基于校園網格模式結構的探討與設計

摘 要：網格是構筑在互聯網上的一種新型分布式計算技術，他能夠充分吸納網上各種計算和信息資源。論述了網格的特點和體系結構，并提出了一種基于校園網格模式的結構的探討與設計。校園網格是網格普及化的關鍵一步，文中根據提出的需求分析設計相應的網格模式結構，實現了校園網格環境構建的關鍵的第一步。

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關鍵詞：網格模式結構；校園網格；Gridshib;OGSA

中圖分類號：TP39318 文獻標識碼：B

文章編號：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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當今世界，計算機網絡飛速發展。隨著Web服務的出現，一系列服務如：B2B，電子商務，電子政務也相應出現并廣泛應用。這些服務都是基于Web服務透過電子環境產生交易、協作、互動。與此同時，出現了一種意義更大、性能更強的信息交換服務的網絡架構——網格。網格是構筑在互聯網上的一種新興技術，他將高速互聯網、高性能計算機、大型數據庫、傳感器、遠程設備等融為一體，為科技人員和普通百姓提供更多的資源、功能和交互性。簡單地說，可以認為Web是“信息網格”，網格是“擴展的Web”^[1]。網格計算就如同建立計算機的輸電網，一個電廠生產的電力可以通過輸電網傳送到本地或遠方的用戶，而這些用戶也并不關心他們用的電究竟是從哪臺發電機傳送來的。一臺計算機多余的計算能力可以通過計算網絡讓本地或遠方的用戶加以利用。網格就是把整個因特網整合成一臺巨大的超級計算機，實現計算資源、存儲資源、數據資源、信息資源、知識資源等的全面的共享和協作。

1 網格技術

網格計算技術的產生是應對計算資源和計算能力不斷增長的需求的結果。網格技術的研究是為了實現網絡虛擬環境下高性能資源的共享和協同工作，以解決一致使用各種分散資源的問題^[2]。網格計算(Grid Computing)又稱為元計算，無縫，可擴展計算，全局計算等。被定義為一個廣域范圍的“無縫的集成和協同計算環境”。網格計算是一種新的高性能的分布式計算方法，他與傳統分布式計算的主要區別是在沒有集中控制機制的情況下，通過對計算資源進行大規模共享，滿足應用對高性能計算要求，并且這種對計算資源進行大規模共享是動態的、安全的和協作式的。

1.1 網格的特征和關鍵技術

網格主要有3個特征：

(1) 資源共享，動態配置，協同工作，不存在任何集中控制；

(2) 使用標準、通用、開放的協議和接口；

(3) 高服務質量，包括響應時間、流量、可用性和安全性。

一般說來，網格具有分布共享性、自相似性、動態多樣性以及管理的多重性等特點。

網格的自相似性在網格建造和研究過程中有重要的意義，即要解決異構環境下的通信問題和資源的動態更新問題^[3]。

網格涉及的關鍵技術：網格結點，即網格計算資源的提供者；寬帶網絡系統，為網格計算提供高性能通信的必要手段；資源管理和任務調度工具，屬于網格計算的中間件；監測工具；應用層的可視化工具；網格計算的安全性。

1.2 校園網格中的關鍵技術

在校園網格使用模式中涉及到如下幾個關鍵技術：模式結構的設計；

網格協議的設計；

網格資源描述語言的設計；

網格用戶界面的設計。

文中主要是對第一個問題的探討和研究，還有諸多問題如安全機制等有待于進一步研究和具體化。

2 校園網格

2.1 GridShib項目

GridShib項目是由NSF中間件項目NMI(NSF Middleware Initiative)提供100萬美元資助，由美國國家超級計算應用中心NCSA(National Center of Supercomputing)牽頭，還包括來自芝加哥大學、美國阿爾貢國家實驗室、Shibboleth開發組的成員。目的是整合NSF資助的兩大重要軟件——Internet 2的Shibboleth和網絡軟件Globus工具包(簡稱GT)，實現利用這兩種軟件構建的系統間的互通^[4]。該項目的目標就是整合網格和高校校園網絡基礎設施，使之更具拓展性和靈活性。

2.2 構建校園網格模式結構

上面提到關于校園網絡已經有具體的軟件項目的實施，這一部分中文章主要介紹基于硬件的校園網格模式結構的設計。構造網格環境可以分為兩個關鍵問題：構造網格的模式和風格；具體的實施構造過程。顯然第二個問題是建立在第一個問題之上的。這里重點討論構建網格模式結構。對于這個問題其中很大一個需要解決的關鍵之處就是地域環境的不同，現行的標準和規范仍有爭議，因此不管提出怎樣的模式，都要能靈活地適應地理環境和以后發展趨勢的變化。

2.2.1 網格體系結構

到目前為止，較為重要的網格體系結構就是開放網格服務結構(Open Grid Services Architecture，OGSA)。

OGSA是在計算網格五層沙漏結構的基礎上結合Web服務技術提出來的。OGSA是一種以服務為中心的“服務結構”，實現的是對服務的共享。在OGSA中將計算資源、存儲資源、網絡、程序、數據庫、儀器設備等一切都表示為一個遵循一套規范的網絡服務。OGSA采用面向服務的體系結構(Service Oriented Architecture，SOA)使人們能夠利用許多現有的Web服務開發工具和擴展服務。OGSA是在Web服務概念的基礎上，定義了“網格服務(Grid Service)”的概念。網格服務是特殊的Web服務，是具有特定功能的網絡化實體。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，用于解決服務發現、動態服務創建、服務生命周期管理、通知等與臨時服務有關的問題^[5]。一個網格服務實現一個到多個接口，每一個接口定義了一些操作，這些操作通過交換定義好的一系列消息來激活，并完成不同的功能。

2.2.2 校園網格體系結構

(1) 需求分析

分析校園網格結構要求如下：

① 靈活實時動態的兼容網絡基礎設施。

② 能訪問廣域異構分布的資源。

③ 用戶能以一致的方式訪問資源的結構信息和狀態信息。

④ 能提供給用戶高效的服務。

首先分析系統的角色問題^[6]。首要的角色就是網格使用者：使用網格來完成其工作；網格管理者：實行整個網格流程；服務提供方：提供相應的各種資源。如圖1所示。

功能使用實例包括：

任務清單：將網格使用方需要完成的任務匯總；

服務描述：使用服務的首要條件即發現服務；

服務發現：通過Web服務器注冊服務并根據需求列出服務；

使用服務：一旦選定合適的服務，系統將建立SLA(Service Level Agreement)并綁定，執行。

管理使用實例包括：

網格管理：由于系統的復雜性，系統管理要是自動化的、集中的。

任務管理：為了提交任務到系統，網格使用者接觸到監控器并影響任務的執行。

服務管理：系統要配置Web服務并通過管理接口監控提供的服務。

從以上分析可以得出關于網格基礎體系的3個功能單元，如圖2所示。

這個結構主要特征為：簡化接口；在協作管理方面很靈活；與外部的Web服務也能交互協作。

(2) 模式結構

和好的工程系統一樣，網格也需要提供兩種基本的接口：一種是功能接口，這是站在系統使用者的角度；還有一種是管理控制接口，這是站在系統擁有者或是管理方的角度。另外，網格要通過功能和控制接口顯示信息交換語義和語法，簡而言之，語義接口顯示文檔交換的形式和語法；任務控制接口顯示提交任務的描述和監視網格工作的進程；網格控制接口則顯示基于規則管理控制的服務。

根據以上分析，本文提出的網格模式結構如圖3所示。

(1) 信息部分

數據管理，對內部和外部的Web服務正式的列成文檔。

數據倉庫，用來提供選擇更為靈活的技術。

(2) 控制部分

根據管理策略管理整個網格的進程。

(3) 執行部分

進程管理，通過規范化進程使其可執行并監視和控制

進程的執行。

進程準備，為管理做準備。

Service Broker，執行服務發現、服務選擇、SLA協商以及動態服務綁定。

3 結 語

本文針對構建校園網格結構的4個主要問題的第一個問題，即模式結構的設計，根據相應的分析提出了模式結構的示意圖。下一步的工作是研究網格協議的設計、網格資源描述語言的設計、網格用戶界面的設計以及安全機制和全局容錯等問題。校園網格的研究和實現說明實現一個面向市場的網格也只是時間的問題，這必將促進全球化網格的早日到來。

參 考 文 獻

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

［2］馬常霞.校園網格環境構建的關鍵技術研究[J].計算機技術與發展，2006，16 (1)：35-37.

［3］都志輝，陳渝，劉鵬.網格計算[M].北京：清華大學出版社，2002.

［4］歐海峰.GridShib讓校園網更具拓展性[J].中國教育網絡，2006(6):40-43

［5］郎博.基于OGSA的網格服務研究[J].計算機技術與發展，2006，16 (4)：47-49

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

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作者簡介

王 理 女，1981年出生，湖北武漢人，碩士研究生。主要研究方向為數字水印，網絡安全和網格技術。

蔣天發 男，1954年出生，湖北荊門人，中南民族大學計算機科學學院教授，研究生導師，中國高等學校電子教育學會副理事長。現已出版著作9部，主持研究和完成國家自然科學基金項目與國家民委重點等科研項目9項，發表科研學術論文近80篇。主要研究方向為網絡安全和網格技術。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”