網(wǎng)格技術(shù)的教育應用

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)內容,介紹了開(kāi)放網(wǎng)格體系結構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(gè)大的時(shí)期,第一個(gè)時(shí)期為源,正如電力網(wǎng)為千家萬(wàn)戶(hù)供電一樣,用戶(hù)不必關(guān)心使Internet時(shí)期,第二個(gè)時(shí)期為Web時(shí)期,第三個(gè),被稱(chēng)的電力來(lái)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(shí)期。這三個(gè)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(shí)期的演變及區別如圖1所示。只需接通電源即可獲得源源不斷的電力供應。目前網(wǎng)格權威的定義是2001年堪稱(chēng)世界網(wǎng)格之父[1965年到現在1980年到現在1993年到現在Ian Foster對網(wǎng)格的定義:動(dòng)態(tài)多機構虛擬組織中的Internet計算機的連通|網(wǎng)頁(yè)的連通資源的全面連通和共享資源共享和協(xié)同問(wèn)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(shí)質(zhì)就是共享與協(xié)作,共享是基礎,協(xié)作是結果。沒(méi)有開(kāi)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(shuō)傳統互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現了計算機硬件的連通,萬(wàn)維2.網(wǎng)格特征網(wǎng)實(shí)現了全球網(wǎng)頁(yè)的連通,網(wǎng)格技術(shù)則是要利用互聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)單地講,網(wǎng)格是把整個(gè)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、硬件設備、軟件、數超級計算機,實(shí)現計算資源、存儲資源、數據資源、信據等資源組織成一臺“虛擬的超級計算機”。息資源、軟件資源、通信資源、知識資源、專(zhuān)家資源等的全面共享和協(xié)同。當然,網(wǎng)格并不一定非要這么大、網(wǎng)格概況我們也可以構造地區性的網(wǎng)格、企事業(yè)內部網(wǎng)格、局域網(wǎng)格來(lái)源網(wǎng)網(wǎng)格,甚至家庭網(wǎng)格和個(gè)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90年代中期,是是它的規模,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(guò)來(lái)的,網(wǎng)格把分術(shù)特征包括:布在各地的計算機連接起來(lái),讓不同用戶(hù)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(jiǎn)介:王琳,研究生。刁永鋒,教授,碩士生導師◆動(dòng)態(tài)功能、開(kāi)放系統?！に拇ㄊ】萍紡d重點(diǎn)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(lèi)務(wù),包括計算機、程序、數據、儀器設備等。這種觀(guān)根據網(wǎng)格所管理的資源類(lèi)型,網(wǎng)格通?？梢苑譃?念,有利于通過(guò)統一的標準接口來(lái)管理和使用網(wǎng)格。計算網(wǎng)格、數據網(wǎng)格、設備網(wǎng)格與應用網(wǎng)格,其中應用下面我們從結構層次上對OGSA進(jìn)行深入的分析。OGSA網(wǎng)格從實(shí)現技術(shù)上來(lái)說(shuō)需要借助于計算網(wǎng)格、數據網(wǎng)格架構由四個(gè)主要的層次構成(如圖2所示),從下到上依等。在這四大類(lèi)網(wǎng)格中,可根據實(shí)際應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應用程序層。Peer(p2p點(diǎn)對點(diǎn))應用、商業(yè)應用網(wǎng)格等網(wǎng)格現狀目前全球知名的網(wǎng)格項目有:美國能源部的加速戰OGSAAchdeded Servces略計算ASCI計劃,目標是構造100萬(wàn)億次的超級計算機OGSI Open Gnd Servces ntrastrucres系統、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(jìn)行研發(fā),并構建高性能基礎設施;Petaflops計劃開(kāi)發(fā)構造千萬(wàn)億次級系統的技術(shù);最新的 UItrascale計劃目標在2010年研制萬(wàn)萬(wàn)億次級系統。歐盟的歐洲網(wǎng)格計劃( Eurogrid)和數據網(wǎng)格計圖2開(kāi)放網(wǎng)格體系站構0GSA架構劃( DataGrid);日本政府2003年投資了一億美元,啟動(dòng)“國家網(wǎng)格研究”和“國家商業(yè)網(wǎng)格”兩個(gè)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。構成網(wǎng)格能力的資源我國目前在這個(gè)領(lǐng)域開(kāi)啟了五個(gè)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、存儲負責的國家網(wǎng)格( CNGrid)、教育部負責的中國教育器和網(wǎng)絡(luò )。物理資源之上是邏輯資源,它們通過(guò)虛擬化科研網(wǎng)格技術(shù) Chinagrid,、國家自然科學(xué)基金委負責的和聚合物理層的資源來(lái)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、數據庫、目錄和工作流管間信息網(wǎng)格。理等抽象服務(wù)。二、網(wǎng)格體系結構2.Web服務(wù)層:包括Web服務(wù)和OGSI。0GSI(開(kāi)放網(wǎng)格服務(wù)基礎結構0 pen Grid Services Infrastructure)網(wǎng)格體系結構是關(guān)于如何建造網(wǎng)格的技術(shù),包括對規范定義了網(wǎng)格服務(wù)并建立在標準的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(yǔ)言這樣的Web機部分相互關(guān)系與集成方法的規定,網(wǎng)格有效運行機制的制,為所有網(wǎng)格資源指定標準的接口、行為與交互刻畫(huà)。顯然,網(wǎng)格體系結構是網(wǎng)格的骨架和靈魂,是網(wǎng)0GSI進(jìn)一步擴展了Web服務(wù)的定義,提供了動(dòng)態(tài)的、有格最核心的技術(shù),只有建立合理的網(wǎng)格體系結構,才能夠設計和建造好網(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(jìn)行建模時(shí)都是必需的。開(kāi)放網(wǎng)格體系結構0GSA(0 pen Grid Services3.基于0GSA架構的網(wǎng)格服務(wù)層:Web服務(wù)及其GSIArchitecture)被稱(chēng)為是下一代的網(wǎng)格體系結構,它擴展為上一層提供了基礎設施——基于架構的網(wǎng)格服sere技術(shù)提出來(lái)的,0S包括兩大關(guān)鍵技術(shù)即網(wǎng)多是在原來(lái)“五層沙漏結構”的基礎上,結合最新的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)格架構的服務(wù)。隨著(zhù)這些新架構的服務(wù)開(kāi)數于cmee gs2007年第5期(總第51期始出現,0GSA將變成更加有用的面向服務(wù)的架構個(gè)CGSP平臺由多個(gè)功能模塊構成,如圖3所示。4.網(wǎng)格應用程序層:隨著(zhù)時(shí)間的推移,一組豐富的基于網(wǎng)格架構的服務(wù)不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái),使用一個(gè)或多城 Portal個(gè)基于網(wǎng)格架構的服務(wù)的新網(wǎng)格應用程序不斷出現。比網(wǎng)「網(wǎng)格開(kāi)發(fā)環(huán)境較有代表性的開(kāi)發(fā)工具有 coG kits, MPICH-G2, Condor-G, My Proxy等,這些應用程序構成了0GSA架構的第四格安信息中心全統一管理層層計算接點(diǎn)層、網(wǎng)格在教育中的應用及相關(guān)技術(shù)圖3cGSP邏輯結構圖1.中國教育科研網(wǎng)格 ChinagridCGSP共劃分為六個(gè)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(mén)戶(hù)( Porta1):作為 Chinagrid的網(wǎng)五”211工程公共服務(wù)體系建設的重大專(zhuān)項。中國教育格服務(wù)展現方式,網(wǎng)格門(mén)戶(hù)是最終用戶(hù)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(guò)網(wǎng)格門(mén)戶(hù),用戶(hù)可以提交作業(yè)、監視作業(yè)運校的大量計算資源和信息資源,開(kāi)放相應的網(wǎng)絡(luò )軟件,行、管理和傳輸數據、查詢(xún)網(wǎng)格資源信息,同時(shí)網(wǎng)格門(mén)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(hù)還具有用戶(hù)管理、網(wǎng)格資源使用記賬等功能的分布異構的海量資源集成起來(lái),實(shí)現 CERNET環(huán)境下(2)網(wǎng)格開(kāi)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(kāi)發(fā)?？蒲芯W(wǎng)用戶(hù)的桌面上,成為國家科研教學(xué)服務(wù)的大平(3)信息中心:其主要功能是負責網(wǎng)格環(huán)境中各類(lèi)資源的管理,實(shí)現一個(gè)全局的資源視圖,提供網(wǎng)格信息ChinaGrid的長(cháng)遠目標是建設中國乃至世界上“最服務(wù),使得最終用戶(hù)透明訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)格環(huán)境上的計算節點(diǎn)、大、最先進(jìn)、最實(shí)用”的網(wǎng)格系統。從最初的12所高校應用程序以及各類(lèi)儀器設備等。開(kāi)始, Chinagrid的覆蓋面正在不斷擴展之中,最終將(4)統一管理層:其主要功能是為網(wǎng)格環(huán)境中各類(lèi)覆蓋全國的大、中、小學(xué)和其它科研教育機構,其用戶(hù)作業(yè)操作提供基礎支持,具體分為如下四個(gè)子模塊群也會(huì )由現在的領(lǐng)域專(zhuān)家和專(zhuān)業(yè)用戶(hù)擴展為包括中小學(xué)◆服務(wù)容器:其主要功能是在計算節點(diǎn)上,提供生在內的普通用戶(hù)個(gè)網(wǎng)格服務(wù)安裝、部署、運行、監控的環(huán)境,并為監視2.中國教育科研網(wǎng)格公共支撐平臺CGSP計算節點(diǎn)的資源實(shí)時(shí)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◆數據管理:主要功能是負責網(wǎng)格環(huán)境中各類(lèi)存儲Support Platform,簡(jiǎn)稱(chēng)CGSP)是為 Chinagrid的建資源和文件數據的管理,實(shí)現一個(gè)全局的文件數據視設和發(fā)展而研制的網(wǎng)格核心中間件。CGSP基于當前圖,使得用戶(hù)透明訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)格環(huán)境上的各種數據文件CERNET網(wǎng)絡(luò )及將來(lái) 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)和數據管理的整的網(wǎng)格服務(wù)支撐平臺。它對教育和科研系統中的各種基礎上,為最終用戶(hù)執行計算任務(wù)提供一個(gè)虛擬的計算資源進(jìn)行整合,屏蔽網(wǎng)格資源的異構性和動(dòng)態(tài)性,為各平臺,實(shí)現對數據和資源的透明訪(fǎng)問(wèn)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(hù)管理、日格服務(wù)體系。CCSP提供 Chinagrid的服務(wù)門(mén)戶(hù),同時(shí)也志CNMHG以心鬥時(shí)人互,使得域管理員可以為各種網(wǎng)格應用提供一套完整的開(kāi)發(fā)和部署環(huán)境。整方便地對本域的用戶(hù),服務(wù)和資源,域間交互策略等進(jìn)58emaiemee@.net2007年第5期(總第51期)中國現代散育裝備行管理究、大型地質(zhì)災害預測等應用(5)網(wǎng)格安全:所提供的功能包括用戶(hù)身份的認(3)“圖像處理網(wǎng)格”是基于 Chinagrid之上,直證、資源和服務(wù)的授權以及用戶(hù)身份到資源授權的映射接利用其廣域的大規模計算資源和軟件資源充分實(shí)現網(wǎng)等格互操作特性,以安全、透明的方式為用戶(hù)提供圖像處(6)計算節點(diǎn)層:真正提供網(wǎng)格服務(wù)的節點(diǎn),可以理相關(guān)服務(wù)的應用平臺,目前有三維虛擬人的重建是集群等大型計算設備,也可以是普通微機和工作站感圖像處理、醫學(xué)圖像處理等應用。等(4)“海量信息處理網(wǎng)格”是以數據密集型為背景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,如高能物理數據處理及大學(xué)數字網(wǎng)格應用的開(kāi)發(fā)、調試、部署、運行管理以及系統監控博物館網(wǎng)格等,實(shí)現了4個(gè)大學(xué)的數字博物館的互聯(lián)等各個(gè)環(huán)節?；贑GSP,整個(gè) Chinagrid網(wǎng)格系統可以(5)“大學(xué)課程在線(xiàn)網(wǎng)格”的規模已經(jīng)達到20個(gè)服構造成一個(gè)分層樹(shù)型結構。CGSP的主要特點(diǎn)包括:符合務(wù)節點(diǎn),其中總共近3000小時(shí)的課程視頻,每天接納近oGSA規范,參照網(wǎng)格最新理念wSRF(Web服務(wù)資源框架萬(wàn)人次的開(kāi)放式點(diǎn)播訪(fǎng)問(wèn),已經(jīng)成為我國規模最大、提Web Services resource framework)實(shí)現,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具有區域性非常強的特點(diǎn),為了四、結束語(yǔ)實(shí)現就近取材,同時(shí)滿(mǎn)足 Chinagrid中各個(gè)專(zhuān)業(yè)網(wǎng)格的歷史的發(fā)展已進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的發(fā)展自治性的要求,CGSP引入了瓣驍的構建模式,每個(gè)域可已己進(jìn)入網(wǎng)格浪潮時(shí)期,網(wǎng)格技術(shù)的應用使互聯(lián)網(wǎng)資源得以單獨對外提供服務(wù);CGSP的可擴展性設計能夠滿(mǎn)足到了最大限度的整合。網(wǎng)格技術(shù)在教育科研領(lǐng)域的應用Chinagrid不斷擴展的需求,樹(shù)型結構使其規模能夠逐研究,將為教育科研的發(fā)展開(kāi)創(chuàng )一條嶄新的前進(jìn)道路。步擴展到全國多所高校;保證了 Chinagrid的完整性和統一性,從根域出發(fā)的全局監控和統一入口體現了Chinagrid的整體性,而各個(gè)子域又可以具有各自獨立的 Portal。3. Chinagrid的典型應用建設參考文獻Chinagrid計劃第一期上開(kāi)展的專(zhuān)業(yè)應用網(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(xiàn)網(wǎng)格column. bokee. com/print 31568. html(1)“生物信息學(xué)網(wǎng)格”用網(wǎng)格實(shí)現高校之間生物3] Jay Unger, Matt Haynos.開(kāi)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,“生構之旅[eb/ol].http://www.ibmcom/cn/物信息學(xué)網(wǎng)格”每天接納用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)約5萬(wàn)人次,是目前[4]中國教育科研網(wǎng)格公共支撐平臺簡(jiǎn)介[EB世界上最繁忙的網(wǎng)格。0L].網(wǎng)格成長(cháng),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(hù)管理、系統安全、數據訪(fǎng)問(wèn)和傳輸等功能,針[eb/ol].http://www.dostor.com/n/industry/對CFD應用的不同工程背景在網(wǎng)格環(huán)境中進(jìn)行CFD應用2005-08-03/0001424756.shtm1的集成,主要開(kāi)展飛行器遺傳優(yōu)化設計、分子動(dòng)力學(xué)研中國煤化工CNMHG