基于web的網(wǎng)格系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

1、<p>　　基于Web的網(wǎng)格系統(tǒng)研究與實現(xiàn)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文對網(wǎng)格系統(tǒng)的理論依據(jù)、設(shè)計思想、功能特點(diǎn)等方面作了較詳盡的闡述，并且在研究了網(wǎng)格系統(tǒng)的要求、關(guān)鍵技術(shù)和體系結(jié)構(gòu)下，提出了一種新的網(wǎng)格系統(tǒng)。該網(wǎng)格系統(tǒng)就如何對整個網(wǎng)格中的資源進(jìn)行管理，對用戶作業(yè)進(jìn)行調(diào)度運(yùn)行及與此相關(guān)的安全、容錯技術(shù)進(jìn)行了描述。另外，本

2、系統(tǒng)采用了基于Web的作業(yè)提交方式及作業(yè)監(jiān)控。而且，在該系統(tǒng)中提出了網(wǎng)格資源分級管理與全局調(diào)度的思想。</p><p>　　論文論述的基于Web的網(wǎng)格系統(tǒng)由網(wǎng)格客戶端、信息服務(wù)器、網(wǎng)格資源請求代理和網(wǎng)格服務(wù)端四部分組成。由于在這四部分中采用了比較先進(jìn)的技術(shù)，該系統(tǒng)具有使用方便、容錯性和安全性的特點(diǎn)，而且，對現(xiàn)在的網(wǎng)格研究具有比較深遠(yuǎn)的意義。</p><p>　　關(guān)鍵詞:網(wǎng)格 Web 體系結(jié)

3、構(gòu) OGSA Globus</p><p>　　The Research and Implement of a Grid System Based on Web</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The thesis illustrates in detail the system's theor

4、y basis,design thought,function characteristic and so on.And after studying Grid system's request,key technology and architecture,we put forward a kind of new Grid system.The Grid system describes how to carry on the

5、 management to the resource in the whole Grid，how to schedule and run users' jobs,and security and mistakes- allowance technology related to that.Moreover the system adopts the job submission and the job monitor base

6、d on web.And we p</p><p>　　The Grid system discussed by the thesis consists of four parts:Grid Client,Information Server, Grid Resource Broker and Grid Service.Because of adopting more advanced technology in

7、 the four part ,this system has three characteristics: the usage convenience, mistakes- allowance, security.And it has more profound meaning to the Grid research of today.</p><p>　　Keywords: Grid Web Arc

8、hitecture OGSA Globus基于Web的網(wǎng)格系統(tǒng)研究與實現(xiàn)</p><p>　　第1章 基于Web的網(wǎng)格系統(tǒng)研發(fā)的技術(shù)基礎(chǔ)</p><p>　　基于Web的網(wǎng)格系統(tǒng)在設(shè)計與開發(fā)中應(yīng)用了Web技術(shù)和網(wǎng)格技術(shù)。</p><p><b>　　1.1 Web技術(shù)</b></p><p>　　一般認(rèn)為，Web

9、技術(shù)是從上個世紀(jì)90年代興起的第二代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，它采用HTML描述發(fā)布各種數(shù)據(jù)和信息，通過友好的界面（瀏覽器），更加生動地發(fā)布與顯示不同類型的數(shù)據(jù)以滿足不同的需求。</p><p>　　1.1.1 Web的概念</p><p>　　Web全稱為World Wide Web，縮寫為WWW，中文名是環(huán)球網(wǎng)、萬維網(wǎng)、全球信息網(wǎng)等。Web是一種體系結(jié)構(gòu)，通過它可以訪問分布于Internet主機(jī)上的

10、鏈接文檔；Web是Internet提供的一種服務(wù)，用戶可通過瀏覽器(Brower)可以訪問Internet上的每一個Web站點(diǎn)；Web是存儲在全世界Internet計算機(jī)中、數(shù)量巨大的文檔的集合，用戶可用簡單的方式（例如點(diǎn)擊鼠標(biāo)）連接全球范圍的超媒體信息。</p><p>　　1.1.2 Web的組成</p><p>　　主頁（Home Page）或頁面（Page） [1]</p&g

11、t;<p>　　主頁(Homt Page)是啟動瀏覽器進(jìn)入Web站點(diǎn)的初始網(wǎng)頁，主頁的名稱習(xí)慣取為index.htm或者default.htm。</p><p>　　超文本（Hypertext）</p><p>　　一種全局性的信息結(jié)構(gòu)，它將文檔中的不同部分通過關(guān)鍵字建立鏈接，使信息得以用交互方式搜索。它是超級文本的簡稱。</p><p>　　超鏈接（

12、Hyperlink）</p><p>　　超鏈接是網(wǎng)站的靈魂，從一個網(wǎng)頁指向另一個目的端的鏈接。</p><p>　　超媒體（Hypermedia）</p><p>　　超媒體是超廣西的多媒體在信息瀏覽環(huán)境下的結(jié)合。它是超級媒體的簡稱。用戶不公能從一個文本跳到另一個文本，而且可以激活一段聲音，顯不關(guān)一個圖形，甚至可以播放一段動畫。</p><p&

13、gt;　　Web（Web服務(wù)器）：用于存儲網(wǎng)頁，提供Web服務(wù)的計算機(jī)（軟件）。</p><p>　　瀏覽器（Browser）：運(yùn)行在客戶機(jī)上，用來訪問Web的專用軟件。</p><p>　　1.1.3 Web工作原理</p><p><b>　　Web結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　簡單的B/S結(jié)構(gòu)如圖1.1所示：&

14、lt;/p><p>　　圖1.1 簡單的B/S結(jié)構(gòu)</p><p>　　三層B/S結(jié)構(gòu)如圖1.2所示：</p><p>　　圖1.2三層B/S結(jié)構(gòu)</p><p>　　Web服務(wù)器向瀏覽器提供服務(wù)的過程</p><p>　　在瀏覽器中指定一個URL(Uniform Resource Locator，統(tǒng)一資源定位器)，瀏覽器

15、便向該URL所指向的Web服務(wù)器發(fā)出請求。</p><p>　　Web服務(wù)器（也稱為HTTP服務(wù)器）接到瀏覽器的請求后，把URL轉(zhuǎn)換成頁面所在服務(wù)器上的文件路徑名。</p><p>　　如果URL指向的是普通的HTML文檔，Web服務(wù)器直接將它送給瀏覽器。</p><p>　　如果HTML文檔中嵌有ASP或CGI程序，Web服務(wù)器就運(yùn)行ASP或CGI程序，并將結(jié)果傳

16、送至瀏覽器。Web服務(wù)器動行ASP或CGI程序時還可能需要調(diào)用數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和其他服務(wù)器。</p><p>　　URL也可以指向VRML（Virtual Reality Modeling Language）文檔。只要瀏覽器中配置有VRML插件，或者客戶機(jī)上已經(jīng)安裝VRML瀏覽器，就可以接收Web服務(wù)器發(fā)送的VRML文檔。</p><p>　　1.1. 4 Web 基本技術(shù)</p>

17、<p>　　Web技術(shù)包括URL技術(shù)、HTML技術(shù)、MIME技術(shù)、HTTP技術(shù)以及CGI技術(shù)等。</p><p>　　標(biāo)識服務(wù)器及服務(wù)器上的信息URL技術(shù)</p><p>　　由于Internet上有成千上萬的服務(wù)器，每臺服務(wù)器上又有眾多的各類信息，客戶端如何能獲得正確的請求信息呢？這就是URL技術(shù)出現(xiàn)的原因。</p><p>　　URL（Unifor

18、m Resouce Locator），譯為“統(tǒng)一資源定位符”，即通過定義資源位置的抽象標(biāo)識來定位網(wǎng)絡(luò)資源。資源被定位后，便可對其進(jìn)行各種操作，例如訪問、更新、替換、查找屬性。</p><p>　　總體來說，URL可按下列格式書寫：</p><p>　　<scheme>:<scheme-specific-part></p><p>　　其中，&

19、lt;scheme>指所用的URL方案名。<scheme-specific-part>意義的解釋與所用的方案有關(guān)。</p><p>　　方案名由字符組成，可包括字母(a-z)、數(shù)字(0-9)、加號(+)、句點(diǎn)(.)和連詞符(-)，字母大小寫是不分的。</p><p>　　對于Internet，<scheme>指的是Internet協(xié)義名，主要包括：http、f

20、tp、gopher、mailto、new、nntp、telnet、wais、file等，以后還會不斷擴(kuò)充。</p><p>　　HTTP URL方案用于表示可通過HTTP進(jìn)行訪問的Internet資源。HTTP URL格式如下：</p><p>　　http://<host>:<port>/<path>?<scarchpart></p&

21、gt;<p>　　其中，<host>和<port>按標(biāo)準(zhǔn)格式，:<prot>如果省略，默認(rèn)端口值為80；<path>為HTTP選擇器，而<searchpart>為查詢字符串，它們都是可選的，如果這兩項不存在，則主機(jī)或端口后的斜杠也應(yīng)該該省略。例如：http://www.hgd.com:80/index.asp，http是協(xié)議，www.hgd.com是主機(jī)名，80是

22、端口號，index.asp是要訪問的文件名。</p><p>　　HTML技術(shù)[2] </p><p>　　由于瀏覽器事先并不知道它從服務(wù)器方檢索的信息的內(nèi)容和格式，但是如何能使瀏覽器按設(shè)計者的初衷正確地顯示出信息呢？唯一可行的方法是在信息的原始數(shù)據(jù)上增加一些格式信息，這就出現(xiàn)了HTML技術(shù)。</p><p>　　HTML（Hypertext Marked Lang

23、uage），即超文本標(biāo)記語言，是一種用來制作超文本文檔的簡單標(biāo)記語言。用HTM編寫的超文本文檔稱為HTML文檔，它能獨(dú)立于各種操作系統(tǒng)平臺（如UNIX，Windows等）。自1990年以來HTML就一直被用作World Wide Web的信息表示語言。使用HTML語言描術(shù)的文件，需要通過WWW瀏覽器顯示出效果。</p><p>　　超文本文檔分文檔頭和文檔體兩部分，在文檔頭里，對這個文檔進(jìn)行了一些心要的定義，文檔

24、體中才是要顯示的各種文檔信息。</p><p>　　HTML文檔的基本結(jié)構(gòu)如下：</p><p><b>　　<HTML></b></p><p><b>　　<HEAD></b></p><p><b>　　頭部信息</b></p>&l

25、t;p><b>　　</HEAD></b></p><p><b>　　<BODY></b></p><p><b>　　文檔主體，正文部分</b></p><p><b>　　</BODY></b></p><p&g

26、t;<b>　　</HTML></b></p><p><b>　　MIME技術(shù)</b></p><p>　　通常我們需要的信息不僅僅局限于文本，還有圖象、視頻和聲音等數(shù)據(jù)類型，這就借用了MIME（Multipurpose Internet Mail Extension）標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，即服務(wù)器根據(jù)數(shù)據(jù)文件的護(hù)展名，生成相應(yīng)的MIME類型返

27、回給瀏覽器，瀏覽器根據(jù)MIME類型，再現(xiàn)不同類型的數(shù)據(jù)。</p><p>　　MIME（Multipurpose Internet Mail Extension）是一個開放的多語言、多媒體電子郵件標(biāo)準(zhǔn)，為了滿跳用戶在不同的軟件平臺和硬件平臺的信息交換而制訂。它規(guī)定了不同數(shù)據(jù)類型的名字。Web僅用到它的一個子集。MIME的一個重要特點(diǎn)是對媒體類型進(jìn)行了全面定義。</p><p>　　MIME

28、的頭標(biāo)格式為type/subtype，其中type表示數(shù)據(jù)類型，其類型主要有：text、Image、audio、Video、Application、Multipart、Message。Subtype則指定所用格式的特定信息。子類型前標(biāo)有x-時表示試驗子類型，尚未進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)注冊。</p><p>　　HTTP（Hypertext Transfer Protocol）</p><p>　　為了服

29、務(wù)器與瀏覽器能進(jìn)行通訊，這就需要HTTP技術(shù)。</p><p>　　在Web基本技術(shù)中，其核心應(yīng)是HTTP，HTTP（Hypertext Transfer Protocol）是超文本傳輸協(xié)議的簡稱，它設(shè)計了一套相當(dāng)簡單的規(guī)則，用來支持超媒體系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)上的公布，它的出現(xiàn)使Web成為可能，如果要真正理解Web，那么理解HTTP是基礎(chǔ)。</p><p>　　HTTP采用的是客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S

30、）結(jié)構(gòu)，定義了客戶機(jī)/服務(wù)器之間進(jìn)行“對話”的簡單的請求-應(yīng)答規(guī)則，客戶端的請求程序與運(yùn)行在服務(wù)器端的接收程序建立連接?？蛻舳税l(fā)送請求給服務(wù)器，HTTP規(guī)則定義了如何正確解析請求信息，服務(wù)器用應(yīng)答信息回復(fù)該請求，應(yīng)答信息中包含了客戶端所希望得到的信息，HTTP規(guī)則當(dāng)然也定義了如何正確解析應(yīng)答信息，但HTTP規(guī)則并沒有定義網(wǎng)絡(luò)如何建立連接、管理及信息如何在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送，這些事情交給底層協(xié)議TCP/IP來完成，這也就是我們經(jīng)常說，“Web是站

31、在巨人肩膀上”，它的真實含義是“HTTP是建立在TCP/IP之上的”HTTP屬于應(yīng)用層的協(xié)議，是TCP/IP的一個應(yīng)用，從TCP/IP來看，Web（HTTP）和TELNET、FTP、GOPHER、WAIS等沒有什么區(qū)別。</p><p>　　HTTP結(jié)構(gòu)如圖1.3所示：</p><p>　　圖1.3 HTTP結(jié)構(gòu)</p><p>　　HTTP按照客戶/服務(wù)器的模式工

32、作，瀏覽器與服務(wù)器的工作過程如下：</p><p>　　瀏覽器用URL查詢DNS，DNS返回IP地址；</p><p>　　瀏覽器用這個IP地址建立一次TCP/IP連接；</p><p>　　瀏覽器通過該連接向服務(wù)器發(fā)一HTTP請示；</p><p>　　基于該請求的內(nèi)容，服務(wù)器找到相應(yīng)的文件，并根據(jù)文件的擴(kuò)展名，形成一個MIME類型的HTT

33、P回答信息，發(fā)送回給瀏覽器，服務(wù)器關(guān)閉本次連接。</p><p>　　根據(jù)消息頭，瀏覽器按某種方式顯示該文件內(nèi)容，如果本文有<…SCR=URL>之類，瀏覽器將隨時發(fā)送新的請求（可能對不同的服務(wù)器），以獲得有關(guān)內(nèi)容。</p><p>　　在這個工作過程中，步驟（2）-（4）上HTTP的一次操作，有時也稱為HTTP的一次事務(wù)（Transaction）。</p><

34、;p>　　用戶與服務(wù)器的交互的CGI技術(shù)</p><p>　　CGI（Common Gateway Interface）是一種標(biāo)準(zhǔn)的Web服務(wù)器擴(kuò)展技術(shù)，按照CGI規(guī)范編寫的外部程序可以擴(kuò)展服務(wù)器的功能，完成服務(wù)器本身不能完成的工作，外部程序執(zhí)行時生成HTML文檔并將文檔返回Web服務(wù)器。CGI應(yīng)用程序能夠與瀏覽器進(jìn)行交互，可以通過數(shù)據(jù)的API與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等外部數(shù)據(jù)源進(jìn)行通信。開發(fā)者可以使用多種語言編寫C

35、GI程序，其中包括流行的Perl，C/C++等。CGI使傳統(tǒng)的開發(fā)資源有效的應(yīng)用于Internet。按照應(yīng)用環(huán)境的不同，CGI又分為標(biāo)準(zhǔn)CGI和緩沖CGI。</p><p><b>　　1.2 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)</b></p><p>　　在Web技術(shù)中，HTML僅僅用于表示數(shù)據(jù)顯示的布局，主要是面對用戶直接閱讀，沒有把信息的表現(xiàn)形式、內(nèi)在結(jié)構(gòu)和表達(dá)內(nèi)容分離出來，非常不利于計

36、算機(jī)的直接處理。最近的幾年來，針對目前Web技術(shù)在信息表達(dá)、檢索、共享等方面存在的缺陷，研究人員逐漸把目光投向了未來互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的兩個方面，一個方向是改進(jìn)現(xiàn)在有Web技術(shù)來建立下一代的WWW技術(shù)一語義網(wǎng)（Semantic Web），另一個方向則是建立一套與現(xiàn)在Web完全不同的應(yīng)用平臺一網(wǎng)格。這里我們主要研究一下網(wǎng)格技術(shù)。</p><p>　　1.2.1 網(wǎng)格的概念</p><p>　　網(wǎng)格是

37、借鑒電力網(wǎng)(Electric Power Grid)的概念提出來的，網(wǎng)格的最終目的是希望用戶在使用網(wǎng)格計算能力時，就如同現(xiàn)在使用電力一樣方便。目前，對網(wǎng)格還沒有一個普遍接受的定義。下面是關(guān)于網(wǎng)格的一些有代表性的觀點(diǎn)：</p><p>　　(1)網(wǎng)格就是方便資源管理、有效支持廣域公布的、多領(lǐng)域的科學(xué)與工程問題解決的中間件系統(tǒng)。</p><p>　　(2)網(wǎng)格就是在動態(tài)變化的、擁有多個部門或者

38、團(tuán)體的復(fù)雜虛擬組織(Virtual Organization)內(nèi)，靈活、安全地協(xié)同資源共享與問題求解。</p><p>　　(3)網(wǎng)格是建造分布式科學(xué)計算環(huán)境的一種一體化的集成方法，該環(huán)境包括計算、數(shù)據(jù)管理、科學(xué)儀器及人類的協(xié)作。</p><p>　　(4)網(wǎng)格是一種無縫的、集成的計算與協(xié)作環(huán)境。</p><p>　　無論是哪種觀點(diǎn)，網(wǎng)格的概念應(yīng)該是面向問題的，它具

39、有兩類主要功能①超級計算功能。對使用者而言，整個網(wǎng)絡(luò)就是一臺巨大的超級計算機(jī)。②智能信息處理功能。提供全面的信息資源共享，解決信息孤島問題，能為用戶提供一體化的智能信息服務(wù)，用戶通過單一入口訪問所有信息資源。</p><p>　　1.2.2 網(wǎng)格的特點(diǎn)</p><p>　　網(wǎng)格的核心觀念是“網(wǎng)絡(luò)就是計算機(jī)”，其根本特征是具有以下特點(diǎn)而不是它的規(guī)模大小[3]：</p><

40、p>　?。?）異構(gòu)性。網(wǎng)格可以包含多種異構(gòu)資源，包括跨越地理公布的多個管理域。構(gòu)成網(wǎng)格計算系統(tǒng)的超級計算機(jī)有多種類型，不同類型的超級計算機(jī)在體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件等多個層次上可能具有不同結(jié)構(gòu)。</p><p>　?。?）可擴(kuò)展性。網(wǎng)格可以從最初包含少數(shù)的資源發(fā)展到具有成千上萬資源的大網(wǎng)格。由此右能帶來的一個問題是隨著網(wǎng)格資源的增加而引起的性能下降以及網(wǎng)格延遲，網(wǎng)格必須能適應(yīng)規(guī)模的變化。</p&g

41、t;<p>　　（3）可適應(yīng)性。在網(wǎng)格中，具有很多資源，資源發(fā)生故障的概率很高。網(wǎng)格的資源管理或應(yīng)用必須能動態(tài)適應(yīng)這些情況，調(diào)用網(wǎng)格中可用的資源和服務(wù)來取得最好的性能。與一般的局域網(wǎng)系統(tǒng)和單機(jī)制結(jié)構(gòu)不同，網(wǎng)格系統(tǒng)由于地域分布和系統(tǒng)的復(fù)雜使其整體結(jié)構(gòu)經(jīng)常發(fā)生變化，網(wǎng)格系統(tǒng)的應(yīng)用必須能適應(yīng)這種不可預(yù)測的結(jié)果。</p><p>　　（4）結(jié)構(gòu)的不可預(yù)測性。動態(tài)和不可預(yù)測的系統(tǒng)行為。在傳統(tǒng)的高性能計算系統(tǒng)中

42、，計算資源是獨(dú)占的，因此系統(tǒng)的行為是可預(yù)測的。而在網(wǎng)格系統(tǒng)中，由于資源的共享造成系統(tǒng)行為和系統(tǒng)性能經(jīng)常變化。</p><p>　?。?）多級管理域。由于構(gòu)成網(wǎng)格系統(tǒng)的超級計算機(jī)待資源通常屬于不同的機(jī)構(gòu)或組織并且使用不同的安全機(jī)制，因此需要各個機(jī)構(gòu)或組織共同參與解決多級管理域的問題。</p><p>　　1.2.3 網(wǎng)格與Web的區(qū)別</p><p>　　網(wǎng)格與Web

43、的主要區(qū)別是，Web是對HTML文件的一臻訪問，而網(wǎng)格是對重要資源柔性的、高性能的訪問，即時地創(chuàng)建強(qiáng)大的虛擬計算系統(tǒng)。另外，網(wǎng)格有別于Web的基本特征就在于服務(wù)的形式。目前，Web要創(chuàng)建應(yīng)用環(huán)境，還要靠開發(fā)人員按照Web協(xié)議開發(fā)，而網(wǎng)格是在更高層次上對這些應(yīng)用提供的一種服務(wù)形式。因此，將來的應(yīng)用系統(tǒng)所基于的平臺，應(yīng)該是網(wǎng)格所提供的基本服務(wù)。而這種服務(wù)的本身，又會不斷動態(tài)地加入到網(wǎng)格當(dāng)中，使得網(wǎng)格服務(wù)內(nèi)容不斷豐富。</p>

44、<p>　　1.2.4 網(wǎng)格技術(shù)及其分類</p><p>　　網(wǎng)格問題是以分布為基礎(chǔ)的，廣泛、方便、靈活，可以支持大規(guī)模、大粒度、大范圍的資源共享問題。網(wǎng)格概念是由實際應(yīng)用中的、具體的網(wǎng)格問題驅(qū)動的，為解決這些網(wǎng)格問題而出現(xiàn)的技術(shù)就是網(wǎng)格技術(shù)。網(wǎng)格技術(shù)是解決資源聚合與共享的一種最為突出的方案。</p><p>　　從網(wǎng)格開發(fā)解度體現(xiàn)出來的網(wǎng)格層次結(jié)構(gòu)如圖1.4所示：</p&

45、gt;<p>　　圖1.4 網(wǎng)格層次結(jié)構(gòu)</p><p>　　我們將網(wǎng)格技術(shù)從其所處的不同層次，進(jìn)行如下劃分，分別是網(wǎng)格應(yīng)用技術(shù)，網(wǎng)格編程技術(shù)，網(wǎng)格核心管理技術(shù)以及網(wǎng)格底層支持技術(shù)[4]。</p><p>　　網(wǎng)格應(yīng)用技術(shù)分為四個主要的方面；即分布式超級計算、實時廣域公布式儀器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用和遠(yuǎn)程沉浸。</p><p>　　網(wǎng)格編程技術(shù)包括編程支

46、持系統(tǒng)、面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)、商品化技術(shù)以及數(shù)值計算編程技術(shù)等。</p><p>　　網(wǎng)格核心服務(wù)技術(shù)包括高性能調(diào)度技術(shù)、高吞吐率資源管理技術(shù)、性能數(shù)據(jù)收集分析與可視化技術(shù)以及安全技術(shù)。</p><p>　　網(wǎng)格底層支撐技術(shù)包括網(wǎng)格計算結(jié)點(diǎn)的構(gòu)建技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的保證以及局部結(jié)點(diǎn)的操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)接口等。</p><p>　　1.2.5 網(wǎng)格技術(shù)的基本特性

47、</p><p>　　網(wǎng)格是高性能計算機(jī)、數(shù)據(jù)源、因特網(wǎng)3種技術(shù)的有機(jī)組合和發(fā)展，它與當(dāng)前的因特網(wǎng)相比，具有高性能、一體化、資源共享、協(xié)同工作、知識生產(chǎn)等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)[5]。</p><p><b>　?。?）高性能</b></p><p>　　首先，基于網(wǎng)格的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)比現(xiàn)有的因特網(wǎng)具有更大的帶寬。科學(xué)家們這樣來形容網(wǎng)格的帶寬：“如果把因特網(wǎng)和今天

48、的道路相比，那么網(wǎng)格的帶寬就相當(dāng)于100條車道的高速公路”；其次，網(wǎng)格上將有更多高性能計算機(jī)，因此網(wǎng)格的計算速度、數(shù)據(jù)處理速度可以大幅提高；第三，網(wǎng)格的體系結(jié)構(gòu)將比因特網(wǎng)更能有效的利用這些資源，比如網(wǎng)格采用的“廣域緩存技術(shù)”能自動地把用戶最需要的信息放在離用戶最近的服務(wù)器上。</p><p><b>　　（2）一體化</b></p><p>　　網(wǎng)格的重要特征之一就是

49、一體化。因特網(wǎng)只是通過網(wǎng)頁的形式把全球的計算機(jī)聯(lián)為一體，各個機(jī)構(gòu)和公司可以在網(wǎng)上建立自己的網(wǎng)站，并為用戶提供相應(yīng)的信息；但用戶卻必須通過一定的網(wǎng)址或搜索引擎查找自己所需的信息，而且找到的信息往往是重復(fù)繁雜的。網(wǎng)格則進(jìn)一步把這些計算機(jī)上所有資源的知識孤島聯(lián)為一體，在邏輯上就像一臺機(jī)器。用戶可以方便地使用網(wǎng)上的各種資源，就像現(xiàn)在使用自己計算機(jī)的資源那樣方便。</p><p><b>　　（3）資源共享<

50、;/b></p><p>　　因特網(wǎng)通過網(wǎng)頁為用戶提供共享信息，或通過專門的FTP網(wǎng)站共享部分的軟件等資源，但其適用范圍卻很小。網(wǎng)格能夠共享的資源范圍則可以無限大，它包括網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)、信息、知識以及計算機(jī)、雷達(dá)、家用電器待設(shè)備和儀器，并具有面向用戶和透明性的特點(diǎn)，用戶可以在不考慮資源物理位置的情況下，通過網(wǎng)格來方便地使用這些資源。</p><p><b>　?。?/p>

51、4）協(xié)同工作</b></p><p>　　協(xié)同工作包括資源共享協(xié)同和問題解決協(xié)同等方面。資源共享的協(xié)同是以資源互連為基礎(chǔ)，它既包括資源使用的不同用戶因時間、空間、權(quán)限等差異引起的協(xié)商，也包括用戶對資源的組合。問題解決的協(xié)同則是指虛擬組織之間通過協(xié)作共同解決某一問題，以滿足用戶的新需求。網(wǎng)格的出現(xiàn)實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的完全共享，通過眾多結(jié)點(diǎn)計算機(jī)整合而所的“超級計算機(jī)”的協(xié)同工作，網(wǎng)格就能非常方便、迅速、準(zhǔn)確地完

52、成各種 復(fù)雜的科學(xué)計算任務(wù)，如高能物理計算、航空設(shè)計、基因工程等。</p><p><b>　?。?）知識生產(chǎn)</b></p><p>　　因特網(wǎng)只是簡單的資源互聯(lián)和單一使用，用戶僅能獲取和使用有限的信息和資源，而并不能通過因特網(wǎng)進(jìn)行知識的再加工。而網(wǎng)格則可以通過互連、組合、協(xié)同解決用戶的各種復(fù)雜問題，從而產(chǎn)生出具有附加值的新服務(wù)、新數(shù)據(jù)和新信息等資源來滿足用戶的新需

53、求，即可以進(jìn)行知識的再生產(chǎn)。</p><p>　　1.2.6 網(wǎng)格技術(shù)的主要內(nèi)容</p><p>　　關(guān)鍵的網(wǎng)格技術(shù)包括[6]：①網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)及其相關(guān)技術(shù)，已用于大型網(wǎng)格計算之中，如歐洲數(shù)據(jù)網(wǎng)格、美國國家技術(shù)網(wǎng)格等；②網(wǎng)格操作系統(tǒng)，其管理范圍是廣域分布動態(tài)、異構(gòu)資源等；③網(wǎng)格使用模式技術(shù)，主要是解決如何用網(wǎng)格超級計算機(jī)的問題，這要在網(wǎng)格操作系統(tǒng)開發(fā)各種工具、應(yīng)用軟件等技術(shù)來支撐；④網(wǎng)格運(yùn)行

54、管理技術(shù)，主要分為任務(wù)管理、調(diào)度管理、資源管理3大部分。任務(wù)管理主要是向網(wǎng)格遞交任務(wù)，為任務(wù)提交資源、刪除任務(wù)或監(jiān)測任務(wù)運(yùn)行狀態(tài)；調(diào)度管理主要是根據(jù)任務(wù)類型、所需資源、可用資源等安排運(yùn)行日程和策略；資源管理主要是確定監(jiān)測網(wǎng)格資源狀態(tài)，收集運(yùn)行資源占用的數(shù)據(jù)等；⑤網(wǎng)格安全技術(shù)，就是確保數(shù)據(jù)、信息的保密性、完整性及確定性。實質(zhì)上就是提供基本安全保護(hù)驗證機(jī)制，根據(jù)不同應(yīng)用的網(wǎng)格系統(tǒng)，研究提供具有各自特色的安全技術(shù)和方法。</p>

55、<p>　　第2章 網(wǎng)格系統(tǒng)及其體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.1 網(wǎng)格系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)</p><p>　　一臺微機(jī)系統(tǒng)可以分四個層次，即硬件、操作系統(tǒng)、界面和應(yīng)用。網(wǎng)格系統(tǒng)也可分為四個層次：資源層、中間件層（網(wǎng)格操作系統(tǒng)層）、工具環(huán)境層和應(yīng)用層[7/8]如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>

56、;　?。?）網(wǎng)格資源（Grid Resource）是構(gòu)成網(wǎng)格系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施，主要包括網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)包括各種計算資源，如超級計算機(jī)、集群系統(tǒng)、貴重儀器、可視化設(shè)備、現(xiàn)有應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)庫等，這些計算資源通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接起來，具有分布和異構(gòu)特性。而寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是在網(wǎng)格系統(tǒng)中，提供高性能通信的必要手段。網(wǎng)格資源層僅僅實現(xiàn)了異構(gòu)資源在物理上的連通，但從邏輯上看，這些資源仍然是孤立的，資源共享問題仍然沒有得到解決。因此，必須在網(wǎng)格

57、資源層的基礎(chǔ)上通過網(wǎng)格中間件層來完成廣域異構(gòu)資源的有效共享。</p><p>　?。?）網(wǎng)格中間件（Grid Middleware）是指一系列協(xié)議和服務(wù)軟件，其功能是屏蔽網(wǎng)格資源層中資源的分布、異構(gòu)特性，向網(wǎng)格應(yīng)用層提供透明、一致的使用接口。網(wǎng)格中間件層也稱為網(wǎng)格操作系統(tǒng)（Grid Operating System），其核心服務(wù)包括網(wǎng)格資源的管理分配、信息優(yōu)化、任務(wù)調(diào)度、存儲訪問、安全控制、質(zhì)量服務(wù)（Qos）等。

58、它同時需要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)。</p><p>　?。?）工具環(huán)境（Grid Tools）：網(wǎng)格必須提供良好的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境。網(wǎng)格提供多種工具、API、SDK、開發(fā)語言、函數(shù)庫等以構(gòu)造良好的開發(fā)環(huán)境，如C，C++以及Fortran等通用科學(xué)計算語言，MPI， PVM等應(yīng)用開發(fā)界面， 并支持消息傳遞、分布共享內(nèi)存等多種編程模型。</p><p>　　（4）網(wǎng)格應(yīng)

59、用（Grid Application）是用戶需求的具體體現(xiàn)，是各種應(yīng)用軟件的研究。在網(wǎng)格操作系統(tǒng)的支持下，網(wǎng)格用戶可使用其提供的可視化工具或環(huán)境開發(fā)各種應(yīng)用系統(tǒng)，用戶可以方便地共享網(wǎng)格中的各種資源，可視化界面起著重要作用。</p><p>　　2.2 網(wǎng)格系統(tǒng)的基本功能</p><p>　　網(wǎng)格系統(tǒng)中管理的是廣域公布、動態(tài)、異構(gòu)的資源。網(wǎng)格系統(tǒng)應(yīng)屏蔽這些資源的公布、異構(gòu)特性，向網(wǎng)格應(yīng)用提供

60、透明、一致的使用接口。一個理想的網(wǎng)格系統(tǒng)應(yīng)類似當(dāng)前的Web服務(wù)，可以構(gòu)建在當(dāng)前所有硬件和軟件平臺上，給用戶提供完全透明的使用環(huán)境。為此，網(wǎng)格系統(tǒng)必須提供以下基本功能[9]：</p><p>　　（1）管理等級層次。它定義網(wǎng)格系統(tǒng)的組織方式、確定管理層次體系，如按區(qū)域?qū)哟蝿澐止芾碛?，決定信息流的流向，以適應(yīng)全局的需要。</p><p>　?。?）通信服務(wù)。隨應(yīng)用目的的不同提供不同的服務(wù)，包括

61、可靠的點(diǎn)對點(diǎn)和不可靠的組播通信，支持各種通信協(xié)議，提供通信鏈路延遲、帶寬和可靠性等指標(biāo)。</p><p>　?。?）信息服務(wù)。它提供方便可靠的機(jī)制，獲得不斷變化的各節(jié)點(diǎn)信息和狀態(tài)。</p><p>　?。?）名字服務(wù)。它提供全局統(tǒng)一的名字服務(wù)，典型的有國際通用的X.50標(biāo)準(zhǔn)或Internet上DNS標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　（5）文件系統(tǒng)。經(jīng)提供一個分布式文件系統(tǒng)

62、機(jī)制、全局存儲和緩存空間。</p><p>　?。?）安全認(rèn)證。它應(yīng)包括登錄認(rèn)證、可信賴、完整性和記帳等方面的安全性。</p><p>　?。?）監(jiān)視系統(tǒng)。它提供監(jiān)視系統(tǒng)資源和運(yùn)行情況的工具。</p><p>　?。?）資源管理和調(diào)度。它提供透明的資源管理、進(jìn)程序調(diào)度，高效地利用可利用的資源是系統(tǒng)的核心。</p><p>　?。?）資源交易機(jī)

63、制。為鼓勵不同組織或資源擁有者加入系統(tǒng)，應(yīng)提供一種計算資源的交易機(jī)制，允許提供資源者獲得利益，使系統(tǒng)能動態(tài)地取得最好的性價比資源。</p><p>　?。?0）節(jié)點(diǎn)自治。不影響各節(jié)點(diǎn)本地的管理和自主性，不改變原有的操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和服務(wù)，保證用戶和遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的安全性，允許遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)選擇加入或退出系統(tǒng)，盡量使用已存在的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，以便與已有的應(yīng)用兼容，并能提供可靠的容錯機(jī)制。</p><p>　

64、　（11）編程工具。必須提供豐富的用戶接口和編程環(huán)境，提供最常用的語言如：C++，MPI，PVM以及分布式共享存儲和一些函數(shù)庫等。</p><p>　?。?2）用戶圖形界面。它提供直觀的用戶訪問接口，包括Web方式，使用戶可以在任何位地、任何平臺上使用系統(tǒng)資源，供能在網(wǎng)格系統(tǒng)中傳輸和讀取的可視化工具。</p><p>　　2.3 網(wǎng)格系統(tǒng)的要求</p><p>　　

65、網(wǎng)格這個系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)、開放的通用協(xié)議和接口來協(xié)調(diào)分布式的資源以提供非平凡的服務(wù)質(zhì)量。這些要求是：</p><p>　　●協(xié)調(diào)非集中控制資源—網(wǎng)格整合各種資源，并協(xié)調(diào)各種使用者，這些資源和使用者在不同控制域中；</p><p>　　●使用標(biāo)準(zhǔn)、開放、通用的協(xié)議和界面—網(wǎng)格建立在多功能的協(xié)議和界面之上，這些協(xié)議和界面解決認(rèn)證、授權(quán)、資源發(fā)現(xiàn)和資源存取等基本問題；</p><

66、p>　　●提供非平凡的服務(wù)質(zhì)量—網(wǎng)格允許它的資源被協(xié)調(diào)使用，以提供多種服務(wù)質(zhì)量，滿足不同使用者需求，如系統(tǒng)響應(yīng)時間、流通量、有效性、安全性及資源重定位，使得整個聯(lián)合起來系統(tǒng)的功效比其各部分的功效總和要大得多。</p><p>　　2.4 網(wǎng)格系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)</p><p>　　網(wǎng)格系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、網(wǎng)格操作系統(tǒng)設(shè)計、安全誰技術(shù)、應(yīng)用模式設(shè)計等。網(wǎng)格體系

67、統(tǒng)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格操作系統(tǒng)的設(shè)計最為重要。</p><p><b>　?。?）寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)</b></p><p>　　網(wǎng)格的互聯(lián)網(wǎng)要比因特網(wǎng)具有更大的帶寬，以解決目前互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸能力不足的問題。能信能力的好壞對網(wǎng)格系統(tǒng)提供的性能影響甚大，要做到計算能力“即連即用”必須要高質(zhì)量的寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持。用戶要獲得延遲小，可靠的通信服務(wù)也離不開高速的網(wǎng)絡(luò)。</p>

68、<p><b>　　（2）體系結(jié)構(gòu)設(shè)計</b></p><p>　　網(wǎng)格體繁育結(jié)構(gòu)是網(wǎng)格的骨架和靈魂，是網(wǎng)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。網(wǎng)格體系機(jī)構(gòu)的研究對網(wǎng)格的研究與構(gòu)建有重要的意義，它是解決網(wǎng)格系統(tǒng)有哪些組成部分，各組成部分之間的關(guān)系及如何協(xié)同工作的問題。</p><p>　　由于它的重

69、要性，我們將會在后面詳細(xì)介紹。</p><p>　?。?）網(wǎng)格操作系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　網(wǎng)格系統(tǒng)中管理的是廣域分布、動態(tài)、異構(gòu)的資源，網(wǎng)格操作系統(tǒng)應(yīng)屏蔽這些資源的分布、異構(gòu)特性，向網(wǎng)格應(yīng)用提供透明、一致的使用接口。一個理想的網(wǎng)格系統(tǒng)應(yīng)類似當(dāng)前的Web服務(wù)，可以構(gòu)建在當(dāng)前所有硬件和軟件平臺上，給用戶提供完全透明的計算環(huán)境（把眾多同構(gòu)、民構(gòu)的資源變成同構(gòu)的虛擬計算環(huán)境）。</p&

70、gt;<p><b>　　（4）安全認(rèn)證技術(shù)</b></p><p>　　網(wǎng)格的安全認(rèn)證是網(wǎng)格的難點(diǎn)，也是系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。在資源全面共享和站點(diǎn)協(xié)同工作的網(wǎng)格系統(tǒng)中，網(wǎng)格必須為站點(diǎn)管理者提供訪問控制等安全按理機(jī)制，以確保信息的保密性（Confidentiality）、完整性（Integrity）和確定性（Authentication）。管理者可以自由地決定可以共享哪些資源、共享給

71、誰和不能共享哪些資源。當(dāng)然，這種權(quán)限控制必須是易維護(hù)且獨(dú)立于資源本身，同時應(yīng)該在邏輯上提供不同安全管理層次和控制力度。一般來說，網(wǎng)格安全體系結(jié)構(gòu)可邏輯劃分為以下幾層：</p><p>　　操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)傳輸層；</p><p>　　各種網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)安全技術(shù)；</p><p>　　安全抽象層，負(fù)責(zé)對不同的安全技術(shù)進(jìn)行封裝，給上層安全協(xié)議提供統(tǒng)一的接口；</p>

72、;<p><b>　　各種網(wǎng)格安全協(xié)議；</b></p><p>　　基于網(wǎng)格安全協(xié)議和各種應(yīng)用。</p><p>　　為了保證在網(wǎng)格中各管理系統(tǒng)和層面上都有安全保障，通常需解決如下關(guān)鍵問題；用戶單點(diǎn)登錄、用戶與資源屬性、資源的動態(tài)性、環(huán)境的異構(gòu)性、任務(wù)的多樣性等的安全認(rèn)證問題。</p><p><b>　?。?）使用模

73、式設(shè)計</b></p><p>　　網(wǎng)格使用模式解決的是如何使用網(wǎng)格超級計算機(jī)的問題。在現(xiàn)有的操作系統(tǒng)上，計算機(jī)用戶可使用各種軟件工具來完成各種任務(wù)。而在網(wǎng)格環(huán)境下，用戶需要通過新的方式來利用網(wǎng)格系統(tǒng)資源。因此，在網(wǎng)格操作系統(tǒng)上設(shè)計開發(fā)各種工具、應(yīng)用軟件是網(wǎng)格使用模式在天之靈需要解決的關(guān)鍵問題。目前美國Argonne國家實驗室所開發(fā)的MPICH-C2是廣泛應(yīng)用的開放式網(wǎng)格編程環(huán)境，Web Servic

74、e技術(shù)正被眾多研究人員所推崇。</p><p>　　2.5 網(wǎng)格系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　由于網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)在網(wǎng)格建造中的重要作用，下面我們來研究一下網(wǎng)格系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。</p><p>　　2.5.1 網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)的概念</p><p>　　網(wǎng)格體繁育結(jié)構(gòu)就是關(guān)于如何建造網(wǎng)格的技術(shù)。它給出了網(wǎng)格的基本組成與功能，描述了網(wǎng)格各組成部分

75、的關(guān)系以及它們集成的方式或方法，刻畫了支持網(wǎng)格有效運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)制[10]。簡言之，網(wǎng)格體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就是解決網(wǎng)格系統(tǒng)有哪些組成部分、各組成部分之間的關(guān)系以及如何協(xié)同工作的問題。Foster將網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)定義為“劃分系統(tǒng)基本構(gòu)件，指定系統(tǒng)構(gòu)件的目的與功能，說明構(gòu)件之間如何相互作用的技術(shù)”。</p><p>　　2.5.2 網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)的基本要求</p><p>　　網(wǎng)格體繁育結(jié)構(gòu)的基本要求包括以下四

76、方面：</p><p>　　（1）為應(yīng)用提供單一分布資源全局視圖和聚集各種分布的自治資源成為一個系統(tǒng)，不能破壞現(xiàn)有系統(tǒng)，不導(dǎo)臻應(yīng)用程序的重新編寫；</p><p>　?。?）不同組織之間資源共享互操作是必不可少的，可以對資源直接訪問而不單單是文件共享和交換，具體體現(xiàn)在各種資源構(gòu)件之間和機(jī)制之間；</p><p>　?。?）有一套標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議是至關(guān)重要的，在遵守標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議

77、的前提下，才能使允許跨節(jié)點(diǎn)的協(xié)同工作、允許基礎(chǔ)下部組織共享成為可能；沒有標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，互操作和共享很難實現(xiàn)，重復(fù)開發(fā)和安裝不可避免；</p><p>　?。?）從Grid實現(xiàn)者的角度來看，網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)是一個層次型中間作服務(wù)集合，按照現(xiàn)代軟件系統(tǒng)的設(shè)計原則，以服務(wù)的方式為應(yīng)用工具和應(yīng)用的開發(fā)提供支持而服務(wù)的實現(xiàn)必須能夠自由地使用各個層次上的功能和服務(wù)進(jìn)行構(gòu)造。</p><p>　　2.5.3

78、幾種常見的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　目前對網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計已有了一定的研究，提出的模型有：五層沙漏模型、開放網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)（OGSA）、模型組件模型、計算池模型、CPU模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、節(jié)點(diǎn)模型等。這里主要介紹一下三種比較重要的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)：五層沙漏結(jié)構(gòu)、開放網(wǎng)絡(luò)體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（OGSA）以及WSRF結(jié)構(gòu)。</p><p><b>　?。ㄒ唬┪鍖由陈┙Y(jié)構(gòu)</b>

79、</p><p>　　五層沙漏結(jié)構(gòu)是Foster等在早些時候提出的。它是一種經(jīng)典的結(jié)構(gòu)模型，是一種以“協(xié)議”為中心的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)協(xié)議在網(wǎng)格的資源共享和互操作中的地位。</p><p>　　（1）五層沙漏結(jié)構(gòu)中五層的劃分</p><p>　　根據(jù)層次協(xié)議結(jié)構(gòu)中各組成部分與共享資源的距離，將對共享資源進(jìn)行操作、管理和使用的功能分散在5個不同的層次，分別是構(gòu)造層（fabri

80、c），連接層（Connectivity），資源層（Resource），匯集層（Collective）和應(yīng)用層（Application）?；谖鍖訁f(xié)議的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)使得不同的網(wǎng)格應(yīng)用可以在統(tǒng)一的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)框架下使用相販底層協(xié)議。</p><p>　　構(gòu)造層：它們是物理或邏輯實體，作用是向上提供可供共享的資源。</p><p>　　連接層：是網(wǎng)格中網(wǎng)絡(luò)事務(wù)處理通信和授權(quán)控制的核心協(xié)議。構(gòu)造層

81、提交的各種資源間數(shù)據(jù)交換都在這一層的控制下實現(xiàn)，并實現(xiàn)各資源間的授權(quán)驗證、安全控制等。</p><p>　　資源層：共享單獨(dú)的資源。定義在個別資源上的共享操作的安全協(xié)商、創(chuàng)始、監(jiān)控、控制、記帳和付費(fèi)方面的協(xié)議。這些協(xié)議的實現(xiàn)調(diào)用構(gòu)造層的功能來訪問和控制本地的資源。資源層只關(guān)心單個的局部資源，不考慮跨分布收集的全局性和原子性（如事務(wù)）問題。</p><p>　　匯集層：定義全局的、跨所有資源

82、捕捉相互作用的協(xié)議和服務(wù)，實現(xiàn)多個資源的協(xié)調(diào)、匯集，供虛擬組織的應(yīng)用程序共享、調(diào)用。</p><p>　　應(yīng)用層：由網(wǎng)格（虛擬組織）用戶操作的應(yīng)用組成。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)。</p><p>　　為了便于理解，該五層與廣為使用的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)的對比如圖2.2所示：</p><p>　　圖2.2 五層結(jié)

83、構(gòu)TCP/IP 協(xié)議的對比</p><p><b>　　（2）沙漏的形狀</b></p><p>　　五層沙漏結(jié)構(gòu)是一個抽象層次結(jié)構(gòu)，它的一個重要特點(diǎn)糖水是“沙漏”形狀[11]（如圖2.3所示）。究其原因在于各層協(xié)議的數(shù)量不同，對于最核心的部分——沙漏的瓶頸，定義核心抽象和協(xié)議的一個小集合（如在Internet中的TCP和HTTP）。許多不同的高層（沙漏的頂部）行為映

84、射到它們的上面，它們自身也能被映射至不同的基本技術(shù)之上（沙漏的底部），所以核心協(xié)議的數(shù)量必須是較少的。較少的核心協(xié)議有利于移植，也容易實現(xiàn)和得到支持。在五層結(jié)構(gòu)中， 資源層和連拉層共同組成這一核心的瓶頸部分。</p><p>　　圖2.3 五層沙漏模型協(xié)議分布圖</p><p>　　開放網(wǎng)格服務(wù)體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖2.4 OGSA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p&g

85、t;<p>　　開放網(wǎng)格服務(wù)結(jié)構(gòu)OGSA（Open Grid Services Architecture）是在以IBM為代表的工業(yè)界的影響下，在考慮到Web技術(shù)的發(fā)展與影響后，F(xiàn)oster等結(jié)合Web Service提出的，是Grid Global forum 4的重要標(biāo)準(zhǔn)建議。圖2.4是OGSA的體系結(jié)構(gòu)圖，它的三個主要邏輯組件是開放網(wǎng)格服務(wù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、OGSA服務(wù)和OGSA模式。</p><p>

86、<b>　?。?）基本思想</b></p><p>　?、僖苑?wù)為中心的結(jié)構(gòu)</p><p>　　如果說五層沙漏結(jié)構(gòu)是以協(xié)議為中心的“協(xié)議結(jié)構(gòu)”，則OGSA就是以服務(wù)為中心的“服務(wù)結(jié)構(gòu)”。在OGSA中，服務(wù)所指的概念更廣，包括穩(wěn)中有各種計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)、程序、數(shù)據(jù)庫等等，簡而言之，一切都是服務(wù)。五層模型試圖實現(xiàn)的是對資源的共享，而在OGSA中，實現(xiàn)的將是對服務(wù)

87、的共享。</p><p>　　為了使服務(wù)的思想更加明確和具體，OGSA定義了“網(wǎng)格服務(wù)”（Grid Service）的概念。網(wǎng)格服務(wù)是一種Web Service，該服務(wù)提供了一組接口，這些接口的定義明確并且遵守特定的慣例，解決服務(wù)發(fā)現(xiàn)、動態(tài)服務(wù)創(chuàng)建、生命周期管理、通知等問題。在OGSA中，將一切都看作是網(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，即網(wǎng)格={網(wǎng)格服務(wù)}。網(wǎng)格服務(wù)可以以不同的方式聚集起來滿足虛擬組織

88、的需要，虛擬組織自身也可以部分地根據(jù)它們操作和共享的服務(wù)來定義。簡單地說，網(wǎng)格服務(wù)=接口/行為+服務(wù)數(shù)據(jù)。如圖2.5對網(wǎng)格服務(wù)的簡單描述。</p><p>　　圖2.5 網(wǎng)格服務(wù)示意圖</p><p>　　與五層模型一樣，在OGSA中也非常重視互操作性，但是從服務(wù)的觀點(diǎn)，OGSA將互操作性問題轉(zhuǎn)化為兩個子問題，即定義服務(wù)的接口和識別激活特定接口的協(xié)議。</p><p&g

89、t;　?、诮y(tǒng)一的Web Service框架</p><p>　　一個Web Service就是一個可以被URI識別的軟件應(yīng)用，它的接口和綁字可以被XML（eXtensible Markup Language）描述與發(fā)現(xiàn)，并且可以通過基于Internet的協(xié)議直接支持與其它基于XML消息的軟件應(yīng)用交互。Web Service在W3C中由三個工作組和一個協(xié)調(diào)組組成，這三個工作組分別是 Web Service結(jié)構(gòu)工作組

90、，XML協(xié)議工作組，Web Service描述工作組。</p><p>　　WebService描述了一種新出現(xiàn)的、重要的分布式計算范式，和DCE，CORBA，JAVA RMI等方法不同，它更強(qiáng)調(diào)基于單個INTERNET標(biāo)準(zhǔn)（XML）來解決異構(gòu)分布計算的問題。WebService定義了一種技術(shù)，用于描述被訪問的軟件構(gòu)件、訪問構(gòu)件的方法以及找到相關(guān)服務(wù)提供者的發(fā)現(xiàn)方法，WebService并不傾向于特定的編程語言、

91、編程模型以及系統(tǒng)軟件。</p><p>　　表2-1 網(wǎng)格服務(wù)的接口</p><p>　　OGSA是符合標(biāo)準(zhǔn)的WebService框架的。WebService解決了發(fā)現(xiàn)和激發(fā)永久服務(wù)的問題，但是在網(wǎng)格中，大量的是臨時服務(wù)，因此OGSA對WebService進(jìn)行了擴(kuò)展，提出了網(wǎng)格服務(wù)(Grid Service)的概念，使得它可以支持臨時服務(wù)實例，并且能夠動態(tài)創(chuàng)建和刪除。表2-1列出了網(wǎng)格服務(wù)

92、的接口，其中只有Grid Service接口是必需的，而其它的接口都是可選的。風(fēng)格服務(wù)是由他們提供的能力來刻畫的。一個網(wǎng)格服務(wù)實現(xiàn)一個到多個接口，每一個接口定義了一些操作，這些操作通過交換定義好的一系列消息來激活。網(wǎng)格服務(wù)接口和WSDL的ProtTypes相對應(yīng)，網(wǎng)格服務(wù)提供PortTypes的集合，包括一些與版本有關(guān)的附加信息，在網(wǎng)格服務(wù)中用Servicetype來描述，Servicetype是OGSA定義的WSDL的擴(kuò)展元素。<

93、;/p><p>　　由于OGSA采用統(tǒng)一的Web Service框架，因此很自然就具備了原來Web Service的所有有利因素，比如服務(wù)描述和發(fā)現(xiàn)；可以從服務(wù)描述中自動產(chǎn)生客戶與服務(wù)端的代碼；將服務(wù)描述和互操作的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議綁定在一起；和新出現(xiàn)的高級開放標(biāo)準(zhǔn)、服務(wù)和工具兼容；有廣泛的工商業(yè)支持等等。</p><p>　?。?）OGSA的兩大支撐技術(shù)</p><p><

94、;b>　?、貵lobus</b></p><p>　　Globus是一種開放結(jié)構(gòu)，開放源碼的服務(wù)的集合，也是支持網(wǎng)格與網(wǎng)格應(yīng)用軟件庫，該工具包解決了安全、信息發(fā)現(xiàn)、資源管理、數(shù)據(jù)管理、通信、錯誤檢測以及可移植等問題。Globus工具包在世界上的許多網(wǎng)格項目中被使用。</p><p>　?、赪eb Serice</p><p>　　關(guān)于XML協(xié)議方面

95、的工作是Web Service的基礎(chǔ)。由于XML在分布式應(yīng)用之間被廣泛用于作為信息交換的方式，在2000年9月Web Service的XML工作組成立。</p><p>　　Web服務(wù)中常用的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，如簡單對象訪問協(xié)議（SOAP）、Web服務(wù)描述語言（WSDL）、Web服務(wù)探查（WS-Inspection）、通用發(fā)現(xiàn)和集成描述（UDDL）。</p><p>　　SOAP是基于可擴(kuò)展標(biāo)識語

96、言（XML）的遠(yuǎn)程調(diào)用（RPC）協(xié)議，用來描述通用的WSDL對象。通過對SOAP加以擴(kuò)展（如數(shù)字簽名、加密），提供Web服務(wù)框架的安全性。WSDL是Web服務(wù)的接口定義語言，用來描述服務(wù)，包括接口和訪問的方法。通常，復(fù)雜的服務(wù)是由若干服務(wù)組成的。WS-Inspection用來定位服務(wù)提供者公布的服務(wù)。UDDI則定義了Web服務(wù)的目錄結(jié)構(gòu)。</p><p><b>　　（三）WSRF</b>&

97、lt;/p><p>　　2004年，IBM，Globus聰明和HP在Globus WORLD會議上共同提出了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)資源框架（WSRF）。WSRF是表示有狀態(tài)資源和Web服務(wù)之間關(guān)系的一種新方法，是網(wǎng)格技術(shù)與Web服務(wù)相結(jié)合的具體體現(xiàn)，也是網(wǎng)格技術(shù)發(fā)展史上的一座里程碑。WSRF結(jié)構(gòu)的提出對網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展產(chǎn)生了非常重要的影響。</p><p>　?。?）WSRF提出的背影</p>

98、<p>　　WSRF與Web服務(wù)具有緊密的聯(lián)系。一般而言，Web服務(wù)的實現(xiàn)是通過一系列的棧技術(shù)規(guī)范來完成的，棧技術(shù)規(guī)范是一個完整的技術(shù)體系，所括UDDI、SOAP、WSDL、XML、WSFL等，Web服務(wù)是基于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議而建立起來的，其主要功能協(xié)議包括消息傳遞、服務(wù)描述、工作流描述、服務(wù)發(fā)現(xiàn)與集成四個部分。同時， 也要求自上而下的服務(wù)質(zhì)量管理和安全性保證機(jī)制。Web服務(wù)是通過Web入口進(jìn)行訪問，提供XML接口，利用W

99、eb服務(wù)注冊器進(jìn)行注冊與定位，并支持系統(tǒng)間的松散耦合連接的一套協(xié)議規(guī)范和機(jī)制。而網(wǎng)格技術(shù)的本質(zhì)是在分布、異構(gòu)資源基礎(chǔ)上實現(xiàn)資源共享和協(xié)同工作，因而Web服務(wù)的協(xié)議和特性就為網(wǎng)格技術(shù)的實現(xiàn)提供了良好的支撐環(huán)境。</p><p>　　傳統(tǒng)的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)是基于OGSA/OGSI來實現(xiàn)的，但是OGSI自身存在著若干缺點(diǎn)和不足，對網(wǎng)格技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展形成了一定程度的阻礙，其主要缺點(diǎn)表現(xiàn)在[12]：</p>&

100、lt;p>　?、儆捎贠GSI單個規(guī)范中的內(nèi)容太多，所有接口和操作都與服務(wù)數(shù)據(jù)有關(guān)，缺乏通用性，而且OGSI規(guī)范沒有對資源和服務(wù)進(jìn)行區(qū)分；</p><p>　?、诓荒芎同F(xiàn)存的Web服務(wù)和XML工具很好地工作；</p><p>　?、厶嗟拿嫦?qū)ο螅琌GSI通過封裝資源的狀態(tài)，將具有狀態(tài)的資源建模為Web服務(wù)，這種做法引起了“Web服務(wù)沒有狀態(tài)和實例”的爭議，同時某些Web服務(wù)的實現(xiàn)不能

101、適應(yīng)網(wǎng)格服務(wù)的動態(tài)創(chuàng)建和銷毀；</p><p>　　④網(wǎng)格服務(wù)的定義語言GWSDL不能作為可支持Web服務(wù)描述語言WSDL1.1的功能擴(kuò)展，由于WSDL2.0發(fā)布的延遲使之很難支持OGSI定義。</p><p>　　針對這些問題，WSRF提出了比較全面和徹底的解決方案，WSRF結(jié)構(gòu)強(qiáng)調(diào)網(wǎng)格技術(shù)主要是由Web服務(wù)和有狀態(tài)資源組成的，而有狀態(tài)資源是指可以保持一個具體的同時也可以被XML語言說明

102、的狀態(tài)數(shù)據(jù)，它可以被一個或者多個Web服務(wù)訪問，擁有在被創(chuàng)建時就分配的定義完整的實體，這個實體是以創(chuàng)建資源、撤銷生命周期來表示的，并具有多種實現(xiàn)方式。</p><p>　　（2）WSRF的服務(wù)機(jī)制</p><p>　　圖3.6 WSRF在OGSA中的位置</p><p>　　在WSRF結(jié)構(gòu)中的Web服務(wù)是一種運(yùn)行在有狀態(tài)資源上的無狀態(tài)服務(wù)。Web服務(wù)和有狀態(tài)資源是分

103、開的，Web服務(wù)是無狀態(tài)的。從本質(zhì)上而言，WSRF是一組Web服務(wù)規(guī)范，它從特定的消息交換和XML規(guī)范的角度，定義了Web服務(wù)資源(WS-Resource)方法的表現(xiàn)形式。這些規(guī)范可以用來構(gòu)建Web服務(wù)和一個或者多個有狀態(tài)的資源之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。</p><p>　　WSRF使用了不同的結(jié)構(gòu)來模型化有狀態(tài)資源和相應(yīng)的Web服務(wù)，而OGSI則是采用同一種結(jié)構(gòu)來模型化狀態(tài)資源以作為一個Web服務(wù)進(jìn)行表示。在這一點(diǎn)上WS

104、RF比OGSI更具有表達(dá)力，因為它允許Web服務(wù)和任何相關(guān)聯(lián)的有狀態(tài)資源之間可以形成多對多的映射，而OGSI只能形成一對一的映射關(guān)系。另外，在OGSI中能表達(dá)的模式在WSRF中也都可以表達(dá)。</p><p>　　Web服務(wù)資源是Web服務(wù)和有狀態(tài)資源的組合，它被表示為帶有明確定義類型的XML文檔和Web服務(wù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，也包括用來尋址和訪問的端點(diǎn)和引用方法，同時還提供狀態(tài)執(zhí)行所需要環(huán)境。在WSRF中，不同的實體具有

105、不同的生命周期和資源能力，相應(yīng)的資源特性可以表示為Web服務(wù)資源特性文檔中的一個XML元素，客戶端是通過WSDL的端口類型來得到Web服務(wù)資源特性文檔的，Web服務(wù)資源特性文檔用來充當(dāng)Web服務(wù)資源實際狀態(tài)的視圖或投影。WSRF通過約定的Web服務(wù)機(jī)制來使Web服務(wù)資源可以被聲明、創(chuàng)建、訪問、監(jiān)測、改變和撤銷，同時不需要對相關(guān)聯(lián)的有狀態(tài)資源進(jìn)行處理。</p><p>　　（3）WSRF的設(shè)計理念</p>

106、;<p>　　WSRF針對OGSI的不足之處進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)和完善，具體體現(xiàn)在如下幾個方面：</p><p>　　WSRF的定義是由五個文檔和一個補(bǔ)充文檔組成的，簡化了OGSI的說明規(guī)范；</p><p>　　WSRF在設(shè)計時就全面考慮了Web服務(wù)生成的相關(guān)對象的特性，這使得當(dāng)前的Web服務(wù)工具可以有效地支持WSRF更新和進(jìn)一步的改進(jìn)，解決了OGSI不能使用現(xiàn)有的Web服務(wù)工

107、具的問題；</p><p>　　在面向?qū)ο髥栴}上，WSRF清晰的將Web服務(wù)與有狀態(tài)資源進(jìn)行公離，使得Web服務(wù)不具有狀態(tài)信息。</p><p>　　Web服務(wù)和有狀態(tài)資源之間的關(guān)系是以資源模式（Resource Pattern）的方式進(jìn)行描述的，它定義了有狀態(tài)資源與Web服務(wù)時行消息交換的關(guān)聯(lián)機(jī)制。這種機(jī)制可以分為靜態(tài)和動態(tài)兩種類型：如果在執(zhí)行前有狀態(tài)資源就與Web服務(wù)相關(guān)聯(lián)，那就是靜態(tài)

108、的關(guān)聯(lián)機(jī)制；如果有狀態(tài)資源是在消息交換時與服務(wù)查關(guān)聯(lián)的，那么就是動態(tài)的關(guān)聯(lián)機(jī)制。</p><p>　　第3章 基于Web的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)</p><p>　　基于Web的網(wǎng)格系統(tǒng)的提出是為了把Internet上閑置的資源利用起來，幫助那些沒有硬件設(shè)施的組織或個人處理大型作業(yè)。本章著重介紹了基于Web的網(wǎng)格系統(tǒng)的組成及其工作原理等方面的知識。</p><p>　　3.1 統(tǒng)