中國璣代彖有裝備2007年第5期(總第51期)網(wǎng)格技術(shù)的教育應(yīng)用王琳刁永鋒西華師范大學(xué)四川南充637002)摘要:網(wǎng)格是因特網(wǎng)應(yīng)用的新發(fā)展,是繼因特網(wǎng)之后的第三次互聯(lián)網(wǎng)浪潮,是“下一代因特網(wǎng)”。本文概述了網(wǎng)格技術(shù)的有關(guān)內(nèi)容,介紹了開放網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)0GSA,論述了我國教育科研網(wǎng)格 Chinagrid及中國教育科研網(wǎng)格公共支撐平臺CGSP。關(guān)健詞:網(wǎng)格0 GSa ChinaGrid CGSP互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)歷了三個大的時期,第一個時期為源,正如電力網(wǎng)為千家萬戶供電一樣,用戶不必關(guān)心使Internet時期,第二個時期為Web時期,第三個,被稱的電力來源于何處(三峽水庫還是大亞灣核電站),或為下一代的 Internet-Grid,網(wǎng)格時期。這三個主以何種方式產(chǎn)生(水力發(fā)電、火力發(fā)電或核能發(fā)電),而流時期的演變及區(qū)別如圖1所示。只需接通電源即可獲得源源不斷的電力供應(yīng)。目前網(wǎng)格權(quán)威的定義是2001年堪稱世界網(wǎng)格之父[1965年到現(xiàn)在1980年到現(xiàn)在1993年到現(xiàn)在Ian Foster對網(wǎng)格的定義:動態(tài)多機構(gòu)虛擬組織中的Internet計算機的連通|網(wǎng)頁的連通資源的全面連通和共享資源共享和協(xié)同問題的解決。網(wǎng)格的全部核心就是分布Grid:∥2式計算與資源管理,網(wǎng)格的實質(zhì)就是共享與協(xié)作,共享是基礎(chǔ),協(xié)作是結(jié)果。沒有開放資源(包括硬件和軟圖1互連網(wǎng)主流的演變件),就不可能有共享,協(xié)作也就成了泡影。如果說傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了計算機硬件的連通,萬維2.網(wǎng)格特征網(wǎng)實現(xiàn)了全球網(wǎng)頁的連通,網(wǎng)格技術(shù)則是要利用互聯(lián)網(wǎng)簡單地講,網(wǎng)格是把整個因特網(wǎng)整合成一臺巨大的把分散在不同地理位置的計算機、硬件設(shè)備、軟件、數(shù)超級計算機,實現(xiàn)計算資源、存儲資源、數(shù)據(jù)資源、信據(jù)等資源組織成一臺“虛擬的超級計算機”。息資源、軟件資源、通信資源、知識資源、專家資源等的全面共享和協(xié)同。當(dāng)然,網(wǎng)格并不一定非要這么大、網(wǎng)格概況我們也可以構(gòu)造地區(qū)性的網(wǎng)格、企事業(yè)內(nèi)部網(wǎng)格、局域網(wǎng)格來源網(wǎng)網(wǎng)格,甚至家庭網(wǎng)格和個人網(wǎng)格。網(wǎng)格的根本特征不網(wǎng)格(Grid)概念產(chǎn)生于上世紀(jì)90年代中期,是是它的規(guī)模,而是資源共享,消除資源孤島。網(wǎng)格的技從電力網(wǎng)( Power grid)概念借鑒過來的,網(wǎng)格把分術(shù)特征包括:布在各地的計算機連接起來,讓不同用戶分享網(wǎng)上資◆資源共享、協(xié)同工作M凵中國煤化工控制、非平凡服務(wù)質(zhì)收稿日期:2006-11-01CNMHG作者簡介:王琳,研究生。刁永鋒,教授,碩士生導(dǎo)師◆動態(tài)功能、開放系統(tǒng)?！に拇ㄊ】萍紡d重點科研項目資助(05JY029-093)562maitemee @net2007年第5期(總第51期)中目代盲萊備3.網(wǎng)格分類務(wù),包括計算機、程序、數(shù)據(jù)、儀器設(shè)備等。這種觀根據(jù)網(wǎng)格所管理的資源類型,網(wǎng)格通常可以分為:念,有利于通過統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口來管理和使用網(wǎng)格。計算網(wǎng)格、數(shù)據(jù)網(wǎng)格、設(shè)備網(wǎng)格與應(yīng)用網(wǎng)格,其中應(yīng)用下面我們從結(jié)構(gòu)層次上對OGSA進行深入的分析。OGSA網(wǎng)格從實現(xiàn)技術(shù)上來說需要借助于計算網(wǎng)格、數(shù)據(jù)網(wǎng)格架構(gòu)由四個主要的層次構(gòu)成(如圖2所示),從下到上依等。在這四大類網(wǎng)格中,可根據(jù)實際應(yīng)用更有針對性地次為:物理與邏輯資源層、定義網(wǎng)格服務(wù)的Web服務(wù)與將網(wǎng)格應(yīng)用分為:分布式高性能計算、海量信息處理與oGs提高擴展層、基于0GSA架構(gòu)的網(wǎng)格服務(wù)層、網(wǎng)格服務(wù)、分布式交互協(xié)同、信息獲取與融合、 Peer to應(yīng)用程序?qū)?。Peer(p2p點對點)應(yīng)用、商業(yè)應(yīng)用網(wǎng)格等網(wǎng)格現(xiàn)狀目前全球知名的網(wǎng)格項目有:美國能源部的加速戰(zhàn)OGSAAchdeded Servces略計算ASCI計劃,目標(biāo)是構(gòu)造100萬億次的超級計算機OGSI Open Gnd Servces ntrastrucres系統(tǒng)、軟件和算法:白宮直屬的HECC(High- End Com-puting and computations)計劃,對高性能計算的Web sorces關(guān)鍵技術(shù)進行研發(fā),并構(gòu)建高性能基礎(chǔ)設(shè)施;Petaflops計劃開發(fā)構(gòu)造千萬億次級系統(tǒng)的技術(shù);最新的 UItrascale計劃目標(biāo)在2010年研制萬萬億次級系統(tǒng)。歐盟的歐洲網(wǎng)格計劃( Eurogrid)和數(shù)據(jù)網(wǎng)格計圖2開放網(wǎng)格體系站構(gòu)0GSA架構(gòu)劃( DataGrid);日本政府2003年投資了一億美元,啟動“國家網(wǎng)格研究”和“國家商業(yè)網(wǎng)格”兩個研究項1.物理與邏輯資源層:資源的概念是0GSA以及通目常意義上的網(wǎng)格計算的中心部分。構(gòu)成網(wǎng)格能力的資源我國目前在這個領(lǐng)域開啟了五個網(wǎng)格項目:科技部包括物理資源和邏輯資源。物理資源包括服務(wù)器、存儲負(fù)責(zé)的國家網(wǎng)格( CNGrid)、教育部負(fù)責(zé)的中國教育器和網(wǎng)絡(luò)。物理資源之上是邏輯資源,它們通過虛擬化科研網(wǎng)格技術(shù) Chinagrid,、國家自然科學(xué)基金委負(fù)責(zé)的和聚合物理層的資源來提供額外的功能。邏輯資源在物E- Science網(wǎng)格研究計劃、上海交通信息網(wǎng)格、中國空理網(wǎng)格之上提供了文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、目錄和工作流管間信息網(wǎng)格。理等抽象服務(wù)。二、網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)2.Web服務(wù)層:包括Web服務(wù)和OGSI。0GSI(開放網(wǎng)格服務(wù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)0 pen Grid Services Infrastructure)網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)是關(guān)于如何建造網(wǎng)格的技術(shù),包括對規(guī)范定義了網(wǎng)格服務(wù)并建立在標(biāo)準(zhǔn)的Web服務(wù)技術(shù)之網(wǎng)格基本組成部分和各部分功能的定義和描述,網(wǎng)格各上。0GSI利用諸如XML與Web服務(wù)描述語言這樣的Web機部分相互關(guān)系與集成方法的規(guī)定,網(wǎng)格有效運行機制的制,為所有網(wǎng)格資源指定標(biāo)準(zhǔn)的接口、行為與交互刻畫。顯然,網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)是網(wǎng)格的骨架和靈魂,是網(wǎng)0GSI進一步擴展了Web服務(wù)的定義,提供了動態(tài)的、有格最核心的技術(shù),只有建立合理的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu),才能夠設(shè)計和建造好網(wǎng)格,才能夠使網(wǎng)格有效地發(fā)揮作用。狀態(tài)的和可管理的Web服務(wù)的能力,這在對網(wǎng)格資源進行建模時都是必需的。開放網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)0GSA(0 pen Grid Services3.基于0GSA架構(gòu)的網(wǎng)格服務(wù)層:Web服務(wù)及其GSIArchitecture)被稱為是下一代的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu),它擴展為上一層提供了基礎(chǔ)設(shè)施——基于架構(gòu)的網(wǎng)格服sere技術(shù)提出來的,0S包括兩大關(guān)鍵技術(shù)即網(wǎng)多是在原來“五層沙漏結(jié)構(gòu)”的基礎(chǔ)上,結(jié)合最新的Web中國煤化工 Grid forum)目前正在CNMH(服務(wù)和核心服務(wù)等領(lǐng)域格技術(shù)和 Web Service技術(shù)。OGSA最突出的思想就是以“服務(wù)”為中心。在0GSA框架中,將一切都抽象為服中定義基于網(wǎng)格架構(gòu)的服務(wù)。隨著這些新架構(gòu)的服務(wù)開數(shù)于cmee gs2007年第5期(總第51期始出現(xiàn),0GSA將變成更加有用的面向服務(wù)的架構(gòu)個CGSP平臺由多個功能模塊構(gòu)成,如圖3所示。4.網(wǎng)格應(yīng)用程序?qū)?隨著時間的推移,一組豐富的基于網(wǎng)格架構(gòu)的服務(wù)不斷被開發(fā)出來,使用一個或多城 Portal個基于網(wǎng)格架構(gòu)的服務(wù)的新網(wǎng)格應(yīng)用程序不斷出現(xiàn)。比網(wǎng)「網(wǎng)格開發(fā)環(huán)境較有代表性的開發(fā)工具有 coG kits, MPICH-G2, Condor-G, My Proxy等,這些應(yīng)用程序構(gòu)成了0GSA架構(gòu)的第四格安信息中心全統(tǒng)一管理層層計算接點層、網(wǎng)格在教育中的應(yīng)用及相關(guān)技術(shù)圖3cGSP邏輯結(jié)構(gòu)圖1.中國教育科研網(wǎng)格 ChinagridCGSP共劃分為六個功能模塊中國教育科研網(wǎng)格 Chinagrid計劃是教育部“十(1)網(wǎng)格門戶( Porta1):作為 Chinagrid的網(wǎng)五”211工程公共服務(wù)體系建設(shè)的重大專項。中國教育格服務(wù)展現(xiàn)方式,網(wǎng)格門戶是最終用戶使用網(wǎng)格的入科研網(wǎng)格將充分利用中國國家教育科研網(wǎng) CERNET和高口。通過網(wǎng)格門戶,用戶可以提交作業(yè)、監(jiān)視作業(yè)運校的大量計算資源和信息資源,開放相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)軟件,行、管理和傳輸數(shù)據(jù)、查詢網(wǎng)格資源信息,同時網(wǎng)格門配合網(wǎng)絡(luò)計算機的使用,將分布在教育和科研網(wǎng)上自治戶還具有用戶管理、網(wǎng)格資源使用記賬等功能的分布異構(gòu)的海量資源集成起來,實現(xiàn) CERNET環(huán)境下(2)網(wǎng)格開發(fā)環(huán)境:其主要功能是提供資源網(wǎng)格化資源的有效共享,消除信息孤島,提供有效的服務(wù),形封裝的工具包和網(wǎng)格構(gòu)建管理工具包,以及提供面向網(wǎng)成高水平低成本的服務(wù)平臺,將高性能計算送到教育和格環(huán)境的編程模型,用于網(wǎng)格作業(yè)的開發(fā)?？蒲芯W(wǎng)用戶的桌面上,成為國家科研教學(xué)服務(wù)的大平(3)信息中心:其主要功能是負(fù)責(zé)網(wǎng)格環(huán)境中各類資源的管理,實現(xiàn)一個全局的資源視圖,提供網(wǎng)格信息ChinaGrid的長遠目標(biāo)是建設(shè)中國乃至世界上“最服務(wù),使得最終用戶透明訪問網(wǎng)格環(huán)境上的計算節(jié)點、大、最先進、最實用”的網(wǎng)格系統(tǒng)。從最初的12所高校應(yīng)用程序以及各類儀器設(shè)備等。開始, Chinagrid的覆蓋面正在不斷擴展之中,最終將(4)統(tǒng)一管理層:其主要功能是為網(wǎng)格環(huán)境中各類覆蓋全國的大、中、小學(xué)和其它科研教育機構(gòu),其用戶作業(yè)操作提供基礎(chǔ)支持,具體分為如下四個子模塊群也會由現(xiàn)在的領(lǐng)域?qū)＜液蛯I(yè)用戶擴展為包括中小學(xué)◆服務(wù)容器:其主要功能是在計算節(jié)點上,提供生在內(nèi)的普通用戶個網(wǎng)格服務(wù)安裝、部署、運行、監(jiān)控的環(huán)境,并為監(jiān)視2.中國教育科研網(wǎng)格公共支撐平臺CGSP計算節(jié)點的資源實時狀態(tài)提供必要的支持中國教育科研網(wǎng)格公共支撐平臺( Chinagrid◆數(shù)據(jù)管理:主要功能是負(fù)責(zé)網(wǎng)格環(huán)境中各類存儲Support Platform,簡稱CGSP)是為 Chinagrid的建資源和文件數(shù)據(jù)的管理,實現(xiàn)一個全局的文件數(shù)據(jù)視設(shè)和發(fā)展而研制的網(wǎng)格核心中間件。CGSP基于當(dāng)前圖,使得用戶透明訪問網(wǎng)格環(huán)境上的各種數(shù)據(jù)文件CERNET網(wǎng)絡(luò)及將來 CERNET高速傳輸網(wǎng),提供了一套完◆作業(yè)管理:主要功能是在信息服務(wù)和數(shù)據(jù)管理的整的網(wǎng)格服務(wù)支撐平臺。它對教育和科研系統(tǒng)中的各種基礎(chǔ)上,為最終用戶執(zhí)行計算任務(wù)提供一個虛擬的計算資源進行整合,屏蔽網(wǎng)格資源的異構(gòu)性和動態(tài)性,為各平臺,實現(xiàn)對數(shù)據(jù)和資源的透明訪問和分布資源之間的種科學(xué)計算與工程研究提供高性能的、高可靠的,、安全協(xié)同工作方便的透明網(wǎng)格服務(wù),形成一套面向 CERNET的公共網(wǎng)中國煤化工本域的用戶管理、日格服務(wù)體系。CCSP提供 Chinagrid的服務(wù)門戶,同時也志CNMHG以心鬥時人互,使得域管理員可以為各種網(wǎng)格應(yīng)用提供一套完整的開發(fā)和部署環(huán)境。整方便地對本域的用戶,服務(wù)和資源,域間交互策略等進58emaiemee@.net2007年第5期(總第51期)中國現(xiàn)代散育裝備行管理究、大型地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測等應(yīng)用(5)網(wǎng)格安全:所提供的功能包括用戶身份的認(rèn)(3)“圖像處理網(wǎng)格”是基于 Chinagrid之上,直證、資源和服務(wù)的授權(quán)以及用戶身份到資源授權(quán)的映射接利用其廣域的大規(guī)模計算資源和軟件資源充分實現(xiàn)網(wǎng)等格互操作特性,以安全、透明的方式為用戶提供圖像處(6)計算節(jié)點層:真正提供網(wǎng)格服務(wù)的節(jié)點,可以理相關(guān)服務(wù)的應(yīng)用平臺,目前有三維虛擬人的重建是集群等大型計算設(shè)備,也可以是普通微機和工作站感圖像處理、醫(yī)學(xué)圖像處理等應(yīng)用。等(4)“海量信息處理網(wǎng)格”是以數(shù)據(jù)密集型為背景CGSP是一組互相配合的軟件組件,支持 Chinagrid的海量信息處理網(wǎng)格,如高能物理數(shù)據(jù)處理及大學(xué)數(shù)字網(wǎng)格應(yīng)用的開發(fā)、調(diào)試、部署、運行管理以及系統(tǒng)監(jiān)控博物館網(wǎng)格等,實現(xiàn)了4個大學(xué)的數(shù)字博物館的互聯(lián)等各個環(huán)節(jié)?；贑GSP,整個 Chinagrid網(wǎng)格系統(tǒng)可以(5)“大學(xué)課程在線網(wǎng)格”的規(guī)模已經(jīng)達到20個服構(gòu)造成一個分層樹型結(jié)構(gòu)。CGSP的主要特點包括:符合務(wù)節(jié)點,其中總共近3000小時的課程視頻,每天接納近oGSA規(guī)范,參照網(wǎng)格最新理念wSRF(Web服務(wù)資源框架萬人次的開放式點播訪問,已經(jīng)成為我國規(guī)模最大、提Web Services resource framework)實現(xiàn),支持超7×24服務(wù)的非盈利課程視頻服務(wù)。級(虛擬)服務(wù)、普通 WebService和WSRF服務(wù)等多種服務(wù)模式: Chinagrid具有區(qū)域性非常強的特點,為了四、結(jié)束語實現(xiàn)就近取材,同時滿足 Chinagrid中各個專業(yè)網(wǎng)格的歷史的發(fā)展已進入互聯(lián)網(wǎng)時代,互聯(lián)網(wǎng)時代的發(fā)展自治性的要求,CGSP引入了瓣驍?shù)臉?gòu)建模式,每個域可已己進入網(wǎng)格浪潮時期,網(wǎng)格技術(shù)的應(yīng)用使互聯(lián)網(wǎng)資源得以單獨對外提供服務(wù);CGSP的可擴展性設(shè)計能夠滿足到了最大限度的整合。網(wǎng)格技術(shù)在教育科研領(lǐng)域的應(yīng)用Chinagrid不斷擴展的需求,樹型結(jié)構(gòu)使其規(guī)模能夠逐研究,將為教育科研的發(fā)展開創(chuàng)一條嶄新的前進道路。步擴展到全國多所高校;保證了 Chinagrid的完整性和統(tǒng)一性,從根域出發(fā)的全局監(jiān)控和統(tǒng)一入口體現(xiàn)了Chinagrid的整體性,而各個子域又可以具有各自獨立的 Portal。3. Chinagrid的典型應(yīng)用建設(shè)參考文獻Chinagrid計劃第一期上開展的專業(yè)應(yīng)用網(wǎng)格包括[1]劉鵬.網(wǎng)格發(fā)展趨勢[eb/ol].http://www生物信息學(xué)網(wǎng)格,計算力學(xué)網(wǎng)格,圖像處理網(wǎng)格,海量gridhome. com[2]教育科研網(wǎng)格風(fēng)起云涌[eb/ol].http://信息處理網(wǎng)格和大學(xué)課程在線網(wǎng)格column. bokee. com/print 31568. html(1)“生物信息學(xué)網(wǎng)格”用網(wǎng)格實現(xiàn)高校之間生物3] Jay Unger, Matt Haynos.開放網(wǎng)格服務(wù)架信息資源共享,如基因序列分析、匹配等。目前,“生構(gòu)之旅[eb/ol].http://www.ibmcom/cn/物信息學(xué)網(wǎng)格”每天接納用戶訪問約5萬人次,是目前[4]中國教育科研網(wǎng)格公共支撐平臺簡介[EB世界上最繁忙的網(wǎng)格。0L].網(wǎng)格成長,2005,2(2)“計算力學(xué)網(wǎng)格”(CFD)利用其計算資源管[5]劉雨.中國教育科研網(wǎng)格計劃取得三大突破理、用戶管理、系統(tǒng)安全、數(shù)據(jù)訪問和傳輸?shù)裙δ?針[eb/ol].http://www.dostor.com/n/industry/對CFD應(yīng)用的不同工程背景在網(wǎng)格環(huán)境中進行CFD應(yīng)用2005-08-03/0001424756.shtm1的集成,主要開展飛行器遺傳優(yōu)化設(shè)計、分子動力學(xué)研中國煤化工CNMHG