謝玳英　胡京華

摘要介紹了當(dāng)前網(wǎng)格技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r與網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)的框架組成，以及綜述了網(wǎng)格技術(shù)當(dāng)前應(yīng)用狀況，提出了介紹校園網(wǎng)絡(luò)資源整合的方案。

關(guān)鍵詞 網(wǎng)格，資源整合,WS-資源

中圖分類號：TP393文件標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-489X（2007）02－0063-04

Researching on Framework of Grid Technology and Application Statement //Xie Daiying , Hu Jinghua

Abstract In this paper, the author analysesthe grid technology development and framework form of system structure, also discusses the current situation and brings forward the scheme ofcampus resources integration.

key words grid; resource integration; WS-resource

Author's address Capital Normal University, Beijing 100037

1網(wǎng)格技術(shù)

網(wǎng)格技術(shù)是近年來興起的一個信息技術(shù)研究領(lǐng)域，它是基于internet分布式計算技術(shù)長期發(fā)展的必然結(jié)果。網(wǎng)格技術(shù)的研究目標(biāo)是改變當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)資源利用率極低的狀況，將網(wǎng)絡(luò)上的各種可利用資源有效整合起來，從而提供強(qiáng)大的計算、存儲和信息服務(wù)功能。

2Web Service資源框架（WSRF）與Globus ToolKit網(wǎng)格開發(fā)工具

2.1 Web Service資源框架（WSRF）

要了解WSRF,首先得了解網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)，所謂網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)，就是關(guān)于如何建造網(wǎng)格的技術(shù)。它給出了網(wǎng)格的基本組成與功能，描述了網(wǎng)格各組成部分的關(guān)系以及它們集成的方法或方式，刻畫了支持網(wǎng)格有效運轉(zhuǎn)的機(jī)制。目前，網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)發(fā)展經(jīng)過了五層沙漏結(jié)構(gòu)、OGSA體系結(jié)構(gòu)（Open GridServices Architecture）兩種體系。

2.1.1五層沙漏模型

五層沙漏結(jié)構(gòu)最重要的思想是以"協(xié)議"為中心，十分強(qiáng)調(diào)服務(wù)與應(yīng)用編程接口(API)和軟件開發(fā)工具包（SDK）的重要性。在五層沙漏結(jié)構(gòu)中，共享的概念不僅僅是交換文件，而是更強(qiáng)調(diào)對計算機(jī)、軟件、數(shù)據(jù)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(yīng)用層、匯聚層、資源層、連接層和構(gòu)造層。

2.1.2 OGSA體系結(jié)構(gòu)

五層沙漏結(jié)構(gòu)雖然簡單，但人們在研究中發(fā)現(xiàn)，在許多情況下，復(fù)雜的服務(wù)或應(yīng)用很難分解為標(biāo)準(zhǔn)而低級的基本協(xié)議，而且人們在解決問題時也不習(xí)慣于按照協(xié)議的方式來進(jìn)行。鑒于五層沙漏結(jié)構(gòu)的不足，Ian Foster等人結(jié)合Web服務(wù)技術(shù)提出了一種新的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)--開放網(wǎng)格服務(wù)體系結(jié)構(gòu)。

開放網(wǎng)格服務(wù)體系結(jié)構(gòu)的思想一切都抽象為服務(wù)，包括計算機(jī)、程序、數(shù)據(jù)和儀器設(shè)備等。這種觀念有利于通過統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口來管理和使用網(wǎng)格。Web服務(wù)提供了一種基于服務(wù)的框架結(jié)構(gòu)。但是，Web服務(wù)面對的一般都是永久性服務(wù)，而在網(wǎng)格應(yīng)用環(huán)境中，大量的是臨時性的短暫服務(wù)?？紤]到網(wǎng)格環(huán)境的具體特點，OGSA在原來的Web服務(wù)概念的基礎(chǔ)上，提出了“網(wǎng)格服務(wù)”(Grid Service)的概念，用于解決與臨時服務(wù)發(fā)現(xiàn)、動態(tài)服務(wù)創(chuàng)建以及服務(wù)生命周期管理等問題?；诰W(wǎng)格服務(wù)的概念，OGSA將整個網(wǎng)格看作是"網(wǎng)格服務(wù)"的集合，但是這個集合不是一成不變的，而是可以擴(kuò)展的，這反映了網(wǎng)格的動態(tài)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(fā)展的核心規(guī)范OGSI（Open Grid Services Infranstucture)，它是對OGSA的主要方面具體化、規(guī)范化。OGSI規(guī)定了向網(wǎng)格發(fā)送處理請求時所使用的接口，相當(dāng)于Web 服務(wù)中的WSDL，在網(wǎng)格計算相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中處于核心地位。OGSI規(guī)范通過擴(kuò)展Web服務(wù)的問題。

2.1.3 Web服務(wù)資源框架WSRF

同五層沙漏結(jié)構(gòu)一樣，OGSI體系規(guī)范也有自己的不足，主要表現(xiàn)在如下方面：

1)由于OGSI單個規(guī)范中的內(nèi)容太多，所有接口和操作都與服務(wù)數(shù)據(jù)有關(guān)，缺乏通用性，而且OGSI規(guī)范沒有對資源和服務(wù)進(jìn)行區(qū)分；

2)不能與現(xiàn)存的Web服務(wù)和XML工具很好地工作；

3)太多的面向?qū)ο?，OGSI通過封裝資源的狀態(tài)，將具有狀態(tài)的資源建模為Web服務(wù)，這種做法引起了"web服務(wù)沒有狀態(tài)和實例"的爭議，同時某些Web服務(wù)的實現(xiàn)不能適應(yīng)網(wǎng)格服務(wù)的動態(tài)創(chuàng)建和銷毀；

4)網(wǎng)格服務(wù)的定義語言GWSDL不能作為可支持Web服務(wù)描述語言WSDL1.1的功能擴(kuò)展。

要理解 WSRF ，還要必須理解 Web 服務(wù)，并以標(biāo)準(zhǔn)的形式給出一種狀態(tài)。 Web 服務(wù)是一個軟件組件，它可以支持機(jī)器到機(jī)器的交互，具有使用機(jī)器適用的格式（WSDL）描述的網(wǎng)絡(luò)地址接口。服務(wù)交互是使用 SOAP 消息描述的，通常由使用傳輸層協(xié)議（例如 HTTP 或其他 Web 標(biāo)準(zhǔn)）的 XML 序列化組成。從表面上看，Web Service就是一個應(yīng)用程序向外界暴露出一個能夠通過Web進(jìn)行調(diào)用的API。這就是說，你能夠用編程的方法通過Web調(diào)用來實現(xiàn)某個功能的應(yīng)用程序。從本質(zhì)層次來講，Web服務(wù)是放置于Web站點上的可重用構(gòu)件。Web服務(wù)可以分散于互聯(lián)網(wǎng)上的各個地方，通過相互調(diào)用來協(xié)同完成特定任務(wù)。因此，Web Service表現(xiàn)的優(yōu)勢如下：

1)通過防火墻進(jìn)行通信。因為Web Service的通信協(xié)議SOAP是基于http的，現(xiàn)有的防火墻都為http開了通道；

2)應(yīng)用程序的集成；

3)B2B的集成，實現(xiàn)了客戶邏輯業(yè)務(wù)和企業(yè)業(yè)務(wù)的集成；

4)組件與數(shù)據(jù)重用。因為Web Service的實現(xiàn)模式?jīng)Q定了在客戶端的表示層上必須實現(xiàn)界面操作的重用。除此之外，在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)層上也可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的共享；

但是，隨著網(wǎng)格計算理論的提出和成型，Web Service也存在自身的不足，Web service只能提供基于http的應(yīng)用服務(wù)，不能提供諸如網(wǎng)格計算之類的服務(wù)，更不用說是多元化的個性服務(wù)需求；Web service面對的一般都是永久服務(wù)，而在網(wǎng)格應(yīng)用環(huán)境中，大量的是臨時性的短暫服務(wù)。另一方面，Web服務(wù)接口不能提供服務(wù)與使用服務(wù)的客戶之間進(jìn)行某些隱含的保持狀態(tài)的交互。

因此，為了實現(xiàn)網(wǎng)格與Web服務(wù)的有效融合，2004年由IBM、Globus聯(lián)盟和HP共同提出Web服務(wù)資源框架(WS-Resouce Framwork,WSRF)和Web服務(wù)通知規(guī)范。WSRF實現(xiàn)了網(wǎng)格與Web 服務(wù)的融合，它既可以充分利用已有的Web服務(wù)領(lǐng)域的各種成果，又吸納了網(wǎng)格技術(shù)，可以支持網(wǎng)格的需求，為網(wǎng)格和Web領(lǐng)域的發(fā)展建立了一個共同的基礎(chǔ)。WSRF是和OGSI同一個層次的東西，是吸收了Web Service最新成果后，對OGSI的重構(gòu)和發(fā)展。

WSRF采用了與OGSA中的網(wǎng)格服務(wù)完全不同的定義：資源是有狀態(tài)的，服務(wù)是無狀態(tài)的，它把有狀態(tài)的實體統(tǒng)稱有狀態(tài)資源，有狀態(tài)資源就具有特定生命周期和一組狀態(tài)數(shù)據(jù)，可被一個或多個 Web 服務(wù)訪問。有狀態(tài)資源是任何即使您不與之交互也存在的東西，比如文件、數(shù)據(jù)庫，或者某個具體的實體。生命周期是指資源從創(chuàng)建到消除這段時間。狀態(tài)數(shù)據(jù)用 XML 文檔來描述，通過對 XML 文檔操作來對有狀態(tài)資源的狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置。

WSRF使用了不同的結(jié)構(gòu)來模型化有狀態(tài)資源和相應(yīng)的Web 服務(wù)，而OGSI則是采用同一種結(jié)構(gòu)來模型化狀態(tài)資源以作為一個Web服務(wù)進(jìn)行表示。在這一點上，WSRF比OGSI更具有表達(dá)力，因為它允許Web服務(wù)和任何相關(guān)聯(lián)的有狀態(tài)資源之間可以形成多對多的映射，而OGSI只能形成一對一的映射關(guān)系。另外，在OGSI中能表達(dá)的模式在WSRF中也都可以表達(dá)。

2.2網(wǎng)格開發(fā)工具--Globus Toolkit

Gloubus Toolkit(簡稱GT)是由Globus聯(lián)盟(The Globus Alliance)開發(fā)實現(xiàn)網(wǎng)格的一組工具。Globus目前的主要工作是建立支持網(wǎng)格計算的通用協(xié)議，開發(fā)支持網(wǎng)格計算的服務(wù)，實現(xiàn)支持網(wǎng)格計算環(huán)境的軟件開發(fā)工具。

Globus系統(tǒng)的主要組成部分有：

1)網(wǎng)格安全基礎(chǔ)設(shè)施（GSI），負(fù)責(zé)在廣域網(wǎng)絡(luò)下的安全認(rèn)證和加密通信，提供單點登錄功能、遠(yuǎn)地身份鑒別功能、數(shù)據(jù)傳輸加密功能等，提供了基于GSI協(xié)議的接口，是保證網(wǎng)格計算安全性的核心部分。

2) Globus資源分配管理（GRAM），負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程應(yīng)用的資源請求處理、遠(yuǎn)程任務(wù)調(diào)度處理、遠(yuǎn)程任務(wù)管理等工作，負(fù)責(zé)對資源描述語言信息的解析和處理工作，是網(wǎng)格計算環(huán)境中的任務(wù)執(zhí)行中心。

3)元計算目錄服務(wù)（MDS），主要完成對網(wǎng)格計算環(huán)境中信息的發(fā)現(xiàn)、注冊、查詢、修改等工作，提供對網(wǎng)格計算環(huán)境的一個真實、實時的動態(tài)反應(yīng)，是網(wǎng)格計算環(huán)境中的信息服務(wù)中心。

4)全局二級存儲服務(wù)（GASS），簡化在Globus環(huán)境中應(yīng)用程序?qū)h(yuǎn)程文件I/O的操作，使得使用UNIX和標(biāo)準(zhǔn)C語言I/O庫的應(yīng)用程序基本不用改動就可以在Globus環(huán)境中中興，是一個支持網(wǎng)格計算環(huán)境遠(yuǎn)程I/O訪問的中間件。

5)網(wǎng)格FTP服務(wù)，是一個高性能、安全、可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，并對高帶寬的廣域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行了優(yōu)化，是網(wǎng)格計算環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸工具。

6)Globus復(fù)制管理，將部分相關(guān)數(shù)據(jù)只能放置在距離科學(xué)應(yīng)用程序最近的位置，使得科學(xué)應(yīng)用程序可以快速的對數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問。

當(dāng)前，GT版本已經(jīng)發(fā)展到了4.0版。

3 網(wǎng)格技術(shù)的應(yīng)用狀況

3.1國外發(fā)展現(xiàn)狀

在世界范圍內(nèi)，網(wǎng)格計算正處于飛速發(fā)展時期。在美國由自然科學(xué)基金資助的PACI(Partnership for Advanced Computational Infrastructure)項目，包括兩個重要的部分:NCSA(National Computational Science Alliance)和NPACI(National Partnership for advanced Computational Infrastructure)。這一項目通過將學(xué)術(shù)界、政府部門和工業(yè)界的力量結(jié)合起來，建立一個網(wǎng)格計算基礎(chǔ)設(shè)施的伙伴聯(lián)盟，來促進(jìn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)和工程研究的發(fā)展。美國的NASA(National Aeronautics and Space Administration)正在構(gòu)造一個網(wǎng)格計算實驗床，稱為IPG(Information Power Grid)[16]，它可以將NASA分布在各地的資源通過網(wǎng)絡(luò)(包括無線通信手段)連接起來，解決NASA目前無法解決的科學(xué)與工程。

遠(yuǎn)程分布式計算與通信項目的目標(biāo)是創(chuàng)建一個用于訪問美國能源部三個武器實驗室的具有可操作性的格網(wǎng)，以支持國防計劃中遠(yuǎn)程計算和分布式計算這兩個關(guān)鍵戰(zhàn)略領(lǐng)域復(fù)雜的分析、設(shè)計、制造、認(rèn)證功能。

地球系統(tǒng)格網(wǎng)（Earth System Grid II，ESG）項目由阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）等五個國家實驗室的科學(xué)家聯(lián)合承擔(dān)。主要目標(biāo)是解決從全球地球系統(tǒng)模型分析和發(fā)現(xiàn)知識所面臨的巨大挑戰(zhàn)，為下一代氣候研究提供一個無縫的強(qiáng)大的虛擬協(xié)同環(huán)境。

此外，目前美國正在進(jìn)行的格網(wǎng)計算研發(fā)項目還包括Globus、美國航空航天局（NASA）的信息動力格網(wǎng)（Information Power Grid，IPG）、美國國家技術(shù)格網(wǎng)（National Technology Grid）、虛擬實驗室項目（Virtual Laboratory Project）、天體物理仿真合作實驗室（Astrophysics Simulation Collaboratory，ASC）、國際虛擬數(shù)據(jù)格網(wǎng)實驗室（International Virtual Data Grid Laboratory，iVDGL）等。

3.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

在國內(nèi)，網(wǎng)格計算正處于快速發(fā)展時期，主要大事有:

1999~2001年，在教育部支持下，李三立院士帶領(lǐng)清華大學(xué)網(wǎng)格研究組進(jìn)行了先進(jìn)計算基礎(chǔ)設(shè)施ACI(Advanced Computational Infrastructure)的研究。ACI將分布于北京和上海的兩臺自主研制的超級計算機(jī)連接成為聚合計個計算型的網(wǎng)格應(yīng)用系統(tǒng)，取得了一系列研究成果。計算所在國家高性能計算環(huán)境之后，推出了"服務(wù)網(wǎng)格(Service Grid)"概念，并把其網(wǎng)格研究統(tǒng)稱為"織女星網(wǎng)格(Vega Grid)"。其目標(biāo)是使同一個平臺同時具備以下幾種能力:大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理能力、高性能計算能力、資源共享和提高資源利用率的能力。

2002年4月5日~6日，科技部召開了“網(wǎng)格戰(zhàn)略研討會”，確認(rèn)將網(wǎng)格的研究和應(yīng)用列為“863計劃”的一個專項，隨即成立了專項專家組，錢德沛教授擔(dān)任專家組組長。863網(wǎng)格專項投資高達(dá)3億元，主要任務(wù)是研制面向網(wǎng)格的萬億次級高性能計算機(jī)、具有數(shù)萬億次聚合計算能力的高性能計算環(huán)境;開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的網(wǎng)格軟件;建設(shè)科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會發(fā)展和國防建設(shè)急需的重要應(yīng)用網(wǎng)格;制定若干與網(wǎng)格相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，參與制定國際標(biāo)準(zhǔn)，使一批發(fā)明專利和軟件獲得受理和登記，形成自主知識產(chǎn)權(quán)。這次研討會標(biāo)志著由863支持的”中國國家網(wǎng)格“ (China National Grid,簡稱CNGrid)專項正式啟動。CNGrid將在全國設(shè)立多個網(wǎng)格結(jié)點，己經(jīng)放置在北京中科院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心的聯(lián)想深騰6800速度達(dá)到4萬億次，即將落戶上海超級計算中心的曙光4000A速度將達(dá)10萬億次。

4 網(wǎng)格技術(shù)在教育行業(yè)中的應(yīng)用

美國典型的大學(xué)網(wǎng)格項目主要包括威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的Condor、弗杰尼亞大學(xué)的Legion、田納西大學(xué)的可伸縮的校園內(nèi)部研究格網(wǎng)（Scalable Intracampus Research Grid，SinRG）和賓夕法尼亞大學(xué)網(wǎng)格。Condor項目的目標(biāo)是開發(fā)支持高吞吐量計算的分布式計算資源的收集機(jī)制和工作負(fù)荷管理系統(tǒng)；Legion可以把不同體系結(jié)構(gòu)、不同操作系統(tǒng)和不同物理位置的計算機(jī)資源連接成為一個系統(tǒng)；SinRG則用于田納西大學(xué)Knoxville校區(qū)內(nèi)部的醫(yī)學(xué)圖像處理、交互式分子設(shè)計、高級機(jī)械設(shè)計等跨學(xué)科研究領(lǐng)域的校園高性能計算基礎(chǔ)設(shè)施。年8月，設(shè)在愛丁堡大學(xué)的“英國國家e-科學(xué)中心”成立，該中心將協(xié)調(diào)英國全國以及國際網(wǎng)格技術(shù)工作，使上網(wǎng)的計算機(jī)能合力進(jìn)行復(fù)雜的科學(xué)運算。

現(xiàn)在很多科研和教學(xué)都需要用到各個大學(xué)的資源，如果沒有網(wǎng)格的話，勢必很難實現(xiàn)。網(wǎng)格計劃使這些資源可以隨意地集成和共享?；趯W(wǎng)格計算重要性的認(rèn)識，2003年4月，國家教育部啟動了一項構(gòu)建下一代國家教育領(lǐng)域分布式計算平臺計劃——中國教育網(wǎng)格計劃(ChinaGrid)，為各所大學(xué)的科研和教學(xué)服務(wù)。中國教育科研網(wǎng)格是迄今為止由政府推出的最宏大的網(wǎng)格工程，該項目由12所大學(xué)聯(lián)合推出。國家教育部希望利用網(wǎng)格技術(shù)將網(wǎng)上的教育資源有效地聚合起來，實現(xiàn)網(wǎng)上教育資源的廣泛共享，為中國高等院校（特別是部分研究型大學(xué)）的科學(xué)研究提供先進(jìn)的計算手段。

中國教育網(wǎng)格將在未來連接中國的100所重點高校，據(jù)初步分析，教育網(wǎng)格的建設(shè)將分三期工程，教育網(wǎng)格建設(shè)的具體時間表如下：2003年完成15個節(jié)點（即15所高校），2004年完成35個節(jié)點，2005年完成50個節(jié)點，2010年完成100個節(jié)點。目前，第一期工程的規(guī)劃已經(jīng)做完，首批入選的12所院校已開始構(gòu)建各自的高性能計算平臺。教育部計劃投資1.3億元，首期2500萬元，計算平臺采用英特爾奔騰2處理器，建成后可以實現(xiàn)每秒15～20萬億次計算能力，成為全球性能最高的網(wǎng)格計算平臺之一。

中國教育科研網(wǎng)格將大大簡化學(xué)生與研究人員共享全國教育與計算資源的方式，應(yīng)用領(lǐng)域包括從生命科學(xué)、圖象處理到遠(yuǎn)程教育等眾多領(lǐng)域，從而發(fā)揮國內(nèi)高校優(yōu)秀教育科研資源的共享，大大節(jié)省投資。

5 總結(jié)

作為下一代Internet的關(guān)鍵技術(shù)，網(wǎng)格技術(shù)可以消除信息孤島和知識孤島，實現(xiàn)信息資源的智能共享，是目前對資源共享問題的較好的解決方案。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下建立網(wǎng)格平臺，實現(xiàn)校園網(wǎng)內(nèi)資源整合，對學(xué)校的信息化、數(shù)字化起到積極的促進(jìn)作用。網(wǎng)格技術(shù)作為一種新技術(shù)，也在不斷成熟中，它在未來網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用前景，值得繼續(xù)研究。