網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)

頁共9頁第二章網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)2.1網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)的概述2.1.1網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)的概念網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)是關(guān)于如何構(gòu)建網(wǎng)格的技術(shù)，它包括兩個(gè)層次的內(nèi)涵。一是要標(biāo)識(shí)出網(wǎng)格系統(tǒng)由哪些部分組成，清晰地描述出各個(gè)部分的功能、目的和特點(diǎn)。二是要描述網(wǎng)格各個(gè)組成部分之間的關(guān)系，如何將各個(gè)部分有機(jī)地結(jié)合在一起，形成完整的網(wǎng)格系統(tǒng)，從而保證網(wǎng)格有效地運(yùn)轉(zhuǎn)，也就是將各個(gè)部分進(jìn)行集成的方式或方法。網(wǎng)格技術(shù)的權(quán)威伊安?福斯特（IanFoster）將網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)定義為“劃分系統(tǒng)基本組件，指定系統(tǒng)組件的目的與功能，說明組件之間如何相互作用的技術(shù)”。顯然，網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)是網(wǎng)格的骨架，只有建立合理的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)，才能設(shè)計(jì)和構(gòu)建好網(wǎng)格。2.1.2網(wǎng)格的基本模塊圖1.網(wǎng)格系統(tǒng)的基本功能模塊示意圖網(wǎng)格用戶通過用戶界面實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)格之間的信息交互，實(shí)現(xiàn)諸如用戶作業(yè)提交、結(jié)果返回等輸入輸出功能。網(wǎng)格在提供服務(wù)之前要知道哪個(gè)資源當(dāng)前可以向用戶提供服務(wù)，這就需要網(wǎng)格中信息管理模塊提供相應(yīng)的信息。選定合適的資源后，網(wǎng)格需要把該資源分配給用戶使用，并對(duì)使用的過程中的資源進(jìn)行管理，這些是資源管理的功能。網(wǎng)格在提供服務(wù)的過程中需要網(wǎng)格數(shù)據(jù)管理功能模塊將遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿韫?jié)點(diǎn)，作業(yè)運(yùn)行過程中由作業(yè)管理模塊提供作業(yè)的運(yùn)行情況匯報(bào)。使用網(wǎng)格的用戶及其使用時(shí)間和費(fèi)用等的管理則由用戶和記賬管理模塊實(shí)現(xiàn)，用戶使用網(wǎng)格的整個(gè)過程中都需要QoS（QualityofService，服務(wù)質(zhì)量）保證、通信和安全保障，以提供安全可靠、高性能的服務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)上述功能要求的網(wǎng)格系統(tǒng)可以有不同的實(shí)現(xiàn)方案。網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)決定了網(wǎng)格系統(tǒng)由哪些模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的各個(gè)功能，模塊之間如何有機(jī)地組合成完整的網(wǎng)格系統(tǒng)。當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)同樣功能的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)是各不相同的，依據(jù)它們構(gòu)建的網(wǎng)格系統(tǒng)也是各不相同。2.1.3網(wǎng)格的層次結(jié)構(gòu)

圖2網(wǎng)格系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)(1)網(wǎng)格資源是構(gòu)成網(wǎng)格系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施，主要包括網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)和寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)包括各種計(jì)算資源，如超級(jí)計(jì)算機(jī)、集群系統(tǒng)、貴重儀器、可視化設(shè)備、現(xiàn)有應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)庫等，這些計(jì)算資源通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接起來，具有分布和異構(gòu)特性!而寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是在網(wǎng)格系統(tǒng)中提供高性能通信的必要手段!（2）網(wǎng)格中間件（gridmiddleware）是指一系列協(xié)議和服務(wù)軟件，其功能是屏蔽網(wǎng)格資源層中計(jì)算資源的分布、異構(gòu)特性，向網(wǎng)格應(yīng)用層提供透明、一致的使用接口!網(wǎng)格中間件層也稱為網(wǎng)格操作系統(tǒng)(gridoperatingsystem)，其核心服務(wù)包括：網(wǎng)格資源的管理分配、信息優(yōu)化、任務(wù)調(diào)度、存儲(chǔ)訪問、安全控制、質(zhì)量服務(wù)(Qos)等!還需提供API和相應(yīng)的環(huán)境，以支持網(wǎng)格應(yīng)用開發(fā)!（3）網(wǎng)格必須提供良好的應(yīng)用開發(fā)工具環(huán)境(gridtools)如java,fortran以及java等語言,MPI,PVM等應(yīng)用開發(fā)界面，并支持消息傳遞、分布共享內(nèi)存等多種編程模型!（4）網(wǎng)格應(yīng)用(gridapplication)是用戶需求的具體體現(xiàn)，是各種應(yīng)用軟件的研究!在網(wǎng)格操作系統(tǒng)的支持下，網(wǎng)格用戶可以使用其提供的可視化工具或環(huán)境開發(fā)各種應(yīng)用系統(tǒng)!2.1.4網(wǎng)格系統(tǒng)的基本功能網(wǎng)格系統(tǒng)中管理的是廣域分布、動(dòng)態(tài)、異構(gòu)的資源!網(wǎng)格系統(tǒng)應(yīng)屏蔽這些資源的分布、異構(gòu)特性，向網(wǎng)格應(yīng)用提供透明、一致的使用接口!一個(gè)理想的網(wǎng)格系統(tǒng)應(yīng)類似當(dāng)前的Web服務(wù)，可以構(gòu)建在當(dāng)前所有硬件和軟件平臺(tái)上，給用戶提供完全透明的使用環(huán)境!為此，網(wǎng)格系統(tǒng)必須提供以下基本功能：（1）管理等級(jí)層次它定義網(wǎng)格系統(tǒng)的組織方式、確定管理層次體系!（2）通信服務(wù)提供不同的服務(wù)（可靠的、不可靠的、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和廣播方式）、通信協(xié)議和提供3,1支持!（3）信息服務(wù)提供資源的全局訪問!（4）名稱服務(wù)網(wǎng)格中為所有資源提供統(tǒng)一的名稱空間，以便引用各種資源!（5）文件系統(tǒng)提供分布式文件系統(tǒng)機(jī)制、全局存儲(chǔ)和緩存空間，以支持文件存取!（6）安全認(rèn)證提供登錄認(rèn)證、可信賴、完整性和記賬等方面的安全性!（7）系統(tǒng)狀態(tài)和容錯(cuò)提供監(jiān)視系統(tǒng)資源和運(yùn)行情況的工具!（8）資源管理和調(diào)度提供透明的資源管理、進(jìn)程調(diào)度!（9）資源交易機(jī)制提供一種資源的交易機(jī)制，以鼓勵(lì)不同組織或資源的擁有者加入網(wǎng)格系統(tǒng)!（10）節(jié)點(diǎn)自治允許遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)選擇加入或退出系統(tǒng)，不影響各節(jié)點(diǎn)本地的管理和自主性!（11）編程工具提供豐富的用戶接口和編程環(huán)境!（12）用戶圖形界面提供直觀的用戶訪問接口，提供可視化工具!2.1.5Globus工具集Globus工具集，已被公認(rèn)為當(dāng)前建立網(wǎng)格系統(tǒng)的核心實(shí)現(xiàn)工具之一。實(shí)際上，它也已經(jīng)獲得了眾多媒體的熱烈好評(píng)，紐約時(shí)報(bào)曾評(píng)價(jià)“Globus工具集是網(wǎng)格計(jì)算的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)”,MIT技術(shù)報(bào)也曾說過“以Globus工具集為基礎(chǔ)的網(wǎng)格計(jì)算將成為十大改造世界的先進(jìn)技術(shù)之一”,Ebert和Roeper也對(duì)Globus工具集大為贊賞?？傊?，我們可以確信，GT4絕對(duì)是一款相當(dāng)不錯(cuò)的軟件！然而，由于Globus工具集被盛傳為網(wǎng)格技術(shù)的偉大實(shí)現(xiàn)者，導(dǎo)致很多學(xué)習(xí)Globus工具集的新手（如上面提問的用戶一樣）對(duì)什么是Globus工具集有了錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)。它并不是一款速效發(fā)揮網(wǎng)格巨大威力的神奇軟件，實(shí)際上，它只是將構(gòu)建網(wǎng)格基石的軟件組件組合在一起。毋庸置疑，這些基石并不是簡單拼湊在一起的，而是必須將所有不同的軟件組件結(jié)合起來，而它們大多數(shù)是基于WebService和新發(fā)行的標(biāo)準(zhǔn)WSRF(WebServicesResourceFramework)。2.2五層沙漏結(jié)構(gòu)2.1.1基本思想與概念2.1.2結(jié)構(gòu)描述五層沙漏模型是IanFoster等在早些時(shí)候提出的體系結(jié)構(gòu)。它的基本思想和構(gòu)架類似于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的TCP/IP協(xié)議的分層構(gòu)架。自頂向下分別是構(gòu)造層、連接層、資源層、匯聚層和應(yīng)用層。五層模型中，每層中協(xié)議數(shù)量都不同。對(duì)于最核心部分，既要實(shí)現(xiàn)上層協(xié)議向核心協(xié)議映射，又實(shí)現(xiàn)核心協(xié)議向下層協(xié)議映射，核心協(xié)議應(yīng)在所有支持網(wǎng)格計(jì)算的地點(diǎn)都得到支持，因此數(shù)量不能太多，這樣核心協(xié)議就形成了協(xié)議層次結(jié)構(gòu)中的一個(gè)瓶頸。在五層結(jié)構(gòu)中，資源層和連接層共同組成這一核心的瓶頸部分，從而形成了一個(gè)沙漏形狀的結(jié)構(gòu)。圖3五層沙漏結(jié)構(gòu)和Internet協(xié)議對(duì)比五層沙漏結(jié)構(gòu)成功解決了通用的網(wǎng)格平臺(tái)所面臨的異構(gòu)性、擴(kuò)展性以及適應(yīng)性等問題（怎么解決的？）,主要側(cè)重于定性的描述而不是具體的協(xié)議定義,2.2.3與Globus的對(duì)應(yīng)關(guān)系2.2.4基于五層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用例子2.3開放網(wǎng)格服務(wù)體系結(jié)構(gòu)2.3.1基本思想與概念OGSA最基本的思想就是以“服務(wù)”為中心。在OGSA框架中，將一切抽象為服務(wù)，包括各種計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)、程序、數(shù)據(jù)庫等等，簡而言之，一切都是服務(wù)。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。2)統(tǒng)一的WebService框架:WebService解決了發(fā)現(xiàn)和激發(fā)永久服務(wù)的問題,而在網(wǎng)格應(yīng)用環(huán)境中,大量的是臨時(shí)性的短暫服務(wù),例如一個(gè)計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行等。為了使服務(wù)的思想更加明確和具體,考慮到網(wǎng)格環(huán)境的具體特點(diǎn),OGSA在原來WebService服務(wù)概念的基礎(chǔ)上,提出了?網(wǎng)格服務(wù)%(GridService)的概念,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)的問題?；诰W(wǎng)格服務(wù)的概念,OGSA將整個(gè)網(wǎng)格看作是網(wǎng)格服務(wù)的集合,但是這個(gè)集合不是一成不變的,它是可以擴(kuò)展的。這反映了網(wǎng)格的動(dòng)態(tài)特性。網(wǎng)格服務(wù)通過定義接口來完成不同的功能。服務(wù)數(shù)據(jù)是關(guān)于網(wǎng)格服務(wù)實(shí)例的信息。因此網(wǎng)格服務(wù)可以簡單地表述為“網(wǎng)格服務(wù)=接口/行為+服務(wù)數(shù)據(jù)”。圖3是對(duì)網(wǎng)格服務(wù)的簡單描述。在目前OGSA的定義中,只有g(shù)ridservice接口是必需的,而其它的接口都是可選的。2.3.2OGSA兩大支撐技術(shù)（1）GlobusGlobus是已經(jīng)被科學(xué)和工程計(jì)算領(lǐng)域廣泛接受的網(wǎng)格技術(shù)解決方案。它是一種基于社團(tuán)的、開放結(jié)構(gòu)、開放源碼的服務(wù)的集合，也是支持網(wǎng)格和網(wǎng)格應(yīng)用的軟件庫。該工具包解決了安全、信息發(fā)現(xiàn)、資源管理、數(shù)據(jù)管理、通信、錯(cuò)誤監(jiān)測以及可移植等問題。與OGSA關(guān)系密切的Globus組件是GRAM網(wǎng)格資源分配與管理協(xié)議和門衛(wèi)（GateKeeper）服務(wù)，它們提供了安全可靠的服務(wù)創(chuàng)建和管理功能，元目錄服務(wù)通過軟狀態(tài)注冊(cè)、數(shù)據(jù)模型以及局部注冊(cè)來提供信息發(fā)現(xiàn)功能，GSI（GridSecurityInfrastructure網(wǎng)格安全架構(gòu)）支持單一登陸點(diǎn)、代理和信任映射。這些功能提供了面向服務(wù)結(jié)構(gòu)的必要元素，但是比OGSA中的通用性要小。（2）WebServiceWebService是一種標(biāo)準(zhǔn)的存取網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的框架。XML協(xié)議相關(guān)的工作是WebService的基礎(chǔ)。WebService中幾個(gè)比較重要的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是SOAP（SimpleObjectAccessProtocol，簡單對(duì)象訪問協(xié)議）、WSDL（WebServiceDescriptionLanguage，Web服務(wù)描述語言）、WS-Inspection、UDDI（UniversalDescription，Discovery&Integration，統(tǒng)一的描述、發(fā)現(xiàn)與集成）。SOAP是基于XML的RPC（RemoteProcessCall，遠(yuǎn)程進(jìn)程調(diào)用）協(xié)議，用于描述通用的WSDL目標(biāo)。通過將SOAP進(jìn)行擴(kuò)展支持WebService框架的安全性。WSDL用于描述服務(wù)，包括接