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網格

(信息學術語)

鎖定
網格(Grid),在信息學中,網格是一種用於集成或共享地理上分佈的各種資源(包括計算機系統存儲系統、通信系統、文件、數據庫、程序等),使之成為有機的整體,共同完成各種所需任務的機制。
中文名
網格
外文名
Grid
信息學定義
集成或共享地理上分佈的各種資源
構件系統方法
傳統方法、網格方法等
優    勢
資源共享協同工作、可擴展性等

網格網格定義

網格是一種新興的技術,正處在不斷髮展和變化當中。學術界和商業界圍繞網格開展的研究有很多,其研究的內容和名稱也不盡相同因而網格尚未有精確的定義和內容定位。比如國外媒體常用“下一代互聯網”、 “Internet2 ”、“下一代Web”等來稱呼網格相關技術。但“下一代互聯網(NGI)”和“Internet2”又是美國的兩個具體科研項目的名字,它們與網格研究目標相交叉,研究內容和重點有很大不同。企業界用的名稱也很多,有內容分發(Contents Delivery)、服務分發(Service Delivery)、電子服務(e-service)、實時企業計算(Real-Time Enterprise Computing,簡稱RTEC)、分佈式計算Peer-to-Peer Computing(簡稱P2P)、Web服務(Web Services)等。中國科學院計算所所長李國傑院士認為,網格實際上是繼傳統互聯網、Web之後的第三次浪潮,可以稱之為第三代互聯網應用。
網格是利用互聯網把地理上廣泛分佈的各種資源(包括計算資源、存儲資源、帶寬資源、軟件資源、數據資源、信息資源、知識資源等)連成一個邏輯整體,就像一台超級計算機一樣,為用户提供一體化信息和應用服務(計算、存儲、訪問等),虛擬組織最終實現在這個虛擬環境下進行資源共享和協同工作,徹底消除資源“孤島”,最充分的實現信息共享 [1] 
網格(Grid)這個詞來自於電力網格(PowerGrid)。“網格”與“電力網格”形神相似。一方面,計算機網縱橫交錯,很像電力網;另一方面,電力網格用高壓線路把分散在各地的發電站連接在一起,向用户提供源源不斷的電力。用户只需插上插頭、打開開關就能用電,一點都不需要關心電能是從哪個電站送來的,也不需要知道是水力電、火力電還是核能電。建設網格的目的也是一樣,其最終目的是希望它能夠把分佈在因特網上數以億計的計算機、存儲器、貴重設備、數據庫等結合起來,形成一個虛擬的、空前強大的超級計算機,滿足不斷增長的計算、存儲需求,並使信息世界成為一個有機的整體。
早期網格的目標是期望能夠像使用電力一樣方便地使用分佈在網絡上強大而豐富的計算能力,而不用理會這種計算力是在哪個地點、以何種形式產生的。網格技術被看作是繼傳統因特網、Web之後的第3次互聯網浪潮,也被稱為第3代因特網應用,其主要特點是通過提供資源級的共享,從而消除信息孤島、實現應用程序在更高層次上的交互與協作。目前,在網格計算的研究上,對信息與知識孤島的消除、實現對它們的共享也已成為一個研究的側重點。目前網格計算主要可以分為計算網格、信息網格與知識網格3個層次 [1] 

網格滿足條件

網格必須同時滿足三個條件:
  • 在非集中控制的環境中協同使用資源;
  • 使用標準的、開放的和通用的協議和接口;
  • 提供非平凡的服務。

網格無線數據

工業使用的無線系統大多采用與蜂窩移動電話相似的射頻連接,用點對點,或點對多點進行數據傳送。但是,麻省理工學院媒體研究室指出,傳統的無線語音通信方式,在數據服務中表現出過分地不足:非常剛性的系統結構中,雖經謹慎的系統預計,仍然丟失信號。
相反,網格式無線網絡是一個由多重複鏈路的接/發節點構成的系統,節點間彼此互助,將數據沿網絡傳送,特別適合惡劣工作條件。網格的安裝不必過於謹慎,隨便把它們丟到什麼地方,它就可以變成可靠的、靈活的系統,並能隨意擴展到千千萬萬個設備上。

網格網絡共性

麻省理工學院為網格式網絡開發的拓撲結構,是一個點對點對點,或對等點對對等點的系統,也就是一個由具有重複接/發功能的節點組成的網絡。每個節點都能接收/傳送數據,也和路由器一樣,將數據傳給它的鄰接點。通過中繼處理,數據包用可靠的通信鏈路,貫穿中間的各節點,抵達指定目標。
相似於因特網和其他點對點路由網,網格式網絡擁有多個冗餘的通信路徑。如果一條路徑在任何理由下中斷(包括射頻干擾中斷),網格網將自動選擇另一條路徑,維持正常通信。一般情況下,網格網能自動地選擇最短路徑,提高了連接的質量。根據實踐,如果距離減小兩倍,則接收端的信號強度會增加四倍,使鏈路更加可靠,還不增加節點發射功率。網格式網絡裏,只要增加節點數目,就可以增加可及範圍,或從冗餘鏈路的增加上,帶來更多的可靠性。
  1. 自我配置和自修復性:網格式網絡具有自我配置的特性,不需要人為的干預。增添新設備或舊設備移址都十分簡單,只需在新址接通電源後,網格網就會發現這個新節點,自動地把它納入現有的系統。網格式網絡不僅生來就有高可靠性,而且還有高適應性。如果傳感器或數據接收端,與固定的射頻通信源相距太遠,只需要在其間多佈置幾個中繼節點,間隙便可填平。線連的因特網上,如果某個路由器停止工作,數據包則經其他的節點,選擇另一個鏈路傳送數據。與此相似,如果網格式網絡中某個節點或鏈路失靈,數據包也會自動選擇其他的路徑。一、兩個節點的丟失,對網格產生不了致命的影響,網格式網絡具有自愈的能力,不需要外來的人力重新安排路徑。
  2. 冗餘性和可擴性:真實世界裏的冗餘性意味着系統的安全儲備程度,和使用者精心管理的緊張程序。沒有冗餘的系統是不可靠的系統;冗餘太多的系統,又帶來太大的浪費。網格式網絡的無線絡中,冗餘是節點密度帶來的基本功能。為了可靠性,需要精心設計的系統,在網格中只要多幾個節點便完成。每個節點有多條鏈路,根據情況自動選擇路由。其他的無線系統,很少有這種取得冗餘的方式。網格式網絡也有極好的可擴性,可以擴展到管理幾百到幾千個節點。因為這個系統沒有中央控制單元,增添多個鏈接點或網關,不存在任何麻煩。
  3. 可靠性、適應性和可擴性是今天無線通信和工業控制十分重視的性能。點對點的網絡有良好的可靠性,但無法擴展到使節點擁有多條鏈路。一點對多點的網絡可以管理多個端點,但可靠性受制於訪問點和端點的配置。在環境條件惡劣的情況下,一點對多點的網絡難以提高可靠性。與它們相反,網格網在環境或結構的制約下,內在地賦含可靠性和適應性,並可被任意擴展到幾千個端點。
網格式網絡在工業控制中使用時,還可以實現分佈式控制和診斷式監測。

網格無線通信

今天的網格式無線局域網主要使用基於802.11a/b/g的標準,但能夠被任何射頻技術擴充,例如UltraWideband或802.15.4 Zigbee。因為連網智能裝在每個節點上,不用任何中央交換機。網格的運作只取決於帶有網絡處理器,交換功能和系統軟件的每一個智能節點。
為了在網格內部實現節點間的通信,每個節點都具有自我發現的能力。首先,它們必須決定是否只在無線系統中當成一個訪問點,如同網絡主幹為另一個節點傳送數據,或者扮演一個組合功能的角色。其次,這些特定的節點使用查詢/響應協議確定它的近鄰。這些運算不能佔用太大的資源,不能超過鏈路可獲帶寬的1%到2%。
節點相互識別中,主要權衡的是路徑信息,例如信號的接收強度、吞吐量、出錯率和等待時間。這些數據必須在鄰接的各點上交互,又不能佔用太大的帶寬。然後,根據這些數據決定最佳路徑。所以,任何瞬間都可取得當時的最佳質量。
鏈路發現和路徑選擇都在後台進行,所以每個節點都知道當前有哪些鄰接點,並頻繁地運算,找出最佳路徑。如果某個節點出於維修、重新安排,或故障等任何原因停止工作,鄰近的節點立即重新記錄,重新運算,選擇路徑。這種自我修復或故障超越的能力,是網格式無線網有別於其他無線通信的主要標記。
每一個節點都是一個自我管理的節點,又是一個網絡的有機組成部分。該網絡可從某個指定點進行管理和配置,形成一個實體。使用系統管理程序SNMP,監測某個特定的單元、節點、域或整個網絡。發現協議(Discovery Protocols)簡化了搜查和定位某個指定節點的過程,並把它們顯示在管理者的屏幕上。
網格網依賴各種管理、控制和發現的報文,所以需要安全措施,採用帶內報文、加密隧道,防範竊聽和攻擊。標準化的安全技術例如802.1x和Advanced Encryption Standard加密,確保了節點和設備的安全。

網格網格魅力

業界的重量級公司,例如Cisco和Intel,確認網格技術是當下無線通信符合邏輯的下一步延伸。網格的使用可以幫助各企業迅速地建立起新的無線網,或在不需要線連基站的條件下,擴展現有的WLANs。具有網格多鏈路的基站,容易實現負荷的均衡,因為它們可以為數據傳輸選擇最佳的路徑。此外,工業用户還能用嵌入的無線網格,迅速建立起傳感器和控制器的網絡,進行工業管理和運輸管理。
網格技術的新崛起者和傳統IT老公司,紛紛出售他們具有網格功能的無線局域網。負責標準制定的相關機構,正在擬定把網格納入802.11(即WiFi),以及剛剛與公眾見面的802.16(亦即WiMax)標準的補充細則。嵌入式市場方面,網格技術開始形成標準,例如ZigBee。
其實,網格的基本概念並不是什麼新發明,僅僅是把因特網連線世界裏的實踐,擴展進無線世界。PacketHop工程副總裁Sott Burke説:“今天固定式的因特網就是一個大型的固定式網格網。”
網格網上的每個設備收/送它自己的數據時,同時又為其他的設備扮演了一個路由器的角色。每個設備的內在智能,使它能自動配置一個有效的網絡,並當某個節點超載到失效之際,重新調整鏈路。網格網的優點不僅容易設置,並能從一箇中央連線鏈路,無線地擴展覆蓋一個很大的地區,而且具有很強的生存能力。
也許這是軍事機密,無線網格是美國五角大樓高級防務研究機構(Defense Advanced Research Project Agency)推出的研究成果。PacketHop的早期技術,源於斯坦福研究院為五角大樓進行的研究,為野戰士兵裝備輕巧的高速無線數據網。佛羅里達崛起的新公司MeshNetworks也是源於高級防務研究機構,開發網格技術。
軍事部門和安全部門仍然是網格產品最直接的市場。“這個市場需求量很大,”Burke先生説。

網格企業網格

Nortel和幾家從事網格開發的新公司,確認網格式WLAN會給企業帶來更多的利益。今年上半年Nortel向市場提出了Wi-Fi網格產品--Wireless 7200 Series。“傳統的WLAN方案中,每個節點都和主幹網連接,但我們在網格式WLAN中免除掉這個需要,”無線網格網商務開發經理Peter Zwinkels説,“使我們在佈線困難或佈線費用太高的未佈網地區,實現了無線局域網。”
這些地區包括室內外面積很大的空間,例如倉庫和高爾夫球場。電源是難題之一,也許這裏連交通管理的紅綠燈和路燈都沒有。但是, Nortel向公眾承諾,只要傳統的連線網絡能生成的地方,就能用以太網本身向節點提供電源。
Intel在新澤西州Dartmouth大學的網格試驗中,把每個學生在校園空間的每個地方,與該校的網絡連接。春季實施的這個計劃,為學生提供了寬帶連接,並且需要向電話公司和電纜公司付費。
這些研究表明,網格主要用於廣域寬帶無線連接。雖然市場信息表明Wi-Fi熱點正匆忙地在美國的咖啡店、火車站、機場……興起,但無線ISPs和電信公司認為,他們可以用Wi-Fi熱點的擴展網格吸引用户,在銷售因特網、標準的移動電話和3G服務中當作贈品。網格技術可以巨大地加速寬帶服務的發展趨勢:取代大量的T1和ADSL線路,每個無線節點都是熱點,只需要一條高帶寬的連線,就能用無線網格覆蓋整個地區。Nortel把這個歸納成“熱區”,並宣稱這個系統不僅價格便宜,而且覆蓋性能優於當前熱點的大雜燴。
使用“熱區”
某些城市準備為工作人員推出類似的服務。Verge Wireless公司為例,它已在Baton Rouge和新奧爾良市,推出熱區型的網格服務。
某些ISPs仍在等待無線通信的最終方案,用WiMax為難以連線的地區提供寬帶服務。但Nortel認為,以Wi-Fi為基礎的網格技術,可以更好地滿足這些地區。“沒有DSL線路的地區,WiFi網格可以為一個小村莊,100~200户居民提供寬帶服務,”Zwinkels先生説。“MiMax要求用户安裝特殊設備,但Wi-Fi網格只需要用户用標準的PMCIA卡插入計算機。”
射頻識別技術(RFID)之後,嵌入式網格得到進一步發揮。取代固定式的掃描設備,網格上的傳感器和控制器在無線網上彼此交談,傳送信息。波士頓的Ember公司,專門製造RF芯片,用在大型運輸機上,監視被運送的貨箱。傳感器滿布在各個貨箱上,不僅記錄了貨箱內物品的詳細資料,而且傳送出運輸過程中貨箱存放的狀態。為了反恐的目的,美國各航空港將迅速使用這種無線監測系統,取代緩慢昂貴的海關人力檢查。
“貨箱就是一個網,每個貨箱在一個較大的網格式網絡內,形同一個節點,”Ember的商務主管Jim Schoenberjer説。“因為貨箱本身就是網絡的組成部分,所以港口或機場都不再需要安裝天線,網格是一個基礎設施很少的通信系統。”
嵌入式網格還可以用來收集家庭水電氣表的讀數,或裝進電燈開關,減少不必要的電線。Ember公司正在擬定ZigBee標準,它是EmberNet技術的一個組成部分。

網格網格標準

很多新公司如BelAir Networks,Tropos,FireTide和Strix System都在研發網格產品。雖然大多數產品都是在Wi-Fi的標準下擴展出來的,但各家的方法是不同的。這些專利的產品彼此缺少互操作性,所以不能在一起工作。既然網格要進入社會基礎設施,標準的制定是一件迫切重要的事情。
按照IEEE的規矩,為了制定一個標準,首先要由某個單位提出倡議,然後成立研究小組,最後才有標準制定的工作組。
2003年十二月底,Intel和Cisco就宣佈要在温哥華IEEE會議上提出倡議,制定網格式無線網絡的標準。
“當前的情況是明白的,”出版物Wi-Fi Plant的編輯Eric Griffith説。“Nortel和一大堆新公司都在搞網格產品,如果把這些產品放在一起,彼此完全不能交談。有些公司用蜂窩技術,有些公司用802.11a。蜂窩網格可以沿電話線杆架設,達到較遠的範圍。802.11a在短距離的使用中效果好,不受802.11b或802.11g干擾。”
經由Intel、Cisco、MeshNetworks和其它公司的倡議,IEEE成立了網格研究組,希望最終把網格補充入無線局域網的標準。今年一月,研究組舉行了第一次會議。評論家認為標準會在“最小公分母”的原則下完成。那時,各種專利協議的鋭利功效會受到很大的限制。所以,MeshNetworks公司正在重新打包它的專利,當作可授權產品,瞄準各無線設備製造商,2004年第二季度開始對外授權。
“非常有趣,Intel捲入這件事情,”Griffith説。“Intel絕對願意從芯片級上為網格提供標準。我的印象裏,Intel想彌補過去的小小過失,他們太晚地進入Wi-Fi,現在一定要在WiMax和網格上走到前沿。”
網格式無線局域網是無線通信發展的邏輯歸宿。從現有無線標準繁衍出新的功能,最能符合大多數廠商和用户的利益。一意孤行的專利標準雖然有暫時的優勢,但得不到技術進一步發展的認同。只有把握技術發展主流,參與國際共同研究,才是最把穩的方式。
個案研究:美國德州加蘭德市
加蘭德(Garland),距達拉斯城東北15英里,人口22.1萬,為社會安全人員,例如警官、消防隊員和醫院急診室工作人員更換通信系統。Lockheed Martin去年九月取得這個合同,選用了MeshNetworks的網格技術,代替蜂窩式通信系統。新系統將覆蓋57平方英里,是全世界最大的網格式移動通信網。按計劃,該項目2004年第二季度完成,先提供移動數據服務,然後再有圖像和語音服務。
網格技術為加蘭德市帶來很大的利益,比原來基礎設施的帶寬提高了50倍。“我們免除掉老系統要求的通信塔、線路租金和分區等頭痛的事情,”通信經理Darrell McClanahan説。“網格系統保持1Mbps的正常吞吐量,高峯可達6Mbps。”
新系統只需要PC卡、無線中繼器網關、地理位置軟件,經過改裝的Pocket PC掌上機和指揮控制中心的服務器。中繼器和網關掛在建築物、街燈,或交通管制紅綠燈上,為下一個中繼器和設備提供能源。PC卡和PDAs也扮演中繼者和路由器的角色,使網絡變得非常強健。地理位置軟件在不用GPS的條件下,提供緯度、經度和海拔高度等信息。該系統支持工業標準TCP/IP,DHCP和SNMP。
加蘭德市選擇網格通信系統前,於2003年在NexGen城沿190高速公路5平方英里的地區做試驗,兩輛汽車相反的方向行駛在每小時60英里的速度時,以通過量1.5Mbps成功地完成了實時的流式圖像,VoIP呼叫。
移動通信專家Tim Scannell談網格
問:按Zigbee國際聯盟的發起,IEEE 802.15.4的一個重要的可操作概念就是用來組建網格網。每個802.15.4節點可用作動態的路由器,從一個網關延伸到無限的距離,只要在這個區域內佈置節點。這並非一個新概念,但要它能自我組建、自我治癒仍然是一種挑戰。
是否可以用IEEE 802.15.4完成網格式網絡,IEEE 802.16技術是否也有類似的可行性?即通過內部合作,實現寬帶訪問因特網無限制的可及範圍?
答:當我們鋪設了日益增多的無線網,使用了各式各樣不同的技術,這些網將最終用網格的環境連在一起,成為最強的,或至少能跨越不同的邊界和標準的相互通信。蜂窩技術沿一個單元通信塔向下一個通信塔跳躍,使用户無縫地漫遊在網格通信框架內,攫取最強的可獲信號,構成無線連接。
Cometa Networks這樣的新公司,探索重疊使用802.11(Wi-Fi)網,在大範圍內提供網格無線訪問環境,其基本目的還是城域網(MANs)的想法。問題在於為了實現可操作性和可靠性,網上的每個訪問點不能中斷運行。如果某個區段中斷,就會變成弱鏈路區,服務遭到損害,和聖誕節的大面積燈串妝飾中不亮的燈泡相似。
Zigbee承諾把無線功能注入大量設備和非通信系統例如內置的環境控制,但不是網格的最佳選擇。Zigbee不適用於連續的通信系統,因為預設置之外的時間,或不被激活的節點處於睡眠狀態。但它能保持電池的長壽命,一個電池用5年,使系統在很長的週期內生存。Zigbee可以傳送小型的數據包,但不適用於大容量的信息。
射頻識別系統(RFID)也有類似之處,用在傳送有限的數據信息,系統的大部分處於被動地位,直到讀入器激活它們。最終,我們將更多地使用主動的RFID系統,用於零售業和物流運輸。
雖然網格管理、控制和收費都存在問題,但都能解決。我們已能監視和控制射頻,用分層技術和各種算法就能管理從A點向延伸點Z的數據流。Zigbee和RFID的網格可以通信和交換數據,但802.11將是更加通用的技術。 [2] 

網格結構體系

網格網格特徵

在介紹網格的特徵之前,我們首先要解決一個重要的問題:網格是不是分佈式系統?這個問題之所以必須回答,因為人們常常會問另一個相關的問題:"為什麼我們需要網格?現在已經有很多系統(比如海關報關係統、飛機訂票系統)實現了資源共享與協同工作。這些系統與網格有什麼區別?"
對這個問題的簡要回答是:網格是一種分佈式系統,但網格不同於傳統的分佈式系統。IBMGlobal Service與EDS是在這個分佈式領域最著名的公司。構建分佈式系統有三種方法:即傳統方法(我們稱之為EDS方法)、分佈自律系統(Autonomous Decentralized Systems, ADS)方法,網格(grid)方法。ADS通常用於工業控制系統中。網格方法與傳統方法的區別見下表:
特徵 傳統分佈式系統 網格
開放性 需求和技術有一定確定性、封閉性 開放技術、開放系統
通用性 專門領域、專有技術 通用技術
集中性 很可能是統一規劃、集中控制 一般而言是自然進化、非集中控制
使用模式 常常是終端模式或C/S模式 服務模式為主
標準化 領域標準或行業標準 通用標準(+行業標準)
平台性 應用解決方案 平台或基礎設施
通過以上對比,網格具有以下四點優勢 [3] 
(1)資源共享,消除資源孤島:網格能夠提供資源共享,它能消除信息孤島、實現應用程序的互連互通。網格與計算機網絡不同,計算機網絡實現的是一種硬件的連通,而網格能實現應用層面的連通。
(2)協同工作:網格第二個特點是協同工作,很多網格結點可以共同處理一個項目。
(3)通用開放標準,非集中控制,非平凡服務質量:這是Ian Foster最新提出的網格檢驗標準。網格是基於國際的開放技術標準,這跟以前很多行業、部門或者公司推出的軟件產品不一樣。
(4)動態功能,高度可擴展性:網格可以提供動態的服務,能夠適應變化。同時網格並非限制性的,它實現了高度的可擴展性。

網格網格體系

網格之所以能有以上所説的種種優勢特徵,是由網格的體系結構賦予它的。網格體系結構的主要功能是劃分系統基本組件,指定組件的目的與功能,刻畫組件之間的相互作用,整合各部分組件。科研工作者已經提出並實現了若干種合理的網格體系結構。下面介紹影響比較廣泛的兩個網格體系結構:網格計算協議體系結構(Grid Protocol Architecture,GPA)和計算經濟網格體系結構(GRACE)模型 [4] 
OGSA(Open Grid Services Architecture)被稱為是下一代的網格體系結構,它是在原來“五層沙漏結構”的基礎上,結合最新的Web Service 技術提出來的。OGSA包括兩大關鍵技術即網格技術和Web Service 技術。
隨着網格計算研究的深入,人們越來越發現網格體系結構的重要。網格體系結構是關於如何建造網格的技術,包括對網格基本組成部分和各部分功能的定義和描述,網格各部分相互關係與集成方法的規定,網格有效運行機制的刻畫。顯然,網格體系結構是網格的骨架和靈魂,是網格最核心的技術,只有建立合理的網格體系結構,才能夠設計和建造好網格,才能夠使網格有效地發揮作用。
OGSA最突出的思想就是以“服務”為中心。在OGSA框架中,將一切都抽象為服務,包括計算機、程序、數據、儀器設備等。這種觀念,有利於通過統一的標準接口來管理和使用網格。Web Service提供了一種基於服務的框架結構,但是,Web Service 面對的一般都是永久服務,而在網格應用環境中,大量的是臨時性的短暫服務,比如一個計算任務的執行等。考慮到網格環境的具體特點,OGSA 在原來Web Service 服務概念的基礎上,提出了“網格服務(Grid Service)”的概念,用於解決服務發現、動態服務創建、服務生命週期管理等與臨時服務有關的問題。
基於網格服務的概念,OGSA 將整個網格看作是“網格服務”的集合,但是這個集合不是一成不變的,是可以擴展的,這反映了網格的動態特性。網格服務通過定義接口來完成不同的功能,服務數據是關於網格服務實例的信息,因此網格服務可以簡單地表示為“網格服務=接口/行為+服務數據”。
在當下,網格服務提供的接口還比較有限,OGSA 還在不斷的完善過程之中,下一步將考慮擴充管理、安全等等方面的內容。

網格網格協議

網絡協議 網絡協議
Ian Foster於2001年提出了網格計算協議體系結構,認為網格建設的核心是標準化的協議與服務,並與Internet網絡協議進行類比。其示意圖如圖《網絡協議》所示 [5] 
該結構主要包括以下五個層次 [6] 
構造層(Fabric):控制局部的資源。由物理或邏輯實體組成,目的是為上層提供共享的資源。常用的物理資源包括計算資源、存儲系統、目錄、網絡資源等;邏輯資源包括分佈式文件系統分佈計算池、計算機羣等。構造層組件的功能受高層需求影響,基本功能包括資源查詢和資源管理的QoS保證。
連接層(Connectivity):支持便利安全的通信。該層定義了網格中安全通信與認證授權控制的核心協議。資源間的數據交換和授權認證、安全控制都在這一層控制實現。該層組件提供單點登錄、代理委託、同本地安全策略的整合和基於用户的信任策略等功能。
資源層(Resource):共享單一資源。該層建立在連接層的通信和認證協議之上,滿足安全會話、資源初始化、資源運行狀況監測、資源使用狀況統計等需求,通過調用構造層函數來訪問和控制局部資源。
彙集層(Collective):協調各種資源。該層將資源層提交的受控資源彙集在一起,供虛擬組織的應用程序共享和調用。該層組件可以實現各種共享行為,包括目錄服務、資源協同、資源監測診斷、數據複製、負荷控制、賬户管理等功能。
應用層(Application):為網格上用户的應用程序層。應用層是在虛擬組織環境中存在的。應用程序通過各層的應用程序編程接口(API)調用相應的服務,再通過服務調動網格上的資源來完成任務。為便於網格應用程序的開發,需要構建支持網格計算的大型函數庫。

網格網格運用

現在國內國外運用得最多的可能是在一些大型院校的計算網格(實現計算資源的共享。 什麼是計算資源: 簡單來説就是計算能力,CPU。 計算資源共享就是CPU計算的共享)。人們把一個集羣(cluster, 也就是常説的機房,通常有幾十台操作系統為Linux的計算機)的計算機連成一個局域型網格。這樣就好像把這幾十台電腦連成了一台超級計算機,計算能力當然大大提高了。這種局域計算網格主要運用於一些科研的研究。比如説生物科學。當生物科學的研究員需要高性能的計算資源來幫助他們分析試驗的結果時,他們就把這些分析試驗的程序提交(submit)給網格,網格通過計算再把結果返回給這些研究員。計算結果可能是一些圖像(rendering)也可能是一些數據。這些計算如果在單一PC(Personal computer, 個人計算機)上運行的話,往往會花費幾個月的時間,然而在網格中運行一,兩天也就完成了。這就是網格技術最直觀的優點之一。當然有一些大型主機(super-mainframe)也有很強的計算能力(比如常説的IBM deepblue,打敗人類國際象棋大師Kasparov那位),但是這種主機太昂貴,而且配置(deploy)往往不方便,是名副其實的重量級(heavyweight)計算。1996年初,美國數學家和程序設計師喬治· 沃特曼編制了一個梅森素數計算程序,並把它放在網頁上供數學家和數學愛好者免費使用,這就是著名的“因特網梅森素數大搜索”(GIMPS)項目。現在只要人們去GIMPS的主頁下載那個免費程序,就可以通過計算網格來搜尋新的梅森素數。SETI@Home,一個分佈式計算的項目,通過互聯網絡上的計算機搜索地球外智慧訊息,網格在分佈式計算的成功運用。)的網站指出,世界上最強大的計算機IBM 的 ASCI White,可以實現每秒12萬億次的浮點運算,但是花費了1億千萬美元;然而SETI@HOME只用了50萬美元卻實現了每秒15萬億次浮點運算。
網格另外一個顯著的運用可能就是虛擬組織(Virtual Organisations)。這種虛擬組織往往是針對與某一個特定的項目,或者是某一類特定研究人員。在這裏面可以實現計算資源、存儲資源、數據資源、信息資源、知識資源、專家資源的全面共享。比如説中國2008年奧運會開幕式研究組就可以運用網格組成一個虛擬組織。在這個虛擬組織裏,任何成員不管在哪個地方都可以有權訪問組織的共享資源(如 開幕式場地圖紙,開幕式資金,開幕式節目單);而且可以和另一地方的虛擬組織成員進行交流。這個虛擬組織就像把所有奧運會開幕式的資源,信息,以及人員集中到了一個虛擬的空間,讓人們集中精力研討開幕式項目的問題,而不必考慮其他的問題。據個實例,由英國利茲大學牛津大學,約克大學和謝菲爾德大學合作的DAME項目就是致力於研究和運用虛擬組織。DAME架構在這四個大學合建的白玫瑰網格White Rose Computational Grid (WRCG)上,運用於對飛機故障的快速檢測和維修。

網格基礎設施

首先,我們來看看有哪些典型的網格基礎設施組件,每一種組件如何對應用程序的架構、設計和部署產生影響。下面是網格基礎設施中的一些主要組件 [7] 
安全性。安全性是網格計算中的重要問題。每一種網格資源都可能需要遵從多種不同的安全策略。單點登錄認證是一種必不可少的方法。得到普遍遵守的協商授權機制也是很必要的。
資源管理。當提交一項任務的時候,網格資源管理器需要考慮如何為該任務指派資源、如何監視其狀態以及如何返回它的執行結果。
信息服務。由於網格資源管理器在指派資源之前要經過綜合全面的考慮,因此它需要知道哪些網格資源是可用的,以及這些資源的容量與當前使用的情況。這些有關網格資源的知識是通過網格信息服務(Grid Information Service,GIS)維護和提供的,又稱為監視與發現服務(Monitoring and Discovery Service,MDS)。
數據管理。數據管理主要解決任務如何傳輸數據以及如何訪問共享存儲的問題。

網格其他特性

可靠性
可靠性是計算領域內永恆的話題,網格環境也不例外。實現這一難題最好的方法是預見所有可能出現的失敗情況,並提供解決這些情況的手段。最可靠的方法能夠“容納異常情況的出現”(surprise tolerant)。網格計算的基礎設施必須處理主機中斷和網絡中斷等情況。下面列出一些需要考慮的方法:
  • 使用檢查點-重啓機制。
  • 用持久性存儲保存中間結果。
  • 用心跳監視機制跟蹤系統狀態。
  • 用健壯的系統管理解決方案最大程度地提高網格及其組件的可用性。
拓撲問題
網格計算的分佈式本質使地理上和組織機構上的大跨度變得不可避免。隨着內部網格的拓撲擴展為外部網格拓撲,複雜程度也逐漸提高。比如説,非功能性操作需求,安全性、目錄服務、可靠性、性能等都變得更加複雜。讓我們來研究一下拓撲的問題。
網絡拓撲。網格架構內的網絡拓撲可能在很多不同方面上呈現出來。網絡組件可以表示 LAN 或校園網的連通性,甚至還能表示網格網絡之間 WAN 的通信情況。網絡的職責是為所有的網格系統提供充足的帶寬。像基礎設施中其他的組件一樣,我們可以通過定製網絡來提供更高級別的可用性、性能以及安全性。
出於安全性以及其他一些架構性的限制,網格系統從很大程度上來説是網絡密集型的。尤其是數據網格,它可能在整個企業的網絡內散佈着一些存儲資源,因此在基礎設施的設計中,為了保證足夠的性能,關鍵因素就在於處理數量巨大的網絡負載。
啓用應用程序時應該考慮的問題包括如何使網絡通信量最小,如何使網絡延遲最短。假設應用程序的設計已經能夠保證最小的網絡通信量,那麼就有幾種方法可以使網絡延遲最短。比如説,千兆以太局域網可以用來支持高速羣集,或實現遠程網絡之間的高速 Internet 骨幹網
數據拓撲。我們最希望把任務指派到距離它所使用的數據最近的機器上執行。這樣可以降低網絡的通信量,還可能降低可測量性方面的限制。
數據需要存儲空間。在一個網格的設計中,存儲的可能性問題是沒有止境的。存儲要求一定的安全性、要可以進行備份、要可管理,還/或要進行復制。在網格的設計中,您需要確定您的數據對於需要它的資源來説一直是可用的。除了可用性之外,您還需要保證數據得到適當的保護,因為您不能讓未經授權的人訪問到敏感的數據。最後,您需要最佳的數據訪問性能。顯然,帶寬和訪問數據的距離兩者是相互有關的,但是您不會希望讓 I/O 問題阻礙網格應用程序的運行速度。對於那些磁盤密集型的應用程序,或是數據網格而言,您可以將工作重點更多地放在存儲資源上,比如您可以使用那些能夠提供更高容量、冗餘程度或容錯機制的存儲。
參考資料