网格技术初探

摘要：网格(Grid)是一个计算资源池，网格技术适于大型的科学计算和项目研究，它是科技发展的必然产物。网格又称为虚拟计算环境，是这几年兴起的一种重要的网络信息技术，是继传统因特网、Web之后的第三个大浪潮，可称为第三代因特网应用。它将带来因特网的新生，极大地改变我们的工作和生活。

关键词： 网格技术；网格特点；网格体系结构；网格技术应用

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2008)17-21399-02

1 网格技术的基本概念

网格是近年来炒得比较热门的技术，各种学术论文、专著等都出现了大量有关网格的论述。然而，究竟什么是网格却没有一个明确的定义。从不同的理解、不同的角度出发，人们对网格的定义有六、七种之多，这从一个侧面说明网格技术的复杂性和功能的多样性，同时也说明了网格技术仍是一种处于发展时期的未成熟技术。

笔者认为，从20世纪90年代开始，高性能计算技术和互联网技术、多媒体技术进一步融合，正在形成继因特网、Web之后的第三个发展高潮，那就是网格(Grid)。网格是一个计算资源池，网格技术适于大型的科学计算和项目研究，它是科技发展的必然产物。当今，计算已经成为重大科学领域研究的方法和手段。由于问题和规模越来越复杂，解决问题需要的计算能力也相应大幅度增加。解决这个问题的一种方法将若干计算机聚集在一个固定地点，组成超级计算中心，但是这种方式费用很大。另一种方式是打破地域的限制实现更大范围的资源共享。网格技术就是以更大范围的资源共享为目的的计算方式，它的实现需要计算机网络和计算机技术的支撑。高性能计算技术和互联网技术迅猛发展和融合，实现了计算机硬件和资源的连通，为网格的发展提供了技术支持。这样，当进行大数据量的计算或对数据集进行大量重复分析操作时，就可以考虑利用网格技术共享互联网络上丰富的资源。

可以简单的说，网格，又称为虚拟计算环境，是这几年兴起的一种重要的网络信息技术。网格利用计算机网络把地理范围广泛分布的计算资源、存储资源、网络资源、软件资源、信息资源、知识资源等连成一个逻辑整体，然后像一台超级计算机一样为用户提供一体化的信息应用服务，实现互联网上所有资源的全面连通、全面共享，消除信息孤岛和资源孤岛。被称为是继传统因特网、Web之后的第三个大浪潮，可称为第三代因特网应用。它将带来因特网的新生，极大地改变我们的工作和生活。

2 网格的特点

（1）分布性与共享性：网格系统是由分布在不同地点、不同类型的计算机、外部设备、各种各样的资源库、知识库、网格服务等构成。分布性是网格最根本、最典型和最重要的特征。而共享性是网格的一个非常重要的目的，网格就是要做到对各种资源的充分共享，从计算资源、设备资源到服务资源。

（2）动态性和异构性：网格作为一个系统，其规模、资源、服务都是在不断的变化之中，也就是说，网格是动态变化的系统，每个有生命力的系统，都具有动态这一特性。只有这样，一个系统才充满活力。异构性是指网格内存在形式各异的计算机系统，同时，网格内的信息资源也是多样性的，各种媒体信息、各种知识库、由不同语言开发的应用软件等。

（3）自相似性：网格的结构具有自相似的特征。网格的局部和整体之间存在着一定的相似性，局部往往在许多地方具有全局的某些特性，而全局的特征在局部也有一定的体现。网格的自相似性在网格的建造和研究过程中有重要的意义。

（4）多级管理域：由于构成网格计算系统的超级计算机资源通常属于不同的机构或组织，并且使用不同的安全机制，因此需要各个机构或组织对其拥有的资源有自主的管理能力。但它们也必须接受统一的管理，否则无法实现共享和互操作性。

3 网格的体系架构

网格技术不断地发展使人们逐渐地意识到了网格体系结构的重要性。网格体系结构用来划分系统的基本组件，指定系统组件的目的和功能，说明组件之间如何相互作用，规定了网格各部分相互的关系与集成的方法。可以说，网格体系结构是网格的骨架和灵魂，是网格技术中最核心的部分。

目前网格技术发展形成两大体系架构：一个是以协议为中心的五层沙漏架构，另一个是以服务为中心的开放网格服务架构OGSA(Open Grid Services Architecture)。

3.1 五层沙漏架构

五层沙漏结构最重要的思想是以“协议”为中心，十分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，共享的概念不仅仅是交换文件，而是更强调对计算机、软件、数据以及其他资源的直接访问。五层沙漏模型自上而下分别为应用层、汇聚层、资源层、连接层和构造层。

（1）构造层是网格中可以被共享的资源所在层，该层包括各种物理设备或逻辑实体。该层的功能是向上层提供网格中可共享使用的资源接口，网格通过支持设备共享的协议来访问本地设备。

（2）连接层是网格中处理通信和授权控制的核心协议层。构造层的各种资源间的数据交换都在这层的控制下实现。

（3）资源层的作用是对单个资源实施控制，与可用资源进行安全握手，对资源进行初始化，检测资源运行状况，统计与付费有关的资源使用数据。

（4）汇聚层的作用是将资源层提交的受控资源汇集在一起，供应用程序共享使用。汇聚层提供目录服务、资源分配、日程安排、网格启动等功能，协调多个资源之间的工作。

（5）应用层是网格上用户的应用程序，应用程序通过各层的API调用相应的服务，再通过调用网格上的资源来完成任务。

以上五层结构中，资源层和连接层是核心，其包含的协议数量最少，而向上和向下各层协议数量增多，由协议数量的多少形成一个沙漏形状，因此称之为五层沙漏结构。

3.2 开放网格服务架构（OGSA体系结构）

五层沙漏结构虽然简单，但人们在研究中发现，在许多情况下，复杂的服务或应用很难分解为标准而低级的基本协议，而且人们在解决问题时也不习惯于按照协议的方式来进行。鉴于五层沙漏结构的不足，Ian Foster等人结合Web服务技术提出了一种新的网格体系结构--开放网格服务体系结构。

开放网格服务体系结构的思想一切都抽象为服务，包括计算机、程序、数据和仪器设备等。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服务提供了一种基于服务的框架结构。但是，Web服务面对的一般都是永久，而在网格应用环境中，大量的是临时性的短暂服务。考虑到网格环境的具体特点，OGSA在原来的Web服务概念的基础上，提出了“网格服务”(Grid Service)的概念，用于解决与临时服务发现、动态服务创建以及服务生命周期管理等问题。基于网格服务的概念，OGSA将整个网格看作是"网格服务"的集合，但是这个集合不是一成不变的，而是可以扩展的，这反映了网格的动态特性。

OGSA是一个抽象的东西，是一个框架。由它提出了一个基于OGSA发展的核心规范OGSI(Open Grid Services Infranstucture)，它是对OGSA的主要方面具体化、规范化。OGSI规定了向网格发送处理请求时所使用的接口，相当于Web服务中的WSDL，在网格计算相关标准中处于核心地位。OGSI规范通过扩展Web服务的问题。

4 网格技术的应用领域

4.1 应用于学科研究

现在科学研究的问题空前复杂化，而学科研究所需要的运算资源常常是捉襟见肘。复杂科学领域的计算通常以超级计算机作为数据处理中心，超级计算机虽然处理能力强大，但是其本身的造价极其昂贵，并不是所有的研究机构都有能力配备。网格技术的出现，最大程度地提高了现有网络计算资源的利用率。目前，利用网格提高现有资源利用率主要有两种办法：一是利用网格技术可以将各个实验室的超级计算机连接起来，形成一个“强强联合”的超级信息处理中心；另外一种方式就是通过互联网，利用互联网个人用户的闲置计算机，进行科学研究。

4.2 应用于企业信息处理

网格计算的商业应用前景广阔。网格计算环境能够提高或拓展企业内所有计算资源的效率和利用率，通过对这些资源进行共享、有效优化和整体管理，使各企业解决以前难以处理的问题，最有效地使用他们的系统，满足客户要求并降低他们计算机资源的拥有和管理总成本。中国国家计算网格简称“织女星网格”(Vega Grid)。该项目已取得了一些研究成果并开始应用到如电子商务、税收等中。

4.3 应用于娱乐

随着互联网的发展，网络视频点播与在线游戏已经成为个人娱乐重要的一环。使用网格可以为游戏开发商和服务供应商提供可扩展的、高弹性的基础设施以运行大型多人游戏。网格技术有望使虚拟现实技术走向平民化。由于运行虚拟现实技术所需要的计算资源太过于庞大，目前虚拟现实技术只用行员、宇航员等的训练工作，普通个人根本无法享受这一技术带来的娱乐体验。利用网格这种造价低廉而数据处理能力超强的计算模式，可以将虚拟现实技术运用于网络游戏中，让参与游戏的人可以真切地感受虚拟环境所带来的游戏。

5 结束语

网格技术的发展尚处于初级阶段，基础研究还很薄弱，国际上还很少有成果发表，其各方面发展都还远远不够完善。本文仅对网格技术特点、体系机构及其应用作了阐述，但网格技术还有许多亟待解决的问题需要研究。例如：统一标准、资源调配和服务冲突等都是网格计算亟待解决的一个问题，否则将无法成为企业的商业架构。网格作为基础设施，除了技术上的挑战外，一些社会、政治因素对网格的普及也至关重要，应当建立资源的外包、数据的保密等法律保护机制。

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