第三代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：網(wǎng)格計算技術(shù)

1、第三代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：網(wǎng)格計算技術(shù)第三代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：網(wǎng)格計算技術(shù)摘要：為了實現(xiàn)分散的資源共享、充分利用網(wǎng)上的閑置資源，網(wǎng)格計算應(yīng)時而生。本文介紹了網(wǎng)格技術(shù)產(chǎn)生背景、概念、功能、關(guān)鍵技術(shù)，并討論了網(wǎng)格技術(shù)開展亟需解決的問題和將來的開展趨勢。關(guān)鍵詞：網(wǎng)格計算；超級計算機；體系構(gòu)造中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2022)17-31291-02TheThirdGeneratinNetrkTehnlgy:GridputingTehnlgyXIAXia-fEi(ShandngBusinessShl，Yantai264005,hina)Abstrat：Gridputingisth

2、enextaveftheInternet.Itisappliedfrsharingdistributedresuresandakingfullusefidleresures.Thisartileintrduesitsbakgrund，develpent，basinepts,nstitutin,funtinandkeytehnlgialpints.Finally,itexplrestheprblestbeslvedinitsdevelpentpress.Keyrds:Gridputing；superputer；nstitutin1引言信息技術(shù)的大浪潮將造就20222022年十五年的黃金時代。到2

3、022年，由此產(chǎn)生的互聯(lián)網(wǎng)將成長為一個20萬億美元產(chǎn)值的大工業(yè)。這一波的本質(zhì)特征，就是萬維網(wǎng)升華為網(wǎng)格。1這段話來自?福布斯?雜志最近發(fā)布的市場趨勢報告。Internet的產(chǎn)生與開展,對人們的思維方式、工作形式以及生活理念都產(chǎn)生了宏大的影響與沖擊。第一代Internet的作用就是把遍布于世界各地的計算機用TP/IP協(xié)議連接在一起，其主要應(yīng)用為E-ail；第二代Internet那么通過eb信息閱讀及電子商務(wù)應(yīng)用等信息效勞，實現(xiàn)了全球網(wǎng)頁的連通；第三代Internet將試圖實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)上所有資源的全面連通，包括計算資源、存儲資源、通信資源、軟件資源、信息資源、知識資源等，這就是網(wǎng)格計算(Girdpu

4、ting)。22網(wǎng)格計算盡管計算機開展非常迅速，但由于種種原因，目前仍然存在一些瓶頸，這樣就使得一些超大規(guī)模的應(yīng)用問題無法僅僅通過一臺或兩臺高性能的計算機來解決，在這種情況下，人們想象分布在世界各地的超級計算機的計算才能能否通過利用廣域互連技術(shù)使其像電力資源那樣輸送到每一用戶，來求解一些大規(guī)?？茖W(xué)與工程計算等問題，從而形成了計算網(wǎng)格又稱網(wǎng)格計算系統(tǒng)。而網(wǎng)格計算作為虛擬的整體而使用在地理上分散的異構(gòu)計算資源，這些資源包括高速互連的異構(gòu)計算機、數(shù)據(jù)庫、科學(xué)儀器、文件和超級計算系統(tǒng)等。使用計算網(wǎng)格，一方面能使人們聚集分散的計算才能，形成超級計算的才能，解決諸如虛擬核爆炸、新藥研制、氣象預(yù)報和環(huán)境等重

5、大科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的問題，另一方面能使人們共享廣域網(wǎng)絡(luò)中的異構(gòu)資源，使各種資源得以充分利用。3網(wǎng)格計算的功能特點由于網(wǎng)格計算是在Internet和eb上的第三代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，所以其功能也必然會比Internet和eb技術(shù)要高級，總體說來，其功能主要表達在下面五個方面：第一,高帶寬，主干網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)方案的帶寬一般都在1Gbps以上。第二，計算速度、數(shù)據(jù)處理速度高。第三,可動態(tài)的調(diào)動資源,而且可以更有效的共享資源。第四，網(wǎng)上社區(qū)將日益增多，地球村指日可待。第五，可根據(jù)用戶的要求自動地消費知識，使合作解決問題的才能大大進步?？傮w說來，網(wǎng)格技術(shù)的特點主要從三個方面去考慮：異構(gòu)性、可擴展性、動態(tài)自適應(yīng)性。1

6、異構(gòu)性是指，網(wǎng)格系統(tǒng)由分布在Internet上的各類資源組成，包括各類主機、工作站甚至P機，它們是異構(gòu)的，可運行在UNIX、NT等各種操作系統(tǒng)下，也可以是上述機型的機群系統(tǒng)、大型存儲設(shè)備、數(shù)據(jù)庫或其它設(shè)備。由于網(wǎng)格分布在廣域網(wǎng)上不同管理域的各種計算資源中，怎樣實現(xiàn)異構(gòu)機器之間的協(xié)作和轉(zhuǎn)換是網(wǎng)格計算的首要問題。2可擴展性是指，元計算系統(tǒng)初期的計算規(guī)模較小，隨著超級計算機系統(tǒng)的不斷參加，系統(tǒng)的計算規(guī)模也隨之擴大。要在網(wǎng)格資源規(guī)模不斷擴大、應(yīng)用不斷增長的情況下，不致降低網(wǎng)格計算的性能。3動態(tài)自適應(yīng)性是指，在網(wǎng)格計算中，某一資源出現(xiàn)故障或失敗的可能性較高，資源管理必須能動態(tài)監(jiān)視和管理網(wǎng)格資源，從可利用

7、的資源中選取最正確資源效勞。4網(wǎng)格計算的體論文聯(lián)盟.Ll.系構(gòu)造由于網(wǎng)格計算還處于方案階段，實際的應(yīng)用還非常有限，所以到如今仍然沒有統(tǒng)一的標準和協(xié)議，就目前來說，網(wǎng)格計算的體系構(gòu)造主要有三種分層方法：一種是3個層次的系統(tǒng)，一種是5個層次的系統(tǒng)，另外一種是7個層次的系統(tǒng)。13層的網(wǎng)格計算系統(tǒng)，主要由資源層、中間件層、應(yīng)用層組成。其中，網(wǎng)格資源層是構(gòu)成網(wǎng)格系統(tǒng)的硬件根底,它包括各種計算資源,如超級計算機、貴重儀器、可視設(shè)備、現(xiàn)有應(yīng)用軟件等,這些計算機資源通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接起來，僅僅實現(xiàn)計算資源在物理上的連通。網(wǎng)格中間件層是指一系列工具和協(xié)議軟件,其功能是屏蔽網(wǎng)格資源層中的計算資源的分布、異構(gòu)特性,向

8、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層提供透明、一致的使用接口，同時提供用戶編程接口和相應(yīng)的環(huán)境,以支持網(wǎng)格應(yīng)用的開發(fā)。網(wǎng)格應(yīng)用層是用戶需求的詳細表達。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工具或環(huán)境開發(fā)各種應(yīng)用系統(tǒng)。能否在網(wǎng)格系統(tǒng)上開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)以解決各種大型計算問題是衡量網(wǎng)格系統(tǒng)優(yōu)劣的關(guān)健指標。325層的網(wǎng)格計算系統(tǒng)，主要由構(gòu)造層、連接層、資源層、聚集層和應(yīng)用層組成。構(gòu)造層的功能是向上提供網(wǎng)格中可供共享的資源，比方處理才能、存儲系統(tǒng)、目錄、網(wǎng)格資源、分布式文件系統(tǒng)、分布式計算機簇、計算機集群等。連接層是網(wǎng)格中網(wǎng)絡(luò)事務(wù)處理通信與受權(quán)控制的核心協(xié)議。主要實現(xiàn)的是構(gòu)造層提交的各種資源間的數(shù)據(jù)交換、各資源間的受權(quán)驗證

9、、平安控制、資源間的數(shù)據(jù)交換通過傳輸、路由及名字解析。資源層是對單個資源施行控制，與可用資源進展平安握手、對資源做初始化、監(jiān)測資源運行狀況、統(tǒng)計與付費等有關(guān)的資源使用數(shù)據(jù)。聚集層是將資源層提交的受控資源聚集在一起，供虛擬組織的應(yīng)用程序共享、調(diào)用。為了對來自應(yīng)用的共享進展管理和控制，聚集層提供目錄效勞、資源分配、日程安排、資源論文聯(lián)盟.Ll.代理、資源監(jiān)測診斷、網(wǎng)格啟動、負荷控制、賬戶管理等多種功能。應(yīng)用層是網(wǎng)格上用戶的應(yīng)用程序。應(yīng)用程序通過各層的API調(diào)用相應(yīng)的效勞，再通過效勞調(diào)用網(wǎng)格上的資源來完成任務(wù)。應(yīng)用程序的開發(fā)涉及大量的庫函數(shù)，為便于網(wǎng)格應(yīng)用程序的開發(fā)，需要創(chuàng)立支持網(wǎng)格計算的庫函數(shù)。3

10、7層的網(wǎng)格計算系統(tǒng)，由網(wǎng)格資源層、網(wǎng)格中間間層、網(wǎng)格應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造層、網(wǎng)格效勞層、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用工具層和應(yīng)用層組成。其中前三層和3層系統(tǒng)完全一樣，只是多了4層輔助功能，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造層提供資源相關(guān)、站點相關(guān)的根本功能,便于高層分布式網(wǎng)格效勞的實現(xiàn)；網(wǎng)格效勞層實現(xiàn)資源無關(guān)和應(yīng)用無關(guān)的功能,網(wǎng)格效勞的實現(xiàn)涉及到地域和機構(gòu)的分布；網(wǎng)格應(yīng)用工具層提供更為專業(yè)化的效勞和組件以用于不同類型的應(yīng)用；應(yīng)用層由用戶開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)組成,網(wǎng)格用戶可以使用其他層次的接口和效勞完成網(wǎng)格應(yīng)用的開發(fā)。迄今為止，網(wǎng)格計算還沒有正式的標準，但在核心技術(shù)上，相關(guān)機構(gòu)與企業(yè)已達成一致：由美國阿爾貢國家實驗室與南加州大學(xué)信息科學(xué)學(xué)院合作開發(fā)的

11、GlbusTlkit已成為網(wǎng)格計算事實上的標準4，大約有12家計算機和軟件廠商已宣布采用GlbusTlkit作為一種開放架構(gòu)和開放標準根底設(shè)施，也就是本文的5層分層方法。4網(wǎng)格計算的關(guān)鍵技術(shù)及與相關(guān)技術(shù)的比擬網(wǎng)格計算的關(guān)鍵技術(shù)有以下5點：1網(wǎng)格節(jié)點。作為網(wǎng)格計算資源的提供者,它包括高端效勞器、集群系統(tǒng)、系統(tǒng)、大型存儲設(shè)備、數(shù)據(jù)庫等。這些資源在地理位置上是分布式的,系統(tǒng)具有異構(gòu)特性。2寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在網(wǎng)格計算環(huán)境中,為做到計算才能的即連即通,使用戶得到延遲孝可靠的通信效勞,需要高質(zhì)量的寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持。3資源管理和任務(wù)調(diào)度工具。計算資源的管理工具要解決資源的描繪、組織和管理等關(guān)鍵問題。任務(wù)調(diào)度工

12、具的作用是根據(jù)當前系統(tǒng)的負載情況,對系統(tǒng)內(nèi)的任務(wù)進展動態(tài)調(diào)度,進步系統(tǒng)的運行效率。它們屬于網(wǎng)格計算的中間件。4監(jiān)測工具。新近興起的網(wǎng)格計算對資源監(jiān)測提出了新的詳細要求。網(wǎng)格在廣義上是一個廣域異構(gòu)資源的有機集合體,提供透明的遠程訪問、資源共享、分布計算等功能。與目前的因特網(wǎng)相比,它覆蓋更多的資源,各個節(jié)點聯(lián)絡(luò)起來更加嚴密,整體拓撲構(gòu)造更為有序。這些新的特征都需要新的資源監(jiān)測工具與之適應(yīng)。5應(yīng)用層的可視化工具。網(wǎng)格計算的主要領(lǐng)域是科學(xué)計算,它往往伴隨著海量的數(shù)據(jù),而面對浩如煙海的數(shù)據(jù),想通過人工分析得出正確的判斷非常困難。假如把計算結(jié)果轉(zhuǎn)換成直觀的圖形信息,就能幫助研究人員擺脫理解數(shù)據(jù)的困難。這就

13、要研究能在網(wǎng)格計算中傳輸和讀取數(shù)據(jù)的可視化工具,并提供友好的用戶界面。從網(wǎng)格計算的定義我們不難發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格計算之所以很難定義，其中一個主要原因就是網(wǎng)格計算綜合運用了很多相關(guān)技術(shù)，將多種技術(shù)的長處交融在一起，。與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，由于網(wǎng)格計算是建立在網(wǎng)絡(luò)之上的，所以它離不開網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持，但可以解決很多網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無法解決的問題，在性能、速度、平安等方面要面對新的挑戰(zhàn)；與分布式系統(tǒng)相比，雖然兩者都是位于多個管理域下的超級計算機通過不可靠的網(wǎng)絡(luò)進展連接，并需要對廣域的、分布的動態(tài)資源進展集成分布式強調(diào)一個邏輯虛擬的集中環(huán)境，網(wǎng)格那么更強調(diào)不同資源之間的互操作性，并且網(wǎng)格計算對性能的要求更高，所以網(wǎng)格在編程模

14、型及接口與分布式有極大的差異；與中間件相比，網(wǎng)格計算需要大量中間件技術(shù)的支持，各種中間件技術(shù)都可為網(wǎng)格技術(shù)所使用，中間件技術(shù)是網(wǎng)格計算的核心；與超級計算系統(tǒng)相比，網(wǎng)格計算需要超級計算系統(tǒng)提供計算功能，需要超級計算系統(tǒng)互相協(xié)作進展通信，以實現(xiàn)各種資源的共享和網(wǎng)絡(luò)化。5網(wǎng)格計算急需解決的問題為了促進網(wǎng)格計算的廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)讓用戶隨心所欲地共享網(wǎng)格計算中的各種資源，還必須解決以下問題：第一，異構(gòu)性:由于網(wǎng)格由分布在廣域網(wǎng)上不同管理域的各種計算資源組成,怎樣實現(xiàn)異構(gòu)機器間的合作和轉(zhuǎn)換是首要問題。第二，可擴展性:要在網(wǎng)格資源規(guī)模不斷擴大、應(yīng)用不斷增長的情況下,不降低性能。第三，動態(tài)自適應(yīng)性:在網(wǎng)格計算中

15、,某一資源出現(xiàn)故障或失敗的可能性較高,資源管理必須能動態(tài)監(jiān)視和管理網(wǎng)格資源,從可利用的資源中選取最正確資源效勞。自動故障檢測和恢復(fù)對于任何網(wǎng)格軟件來說都是必須解決的關(guān)鍵問題。第四，平安性:由于開放了網(wǎng)絡(luò),提供了更多的工具和訪問權(quán)限,必須確保它的平安性,平安機制應(yīng)該嵌入到網(wǎng)格軟件最核心的層次上。包論文聯(lián)盟.Ll.括登錄認證、可信賴、完好性和記賬等方面的平安性,這是網(wǎng)格計算的難點,也是系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。第五，高帶寬需求:有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬滿足不了網(wǎng)格計算技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率要求,這就限制了合適在網(wǎng)格上運行的應(yīng)用類型,應(yīng)進步現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的帶寬以更好的發(fā)揮網(wǎng)格計算的優(yōu)勢。第六，人機通信的問題:必須提供豐富的用戶接

16、口和編程環(huán)境,提供最常用的語言,如、+、PI、PV以及分布式共享存儲器和一些函數(shù)庫等；提供直觀的用戶訪問接口,包括EB方式,使用戶可在任何位置、任何平臺上使用系統(tǒng)資源。第七，知識產(chǎn)權(quán)問題:在網(wǎng)格計算中很多被共享的數(shù)據(jù)都存在知識產(chǎn)權(quán)問題,如何保護知識產(chǎn)權(quán)也是一個需要解決的問題。第八，協(xié)議和效勞標準：網(wǎng)格應(yīng)用的最大難題是標準協(xié)議的建立體系構(gòu)造確實定。最后,如何在網(wǎng)格系統(tǒng)平臺建好之后實現(xiàn)應(yīng)用的平滑移植,是網(wǎng)格計算走向主流應(yīng)用的又一大障礙。網(wǎng)格技術(shù)要求用戶將原有的計算密集型應(yīng)用標準化,并平移到新的系統(tǒng)之中。網(wǎng)格計算是一個相對較新的研究領(lǐng)域,該系統(tǒng)的開展和數(shù)據(jù)密集、大規(guī)模應(yīng)用的開展相吻合,是一項有很有研究價值的技術(shù)。綜觀國際網(wǎng)格技術(shù)的劇烈競爭與迅猛開