網格技術初探

摘要：網格(Grid)是一個計算資源池，網格技術適于大型的科學計算和項目研究，它是科技發展的必然產物。網格又稱為虛擬計算環境，是這幾年興起的一種重要的網絡信息技術，是繼傳統因特網、Web之后的第三個大浪潮，可稱為第三代因特網應用。它將帶來因特網的新生，極大地改變我們的工作和生活。

關鍵詞： 網格技術；網格特點；網格體系結構；網格技術應用

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044(2008)17-21399-02

1 網格技術的基本概念

網格是近年來炒得比較熱門的技術，各種學術論文、專著等都出現了大量有關網格的論述。然而，究竟什么是網格卻沒有一個明確的定義。從不同的理解、不同的角度出發，人們對網格的定義有六、七種之多，這從一個側面說明網格技術的復雜性和功能的多樣性，同時也說明了網格技術仍是一種處于發展時期的未成熟技術。

筆者認為，從20世紀90年代開始，高性能計算技術和互聯網技術、多媒體技術進一步融合，正在形成繼因特網、Web之后的第三個發展高潮，那就是網格(Grid)。網格是一個計算資源池，網格技術適于大型的科學計算和項目研究，它是科技發展的必然產物。當今，計算已經成為重大科學領域研究的方法和手段。由于問題和規模越來越復雜，解決問題需要的計算能力也相應大幅度增加。解決這個問題的一種方法將若干計算機聚集在一個固定地點，組成超級計算中心，但是這種方式費用很大。另一種方式是打破地域的限制實現更大范圍的資源共享。網格技術就是以更大范圍的資源共享為目的的計算方式，它的實現需要計算機網絡和計算機技術的支撐。高性能計算技術和互聯網技術迅猛發展和融合，實現了計算機硬件和資源的連通，為網格的發展提供了技術支持。這樣，當進行大數據量的計算或對數據集進行大量重復分析操作時，就可以考慮利用網格技術共享互聯網絡上豐富的資源。

可以簡單的說，網格，又稱為虛擬計算環境，是這幾年興起的一種重要的網絡信息技術。網格利用計算機網絡把地理范圍廣泛分布的計算資源、存儲資源、網絡資源、軟件資源、信息資源、知識資源等連成一個邏輯整體，然后像一臺超級計算機一樣為用戶提供一體化的信息應用服務，實現互聯網上所有資源的全面連通、全面共享，消除信息孤島和資源孤島。被稱為是繼傳統因特網、Web之后的第三個大浪潮，可稱為第三代因特網應用。它將帶來因特網的新生，極大地改變我們的工作和生活。

2 網格的特點

（1）分布性與共享性：網格系統是由分布在不同地點、不同類型的計算機、外部設備、各種各樣的資源庫、知識庫、網格服務等構成。分布性是網格最根本、最典型和最重要的特征。而共享性是網格的一個非常重要的目的，網格就是要做到對各種資源的充分共享，從計算資源、設備資源到服務資源。

（2）動態性和異構性：網格作為一個系統，其規模、資源、服務都是在不斷的變化之中，也就是說，網格是動態變化的系統，每個有生命力的系統，都具有動態這一特性。只有這樣，一個系統才充滿活力。異構性是指網格內存在形式各異的計算機系統，同時，網格內的信息資源也是多樣性的，各種媒體信息、各種知識庫、由不同語言開發的應用軟件等。

（3）自相似性：網格的結構具有自相似的特征。網格的局部和整體之間存在著一定的相似性，局部往往在許多地方具有全局的某些特性，而全局的特征在局部也有一定的體現。網格的自相似性在網格的建造和研究過程中有重要的意義。

（4）多級管理域：由于構成網格計算系統的超級計算機資源通常屬于不同的機構或組織，并且使用不同的安全機制，因此需要各個機構或組織對其擁有的資源有自主的管理能力。但它們也必須接受統一的管理，否則無法實現共享和互操作性。

3 網格的體系架構

網格技術不斷地發展使人們逐漸地意識到了網格體系結構的重要性。網格體系結構用來劃分系統的基本組件，指定系統組件的目的和功能，說明組件之間如何相互作用，規定了網格各部分相互的關系與集成的方法。可以說，網格體系結構是網格的骨架和靈魂，是網格技術中最核心的部分。

目前網格技術發展形成兩大體系架構：一個是以協議為中心的五層沙漏架構，另一個是以服務為中心的開放網格服務架構OGSA(Open Grid Services Architecture)。

3.1 五層沙漏架構

五層沙漏結構最重要的思想是以“協議”為中心，十分強調服務與應用編程接口(API)和軟件開發工具包(SDK)的重要性。在五層沙漏結構中，共享的概念不僅僅是交換文件，而是更強調對計算機、軟件、數據以及其他資源的直接訪問。五層沙漏模型自上而下分別為應用層、匯聚層、資源層、連接層和構造層。

（1）構造層是網格中可以被共享的資源所在層，該層包括各種物理設備或邏輯實體。該層的功能是向上層提供網格中可共享使用的資源接口，網格通過支持設備共享的協議來訪問本地設備。

（2）連接層是網格中處理通信和授權控制的核心協議層。構造層的各種資源間的數據交換都在這層的控制下實現。

（3）資源層的作用是對單個資源實施控制，與可用資源進行安全握手，對資源進行初始化，檢測資源運行狀況，統計與付費有關的資源使用數據。

（4）匯聚層的作用是將資源層提交的受控資源匯集在一起，供應用程序共享使用。匯聚層提供目錄服務、資源分配、日程安排、網格啟動等功能，協調多個資源之間的工作。

（5）應用層是網格上用戶的應用程序，應用程序通過各層的API調用相應的服務，再通過調用網格上的資源來完成任務。

以上五層結構中，資源層和連接層是核心，其包含的協議數量最少，而向上和向下各層協議數量增多，由協議數量的多少形成一個沙漏形狀，因此稱之為五層沙漏結構。

3.2 開放網格服務架構（OGSA體系結構）

五層沙漏結構雖然簡單，但人們在研究中發現，在許多情況下，復雜的服務或應用很難分解為標準而低級的基本協議，而且人們在解決問題時也不習慣于按照協議的方式來進行。鑒于五層沙漏結構的不足，Ian Foster等人結合Web服務技術提出了一種新的網格體系結構--開放網格服務體系結構。

開放網格服務體系結構的思想一切都抽象為服務，包括計算機、程序、數據和儀器設備等。這種觀念有利于通過統一的標準接口來管理和使用網格。Web服務提供了一種基于服務的框架結構。但是，Web服務面對的一般都是永久性服務，而在網格應用環境中，大量的是臨時性的短暫服務。考慮到網格環境的具體特點，OGSA在原來的Web服務概念的基礎上，提出了“網格服務”(Grid Service)的概念，用于解決與臨時服務發現、動態服務創建以及服務生命周期管理等問題。基于網格服務的概念，OGSA將整個網格看作是\"網格服務\"的集合，但是這個集合不是一成不變的，而是可以擴展的，這反映了網格的動態特性。

OGSA是一個抽象的東西，是一個框架。由它提出了一個基于OGSA發展的核心規范OGSI(Open Grid Services Infranstucture)，它是對OGSA的主要方面具體化、規范化。OGSI規定了向網格發送處理請求時所使用的接口，相當于Web服務中的WSDL，在網格計算相關標準中處于核心地位。OGSI規范通過擴展Web服務的問題。

4 網格技術的應用領域

4.1 應用于學科研究

現在科學研究的問題空前復雜化，而學科研究所需要的運算資源常常是捉襟見肘。復雜科學領域的計算通常以超級計算機作為數據處理中心，超級計算機雖然處理能力強大，但是其本身的造價極其昂貴，并不是所有的研究機構都有能力配備。網格技術的出現，最大程度地提高了現有網絡計算資源的利用率。目前，利用網格提高現有資源利用率主要有兩種辦法：一是利用網格技術可以將各個實驗室的超級計算機連接起來，形成一個“強強聯合”的超級信息處理中心；另外一種方式就是通過互聯網，利用互聯網個人用戶的閑置計算機，進行科學研究。

4.2 應用于企業信息處理

網格計算的商業應用前景廣闊。網格計算環境能夠提高或拓展企業內所有計算資源的效率和利用率，通過對這些資源進行共享、有效優化和整體管理，使各企業解決以前難以處理的問題，最有效地使用他們的系統，滿足客戶要求并降低他們計算機資源的擁有和管理總成本。中國國家計算網格簡稱“織女星網格”(Vega Grid)。該項目已取得了一些研究成果并開始應用到如電子商務、稅收等中。

4.3 應用于娛樂

隨著互聯網的發展，網絡視頻點播與在線游戲已經成為個人娛樂重要的一環。使用網格可以為游戲開發商和服務供應商提供可擴展的、高彈性的基礎設施以運行大型多人游戲。網格技術有望使虛擬現實技術走向平民化。由于運行虛擬現實技術所需要的計算資源太過于龐大，目前虛擬現實技術只用于飛行員、宇航員等的訓練工作，普通個人根本無法享受這一技術帶來的娛樂體驗。利用網格這種造價低廉而數據處理能力超強的計算模式，可以將虛擬現實技術運用于網絡游戲中，讓參與游戲的人可以真切地感受虛擬環境所帶來的游戲快感。

5 結束語

網格技術的發展尚處于初級階段，基礎研究還很薄弱，國際上還很少有成果發表，其各方面發展都還遠遠不夠完善。本文僅對網格技術特點、體系機構及其應用作了闡述，但網格技術還有許多亟待解決的問題需要研究。例如：統一標準、資源調配和服務沖突等都是網格計算亟待解決的一個問題，否則將無法成為企業的商業架構。網格作為基礎設施，除了技術上的挑戰外，一些社會、政治因素對網格的普及也至關重要，應當建立資源的外包、數據的保密等法律保護機制。

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