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網格的結構體系

在介紹網格的特征之前,我們首先要解決壹個重要的問題:網格是不是分布式系統?這個問題之所以必須回答,因為人們常常會問另壹個相關的問題:為什麽我們需要網格?現在已經有很多系統(比如海關報關系統、飛機訂票系統)實現了資源***享與協同工作。這些系統與網格有什麽區別?

對這個問題的簡要回答是:網格是壹種分布式系統,但網格不同於傳統的分布式系統。IBMGlobal Service與EDS是在這個分布式領域最著名的公司。構建分布式系統有三種方法:即傳統方法(我們稱之為EDS方法)、分布自律系統(Autonomous Decentralized Systems, ADS)方法,網格(grid)方法。ADS通常用於工業控制系統中。網格方法與傳統方法的區別見下表:

特征 傳統分布式系統 網格

開放性 需求和技術有壹定確定性、封閉性 開放技術、開放系統

通用性 專門領域、專有技術 通用技術

集中性 很可能是統壹規劃、集中控制 壹般而言是自然進化、非集中控制

使用模式 常常是終端模式或C/S模式 服務模式為主

標準化 領域標準或行業標準 通用標準(+行業標準)

平臺性 應用解決方案 平臺或基礎設施

通過以上對比,網格具有以下四點優勢:

(1)資源***享,消除資源孤島:網格能夠提供資源***享,它能消除信息孤島、實現應用程序的互連互通。網格與計算機網絡不同,計算機網絡實現的是壹種硬件的連通,而網格能實現應用層面的連通。

(2)協同工作:網格第二個特點是協同工作,很多網格結點可以***同處理壹個項目。

(3)通用開放標準,非集中控制,非平凡服務質量:這是Ian Foster最新提出的網格檢驗標準。網格是基於國際的開放技術標準,這跟以前很多行業、部門或者公司推出的軟件產品不壹樣。

(4)動態功能,高度可擴展性:網格可以提供動態的服務,能夠適應變化。同時網格並非限制性的,它實現了高度的可擴展性。 網格之所以能有以上所說的種種優勢特征,是由網格的體系結構賦予它的。網格體系結構的主要功能是劃分系統基本組件,指定組件的目的與功能,刻畫組件之間的相互作用,整合各部分組件。科研工作者已經提出並實現了若幹種合理的網格體系結構。下面介紹影響比較廣泛的兩個網格體系結構:網格計算協議體系結構(Grid Protocol Architecture,GPA)和計算經濟網格體系結構(GRACE)模型。

OGSA(Open Grid Services Architecture)被稱為是下壹代的網格體系結構,它是在原來“五層沙漏結構”的基礎上,結合最新的Web Service 技術提出來的。OGSA包括兩大關鍵技術即網格技術和Web Service 技術。

隨著網格計算研究的深入,人們越來越發現網格體系結構的重要。網格體系結構是關於如何建造網格的技術,包括對網格基本組成部分和各部分功能的定義和描述,網格各部分相互關系與集成方法的規定,網格有效運行機制的刻畫。顯然,網格體系結構是網格的骨架和靈魂,是網格最核心的技術,只有建立合理的網格體系結構,才能夠設計和建造好網格,才能夠使網格有效地發揮作用。

OGSA最突出的思想就是以“服務”為中心。在OGSA框架中,將壹切都抽象為服務,包括計算機、程序、數據、儀器設備等。這種觀念,有利於通過統壹的標準接口來管理和使用網格。Web Service提供了壹種基於服務的框架結構,但是,Web Service 面對的壹般都是永久服務,而在網格應用環境中,大量的是臨時性的短暫服務,比如壹個計算任務的執行等。考慮到網格環境的具體特點,OGSA 在原來Web Service 服務概念的基礎上,提出了“網格服務(Grid Service)”的概念,用於解決服務發現、動態服務創建、服務生命周期管理等與臨時服務有關的問題。

基於網格服務的概念,OGSA 將整個網格看作是“網格服務”的集合,但是這個集合不是壹成不變的,是可以擴展的,這反映了網格的動態特性。網格服務通過定義接口來完成不同的功能,服務數據是關於網格服務實例的信息,因此網格服務可以簡單地表示為“網格服務=接口/行為+服務數據”。

在當下,網格服務提供的接口還比較有限,OGSA 還在不斷的完善過程之中,下壹步將考慮擴充管理、安全等等方面的內容。 Ian Foster於2001年提出了網格計算協議體系結構,認為網格建設的核心是標準化的協議與服務,並與Internet網絡協議進行類比(如圖1)。該結構主要包括以下五個層次:

構造層(Fabric):控制局部的資源。由物理或邏輯實體組成,目的是為上層提供***享的資源。常用的物理資源包括計算資源、存儲系統、目錄、網絡資源等;邏輯資源包括分布式文件系統、分布計算池、計算機群等。構造層組件的功能受高層需求影響,基本功能包括資源查詢和資源管理的QoS保證。

連接層(Connectivity):支持便利安全的通信。該層定義了網格中安全通信與認證授權控制的核心協議。資源間的數據交換和授權認證、安全控制都在這壹層控制實現。該層組件提供單點登錄、代理委托、同本地安全策略的整合和基於用戶的信任策略等功能。

資源層(Resource):***享單壹資源。該層建立在連接層的通信和認證協議之上,滿足安全會話、資源初始化、資源運行狀況監測、資源使用狀況統計等需求,通過調用構造層函數來訪問和控制局部資源。

匯集層(Collective):協調各種資源。該層將資源層提交的受控資源匯集在壹起,供虛擬組織的應用程序***享和調用。該層組件可以實現各種***享行為,包括目錄服務、資源協同、資源監測診斷、數據復制、負荷控制、賬戶管理等功能。

應用層(Application):為網格上用戶的應用程序層。應用層是在虛擬組織環境中存在的。應用程序通過各層的應用程序編程接口(API)調用相應的服務,再通過服務調動網格上的資源來完成任務。為便於網格應用程序的開發,需要構建支持網格計算的大型函數庫。 現在國內國外運用得最多的可能是在壹些大型院校的計算網格(實現計算資源的***享。 什麽是計算資源: 簡單來說就是計算能力,CPU。 計算資源***享就是CPU計算的***享)。人們把壹個集群(cluster, 也就是常說的機房,通常有幾十臺操作系統為Linux的計算機)的計算機連成壹個局域型網格。這樣就好像把這幾十臺電腦連成了壹臺超級計算機,計算能力當然大大提高了。這種局域計算網格主要運用於壹些科研的研究。比如說生物科學。當生物科學的研究員需要高性能的計算資源來幫助他們分析試驗的結果時,他們就把這些分析試驗的程序提交(submit)給網格,網格通過計算再把結果返回給這些研究員。計算結果可能是壹些圖像(rendering)也可能是壹些數據。這些計算如果在單壹PC(Personal computer, 個人計算機)上運行的話,往往會花費幾個月的時間,然而在網格中運行壹,兩天也就完成了。這就是網格技術最直觀的優點之壹。當然有壹些大型主機(super-mainframe)也有很強的計算能力(比如常說的IBM deepblue,打敗人類國際象棋大師Kasparov那位),但是這種主機太昂貴,而且配置(deploy)往往不方便,是名副其實的重量級(heavyweight)計算。1996年初,美國數學家和程序設計師喬治· 沃特曼編制了壹個梅森素數計算程序,並把它放在網頁上供數學家和數學愛好者免費使用,這就是著名的“因特網梅森素數大搜索”(GIMPS)項目。現在只要人們去GIMPS的主頁下載那個免費程序,就可以通過計算網格來搜尋新的梅森素數。SETI@Home,壹個分布式計算的項目,通過互聯網絡上的計算機搜索地球外智慧訊息,網格在分布式計算的成功運用。)的網站指出,世界上最強大的計算機IBM 的 ASCI White,可以實現每秒12萬億次的浮點運算,但是花費了1億千萬美元;然而SETI@HOME只用了50萬美元卻實現了每秒15萬億次浮點運算。

網格另外壹個顯著的運用可能就是虛擬組織(Virtual Organisations)。這種虛擬組織往往是針對與某壹個特定的項目,或者是某壹類特定研究人員。在這裏面可以實現計算資源、存儲資源、數據資源、信息資源、知識資源、專家資源的全面***享。比如說中國2008年奧運會開幕式研究組就可以運用網格組成壹個虛擬組織。在這個虛擬組織裏,任何成員不管在哪個地方都可以有權訪問組織的***享資源(如 開幕式場地圖紙,開幕式資金,開幕式節目單);而且可以和另壹地方的虛擬組織成員進行交流。這個虛擬組織就像把所有奧運會開幕式的資源,信息,以及人員集中到了壹個虛擬的空間,讓人們集中精力研討開幕式項目的問題,而不必考慮其他的問題。據個實例,由英國利茲大學,牛津大學,約克大學和謝菲爾德大學合作的DAME項目就是致力於研究和運用虛擬組織。DAME架構在這四個大學合建的白玫瑰網格White Rose Computational Grid (WRCG)上,運用於對飛機故障的快速檢測和維修。

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