【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 誰(shuí)技術(shù)、應(yīng)用模式設(shè)計(jì)等。網(wǎng)格體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最為重要。 （ 1）寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 網(wǎng)格的互聯(lián)網(wǎng)要比因特網(wǎng)具有更大 的帶寬，以解決目前互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸能力不足的問(wèn)題。能信能力的好壞對(duì)網(wǎng)格系統(tǒng)提供的性能影響甚大，要做到計(jì)算能力“即連即用”必須要高質(zhì)量的寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持。用戶要獲得延遲小，可靠的通信服務(wù)也離不開(kāi)高速的網(wǎng)絡(luò)。 （ 2）體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 網(wǎng)格體繁育結(jié)構(gòu)是網(wǎng)格的骨架和靈魂，是網(wǎng)格最核心的技術(shù)，只有建立合理的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)，才能夠設(shè)計(jì)和建造好網(wǎng)格，才能夠使網(wǎng)格有效地發(fā)揮作用。網(wǎng)格體系機(jī)構(gòu)的研究對(duì)網(wǎng)格的研究與構(gòu)建有重要的意義，它是解決網(wǎng)格系統(tǒng)有哪些組成部分，各組成部分之間的關(guān)系及如何協(xié)同工作的問(wèn)題。 由于它的重要性，我們 將會(huì)在后面詳細(xì)介紹。 （ 3）網(wǎng)格操作系統(tǒng)設(shè)計(jì) 網(wǎng)格系統(tǒng)中管理的是廣域分布、動(dòng)態(tài)、異構(gòu)的資源，網(wǎng)格操作系統(tǒng)應(yīng)屏蔽這些資源的分布、異構(gòu)特性，向網(wǎng)格應(yīng)用提供透明、一致的使用接口。一個(gè)理想的網(wǎng)格系統(tǒng)應(yīng)類似當(dāng)前的 Web 服務(wù)，可以構(gòu)建在當(dāng)前所有硬件和軟件平臺(tái)上，給用戶提供完全透明的計(jì)算環(huán)境（把眾多同構(gòu)、民構(gòu)的資源變成同構(gòu)的虛擬計(jì)算環(huán)境）。 （ 4）安全認(rèn)證技術(shù) 網(wǎng)格的安全認(rèn)證是網(wǎng)格的難點(diǎn)，也是系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。在資源全面共享和站點(diǎn)協(xié)同工作的網(wǎng)格系統(tǒng)中，網(wǎng)格必須為站點(diǎn)管理者提供訪問(wèn)控制等安全按理機(jī)制，以確保信息的保密 性（ Confidentiality）、完整性（ Integrity）和確定性（ Authentication）。管理者可以自由地決定可以共享哪些資源、共享給誰(shuí)和不能共享哪些資源。當(dāng)然，這種權(quán)限控制必須是易維護(hù)且獨(dú)立于資源本身，同時(shí)應(yīng)該在邏輯上提供不同安全管理層次和控制力度。一般來(lái)說(shuō)，網(wǎng)格安全體系結(jié)構(gòu)可邏輯劃分為以下幾層： ① 操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)傳輸層； ② 各種網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)安全技術(shù)； ③ 安全抽象層，負(fù)責(zé)對(duì)不同的安全技術(shù)進(jìn)行封裝，給上層安全協(xié)議提供統(tǒng)一的接口； ④ 各種網(wǎng)格安全協(xié)議； ⑤ 基于網(wǎng)格安全協(xié)議和各種應(yīng)用。 為了保證在網(wǎng)格中各 管理系統(tǒng)和層面上都有安全保障，通常需解決如下關(guān)鍵問(wèn)題；用戶單點(diǎn)登錄、用戶與資源屬性、資源的動(dòng)態(tài)性、環(huán)境的異構(gòu)性、任務(wù)的多樣性等的安全認(rèn)證問(wèn)題。 （ 5）使用模式設(shè)計(jì) 網(wǎng)格使用模式解決的是如何使用網(wǎng)格超級(jí)計(jì)算機(jī)的問(wèn)題。在現(xiàn)有的操作系統(tǒng)上，計(jì)算機(jī)用戶可使用各種軟件工具來(lái)完成各種任務(wù)。而在網(wǎng)格環(huán)境下，用戶需 12 要通過(guò)新的方式來(lái)利用網(wǎng)格系統(tǒng)資源。因此，在網(wǎng)格操作系統(tǒng)上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)各種工具、應(yīng)用軟件是網(wǎng)格使用模式在天之靈需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。目前美國(guó) Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室所開(kāi)發(fā)的 MPICHC2 是廣泛應(yīng)用的開(kāi)放式網(wǎng)格編程環(huán) 境， Web Service技術(shù)正被眾多研究人員所推崇。 網(wǎng)格系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 由于網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)在網(wǎng)格建造中的重要作用，下面我們來(lái)研究一下網(wǎng)格系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。 網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)的概念 網(wǎng)格體繁育結(jié)構(gòu)就是關(guān)于如何建造網(wǎng)格的技術(shù)。它給出了網(wǎng)格的基本組成與功能，描述了網(wǎng)格各組成部分的關(guān)系以及它們集成的方式或方法，刻畫了支持網(wǎng)格有效運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)制 [10]。簡(jiǎn)言之，網(wǎng)格體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就是解決網(wǎng)格系統(tǒng)有哪些組成部分、各組成部分之間的關(guān)系以及如何協(xié)同工作的問(wèn)題。 Foster 將網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)定義為“劃分系統(tǒng)基本構(gòu)件，指 定系統(tǒng)構(gòu)件的目的與功能，說(shuō)明構(gòu)件之間如何相互作用的技術(shù)”。 網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)的基本要求 網(wǎng)格體繁育結(jié)構(gòu)的基本要求包括以下四方面： （ 1）為應(yīng)用提供單一分布資源全局視圖和聚集各種分布的自治資源成為一個(gè)系統(tǒng)，不能破壞現(xiàn)有系統(tǒng)，不導(dǎo)臻應(yīng)用程序的重新編寫； （ 2）不同組織之間資源共享互操作是必不可少的，可以對(duì)資源直接訪問(wèn)而不單單是文件共享和交換，具體體現(xiàn)在各種資源構(gòu)件之間和機(jī)制之間； （ 3）有一套標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議是至關(guān)重要的，在遵守標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的前提下，才能使允許跨節(jié)點(diǎn)的協(xié)同工作、允許基礎(chǔ)下部組織共享成為可能 ；沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，互操作和共享很難實(shí)現(xiàn)，重復(fù)開(kāi)發(fā)和安裝不可避免； （ 4）從 Grid實(shí)現(xiàn)者的角度來(lái)看，網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)層次型中間作服務(wù)集合，按照現(xiàn)代軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，以服務(wù)的方式為應(yīng)用工具和應(yīng)用的開(kāi)發(fā)提供支持而服務(wù)的實(shí)現(xiàn)必須能夠自由地使用各個(gè)層次上的功能和服務(wù)進(jìn)行構(gòu)造。 幾種常見(jiàn)的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu) 目前對(duì)網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)已有了一定的研究，提出的模型有：五層沙漏模型、開(kāi)放網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)（ OGSA）、模型組件模型、計(jì)算池模型、 CPU 模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、節(jié)點(diǎn)模型等。這里主要介紹一下三種比較重要的網(wǎng)格 體系結(jié)構(gòu)：五層沙漏結(jié)構(gòu)、開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（ OGSA）以及 WSRF 結(jié)構(gòu)。 （一）五層沙漏結(jié)構(gòu) 五層沙漏結(jié)構(gòu)是 Foster 等在早些時(shí)候提出的。它是一種經(jīng)典的結(jié)構(gòu)模型，是一種以“協(xié)議”為中心的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)協(xié)議在網(wǎng)格的資源共享和互操作中的地位。 （ 1）五層沙漏結(jié)構(gòu)中五層的劃分 根據(jù)層次協(xié)議結(jié)構(gòu)中各組成部分與共享資源的距離，將對(duì)共享資源進(jìn)行操作、管理和使用的功能分散在 5 個(gè)不同的層次，分別是構(gòu)造層（ fabric），連接層（ Connectivity），資源層（ Resource），匯集層（ Collective）和應(yīng) 用層（ Application）?；谖鍖訁f(xié)議的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)使得不同的網(wǎng)格應(yīng)用可以在統(tǒng)一的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)框架下使用相販底層協(xié)議。 13 ① 構(gòu)造層：它們是物理或邏輯實(shí)體，作用是向上提供可供共享的資源。 ② 連接層：是網(wǎng)格中網(wǎng)絡(luò)事務(wù)處理通信和授權(quán)控制的核心協(xié)議。構(gòu)造層提交的各種資源間數(shù)據(jù)交換都在這一層的控制下實(shí)現(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)各資源間的授權(quán)驗(yàn)證、安全控制等。 ③ 資源層：共享單獨(dú)的資源。定義在個(gè)別資源上的共享操作的安全協(xié)商、創(chuàng)始、監(jiān)控、控制、記帳和付費(fèi)方面的協(xié)議。這些協(xié)議的實(shí)現(xiàn)調(diào)用構(gòu)造層的功能來(lái)訪問(wèn)和控制本地的資源。資源層只關(guān)心單個(gè)的局 部資源，不考慮跨分布收集的全局性和原子性（如事務(wù)）問(wèn)題。 ④ 匯集層：定義全局的、跨所有資源捕捉相互作用的協(xié)議和服務(wù)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)資源的協(xié)調(diào)、匯集，供虛擬組織的應(yīng)用程序共享、調(diào)用。 ⑤ 應(yīng)用層：由網(wǎng)格（虛擬組織）用戶操作的應(yīng)用組成。應(yīng)用程序通過(guò)各層的 API 調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)，再通過(guò)服務(wù)調(diào)用網(wǎng)格上的資源來(lái)完成任務(wù)。 為了便于理解，該五層與廣為使用的 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)的對(duì)比如圖 所示： 圖 五層結(jié)構(gòu) TCP/IP 協(xié)議的對(duì)比 （ 2）沙漏的形狀 五層沙漏結(jié)構(gòu)是一 個(gè)抽象層次結(jié)構(gòu)，它的一個(gè)重要特點(diǎn)糖水是“沙漏”形狀[11]（如圖 所示）。究其原因在于各層協(xié)議的數(shù)量不同，對(duì)于最核心的部分 —— 沙漏的瓶頸，定義核心抽象和協(xié)議的一個(gè)小集合（如在 Inter 中的 TCP 和HTTP）。許多不同的高層（沙漏的頂部）行為映射到它們的上面，它們自身也能被映射至不同的基本技術(shù)之上（沙漏的底部），所以核心協(xié)議的數(shù)量必須是較少的。較少的核心協(xié)議有利于移植，也容易實(shí)現(xiàn)和得到支持。在五層結(jié)構(gòu)中， 資源層和連拉層共同組成這一核心的瓶頸部分。 14 圖 五層沙漏模型協(xié)議分布圖 （二） 開(kāi)放網(wǎng)格服務(wù)體系結(jié)構(gòu) 圖 OGSA 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 開(kāi)放網(wǎng)格服務(wù)結(jié)構(gòu) OGSA（ Open Grid Services Architecture）是在以 IBM為代表的工業(yè)界的影響下，在考慮到 Web 技術(shù)的發(fā)展與影響后， Foster 等結(jié)合Web Service 提出的，是 Grid Global forum 4 的重要標(biāo)準(zhǔn)建議。圖 是 OGSA的體系結(jié)構(gòu)圖，它的三個(gè)主要邏輯組件是開(kāi)放網(wǎng)格服務(wù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、 OGSA 服務(wù)和OGSA 模式。 （ 1）基本思想 ①以服務(wù)為中心的結(jié)構(gòu) 如果說(shuō)五層沙漏結(jié)構(gòu)是以協(xié)議為中心的“協(xié)議結(jié)構(gòu)”，則 OGSA 就是以服務(wù)為中心的“服務(wù)結(jié)構(gòu)”。在 OGSA 中，服務(wù)所指的概念更廣，包括穩(wěn)中有各種計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)、程序、數(shù)據(jù)庫(kù)等等，簡(jiǎn)而言之，一切都是服務(wù)。五層模型試圖實(shí)現(xiàn)的是對(duì)資源的共享，而在 OGSA 中，實(shí)現(xiàn)的將是對(duì)服務(wù)的共享。 為了使服務(wù)的思想更加明確和具體， OGSA 定義了“網(wǎng)格服務(wù)”（ Grid Service）的概念。網(wǎng)格服務(wù)是一種 Web Service，該服務(wù)提供了一組接口，這 些接口的定義明確并且遵守特定的慣例，解決服務(wù)發(fā)現(xiàn)、動(dòng)態(tài)服務(wù)創(chuàng)建、生命周期管理、通知等問(wèn)題。在 OGSA 中，將一切都看作是網(wǎng)格服務(wù)，因此網(wǎng)格就是可擴(kuò)展的網(wǎng)格服務(wù)的集合，即網(wǎng)格 ={網(wǎng)格服務(wù) }。網(wǎng)格服務(wù)可以以不同的方式聚集起來(lái)滿足虛擬組織的需要，虛擬組織自身也可以部分地根據(jù)它們操作和共享的服務(wù)來(lái)定義。 15 簡(jiǎn)單地說(shuō)，網(wǎng)格服務(wù) =接口 /行為 +服務(wù)數(shù)據(jù)。如圖 。 圖 網(wǎng)格服務(wù)示意圖 與五層模型一樣，在 OGSA中也非常重視互操作性 ，但是從服務(wù)的觀點(diǎn)， OGSA將互操作性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為兩個(gè)子問(wèn)題，即定義服務(wù)的接口和識(shí)別激活特定接口的協(xié)議。 ②統(tǒng)一的 Web Service 框架 一個(gè) Web Service 就是一個(gè)可以被 URI識(shí)別的軟件應(yīng)用，它的接口和綁字可以被 XML（ eXtensible Markup Language） 描述與發(fā)現(xiàn)，并且可以通過(guò)基于Inter 的協(xié)議直接支持與其它基于 XML 消息的軟件應(yīng)用交互。 Web Service在 W3C 中由三個(gè)工作組和一個(gè)協(xié)調(diào)組組成，這三個(gè)工作組分別是 Web Service結(jié)構(gòu)工作組， XML協(xié)議工作 組， Web Service 描述工作組。 WebService 描述了一種新出現(xiàn)的、重要的分布式計(jì)算范式，和 DCE， CORBA，JAVA RMI 等方法不同，它更強(qiáng)調(diào)基于單個(gè) INTERNET 標(biāo)準(zhǔn)（ XML）來(lái)解決異構(gòu)分布計(jì)算的問(wèn)題。 WebService 定義了一種技術(shù)，用于描述被訪問(wèn)的軟件構(gòu)件、訪問(wèn)構(gòu)件的方法以及找到相關(guān)服務(wù)提供者的發(fā)現(xiàn)方法， WebService 并不傾向于特定的編程語(yǔ)言、編程模型以及系統(tǒng)軟件。 16 表 21 網(wǎng)格服務(wù)的接口 OGSA 是符合標(biāo)準(zhǔn)的 WebService 框架的。 WebService 解決了發(fā)現(xiàn)和激發(fā)永久服務(wù)的問(wèn)題，但是在網(wǎng)格中，大量的是臨時(shí)服務(wù)，因此 OGSA 對(duì) WebService 進(jìn)行了擴(kuò)展，提出了網(wǎng)格服務(wù) (Grid Service)的概念，使得它可以支持臨時(shí)服務(wù)實(shí)例，并且能夠動(dòng)態(tài)創(chuàng)建和刪除。表 21 列出了網(wǎng)格服務(wù)的接口，其中只有 Grid Service 接口是必需的，而其它的接口都是可選的。風(fēng)格服務(wù)是由他們提供的能力來(lái)刻畫的。一個(gè)網(wǎng)格服務(wù)實(shí)現(xiàn)一個(gè)到多個(gè)接口，每一個(gè)接口定義了一些操作，這些操作通過(guò)交換定義好的一系列消息來(lái)激活。網(wǎng)格服務(wù)接口和 WSDL 的ProtTypes 相對(duì)應(yīng)，網(wǎng)格服務(wù)提供 PortTypes 的集合，包括一些與版本有關(guān)的附加信息，在網(wǎng)格服務(wù)中用 Servicetype 來(lái)描述， Servicetype 是 OGSA 定義的 WSDL的擴(kuò)展元素。 由于 OGSA 采用統(tǒng)一的 Web Service 框架，因此很自然就具備了原來(lái) Web Service 的所有有利因素，比如服務(wù)描述和發(fā)現(xiàn)；可以從服務(wù)描述中自動(dòng)產(chǎn)生客戶與服務(wù)端的代碼；將服務(wù)描述和互操作的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議綁定在一起；和新出現(xiàn)的高級(jí)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)、服務(wù)和工具兼容；有廣泛的工商業(yè)支持等等。 （ 2） OGSA 的兩大支撐技 術(shù) ① Globus Globus 是一種開(kāi)放結(jié)構(gòu)，開(kāi)放源碼的服務(wù)的集合，也是支持網(wǎng)格與網(wǎng)格應(yīng)用軟件庫(kù)，該工具包解決了安全、信息發(fā)現(xiàn)、資源管理、數(shù)據(jù)管理、通信、錯(cuò)誤檢測(cè)以及可移植等問(wèn)題。 Globus 工具包在世界上的許多網(wǎng)格項(xiàng)目中被使用。 ② Web Serice 關(guān)于 XML 協(xié)議方面的工作是 Web Service 的基礎(chǔ)。由于 XML 在分布式應(yīng)用之間被廣泛用于作為信息交換的方式，在 2021 年 9月 Web Service 的 XML 工作組成立。 Web 服務(wù)中常用的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，如簡(jiǎn)單對(duì)象訪問(wèn)協(xié)議（ SOAP）、 Web服務(wù)描 述語(yǔ) 17 言（ WSDL）、 Web服務(wù)探查（ WSInspection）、通用發(fā)現(xiàn)和集成描述（ UDDL）。 SOAP 是基于可擴(kuò)展標(biāo)識(shí)語(yǔ)言（ XML）的遠(yuǎn)程調(diào)用（ RPC）協(xié)議，用來(lái)描述通用的 WSDL 對(duì)象。通過(guò)對(duì) SOAP 加以擴(kuò)展（如數(shù)字簽名、加密），提供 Web 服務(wù)框架的安全性。 WSDL 是 Web 服務(wù)的接口定義語(yǔ)言，用來(lái)描述服務(wù)，包括接口和訪問(wèn)的方法。通常，復(fù)雜的服務(wù)是由若干服務(wù)組成的。 WSInspection 用來(lái)定位服務(wù)提供者公布的服務(wù)。 UDDI 則定義了 Web 服務(wù)的目錄結(jié)構(gòu)。 （三） WSRF 2021 年， IBM， Globus 聰明和 HP 在 Globus WORLD 會(huì)議上共同提出了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)資源框架（ WSRF）。 WSRF 是表示有狀態(tài)資源和 Web 服務(wù)之間關(guān)系的一種新方法，是網(wǎng)格技術(shù)與 Web 服務(wù)相結(jié)合的具體體現(xiàn)，也是網(wǎng)格技術(shù)發(fā)展史上的一座里程碑。 WSRF 結(jié)構(gòu)的提出對(duì)網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展產(chǎn)生了非常重要的影響。