网路技术的发展与研究
摘要:网路技术是一种新兴技术,有着好多的优点和亟需解决的问题。本文详尽阐释了网格的基本概念及其内涵,剖析了目前广泛研究的体系结构。在讨论了关于网格的研究状况以后,同网路研究必须面临的问题和发展前景。
关键词:网格Globus开放网格服务结构OGSA沙漏结构
2003年10月13日,IBM与中国国家教育部在京宣布,双方将构建中国教育科研网格以推动全省院校在教育、科研及更广泛项目上的全面合作。该项目由上海学院、华南理工学院、清华学院等12所学院联合提出,是迄今由政府推出的最宏大的网格工程,也是迄今为止世界上规模最大的网格估算工程之一。其应用领域包括从生命科学、图像处理到远程教育等方面的诸多领域。到网格建成时,它将在教育科研网上把全省100所211工程建设重点学院的资源广泛共享,并将在该工程完成时达到超过15万亿浮点运算的功能。日本《福布斯》杂志的科技版《ForbesASAP》2001年就曾预言下一代互联网浪潮将是万维网(WorldWideWeb)升级为网格(GreatGlobalGrid)。这么究竟哪些是网格呢?
1网格的含义
1.1网格概念
网格就是一个集成的估算与资源环境,或则说是一个估算资源池。它才能把整个互联网集成为一台巨大的超级计算机,实现全球范围的估算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源、设备资源甚至是人才等各类相关的广泛分布的各类资源的全面共享。网格的根本特片是资源共享,去除资源孤岛。其实织女星网格操作系统,我们也可以构造地区性的网格、企事业内部网格、局域网网格甚至家庭网格和个人网格。可从以下三方面理解网格概念:
第一,从概念上,网格的目标是资源共享和分布协同工作。网格的这些概念可以清晰地指导行业和企业中各个部门的资源进行行业或企业整体上的统一规划、部署、整合和共享,而不仅仅是行业或大企业中的各个部份自己规划、占有和使用资源。
第二,网格是一种技术。为了达到多种类型的分布资源共享和协作,网路估算技术必须解决多个层次的资源共享和合作技术,拟定网格的标准,将Internet从通信和信息交互的平台提高到资源共享的平台。并且目前并行估算、分布估算中间件等现行技术远远没有解决多组织之间资源的共享问题,以及广域范围的多系统之间联合处理和估算等网格估算所面临的关键问题。因而,网格估算技术研究具有奇特性、紧迫性和挑战性。
第三,网格是基础设施,是通过各类网格综合计算机、数据、设备和服务等资源的基本设施。这些设施的完善,将使用户就像明天我们按需使用电力一样,无需在用户端配套大量的全套计算机系统和复杂软件,就可以简便地得到网格提供的各类服务。这样,设备、软件投资和维护开支将大大降低。
图1
1.2网格组成
网格环境的建立层次如图1所示,主要由资源、中间件、工具软件和应用程序等几部份组成。其中资源由分布在Internet上的各种资源组成,包括各种主机、工作站甚至PC机,也可以是上述型号的机群系统、大型储存设备、数据库或其他设备。中间件是网格估算的核心,负责提供远程进程管理、资源分配、存储访问、登录和认证、安全性和服务质量(QoS)等。工具软件和应用程序提供用户二次开发借助的环境、工具、语言及插口等,便于更好地借助网格资源。
1.3网格的判别标准
证判一个系统是否是网格,从根本上说,必须看此系统所能提供的应用、商业价值和科学推论,而不是它的系统结构。全球网格研究的邻军人物伊安·福斯特(IanFoster)对于网格作为三点限制:
首先,协调非集中控制资源。网格整合各类资源、协调各类使用者。这种资源和使用者在不同控制制域中,例如,个人笔记本和中心计算机、相同或不同公司的不同管理单元;网格还解决在这些分布式环境中出现的安全、策略、使用费用、成员权限等问题。否则,只能称得上本地管理系统而非网格。
其次,使用标准、开放、通用的合同和界面。网格构建在多功能的合同和界面之上,这种合同和界面解决认证、授权、资源发觉和资源存取等基本问题。否则,只能是一个具体应用系统而非网格。
其次,使用标准、开放、通用的合同和界面。网格构建在多功能的合同和界面之上,这种合同和界面解决认证、授权、资源发觉和资源存取等基本问题。否则,只能是一个具体应用系统而非网格。
第三,得到非平凡的服务质量。网格容许它的资源被协调使用,以得到多种服务质量,满足不同使用者需求linux 版本,如系统响应时间、流通量、有效性、安全性及资源重定位,致使联合系统的功效比其各部份的功效总和要大得多。
2网格的体系结构
目前,比较重要的网格体系结构有两个:一个是伊安·福斯特(IanFoster)等在早些时侯提出的五层沙漏结构;另一个是以IBM为代表的工业界的影响下,在考虑到Web技术的发展与影响后,伊安·福斯特(IanFoster)等结构WebService提出的开放网格服务结构OGSA(OpenGridServicesArchitcture)。
2.1五层沙漏结构
五层
沙漏结构是一种影响非常广泛的结构,它的主要特征就是简单,主要注重于定位的描述而不是具体的合同定义。其基本思想就是以"合同"为中心,也非常指出与API(ApplicationProgrammingInterfaces)和SDK(SoftwareDevelopmentKits)的重要性。
五层沙漏模型从底层开始分别为构造层、连接层、资源层、汇聚层和应用层。
网格构造层由各类数学资源所构成,包括储存资源、计算资源、目录、数据库、网络资源、传感器等,构造层的基本功能就是控制和管理局部的资源,向下提供访问那些资源的插口。
网格联接层实现构造层资源之间的通讯、数据交换,定义了核心的通讯和认证合同。
网格资源层构建在联接层的通讯与认证合同之上,工、提供数据访问、计算机访问、状态与性能信息访问等服务。它考虑的是单个的局部资源,全局状态和跨越分布资源集合的原子操作由凝聚层考虑。
网格凝聚层的主要功能是协调“多种”资源的共离,协同完成任务。凝聚层在资源基础上,实现更中级的应用。凝聚层可分为通用的凝聚层和面向特定问题的凝聚层。
网格应用层是在虚拟组织环境中存在的,应用可依照里面作一层次上定义的服务来构造,它可以调用资源层的服务,也可以调用汇词聚层的服务,进而满足应用需求。拿电力系统做个比喻,前四个层次就相当于发电厂、电网、变电所和配电房linux 输入法,而应用层相当于住宅里的空开、电表和电源插座。
其另一个重要特征就是沙漏形状,如图2所示。核心合同就产生了合同层次结构中的一个困局,资源层和联接层共同组成这一核心的困局部份,它们提供资源的安全访问。
2.2开放网格服务结构OGSA
开放式的网格服务体系OGSA是一个由节点和连线构成的框架。该框架的节点是网格服务而网格服务之间的连线是网格服务互相交流时所用的语言。网格服务是特殊的网路服务特供拿来维持和管理网格体系。
OGSA网格也为五层结构,其结构同五层沙漏结构,自下而上为结构层、连接层、资源层、汇聚层及应用层。但OGSA结构较五层沙漏结构有着以下特性:
(1)以服务为中心的模型
假如说五层沙漏结构是以合同为中心的“协议结构”,其企图实现的是对资源的共享,则OGSA就是以服务为中心的“服务结构”,其实现的是对服务的共享。OGSA将一切看作服务,并定义了“网格服务”,该服务提供了一组插口,这种插口明晰遵循特定的惯例,解决服务发觉、动态服务创建、生命周期管理、通知等问题。为此,网格是可扩充的网格服务的集合。简单地说,网格服务=插口/行为+服务数据。
(2)统一的WebService框架
WebService描述了一种新出现的、重要的分布式估算范式,定义了一种技术,用于描述被访问的软件组件、访问组件的方式以及找到相关服务才蝗发觉方式,解决了发觉和迸发永久服务的问题。OGSA是符合标准的Webservice框架的。并且在网格中,大量的是临时服务,因而OGSA对Webservice进行了扩充,提出的是网格服务(GridService)的模仿,致使它可以支持临时服务实例,而且还能支柱创建和删掉。
(3)突破科技应用领域
正如Web技术一开始是科学合同而出现的,而且后来在商业领域却大量使用一样,OGSA将原先主要在科技领域应用的网格技术转移到工商业领域。OGSA而向服务的特性容许我们在不同的层次虚拟化资源,因而相同的机制与具象可以应用于多个组织之间的分布式网格支持的协作,或则是跨越多个特征主要环境。
2.3应用实例:Globus系统
Globus是日本Argonne国家实验室研制的网路估算项目,有12所学院和研究机构出席该项目。Globus对资源管理、信息安全、信息服务、数据管理等网路估算关键理论进行了研究,开发了在各类平台上运行的网路估算工具软件(Toolkit),帮助成立和规划小型网路试验平台,开发小型网路系统运行的应用软件。Toolkit是Globus最重要的成果,其第一版在1999年推出。2003年1月13日,符合OGSA规范的GlobusToolkit3.0(Alpha版)早已在第一届Globusworld大会上发布。这标志着OGSA早已从一种理念、一种体系结构,走到付诸实践的阶段了。Toolkit开放源码,任何人都可以从其网站上直接下载源代码。
Globus的合同分为五层:构造层、连接层、资源层、汇集层和应用层。每层都有自己的服务、API和SDK,下层合同调用上层合同的服务。网格内的全局应用都通过合同提供的服务调用操作系统。Globus的网格估算合同完善在互联网合同之上,以互联网合同中的通讯、路由、名字解析等功能为基础。在Globus看来,现有的共享方案,例如互联网、B2B、ASP、SSP、Java、CORBA、DCE等,要么在共享配置的灵活性上、要么在共享资源种类上不能完全满足虚拟组织的须要。同时,Globus并不企图替代现有技术,而是希望在现有技术之上构建更高层次的共享。为了有效支持网格估算环境,Globus工具包针对Globus项目中提出的各类合同,提供了一系列的服务、软件库、编程插口(API)和使用事例。
迄今为止,GlobusToolkit早已成为事实上的网格标准。一些重要的公司,包括IBM、Microsoft、Compaq、Cray、SGI、Sun、Fujitsu、Hitachi、NEC等公开宣布支持GlobusToolkit。目前大多数网格项目都是基于GlobusToolkit所提供的合同及服务而建设的,比如波兰的数学网格GriPhyN、欧洲物数据网格DataGrid、荷兰的集群计算机网格DAS-2、美国能源部的科学网格、DISCOM网格、美国学术界的TeraGrid等等。
3网格的研究历史与现况
从英国、日本及亚洲的发达国家到美国这样的发展中国家都启动了小型网格研究计划,并得到了产业界的大力支持。网格的发展到目前为止基本上可以界定为以下几个阶段:
一是萌芽阶段:在上个世纪90年代早期,主要是百兆网的测试床以及一些元估算的施行。
二是初期实验阶段:在上个世纪90年代中期到晚期,如I-WAY项目,还包括一些学术性的软件项目,比如Globus、Legion等。
三是急速发展阶段:2002年以来,出现了大量的应用社联和项目,主要基础市话的开发和使用,工业界对网格估算的兴趣在下降,比如IBM、Platform、Microsoft、Sun、Compaq等重要的公司。同时也出现了一比较明显的技术基础,如GlobusToolkit,产生了具有相当规模和世界影响的全球网格峰会GGF(GlobalGriaForum)组织。
目前,IBM是网格系统和服务方面的领先供应商,早已为好多科技团体、政府机构、商业化用户的网格系统提供了产品和服务,其中包括美国国家网格、荷兰国家各、北卡州的生物网格等等。英国太阳微系统公司2002年发布了“网格引擎”企业版的测试版。HP公司也提出了UtilityComputing计划和UtilityDataCenter产品。Oracle公司2002年11月推出面向网格的基于Globus的数据库应用工具。2008年上海全运会的计算机信息处理系统将应用网格,IBM、Oracle、SUN、NP都已推出了一系列可应用网格的产品。台湾文部科学省2003年5月决定投资700亿美元开发超小型网格计算机,它出现在世界上运算速率最快的计算机还快近10倍,将达每秒300万亿次。
我国“十五”863计划的高性能估算专项和软件专项等重大科研项目都与网格技术相关。目前,我国已举办了“国家高性能估算环境”和“先进估算基础设施上海南京试点工程”两个项目,对网格估算进行研究。中科院估算所正在进行的“织女星计划”(Vega计划)正是以元数据、构件框架、智能体、网格公共信息合同和网格估算合同为主要突破点对网格估算进行的研究。
4网格存在问题及发展前景
4.1存在问题
下一代互联网技术是完全崭新的织女星网格操作系统,从光纤到路由器、交换机、上层服务器、操作系统、各种系统软件和应用软件都将形成革命性的改革。因此,在网格的发展公路上,Globus和它的各类取代版本将面临巨大障碍。为实现网格的广泛应用,还必须解决下述问题:
(1)标准是成功关键。如同TCP/IP合同是互联网的核心一样,建立网格估算也须要对标准合同和服务进行定义。迄今为止,网格估算还没有即将的标准,但在核心技术上,GlobusToolkit已成为网格估算事实上的标准。
(2)网格资源动态分配问题。怎样在动态、异构虚拟组织间实现协同的资源共享以及协同是网格中十分重要的问题。已有的一些并行和分布估算系统的资源分配技术,并不能挺好地适应估算网格资源分配问题的特征。
(3)数据通过因特网时产生的延后问题。智能软件应确保按量传送数据,否则,网格处理问题的手段将被限定在“并行运算”。并行估算在不同的机器上完成,某一台计算机不须要等待另一台计算机的处理结果。
(4)目前互联网的数据传输能力不足问题。因此,发展网格要和建设下一代宽带互联网(如英国的“下一代Internet(NGI)”和“Internet2等”)结合上去。另一方面,采用无线联通和卫星通讯,也是一种现实的途径。
(5)进一步解决人机结合问题,使网路格愈发个性化、智能化和科学化。
(6)通过法律的手段解决网上资源共享中的智能产权、相互信任和酬劳等问题以及怎样保障网格估算的安全性、认证和可靠性等。
4.2发展前景
网格是一种面向问题和应用的技术,它的目标是实现网路虚拟环境上的高性能资源共享和协同工作,去除信息孤岛和资源孤岛。这些新的网路体系不仅仅可能带来信息资源的获取、分布、传输和有效借助的、革命性的、结构性的巨大变化,并且将根本改变我们的研究方法、教育方法、生活形式与生产活动的形式。一旦构建起了网格,就可以举办许多原先难以进行的工作和研究,可以推动工业界大量的相关产品的生产和消费,基于网格会迸发无数的服务提供和服务消费。据《ForbesASAP》预测,网格技术将在2005年达到高峰,并带来因特网的新生。假如网格技术能使得市场按预期的17%年下降率持续成长的话,这么在2020年将会产生一个年产量20万亿日元的大产业。
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