网格技术的体系结构

网格的核心是分布式计算与资源管理，而这些核心实现是与网格的体系结构相联系的，因为一大批虚拟化、异构的资源组成了一个网格，而这些资源需要按照一致的方式进行交互和运转。网格技术的体系结构是关于如何建造网格环境的技术。它定义了网格的组成和基本功能，描述了网格组成部分的关系以及它们集成的方法。目前，网格技术体系结构的发展经历了五层沙漏结构(Five-Level Sandglass Architecture)、开放网格服务架构(Open Grid Services Architecture，OGSA)和 Web 服务资源框架(Web Service ResourceFramework，WSRF)3 个阶段。

1.1.2.1 五层沙漏结构

五层沙漏结构是 Foster 等(2001)提出的一种具有代表性的网格体系结构，其影响十分广泛，它是一种早期的抽象层次结构。

五层沙漏结构最重要的思想是以 “协议”为中心，强调服务与应用编程接口(API)和软件开发工具包(SDK)的重要性。在五层沙漏结构中，共享的概念不仅是交换文件，并强调对计算机、软件、数据以及其他资源的直接访问。从图 1.2 可以看出，五层沙漏结构从上而下包括: 应用层、汇聚层、资源层、连接层、构造层。

图 1.2 五层沙漏网格结构

(1)构造层: 构造层的基本功能就是控制局部的资源，包括查询机制(发现资源的结构和状态等信息)、控制服务质量的资源管理能力等，并向上提供访问这些资源的接口。构造层资源是非常广泛的，可以是计算资源、存储系统、目录、网络资源以及传感器等等。构造层资源提供的功能越丰富，则构造层资源可以支持的高级共享 *** 作就越多，例如如果资源层支持提前预约功能，则很容易在高层实现资源的协同调度服务，否则在高层实现这样的服务就会有较大的额外开销。

(2)连接层: 连接层的基本功能就是实现相互的通信。它定义了核心的通信和认证协议，用于网格的网络事务处理。通信协议允许在构造层资源之间交换数据，要求包括传输、路由、命名等功能。在实际中这些协议大部分是从 TCP/IP 协议栈中抽取出的。认证协议建立在通信服务之上，提供的功能包括: 单点登录、代理、与局部安全方法的集成、基于用户的信任机制。

(3)资源层: 资源层的主要功能就是实现对单个资源的共享。资源层定义的协议包括安全初始化、监视、控制单个资源的共享 *** 作、审计以及付费等。它忽略了全局状态和跨越分布资源集合的原子 *** 作。

(4)汇聚层: 汇聚层的主要功能是协调多种资源的共享。汇聚层协议与服务描述的是资源的共性，包括目录服务、协同分配和调度以及代理服务、监控和诊断服务、数据复制服务、网格支持下的编程系统、负载管理系统与协同分配工作框架、软件发现服务、协作服务等。它们说明了不同资源集合之间是如何相互作用的，但不涉及资源的具体特征。

(5)应用层: 应用层是在虚拟组织环境中存在的。应用可以根据任一层次上定义的服务来构造。每一层都定义了协议，以提供对相关服务的访问，这些服务包括资源管理、数据存取、资源发现等。在每一层，可以将 API 定义为与执行特定活动的服务交换协议信息的具体实现。

1.1.2.2 OGSA 结构

目前最重要且被广泛认可的网格系统结构是 Global Grid Forum(GGF)的 Open GridServices Infrastructure(OGSI)工作小组于 2002 年 6 月制定的开放网格服务架构(OGSA)(Foster et al.，2005)。OGSA 包括两大关键技术，即网格技术和 Web Service 技术，它是在五层沙漏结构的基础上，结合 Web Service 技术提出来的，解决了两个重要问题———标准服务接口的定义和协议的识别(Karasavvas et al.，2005)。以服务为中心是 OGSA 的基本思想，在 OGSA 中一切都是服务(Karasavvas et al.，2005)。这一结构的意义就在于它将网格从科学和工程计算为中心的学术研究领域，扩展到更广泛的以分布式系统服务集成为主要特征的社会经济活动领域。OGSA 架构由 4 个主要的层构成: 参见图 1.3。从下到上依次为: 资源———物理资源和逻辑资源Web 服务，以及定义网格服务的 OGSI 扩展基于 OGSA 架构的服务网格应用程序层。

图 1.3 OGSA 架构

(1)物理和逻辑资源层: 资源的概念是 OGSA 以及通常意义上的网格计算的中心部分。构成网格能力的资源并不仅限于处理器。物理资源包括服务器、存储器和网络。物理资源之上是逻辑资源。它们通过虚拟化和聚合物理层的资源来提供额外的功能。通用的中间件，比如文件系统、数据库管理员、目录和工作流管理人员，在物理网格之上提供这些抽象服务。

(2)Web 服务层: OGSA 架构中的第二层是 Web 服务。这里有一条重要的 OGSA 原则: 所有网格资源(逻辑的与物理的)都被建模为服务。OGSI 规范定义了网格服务并建立在标准 Web 服务技术之上。OGSI 利用诸如 XML 与 Web 服务描述语言(Web Services Description Language，WSDL)这样的 Web 服务机制，为所有网格资源指定标准的接口、行为与交互。OGSI 进一步扩展了 Web 服务的定义，提供了动态的、有状态的和可管理的Web 服务的能力，这在对网格资源进行建模时都是必需的。

(3)基于 OGSA 架构的网格服务层: Web 服务层及其 OGSI 扩展为下一层提供了基础设施: 基于架构的网格服务。GGF 目前正在致力于在诸如程序执行、数据服务和核心服务等领域中定义基于网格架构的服务。随着这些新架构的服务开始出现，OGSA 将变成更加有用的面向服务的架构(SOA)。

(4)网格应用程序层: 随着时间的推移，一组丰富的基于网格架构的服务不断被开发出来，使用一个或多个基于网格架构服务的新网格应用程序亦将出现。这些应用程序构成了 OGSA 架构的第四个主要的层。

1.1.2.3 WSRF 结构

OGSI 通过封装资源的状态，将具有状态的资源建模为 Web 服务，这种做法引起了“Web 服务没有状态和实例”的争议，同时某些 Web 服务的实现不能满足网格服务的动态创建和销毁的需求。OGSI 单个规范中的内容太多，所有接口和 *** 作都与服务数据有关，缺乏通用性，而且 OGSI 规范没有对资源和服务进行区分。OGSI 使用目前的 Web 服务和XML 工具不能良好工作，因为它过多地采用了 XML 模式，比如 XSD: ANY 基本用法、属性等，这可能带来移植性差的问题。另外，由于 OGSI 过分强调网格服务和 Web 服务的差别，导致了两者之间不能更好地融合。上述原因促使了 Web 服务资源框架(Web Service Resource Framework，WSRF)的出现(Czajkowski et al.，2004)。

WSRF 采用了与网格服务完全不同的定义(Banks，2006): 资源是有状态的，服务是无状态的。为了充分兼容现有的 Web 服务，WSRF 使用 WSDL 1.1 定义 OGSI 中的各项能力，避免对扩展工具的要求，原有的网格服务已经演变成了 Web 服务和资源文档两部分。WSRF 推出的目的在于，定义出一个通用、开放的架构，利用 Web 服务对具有状态属性的资源进行存取，并包含描述状态属性的机制，另外也包含如何把机制延伸至 Web 服务中的方式。

Web 服务资源框架定义了使用 Web 服务来访问有状态资源的一系列规范。它包括Web 服务资源特性(WS-ResourceProperties)、Web 服务资源生命周期(WS-ResourceLife-time)、Web 服务基本故障(WS-BaseFaults)和 Web 服务服务组(WS-ServiceGroup)规范。这些新规范的动机是，虽然 Web 服务实现在它们交互的过程中并不维护状态信息，但是它们的交互必须经常性地为状态 *** 作考虑。也就是说，数据的值通过 Web 服务交互得以持久化，并且作为 Web 服务交互的结果而保存。例如，一个在线的航空订票系统必须维持有关飞行状态、具体顾客的订票以及系统本身状态(它当前的位置、负载和性能)等信息。Web 服务接口如果要允许请求者查询飞行的状态、进行订票、改变订票的状态以及管理订票系统，它就必须提供对状态的访问。在 Web 服务资源框架(Web Services Resource Framework)中，我们把状态作为有状态资源来建模并且通过一个隐含的资源模式使 Web 服务之间的关系条文化。

WSRF 是一个服务 资源的 框架，是 5 个 技术 规范 的 集合，表 1.1 总 结 了 这 些 技术规范。

表 1.1 WSRF 中标准化技术规范

(据 Banks，2006)

分类: 电脑/网络 >>互联网

解析:

网格

一．网格的产生

网格(Grid)这个词来自于电力网格(PowerGrid)。“网格”与“电力网格”形神相似。一方面，计算机网纵横交错，很像电力网；另一方面，电力网格用高压线路把分散在各地的发电站连接在一起，向用户提供源源不断的电力。用户只需插上插头、打开开关就能用电，一点都不需要关心电能是从哪个电站送来的，也不需要知道是水力电、火力电还是核能电。建设网格的目的也是一样，其最终目的是希望它能够把分布在因特网上数以亿计的计算机、存储器、贵重设备、数据库等结合起来，形成一个虚拟的、空前强大的超级计算机，满足不断增长的计算、存储需求，并使信息世界成为一个有机的整体。

电网和网格对照表

电网：当你用洗衣机洗衣服时，你只关心衣服什么时候洗好。而不在乎洗衣机用的电是来源于水力发电，火电厂还是核电。你只需要把插头插入插座就行了。

网格：当你在电脑前工作时，你唯一关心的是要做的事（比如一项计算，设计等等）无论电脑连上什么网路，你都可以得到所需的计算能力出储存容量。

电网：我们现在用电的基础建设是“电网“。就是利用输电站，电力站，变电所和电线等等，把许多不同种类的发电厂和你家联系起来。

网格：对于上述的基础建设就叫“网格“。就是把电脑，工作站，服务器等计算资源连起来，而且提供必要的使用机制。

电网：电网是显而易见的：你不必担心你所用的电力是从哪里或者如何产生的。

网格：网格也将成为显而易见：你不必担心你所使用的电脑程序和资料在那里，网格中间服务器都会把最适合的计算资源分配给你的工作。

电网：电网很普遍：电力到处都有。只要插上插座就能获得电力资源。

网格：网格也将很普遍：电脑，笔记本，或者是掌上电脑，手机，甚至是一般的家用电器都可以通过网格插口连 上网格。

电网：电网是公共设施：你只要付钱就可以用电。

网格：网格也试图想为广大民众服务：只要付钱，都可以享用网格无穷无尽的计算资源和储存能力

注：另一种说法是网格就像一个巨大的网,里面有很多格子.每个格子就是一个局域网格,每个节点就是一台计算机.这种说法可能起源于中国。

二．究竟什么是网格

网格是一种新兴的技术，正处在不断发展和变化当中。目前学术界和商业界围绕网格开展的研究有很多，其研究的内容和名称也不尽相同因而网格尚未有精确的定义和内容定位。比如国外媒体常用“下一代互联网”、“Inter2”、“下一代Web”等来称呼网格相关技术。但“下一代互联网（NGI）”和“Inter2”又是美国的两个具体科研项目的名字，它们与网格研究目标相交叉，研究内容和重点有很大不同。企业界用的名称也很多，有内容分发（Contents Delivery）、服务分发（Service Delivery）、电子服务（e-service）、实时企业计算（Real-Time Enterprise Computing，简称RTEC）、分布式计算Peer-to-Peer Computing（简称P2P）、Web服务（Web Services）等。中国科学院计算所所长李国杰院士认为，网格实际上是继传统互联网、Web之后的第三次浪潮，可以称之为第三代互联网应用。

网格是利用互联网把地理上广泛分布的各种资源（包括计算资源、存储资源、带宽资源、软件资源、数据资源、信息资源、知识资源等）连成一个逻辑整体，就像一台超级计算机一样，为用户提供一体化信息和应用服务（计算、存储、访问等），虚拟组织最终实现在这个虚拟环境下进行资源共享和协同工作，彻底消除资源“孤岛”，最充分的实现信息共享。

三．网格技术的特征及其体系结构

1．网格技术的特征

在介绍网格的特征之前，我们首先要解决一个重要的问题：网格是不是分布式系统？这个问题之所以必须回答，因为人们常常会问另一个相关的问题："为什么我们需要网格？现在已经有很多系统（比如海关报关系统、飞机订票系统）实现了资源共享与协同工作。这些系统与网格有什么区别？"

对这个问题的简要回答是：网格是一种分布式系统，但网格不同于传统的分布式系统。IBM Global Service与EDS是在这个分布式领域最著名的公司。构建分布式系统有三种方法：即传统方法（我们称之为EDS方法）、分布自律系统（Autonomous Decentralized Systems, ADS）方法，网格（grid）方法。ADS通常用于工业控制系统中。网格方法与传统方法的区别见下表：

特征 传统分布式系统 网格

开放性 需求和技术有一定确定性、封闭性 开放技术、开放系统

通用性 专门领域、专有技术 通用技术

集中性 很可能是统一规划、集中控制 一般而言是自然进化、非集中控制

使用模式 常常是终端模式或C/S模式 服务模式为主

标准化 领域标准或行业标准 通用标准（+行业标准）

平台性 应用解决方案 平台或基础设施

通过以上对比，

1.资源共享，消除资源孤岛：网格能够提供资源共享，它能消除信息孤岛、实现应用程序的互连互通。网格与计算机网络不同，计算机网络实现的是一种硬件的连通，而网格能实现应用层面的连通。

2.协同工作：网格第二个特点是协同工作，很多网格结点可以共同处理一个项目

3.通用开放标准，非集中控制，非平凡服务质量：这是Ian Foster最近提出的网格检验标准。网格是基于国际的开放技术标准，这跟以前很多行业、部门或者公司推出的软件产品不一样。

4.动态功能，高度可扩展性：网格可以提供动态的服务，能够适应变化。同时网格并非限制性的，它实现了高度的可扩展性。

2．网格的体系特征

网格之所以能有以上所说的种种优势特征，是由网格的体系结构赋予它的。网格体系结构的主要功能是划分系统基本组件，指定组件的目的与功能，刻画组件之间的相互作用，整合各部分组件。科研工作者已经提出并实现了若干种合理的网格体系结构。下面介绍目前影响比较广泛的两个网格体系结构：网格计算协议体系结构(Grid Protocol Architecture，GPA)和计算经济网格体系结构(GRACE)模型。

OGSA（Open Grid Services Architecture）被称为是下一代的网格体系结构，它是在原来“五层沙漏结构”的基础上，结合最新的Web Service 技术提出来的。OGSA包括两大关键技术即网格技术和Web Service 技术。

随着网格计算研究的深入，人们越来越发现网格体系结构的重要。网格体系结构是关于如何建造网格的技术，包括对网格基本组成部分和各部分功能的定义和描述，网格各部分相互关系与集成方法的规定，网格有效运行机制的刻画。显然，网格体系结构是网格的骨架和灵魂，是网格最核心的技术，只有建立合理的网格体系结构，才能够设计和建造好网格，才能够使网格有效地发挥作用。

OGSA最突出的思想就是以“服务”为中心。在OGSA框架中，将一切都抽象为服务，包括计算机、程序、数据、仪器设备等。这种观念，有利于通过统一的标准接口来管理和使用网格。Web Service提供了一种基于服务的框架结构，但是，Web Service 面对的一般都是永久服务，而在网格应用环境中，大量的是临时性的短暂服务，比如一个计算任务的执行等。考虑到网格环境的具体特点，OGSA 在原来Web Service 服务概念的基础上，提出了“网格服务（Grid Service）”的概念，用于解决服务发现、动态服务创建、服务生命周期管理等与临时服务有关的问题。

基于网格服务的概念，OGSA 将整个网格看作是“网格服务”的 *** ，但是这个 *** 不是一成不变的，是可以扩展的，这反映了网格的动态特性。网格服务通过定义接口来完成不同的功能，服务数据是关于网格服务实例的信息，因此网格服务可以简单地表示为“网格服务＝接口/行为＋服务数据”。

在目前，网格服务提供的接口还比较有限,OGSA 还在不断的完善过程之中，下一步将考虑扩充管理、安全等等方面的内容。

3．网格协议体系结构

Ian Foster于2001年提出了网格计算协议体系结构，认为网格建设的核心是标准化的协议与服务，并与Inter网络协议进行类比(如图1)。该结构主要包括以下五个层次：

构造层(Fabric)：控制局部的资源。由物理或逻辑实体组成，目的是为上层提供共享的资源。常用的物理资源包括计算资源、存储系统、目录、网络资源等；逻辑资源包括分布式文件系统、分布计算池、计算机群等。构造层组件的功能受高层需求影响，基本功能包括资源查询和资源管理的QoS保证。

连接层(Connectivity)：支持便利安全的通信。该层定义了网格中安全通信与认证授权控制的核心协议。资源间的数据交换和授权认证、安全控制都在这一层控制实现。该层组件提供单点登录、代理委托、同本地安全策略的整合和基于用户的信任策略等功能。

资源层(Resource)：共享单一资源。该层建立在连接层的通信和认证协议之上，满足安全会话、资源初始化、资源运行状况监测、资源使用状况统计等需求，通过调用构造层函数来访问和控制局部资源。

汇集层(Collective)：协调各种资源。该层将资源层提交的受控资源汇集在一起，供虚拟组织的应用程序共享和调用。该层组件可以实现各种共享行为，包括目录服务、资源协同、资源监测诊断、数据复制、负荷控制、账户管理等功能。

应用层(Application)：为网格上用户的应用程序层。应用层是在虚拟组织环境中存在的。应用程序通过各层的应用程序编程接口（API）调用相应的服务，再通过服务调动网格上的资源来完成任务。为便于网格应用程序的开发，需要构建支持网格计算的大型函数库。

四. 当今网格的运用

现在国内国外运用得最多的可能是在一些大型院校的计算网格（实现计算资源的共享。 什么是计算资源： 简单来说就是计算能力，CPU。 计算资源共享就是CPU计算的共享）。人们把一个集群(cluster, 也就是常说的机房，通常有几十台 *** 作系统为Linux的计算机)的计算机连成一个局域型网格。这样就好像把这几十台电脑连成了一台超级计算机，计算能力当然大大提高了。这种局域计算网格主要运用于一些科研的研究。比如说生物科学。当生物科学的研究员需要高性能的计算资源来帮助他们分析试验的结果时，他们就把这些分析试验的程序提交（submit）给网格，网格通过计算再把结果返回给这些研究员。计算结果可能是一些图像（rendering）也可能是一些数据。这些计算如果在单一PC（Personal puter, 个人计算机）上运行的话，往往会花费几个月的时间，然而在网格中运行一，两天也就完成了。这就是网格技术最直观的优点之一。当然现在有一些大型主机（super-mainframe）也有很强的计算能力（比如常说的IBM deepblue，打败人类围棋大师Kasparov那位），但是这种主机太昂贵，而且配置(deploy)往往不方便，是名副其实的重量级（heavyweight）计算。SETI@Home （SETI@Home's，一个分布式计算的项目，通过互联网络上的计算机搜索地球外智慧讯息，网格在分布式计算的成功运用。 参见：equn/info/fd01）的网站指出，世界上最强大的计算机IBM 的 ASCI White，可以实现12万亿次的浮点运算，但是花费了1亿千万美元；然而SETI@HOME 只用了50万美元却实现了15万亿次浮点运算。

网格另外一个显著的运用可能就是虚拟组织（Virtual Organisations）。这种虚拟组织往往是针对与某一个特定的项目，或者是某一类特定研究人员。在这里面可以实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源的全面共享。比如说中国2008年奥运会开幕式研究组就可以运用网格组成一个虚拟组织。在这个虚拟组织里，任何成员不管在哪个地方都可以有权访问组织的共享资源（如 开幕式场地图纸，开幕式资金，开幕式节目单）；而且可以和另一地方的虚拟组织成员进行交流。这个虚拟组织就像把所有奥运会开幕式的资源，信息，以及人员集中到了一个虚拟的空间，让人们集中精力研讨开幕式项目的问题，而不必考虑其他的问题。据个实例，由英国利兹大学，牛津大学，约克大学和谢菲尔德大学合作的DAME项目就是致力于研究和运用虚拟组织。DAME架构在这四个大学合建的白玫瑰网格White Rose Computational Grid (WRCG)上，运用于对飞机故障的快速检测和维修。

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