信息技术前沿技术讲座 结课作业

请详细描述你目前所学到的当今某一领域比较前沿的信息技术产物之一

信息技术将继续向高性能、低成本、普适计算和智能化等主要方向发展，寻求新的计算与处理方式和物理实现是未来信息技术领域面临的重大挑战。纳米科技、生物技术与认知科学等多学科的交叉融合，将促进基于生物特征的、以图像和自然语言理解为基础的“以人为中心”的信息技术发展，推动多领域的创新。重点研究低成本的自组织网络，个性化的智能机器人和人机交互系统、高柔性免受攻击的数据网络和先进的信息安全系统。

信息技术之前沿：

智能感知技术

重点研究基于生物特征、以自然语言和动态图像的理解为基础的“以人为中心”的智能信息处理和控制技术，中文信息处理；研究生物特征识别、智能交通等相关领域的系统技术。 自组织网络技术

重点研究自组织移动网、自组织计算网、自组织存储网、自组织传感器网等技术，低成本的实时信息处理系统、多传感信息融合技术、个性化人机交互界面技术，以及高柔性免受攻击的数据网络和先进的信息安全系统；研究自组织智能系统和个人智能系统。

虚拟现实技术

重点研究电子学、心理学、控制学、计算机图形学、数据库设计、实时分布系统和多媒体技术等多学科融合的技术，研究医学、娱乐、艺术与教育、军事及工业制造管理等多个相关领域的虚拟现实技术和系统。

一“未来信息分析模拟技术”。

这一技术可大大提高信息处理能力，模拟复杂的自然和社会现象，提高针对经济危机、社会动荡、自然灾害的预报和分析能力，减少决策失误，提高危机管理能力。

二“石墨烯科技”。

石墨烯又称单层墨，它仅由一层碳原子组成，是科学家于20xx年发现的一种新材料。科学家认为，它有可能代替硅成为信息技术的基础材料。

三“纳米级传感器技术”。

利用这种技术，可以制作非常小的不需要电源的纳米级传感器。这种传感器具有较强的感知、处理和传输信息的功能。传感器还有两大应用亮点：一是可以把它植入人体，随时监控人体健康状况;二是它自身不需要电源，它可以依靠周围的配套设施获得电力或者利用热能、太阳能和电磁波等发电。利用这一成果，未来的手机、平板电脑等都可以不用电池。 四“人脑工程技术”。

这一技术可用于对人脑的低能耗、高效率进行研究。人脑的学习功能、联想功能、创新功能都是目前计算机不具备的。另外，具有如此巨大功能的人脑又是节能减排的典范，它的

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功耗只有20至30瓦，相当于一盏白炽灯。人脑的这些神奇之处一旦破解，将为信息技术研发提供借鉴。

五“医学信息技术”。

有关研究旨在推动信息技术在医药领域的大规模应用。此类技术还将对海量传输健康信息、利用人工智能技术处理这些信息并做出个性化治疗方案提出新要求。

六“伴侣型机器人”开发。

这一项目旨在研制具有一定感知、交流和情感表达能力的仿真机器人，为人类特别是小孩和老人提供无微不至的服务。这一项目将有两大亮点：一是依靠先进的人工智能技术，使机器人初步具有像人一样的感知、交流和情感表达能力;二是开发出制造机器人的新材料，可以让机器人看起来、摸起来像真人一样。?

这六大技术包括"未来信息分析模拟技术"?"石墨烯科技"?"纳米级传感器技术"?"人脑工程技术"?"医学信息技术"和"伴侣型机器人",分别涉及脑科学?新材料?机器人?医药应用?纳米技术?灾害预报与分析等领域,目前还处于初步研究阶段?欧盟认为它们代表了信息技术中长期发展趋势?

——医疗保健将成为信息技术的重要应用领域?在这六大技术中涉及医疗保健的有2项,分别是"医学信息技术"和"纳米级传感器技术"?"医学信息技术"旨在推动信息技术在医药领域的大规模应用?此类技术还将对海量传输健康信息?利用人工智能技术处理这些信息并做出个性化治疗方案提出新要求?利用"纳米级传感器技术",可以制作非常小的不需要电源的纳米级传感器,把它植入人体后可以随时监控人体健康状况?健康是人类最重要的需求之一,近年来电子健康(e-health)技术和产业的兴起也反映了信息技术进军医疗保健领域的趋势? ——仿真机器人将开始走进人们的工作和生活?欧盟提出"伴侣型机器人"旨在研制具有一定感知?交流和情感表达能力的仿真机器人,为人类特别是小孩和老人提供无微不至的服务?这一项目将有两大亮点,一是依靠先进的人工智能技术,使机器人初步具有像人一样的感知?交流和情感表达能力;二是开发出制造机器人的新材料,可以让机器人看起来?摸起来像真人一样?欧盟委员会认为,欧盟老龄化趋势十分严重,研发机器人伴侣迫在眉睫?另外,机器人伴侣将形成一个巨大的产业,并给人类社会带来巨大影响?

——人工智能技术孕育着巨大突破?人工智能是用人工方法模拟人类智能的一种技术?它包括推理?学习和联想三大智能要素?目前,人工智能的推理功能已获突破,学习功能正在研究之中,联想功能尚处在探讨阶段?19xx年,日本发起了为期10年的第五代计算机计划,率先向人工智能发起进攻,此后美国?欧洲等纷纷加大人工智能研究力度?不过人工智能研究太难,日本的第五代计算机计划在投入逾10亿美元之后不了了之,至今全世界都还没有取得实质性突破,其关键是对人类大脑的研究水平还太低?欧盟高度重视人脑研究,提出"人脑工程

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技术"项目,值得我们关注?欧盟认为,人脑的神奇之处一旦被破解,将为信息技术研发提供巨大借鉴?

——石墨烯可能取代硅成为信息技术基础材料?石墨烯又称单层墨,它仅由一层碳原子组成,是英国科学家于20xx年发现的一种新材料?欧盟发展"石墨烯科技",就是因为石墨烯有可能代替硅成为信息技术的基础材料?欧盟委员会认为,碳元素为人类发展做出了巨大贡献,19世纪的能源革命和20世纪的塑料革命都离不开碳,21世纪碳以石墨烯的形式很可能带来新的信息技术革命,欧盟也有可能因此成为世界微电子产业的创新中心?

——危机管理将成为信息技术重要应用领域?欧盟把"未来信息分析模拟技术"列入六大前沿信息技术,很重要的原因是经济危机?社会动荡?自然灾害等危机事件影响越来越大,而人们对危机管理缺乏足够的科学手段?利用信息技术,可以大幅度提高针对危机的预报和分析能力,减少决策失误,提高危机管理能力?

信息技术的发展趋势 1．高速、大容量。速度越来越高、容量越来越大，无论是通信还是计算机发展都是如此。 2．综合化。包括业务综合以及网络综合。 3．数字化。一是便于大规模生产。过去生产一台模拟设备需要花很多时间，模拟电路每一个单独部分都需要进行单独设计单独调测。而数字设备是单元式的，设计非常简单，便于大规模生产，可大大降低成本。二是有利于综合。每一个模拟电路其电路物理特性区别都非常大，而数字电路由二进制电路组成，非常便于综合，要达到一个复杂的性能用模拟方式往往综合不起来。现在数字化发展非常迅速，各种说法也很多，如数字化世界、数字化地球等。而搞数字化最主要的优点就是便于大规模生产和便于综合这两大方面。 4．个人化。即可移动性和全球性。一个人在世界任何一个地方都可以拥有同样的通信手段，可以利用同样的信息资源和信息加工处理的手段。

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第二篇：信息技术前沿论文

信息技术前沿导论课程论文

浅谈网络计算与应用

摘要：作为一种新型的分布计算技术,网格计算将地理上分布的、异构的资源用高速网络连接在一起,集成一台高速的超级计算机。分析了网格计算的意义、体系结构、资源管理、任务管理与任务调度、高速通信和安全等核心技术,以及网格应用实例和OGSI,并在资源管理方面提出了一种类似于搜索引擎技术组织局部资源,各局部资源管理系统通过P2P结构互连,实现任务迁移,达到负载平衡,并保证用户提交的任务在一组密集的资源集合上运行。网格计算的沙漏结构体系 , 以及网格之间存在的问题。并在此基础上全面剖析了 OGSA 网格技术标准。围绕 OGSA 的中心思想、结构和平台组成展开讨论。并设计了企业应用网格计算的整合关键部分: 发布和发现。

关键字：网格计算技术；计算节点；超级计算机；超处理能力；资源管理OGSA 网络服务 企业应用

Abstract: Grid computing is a new distributed technology, which connects distributed and heterogeneous resources with high-speed network integrating a super computer of processing capacity. The paper not only explain significance and architecture of grid computing, but also expand on several kernel technology such as OGSI, resource management,task management, task scheduling , high rate communication, security, ect. Aiming at the particularity of the grid computing environments, We designed a mechanism similar to technology of search engine with which we may registry, discovery, locate resources in Grid. The whole model of resource management is built by connecting task manager in local resource management system and others with P2P model. Task may migrate among task managers in order to balance load. Task users summit may be executed in relatively tight resource sets, which will not only decrease the total communication overheads of the whole task but also enhance the performance of system. Then , we analyze the new standardof the Grid: OGSA. In the endof thisarticle , we design the keypartsof Grid computing in enterprises application: thefunctionof dispatch and thefindfor the Grid service. Key words: grid computing technology；computing knot； supercomputer；super processing capacity；resource management OGSA , Gridservice , Enterprise Application

目录：

第一章 引言......................................2

第二章 网络计算基础.......................2

2.1 什么是网格计算?????3

2.2 网格计算能做什么……………….4

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2.3 主要组成部分是什么…………….4

2.4 网格计算的标准……………..4

第三章 网格系统的特点……………..6

3.1 异构性??????6

3.2 动态性??????6

3.3 资源广泛分布与共享?????.6

3.4 自相似性???????7.

3.5 管理的多重性??????.7.

第四章 网格体系结构………………7

4.1 织女星网格体系结构????.7

4.2 五层沙漏结构????8

4.3 开放网格服务体系结构(OGSA)???.8..

第五章 企业网络计算应用…………9

5.1层次沙漏结构………………9

5.2 OGSA技术………………….11

5.3 OGSA结构和运行环境…………….11

5.4 企业应用系统网格计算整合………….13 参 考 文 献……………13

第一章 引言

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信息化的浪潮下,人类的应用需求正朝着高性能、多样化、多功能方向发展,需要计算能力更强大的计算机。当前,许多大规模科学计算不仅需要一台超级计算机,更需要多种机器组成、多个系统合作、多个科学仪器设备相连的网络虚拟超级计算机。这些需求鼓励人们在互联网基础上把现有的利用率不高的分散在不同地理位置的、异构的、动态的资源通过高速网络连接在一起,整合成一台虚拟的超级计算机,其中每一台参与计算的计算机就是一个“节点”,而整个计算是由成千上万个“节点”组成的“一张网格”,这种计算方式叫网格计算。这样组织起来的“超级计算机”有两个优势,一个是数据处理能力超强；另一个是能充分利用网上的闲置处理能力。网格可以实现计算资源、数据资源、信息资源、知识资源等的全面的共享。从而建立一个能够实现区域或全球合作或协作的虚拟科研和实验环境,支持以大规模计算和数据处理为特征的科学活动。

网格的发展,除了国家在高科技领域的竞争之外,应用也是网格发展的重要驱动。网格发展满足科学研究或者复杂问题求解,满足对海量实时计算和海量资源的管理的需求。另外,网格技术是为了解决高性能计算资源的闲置和利用率问题,通过共享,资源发挥自身的价值。利益是网格发展的基本动力。在商业领域,推动网格计算的基本动力是实在的利益。众多的企业正逐步认识到网格如何可以帮助它们解决实际问题。以计算资源为例,如今,大多数企业平均只利用了计算资源总量的20%到30%,那就意味着大部分企业浪费了近70%的已经购买的计算资源。网格计算不仅可以自动实现资源分配,使80%到90%的资源能够被企业利用,在提高生产效率上同样能够发挥作用。根据内部研究,我们发现网格可以把机械工程师的效率提高5倍。在网格的帮助下,工程师们同时提交5个任务,并且比以往更快,质量更有保证。网格计算的另一大好处就是使资源可用。用户只需向网格提交指令和资源请求,网格引擎便会选择最适合的系统——即当前负荷最小的系统来运行,根本不需用户操心究竟是哪台机器在执行,整个系统对用户非常友好。就这样,工作很快完成了,用户感到满意,公司也节省了开销。网格同时也能够把分散的系统联合在一起。过去,公司总得为不同的应用购置单独的系统,如今,网格可以替我们应付不同厂商的系统,自动协调。故障免除是网格环境的一大优势。当网格中的一个系统瘫痪了,其他可用的系统会替它自动完成任务。不同于大型机时代,那时一旦主机出现问题所有的应用程序和用户都会被影响。今天更加聪明的网格可以把任务转送到网格可用的系统,绕开故障的机器。检查点迁移使得应用程序能够从检查点恢复数据,避免丢失。你看,网格计算的优点很多,解决了很多企业必须面临的问题。所以网格计算在市场上流行也不足为怪了。作为一种新兴的造价低廉而数据处理能力强的网格系统的建立,有利于各计算中心的资源共享,充分利用硬件和软件资源超强的计算模型,网格计算必将对计算机的应用及各行各业的信息化产生重大影响。网格技术,在节约成本的同时,还将使其在基础研究、汽车、大型水电工程、石油勘探、气象气候、航空、交通、金融、医疗等领域发挥空前的作用。

第二章 网络计算基础 2.1 什么是网格计算

网格计算是一项逐渐形成的技术，不同的人会给出不同的定义。实际上，网格计算的定义很简单：使用网格计算技术，可以将一组服务器、存储系统和网络组合成一套大的系统，并提供高质量的服务。对终端用户或者应用，网格计算象 - 3 -

一个巨大的虚拟计算系统。

再进一步的分析，网格技术允许组织、使用无数的计算机共享计算资源，来解决问题。被解决的问题可能会涉及到数据处理、网络或者数据存储。这个由网格技术结合在一起的系统，可能是在同一个房间，也可能是分布在世界各地，运行在不同的硬件平台，不同的操作系统，隶属于不同的组织。基本的思想是赋予某些用户执行一些特定的任务，网格技术将平衡这些巨大的IT资源，来完成任务。本质上，所有的网格用户使用一个巨大的虚拟系统工作。

这听起来，非常的美好，但问题是如何让它们成为现实，这需要标准，开放的，目标统一的协议和接口。现在标准正在制定中，并逐渐的显现出来。

反过来讲，为什么集群，连接存储设备的网络，科学的设施，网络不是网格呢？这其中的每一个都可能是网格的重要的组成部分，但他自己，却不能建立网格。

有下面几种网格类型

a）计算网格，这些机器将处理数据，及其他繁重的工作。

b）抽取网格，一般情况下是从空闲的服务器和台式机上抽取CPU时间片，用作资源密集型的任务。

c）数据网格，为某一组织的数据知识库提供统一的接口，通过接口，可以查询、管理和保护数据。

2.2 网格计算能做什么

正如Internet一样，网格计算也是从研究中心和学校开始的，现在一些商业企业也在使用网格。网格计算将开创一种新的金融和商业模式，我们将详细说明。在金融服务领域，网格计算可提高贸易交易的速度，处理大量的数据，提供更加稳定的IT环境，减少宕机时间。政府代理机构可以使用网格储存、保护和集成巨大的库存数据。许多民用和军用的代理机构对跨部门的协作，数据的同一性和安全性等方面都有巨大的需求，这也可以通过网格来实现。在生命科学领域，公司可以使用并行的网格计算处理大量的数据。加快数据的处理就意味着可以快速占有市场，在这一行业，及细微的因素都是决定性的。网格计算的重要性，不言而喻，统计数据表明，主机系统40%的时间空闲，UNIX服务器实际的工作时间只有10%，正常情况下，一天中95%的时间PC机什么都没做。借助于网格，可以把这部分资源揉和在一起统一使用。

2.3 主要组成部分是什么

网格计算的主要组成部分包括以下内容：

a） 安全，这是必需的，只有合法的网格用户才能接触、使用网格的资源 b） 数据管理，包括数据的传输、清理、打包和处理

c） 资源管理，完成各项任务需要的资源，网格需要清楚的了解

d） 信息服务，用户和应用提供有效的查询网格提供服务

2.4 网格计算的标准

架构，网格计算的架构是有OGSA（Open Grid Services Architecture）定义的，并通过GGF（Global Grid Forum）开发实施。OGSA定义什么是网格服务，统一的结构和网格环境可提供的服务。

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现在，已经建立了网格Web服务的标准，按照OGSA的定义，网格服务只不过是遵从特定的协议的Web服务。例如，网格服务定义了WSDL（Web

Services Definition Language）标准，它给我们提供一种通用的、开放的方法，借助于已存在的SOAP、XML和WS-Security标准使用不同的网格服务，这样，我们可以按照这一标准的方法发现、定义并实现新的网格服务。规范，OGSI（Open Grid Services Infrastructure），是OGSA提出的正式的概念规范，OGSI制订了一组适用于所有网格服务的服务元语。更多的规范也正在制定中，在

GGF，24个以上的工作组正忙于制定一系列的规范，如应用编程模式、架构、数据管理、安全、性能、调度和资源管理等。

2.5 现在可以建设网格了吗

今天，借助于开放源码和供应商提供的工具和产品，我们可以搭建网格。随着时间的推迟，网格标准的逐步完善，总是希望供应商提供的工具融合最新的标准，可以容易的把网格的各模块结合在一起。

Globus工具包，使用网格，从下载开放源码工具GT3（Globus Toolkit 3.0）是一个良好的开端。GT3是第一个全方面实施OGSI标准的工具包，由Globus项目组开发的，这一研究开发项目主要目的是将网格

应用同科学计算工程结合在一起。GT3包含安全、信息基础架构、资源管理、数据管理、通讯、错误侦测和可移植性等方面。另外， CoG（Commodity Grid Kits）也实现了这些功能，还提供了一种特殊的架构，使用Java, Python和Perl可使用网格服务。

按照下面的规则，可以将网格工具归类为以下几类：

1）基础架构，包括文件系统，调度器和资源管理器，消息系统，安全应用，权限验证和文件传输机制，如GridFTP。

2）目录服务，网格系统必须可以自动发现何种资源是可以应用的，简单讲，为了共享和协作，网格系统必须可以定义网格的拓扑，许多网格目录服务的实现直接基于一些及验证过成功模式，如LDAP、DNS和网络管理协议等。

3）调度器和负载均衡，使用网格的目的是充分发挥资源的最大效率，调度器和负载均衡提供了这种可能。调度器可以保证任务能按照某种顺序完成，负载均衡可以使任务和数据均匀分布，降低可能的瓶颈。

4）开发工具，为网格开发者提供的开发工具包含各个方面，如文件传输，通讯和环境控制，并提供成熟的API。

5）安全，在网格环境中，安全意味着签证和授权，换句话说，就是控制谁和什么可以使用网格资源。

以下，介绍网格的一个典型应用GridFTP的工作方式，GridFTP在不同的网格主机之间提供了安全的、可依赖的数据传输，使用扩展的FTP协议，提供了网格的功能。GridFTP是标准的服务器/客户端应用，支持两种类型的文件传输：标准和第三方参与的文件传输，这两种传输方式工作原理：

允许第三方在不同的GridFTP服务器之间传输数据。

2.6 IBM为网格计算提供什么工具

IBM的网格策略是使其所有的产品都具有网格功能。在存储、服务器、基础架构、数据库管理系统、系统管理、消息和文件系统方面，公司正向OGSA的标准靠拢。另外，公司的新技术和开发中的产品也将OGSA做为最基本的基础。IBM - 5 -

提供了以下工具：

1） IBM网格工具箱，运行在IBM eServer AIX和Linux平台，包括Globus开发包，文档和其他的一些安装脚本，IBM LoadLeveler也是可以选择的工作管理工具。

2） IBM DB2 Information Integrator，提供了随需而变的电子商务的基础，可以使各公司实时的控制变化的、分布的信息。

3） IBM 新兴技术工具包（Emerging Technologies Toolkit），这是一个软件开发工具，包括设计、开发、网格相关的技术和Web服务等。

4） Java的网格应用架构，这是一个简明的架构，从应用逻辑层面抽象了网格的语法，并提供了一个简单的编程模式。

5） WebSphere应用服务器，提供了网格计算的功能，可以平衡服务器的负载。IBM网格工具箱是一组集成的工具和软件，可以促进网格及相关应用的使用开发，IBM网格工具箱可以提供以下服务：

a） 允许某些节点向网格资源池提供资源，并参与计算网格

b） 向未提供资源的节点提供访问网格资源的通路，假定节点与提供资源的网格资源的属主已经建立访问资源的通路规则

c） 提供其他服务，如权限验证，而不必提供计算资源

名词解释：

GRAM：Globus Resource Allocation Manager，提供资源的申请和进程的创建，监控和服务管理。

GSI：Grid Security Infrastructure，提供网格的介入验证服务

MDS：Monitoring and Discovery Service，集成的信息服务

GASS：Global Access to Secondary Storage，提供数据管理服务

第三章 网格系统的特点

3.1 异构性

高速网络连接起来的各种资源是异构的,网格环境中具有各种不同类型的资源,而且每类资源有不同的属性。

3.2 动态性

网格环境下的一些资源本身具有动态性,例如,CPU在处理任务的时候,每个时刻的负载可能不相同；网络的链路带宽的流量每时每刻都在变化中；内存的占有量随着进程状态的变化而变化。在整个网格环境下,随着计算资源、数据资源等的不断的加入和撤消、故障等原因,网格系统下的局部环境也在动态的改变着。

3.3 资源广泛分布与共享

网格系统的目标的是连接地理位置不同的异构计算机、异构数据库,贵重仪器等用高速网络连接起来,把它们整合成一个虚拟系统。进行科学研究的时候,中国、美国和欧洲的科学家分别通过本地的计算机利用网格系统共享科学研究成果,相互交流并对下一步的研究工作做出部署。

网格系统通过计算（computation）、协作(collaboration)、通讯(communication),借助于互联网技术,将计算协作和通讯融为一体,网格成为解决方案的新模式。更值得一提的是,网格计算是分布式的架构,类似于输电网,网格将计算与数 - 6 -

据资源传送到任何需要它的地方。网格计算还能充分地利用组织内的系统资源。在许多公司,总有很多资源是被闲置的。习惯上,我们总是购进独立的整机来支持一些具体的运用,然而由于空间的阻隔,不可避免使得大量单独的系统成为一个个无联系的孤岛。在大量资源闲置的同时,总有用户不停地寻找更多的计算资源,以应付过于沉重的并发请求。而网格则可以将闲置的资源收集起来,以实现更高的利用率。借助网格,把所有的计算资源联网,无论桌面电脑、服务器、存储器还是数据库,从宏观上统一调配,把计算资源分配到最需要的地方。由于网格做到了计算资源按需分配,彻底改变了传统计算的一整套核算体系,使网格计算成为不可阻挡的趋势。网格计算能够完成过去难以想象的复杂运算,并能长期执行。由于能够充分利用现有设备提高投资回报,出现对网格的需求是预料中的。随着网格的出现,一些需要高强度运算的应用可以在一个合理的价格水平上获得更多的支持,至于那些更加复杂的计算则会更大程度上依赖网格。对一些团体或组织而言,借助网格这种新的方式便可以引入更复杂精确的计算和分析,过去不敢想象的事如今可能会变得轻松平常。

3.4 自相似性

网格的局部和整体之间存在着一定的相似性,局部往往在许多地方具有全局的某些特征,而全局的特征在局部中也有一定的体现。例如,我们可以建立一个校园网格,所有的校园网格可以组成一个大的教育网格,现阶段教育网格节点学校北京大学、华中科技大学、清华大学等12所高校,另外,教育网格将在未来连接中国的100所重点高校,接入新网格计算项目的各所大学将通过中国教育和科研计算机网（Cernet）连接到一起。其中,中国教育科研网格(ChinaGrid)项目是“十五”国家“211工程”公共服务体系“中国教育科研网高速地区网和重点学科信息服务体系建设”项目中的重要建设内容。它是迄今为止由政府推出的最宏大的网格工程,该项目由12所大学联合推出,到网格建成时,它将在教育科研网上把全国100所211建设重点大学的资源广泛共享。ChinaGrid的目标是在20xx年建立聚合能力超过15万亿次量级的教育科研网格,形成世界上最大的超级网格之一,并争取在网格计算的基础研究和应用研究方面走在世界前列。

3.5 管理的多重性

网格环境下的局部资源既属于个人或机构,由个人对其资源作相应的管理和维护,又要在网格系统作整体部署的时候,由网格管理员根据系统里任务的情况统一调度网格环境下的资源。

第四章 网格体系结构

网格体系结构是构造网格的一个大的框架,是构建网格系统的基础。主要是关于如何建立一个网格,其主要内容有：构成整个网格系统的各部分、每个部分的功能、各部分间的相互关系及网格有效运行的机制。网格体系结构一般可以分为：积木块结构、层次结构、概念空间结构、混合结构。目前,比较有影响的几种体系结构有：国内的织女星网格体系结构、五层沙漏结构、开放网格服务体系结构Open Grid Services Architecture（OGSA）等。

4.1 织女星网格体系结构

织女星网格体系结构的设计原理是依据一个完整的计算机系统一般都由计算机 - 7 -

硬件、操作系统和应用系统三部分组成,织女星网格硬件资源路由器,是区别其它体系结构的标志,资源信息通过资源路由器组织,路由器接收资源请求,并转发该信息,直到找到其所需的资源。

4.2 五层沙漏结构

五层沙漏结构是以协议为中心的沙漏型体系结构。按照沙漏模型的原理,少量的核心协议（资源层和连接层）形成了协议层次结构中的一个瓶颈,对于其最核心的部分,要实现上层协议（沙漏的顶层）向核心协议的映射,同时实现核心协议向下层协议（沙漏的底层）的映射。资源层和连接层促进了单独的资源的共享。

4.3 开放网格服务体系结构(OGSA)

OGSA是一种以服务为中心的结构,一切都是服务(一个服务就是一个网络可达的、并提供某些能力的实体：计算资源、存储资源、网络、程序、数据库及其他类似的资源)。OGSA 是由Global Grid Forum（全球网格论坛）（GGF）的Open Grid Services Infrastructure（开放网格服务基础架构）（OGSI）工作小组于20xx年6月制定的。

开放式的网格服务体系OGSA是一个由节点和连线构成的框架。该框架的节点是网格服务,而网格服务之间的连线是网格服务相互交流时所用的语言。网格服务是特殊的网络服务专供用来维持和管理网格体系。

OGSA网格也为五层结构,其结构同五层沙漏结构相似,自下而上为结构层、连接层、资源层、汇聚层及应用层。但OGSA结构较五层沙漏结构有着以下特点： 1 以服务为中心的模型

如果说五层沙漏结构是以协议为中心的“协议结构”,其试图实现的是对资源的共享,则OGSA就是以服务为中心的“服务结构”,其实现的是对服务的共享。OGSA将一切看作服务,并定义了“网格服务”,该服务提供了一组接口,这些接口明确遵守特定的惯例,解决服务发现、动态服务创建、生命周期管理、通知等问题。因此,网格是可扩展的网格服务的集合。

2 统一的Web Service框架

Web Service描述了一种新出现的、重要的分布式计算范式,定义了一种技术,用于描述被访问的软件组件、访问组件的方法以及找到相关服务发现方法,解决了发现和激发永久服务的问题。OGSA是符合标准的Web service框架的。但是在网格中,大量的是临时服务,因此OGSA对Web service进行了扩展模仿,使得它可以支持临时服务实例,并,提出的是网格服务（Grid Service）的且能够支持创建和删除。

3 突破科技应用领域

正如Web技术一开始是科学协议而出现的,但是后来却在商业领域大量使用一样,OGSA将原来主要在科技领域应用的网格技术转移到工商业领域。OGSA面向服务的特点允许我们在不同的层次虚拟化资源,因此相同的机制与抽象可以应用于多个组织之间的分布式网格支持的协作,或者是跨越多个特点的主要环境。

OGSA被称为是下一代的网格体系结构,是基于Web Service概念和技术结合Globus的网格系统结构上的一种演变,即在Globus基础上,结合最新的Web Service 技术提出来的,现以成为事实上的标准。OGSA的主要目标为：

1 跨分布式异构平台管理资源。

2 交付无缝的服务质量（Quality of Service,OoS）。网格的拓扑结构通常十分 - 8 -

复杂,而且网格资源的交互往往是动态的。有一点很重要,即网格可以提供健壮的后台服务,比如授权、访问控制和委托。

3 为自治管理解决方案提供公共基础。网格可以包含许多资源,还有大量的配置组合、交互以及状态与故障模式的改变。对于这些资源来说,一些智能自动调节与自治管理方式是必不可少的。

4 定义开放的、已公布的接口。OGSA是一种由GGF标准团体进行管理的开放式标准。为了不同资源的互操作性,网格必须构建在标准接口及协议之上。

5 利用行业标准的集成技术。OGSA的创始者很有远见地利用了现有解决方案。OGSA的基础是Web服务。

4.3.1 Globus技术

Globus是一种用于构建计算网格的开放体系结构、开放标准工具。它使您熟悉构建、部署和管理网格领域。Globus对资源管理、安全、信息服务及数据管理等网格计算的关键理论进行研究并提供了基本的机制和接口。该项目早已开发出了能在各种平台上运行的网格计算工具软件（Toolkit）——支持网格计算和网格应用的一套服务和软件库。帮助规划和组建大型的网格试验平台,开发适合大型网格系统运行的大型应用程序。目前,Globus工具包机制已经被应用于全球数百个站点和几十个主要的网格计算项目：NASA网格(NASA IPG)、欧洲数据网格（Data Grid）和美国国家技术网格(NTG)等。

4.3.2 开放网格服务基础结构(OGSI)

开放网格服务基础结构(OGSI)是开放网格服务该体系结构的基本组件,用于为OGSA软件组件提供最大的互操作性。OGSI引入了一种网格服务的交互模型。通过提供发现、生命周期、状态管理、创建与销毁、事件通知以及引用管理的接口,OGSI为软件开发人员提供了一种统一的建模和与网格服务进行交互的方式。不论开发人员正在开发的是网格服务还是应用程序,OGSI编程模型都会为网格软件提供一种一致的交互方式。

第五章 企业网络计算应用

网格 (Grid) 的概念诞生于 20 世纪 90 年代中期 , 它借鉴了电力网的思想 , 希望利用互联网或专用网络 , 把地理上广泛分布的各种计算资源互连在一起 , 使得分布在各地的计算资源相互连接 , 组成充分共享的资源集成 (即虚拟组织) 。

高度的资源共享是网格计算技术追求的目标。目前已出现的许多不同程度解决资源共享的方案和技术 , 如: 因特网 , 企业计算 , 对等计算 , 分布计算等 , 无法满足直接对计算机、软件、数据和其他资源的灵活访问以及可控的高度共享。网格技术致力于达到这个目标 , 提供建立虚拟组织所需要的资源共享的灵活性和可控性。网格的最终目标是能够像使用电力一样方便地使用分布在网络上强大而丰富的计算资源。

5.1层次沙漏结构

网格的体系结构 , 标志网格的构造技术 , 它定义和描述网格的基本组成部分及功能 , 规定了网格各部分相互之间的关系与集成方法 , 以及网格的有效运行机制。 “虚拟组织Virtual Organization)”是个体与资源集合体之间的一种灵活、安全、平等的资源共享形式。

虚拟组织强调高度的动态与灵活性。建立动态的、跨平台的、高度共享的虚拟组 - 9 -

织良好的网格体系结构。

网格的体系结构有很多种 , 其中最为著名的是“五层沙漏”结构。它是一种以“协议”为中心的体系结构。在底层硬件的基础上划分五层结构 , 如图 1 所示。自底向上分别是:

①构造层 (fabric) : 向上提供网格中可供共享的资源 , 它们是物理或逻辑实体; ②连接层

(connectivity) : 包含网格中网络事务处理通信与授权控制的核心协议; ③资源层 (re2

source) : 单个资源控制 , 资源握手和初始化 , 资源运行监测 , 资源使用统计; ④汇集层

(collective) : 汇集由资源层提交的受控资源 , 提供给虚拟组织的应用程序; ⑤应用层 (ap2

plication) : 网格上的用户的应用程序。

资源层和汇集层是系统的核心 , 为了能涵盖不同资源类型的共享 ,

又不会对高层协议类型和性能有过分的约束 , 要求协议数量尽可能的

少。在这个限定下 , 五层协议从数量上构成沙漏形式 , 即中间核心层

协议数量少 , 而上下层的协议数量多 , 故得名“沙漏结构”。在沙漏式

虚拟结构中 , 实现网格特有的认证、授权、资源代理、资源发现及管

理等。

Globus toolkit 2 x 即是以此结构为基础而开发出来的 , 并为欧美

多

1 图 1 层次沙漏结构

个网格项目采用 , 获得的了很大的成功 , 并使 Globus 成为事实上的网格标准。

112 异构问题

这样建立的网格仍有不完善的地方。突出的问题是资源共享的异构问题和平台无关性。

虽然在同一个虚拟组织内可以实现高度可控且灵活的资源共享 , 但是每个网格内部的 API都是独有的 , A 网格的应用并不清楚B 网格的 API是如何调用的 , 网格之间的查找很困难;如果是采用不同技术建立的网格平台 , 由于具有不同的体系结构 , 它们之间的沟通几乎无法进行。

随着 Web service 技术发展 , 其具有的分布异构特性可以用来解决网格中的难题。Webservices是建立可互操作的分布式应用程序的新平台 , 它向外提供可以 - 10 -

通过 Web 调用的接口 , 而客户端则利用这个接口获得服务。在 Web Service 平台中 , 数据采用 XML 语言表示;利用基于 XML 的 Web Service 描述语言 (WSDL) 描述 Web Service 及其函数、参数和返回值; 利用 SOAP提供的标准 RPC方法调用 Web Service 。这些技术和标准与平台无关 , 因此 , 保证了异种平台上不同语言的应用程序可以通过 Web 进行灵活的互操作。这样 , 在原 有网格体系结构之上再建立一个 Web Service 平台 , 就应当可以解决不同网格之间的交互问题。但是 Web Service 技术侧重于稳定的、持续时间较长 , 无状态的服务 , 而网格中则充满大量的、临时性的、有状态的计算任务 , 因此仅仅简单地将这两个技术加起来是不够的。于是 , 在 IBM 与 Globus项目组共同倡议下 , 将二者融合的新的网格标准 OGSA 出现了。

5.2 OGSA技术

OGSA (Open Grid Services Architecture) , 把 Globus 标准与 Web Services 的标准相结合 ,

定义了统一的、显式的服务语义 Grid Service , 以及创建、命名、发现服务实例的标准。为服务实例提供了本地透明和多协议的动态绑定 , 支持与本地环境的集成 。OGSA 也定义了WSDL (Web Services Description Language) 接口和相关的规则、机制 , 这些机制用来创建和组合复杂的分布式系统 , 这些系统包含了生存期管理 , 交换管理和通知服务等。

211 服务为中心

在五层沙漏结构体系中 , 上层组件是在下一层组件的基础上建立的 , 下层组件负责解释和执行上层组件的任务 , 每层内部都有相对应的协议 , 各层之间严格按照协议的规定通过API通信 (与 TCP/ IP相似) , 因而说五层沙漏结构是以协议为核心的。与五层沙漏结构相比 , OGSA 最突出的特点就是以“服务”为中心 。在 OGSA 框架中 , 所有资源都抽象为服务 , 包括计算机、软件、数据、设备等。这样在虚拟化概念下 , 可以带来统一接口和易于

组合的优势。

在OGSA 网格环境中 , 服务组件的构成采用虚拟方式。通过一组相对统一的接口 , 连接所有的网格服务实现 , 继而构造出具有层次结构的、更高级别的服务。这些服务可以跨越不同的抽象层次。

同样 , 虚拟化使多种逻辑资源实例可以直接映射到相同的物理资源上 , 使具有通用语义和行为的服务 , 直接映射到本地平台上。在对服务进行组合时不必考虑具体的实现 , 以底层资源组成为基础 , 由虚拟组织进行资源管理。

5.3 OGSA结构和运行环境

由于 OGSA 是将 Gloubs与 Web service 相结合 , 因而在 OGSA 中也可将服务自底向上分为五层。

构造层: 对应计算机及设备的远程调用及控制网格服务。

连接层: 分成三类: 查询网格服务、通信服务和安全控制。

资源层: 提供对单个资源的注册、分配服务 , 并对资源进行监视。

汇集层: 提供网格服务协调多个资源的分配、调度。

应用层: 可透明的调用网格服务。

OGSA 提供了三种运行环境 , 包括: 简单运行环境 (simple hosting environment) 运行环境 (virtul hosting environment) 以及汇集操作 (collective operations) 。这 - 11 -

三种环持从具体到抽象的应用系统发展过程。

简单运行环境支持管理单一域的资源集 , 可以使用本地的工具来管理服务 , 例如J2用服务 , Microsoft 的. NET系统 , 或者是 Linux 集群。在此环境中的用户接口被构造个注册表 (Registry) 、一个或多个工厂 (Factory) 以及一个句柄映射 (HandleMap) 服

注册表: 纪录每一个工厂 , 以使客户可以发现工厂。

工厂: 接收客户的请求 , 当需要创建网格服务实例时 , 唤起 hosting - environment - spe2cific。

hosting- environment - specific: 由工厂唤起 , 创建新实例并注册到注册表; 同时指定对应句柄映射服务的句柄。

句柄映射: 对应句柄的句柄映射服务 , 可实现将服务直接映射到本地系统。 虚拟运行环境支持复杂的情况。在虚拟组织上的所有资源可能分布于不同的“简单运行

环境”, (在图 3 中这些资源分布在两个简单运行环境中) 。然而 , 它们可以被造成与简单运行环境相同的访问接口 , 以支持用户访问 (对用户透明) 。采用创建一个高等级 registry 的方法 , 使其对应高等级的factory 和服务实例。用户可以利用这个 registry 发现factory 和其他服务实例。并利用 registry 返回的句柄 , 直接同服务图 实例对话。高等级的factory 和 registry 采用标准接口 ,

因此从用户角度看 , 它们与简单环境下的 factory 和registry没有什么不同 。 汇集操作运行环境支持更复杂情况。它可以向虚拟组织的参与者提供更复杂、抽象的端到端的服务。在这种环境里 , 对于低等级factory 创建的很多低等级服务 , 可以组合成为高等级的服务实例 , 然后注册到 registry。这样 registry 反映高层服务的抽象 , 通过它可获得高等级服务实例的factory 。

OGSA 网格服务机制 , 通过 3 种典型运行环境 , 既可以被用来整合虚拟的多重组织资源 , 也可以用来整合企业制造业内部 IT基础架构资源。具有高度的灵活性和适应性。13 OGSA接口协议

OGSA 定义了一系列的网格服务接口协议 , 如表 1 所示。除 GridService 接口是必需的以外 , 其他的都是可选的。 网格服务接口协议

端口类型 操作 描述查询网格服务实例的各种信息 包括基本内在信息 (句柄、引用、主GridService FindServiceData ,键、主机句柄映射: 定义项) , 丰富的每个信息接口, 以及专门服务(服务实例知道的注册, 等等) 。扩展支持多种查询语言 SetTerminationTime 设置 (和获取) 网格服务实例的终止时间

Destroy 停止网格服务实例Notification SubscribeTo - 预定服务描述事件的通知 Source NotificationTopic Notification DeliverNotification 实现异步传递通知信息SinkRegistry RegisterService 网格服务句柄的行为软状态注册UnregisterService 注销网格服务句柄Factory CreateService 建立新的网格服务实例HandleMap FindByHandle 用提供的网格服务句柄, 返回当前交往网格服务引用在 OGSA 中 , 有 4 个概念是重要的 , 包括: 发现、动态服务创建、生存期管理和通知。

表 1 中的协议 , 正是在这些概念下得到的运用 , 它们是建立服务和相互服务的重要机制。

(1) 发现: 客户应用需要发现可用的服务 , 并且判断这些服务的性质 , 以便能够调整自身及其需求 , 正确地使用这些服务。为此 , OGSA 定义了三种协议: ①对服务数据的标准请求 , 即 , 关于网格服务实例的信息。通过一组称为服务 - 12 -

数据元素的 XML 元素来实现的 , 这些 XML 元素被包装成标准的容器形式。 ②标准操作 FindServiceData , 用来从各个网格服务实例中获得服务数据 。 ③用来注册网格服务信息的标准接口 , 能将“句柄”映射到“引用”。

(2) 动态服务创建: 动态创造并管理新的服务实例是 OGSA 的基本功能 , 即通过现存服务产生新的服务。为此 OGSA 定义了标准的接口 Factory和相关的语义。

(3) 生存期管理: 分布式系统必须面对和处理无法预见和避免的失败。如果系统具有交互的 (哪怕是短暂的) 且需要保持状态的服务实例 , 就必须建立一种机制 , 以确保在发生操作失败后 , 能重新获得服务及相关的状态。为此 OGSA 定义了 2 个标准的操作: Destroy 和SetTerminationTime。分别用于停止网格服务实例和设置网格服务生存期。

(4) 通知: 相互关联的动态分布服务必须能够相互通知 , 以便同步改变状态。OGSA 定义了公共接口用于预定和传递通知 , 见表 1 的 NotificationSink 和 NotificationSource。其中NotificationSource接口被集成进服务数据。

5.4 企业应用系统网格计算整合

目前 , 很多企业已经开始或正在建造基于 Web Service 的企业 MIS 和 ERP 等应用计算环境 , 随着这种趋势的发展和不断成熟 , 可以利用 OGSA 技术将前期投资的互不兼容的管理、控制、设计等计算环境整合起来 , 建造统一在网格计算架构下的企业 IT 环境。OGSA的网格服务 (Grid Service) 本质上就是 Web服务 , 因而企业网格可以方便地通过服务接口调用已投入使用的企业应用计算模型 (J2EE, 1Net 等等) , 同时可以向外提供新的网格计算服务 , 而关键的技术在于服务的发布与发现。

311 实现服务发布

网格服务可以发布到 UDDI (Universal Description , Discovery , and Integration) 注册中心或到 WSIL (Web Services Inspection Language) 文档。

UDDI分为公有和私有两种: 向外提供的服务 , 可发布到公有的 UDDI注册中心; 带私有保密性的服务 , 可发布到私有 UDDI注册中心。

WSIL 不需要 UDDI注册 , 即可进行网格服务的发现和调用。因而对于集成度小的企业应用来说 , 可将服务接口发布到 WSIL 文档。实现网格服务以及发布的步骤: ①创建网格服务 WSDL , 可采用手动方式或 gloubs 内建工具。内建工具是根据核心服务接口自动创建的; ②为 WSDL 生成Java 代理; ③编写服务器端代码 , 实现核心的 Grid service、factory、registry、notification等接口以及业务逻辑; ④编写客户端代码; ⑤将Java 代理、服务器端代码、客户端代码部署到应用服务器中 , 将 WSDL 发布到 UDDI注册中心或到 WSIL 文档。

图 5 示意了企业网格服务的部署与发布的情况。由简单对象访问协议 (soap) 的 RPC

servlet 截获服务调用请求 , 并将这些请求传给相应的网格服务 , 该servlet 和具体的服务实现被部署到应用服务器中。真正的服务提供者可能是J2EE, 1Net , 或新生成的业务逻辑 , 它们被统一到企业网格架构 , 以标准网格服务形式向 外提供服务。

参 考 文 献

[1] 王森.计算机原理[m].北京：电子工业出版社.2002。

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[2] Foster and C. Kesselman. The Anatomy of the Grid: enabling scalable virtual organizations, International J. SupercomputerApplications, 15 (3) , 2001。

[3] 施伯乐.数据库教程[m].北京：人民邮电出版社.2004。

[4] S. Tuecke K. Czajkowski; Open Grid Services Infrastructure (OGSI) . 。 draft - ggf - ogsi - gridservice - 29-2003 - 04 - 05. pdf。

[5] 都志辉, 陈 渝. 以服务为中心的网格体系结构OGSA。

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[7]陈明德.Novel网络实际操作.[北京].北京电子工业出版社.1997。

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