Grid Technology在校园网中的应用研究.doc

河南农业大学华豫学院本科毕业论文目 录摘 要1前 言21 网格的概念及定义31.1 网格的定义31.2 “网格”的由来42 网格应用现状及发展方向42.1 网格校园网的应用42.2 网格在校园网的发展方向43 校园网网格体系的建立53.1 网格结构53.2 网格在校园网的逻辑结构63.2.1、网格技术建立的校园网63.2.2、网格技术在校园网的服务63.3、网格技术服务的校园网73.3.1 网格服务的资源分类73.3.2 网格服务设施和能力84、结论9参考文献10致 谢10摘 要互联网系统的异构导致了网络资源不能充分共享, 传统的校园网结构也使得教育资源难以大范围共享, 网格技术为解决这些问题提供了契机。通过对校园网现状和网格技术的应用前景分析, 提出了未来校园网建设应以网格技术为核心, 并且给出了基于网格技术建立校园网的框架结构。关键词: 网格（Grid），校园网， 资源共享AbstractThe heterogeneity and distribution of the Internet leads the large-scale sharing of resources very difficult, so most education or learning resources can not be reused in traditional campus network. By analyzing the current status of campus and grid technologies, this paper presents that future campus network should be set up with grid as its main technology. Finally the architecture of campus network based on grid technology is given in this paper.Key words: Grid， Campus Network， Resource Sharing前 言： 计算机网络, 特别是互联网的蓬勃发展, 改变了人们的生活方式和思维方式, 也很大程度上改变了全世界的教育方式。高等学校校园网在教学、科研、管理等领域发挥着越来越重要的作用, 数字化校园的概念也全面进入到高等院校。数字化校园建设的实质就是学校和教育管理部门通过信息化手段, 实现对各种资源的有效集成、整合, 实现资源的有效配置和充分利用, 实现教育和校务管理过程的优化、协调, 教师与学生实现教学过程与学习过程的优化, 从而实现提高各种工作的效率、效果和效益。在信息时代, 具备现代网络化、智能化教学环境及教学科研资源库是建设一流研究型大学的必要条件和重要标志。网格又被称为第三代Internet，是2O世纪9O年代出现的新概念，也是当前信息产业领域的一个热点传统Internet实现了计算机硬件的连通，Web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它是集成的计算与资源环境, 其核心是消除信息孤岛，实现资源共享( 包括计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源等) 。但现有的校园网大多是以传统的网络技术为基础, 没有融入网格技术。因为整个互联网的异构性, 导致了教育资源不能充分共享, 重复开发现象非常严重。网格技术在校园网中的应用, 将会极大地改变现有校园网的应用现状。但是网格技术在各个领域中的应用, 还都处于探索和实验阶段。互联网的发展趋势是网格, 面对新的形势、新的技术, 高等学校的校园网应该如何建设, 怎样利用网格技术, 使得校园网的资源能够在更大范围内共享, 是非常值得研究的课题。1.网格的概念及定义网格是一个集成的计算与资源环境1 , 或者说是一个计算资源池。这是一个相对抽象和广义的定义, 对于网格, 实际上现在还没有一个普遍被人们接受的定义, 我们来看一下其他网格定义。1.1网格的定义网格是下一代互联网。网格是方便资源管理、有效地支持广域分布的、多领域的科学与工程问题解决的中间件系统。网格是建造分布式科学计算环境的一种一体化的集成方法, 这一环境包括计算、数据管理、科学仪器以及人类的协作2。网格是一种无缝的、集成的计算与协作环境。网格是基于硬件支持的各种服务和功能的提供者。上述网格的不同定义, 分别从网格的影响、网格的功能、网格的存在形式、网格提供了什么样的环境等方面来描述网格,这些都是对网格某个层次、某些方面、某些特征的抽象。网格的出现与计算有着直接的关系。随着人类活动领域的不断拓展, 所遇到的问题也越来越复杂, 规模也越来越大, 所需要的计算能力也在急剧增加。在一些领域, 需要计算能力非常强的计算机, 同时, 随着问题复杂度的提高, 超级计算机也无法完成预定的任务。虽然现在计算机的处理能力已是最初的上百万倍, 但人类对计算的需求是无穷尽的, 无论计算机的计算能力有多强, 总是会出现更复杂的任务, 需要去解决。而单台计算机的能力是有限的, 许多问题根本无法解决。随着数据量的增加和计算复杂度的提高, 局部的计算资源已经无法满足要求, 必须使用网络上广泛分布的资源, 集中起来协同工作。于是, 人们开始寻找新的计算模式, 如负载均衡技术、集群技术、分布式计算技术等。这几种技术在一定程度上解决了对较高计算能力的需求, 但仍然代替不了超级计算机。同时, 由于地域的限制或资源成本的制约, 一些计算资源是无法复制的。为了有效地利用这些资源, 打破地域限制, 实现更大范围内的资源共享就成为一种必然, 这需要相关技术的发展。这里与网格的发展最具有直接关系的是网络速度的提高, 现在网络的传输速度已经可以达到千兆以上, 预计未来十年有可能再提高4 000倍3 , 因为大范围内的协调工作必须要有网络带宽的保证。网格计算是伴随着互联网而迅速发展起来的、专门针对复杂科学计算的新型计算模式。这种计算模式是用互联网把分散在不同地理位置的电脑组织成一个“虚拟的超级计算机”, 其中每一台参与计算的计算机就是一个“节点”, 而整个计算是由成千上万个“节点”组成的“一张网格”, 所以这种计算方式叫网格计算。虽然网格的初衷是进行计算, 但是就像计算机一样, 它的应用领域将会渗透到社会的各个方面, 从文字处理到电子商务、办公自动化、军事、航天教育等。网格将会像互联网一样,成为信息社会的一个基础设施。1.2“网格”的由来网格是由电力网的概念发展而来的, 其最终的目标是在使用网络服务时, 能像用电一样方便。我们知道, 在使用电器时,只需要将电源插头插入相应的插座, 不需要知道电是从什么地方来的, 由哪个发电厂供应的, 是火力发电、水力发电还是核电, 电力是怎样传输的以及怎样管理的。对于普通的用户来讲, 这一切都是透明的。2网格应用现状及发展方向 2.1网格校园网的应用通常情况下, 高校校园网提供WWW、FTP、视频点播、Mail等网络服务, 同时也基于校园网提供教学、教务、科研等管理服务。教师和学生都能通过网络, 快捷、方便、准确地学习。但在实际应用当中, 各种应用系统很难做到统一部署、统一管理。对于用户来讲, 还无法获取最快捷、便利的服务。校园内还无法实现信息、服务的充分共享, 特别是这样的结构, 对于校际间的共享也是不利的。IBM公司提出今后的方向是用网格技术构建的数字化校园。在这个系统中, 校园网是以计算机网络为基础的各种应用系统的集合, 并且指出, 学校具有实施网格架构的优势; 有对共享数据、计算资源、存储资源、应用资源的内在需求; 有对复杂的计算环境和提供更大计算能力的需求; 有充足且对新技术十分敏感的技术力量。对于网格体系的建立,可以先建设若干分中心, 再将分中心构成网格, 逐步扩大网格规模。2.2网格在校园网的发展方向中国教育部的“中国教育科研网格”计划, 在2008 年建成聚合能力超过15 万亿次量级的教育科研网格, 形成世界上最大的超级网格之一。而这一计划的实施, 除了全国性的网格基础设施的建设外, 需要各个高等院校的校园网能够融入到“中国教育科研网格”体系中去, 使得校园网的建设以网格技术为支撑, 并且开发相应的网格服务, 使得校园网真正成为一个网格体系中的节点。因此, 基于网格技术建立校园网并且进行网格技术的开发和应用是非常有意义的。3校园网网格体系的建立3.1网格结构目前, 公认的最重要的网格体系结构有两个, 它们是五层沙漏结构和开放网格服务体系结构( Open Grid ServiceArchitecture, OGSA)。应用最普遍的是开放网格服务体系结构。开放网格服务体系( OGSA) 以服务为中心, 被称之为下一代的网格结构。在五层沙漏结构中，一个最重要的思想就是以“协议”为中心，也十分强调服务与API(ApplicationProgramming Interfaces)和SDK(Software Development Kits)的重要性简单说，构造层应该实现的基本功能包括查询机制(发现资源的结构和状态等信息)、控制服务质量的资源管理能力等；连接层的基本功能就是实现相互的通信；资源层的主要功能就是实现对单个资源的共享；汇聚层的主要功能是协调“多种”资源的共享；应用层主要实现虚拟组织的具体要求开放网格服务结构OGSA()pen Grid ServicesArchitecture)，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开放网格服务结构OGSA把Globus标准与面向商业应用的web服务结合起来，把网格计算从科学与工程计算应用扩展到更广泛的以分布式系统服务集成为主要特征的商业应用领域，建立网格服务的基本概念()GSA就是以服务为中心的“服务结构”，把一切都抽象为服务构建()GSA的两大支撑技术是网格技术(即Globus Toolkit)和Web Service，Globus是已经被科学与工程计算广泛接受的网格技术求解方案，Web Service是一种标准的存取网络应用的框架OGSA只是一个框架，网格服务的具体实现是OGSI(开放网格服务基础设施)标准，它是定义在网格环境中各种服务之间使用的接口和协议的标准开放网格服务体系结构中, 服务是非常广泛的概念, 它可以包括计算资源、存储资源、网络、数据库系统、许许多多的计算机外部设备等。也就是说, 在开放网格服务体系中, 一切都是服务, 最终的目的就是要实现对所有服务的共享。相对五层沙漏结构, 开放网格服务体系结构对资源、信息、数据等进行了更高层次的抽象, 并且统一到了服务这样一个层次, 为网格动态共享提供了非常好的实现机制, 并且使得网格的管理和开发有了标准的接口和行为。在OGSA 中, 定义了网格服务( Grid Service) 概念, 旨在更明确、更具体地体现网格服务, 也使得在实际开发过程中, 有一个可以遵守的规范。3.2网格在校园网的逻辑结构图3.2 是以网格技术建立的校园网的逻辑功能3.2.1网格技术建立的校园网由图3.1知, 网格服务既是未来校园网的基础, 同时也是未来校园网的核心, OGSA 网格体系结构就是一个以服务为中心的体系结构。在图3.1中，底层是由计算机、交换机、路由器等网络硬件资源和数据库( 或数据中心) 资源等组成的校园网资源系统; 第二层是在第一层基础上的网格服务实现, 该层是实现校园网服务功能的关键, 但是, 该层对于外部来讲是透明的, 人们不需要知道该层的细节, 甚至对于应用系统的开发者, 也不需要知道其网格服务是怎样实现的。该层实现了哪些服务, 怎样对外提供服务, 都是由其上一层网格服务接口来对外发布。应用系统的开发者, 只要通过网格服务注册中心查找到校园网上的服务, 获得该服务的调用方式( 如需要的参数数量、参数类型等) , 就可根据系统的需要, 把该项服务嵌入到其应用系统中。3.2.2网格技术在校园网的服务网格以服务为核心, 而其最终的目的是资源和信息的共享, 图3.1 所示的校园网结构, 不但能通过网格服务接口, 为本校提供网格服务, 同时, 也为校际间资源和信息的共享提供了基础。对于最终的用户, 所享受到的网格服务, 实际上是通过应用系统得到的, 应用系统在这里起到了门户的作用。当然有各种各样的应用系统, 有基于Web 页面的, 有客户端软件形式的, 但无论是哪种形式, 其原理都是一样的, 就是应用系统作为与用户沟通和交互的界面的同时, 担负着给网格服务传递信息、启动网格服务、将网格服务的结果传送给用户的任务。这样应用系统实际上就成了网格服务和用户沟通的桥梁。与目前的各类应用系统相比较, 应用系统会更容易开发和实现。因为, 目前大多的应用系统, 不仅仅要考虑与用户的交互界面问题, 而更重要的是要提供系统功能, 也就是说, 其功能的实现和用户界面( 或者门户) 是一体的。而网格系统将服务的实现和用户界面进行了有效的分离, 这样就使得网格服务开发者可以专注于网格服务的开发工作, 就像电力系统中发电厂只关心其发电过程一样, 而对于电力的输送、使用则由其他系统进行处理一样。3.3网格技术服务的校园网图3.3从功能和逻辑上描述了以网格服务为基础的校园网结构。为了更好地认识未来以网格服务为核心的校园网结构,建立真正实用的网格服务体系, 需要对该图进一步细化, 从细节上对以网格为基础的校园网有一个全面的认识, 这也是一个系统从设计到实现所必须经历的过程。图3.3进一步描述了以网格为基础的校园网的结构。图3.3 以网格服务为基础的校园网结构3.3.1网格服务的资源分类在图3.3 中, 我们进一步将校园网资源细分为教学资源、图书资源、数据资源、计算资源等。教学资源由各种教学媒体、课件等组成; 图书资源由图书、期刊、杂志等组成; 数据资源由人事、教务、学生、财务、设备、科研等数据构成的多个数据库组成, 或者是上述数据构成的数据中心; 计算资源由高性能计算机或者机群系统配以相应的计算软件构成。除了上述所提到的各类资源外, 校园网中还存在许多其他资源。虽然在图3.3 中我们对资源进行了分类, 但在实际应用中,资源并不是完全独立的, 而是互相联系的。不能认为某些资源是专门为哪些网格服务所使用。教学网格服务可能会使用到教学、计算、科研、图书等资源, 在必要的情况下, 还可能会用到其他校园网或者网格系统中世界其他地方的资源。同样, 计算网格服务、人事管理网格服务等的开发在对资源的使用上有着非常大的灵活性, 这充分体现了资源的共享。当然, 在使用外部资源时, 并不是直接来使用, 而是通过其他网格节点提供的网格服务来实现的。资源的分类只是为了在管理校园网资源时更为方便, 也符合人们习惯, 因为在校园网内, 某些资源可能是由某些职能部门所管理。例如, 有关学生的学习成绩等一般是由教务部门管理, 而图书资源则由图书馆来管理, 因此对资源进行一些大致的分类还是必要的。在网格系统中, 资源是一个比较宽泛的概念, 这里我们把网格中资源的概念进行具体化是为了讨论问题的方便, 同时也因为真正去做一个网格系统或网格服务时, 肯定会面临到实实在在的资源和数据, 特别是在校园网内部的网格服务的开发过程中。在资源的基础上, 就可以开发相应的网格服务了。网格服务与资源相比, 具有比较强的类型特征, 比如用于远程教学的、科学计算的网格服务等。网格服务也具有很强的功能性, 在开发网格服务时, 就有很明确的目的, 这就决定了网格服务主要用途。如为了进行远程教学而开发的网格服务, 主要是在远程教学的活动中使用的, 而计算网格服务则主要应用于科学计算。3.3.2 网格服务设施和能力一个网格节点的服务能力由该网格节点提供的网格服务的数量和质量来衡量。要使校园网成为一个功能强大的网格节点, 就应该在网格服务的开发上加大投入。校园网已经成为高校不可缺少的基础设施, 为学校的教学、科研和管理起到了不可替代的作用。要使校园网在学校的教学活动中充分发挥作用, 建立各种应用系统是关键, 而在网格服务的基础上, 各种应用系统的建立就会非常容易, 一个网格服务就是一个独立的功能模块, 就像在开发工业产品过程中所使用的标准件一样, 在流水线上, 拿过来就可以使用。在开发应用系统时, 不但可以使用本校园网内的网格服务, 只要有相应的权限, 网格系统中其他地方的网格服务也可以拿来使用。这样, 开发应用系统的过程, 就会变得像堆积木一样容易。之所以能够这用网格服务来构