GRID - READ淺談網(wǎng)格技術(shù)優(yōu)秀論文

1、淺談網(wǎng)格技術(shù)摘要：網(wǎng)格技術(shù)是一個(gè)正在迅猛發(fā)展的新技術(shù)，所謂網(wǎng)格就是利用網(wǎng)絡(luò)把地理上廣泛分布的各種資源連成一個(gè)具有一定邏輯的虛擬環(huán)境，虛擬組織最終實(shí)現(xiàn)在這個(gè)虛擬環(huán)境下進(jìn)行資源共享和協(xié)同工作，本文首先從網(wǎng)格的起源談起，對(duì)網(wǎng)格的含義和特點(diǎn)進(jìn)行了闡述，分析了網(wǎng)格的五層沙漏模型體系結(jié)構(gòu),同時(shí)介紹了被稱為下一代網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)的開放網(wǎng)格服務(wù)架構(gòu)OGSA，然后深入討論了網(wǎng)格技術(shù)的各種應(yīng)用，最后對(duì)網(wǎng)格技術(shù)的發(fā)展作了展望。Abstract Grid is a new technology which is developing fast, the grid means to organize all the res

2、ources which place at different place to a logic virtual environment through the network. The virtual organization finally realizes a virtual environment where we can share resources and do cooperating work. In this paper, firstly we talk about the origin of the grid and expatiate the definition and

3、 the characteristic of the grid. Analysis the architecture of grid and then introduce the OGSA which is said to be the next generation architecture. And then we discuss the representative use of grid, finally we forecast the future of the grid.關(guān)鍵字： 網(wǎng)格 OGSA 計(jì)算網(wǎng)格 資源共享 協(xié)同工作一 引言20世紀(jì)80年代，互聯(lián)網(wǎng)將全球的計(jì)算機(jī)硬件連接起來

4、，推動(dòng)了全球信息的交流與共享。而萬維網(wǎng)（Web）提供了巨大的信息資源庫，網(wǎng)頁的鏈接將人們導(dǎo)向了信息的海洋之中。海量的信息和數(shù)據(jù)的處理促使了網(wǎng)格技術(shù)的發(fā)展。信息社會(huì)每時(shí)每刻都在產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)和信息，在比如高能物理、生物基因管理重組、宇宙數(shù)據(jù)分析以及各種氣象、地震預(yù)報(bào)等重大科學(xué)領(lǐng)域，需要利用分布在世界各地的計(jì)算資源來共同完成計(jì)算問題。在如今任何時(shí)候任何地方都需要信息的世界上，蓬勃發(fā)展的網(wǎng)格計(jì)算帶來了極具威力的解決方案，讓“信息流”可以像“電”一樣，方便地流到用戶的手中。網(wǎng)格(Grid)這個(gè)詞來自于電力網(wǎng)格(PowerGrid)?！熬W(wǎng)格”與“電力網(wǎng)格”形神相似。一方面，計(jì)算機(jī)網(wǎng)縱橫交錯(cuò)，很像電力網(wǎng)；

5、另一方面，電力網(wǎng)格用高壓線路把分散在各地的發(fā)電站連接在一起，向用戶提供源源不斷的電力。用戶只需插上插頭、打開開關(guān)就能用電，一點(diǎn)都不需要關(guān)心電能是從哪個(gè)電站送來的，也不需要知道是水力電、火力電還是核能電。建設(shè)網(wǎng)格的目的也是一樣，其最終目的是希望它能夠把分布在因特網(wǎng)上數(shù)以億計(jì)的計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)器、貴重設(shè)備、數(shù)據(jù)庫等結(jié)合起來，形成一個(gè)虛擬的、空前強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)，滿足不斷增長(zhǎng)的計(jì)算、存儲(chǔ)需求，并使信息世界成為一個(gè)有機(jī)的整體。網(wǎng)格就是利用互聯(lián)網(wǎng)把地理上廣泛分布的各種資源（包括計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、帶寬資源、軟件資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源、知識(shí)資源等）連成一個(gè)邏輯整體，就像一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)一樣，為用戶提供一體化信

6、息和應(yīng)用服務(wù)（計(jì)算、存儲(chǔ)、訪問等），虛擬組織最終實(shí)現(xiàn)在這個(gè)虛擬環(huán)境下進(jìn)行資源共享和協(xié)同工作，徹底消除資源“孤島”，最充分的實(shí)現(xiàn)信息共享。中國科學(xué)院計(jì)算所李國杰院士認(rèn)為，第一代互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)硬件的連通，第二代互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)頁的連通，而作為第三代互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)格則試圖實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上所有資源的全面連通，不僅僅包括計(jì)算機(jī)和網(wǎng)頁，而且包括各種信息資源，例如數(shù)據(jù)庫、軟件以及各種信息獲取設(shè)備等。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接成一個(gè)整體，如同一臺(tái)巨大無比的計(jì)算機(jī)，向每個(gè)用戶提供一體化的服務(wù)。二 網(wǎng)格的特點(diǎn)關(guān)于網(wǎng)格的基本特征，解析如下：分布復(fù)雜 規(guī)模巨大分布性是網(wǎng)格最重要的特征之一。網(wǎng)格資源是由分布在不同地理位置、不同計(jì)算能力的計(jì)算機(jī)

7、、各類數(shù)據(jù)庫、共享運(yùn)算和存儲(chǔ)，即計(jì)算資源、高級(jí)儀器資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源、知識(shí)資源乃至專家資源（智能資源）組成的。因此，這種具有分布特征的網(wǎng)格跨越的地理范圍相對(duì)比較廣，規(guī)模巨大，涉及的資源類型復(fù)雜。資源共享,協(xié)同工作網(wǎng)格的另一個(gè)特征是資源共享,協(xié)同工作。網(wǎng)格上的各種資源雖然是分布的，但通過網(wǎng)格技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)格上任意用戶（使用者）的有效提供。網(wǎng)格的資源匯集及充分共享特征最大限度地適應(yīng)了這種發(fā)展趨勢(shì)和用戶需求。除了通常的設(shè)備資源共享之外，服務(wù)資源（網(wǎng)格計(jì)算能力就是服務(wù)資源之一）共享更是網(wǎng)格不同于以往共享技術(shù)的本質(zhì)特征。雖然以往就有一些成熟技術(shù)實(shí)現(xiàn)了部分IT資源的共享，但網(wǎng)格共享的意義在于不同地

8、域、不同地點(diǎn)、不同平臺(tái)、不同專有系統(tǒng)之間的“無縫集成和協(xié)同計(jì)算環(huán)境”，即基于“進(jìn)一步互聯(lián)互通”的充分共享。資源共享的含義非常寬泛，不僅指異地計(jì)算機(jī)、機(jī)群可以完成本地任務(wù)，還包括中間結(jié)果、數(shù)據(jù)庫、專業(yè)模型庫以及人才資源、智能資源等諸多內(nèi)容的共享。因此，分布資源共享是網(wǎng)格的核心，否則，網(wǎng)格將失去意義。在資源充分共享的基礎(chǔ)上，協(xié)同工作也就有了可能，同一個(gè)項(xiàng)目可以在不同的資源之間實(shí)現(xiàn)快速的協(xié)同工作，達(dá)到資源的有效利用目的。 動(dòng)態(tài)增減 異構(gòu)多樣網(wǎng)格資源與功能在一個(gè)階段可能是確定的，但隨著時(shí)間的變化，原有的資源與功能可能會(huì)動(dòng)態(tài)增加或動(dòng)態(tài)減少。這是由于網(wǎng)格資源與功能并非無限，當(dāng)原有資源被占用時(shí)，功能必然要相

9、對(duì)減弱。例如，中國科學(xué)院或其它部門大型計(jì)算資源暫被占用，同一時(shí)刻出現(xiàn)迫切的相關(guān)需求時(shí)，用戶急需的計(jì)算功能將會(huì)受到某種程度影響。當(dāng)然這種影響可能是有時(shí)間性的，而網(wǎng)格可以迅速調(diào)劑、補(bǔ)充，予以解決。當(dāng)然，人才、智力資源的調(diào)劑補(bǔ)充情況將相對(duì)復(fù)雜一些。不同地理位置的資源決定了網(wǎng)格環(huán)境中必然會(huì)存在不同體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及不同類別的資源，而空間地理網(wǎng)格中的這種矛盾更加突出。因此，網(wǎng)格系統(tǒng)要解決這些不同結(jié)構(gòu)、不同類別資源的通信和互操作問題。無論是網(wǎng)格或是空間地理網(wǎng)格，都需要依靠軟件解決上述矛盾和問題，這為網(wǎng)格軟件的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了發(fā)展空間?？赡苓@也是網(wǎng)格拉動(dòng)產(chǎn)業(yè)，形成經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)的重要特征之一。同構(gòu)類似 管

10、理多重性同構(gòu)類似這種情況在社會(huì)現(xiàn)象中大量存在，許多復(fù)雜系統(tǒng)都具有這類特征。三五臺(tái)PC組成的小局域網(wǎng)與大型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)盡管規(guī)模相差很大，但基本架構(gòu)有相似之處；一座大城市和一個(gè)縣級(jí)市存在大小差異，但最基本構(gòu)成和基礎(chǔ)功能同構(gòu)類似。網(wǎng)格的整體和局部之間存著一定的相似性，局部往往具有全局的某些特征，全局特征也會(huì)在局部有所體現(xiàn)。國家級(jí)的網(wǎng)格是依托多個(gè)行業(yè)或各區(qū)域的網(wǎng)格基礎(chǔ)建造起來的，區(qū)別在于帶寬有差異、計(jì)算能力有差異、管理結(jié)點(diǎn)的功能有差異等。但無論是一個(gè)單位小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)格，還是省級(jí)網(wǎng)格、行業(yè)網(wǎng)格，乃至國家級(jí)網(wǎng)格都具有同構(gòu)類似的特征。管理的多重性主要體現(xiàn)在下述幾個(gè)方面：一是網(wǎng)格上的資源歸屬于擁有者（包括組織

11、或個(gè)人），它具有最高管理權(quán)限，而網(wǎng)格具有為資源擁有者自主管理資源提供支持的能力和責(zé)任；二是網(wǎng)格資源必須接受網(wǎng)格的統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)資源集成和互操作，否則，各類資源無法連通、無法共享、無法整體為更多的用戶提供服務(wù)；三是管理方法、手段、約束機(jī)制的協(xié)同，它們是有機(jī)的整體；四是對(duì)網(wǎng)格用戶群，包括計(jì)算科學(xué)家和工程師、實(shí)驗(yàn)科學(xué)家，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)團(tuán)體，大范圍環(huán)境保護(hù)，培訓(xùn)和教育等協(xié)同服務(wù)和需求滿足。三網(wǎng)格的體系結(jié)構(gòu) 網(wǎng)格之所以能有以上所說的種種優(yōu)勢(shì)特征，是由網(wǎng)格的體系結(jié)構(gòu)賦予它的。網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)的主要功能是劃分系統(tǒng)基本組件，指定組件的目的與功能，刻畫組件之間的相互作用，整合各部分組件?？蒲泄ぷ髡咭呀?jīng)提出并實(shí)現(xiàn)了若干種

12、合理的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)。下面對(duì)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。（1）網(wǎng)格的體系結(jié)構(gòu)可以用五層沙漏模型來描述，如下：應(yīng)用層匯聚層資源層連接層構(gòu)造層工具和應(yīng)用，用戶應(yīng)用目錄代理、診斷及監(jiān)控，集合服務(wù)安全訪問、資源和服務(wù)資源和連接性協(xié)議各式各樣的資源，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)構(gòu)造層（Fabric） 它的功能是向上提供網(wǎng)格中可供共享的資源，它們是物理或邏輯實(shí)體。常用的資源包括處理能力、存儲(chǔ)系統(tǒng)、目錄、網(wǎng)格資源、分布式文件系統(tǒng)、分布式計(jì)算機(jī)池、計(jì)算機(jī)集群等。Toolkit中相應(yīng)組件負(fù)責(zé)偵測(cè)可用的軟硬件資源的特性、當(dāng)前負(fù)荷、狀態(tài)等信息，并將其打包供上層協(xié)議調(diào)用。 連接層（Connectivity） 它是網(wǎng)格中網(wǎng)絡(luò)事務(wù)處理通信與授權(quán)控制的核

13、心協(xié)議。構(gòu)造層提交的各種資源間的數(shù)據(jù)交換都在這一層的控制下實(shí)現(xiàn)。各資源間的授權(quán)驗(yàn)證、安全控制也在這里實(shí)現(xiàn)。在Toolkit中，相應(yīng)組件采用基于公鑰的網(wǎng)格安全基礎(chǔ)協(xié)議（GSI）。在此協(xié)議中提供一次登錄、委托授權(quán)、局域安全方案整合、基于用戶的信任關(guān)系等功能。資源間的數(shù)據(jù)交換通過傳輸、路由及名字解析實(shí)現(xiàn)。 資源層(Resource) 這一層的作用是對(duì)單個(gè)資源實(shí)施控制，與可用資源進(jìn)行安全握手、對(duì)資源做初始化、監(jiān)測(cè)資源運(yùn)行狀況、統(tǒng)計(jì)與付費(fèi)有關(guān)的資源使用數(shù)據(jù)。在Toolkit中有一系列組件用來實(shí)現(xiàn)資源注冊(cè)、資源分配和資源監(jiān)視。Toolkit還在這一層定義了客戶端的C、Java的API和SDK。 匯集層(C

14、ollective) 這層的作用是將資源層提交的受控資源匯集在一起，供虛擬組織的應(yīng)用程序共享、調(diào)用。為了對(duì)來自應(yīng)用的共享進(jìn)行管理和控制，匯集層提供目錄服務(wù)、資源分配、日程安排、資源代理、資源監(jiān)測(cè)診斷、網(wǎng)格啟動(dòng)、負(fù)荷控制、賬戶管理等多種功能。 應(yīng)用層（Applications） 這層是網(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)的服務(wù)，再通過服務(wù)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)涉及大量庫函數(shù)。為便于網(wǎng)格應(yīng)用程序的開發(fā)，需要構(gòu)建支持網(wǎng)格計(jì)算的庫函數(shù)。 （2）開放網(wǎng)格服務(wù)體系結(jié)構(gòu)OGSA（Open Grid Services Architecture）被稱為是下一代的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)

15、，它是在原來“五層沙漏結(jié)構(gòu)”的基礎(chǔ)上，結(jié)合最新的Web Service 技術(shù)提出來的。OGSA包括兩大關(guān)鍵技術(shù)即網(wǎng)格技術(shù)和Web Service 技術(shù)。OGSA的基本思想是：1）以服務(wù)為中心。如果說五層沙漏模型是以協(xié)議為中心的協(xié)議結(jié)構(gòu)，那么OGSA就是以服務(wù)為中心的“服務(wù)結(jié)構(gòu)”。在OGSA中，服務(wù)的模仿更廣，包括各種計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)格、程序、數(shù)據(jù)庫等。五層沙漏模型強(qiáng)調(diào)資源共享，而OGSA強(qiáng)調(diào)服務(wù)共享。從資源到服務(wù)，將資源、信息和數(shù)據(jù)統(tǒng)一起來，更加有利于靈活的、一致的、動(dòng)態(tài)的共享機(jī)制的實(shí)現(xiàn)，使得分布式系統(tǒng)管理有了標(biāo)準(zhǔn)的接口和行為。OGSA定義了“網(wǎng)格服務(wù)”（Grid Service）的概念

16、，網(wǎng)格服務(wù)可以說是一種Web服務(wù)，該服務(wù)提供了一組接口，這些接口的定義明確，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、生命周期管理和通知等問題。由于在OGSA中，一切都是網(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。網(wǎng)格服務(wù)定義為：網(wǎng)格服務(wù)=接口/行為+服務(wù)數(shù)據(jù)。2）采用統(tǒng)一的Web服務(wù)框架。一個(gè)Web服務(wù)就是一個(gè)可以被URL識(shí)別的軟件應(yīng)用，它的接口和綁定可以被XML描述與發(fā)現(xiàn)，并且可以通過基于Internet的協(xié)議支持直接與其它的基于XML消息的軟件應(yīng)用進(jìn)行交互。Web服務(wù)定義了一種用來描述所訪問的軟件組件、訪問方法以及識(shí)別相關(guān)服務(wù)提供者的發(fā)現(xiàn)方法。OGSA完全符合標(biāo)準(zhǔn)的Web服務(wù)框架，

17、后者解決了發(fā)現(xiàn)和啟動(dòng)永久服務(wù)的問題。由于在網(wǎng)格中大量存在的是臨時(shí)服務(wù)，因此OGSA對(duì)Web服務(wù)進(jìn)行擴(kuò)展，提出了網(wǎng)格服務(wù)的概念。該技術(shù)支持臨時(shí)服務(wù)，并能實(shí)現(xiàn)其動(dòng)態(tài)創(chuàng)建和刪除。網(wǎng)格服務(wù)包含許多接口，其中網(wǎng)格服務(wù)接口是不可少的，而其它的接口（如PrimeryKey，HandleMap等）可根據(jù)需要進(jìn)行增減。3）突破科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域。正如Web技術(shù)最初是為科學(xué)計(jì)算而設(shè)計(jì)后來卻廣泛應(yīng)用到商業(yè)領(lǐng)域一樣，OGSA的重點(diǎn)是商業(yè)應(yīng)用而不再象當(dāng)初側(cè)重于科學(xué)研究。從整體的角度出發(fā)，OGSA服務(wù)可以看作是層次化體系結(jié)構(gòu)的上下文。在連接層，我們只定義少量服務(wù)，這些服務(wù)用來解決誰，證書映射和策略審核中的關(guān)鍵問題。在資源層，我

18、們可以確定出另一服務(wù)定義集，這組服務(wù)提供數(shù)據(jù)訪問、作業(yè)提交和帶寬分配等功能。在一個(gè)虛擬環(huán)境里，我們發(fā)現(xiàn)在資源層定義的接口會(huì)再次出現(xiàn)在匯聚層中，這些虛擬服務(wù)的接口從其可觀察到的行為上看與資源層的對(duì)應(yīng)服務(wù)是沒有區(qū)別的。因此，網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)是遞歸的，服務(wù)又可以由其他服務(wù)組成。如今OGSA已經(jīng)被廣泛接受為網(wǎng)格計(jì)算的統(tǒng)一框架，得到從主要科學(xué)領(lǐng)域、網(wǎng)格學(xué)術(shù)團(tuán)體以及商業(yè)性機(jī)構(gòu)、制造商和終端用戶的支持和認(rèn)可。四 網(wǎng)格的應(yīng)用網(wǎng)格將成為人類社會(huì)迄今為止最強(qiáng)有力的“工具”。它使得人們能夠同時(shí)調(diào)動(dòng)數(shù)百萬臺(tái)計(jì)算機(jī)完成某一個(gè)計(jì)算任務(wù)，能夠操作千里之外的貴重設(shè)備，能夠匯集數(shù)千科學(xué)家之力共同完成某同一項(xiàng)科學(xué)試驗(yàn)，能夠讓分布各地

19、的人們?cè)诒普娴奶摂M現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行面對(duì)面的交流，能夠讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成許多以前必須由人完成的處理流程根據(jù)作用的不同，網(wǎng)格可以劃分成不同的類型，如計(jì)算網(wǎng)格、設(shè)備網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)網(wǎng)格、遠(yuǎn)程沉浸網(wǎng)格、信息網(wǎng)格等。(1)   計(jì)算網(wǎng)格：進(jìn)行分布式超級(jí)計(jì)算獲得前所未有的計(jì)算能力是開展網(wǎng)格研究的初衷。這類研究稱作分布式超級(jí)計(jì)算，其目標(biāo)是將地理上廣泛分布、系統(tǒng)平臺(tái)各異的多種計(jì)算資源，用高速網(wǎng)絡(luò)連接起來，形成虛擬的超級(jí)計(jì)算平臺(tái)，獲得前所未有的處理能力，用于解決諸如飛行器數(shù)字模擬、核爆炸模擬、天體運(yùn)行模擬和高分子材料分析等需要超強(qiáng)計(jì)算能力的科學(xué)和工程問題。與傳統(tǒng)的分布式計(jì)算相比，這類系統(tǒng)具有更復(fù)雜的特

20、征，如動(dòng)態(tài)擴(kuò)展性、系統(tǒng)平臺(tái)的異構(gòu)性、結(jié)構(gòu)的不可預(yù)測(cè)性、多級(jí)管理域等。這些問題的解決，需要一種新的技術(shù)，從整體上來管理系統(tǒng)的運(yùn)行。這類系統(tǒng)被稱為計(jì)算網(wǎng)格，它作為“粘合”不同網(wǎng)絡(luò)空間、不同系統(tǒng)平臺(tái)的管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的資源管理、作業(yè)管理、用戶管理和安全管理等功能，保障整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。 由美國國防部下屬的國防高級(jí)研究計(jì)劃局支持的、加州理工學(xué)院負(fù)責(zé)完成的軍事仿真項(xiàng)目“合成軍隊(duì)表示(SF Express）”，將大型軍事仿真任務(wù)分解到分布式環(huán)境中運(yùn)行，在場(chǎng)景分發(fā)、資源配置、資源管理、信息服務(wù)、日志服務(wù)、監(jiān)視和容錯(cuò)等方面都利用了網(wǎng)格平臺(tái)的動(dòng)態(tài)管理功能。1998年3月16日，“合成軍隊(duì)表示”集合了

21、分布于7個(gè)時(shí)區(qū)的13臺(tái)并行計(jì)算機(jī)之力，使用1,386個(gè)處理器，成功模擬了100,298個(gè)戰(zhàn)斗實(shí)體，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)歷史上最大規(guī)模的戰(zhàn)爭(zhēng)模擬。而在沒有使用網(wǎng)格之前，“合成軍隊(duì)表示”只能模擬10,000個(gè)戰(zhàn)斗實(shí)體。  圖1-4“合成軍隊(duì)表示”所模擬的戰(zhàn)斗場(chǎng)面德國愛因斯坦研究所帶領(lǐng)多家單位共同進(jìn)行了數(shù)字相對(duì)論的研究，它利用網(wǎng)格求解愛因斯坦相對(duì)論方程并模擬出天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。該項(xiàng)目使用了4臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)，并采用了許多措施來優(yōu)化分布式計(jì)算的整體性能。運(yùn)行效率由優(yōu)化前的15%，提升到了優(yōu)化后的63%。該項(xiàng)成就使得它在2001年國際超級(jí)計(jì)算會(huì)議上獲得了著名的戈登·貝爾獎(jiǎng)。在計(jì)算規(guī)模上，美

22、國加州大學(xué)伯克利分校實(shí)現(xiàn)的“在家中搜尋外星人（SETIhome）”分布式超級(jí)計(jì)算項(xiàng)目已經(jīng)達(dá)到了超乎想象的程度。在波多黎各，有臺(tái)世界上最大的射電望遠(yuǎn)鏡，它采集來自外太空的各種信號(hào)，希望能夠從中找到外星人試圖與人類溝通的證據(jù)。這臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡每天將采集到50吉字節(jié)的數(shù)據(jù)，而分析這些數(shù)據(jù)的工作量，是世界上任何一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)都無法完成的。于是，從1999年5月開始，加州大學(xué)伯克利分校在其網(wǎng)站上發(fā)布了一個(gè)軟件，邀請(qǐng)所有人前去下載。當(dāng)這個(gè)軟件安裝在您的計(jì)算機(jī)上后，將以屏幕保護(hù)程序的方式進(jìn)行工作，每當(dāng)計(jì)算機(jī)處于空閑狀態(tài)時(shí)，它就自動(dòng)開始計(jì)算，分析一小塊數(shù)據(jù)，并把計(jì)算結(jié)果自動(dòng)發(fā)往“在家中搜尋外星人”項(xiàng)目的網(wǎng)站進(jìn)行

23、匯總。要知道，參加者完全是出于興趣，免費(fèi)貢獻(xiàn)自己計(jì)算機(jī)的處理能力。這個(gè)項(xiàng)目取得了巨大的成功，參加的人數(shù)和所貢獻(xiàn)的計(jì)算能力是天文數(shù)字。從1999年5月到2004年6月，一共有500萬人參加此項(xiàng)計(jì)算，貢獻(xiàn)了197萬年的計(jì)算機(jī)處理時(shí)間，完成了5.2×1021次運(yùn)算。當(dāng)然，至今尚未找到外星人存在的有力證據(jù)。像“在家中搜尋外星人”項(xiàng)目這種計(jì)算形式被稱作志愿者計(jì)算。它是網(wǎng)格計(jì)算的一種特殊形式，類似的項(xiàng)目還很多。美國“藥物設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室”致力于利用成千上萬臺(tái)志愿計(jì)算機(jī)尋找埃博拉病毒、炭疽熱桿菌和天花病等的解藥。2003年非典型性肺炎發(fā)作期間， 該實(shí)驗(yàn)室緊急開展了尋找非典型性肺炎解藥的工作；“

24、分布式網(wǎng)絡(luò)”項(xiàng)目用來破解密碼，目前已經(jīng)能夠成功破解56位的RSA密碼；“在家中研究蛋白質(zhì)折疊”項(xiàng)目致力于研究蛋白質(zhì)和疾病的關(guān)系；“尋找一種新藥”項(xiàng)目致力于發(fā)現(xiàn)新藥；“在家中對(duì)付艾滋病”項(xiàng)目用于尋找抗艾滋病的藥物；“在家中研究基因”項(xiàng)目專門破解基因序列；“因特網(wǎng)梅森素?cái)?shù)大搜索”和“MM61素?cái)?shù)的分解”項(xiàng)目則用于發(fā)現(xiàn)更大的素?cái)?shù)，等等。(2)   設(shè)備網(wǎng)格：遠(yuǎn)程共享儀器設(shè)備隨著網(wǎng)格應(yīng)用的不斷發(fā)展，人們將網(wǎng)格資源的類型進(jìn)一步擴(kuò)展，將一些廣泛分布的貴重儀器和大型設(shè)備，也加入到網(wǎng)格系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)這些設(shè)備的遠(yuǎn)程共享，提高它們的利用率，擴(kuò)大它們的應(yīng)用范圍。例如，由美國能源部資助的“X射線設(shè)備

25、的科學(xué)門戶”項(xiàng)目，讓遠(yuǎn)程使用科學(xué)儀器達(dá)到前所未有的方便程度。在網(wǎng)格的支持下，該項(xiàng)目提供了對(duì)幾臺(tái)昂貴的X射線結(jié)晶學(xué)設(shè)備的遠(yuǎn)程訪問環(huán)境，提供這些遠(yuǎn)程儀器的使用規(guī)劃、儀器操作、數(shù)據(jù)獲取、篩選和分析等功能?！癤射線設(shè)備的科學(xué)門戶”項(xiàng)目將大大簡(jiǎn)化巨型分子晶體結(jié)構(gòu)的分析工作?？萍脊ぷ髡咧灰绵]包把晶體快遞到儀器所在地，就可以在自己實(shí)驗(yàn)室中獲取到晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可視化圖像?！癤射線設(shè)備的科學(xué)門戶”項(xiàng)目帶來的明顯好處是：一方面它提高了設(shè)備的利用率，使普通的科技工作者能夠用上先進(jìn)設(shè)備；另一方面它提供了一個(gè)協(xié)同研究的平臺(tái)，使研究能夠以團(tuán)隊(duì)的方式開展，為交叉學(xué)科研究創(chuàng)造了條件。(3) 數(shù)據(jù)網(wǎng)格：處理極其海量的數(shù)據(jù)現(xiàn)實(shí)

26、中有很多應(yīng)用是數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用，這類應(yīng)用更側(cè)重于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳輸和處理。這方面的典型應(yīng)用包括衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理、粒子物理研究和生物與醫(yī)學(xué)研究等。這些應(yīng)用的共同之處在于：都要處理極其海量的數(shù)據(jù)。而解決這一類問題的有效途徑就是建立數(shù)據(jù)網(wǎng)格，將大量數(shù)據(jù)分散到全球各地的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行分布式處理，由世界各地的專家共同研究。歐洲高能物理研究中心開展了“歐洲數(shù)據(jù)網(wǎng)格”的研究。“歐洲數(shù)據(jù)網(wǎng)格”的主要目標(biāo)是處理由計(jì)劃于2007年建成的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)所源源不斷產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中的巨型實(shí)驗(yàn)探測(cè)器每年將產(chǎn)生一千萬吉字節(jié)的數(shù)據(jù)量，這相當(dāng)于兩千萬張光盤的存儲(chǔ)量。如果用現(xiàn)在最快的個(gè)人電腦來分析這些數(shù)據(jù)，需要七萬多臺(tái)。建

27、設(shè)“歐洲數(shù)據(jù)網(wǎng)格”的目的就是集合幾百個(gè)參與該計(jì)劃的研究機(jī)構(gòu)的力量來處理這些數(shù)據(jù)。通過“歐洲數(shù)據(jù)網(wǎng)格”，歐洲高能物理研究中心計(jì)算機(jī)中心把這些數(shù)據(jù)通過高速網(wǎng)絡(luò)分配給歐洲、北美、日本等國的區(qū)域中心，再逐一分解傳輸?shù)讲煌貐^(qū)的不同研究機(jī)構(gòu)，經(jīng)過對(duì)任務(wù)的多級(jí)分解，到物理學(xué)家的桌面時(shí)，已經(jīng)可以很方便地進(jìn)行處理了，如圖1-5所示。圖1-5“歐洲數(shù)據(jù)網(wǎng)格”對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式處理除了處理大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的海量數(shù)據(jù)外，“歐洲數(shù)據(jù)網(wǎng)格”還有一些其他的用途，如進(jìn)行生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究，或進(jìn)行地球觀察等。生物醫(yī)學(xué)雖然人類基因組計(jì)劃在媒體的曝光率很高，但相對(duì)于人的細(xì)胞里每個(gè)DNA所含的35億對(duì)基因而言，科學(xué)家們已經(jīng)完成的基

28、因分析工作只是極少的一部分。要全部標(biāo)注這些基因需要很大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理能力?！皻W洲數(shù)據(jù)網(wǎng)格”將為該類計(jì)劃提供全新的高性能數(shù)據(jù)庫支持、交互式圖形界面、數(shù)據(jù)挖掘的新方法、新的實(shí)驗(yàn)手段以及與國際同行共享研究成果的手段。數(shù)據(jù)網(wǎng)格在生物、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的另一個(gè)應(yīng)用是處理醫(yī)學(xué)圖像，它在實(shí)時(shí)圖像獲取、處理、存儲(chǔ)、共享、檢索等多個(gè)方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。 地球觀察歐洲空間局管理了幾個(gè)地球觀察衛(wèi)星，這些衛(wèi)星每天會(huì)下傳大約100吉字節(jié)的圖像，新的“環(huán)境衛(wèi)星”發(fā)射之后，數(shù)據(jù)量又增大了5倍。為此，地面站建立了專門設(shè)施來處理這些數(shù)據(jù)，目前已經(jīng)保存了上千萬億字節(jié)的數(shù)據(jù)。“歐洲數(shù)據(jù)網(wǎng)格”將使處理衛(wèi)星數(shù)據(jù)的能力大大提高，它不僅將海量數(shù)

29、據(jù)分散到整個(gè)歐洲范圍內(nèi)保存并提供了更高效的訪問方法，還提供了更強(qiáng)的處理能力。在此基礎(chǔ)上，對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的研究水平將大大提高，例如，目前已經(jīng)利用大氣中臭氧層的數(shù)據(jù)建立了一個(gè)專用試驗(yàn)床。另外一個(gè)著名的美國網(wǎng)格“先進(jìn)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施國家聯(lián)盟”不是專門的數(shù)據(jù)網(wǎng)格，但它也具有處理極其海量數(shù)據(jù)的能力，其典型應(yīng)用是數(shù)字天空和大腦研究。數(shù)字天空天文學(xué)家使用光學(xué)、射電、遠(yuǎn)紅外望遠(yuǎn)鏡測(cè)定并記錄所有能夠識(shí)別出來的天體，而“先進(jìn)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施國家聯(lián)盟”萬億字節(jié)的存儲(chǔ)能力及萬億次的處理能力，給研究這些數(shù)據(jù)提供了前所未有的手段，例如，現(xiàn)在我們有條件對(duì)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行某種統(tǒng)計(jì)分析，從中篩選出具有某些屬性的天體來像這種研究方法以前是不敢想

30、象的。大腦研究近年人類對(duì)以前的“黑盒子”大腦所了解的結(jié)構(gòu)信息和功能信息呈爆炸式膨脹。在一些試驗(yàn)系統(tǒng)里，神經(jīng)學(xué)家們針對(duì)老鼠和蟋蟀等動(dòng)物已經(jīng)積累了相當(dāng)多的映射數(shù)據(jù)。然而，沒有網(wǎng)格的支持，處理這么大量的數(shù)據(jù)（一個(gè)實(shí)驗(yàn)就達(dá)吉字節(jié)量級(jí)）是非常困難的。在“先進(jìn)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施國家聯(lián)盟”的支持下，不同地方的神經(jīng)學(xué)家們組成了研究聯(lián)盟，使得不同地方的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠積累下來，并因此發(fā)展出一些全新的大腦分析手段，例如，使用空間變形算法比較不同物種（如人與猴子）之間大腦的異同。(4)   遠(yuǎn)程沉浸網(wǎng)格：把各地的人連接入相同的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境遠(yuǎn)程沉浸網(wǎng)格是一種特殊的網(wǎng)絡(luò)化虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。這個(gè)環(huán)境可以是對(duì)現(xiàn)實(shí)或歷

31、史的逼真反映，可以是對(duì)高性能計(jì)算結(jié)果或數(shù)據(jù)庫的可視化，也可以是個(gè)純粹虛構(gòu)的空間。“沉浸”的意思是人可以完全融入其中：各地的參與者通過網(wǎng)絡(luò)聚在同一個(gè)虛擬空間里，既可以隨意漫游，又可以相互溝通，還可以與虛擬環(huán)境交互，使之發(fā)生改變。打個(gè)比方，遠(yuǎn)程沉浸是一部觀眾可以進(jìn)入其中的科幻電影。遠(yuǎn)程沉浸可以廣泛應(yīng)用于科學(xué)、教育、訓(xùn)練、藝術(shù)、娛樂和工業(yè)設(shè)計(jì)等許多領(lǐng)域。目前，美國伊利諾州大學(xué)芝加哥分校的電子可視化實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開發(fā)出幾十個(gè)遠(yuǎn)程沉浸應(yīng)用，包括：虛擬歷史博物館、協(xié)同開發(fā)環(huán)境、協(xié)同學(xué)習(xí)環(huán)境等。遠(yuǎn)程沉浸使分布在各地的使用者能夠在相同的虛擬空間協(xié)同工作，就像是在同一個(gè)房間一樣，甚至可以將虛擬環(huán)境擴(kuò)展到全球范圍內(nèi)，

32、創(chuàng)造出“比親自到那兒還要好”的環(huán)境。更重要的是，它將“人-機(jī)交互”模式擴(kuò)展成為“人-機(jī)-人協(xié)作”模式，不僅提供協(xié)同環(huán)境，還將對(duì)數(shù)據(jù)庫的實(shí)時(shí)訪問、數(shù)據(jù)挖掘、高性能計(jì)算等集成了進(jìn)來，為科技工作者提供了一種嶄新的協(xié)同研究模式。(5) 信息網(wǎng)格：提供一步到位的服務(wù)我們面臨的是一個(gè)信息爆炸的時(shí)代，各種信息成指數(shù)地快速增長(zhǎng)，而現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)上的信息服務(wù)器只能分別獨(dú)立面對(duì)用戶，相互之間不能進(jìn)行信息交流和融合，就好像一個(gè)個(gè)孤立的小島。對(duì)于擁有者而言，物質(zhì)和能量是用掉一份就少一份的，但信息卻不會(huì)因?yàn)橛脩舳喽谋M，如果把信息當(dāng)成物質(zhì)與能量一樣使用，把信息局限在一個(gè)個(gè)孤島范圍里，就會(huì)造成極大的浪費(fèi)。解決這一問題的最佳途

33、徑是建立信息網(wǎng)格。信息網(wǎng)格是要利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、協(xié)議規(guī)范、萬維網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，為用戶提供一體化的智能信息平臺(tái)。在這個(gè)平臺(tái)上，信息的處理是分布式、協(xié)作式和智能化的，用戶可以通過單一入口訪問所有信息。信息網(wǎng)格追求的最終目標(biāo)是能夠做到讓用戶按需獲取信息。信息網(wǎng)格的核心問題是：如何描述信息、存儲(chǔ)信息、發(fā)布信息和查找信息；如何將異構(gòu)平臺(tái)、不同格式、不同語義的信息進(jìn)行規(guī)范和轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)信息的無障礙交換；如何將網(wǎng)格環(huán)境中眾多的服務(wù)功能，按照用戶的需求進(jìn)行有機(jī)集成，形成自動(dòng)完成的工作流程，向用戶提供一步到位的服務(wù)。虛擬天文臺(tái)是信息服務(wù)網(wǎng)格的一個(gè)典型例子。天文觀測(cè)產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)分布在世界各

34、地，未能得到很好的利用。目前，全球天文學(xué)界在試圖用網(wǎng)格技術(shù)將其融為一個(gè)整體，使互聯(lián)網(wǎng)成為世界上最好的望遠(yuǎn)鏡：它擁有天空在不同光譜下的信息，比用世界上任何單個(gè)的最好的天文望遠(yuǎn)鏡所觀察到的還要全面。2004年3月，由此形成的全世界最大的天體數(shù)據(jù)庫“史隆數(shù)字巡天”第二版數(shù)據(jù)庫正式在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布?！笆仿?shù)字巡天”由全球各地 13 個(gè)天文研究所、超過 200 位天文學(xué)家共同完成，它包含了數(shù)億星體的精確數(shù)據(jù)，如亮度、位置等信息。公眾可在因特網(wǎng)上自由查詢其影像及天體數(shù)據(jù)，他們可以使用不同波段、從不同角度觀看一個(gè)天體，而不需要到一個(gè)中心觀看紅外波段觀測(cè)結(jié)果，再到另一個(gè)實(shí)驗(yàn)室看可見光波段的觀測(cè)結(jié)果。2004年1

35、月，歐洲天文學(xué)家利用天體物理虛擬天文臺(tái)提供的工具，綜合分析X射線、光學(xué)等多波段觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了68個(gè)2型AGN候選體，在GOODS區(qū)找到40個(gè)被光學(xué)掩蓋了的2型類星體。這些成果初步顯示了虛擬天文臺(tái)的科學(xué)價(jià)值和威力。由英國五所大學(xué)和歐洲生物信息學(xué)研究所建立的生物信息學(xué)myGrid，綜合集成了散布于互聯(lián)網(wǎng)上的多個(gè)不同格式數(shù)據(jù)庫（如圖1-6所示），為生物學(xué)研究人員提供了一個(gè)全新的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。當(dāng)研究人員在myGrid網(wǎng)站界面上提交了一種蛋白質(zhì)成份數(shù)據(jù)，myGrid就能夠自動(dòng)將其與已知的各種蛋白質(zhì)成份相匹配，找到最相近的答案，并畫出其三維結(jié)構(gòu)圖像。這種強(qiáng)大的工具將大大提高研究人員的效率。圖1-6myGrid

36、所集成的各種生物信息數(shù)據(jù)庫五 網(wǎng)格技術(shù)的展望正如開篇所說的那樣，網(wǎng)格是要實(shí)現(xiàn)能夠像用電一樣方便的使用網(wǎng)絡(luò)資源，最重要的是使用計(jì)算機(jī)資源，因?yàn)樗写笠?guī)模的應(yīng)用都是以需要有巨大的計(jì)算能力為基礎(chǔ)的。那接下網(wǎng)格技術(shù)會(huì)怎么樣發(fā)展呢？我們首先回答的是現(xiàn)在網(wǎng)格技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到什么水平了，然后才是以后又會(huì)是怎么發(fā)展。上面我們已經(jīng)對(duì)網(wǎng)格的應(yīng)用做了詳細(xì)的介紹。我們知道，目前網(wǎng)格已經(jīng)實(shí)現(xiàn)采用開放式網(wǎng)格服務(wù)體系結(jié)構(gòu)OGSA. 我們從一下幾個(gè)方面來分析網(wǎng)格的發(fā)展方向.(1) 標(biāo)準(zhǔn)化趨勢(shì) 目前大多數(shù)網(wǎng)格項(xiàng)目都是基于GlobusTookit 所提供的協(xié)議及服務(wù)建設(shè)的，例如美國的物理網(wǎng)格GriPhyN、歐洲的數(shù)據(jù)網(wǎng)格DataG

37、rid、荷蘭的集群計(jì)算機(jī)網(wǎng)格DAS-2、美國能源部的科學(xué)網(wǎng)格和DISCOM 網(wǎng)格、美國學(xué)術(shù)界的TeraGrid，等等。 2002年2月，在加拿大多倫多市召開的全球網(wǎng)格論壇GGF會(huì)議上，Globus項(xiàng)目組和IBM共同倡議了一個(gè)全新的網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)OGSA (Open Grid Services Architecture，開放網(wǎng)格服務(wù)體系) 。它把Globus標(biāo)準(zhǔn)與以商用為主的Web Services的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合起來，網(wǎng)格服務(wù)統(tǒng)一以Services的方式對(duì)外界提供。OGSA的誕生，標(biāo)志著網(wǎng)格已經(jīng)從學(xué)術(shù)界的象牙塔延伸到了商業(yè)世界，而且從一個(gè)封閉的世界走向了開放的環(huán)境。2003年1月，符合OGSA 規(guī)范的Gl

38、obus Toolkit 3.0（Alpha 版）已經(jīng)在第一屆Globusworld會(huì)議上發(fā)布。這標(biāo)志著OGSA已經(jīng)從一種理念、一種體系結(jié)構(gòu)，走到付諸實(shí)踐的階段了。 (2) 技術(shù)融合趨勢(shì) 在OGSA出現(xiàn)之前，已經(jīng)出現(xiàn)很多種用于分布式計(jì)算的技術(shù)和產(chǎn)品。其實(shí)，在OGSA出現(xiàn)之前，各種以填補(bǔ)異構(gòu)平臺(tái)之間的差異為己任的網(wǎng)格平臺(tái)，如Condor、Legion、Ninf、Globus等，也都是各行其道、互不兼容的。90年代末，讓人扼腕嘆息的混亂局面終于有望結(jié)束，因?yàn)榇藭r(shí)基于XML（Extensible Markup Language可擴(kuò)展標(biāo)記語言）的WebServices技術(shù)開始大行其道。Web Serv

39、ices之所以能夠迅速走紅是因?yàn)樗诟鞣N異構(gòu)平臺(tái)之上構(gòu)筑了一層通用的、與平臺(tái)無關(guān)的信息和服務(wù)交換設(shè)施，從而屏蔽了互聯(lián)網(wǎng)中千差萬別的差異，使信息和服務(wù)暢通無阻地在計(jì)算機(jī)之間流動(dòng)。Web Services得到了各大公司的支持，解決方案精彩紛呈，包括：IBM的WebSphere、微軟的.Net、SUN的SunOne、Oracle的Oracle9i、惠普的eSpeak等等。Globus項(xiàng)目組看到了Web Services的巨大潛力，在2002年迅速將Globus Toolkit的開發(fā)轉(zhuǎn)向了Web Services平臺(tái)，試圖用OGSA在網(wǎng)格世界一統(tǒng)天下?；贠GSA之后，網(wǎng)格的一切對(duì)外功能都以網(wǎng)格服務(wù)(

40、Grid Service)來體現(xiàn)，并借助一些現(xiàn)成的、與平臺(tái)無關(guān)的技術(shù)，如XML、SOAP（Simple Object Access Protocol簡(jiǎn)單對(duì)象訪問協(xié)議）、WSDL（Web Services Definition Language Web服務(wù)描述語言）、UDDI (Universal Description, Discovery and Integration 統(tǒng)一描述、發(fā)現(xiàn)和集成協(xié)議)、WSFL（Web Services Flow Language Web服務(wù)流語言）、WSEL(Web Services Endpoint Language網(wǎng)絡(luò)服務(wù)終端語言)等，來實(shí)現(xiàn)這些服務(wù)的描述、查找、訪問和信息傳輸?shù)裙δ?。這樣，一切平臺(tái)及所使用技術(shù)的異構(gòu)性都被屏蔽。用戶訪問網(wǎng)格服務(wù)時(shí)，根本就無需關(guān)心該服務(wù)是CORBA提供的，還是.Net提供的。