台高能粒子对撞机所获取的数据用1 0 0 万台个人 电脑的硬盘都装不下，而分析这些数据，则需要更大的计算能力。在生物领域的 后基因组计划的解读；在气象、地震预报预测等重大科学领域的计算问题促使科 学家要利用分布在世界各地的、分散的计算机资源，通过高速的网络连接起来， 实现共同完成计算问题。因此，在2 1 世纪初，由于科学研究的迫切需求，更神 奇的网格技术初见端倪，并且将互联网推向新的发展高峰。 网格的概念是在借鉴了电力网( e l e c t r i cp o w e rg r i d ) 的概念基础上提出来的 f 1 1 】，希望用户使用网格就如同使用电力一样方便，不必需要知道这些电力产生的 位置，经过怎样的过程产生的。随着通信技术的发展和资源服务能力的提高，网 格技术的出现从根本上改变了人们传统的计算方式和计算手段，可以采用分布式 的思想，逐渐将更广泛范围内的不同资源组织起来共同解决问题。 但目前为止，由于观察问题的角度和侧重点不同，关于网格的概念还存在着 分歧。美国计算网格项目的领导人之一伊安福斯特，在1 9 9 8 年所主编网格： 2 1 世纪信息技术基础设施的蓝图一书中这样描述：“网格是构建在互联网上的 一组新兴技术。将高速的互联网、高性能的计算机、大型的数据库、传感器、远 程的设备等融为一个整体，给科技人员和普通百姓提供更多资源。互联网主要提 供各种通信功能( 网页浏览，电子函件) 等，而网格的功能就更加强大，能够使 人们透明地使用计算、存储等各种形式的资源 1 1 2 1 。而强调中间件系统在网格 中的作用的定义方式是：网格是为了方便资源管理，有效支持分布广泛的、诸多 领域的科学与工程问题解决的中间件系统f 1 3 l 。i b m 把网格定义为：“基于标准的 应用资源共享结构，使得它能够透明地为异地系统和应用去共享、计算和存储 资源1 1 4 j 。 网格的最终目的就是以资源共享为主要目的，利用高速网络把地理上广泛分 布的各种资源，如：数据资源、计算存储资源、知识资源、软件和硬件资源、带 宽资源、信息资源等，连成一个逻辑整体，为用户提供一体化信息和计算、存储、 访问等应用服务共享平台，在虚拟环境下实现资源共享和协同工作，从根本上消 除资源“孤岛 ，让人们更加简单、快捷地使用网络资源，实现资源的真正共享 【1 5 1 。 9 海洋环境信息可视化网格门户的应用研究 2 2 2 网格特点 网格可以说是一种新出现的技术，是在网络的高速发展基础上出现的，但不 能单纯的把网格归结为网络，两者之间存在着区别。网格具有的特点如下【1 6 1 【1 7 l ： ( 1 ) 分布性与共享性：分布性可以说是网格最主要的特点之一。网格是由 分布在地理位置上不同的、具有不同计算能力的计算机、各种类型的数据库以及 不同形式的设备资源组成的，在分布式的环境下，解决安全传输和通信问题、资 源与任务的分配调度问题以及实时性保障问题等。在网格资源分布的情况下，网 格上的任何使用者都可以使用各种资源，实现真正的资源共享。因此，也可以这 样表述：分布性是网格硬件物理上的分布；共享性是以网格软件为支持实现的逻 辑上的特性。 ( 2 ) 自相似性：自相似在自然和社会现象中都得到了体现，一些复杂的系 统也具有这一特征，自相似性存在于网格的整体和局部之间，局部在某些地方隐 含着整体的特征，而整体的特征表现出局部的特征。比如，一个企业的局域网络， 可以分成各个部门的小规模网络，各个部门的网络连接起来构成整个企业的网 络，在某些方面存在自相似性。 ( 3 ) 动态多样性：网格可以根据实际的需要，在设计和实现时，考虑新的 网格资源或服务是否可以动态地加入或退出网格，并且与原有的资源结合起来。 网格资源是异构的、多样的和变化的，在网格环境下，网格系统必须保证能够解 决不同结构和资源类别之间的通信以及互操作的问题。 ( 4 ) 自治性和管理的多重性：网格上的资源属于某一组织或者个人，允许 网格资源的所有者对资源具有自主管理功能，也就是具有最高级别的管理权限， 体现了网格的自治性。网格的管理也有多重性，一方面允许网格资源的拥有者自 主管理网格资源，同时也必须接受网格的统一管理，无法在不同类型的资源之间 建立相互的联系，无法实现共享和互操作的功能。 2 2 3 网格的体系结构 为了构建、组织和管理异构的、分布的资源构成的网格系统，网格需要在一 定程度上使用网格体系结构来进行解剖，也就是要完成两种功能，其一，能够标 识出网格是由哪些部分组成以及各部分的特点和功能：其二，详细的描述组成网 1 0 海洋环境信息可视化网格门户的应用研究 格各部分组件之间的关系。 目前，明确论述网格体系结构的文献并不多，比较重要的网格体系结构主要 有两个：一是由i a nf o s t e r 等人提出的五层沙漏结构1 1 6 1 ，另一个是在以i b m 为代 表的工业界影响下，i a nf o s t e r 等人考虑w e b 技术发展并结合w e bs e r v i c e 提出 的开放网格服务结构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 ) 1 1 8 l 。 ( 1 ) 五层沙漏结构 目前，学术界普遍认为五层沙漏结构是基本的网格体系结构，该结构相对比 较简单，主要抛开具体的协议定义，而侧重于定性的描述。从整体上易于理解， 五层沙漏结构中以“协议 为中心，重点强调了服务、a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i n t e r f a c e s ) 和s d k ( s o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t s ) f 拘重要性。通过协议可以实现一种 机制，跨越不同的使用策略、动态虚拟组织边界和资源类型，使虚拟组织用户和 资源之间建立共享关系，从而达到资源共享的目的。 实际上，五层沙漏结构并非完整地集合了所有需要的协议，而定义了该结构 中各部分组件的通用要求，它没有提供严格、统一的规范，仅仅将这些组件按一 定的层次关系来分配，每层由具有相同特征的组件组成，下层组件是上层组件的 建造基础。五层沙漏结构根据层次关系的不同，将对共享资源进行操作、管理和 使用，越向下层就越接近于物理的共享资源，而上层的共享资源更加抽象，同时 不必考虑与底层资源相关的实现问题。该结构如图2 - 1 所示。 i 构造层 i 图2 - 1 五层沙漏结构图 正如图所示，五层沙漏结构从下到上依次为构造层、连接层、资源层、汇聚 层和应用层i 圳。 构造层( f a b r i c ) ：主要功能是针对具体的物理资源( 包括数据资源、网 络资源、软件和硬件资源、数据资源以及传感器等) ，管理和控制局部 海洋环境信息可视化网格门户的应用研究 资源，同时向上层提供控制和管理资源的界面，向上提供访问这些物理 资源的接口。 连接层( c o n n e c t i v i t y ) ：定义了核心的通信和认证协议。它是使得孤立的 单个资源之间建立联系，以实现资源之间的相互操作为前提，能够给构 造层的物理资源提供安全的数据通信能力。 资源层( r e s o u r c e ) ：反映局部资源的特征，是在连接层的认证协议和网 格服务通信之上建立的，定义了单个资源的共享和操作协议。 汇聚层( c o l l e c t i v e ) ：建立在资源和连接层形成的协议瓶颈之上，负责 协调解决多个以单个资源形式表现出来的资源之间的问题。 应用层( a p p l i c a t i o n ) ：该层存在于虚拟组织环境中，与共享资源的距 离最远，仅关心下面提供给虚拟组织何种形式的资源，解决不同虚拟组 织之间的具体问题。 ( 2 ) 开放网格服务体系结构( o g s a ) 开放网格服务结构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 ) 是在原有的五层 沙漏结构的基础上，结合了w e bs e r v i c e 技术，是继五层沙漏结构之后最重要， 也是目前最新的一种网格体系结构，被称为下一代的网格体系结构【1 6 】【1 9 1 。 前面提到五层沙漏结构是以协议为中心的“协议结构 ，而o g s a 主要是 以服务为中心的“服务结构 ，在o g s a 中一切都是服务，实现的是把各种网 格环境中的各种形式的共享资源抽象为服务，实现对服务进行共享。这种从资源 到服务的抽象，将资源、数据及信息集中在一起，十分有利于实现动态的、一致 的共享机制，并且为分布式系统管理定义了标准的行为接i z l 。同时，网格技术( 即 g l o b u s 软件包) 和w 曲s e r v i c e 是o g s a 的两大支撑技术。o g s a 采用统一的w e b s e r v i c e 框架，为了使更加明确和具体服务的思想，对扩展了w e bs e r v i c e ，提出 了“网格服务 ( g r i ds e r v i c e ) l 拘概念，网格服务实际上就是一种w e bs e r v i c e ，提 供了定义明确、遵守特定惯例的一组接口，使得它具有支持临时服务实例的功能， 也提供了解决服务发现、动态创建和删除服务、生命周期惯例、通知等问题的功 能，并且可通过不同的方式聚集起来满足虚拟组织的需要。 简单的说，网格服务= 接口行为+ 服务数据。o g s a 将互操作性问题分为了 两个子问题来考虑：定义服务的接口的协议和识别激活特定接口的协议。以网格 1 2 海洋环境信息可视化网格门户的应用研究 服务为中心存在如下的优点【1 6 1 ：首先，网格环境下的组件是虚拟的。所有的网格 服务都基于一组相对统一的核心接k 1 来实现，这样就可以容易地构造出具有更高 层次结构的、更高级别的服务。图2 2 描绘了o g s a 的服务结构。 图2 - 2 0 g s a 的服务结构 其次，虚拟化成功实现了多个逻辑资源实例到相同的物理资源的映射，简单 地以底层资源组成为基础，不需要考虑服务的组合过程，在虚拟组织中管理资源。 通过服务虚拟化，实现通用的服务语义和行为到本地平台的基础设施的无缝映 射。 o g s a 面向服务的特点允许在不相同层次上虚拟化资源，可以在多个组织之 间的分布式网络支持的协作使用相同的机制与抽象，或者是跨越多个结点的主机 环境。总而言之，o g s a 实现目标主要是： 跨分布式异构平台管理资源。 交付无缝的服务质j 蠢( q u a l i t yo fs e r v i c e ，o o s ) 。 通常网格的拓扑结构十分复杂，而且网格资源之间往往是动态地交互。 其中网格可以提供健壮的后台服务，如授权、访问控制和委托这一点很 重要。 自治管理解决方案提供公共基础。 网格可以包含许多资源，还有大量的配置组合、交互以及状态与故障模 式的改变。对于这些资源来说，一些智能自动调节与自治管理方式是必 不可少的。 定义开放的、已公布的接口。 o g s a 是一种由g g f 标准团体管理的开放式标准。网格构建在标准接 1 3 海洋环境信息可视化网格门户的应用研究 口及协议之上，保证了不同资源的互操作性。 利用行业标准的集成技术。 o g s a 是在w e bs e r v i c e 上的扩展。它的创始者很有远见地利用了现有 解决方案。 2 2 4g l o b u s 软件包 g l o b u s 软件包( g l o b u st o o l k i t ) 是全球网格论坛( g l o b u sg r i df o r u m ) 下的 g l o b u s 项目最重要的研究成果，它是一个面向公众的、支持网格和网格应用的 开放结构、开放服务资源和软件库集合，采用模块化的设计方式，可升级或者替 换，解决了资源管理、安全、数据管理和信息服务等问题，能够用来帮助规划和 组建大型的网格应用平台，开发运行于大型网格系统上的大型应用程序。 g l o b u s 工具包的发展经历了几代版本的更新，第一版在1 9 9 9 年推出的，随 后的主要版本有1 1 3 和1 1 4 版，并于2 0 0 2 年底推出了2 2 版，2 0 0 3 年推出了 基于o g s a 的体系结构以及融合了w e bs e r v i c e 技术的g l o b u st o o l