网格技术的教育应用

中国玑代彖有装备2007年第5期(总第51期)网格技术的教育应用王琳刁永锋西华师范大学四川南充637002)摘要:网格是因特网应用的新发展,是继因特网之后的第三次互联网浪潮,是“下一代因特网”。本文概述了网格技术的有关内容,介绍了开放网格体系结构0GSA,论述了我国教育科研网格 Chinagrid及中国教育科研网格公共支撑平台CGSP。关健词:网格0 GSa ChinaGrid CGSP互联网经历了三个大的时期,第一个时期为源,正如电力网为千家万户供电一样,用户不必关心使Internet时期,第二个时期为Web时期,第三个,被称的电力来源于何处(三峡水库还是大亚湾核电站),或为下一代的 Internet-Grid,网格时期。这三个主以何种方式产生(水力发电、火力发电或核能发电),而流时期的演变及区别如图1所示。只需接通电源即可获得源源不断的电力供应。目前网格权威的定义是2001年堪称世界网格之父[1965年到现在1980年到现在1993年到现在Ian Foster对网格的定义:动态多机构虚拟组织中的Internet计算机的连通|网页的连通资源的全面连通和共享资源共享和协同问题的解决。网格的全部核心就是分布Grid:∥2式计算与资源管理,网格的实质就是共享与协作,共享是基础,协作是结果。没有开放资源(包括硬件和软图1互连网主流的演变件),就不可能有共享,协作也就成了泡影。如果说传统互联网实现了计算机硬件的连通,万维2.网格特征网实现了全球网页的连通,网格技术则是要利用互联网简单地讲,网格是把整个因特网整合成一台巨大的把分散在不同地理位置的计算机、硬件设备、软件、数超级计算机,实现计算资源、存储资源、数据资源、信据等资源组织成一台“虚拟的超级计算机”。息资源、软件资源、通信资源、知识资源、专家资源等的全面共享和协同。当然,网格并不一定非要这么大、网格概况我们也可以构造地区性的网格、企事业内部网格、局域网格来源网网格,甚至家庭网格和个人网格。网格的根本特征不网格(Grid)概念产生于上世纪90年代中期,是是它的规模,而是资源共享,消除资源孤岛。网格的技从电力网( Power grid)概念借鉴过来的,网格把分术特征包括:布在各地的计算机连接起来,让不同用户分享网上资◆资源共享、协同工作M凵中国煤化工控制、非平凡服务质收稿日期:2006-11-01CNMHG作者简介:王琳,研究生。刁永锋,教授,硕士生导师◆动态功能、开放系统。·四川省科技厅重点科研项目资助(05JY029-093)562maitemee @net2007年第5期(总第51期)中目代盲萊备3.网格分类务,包括计算机、程序、数据、仪器设备等。这种观根据网格所管理的资源类型,网格通常可以分为:念,有利于通过统一的标准接口来管理和使用网格。计算网格、数据网格、设备网格与应用网格,其中应用下面我们从结构层次上对OGSA进行深入的分析。OGSA网格从实现技术上来说需要借助于计算网格、数据网格架构由四个主要的层次构成(如图2所示),从下到上依等。在这四大类网格中,可根据实际应用更有针对性地次为:物理与逻辑资源层、定义网格服务的Web服务与将网格应用分为:分布式高性能计算、海量信息处理与oGs提高扩展层、基于0GSA架构的网格服务层、网格服务、分布式交互协同、信息获取与融合、 Peer to应用程序层。Peer(p2p点对点)应用、商业应用网格等网格现状目前全球知名的网格项目有:美国能源部的加速战OGSAAchdeded Servces略计算ASCI计划,目标是构造100万亿次的超级计算机OGSI Open Gnd Servces ntrastrucres系统、软件和算法:白宫直属的HECC(High- End Com-puting and computations)计划,对高性能计算的Web sorces关键技术进行研发,并构建高性能基础设施;Petaflops计划开发构造千万亿次级系统的技术;最新的 UItrascale计划目标在2010年研制万万亿次级系统。欧盟的欧洲网格计划( Eurogrid)和数据网格计图2开放网格体系站构0GSA架构划( DataGrid);日本政府2003年投资了一亿美元,启动“国家网格研究”和“国家商业网格”两个研究项1.物理与逻辑资源层:资源的概念是0GSA以及通目常意义上的网格计算的中心部分。构成网格能力的资源我国目前在这个领域开启了五个网格项目:科技部包括物理资源和逻辑资源。物理资源包括服务器、存储负责的国家网格( CNGrid)、教育部负责的中国教育器和网络。物理资源之上是逻辑资源,它们通过虚拟化科研网格技术 Chinagrid,、国家自然科学基金委负责的和聚合物理层的资源来提供额外的功能。逻辑资源在物E- Science网格研究计划、上海交通信息网格、中国空理网格之上提供了文件系统、数据库、目录和工作流管间信息网格。理等抽象服务。二、网格体系结构2.Web服务层:包括Web服务和OGSI。0GSI(开放网格服务基础结构0 pen Grid Services Infrastructure)网格体系结构是关于如何建造网格的技术,包括对规范定义了网格服务并建立在标准的Web服务技术之网格基本组成部分和各部分功能的定义和描述,网格各上。0GSI利用诸如XML与Web服务描述语言这样的Web机部分相互关系与集成方法的规定,网格有效运行机制的制,为所有网格资源指定标准的接口、行为与交互刻画。显然,网格体系结构是网格的骨架和灵魂,是网0GSI进一步扩展了Web服务的定义,提供了动态的、有格最核心的技术,只有建立合理的网格体系结构,才能够设计和建造好网格,才能够使网格有效地发挥作用。状态的和可管理的Web服务的能力,这在对网格资源进行建模时都是必需的。开放网格体系结构0GSA(0 pen Grid Services3.基于0GSA架构的网格服务层:Web服务及其GSIArchitecture)被称为是下一代的网格体系结构,它扩展为上一层提供了基础设施——基于架构的网格服sere技术提出来的,0S包括两大关键技术即网多是在原来“五层沙漏结构”的基础上,结合最新的Web中国煤化工 Grid forum)目前正在CNMH(服务和核心服务等领域格技术和 Web Service技术。OGSA最突出的思想就是以“服务”为中心。在0GSA框架中,将一切都抽象为服中定义基于网格架构的服务。随着这些新架构的服务开数于cmee gs2007年第5期(总第51期始出现,0GSA将变成更加有用的面向服务的架构个CGSP平台由多个功能模块构成,如图3所示。4.网格应用程序层:随着时间的推移,一组丰富的基于网格架构的服务不断被开发出来,使用一个或多城 Portal个基于网格架构的服务的新网格应用程序不断出现。比网「网格开发环境较有代表性的开发工具有 coG kits, MPICH-G2, Condor-G, My Proxy等,这些应用程序构成了0GSA架构的第四格安信息中心全统一管理层层计算接点层、网格在教育中的应用及相关技术图3cGSP逻辑结构图1.中国教育科研网格 ChinagridCGSP共划分为六个功能模块中国教育科研网格 Chinagrid计划是教育部“十(1)网格门户( Porta1):作为 Chinagrid的网五”211工程公共服务体系建设的重大专项。中国教育格服务展现方式,网格门户是最终用户使用网格的入科研网格将充分利用中国国家教育科研网 CERNET和高口。通过网格门户,用户可以提交作业、监视作业运校的大量计算资源和信息资源,开放相应的网络软件,行、管理和传输数据、查询网格资源信息,同时网格门配合网络计算机的使用,将分布在教育和科研网上自治户还具有用户管理、网格资源使用记账等功能的分布异构的海量资源集成起来,实现 CERNET环境下(2)网格开发环境:其主要功能是提供资源网格化资源的有效共享,消除信息孤岛,提供有效的服务,形封装的工具包和网格构建管理工具包,以及提供面向网成高水平低成本的服务平台,将高性能计算送到教育和格环境的编程模型,用于网格作业的开发。科研网用户的桌面上,成为国家科研教学服务的大平(3)信息中心:其主要功能是负责网格环境中各类资源的管理,实现一个全局的资源视图,提供网格信息ChinaGrid的长远目标是建设中国乃至世界上“最服务,使得最终用户透明访问网格环境上的计算节点、大、最先进、最实用”的网格系统。从最初的12所高校应用程序以及各类仪器设备等。开始, Chinagrid的覆盖面正在不断扩展之中,最终将(4)统一管理层:其主要功能是为网格环境中各类覆盖全国的大、中、小学和其它科研教育机构,其用户作业操作提供基础支持,具体分为如下四个子模块群也会由现在的领域专家和专业用户扩展为包括中小学◆服务容器:其主要功能是在计算节点上,提供生在内的普通用户个网格服务安装、部署、运行、监控的环境,并为监视2.中国教育科研网格公共支撑平台CGSP计算节点的资源实时状态提供必要的支持中国教育科研网格公共支撑平台( Chinagrid◆数据管理:主要功能是负责网格环境中各类存储Support Platform,简称CGSP)是为 Chinagrid的建资源和文件数据的管理,实现一个全局的文件数据视设和发展而研制的网格核心中间件。CGSP基于当前图,使得用户透明访问网格环境上的各种数据文件CERNET网络及将来 CERNET高速传输网,提供了一套完◆作业管理:主要功能是在信息服务和数据管理的整的网格服务支撑平台。它对教育和科研系统中的各种基础上,为最终用户执行计算任务提供一个虚拟的计算资源进行整合,屏蔽网格资源的异构性和动态性,为各平台,实现对数据和资源的透明访问和分布资源之间的种科学计算与工程研究提供高性能的、高可靠的,、安全协同工作方便的透明网格服务,形成一套面向 CERNET的公共网中国煤化工本域的用户管理、日格服务体系。CCSP提供 Chinagrid的服务门户,同时也志CNMHG以心鬥时人互,使得域管理员可以为各种网格应用提供一套完整的开发和部署环境。整方便地对本域的用户,服务和资源,域间交互策略等进58emaiemee@.net2007年第5期(总第51期)中国现代散育装备行管理究、大型地质灾害预测等应用(5)网格安全:所提供的功能包括用户身份的认(3)“图像处理网格”是基于 Chinagrid之上,直证、资源和服务的授权以及用户身份到资源授权的映射接利用其广域的大规模计算资源和软件资源充分实现网等格互操作特性,以安全、透明的方式为用户提供图像处(6)计算节点层:真正提供网格服务的节点,可以理相关服务的应用平台,目前有三维虚拟人的重建是集群等大型计算设备,也可以是普通微机和工作站感图像处理、医学图像处理等应用。等(4)“海量信息处理网格”是以数据密集型为背景CGSP是一组互相配合的软件组件,支持 Chinagrid的海量信息处理网格,如高能物理数据处理及大学数字网格应用的开发、调试、部署、运行管理以及系统监控博物馆网格等,实现了4个大学的数字博物馆的互联等各个环节。基于CGSP,整个 Chinagrid网格系统可以(5)“大学课程在线网格”的规模已经达到20个服构造成一个分层树型结构。CGSP的主要特点包括:符合务节点,其中总共近3000小时的课程视频,每天接纳近oGSA规范,参照网格最新理念wSRF(Web服务资源框架万人次的开放式点播访问,已经成为我国规模最大、提Web Services resource framework)实现,支持超7×24服务的非盈利课程视频服务。级(虚拟)服务、普通 WebService和WSRF服务等多种服务模式: Chinagrid具有区域性非常强的特点,为了四、结束语实现就近取材,同时满足 Chinagrid中各个专业网格的历史的发展已进入互联网时代,互联网时代的发展自治性的要求,CGSP引入了瓣驍的构建模式,每个域可已己进入网格浪潮时期,网格技术的应用使互联网资源得以单独对外提供服务;CGSP的可扩展性设计能够满足到了最大限度的整合。网格技术在教育科研领域的应用Chinagrid不断扩展的需求,树型结构使其规模能够逐研究,将为教育科研的发展开创一条崭新的前进道路。步扩展到全国多所高校;保证了 Chinagrid的完整性和统一性,从根域出发的全局监控和统一入口体现了Chinagrid的整体性,而各个子域又可以具有各自独立的 Portal。3. Chinagrid的典型应用建设参考文献Chinagrid计划第一期上开展的专业应用网格包括[1]刘鹏.网格发展趋势[eb/ol].http://www生物信息学网格,计算力学网格,图像处理网格,海量gridhome. com[2]教育科研网格风起云涌[eb/ol].http://信息处理网格和大学课程在线网格column. bokee. com/print 31568. html(1)“生物信息学网格”用网格实现高校之间生物3] Jay Unger, Matt Haynos.开放网格服务架信息资源共享,如基因序列分析、匹配等。目前,“生构之旅[eb/ol].http://www.ibmcom/cn/物信息学网格”每天接纳用户访问约5万人次,是目前[4]中国教育科研网格公共支撑平台简介[EB世界上最繁忙的网格。0L].网格成长,2005,2(2)“计算力学网格”(CFD)利用其计算资源管[5]刘雨.中国教育科研网格计划取得三大突破理、用户管理、系统安全、数据访问和传输等功能,针[eb/ol].http://www.dostor.com/n/industry/对CFD应用的不同工程背景在网格环境中进行CFD应用2005-08-03/0001424756.shtm1的集成,主要开展飞行器遗传优化设计、分子动力学研中国煤化工CNMHG