网格体系结构

网格体系结构是关于如何构建网格的技术，它包括两个层次的内涵。一是要标识出网格系统由哪些部分组成，清晰地描述出各个部分的功能、目的和特点。二是要描述网格各个组成部分之间的关系，如何将各个部分有机地结合在一起，形成完整的网格系统，从而保证网格有效地运转，也就是将各个部分进行集成的方式或方法。

网格技术的权威伊安福斯特（ian foster）将网格体系结构定义为“划分系统基本组件，指定系统组件的目的与功能，说明组件之间如何相互作用的技术”。显然，网格体系结构是网格的骨架，只有建立合理的网格体系结构，才能设计和构建好网格。

图 1. 网格系统的基本功能模块示意图。

网格用户通过用户界面实现与网格之间的信息交互，实现诸如用户作业提交、结果返回等输入输出功能。网格在提供服务之前要知道哪个资源当前可以向用户提供服务，这就需要网格中信息管理模块提供相应的信息。选定合适的资源后，网格需要把该资源分配给用户使用，并对使用的过程中的资源进行管理，这些是资源管理的功能。

网格在提供服务的过程中需要网格数据管理功能模块将远程数据传输到所需节点，作业运行过程中由作业管理模块提供作业的运**况汇报。使用网格的用户及其使用时间和费用等的管理则由用户和记账管理模块实现，用户使用网格的整个过程中都需要qos（quality of service，服务质量）保证、通信和安全保障，以提供安全可靠、高性能的服务。

为了实现上述功能要求的网格系统可以有不同的实现方案。网格体系结构决定了网格系统由哪些模块实现网格的各个功能，模块之间如何有机地组合成完整的网格系统。当然，实现同样功能的网格体系结构是各不相同的，依据它们构建的网格系统也是各不相同。

图2 网格系统层次结构。

1)网格资源是构成网格系统的基础设施，主要包括网格结点和宽带网络系统。网格结点包括各种计算资源，如超级计算机、集群系统、贵重仪器、可视化设备、现有应用软件、数据库等，这些计算资源通过网络设备连接起来，具有分布和异构特性！而宽带网络系统是在网格系统中提供高性能通信的必要手段！

2）网格中间件（grid middleware）是指一系列协议和服务软件，其功能是屏蔽网格资源层中计算资源的分布、异构特性，向网格应用层提供透明、一致的使用接口！网格中间件层也称为网格操作系统(grid operating system)，其核心服务包括：网格资源的管理分配、信息优化、任务调度、存储访问、安全控制、质量服务(qos)等！

还需提供api和相应的环境，以支持网格应用开发！

3）网格必须提供良好的应用开发工具环境(grid tools)如j**a,fortran以及j**a等语言，mpi,pvm等应用开发界面，并支持消息传递、分布共享内存等多种编程模型！

4）网格应用(grid application)是用户需求的具体体现，是各种应用软件的研究！在网格操作系统的支持下，网格用户可以使用其提供的可视化工具或环境开发各种应用系统！

网格系统中管理的是广域分布、动态、异构的资源！网格系统应屏蔽这些资源的分布、异构特性，向网格应用提供透明、一致的使用接口！一个理想的网格系统应类似当前的web服务，可以构建在当前所有硬件和软件平台上，给用户提供完全透明的使用环境！

为此，网格系统必须提供以下基本功能：

1）管理等级层次它定义网格系统的组织方式、确定管理层次体系！

2）通信服务提供不同的服务（可靠的、不可靠的、点对点和广播方式）、通信协议和提供3,1 支持！

3）信息服务提供资源的全局访问！

4）名称服务网格中为所有资源提供统一的名称空间，以便引用各种资源！

5）文件系统提供分布式文件系统机制、全局存储和缓存空间，以支持文件存取！

6）安全认证提供登录认证、可信赖、完整性和记账等方面的安全性！

7）系统状态和容错提供监视系统资源和运**况的工具！

8）资源管理和调度提供透明的资源管理、进程调度！

9）资源交易机制提供一种资源的交易机制，以鼓励不同组织或资源的拥有者加入网格系统！

10）节点自治允许远程节点选择加入或退出系统，不影响各节点本地的管理和自主性！

11）编程工具提供丰富的用户接口和编程环境！

12）用户图形界面提供直观的用户访问接口，提供可视化工具！

globus工具集，已被公认为当前建立网格系统的核心实现工具之一。实际上，它也已经获得了众多**的热烈好评，纽约时报曾评价“globus工具集是网格计算的实际标准”, mit技术报也曾说过“以globus工具集为基础的网格计算将成为十大改造世界的先进技术之一”, ebert和roeper也对globus工具集大为赞赏。总之，我们可以确信，gt4绝对是一款相当不错的软件！

然而，由于globus工具集被盛传为网格技术的伟大实现者，导致很多学习globus工具集的新手（如上面提问的用户一样）对什么是globus工具集有了错误的认识。它并不是一款速效发挥网格巨大威力的神奇软件，实际上，它只是将构建网格基石的软件组件组合在一起。

毋庸置疑，这些基石并不是简单拼凑在一起的，而是必须将所有不同的软件组件结合起来，而它们大多数是基于web service和新发行的标准wsrf (web services resource framework) 。

五层沙漏模型是 ian foster 等在早些时候提出的体系结构。它的基本思想和构架类似于计算机网络中的 tcp/ip 协议的分层构架。自顶向下分别是构造层、连接层、资源层、汇聚层和应用层。

五层模型中，每层中协议数量都不同。对于最核心部分，既要实现上层协议向核心协议映射，又实现核心协议向下层协议映射，核心协议应在所有支持网格计算的地点都得到支持，因此数量不能太多，这样核心协议就形成了协议层次结构中的一个瓶颈。在五层结构中，资源层和连接层共同组成这一核心的瓶颈部分，从而形成了一个沙漏形状的结构。

图3五层沙漏结构和internet协议对比。

五层沙漏结构成功解决了通用的网格平台所面临的异构性、扩展性以及适应性等问题（怎么解决的？）,主要侧重于定性的描述而不是具体的协议定义，ogsa最基本的思想就是以“服务”为中心。在ogsa框架中，将一切抽象为服务，包括各种计算资源、存储资源、网络、程序、数据库等等，简而言之，一切都是服务。

这种观念，有利于通过统一的标准接口来管理和使用网格。

2)统一的w eb serv ice框架： w eb serv ice解决了发现和激发永久服务的问题，而在网格应用环境中，大量的是临时性的短暂服务，例如一个计算任务的执行等。为了使服务的思想更加明确和具体，考虑到网格环境的具体特点， ogsa在原来w eb serv ice 服务概念的基础上，提出了网格服务% (g rid serv ice) 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、通知等与临时服务有关的问题。

基于网格服务的概念， ogsa 将整个网格看作是网格服务的集合，但是这个集合不是一成不变的，它是可以扩展的。这反映了网格的动态特性。网格服务通过定义接口来完成不同的功能。

服务数据是关于网格服务实例的信息。因此网格服务可以简单地表述为“网格服务= 接口/行为+ 服务数据”。图3是对网格服务的简单描述。

在目前ogsa的定义中，只有gr id serv ice 接口是必需的，而其它的接口都是可选的。

1）globus

globus是已经被科学和工程计算领域广泛接受的网格技术解决方案。它是一种基于社团的、开放结构、开放源码的服务的集合，也是支持网格和网格应用的软件库。该工具包解决了安全、信息发现、资源管理、数据管理、通信、错误监测以及可移植等问题。

与ogsa关系密切的globus组件是gram网格资源分配与管理协议和门卫（gate keeper）服务，它们提供了安全可靠的服务创建和管理功能，元目录服务通过软状态注册、数据模型以及局部注册来提供信息发现功能，gsi（grid security infrastructure网格安全架构）支持单一登陆点、**和信任映射。这些功能提供了面向服务结构的必要元素，但是比ogsa中的通用性要小。

2）web service

web service是一种标准的存取网络应用的框架。xml协议相关的工作是web service的基础。web service中几个比较重要的协议标准是soap（****** object access protocol，简单对象访问协议）、wsdl（web service description language，web服务描述语言）、ws-inspection、uddi（universal description， discovery & integration，统一的描述、发现与集成）。

soap是基于xml的rpc（remote process call，远程进程调用）协议，用于描述通用的wsdl目标。通过将soap进行扩展支持web service框架的安全性。wsdl用于描述服务，包括接口和访问的方法，复杂的服务可以由几个服务组成，它是web service的接口定义语言。

ws-inspection给出了一种定义服务描述的惯例，包括一种简单的xml语言和相关的管理，用于定位服务提供者公布的服务。而uddi则定义了web service的目录结构。

图4 网格服务示意图。

网格体系结构

高级体系结构

体系结构重点

Oracle体系结构

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