數據網格中間件向ＩＰｖ６移植的分析與實現

摘要：在科學數據網格項目背景下，簡單敘述了IPv6的優勢和它將為網格系統帶來的好處。對科學數據網格和數據網格中間件DAS系統作了整體介紹，分析了DAS系統向IPv6環境移植所涉及到的主要技術與IPv6的關系，并指出了DAS系統向IPv6移植實現過程中所進行的主要工作。

關鍵詞：網格； 下一代互聯網協議（IPv6）； GT4； 數據訪問服務（DAS）； 科學數據網格（SDG）

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2008)05-1404-04

0引言

IPv6的出現主要是解決IPv4的先天不足，它作為下一代IP網絡發展標準取代IPv4已經成為必然趨勢。

網格概念產生于20世紀90年代中期，它的最終目的是在互聯網的基礎上，把分散在不同地理位置的計算機組織成一臺虛擬的超級計算機，實現計算資源、存儲資源、數據資源、信息資源、軟件資源、通信資源、知識資源、專家資源等資源的全面共享。文獻[1]中把網格問題表述為：如何在一種動態的、多單位參與的虛擬組織（VO）中實現資源共享和協同工作。網格是基于互聯網絡基礎設施的一種新技術，它的數據是基于TCP/IP傳輸的，所以網格應用有必要適應底層網絡協議的改變而向IPv6環境移植。

本文在中國科學院科學數據網格等項目的背景下，主要探討分析了數據網格中間件DAS系統向IPv6環境移植所涉及到的一些技術，目的是運用這些技術對DAS系統進行改進，使DAS系統的新版本可以在支持IPv4的基礎上也支持IPv6。

1IPv6的優勢及其對網格系統的影響

IPv6保留了IPv4 的優點并在此基礎上進行了眾多的改進。同IPv4 相比，IPv6 的改進主要表現在以下幾個方面：

a）地址容量巨大。IPv6地址長度為128 bit，能夠提供近乎無限的IP 地址。

b）報頭格式簡單。IPv6報頭刪除了IPv4報頭中許多不常用的域，采用擴展報頭方式實現不常用的功能。這種方式可提高數據包處理效率，減少了中間路由器的處理時延。

c）易管理，支持即插即用功能。除了狀態自動配置，IPv6 還支持無狀態地址自動配置。無須任何人工干預就可以將一個節點插入IPv6網絡并在網絡中啟動。

d）安全。IPSec是IPv6標準的一部分，通過IPSec可以提供網絡層的安全保證，解決網絡層端到端數據傳輸的安全問題。

e）支持QoS。IPv6 基本報頭中包含一個8 bit的業務流類別(class)和一個20 bit的流標簽(flow label)，為更詳細地區分服務質量提供支持，提供更高的服務質量保證。

f）支持移動。IPv6考慮了對移動性的支持，移動IPv6為用戶提供可移動的IP 數據服務，讓用戶可以在世界各地都使用同樣的IPv6 地址，并提供無縫漫游。

g）可擴展性好。通過定義新的擴展頭部，IPv6可以很容易地增加新的特征。

IPv6的絕大部分有利因素對網格系統來說都是十分有用的。如IPv6新的編碼機制可以簡化網格虛擬組織的動態聚合與撤離；IPv6的地址空間有利于建設規模巨大的網格系統，更有助于建設全球網格基礎設施；IPv6的安全支持提高了網格系統的安全性；IPv6對移動的支持更是對發展未來的移動網格技術提供了技術前提和基礎等。由此可以看出，網格與IPv6的結合不僅是網絡技術和網格技術發展的趨勢，更讓人們對其充滿期待。

2科學數據網格和網格數據訪問中間件DAS系統

科學數據網格(SDG)是中國科學院科研信息化環境建設中的一個試點項目，它建立在中國科學院科學數據庫海量數據資源的基礎上，旨在利用先進的網格技術達到大規模的、分布的、異構的科學數據資源的集成和共享，充分發揮科學院寶貴科學數據資源的價值?？茖W數據網格以網格服務的形式提供數據服務的發布、查找和調用。

DAS系統是SDG的核心子系統，是一個訪問分布、自治、異構科學數據的數據網格中間件。它為大規模、分布、自治、異構的數據資源提供統一的訪問接口，以方便科學數據庫數據資源的共享和集成；它以網格服務的形式提供數據庫的查詢，從而將分布的數據資源加入到網格中來。

DAS系統由DAS server、mappingBuilder和通用客戶端data-View三個子項目組成。其中DAS server是數據訪問服務端，它實現數據統一訪問的業務邏輯和完成數據網格服務的封裝，是DAS系統的核心；mappingBuilder是一個Java應用程序，完成數據庫模式的映射和模式文件（localshecma.xml、globalschema.xml和serviceschema.xml）的生成，它為DAS server服務并和DAS server一起綁定到服務器端；dataView是針對不同數據庫類型的通用客戶端，完成數據檢索的功能。圖1是DAS系統服務端的結構圖。

DAS系統是SDG的關鍵，早在2005年7月，DAS已經完成了2．0版本的開發；2005年8月成功申請了DAS 2．0軟件著作權；截至2005年底，中國科學院分布在全國各地的40多個研究所進行了DAS部署，目前DAS系統已經發布了2．1版本，正處于2．2版本的開發和完善階段。

DAS系統主要是在Windows操作系統上部署和運行，業務功能模塊用Java語言開發，DAS 2．2版本采用Globus Toolkit 4．0作為網格服務的開發環境（利用GT4的common runtime組件Java WS－Core-4.0.1來進行網格服務的封裝開發），利用Tomcat作為網格服務的運行環境。目前DAS系統支持MySQL、Oracle、SQL Server三種類型的數據庫的統一網格服務訪問。

3DAS系統向IPv6移植的相關技術分析

根據前面介紹并參考文獻[2，3]，要使DAS系統兼容IPv6并能被正確部署在IPv6環境下提供網格服務，除了有穩定的IPv6網絡環境外，還需要從下列幾方面進行分析，它們是DAS系統能否向IPv6移植的前提。

3．1Globus Toolkit 4與IPv6

DAS系統僅用到GT4中的Java WS－Core組件，本文并不考慮GT4包含的其他組件的IPv6兼容性問題。由文獻[3]可知，通過設置GT4配置文件中的一些配置選項可以讓GT4自帶的獨立Web容器提供對IPv6的支持。需要設置的配置文件是GT4安裝目錄下etc/globus_wsrf_core/目錄下的 server－config.wsdd 和 client－server－config.wsdd兩個文件，它們中的〈globalConfiguration〉全局屬性配置部分中與配置IPv6相關的全局屬性參數是publishHostName和logicalHost。其中：publishHostName參數說明是否將Web容器以及容器中的網格服務綁定到主機名，可選值是true或1；logicalHost參數的作用不但可以為本地主機添加一個主機名，即用logicalHost的值來代替本地主機默認的localhost主機名，而且也可以把主機名綁定到一個指定的IP地址。

在具有IPv4/IPv6雙棧協議的服務器端，GT4的Web容器默認是綁定到IPv4地址，而WSRF端口可以通過IPv4接口與IPv6接口連接，此時當IPv6請求到來時，服務器端將IPv6通信轉換為IPv4通信。在配置文件中〈globalConfiguration〉全局屬性配置部分里加入〈parameter name=\"publishHostName\" value=\"true\"/〉選項可以讓Web容器綁定到主機名。此時Web容器用系統默認的主機名localhost初始化，主機名可以綁定到IPv4地址和IPv6地址，Web容器獨立于IP地址，服務器可以根據客戶端的IP類型來與客戶端通信。

在配置文件〈globalConfiguration〉全局屬性配置部分里通過設置類似〈parameter name=\"logicalHost\" value=\"www.cnic.cn\"/〉選項，可為本地主機添加新的主機名。如果一個主機名對應多個IP地址，可通過設置logicalHost的值為IP地址來直接設定主機名對應哪個IP地址，如在〈globalConfiguration〉中加入下面的選項：〈parameter name=\"logicalHost\"value=\"2001:5c0:8d16:8002::3\"/〉，此時主機名綁定到IPv6地址2001:5c0:8d16:8002::3。

在具有IPv4/IPv6雙棧協議的服務器端，對于一個僅綁定IPv6地址的主機名，如果客戶端是IPv4請求，服務器會把IPv4請求轉換為IPv6請求。如果僅設置logicalHost參數，并且是用IPv6數字地址直接設置logicalHost的value值，此時Web容器就直接綁定到IPv6地址，不過IPv4請求依然可以被接受，此時服務器端把IPv4通信轉換為IPv6形式。

3．2Java與IPv6

根據文獻[3，4]可知，從JDK 1．4開始，Java開始在Linux和Solaris操作系統上提供對IPv6的支持，不過并不完善。JDK 1．4版本存在IPv6地址反向查找不準確的bug；JDK 1．5修復了這個bug并開始在Windows XP（SP1）和Windows 2003 操作系統上提供對IPv6的支持，JDK 1．5同樣還支持Linux和Solaris上的IPv6。

在支持IPv6的JDK中，InetAddress類代表IP地址，它同時支持IPv4和IPv6；IPv4和IPv6地址可通過InetAddress的兩個子類Inet4Address和Inet6Address類來區分。由于Java的面向對象性，IP地址類型和存儲結構在Socket API級別上是不會暴露的，Socket、ServerSocket及DatagramSocket等都封裝了IP的地址結構和類型，它們都支持IPv4和IPv6。另外，在一個支持IPv4/IPv6雙棧協議的節點上，用戶可以通過設置系統變量Java.net.preferIPv6Addresses和系統變量Java.net.prefer-IPv4Stack來決定系統是使用IPv6協議棧還是使用IPv4協議棧。

在支持IPv6的JDK環境下，Java對IPv6的支持是自動和透明的。Java程序中的代碼向IPv6過渡是比較簡單的，代碼本身可以輕松地過渡到IPv4/IPv6雙支持。如果一個Java應用程序（程序中允許使用第三方提供的Java API，但該類庫也必須是支持IPv6的）滿足以下條件，則該Java程序就是支持IPv6的。

a)程序中沒有用硬編碼地址(即沒有直接引用數字形式的IPv4地址，如159.226.10.67)而是用主機名代替；

b)所有Socket或地址信息都被Java的API封裝，通過Java的Socket API完成Socket功能；

c)IP地址類型和Socket類型引用通過設置系統變量來進行設置；

d)應用程序中的地址翻譯功能使用特定于IPv6的類和API。

3．3JDBC、數據庫與IPv6 

DAS系統目前支持的數據庫類型主要有三種：SQL Server，MySQL和Oracle。通過查閱相關文獻，這三種數據庫目前的大部分版本均不支持IPv6，而且相應的JDBC驅動程序也不支持IPv6功能。下面是從百度和Google搜索引擎上獲取的三種數據庫新版本對IPv6的支持情況：a)SQL Server，從2005版本開始支持IPv6，相應的2005版JDBC驅動支持IPv6。b)MySQL，MySQL將從MySQL 5．0版本開始支持IPv6，相應的JDBC驅動也開始支持IPv6。c)Oracle數據庫，Oracle 10．1．0．4版本及以前版本都不支持IPv6，Oracle 10g開始支持IPv6功能。

1)Tomcat與IPv6 

DAS系統以Tomcat作為網格服務運行的Web容器，把GT4部署到了Tomcat容器中。由文獻[3]可知，Tomcat 5版本及以上完全支持IPv6，Tomcat 4版本對IPv6的支持存在bug，它不能對IPv6 數字形式（類似http://[2001:cc0:1001:1:9191:4cc4:8cb7:a7c9]:8081的形式）的地址進行正確響應。

如果選用了支持IPv6的瀏覽器，如Firefox瀏覽器，當測試Tomcat是否支持IPv6時，在瀏覽器地址欄中輸入的正確地址格式為http://[IPv6地址]:端口/。

2)主機操作系統環境與IPv6 

DAS系統測試通過的操作系統主要有Windows XP Professional、Windows 2000 Professional、Windows 2000 Server、Windows 2003 Server等。Windows操作系統對IPv6的支持情況是：Windows 95、Windows 98和Windows ME不支持IPv6協議，IPv6協議正式產品版在Windows 2003 Server系列、Windows XP(SP1)及以上版本、Windows CE .NET 4．1及以上版本的系統中部署。而IPv6非產品版本包括Windows XP中的IPv6開發預覽版（developer preview），Windows 2000（SP1－SP4）中的技術預覽版(technology preview)以及可以在Windows NT和Windows 2000運行的研究版本(research IPv6)。

需要在Windows操作系統上安裝IPv6協議才能使操作系統提供對IPv6的支持。IPv6的安裝在不同的操作系統上所執行的操作命令不同，如Windows XP（SP2）和Windows 2003 Server對IPv6的安裝就有很大的差別。

3）其他API類庫與IPv6

DAS系統2.2版本中用到的除JDK外的其他API類庫，如果在使用中涉及到IP地址的調用，則在DAS系統向IPv6移植時也必須使用支持IPv6的API類庫。如果這些API類庫沒有支持IPv6的版本，同樣影響DAS系統向IPv6移植的實現。例如DAS系統的數據傳輸模塊在完成FTP數據傳輸功能時就采用了第三方的FTP客戶端API類庫Jakarta Common Net，而它目前還不能提供對IPv6的支持，需要找到完成相應FTP客戶端功能并且支持IPv6的FTP客戶端類庫來代替Jakarta Common Net類庫。

4DAS系統向IPv6移植的實現

需要說明的是，目前DAS系統向IPv6移植的目標是部署了DAS系統新版本（IPv6版本）的具有IPv4/IPv6雙棧協議的服務器節點，能夠正確提供DAS網格服務，DAS系統傳輸模塊可以與IPv6 FTP服務器通信；并且客戶端可以是IPv4節點，也可以是IPv6節點，還可以是IPv4/IPv6雙棧協議節點。服務器節點采用IPv4/IPv6雙協議棧有兩個主要原因：a)在目前階段IPv4網絡仍是主流，從IPv4到IPv6 的過渡需要相當長的時間才能完成，IPv4和IPv6網絡共存并且相互通信是目前的趨勢；b)目前科學院各個DAS部署單位的數據庫都是常用數據庫版本而且會在相當長的時間內存在，不可能一下子都升級到支持IPv6的數據庫，還需要IPv4網絡的支持。

在實現過程中，主要參照第3章介紹的相關技術，以Eclipse 3．1+JDK 1．5．07作為Java程序重新開發和編譯的環境，主要進行了以下兩大部分的工作：

a）根據Java應用程序向支持IPv6的應用程序移植的原則，對DAS系統的三個子項目的程序分別進行了不同的改動，并都進行了重新編譯。

(a)DAS server子項目。把數據傳輸模塊源程序中用到的FTP客戶端API類庫由原來的Jakarta Common Net類庫替換為支持IPv4/IPv6的sun.net.ftp.*（為了與IPv4/IPv6 FTP服務器通信）；數據庫驅動由于受到目前JDBC對IPv6支持的限制并沒有對其進行相應的更新；其他Java代碼中沒有涉及到直接對IPv4地址的引用，已經符合支持IPv6的Java應用程序的規則。

(b)MappingBuilder子項目。由于SQL Server、MySQL和Oracle三種類型的數據庫和JDBC驅動對IPv6支持的限制，mappingBuilder子項目并沒有進行相應的驅動更新，對數據庫的配置仍然采用IPv4地址格式。MappingBuilder其他Java代碼中沒有涉及到直接對IPv4地址的引用，已經符合支持IPv6的Java應用程序的規則。

(c)DataView端的改動主要集中在dataView端所調用的網格服務地址所包含的IP地址的配置變化上，通過在客戶端配置文件（system.properties）中進行相應配置來解決。根據GT4配置IPv6選項的不同，在客戶端配置文件中指定網格服務綁定到主機名（域名）或IPv6地址來解決這個問題。DataView客戶端工具包中的其他Java代碼中不涉及對IP地址的直接引用， 符合支持IPv6的Java應用程序的規則。

b）根據第3章中分析的GT4與IPv6的關系，通過對DAS服務器端GT4安裝目錄結構中etc/globus_wsrf_core/目錄下的server－config.wsdd和 client－server－config.wsdd兩個配置文件進行配置來達到使GT4支持IPv6的目的，有三種不同的配置方法：

(a)網格服務獨立于服務器IP地址。在兩個配置文件〈globalConfiguration〉部分的頂端加入〈parameter name=\"publishHostName\" value=\"true\"/〉選項。此時Web

容器用系統默認的主機名localhost初始化，網格服務綁定到主機名localhost，Web容器和網格服務都獨立于IP地址。主機名localhost可以綁定到IPv4和IPv6地址，服務器可以根據客戶端的IP類型來與客戶端通信，這樣DAS服務器可以同時支持IPv4和IPv6訪問。該方法簡單通用，不必因為不同的服務器節點而更改配置。

(b)網格服務綁定到IPv6地址。在兩個文件〈globalConfiguration〉部分的頂端加入〈parameter name=\"logicalHost\" va-lue=\"DAS服務器IPv6地址\"/〉選項。此時Web容器用對應的IPv6地址初始化，網格服務綁定到指定的IPv6地址。

(c)網格服務綁定到主機名（主機名綁定IPv6地址）。在兩個文件〈globalConfiguration〉部分的頂端加入〈parameter name=\"publishHostName\" value=\"true\"/〉選項和〈parameter name=\"logicalHost\" value=\"DAS服務器IPv6地址或IPv6主機名\"/〉選項。此時Web容器用對應IPv6地址的主機名初始化，網格服務綁定到對應IPv6地址的主機名。

在具有IPv4/IPv6雙棧協議的服務器端，采用后兩種方法配置，DAS服務器同樣可以支持IPv4和IPv6訪問。如果客戶端是IPv4請求，服務器會把IPv4請求轉換為IPv6請求。相對于第一種方法，后兩種方法不是很通用，每一個部署DAS的服務器節點的IPv6地址或IPv6主機名都不一樣，需要系統管理員對每個DAS服務器節點都進行單獨配置。

另外重要的一點是DAS系統所需要的運行環境，本文改進后的DAS系統同樣可以在IPv4網絡環境下運行，此時對GT4不進行配置或進行第一種方法的配置即可。如果在IPv6環境下提供服務，DAS系統服務器節點需要安裝IPv6/IPv4雙棧協議，Web容器選擇支持IPv6的Tomcat 5及以上版本作為網格服務的運行環境，服務器節點需要安裝JDK 1.5及以上的版本；客戶端可以是僅安裝了IPv4協議的節點或僅安裝了IPv6協議的節點，也可以是雙棧節點。無論采用哪一種配置方法，都需要在配置GT4后把GT4重新部署到Tomcat中去。

5結束語

IPv6環境下的網格應用開發目前是一個嶄新的領域，數據網格訪問中間件DAS系統向IPv6移植所進行的工作一方面是對IPv6環境下開發網格應用的一個有益嘗試；另一方面也是中國科學院“十一五”信息化建設的需要。本文在研究相關技術文獻的基礎上主要探討了DAS系統向IPv6移植實現過程中必須要進行的工作和涉及到的相關技術，并結合這些前提對DAS系統的2.2版本進行了移植實現。目前改進后的DAS系統2.2版本經過測試證明已經能夠在IPv6環境下提供網格服務，用戶在DAS系統客戶端查詢的數據結果可以正確地上傳到IPv6 FTP服務器。下一步的工作主要集中在完善DAS系統的性能，以推進科學數據網格成果的應用。

參考文獻：

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