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

1、第三代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)第三代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)摘要：為了實(shí)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(jì)算應(yīng)時(shí)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(jì)算；超級計(jì)算機(jī)；體系構(gòu)造中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)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(shí)代。到2

3、022年，由此產(chǎn)生的互聯(lián)網(wǎng)將成長為一個(gè)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(bào)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(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)了全球網(wǎng)頁的連通；第三代Internet將試圖實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)上所有資源的全面連通，包括計(jì)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(jì)算(Girdpu

4、ting)。22網(wǎng)格計(jì)算盡管計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)來解決，在這種情況下，人們想象分布在世界各地的超級計(jì)算機(jī)的計(jì)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(jì)算等問題，從而形成了計(jì)算網(wǎng)格又稱網(wǎng)格計(jì)算系統(tǒng)。而網(wǎng)格計(jì)算作為虛擬的整體而使用在地理上分散的異構(gòu)計(jì)算資源，這些資源包括高速互連的異構(gòu)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫、科學(xué)儀器、文件和超級計(jì)算系統(tǒng)等。使用計(jì)算網(wǎng)格，一方面能使人們聚集分散的計(jì)算才能，形成超級計(jì)算的才能，解決諸如虛擬核爆炸、新藥研制、氣象預(yù)報(bào)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(jì)算的功能特點(diǎn)由于網(wǎng)格計(jì)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(dá)在下面五個(gè)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(jì)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(fèi)知識，使合作解決問題的才能大大進(jìn)步?？傮w說來，網(wǎng)格技術(shù)的特點(diǎn)主要從三個(gè)方面去考慮：異構(gòu)性、可擴(kuò)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(jī)、工作站甚至P機(jī)，它們是異構(gòu)的，可運(yùn)行在UNIX、NT等各種操作系統(tǒng)下，也可以是上述機(jī)型的機(jī)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(jì)算資源中，怎樣實(shí)現(xiàn)異構(gòu)機(jī)器之間的協(xié)作和轉(zhuǎn)換是網(wǎng)格計(jì)算的首要問題。2可擴(kuò)展性是指，元計(jì)算系統(tǒng)初期的計(jì)算規(guī)模較小，隨著超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的不斷參加，系統(tǒng)的計(jì)算規(guī)模也隨之?dāng)U大。要在網(wǎng)格資源規(guī)模不斷擴(kuò)大、應(yīng)用不斷增長的情況下，不致降低網(wǎng)格計(jì)算的性能。3動態(tài)自適應(yīng)性是指，在網(wǎng)格計(jì)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(jì)算的體論文聯(lián)盟.Ll.系構(gòu)造由于網(wǎng)格計(jì)算還處于方案階段，實(shí)際的應(yīng)用還非常有限，所以到如今仍然沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，就目前來說，網(wǎng)格計(jì)算的體系構(gòu)造主要有三種分層方法：一種是3個(gè)層次的系統(tǒng)，一種是5個(gè)層次的系統(tǒng)，另外一種是7個(gè)層次的系統(tǒng)。13層的網(wǎng)格計(jì)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(jì)算資源,如超級計(jì)算機(jī)、貴重儀器、可視設(shè)備、現(xiàn)有應(yīng)用軟件等,這些計(jì)算機(jī)資源通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接起來，僅僅實(shí)現(xiàn)計(jì)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(jì)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(shí)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(xì)表達(dá)。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(jì)算問題是衡量網(wǎng)格系統(tǒng)優(yōu)劣的關(guān)健指標(biāo)。325層的網(wǎng)格計(jì)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(jì)算機(jī)簇、計(jì)算機(jī)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(shí)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(yàn)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(gè)資源施行控制，與可用資源進(jìn)展平安握手、對資源做初始化、監(jiān)測資源運(yùn)行狀況、統(tǒng)計(jì)與付費(fèi)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(jìn)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(fù)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(jì)算的庫函數(shù)。3

10、7層的網(wǎng)格計(jì)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(diǎn)相關(guān)的根本功能,便于高層分布式網(wǎng)格效勞的實(shí)現(xiàn)；網(wǎng)格效勞層實(shí)現(xiàn)資源無關(guān)和應(yīng)用無關(guān)的功能,網(wǎng)格效勞的實(shí)現(xiàn)涉及到地域和機(jī)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(jì)算還沒有正式的標(biāo)準(zhǔn)，但在核心技術(shù)上，相關(guān)機(jī)構(gòu)與企業(yè)已達(dá)成一致：由美國阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)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(jì)算事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)4，大約有12家計(jì)算機(jī)和軟件廠商已宣布采用GlbusTlkit作為一種開放架構(gòu)和開放標(biāo)準(zhǔn)根底設(shè)施，也就是本文的5層分層方法。4網(wǎng)格計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)及與相關(guān)技術(shù)的比擬網(wǎng)格計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)有以下5點(diǎn)：1網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。作為網(wǎng)格計(jì)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(jì)算環(huán)境中,為做到計(jì)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(jì)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(dāng)前系統(tǒng)的負(fù)載情況,對系統(tǒng)內(nèi)的任務(wù)進(jìn)展動態(tài)調(diào)度,進(jìn)步系統(tǒng)的運(yùn)行效率。它們屬于網(wǎng)格計(jì)算的中間件。4監(jiān)測工具。新近興起的網(wǎng)格計(jì)算對資源監(jiān)測提出了新的詳細(xì)要求。網(wǎng)格在廣義上是一個(gè)廣域異構(gòu)資源的有機(jī)集合體,提供透明的遠(yuǎn)程訪問、資源共享、分布計(jì)算等功能。與目前的因特網(wǎng)相比,它覆蓋更多的資源,各個(gè)節(jié)點(diǎn)聯(lián)絡(luò)起來更加嚴(yán)密,整體拓?fù)錁?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(jì)算的主要領(lǐng)域是科學(xué)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算的定義我們不難發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格計(jì)算之所以很難定義，其中一個(gè)主要原因就是網(wǎng)格計(jì)算綜合運(yùn)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(jì)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(gè)管理域下的超級計(jì)算機(jī)通過不可靠的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)展連接，并需要對廣域的、分布的動態(tài)資源進(jìn)展集成分布式強(qiáng)調(diào)一個(gè)邏輯虛擬的集中環(huán)境，網(wǎng)格那么更強(qiáng)調(diào)不同資源之間的互操作性，并且網(wǎng)格計(jì)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(jì)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(jì)算的核心；與超級計(jì)算系統(tǒng)相比，網(wǎng)格計(jì)算需要超級計(jì)算系統(tǒng)提供計(jì)算功能，需要超級計(jì)算系統(tǒng)互相協(xié)作進(jìn)展通信，以實(shí)現(xiàn)各種資源的共享和網(wǎng)絡(luò)化。5網(wǎng)格計(jì)算急需解決的問題為了促進(jìn)網(wǎng)格計(jì)算的廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)讓用戶隨心所欲地共享網(wǎng)格計(jì)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(jì)算資源組成,怎樣實(shí)現(xiàn)異構(gòu)機(jī)器間的合作和轉(zhuǎn)換是首要問題。第二，可擴(kuò)展性:要在網(wǎng)格資源規(guī)模不斷擴(kuò)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(jì)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(jī)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(rèn)證、可信賴、完好性和記賬等方面的平安性,這是網(wǎng)格計(jì)算的難點(diǎn),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(jì)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(yùn)行的應(yīng)用類型,應(yīng)進(jìn)步現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的帶寬以更好的發(fā)揮網(wǎng)格計(jì)算的優(yōu)勢。第六，人機(jī)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(jì)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(hù)知識產(chǎn)權(quán)也是一個(gè)需要解決的問題。第八，協(xié)議和效勞標(biāo)準(zhǔn)：網(wǎng)格應(yīng)用的最大難題是標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的建立體系構(gòu)造確實(shí)定。最后,如何在網(wǎng)格系統(tǒng)平臺建好之后實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的平滑移植,是網(wǎng)格計(jì)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(jì)算密集型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化,并平移到新的系統(tǒng)之中。網(wǎng)格計(jì)算是一個(gè)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(xiàng)有很有研究價(jià)值的技術(shù)。綜觀國際網(wǎng)格技術(shù)的劇烈競爭與迅猛開