摘 要：網(wǎng)格是構(gòu)筑在互聯(lián)網(wǎng)上的一種新型分布式計(jì)算技術(shù)，他能夠充分吸納網(wǎng)上各種計(jì)算和信息資源。論述了網(wǎng)格的特點(diǎn)和體系結(jié)構(gòu)，并提出了一種基于校園網(wǎng)格模式的結(jié)構(gòu)的探討與設(shè)計(jì)。校園網(wǎng)格是網(wǎng)格普及化的關(guān)鍵一步，文中根據(jù)提出的需求分析設(shè)計(jì)相應(yīng)的網(wǎng)格模式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了校園網(wǎng)格環(huán)境構(gòu)建的關(guān)鍵的第一步。

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關(guān)鍵詞：網(wǎng)格模式結(jié)構(gòu)；校園網(wǎng)格；Gridshib;OGSA

中圖分類號(hào)：TP39318 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0114403

Discussion and Design of Campus Grid Style Architecture

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WANG Li，JIANG Tianfa

(College of Computer，South Central University for Nationalities，Wuhan，430073，China)

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Abstract：Grid，which can absorb various computing resources and information resources，is a new style of distributed computing technology.The characteristics and architecture of grid are put forward，and then a frame of the architectural style based on campus grid is proposed.Building campus grid is an important work in grid gaining ground，and this frame is a pivotal step in building campus grid.

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Keywords：grid architectural style;campus grid;Gridshib;OGSA

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當(dāng)今世界，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展。隨著Web服務(wù)的出現(xiàn)，一系列服務(wù)如：B2B，電子商務(wù)，電子政務(wù)也相應(yīng)出現(xiàn)并廣泛應(yīng)用。這些服務(wù)都是基于Web服務(wù)透過(guò)電子環(huán)境產(chǎn)生交易、協(xié)作、互動(dòng)。與此同時(shí)，出現(xiàn)了一種意義更大、性能更強(qiáng)的信息交換服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)——網(wǎng)格。網(wǎng)格是構(gòu)筑在互聯(lián)網(wǎng)上的一種新興技術(shù)，他將高速互聯(lián)網(wǎng)、高性能計(jì)算機(jī)、大型數(shù)據(jù)庫(kù)、傳感器、遠(yuǎn)程設(shè)備等融為一體，為科技人員和普通百姓提供更多的資源、功能和交互性。簡(jiǎn)單地說(shuō)，可以認(rèn)為Web是“信息網(wǎng)格”，網(wǎng)格是“擴(kuò)展的Web”^[1]。網(wǎng)格計(jì)算就如同建立計(jì)算機(jī)的輸電網(wǎng)，一個(gè)電廠生產(chǎn)的電力可以通過(guò)輸電網(wǎng)傳送到本地或遠(yuǎn)方的用戶，而這些用戶也并不關(guān)心他們用的電究竟是從哪臺(tái)發(fā)電機(jī)傳送來(lái)的。一臺(tái)計(jì)算機(jī)多余的計(jì)算能力可以通過(guò)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)讓本地或遠(yuǎn)方的用戶加以利用。網(wǎng)格就是把整個(gè)因特網(wǎng)整合成一臺(tái)巨大的超級(jí)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源、知識(shí)資源等的全面的共享和協(xié)作。

1 網(wǎng)格技術(shù)

網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)的產(chǎn)生是應(yīng)對(duì)計(jì)算資源和計(jì)算能力不斷增長(zhǎng)的需求的結(jié)果。網(wǎng)格技術(shù)的研究是為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境下高性能資源的共享和協(xié)同工作，以解決一致使用各種分散資源的問(wèn)題^[2]。網(wǎng)格計(jì)算(Grid Computing)又稱為元計(jì)算，無(wú)縫，可擴(kuò)展計(jì)算，全局計(jì)算等。被定義為一個(gè)廣域范圍的“無(wú)縫的集成和協(xié)同計(jì)算環(huán)境”。網(wǎng)格計(jì)算是一種新的高性能的分布式計(jì)算方法，他與傳統(tǒng)分布式計(jì)算的主要區(qū)別是在沒(méi)有集中控制機(jī)制的情況下，通過(guò)對(duì)計(jì)算資源進(jìn)行大規(guī)模共享，滿足應(yīng)用對(duì)高性能計(jì)算要求，并且這種對(duì)計(jì)算資源進(jìn)行大規(guī)模共享是動(dòng)態(tài)的、安全的和協(xié)作式的。

1.1 網(wǎng)格的特征和關(guān)鍵技術(shù)

網(wǎng)格主要有3個(gè)特征：

(1) 資源共享，動(dòng)態(tài)配置，協(xié)同工作，不存在任何集中控制；

(2) 使用標(biāo)準(zhǔn)、通用、開放的協(xié)議和接口；

(3) 高服務(wù)質(zhì)量，包括響應(yīng)時(shí)間、流量、可用性和安全性。

一般說(shuō)來(lái)，網(wǎng)格具有分布共享性、自相似性、動(dòng)態(tài)多樣性以及管理的多重性等特點(diǎn)。

網(wǎng)格的自相似性在網(wǎng)格建造和研究過(guò)程中有重要的意義，即要解決異構(gòu)環(huán)境下的通信問(wèn)題和資源的動(dòng)態(tài)更新問(wèn)題^[3]。

網(wǎng)格涉及的關(guān)鍵技術(shù)：網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)，即網(wǎng)格計(jì)算資源的提供者；寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為網(wǎng)格計(jì)算提供高性能通信的必要手段；資源管理和任務(wù)調(diào)度工具，屬于網(wǎng)格計(jì)算的中間件；監(jiān)測(cè)工具；應(yīng)用層的可視化工具；網(wǎng)格計(jì)算的安全性。

1.2 校園網(wǎng)格中的關(guān)鍵技術(shù)

在校園網(wǎng)格使用模式中涉及到如下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：模式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；

網(wǎng)格協(xié)議的設(shè)計(jì)；

網(wǎng)格資源描述語(yǔ)言的設(shè)計(jì)；

網(wǎng)格用戶界面的設(shè)計(jì)。

文中主要是對(duì)第一個(gè)問(wèn)題的探討和研究，還有諸多問(wèn)題如安全機(jī)制等有待于進(jìn)一步研究和具體化。

2 校園網(wǎng)格

2.1 GridShib項(xiàng)目

GridShib項(xiàng)目是由NSF中間件項(xiàng)目NMI(NSF Middleware Initiative)提供100萬(wàn)美元資助，由美國(guó)國(guó)家超級(jí)計(jì)算應(yīng)用中心NCSA(National Center of Supercomputing)牽頭，還包括來(lái)自芝加哥大學(xué)、美國(guó)阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、Shibboleth開發(fā)組的成員。目的是整合NSF資助的兩大重要軟件——Internet 2的Shibboleth和網(wǎng)絡(luò)軟件Globus工具包(簡(jiǎn)稱GT)，實(shí)現(xiàn)利用這兩種軟件構(gòu)建的系統(tǒng)間的互通^[4]。該項(xiàng)目的目標(biāo)就是整合網(wǎng)格和高校校園網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，使之更具拓展性和靈活性。

2.2 構(gòu)建校園網(wǎng)格模式結(jié)構(gòu)

上面提到關(guān)于校園網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)有具體的軟件項(xiàng)目的實(shí)施，這一部分中文章主要介紹基于硬件的校園網(wǎng)格模式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。構(gòu)造網(wǎng)格環(huán)境可以分為兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：構(gòu)造網(wǎng)格的模式和風(fēng)格；具體的實(shí)施構(gòu)造過(guò)程。顯然第二個(gè)問(wèn)題是建立在第一個(gè)問(wèn)題之上的。這里重點(diǎn)討論構(gòu)建網(wǎng)格模式結(jié)構(gòu)。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題其中很大一個(gè)需要解決的關(guān)鍵之處就是地域環(huán)境的不同，現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范仍有爭(zhēng)議，因此不管提出怎樣的模式，都要能靈活地適應(yīng)地理環(huán)境和以后發(fā)展趨勢(shì)的變化。

2.2.1 網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)

到目前為止，較為重要的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)就是開放網(wǎng)格服務(wù)結(jié)構(gòu)(Open Grid Services Architecture，OGSA)。

OGSA是在計(jì)算網(wǎng)格五層沙漏結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上結(jié)合Web服務(wù)技術(shù)提出來(lái)的。OGSA是一種以服務(wù)為中心的“服務(wù)結(jié)構(gòu)”，實(shí)現(xiàn)的是對(duì)服務(wù)的共享。在OGSA中將計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)、程序、數(shù)據(jù)庫(kù)、儀器設(shè)備等一切都表示為一個(gè)遵循一套規(guī)范的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。OGSA采用面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)(Service Oriented Architecture，SOA)使人們能夠利用許多現(xiàn)有的Web服務(wù)開發(fā)工具和擴(kuò)展服務(wù)。OGSA是在Web服務(wù)概念的基礎(chǔ)上，定義了“網(wǎng)格服務(wù)(Grid Service)”的概念。網(wǎng)格服務(wù)是特殊的Web服務(wù)，是具有特定功能的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)體。他定義了一組接口，這些接口的定義明確并且遵守特定的慣例，用于解決服務(wù)發(fā)現(xiàn)、動(dòng)態(tài)服務(wù)創(chuàng)建、服務(wù)生命周期管理、通知等與臨時(shí)服務(wù)有關(guān)的問(wèn)題^[5]。一個(gè)網(wǎng)格服務(wù)實(shí)現(xiàn)一個(gè)到多個(gè)接口，每一個(gè)接口定義了一些操作，這些操作通過(guò)交換定義好的一系列消息來(lái)激活，并完成不同的功能。

2.2.2 校園網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)

(1) 需求分析

分析校園網(wǎng)格結(jié)構(gòu)要求如下：

① 靈活實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的兼容網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。

② 能訪問(wèn)廣域異構(gòu)分布的資源。

③ 用戶能以一致的方式訪問(wèn)資源的結(jié)構(gòu)信息和狀態(tài)信息。

④ 能提供給用戶高效的服務(wù)。

首先分析系統(tǒng)的角色問(wèn)題^[6]。首要的角色就是網(wǎng)格使用者：使用網(wǎng)格來(lái)完成其工作；網(wǎng)格管理者：實(shí)行整個(gè)網(wǎng)格流程；服務(wù)提供方：提供相應(yīng)的各種資源。如圖1所示。

功能使用實(shí)例包括：

任務(wù)清單：將網(wǎng)格使用方需要完成的任務(wù)匯總；

服務(wù)描述：使用服務(wù)的首要條件即發(fā)現(xiàn)服務(wù)；

服務(wù)發(fā)現(xiàn)：通過(guò)Web服務(wù)器注冊(cè)服務(wù)并根據(jù)需求列出服務(wù)；

使用服務(wù)：一旦選定合適的服務(wù)，系統(tǒng)將建立SLA(Service Level Agreement)并綁定，執(zhí)行。

管理使用實(shí)例包括：

網(wǎng)格管理：由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，系統(tǒng)管理要是自動(dòng)化的、集中的。

任務(wù)管理：為了提交任務(wù)到系統(tǒng)，網(wǎng)格使用者接觸到監(jiān)控器并影響任務(wù)的執(zhí)行。

服務(wù)管理：系統(tǒng)要配置Web服務(wù)并通過(guò)管理接口監(jiān)控提供的服務(wù)。

從以上分析可以得出關(guān)于網(wǎng)格基礎(chǔ)體系的3個(gè)功能單元，如圖2所示。

這個(gè)結(jié)構(gòu)主要特征為：簡(jiǎn)化接口；在協(xié)作管理方面很靈活；與外部的Web服務(wù)也能交互協(xié)作。

(2) 模式結(jié)構(gòu)

和好的工程系統(tǒng)一樣，網(wǎng)格也需要提供兩種基本的接口：一種是功能接口，這是站在系統(tǒng)使用者的角度；還有一種是管理控制接口，這是站在系統(tǒng)擁有者或是管理方的角度。另外，網(wǎng)格要通過(guò)功能和控制接口顯示信息交換語(yǔ)義和語(yǔ)法，簡(jiǎn)而言之，語(yǔ)義接口顯示文檔交換的形式和語(yǔ)法；任務(wù)控制接口顯示提交任務(wù)的描述和監(jiān)視網(wǎng)格工作的進(jìn)程；網(wǎng)格控制接口則顯示基于規(guī)則管理控制的服務(wù)。

根據(jù)以上分析，本文提出的網(wǎng)格模式結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(1) 信息部分

數(shù)據(jù)管理，對(duì)內(nèi)部和外部的Web服務(wù)正式的列成文檔。

數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，用來(lái)提供選擇更為靈活的技術(shù)。

(2) 控制部分

根據(jù)管理策略管理整個(gè)網(wǎng)格的進(jìn)程。

(3) 執(zhí)行部分

進(jìn)程管理，通過(guò)規(guī)范化進(jìn)程使其可執(zhí)行并監(jiān)視和控制

進(jìn)程的執(zhí)行。

進(jìn)程準(zhǔn)備，為管理做準(zhǔn)備。

Service Broker，執(zhí)行服務(wù)發(fā)現(xiàn)、服務(wù)選擇、SLA協(xié)商以及動(dòng)態(tài)服務(wù)綁定。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)構(gòu)建校園網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的4個(gè)主要問(wèn)題的第一個(gè)問(wèn)題，即模式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，根據(jù)相應(yīng)的分析提出了模式結(jié)構(gòu)的示意圖。下一步的工作是研究網(wǎng)格協(xié)議的設(shè)計(jì)、網(wǎng)格資源描述語(yǔ)言的設(shè)計(jì)、網(wǎng)格用戶界面的設(shè)計(jì)以及安全機(jī)制和全局容錯(cuò)等問(wèn)題。校園網(wǎng)格的研究和實(shí)現(xiàn)說(shuō)明實(shí)現(xiàn)一個(gè)面向市場(chǎng)的網(wǎng)格也只是時(shí)間的問(wèn)題，這必將促進(jìn)全球化網(wǎng)格的早日到來(lái)。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］Domenico Talia.The Open Grid Services Architecture:Where the Grid Meets the Web.IEEE，2002.

［2］馬常霞.校園網(wǎng)格環(huán)境構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2006，16 (1)：35-37.

［3］都志輝，陳渝，劉鵬.網(wǎng)格計(jì)算[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

［4］歐海峰.GridShib讓校園網(wǎng)更具拓展性[J].中國(guó)教育網(wǎng)絡(luò)，2006(6):40-43

［5］郎博.基于OGSA的網(wǎng)格服務(wù)研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2006，16 (4)：47-49

［6］Jovan Cakic，Richard F Paige.Origins of Grid Architectural Style.IEEE，2006.

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作者簡(jiǎn)介

王 理 女，1981年出生，湖北武漢人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)閿?shù)字水印，網(wǎng)絡(luò)安全和網(wǎng)格技術(shù)。

蔣天發(fā) 男，1954年出生，湖北荊門人，中南民族大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院教授，研究生導(dǎo)師，中國(guó)高等學(xué)校電子教育學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)?，F(xiàn)已出版著作9部，主持研究和完成國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目與國(guó)家民委重點(diǎn)等科研項(xiàng)目9項(xiàng)，發(fā)表科研學(xué)術(shù)論文近80篇。主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)安全和網(wǎng)格技術(shù)。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文?！?/p>