网格技术研究

摘　要： 本文根据网格技术的定义，介绍了网格产生的由来，网格技术的主要特征。讨论网格技术的主流理论体系结构－五层沙漏模型，并结合该模型讨论具体的实现技术-开放式网格服务基础架构（OGSA）,然后结合此服务模型，简要分析了一些网格技术体系中的核心技术。

关键词：网格计算、五层沙漏结构；OGSA-DAI；OGSI；Globus Toolkits；Web Service
1引言

　　网格技术的起源于上世纪90年代初，由于吉比特传输的出现，人们开始设想使用这种线路连接各地的超级计算机，共享计算资源。然而，那时这种系统被称为“元系统”或者“元计算机”。直到1998年，开发研究人员建立网格论坛，并发表了关于它的定义后，网格技术才进入到主流研究领域。当时对于网格的定义是：一个硬件和软件相结合的基础架构，提供可靠的、兼容的、普遍的和廉价的高端计算接入能力。从最初的定义看，它类似于分布式网络技术，但这个定义并不准确，它仅仅明确了网格技术的由来，网格技术是分布式网络发展的下一代。要准确的理解网格技术，必须首先了解它的以下一些主要特征：

　　（1）、高度的伸缩性

　　（2）、地理分布性

　　（3）、异构性

　　（4）、资源共享

　　（5）、资源协调能力

　　（6）、透明接入

　　（7）、可靠接入

　　（8）、兼容接入

　　（9）、普遍性：

　　依据以上网格所具有的特征，《Grid Characteristics and Uses: a Grid Definition》一文指出如下网格的定义：一个高度可伸缩的、物理分布的、在硬件和软件结构上属于异构的网络、被很多的机构同时管理的资源，协调的提供透明的、可信赖的、普遍的和一致的计算以支持多样的应用。这些应用能执行包括分布式计算、高吞吐量计算、按需计算、数据精细计算、协作计算和多媒体计算等。

2网格体系结构

　　网格体系结构就是关于建造网格的技术，它给出了网格的基本组成与功能，描述了网格各组成部分的关系以及它们集成的方式与方法，刻画了支持网格有效运行的机制。Foster将网格体系结构定义为“划分系统基本组件，指定组件的目的与功能，说明组件之间如何相互作用的技术”

2.1五层沙漏结构

　　五层沙漏结构是一种早期的抽象层次结构，它以“协议”为中心，强调服务与API和SDK的重要性。五层沙漏结构如下图：























　　

2.1.1构造层

　　网络构造层的功能是控制可以使用的资源，并提供访问这些资源的接口。

2.1.2连接层

　　连接层实现资源和应用的通信。它定义了核心的通信和认证协议,用于网格中的网络事务处理。

2.1.3资源层

　　资源层实现对单个资源的共享。他在连接层之上，用于初始化、监视、控制单个资源的共享操作。

2.1.4汇聚层

　　汇聚层的作用是协调共享的资源，它描述资源的共性，说明不同集合资源之间是如何相互作用的。资源层协议必须是通用的而且可以广泛使用，汇聚层协议在资源层通用目的的协议的基础上，实现更高级的应用。

2.1.5应用层

　　应用层是在虚拟组织环境中存在的。从应用程序员的观点看网格结构，应用是根据在任一层次上定义的服务来构造的。

2.2五层沙漏结构的技术细节

　　五层沙漏结构侧重于定性的描述，它包含如下一些内容：

2.2.1共享

　　共享强调对计算机、软件、数据以及其它资源的直接访问。这种共享必须是高度可控的，需要在资源控制者和使用者之间定义什么是可共享的，哪些用户可以共享，在什么条件下可以共享。这里的共享是一种随时间变化的动态共享，而不是静态的。主要有三种形式形式的共享关系：C/S共享关系、P2P共享关系、Proxy共享关系。　　

2.2.2互操作

　　共享定义为对各种资源的直接访问，也就是支持互操作。因此，共享关系需要一种互操作的机制，使共享可以跨越不通的组织边界、使用策略以及资源类型。

2.2.3开放式协议

　　为实现互操作，必须制定和相互遵守协议。这里的协议是指为了实现特定的操作而定义的分布式系统元素之间交互的方式以及交互过程中交换的信息的结构。

2.2.4API/SDK

　　API（Application Programming Interfaces）和SDK（Software Development Kits），使得在建立网格应用时可以在抽象的基础上提高编程的级别。沙漏的层次结构。

2.2.5沙漏形状

　　五层结构的重要特点是沙漏形状，其内在含义就是因为各部分协议的数量是不同的，对于其最核心的部分，要能够实现上层各种协议向核心协议的映射，同时实现核心协议向下层其它各种协议的映射，核心协议在所有支持网格计算的地点都应得到支持。因此核心协议的数量不应该太多，这样核心协议就形成了协议层次结构中的一个瓶颈，在五层结构中，资源层和连接层共同组成这个核心的瓶颈部分。

　　

3OGSA-DAI（Open Grid Services Architecture - Data Access and Integration）

　　随着网格在科学研究领域的成功应用，工业界对于网格的兴趣也日益增加，网格的体系结构也发生了相应的变化，采用了“服务”这种可以组合的概念来构建出网格体系结构(OGSA)。

　　开放网格服务体系OGSA 是在Globus ToolKit 和Web Services 技术融合的基础上提出的一套基于网格服务的分布式交互和计算体系结构,用来确保异构系统间的互操作性。

　　OGSA 架构由资源层、Web 服务层、基于OGSA架构的服务层、网格应用层构成。

　　（1）资源层：包括物理资源和逻辑资源，物理资源之上是逻辑资源，它们通过虚拟化和聚合物理层的资源来提供额外的功能，通用的中间件，比如文件系统、数据库、目录、工作流管理和安全认证等，在物理网格之上提供这些抽象服务。

　　（2）Web 服务层。所有网格资源（逻辑的与物理的）在这一层都被建模为服务。它为所有网格资源指定标准的接口、行为与交互，提供动态的、有状态的和可管理的Web 服务的能力。

　　（3）基于OGSA 架构的网格服务层。定义基于网格架构的核心服务，这些核心网格服务包括：服务管理、服务通信、策略服务、安全服务等。这些服务的提供，使OGSA 变成更加有用的面向服务的架构（Service Oriented Architecture，SOA）。

　　（4）网格应用层。网格用户可以使用其提供的可视化工具或环境开发各种应用系统，是户需求的具体体现，是各种应用软件的研究。

3.1OGSA-DAI的基本思想

3.1.1以服务为中心的模型

　　OGSA是以服务为中心的“服务结构”。这里的服务是指具有特定功能的 网络化实体。在五层沙漏结构中，强调的是被共享的物理资源，在OGSA中，服务所指的概念更广，包括各种计算资源、存储资源、网络、程序、数据库等等，一切皆为服务。五层模型试图实现的是对资源的共享，而在OGSA中，实现的将是对服务的共享。从资源到服务，这种抽象将资源、信息、数据等统一起来，十分有利于灵活的、一致的、动态的共享机制的实现，使得分布式系统管理有了标准的接口和行为。简单的说，

　　网格服务＝接口/行为＋服务数据；　　

3.1.2统一的Web Service框架

　　一个Web Service就是一个可以被URI识别的软件应用，它的接口和绑定可以被XML描述与发现，并且可以通过基于internet的协议直接支持与其它基于XML消息的软件应用的交互。

　　Web Service描述了一种新出现的、重要的分布式计算范式，它强调基于单个INTERNET标准(XML)来解决异构分布式计算的问题。Web Service定义了一种技术，用于描述被访问的软件组件、访问组件的方法以及找到相关服务提供者的发现方法。

　　OGSA是符合标准的Web Service框架的， OGSA对Web Service进行了扩展，提出了网格服务（Grid Service）的概念，使得它可以支持临时服务实例，并且能够动态创建和删除。

　　由于OGSA采用统一的Web Service框架，因此很自然就具备了Web Service的所有有利因素，比如服务的描述和发现等。

3.2OGSA的两大支撑技术

3.2.1  Globus

　　Globus是一种基于社团的、开发结构，开发源码的服务的集合，也是支持网格与网格应用的软件库，该工具包解决了安全，信息发现，资源管理，数据管理，通信，错误检测以及可移植等问题。

　　Globus工具包在世界上的许多网格项目中被使用，最新发行的Globus工具包GT4（Globus toollit4.0）被称为迄今为止“最能满足企业需求”的版本。网格服务和Web服务被OGSI（Open Grid Services Infrasturcture，开放式网格服务基础架构）明确的定义。

3.2.2Web Service

　　关于XML协议方面的工作是Web Serivice的基础。Web Serivice中几个比较重要的协议标准是SOAP（Simple Object Access Protocol），WSDL（Web Service Description Language），WS-Inspection，UDDI(Universal Description,Discovery,&Integration)。

　　SOAP是 基于XML的RPC协议，用于描述通用的WSDL目标。

　　WSDL用于描述服务，包括接口和访问的方法。

　　WS-Inspection给出了一种定义服务描述的惯例，包括一种简单的XML语言和相关的管理，用于定位服务提供者公布的服务。

　　UDDI定义了Web Service的目录结构。

4网格技术分类

　　网格技术的核心思想是利用高速网络，最大程度的利用闲置的计算资源，进行科学计算。为实现这个目标，产生了一些列的理论、技术和实现的整体构成了网格技术。它包括一下一些部分：　　

　　其中最关键的一层是网络核心中间件，这层软件架构能够对分布的各种资源进行有效管理，为整个网格应用提供高效、安全、可靠的服务。网格核心中间件，是网格系统中连接上层应用和下层资源的纽带，它提供对网格的管理功能，但是这种功能一般层次上比较低，因此不容易被普通的开发者掌握。为克服这个缺点，网格开发环境便应运而生，它是为了方便使用网格的各种功能而提出的一种集成的，高效的网格应用技术人员工作环境，可以很容易的实现各种网格功能。

5结论

　　网格研究最初的目标是希望能够将超级计算机连接成为一个可远程控制的元计算机系统，现在，已发展成为建立大规模计算和数据处理的通用基础支撑结，实现资源共享和分布协同工作。网格技术的最终目的是希望用户在使用网格计算能力解决大规模数据计算的问题，用户不必考虑的计算来自于哪个地理位置，由什么样的计算设施提供。网格应用分为四个主要的部分，分别是分布式超级计算应用、实时广域分布式仪器系统、数据密集型计算以及远程沉浸等，很多行业和领域已经出现了网格技术的应用，但是由于系统、硬件兼容、网络速度等原因，这种应用往往趋向于内部服务器集群的方式。网格计算技术还不成熟，基础理论研究还很薄弱，OGSI同样不够成熟，适应网格环境的硬件设施研究非常不足，未来的发展过程中，还需要进行解决一系列的问题，例如怎样建立一个开放的信息处理基础设施平台、虚拟组织的管理和系统工作问题、网格的可用性和可开发性还需要进一步提高、如何将网格技术和传统的技术相互结合等等，相信随着技术的进步，这些问题将逐渐解决。网格应用将会取代传统的计算，成为支撑下一代互联网和信息应用的核心技术。

参考文献：

[1]  Miguel L. Bote-Lorenzo, Yannis A. Dimitriadis, and Eduardo G?omez-S?anchez：Grid Characteristics and Uses: a Grid Definition.

[2]  都志辉 陈渝 刘鹏: 网格技术