网格计算理论及其应用

网格计算理论及其应用

胡科

电子科技大学应用数学学院，四川成都（610054）

摘要：本文从理论角度，阐述网格概念、网格的标准化趋势、OGSA的体系结构、网格计算及其应用，并介绍了网格在我国的主要应用项目。

关键词：网格；网格标准；网格计算

1. 概述

网格（Grid）在欧美出现于20世纪90年代，是新一代高性能计算环境和信息服务基础设施，采用开放标准，能够实现动态跨地域的资源共享和协同工作。网格作为解决分布式复杂异构问题的新一代技术，其核心是实现大规模的地理上广泛分布的高性能计算资源、海量数据和信息资源、数据获取和分析处理系统、应用系统、服务与决策支持系统，以及组织、人员等各种资源的共享与聚合。网格被誉为继传统Internet、Web之后的“第三次信息技术浪潮”，成为互联网发展的第三大里程碑。这次技术革新的本质是WWW（World Wide Web，万维网）升级到GGG（Great Global Grid，全球网格）。如果说传统Internet实现了计算机硬件的连通，Web实现了网页的连通，网格则是试图实现互联网上所有资源的全面连通。网格在科学研究、商业应用等领域有着广阔的发展前景。

2. 网格的概念

2.1 狭义的“网格观”

美国Argonne国家实验室的资深科学家、Globus项目的领导人、堪称“网格之父”的Ian Foster曾在1998年出版的《网格：21世纪信息技术基础设施的蓝图》一书中这样描述网格：“网格是构筑在互联网上的一组新兴技术，它将高速互联网、高性能计算机、大型数据库、传感器、远程设备等融为一体，为科技人员和普通老百姓提供更多的资源、功能和交互性。互联网主要为人们提供电子邮件、网页浏览等通信功能，而网格功能则更多更强，让人们透明地使用计算、存储等其他资源。”。2000年，Ian Foster在《网格的剖析》这篇论文中把网格进一步描述为“在动态变化的多个虚拟机构间共享资源和协同解决问题。”。2002年7月，Ian Foster在《什么是网格？判断是否网格的三个标准》一文中，限定网格必须同时满足三个条件：(1) 在非集中控制的环境中协同使用资源；(2) 使用标准的、开放的和通用的协议和接口；(3) 提供非平凡的服务。

2.2 广义的“网格观”

意指GGG，它不仅包括计算网格、数据网格、信息网格、知识网格、商业网格，还包括一些已有的网络计算模式，如P2P（Peer-to-Peer Computing，对等计算）等。

不管是狭义还是广义的“网格观”，其目的不外乎是要利用互联网把分散在不同地理位置的电脑整合成一台“虚拟的超级计算机”，实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、软件资源、存储资源、通信资源、知识资源、专家资源等的全面共享。

3. 网格的标准化趋势

随着网格研究的深入，人们越来越发现网格体系结构的重要。网格体系结构是关于如何

建造网格的技术，包括对网格基本组成部分和各部分功能的定义和描述，网格各部分相互关系与集成方法的规定，网格有效运行机制的刻画。显然，网格体系结构是网格的骨架和灵魂，是网格最核心的技术，只有建立合理的网格体系结构，才能够设计和建造好网格，才能够使网格有效地发挥作用。目前，包括GGF（Global Grid Forum，全球网格论坛）、Globus联盟、OMG（Object Management Group，对象管理组织）以及W3C（World Wide Web Consortium，环球网联盟）在内的诸多团体都试图争夺网格标准的制定权。

3.1 Globus Toolkit

Globus Tookit（GT）来源于Globus项目，由美国Argonne国家实验室、南加州大学和芝加哥大学合作开发（Ian Foster、Carl Kesselman、Steve Tuecke一起作为Globus Toolkit的发起人）。GT是一个开放源代码的网格基础平台，基于开放结构、开放服务资源和软件库，提供了构建网格应用所需的中间件服务和程序库，如资源发现与管理、数据访问、通讯安全等，最核心的部分是元计算工具包，其中定义了构建网格最基础的服务，能够开发在各种平台上运行的网格工具软件，帮助规划和组建大型的网格试验平台，大多数网格项目都是采用基于GT所提供的协议及服务建设的。1997年起，GT2成为网格计算的事实标准。

3.2 基于OGSI的Globus

2002年，Globus联盟和IBM公司共同倡议了一个全新的网格计算的开放标准OGSA （Open Grid Services Architecture，开放网格服务体系结构）及其详细规范OGSI（Open Grid Services Infrastructure，开放网格服务基础设施），OGSA把Globus标准与以商用为主的基于XML的WS（Web Services,W3C制定）的标准结合起来，提出了网格服务（Grid Services）的概念，用于解决服务发现、动态服务创建、服务生命周期管理等与临时服务有关的问题。OGSA将整个网格看作是网格服务的集合，这个集合是可以扩展的，反映了网格的动态特性。OGSA使用VOs（Virtual Organizations，虚拟组织）的概念，通过标准的界面和约定来动态创建、管理、终止瞬时服务，定义这些服务的约定使用WSDL（Web Services Description Language，Web服务描述语言）之类的开放标准。OGSA的诞生，标志着将网格从以科学与工程计算为中心的学术研究领域，扩展到更广泛的以分布式系统服务集成为主要特征的应用领域。2003年，符合OGSA规范的GT3发布，GT3提供了一个完整的OGSI的实现。GT3将服务发现、程序执行作业的提交、监控和可靠的文件传输，定义成了与OGSI兼容的服务。其它如数据传递、副本定位和授权等服务也构建成与OGSI兼容。

3.3 基于WSRF的Globus

2004年，Globus联盟等公布了建立在已有的Web Services定义和技术基础之上、统一网格计算和Web Services的新标准WSN（WS-Notification，Web服务通知）和WSRF（Web Services Resource Framework，Web服务资源框架）。WSRF是OGSI的重构和发展，保留了OGSI中的所有基本功能，同时更改了一些语法，并且还在其表示中采用了不同的技术。WSN 为Web Services提供基于消息发布和预定能力。2005年发布的GT4，实现了WSRF和WSN 标准。GT4提供API来构建有状态的Web Services，其目标是建立分布式异构计算环境。所有知名的GT3协议都被重新设计为可以使用WSRF，并且GT4也在其中增添了一些新的Web Services的组件。