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网格计算

网格计算. 报告人：李娟 2004 、 6 、 11. 报告流程. 网格原理 网格实现 网格应用. 网格原理. 何为网格 网格需求 网格要求 网格特点. 何为网格－ 网格问题的来源. 网格问题的引出 随着社会的发展，人们的应用需求不断提高，同时原有问题的求解领域的不断扩展和复杂化，并层出不穷的涌现出新问题需求，但是现有的计算机和设备无论从自身的性能还是从局部的合作上都无法满足人们日益增加的要求，然而由于网络等相关技术的发展，使得世界各地的计算机可以联网协同工作，利用空闲的以前无法使用和共享的设备等空闲资源。. 何为网格－ 网格问题的来源. 网格思想的来源

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网格计算

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Presentation Transcript

  1. 网格计算 报告人：李娟 2004、6、11

  2. 报告流程 • 网格原理 • 网格实现 • 网格应用

  3. 网格原理 • 何为网格 • 网格需求 • 网格要求 • 网格特点

  4. 何为网格－网格问题的来源 • 网格问题的引出 随着社会的发展，人们的应用需求不断提高，同时原有问题的求解领域的不断扩展和复杂化，并层出不穷的涌现出新问题需求，但是现有的计算机和设备无论从自身的性能还是从局部的合作上都无法满足人们日益增加的要求，然而由于网络等相关技术的发展，使得世界各地的计算机可以联网协同工作，利用空闲的以前无法使用和共享的设备等空闲资源。

  5. 何为网格－网格问题的来源 • 网格思想的来源 网格是借鉴电力网的概念提出的。提出网格的目的就是能够使得人们在使用网格资源的时候，能够像使用电力资源一样，自由使用，而不用关心我现在使用的电力资源是水力发电的还是核电呢，是从哪个发电厂来得之类的事情。网格也希望给最终用户提供的是与地理位置无关，与具体的计算设施无关的通用的计算能力。

  6. 电力网和网格组成对比

  7. 网格定义： • 广义定义： 网格是一个集成的计算与资源环境，或者说是一个计算资源池。网格能够充分吸纳各种计算资源，并将它们转化成一种随处可得的、可靠的、标准的同时还是经济的计算能力。这里的资源除了各种类型的计算机，还包括网络通信能力、数据资料、仪器设备、甚至是人等各种相关的资源。 • 狭义定义： 狭义网格中网络资源主要是指分布的计算机资源，因而狭义网格一般被称作为计算网格，即主要用于解决科学与工程计算问题的网格。

  8. 网格计算的定义 由于网格定义分为狭义和广义两种，所以相应的网格计算也分为两种： • 广义网格计算：基于网格的问题求解。 • 狭义的网格计算：就是将分布的计算机组织起来协同解决复杂的科学与工程计算问题。

  9. 网格概念分歧 到目前为止，关于什么是网格和什么是网格计算还没有一个普遍接受的定义，关于网格概念的分歧和争论仍然存在。 • 网格就是下一代的Internet。 • 网格计算就是在动代变化的、拥有多个部门或者团体的复杂虚拟组织内，灵活、安全的协同资源共享与问题求解。 • 网格就是方便资源管理，有效支持广域分布的、多领域的科学与工程问题解决的中间件系统。 • 网格是建造分布式科学计算环境的一种一体化的集成方法，这一环境包括计算、数据管理、科学仪器以及人类的协作。 • 网格是一种无缝的、集成的计算与协作环境。 • 网络是基于硬件支持的各种服务和功能的提供者。 这些都是目前出现的一些有关网格的定义，它们从不同的角度和侧重点来阐述了对网格的认识。

  10. 网格的发展 • 萌芽阶段：在90年代早期，主要是千兆网的测试床，以及一些元计算的实验； • 早期实验阶段：在90年代中期到后期，比如I-WAY项目，还包括一些学术性的软件项目，比如，Globus，Legion，还有一些应用实验； • 迅速发展阶段：2002年以来，出现了大量的应用社团和项目，主要基础设施的开发的使用，工业对网格计算的兴趣在增长等，比如IBM，Platfrom，Microsoft，Sun，Compaq等重要的公司；

  11. 目前的研究机构： • 国外的研究机构和涉及的网格项目 • 美国的NASA的IPG项目； • 美国能源部和三个国家重点实验室Sandia，Linvermore，LosAlamos共同承担的ASCI计划； • 美国军方的GIG项目； • 日本的Ninf项目； • NCSA的NTG和STARTAP项目以及后续的iGrid项目； • 商业的P2P工作组，Avaki，Entropia，Gridware，InSors。 • 国内的研究机构和涉及的网格项目 • 中科院牵头的“国家高性能计算环境(NHPCE)”； • 清华大学牵头的由教育部支持的重点项目“先进计算基础设施北京上海试点工程”； • 2002年863信息领域高性能计算机及其核心软件项目

  12. 网格原理 • 何为网格 • 网格需求 • 网格要求 • 网格特点

  13. 网格需求－－网格为何出现 • 现有资源和计算能力已经无法满足人们需求和求解问题的增加。新型资源配置格式应需而生，即网格出现了。主要有以下方面的原因： • 计算的重要性 “计算”与理论和实验并存，并且成为第三种重要的科学研究方式。其中计算将理论和实验连接起来，成为二者之间的桥梁。计算已经不再是科学领域中，已经渗透到社会与经济活动中。 • 问题的需求 随着人们求解问题领域的不断拓展，所遇问题复杂化，规模化，计算幅度也大幅提高。如天文、生物研究、在线日常事务处理。 • 相关技术的发展 网络和计算机两方面的共同发展和协同。

  14. 网格需求－－网格应用领域 • 在科学领域，网格可以有如下应用 • 分布式超级计算 • 高吞吐率计算 • 数据密集型计算 • 社会经济生活领域 • 基于广泛信息共享的人与人交互 • 更广泛的资源贸易 网格是一种面向问题和应用的技术，随着网 格技术的不断完善和应用领域的不断扩展，网格 可以在更多的领域得到应用，发挥更大的作用。

  15. 网格需求－－网格的应用群体 网格能够出现并且有十分广阔的应用领域， 广大的应用领域必然有广大的用户群。网格的应用群体涉及到几乎所有的领域，从尖端的科研到日常的生活。 • 科学研究领域： 首先是计算科学家和工程师 其次是实验科学家 • 社会和经济团体：协会，公司，人类公共问题 研究机构等。

  16. 网格原理 • 何为网格 • 网格需求 • 网格要求 • 网格特点

  17. 何为网格－－网格要求 • 可靠性要求 • 标准化要求 • 易访问性要求 • 价格低廉性

  18. 影响网格建设的因素 网格是一个有重要影响的基础设施，网格基础设施包括硬件、软件和网格组织。关于如何建造网格，必须遵照一定的原则来进行。以下是一些网格建设的经验和因素： • 国家行为 • 从局部到整体 • 利用市场和经济杠杆

  19. 网格原理 • 何为网格 • 网格需求 • 网格要求 • 网格特点

  20. 何为网格－－网格特点 作为一种新出现的重要基础设施，从了解这个设施的特点，可以帮助了解认识和把握网格。网格的特点如下： （1）分布性

  21. 网格特点（2） （2）自相似性 分形模型最重要特征就是自相似性，即整体和局部之间存在一定的相似性。整体和局部互相体现特征。

  22. 网格特点（3） （3）动态性和多样性 动态性包括动态增加和动态减少两个方面 （4）自治性与管理的多重性 网络中的资源首先是归自身所有者拥有的，网格资源也必须接受网格的统一管理。 网格的自治性是指网格允许资源拥有者对他的资源有自主的管理能力。 网格管理多重性是指一方面它允许网格资源的拥有者对资源具有自主性管理，另一方面又要求网格资源必须接受网格的统一管理。

  23. 网格体系结构 • 体系结构本身就是一个系统的整体框架结构，通过它从整体上了解一个系统的构架布局等。 • 网格体系结构也是如此，我们给出一个通用意义上的定义：网格体系结构就是关于如何建造网格的技术。它给出了网格的基本组成与功能，描述了网格各组成部分的关系以及它们集成的方式或方法，刻画了支持网格有效运转的机制。

  24. 网格体系结构的精髓 • 网格体系结构体现了一个分合思想，贯穿两条主线，一个是“分”，另一个就是“合” • 网络体系结构的作用是在一定程度上对网格的解剖。GA必须要能够标识出网格的基本组成成分，要能够清楚地说明网格整体是由那些关键部分结合在一起形成地。GA还必须能够对各个部分地功能、目的、特点等进行清晰地描述，是人们能够了解各个组成部分的作用。这是“分”的作用。 • “分”的基础之上，GA还需要进一步描述“合”的功能，即充分了解网格的各个部分的作用机理、作用方式等的基础上，将分的部分按照一定的方式进行组织合集成，形成一个特定功能的整体对外提供服务。

  25. 网格体系结构的分类 • 五层沙漏结构 由Foster等最早提出的，是一个最先出现的应用和影响最广泛的结构。 • OGSA体系结构 开放网格服务结构OGSA(Open Grid Services Architecture)是Global Grid Forum 4的重要标准建议，是继五层沙漏结构之后最重要，也是目前最新的一种网格体系结构。是由Foster等结合Web Service等特定，在IBM带头下提出的新的网格结构。

  26. 网格体系结构（1）－－五层沙漏结构 • 五层沙漏结构是一种以协议为中心的结构，也十分强调服务与API（Application Programming Interfaces）和SDK （Software Development Kits）的重要性。 • 五层沙漏的基本思想： • 共享 • 互操作 • 协议 • 服务 • API/SDK • 五层划分

  27. 网格体系结构（1）－－五层沙漏结构

  28. 网格体系结构（1）－－五层结构及其与TCP/IP协议的比较网格体系结构（1）－－五层结构及其与TCP/IP协议的比较

  29. 网格体系结构（1）－－功能映射示意图

  30. 五层结构各部分与globus功能对应关系

  31. 网格系统结构（2）－－OGSA OGSA的基本思想有三方面： • 是一种以服务为中心的模型 • 统一的web架构 • 突破科学领域

  32. 网格体系结构（2）－－OGSA服务框架 OGSA是一种以服务为中心的“服务结构”模型。 对其简单的可以描述为：网格服务＝接口/行为＋服务数据 如下图所示：

  33. 网格体系结构（2）－－OGSA服务框架 • OGSA是一个服务为中心的模型。 • 以服务为中心，可以简化问题的求解，降低问题的难度，有很多优点。 • 局部节点的操作系统和网络接口，底层网络基础设施以及网格试验床

  34. 网格体系结构（2）－－OGSA两大支撑技术 • 网格技术（即Globus软件包） Globus是一种基于社团的，开放结构，开放源码的服务的集合，也是支持网格与网格应用的软件库，该工具包解决了安全，信息发现，资源管理，数据管理，通信，错误检测以及可移植等问题。 • Web Service Web Service只要是涉及一些协议标准的，主要有SOAP，WSDL，WS－Inspection，UDDI等协议。这些协议之间互相可以支持。其中关于XML协议是它的工作基础。 • 网格技术与Web Service关系 网格项目AVAKI认为它俩之间存在着密切的联系，并且归纳：Web Service的核心是在大的异构网络上将各种应用连接起来，借助于Web标准UDDI，WSDL和XML/SOAP等将Internet从一个通信网络进一步发展到一个应用平台。

  35. OGSA应用实例的示意图

  36. 网格层次结构：这是一种大家容易理解的、从网格开发角度体现出来的网格层次结构。我们通过它来讨论网格技术的内涵网格层次结构：这是一种大家容易理解的、从网格开发角度体现出来的网格层次结构。我们通过它来讨论网格技术的内涵

  37. 网格技术 • 网格技术分类 • 网格应用技术 • 网格编程技术 • 网格核心管理技术 • 网格底层支持技术 以上的网格技术是根据其所处的不同层 次来划分的，相互之间的层次关系在下面 给出。

  38. 网格应用技术 • 分布式超级计算应用 • 一些科学与工程计算问题的解决 • 分时广域分布式仪器系统 • 包括远程可视化以及远程控制等，其核心是网格支持的远程控制操作。 • 数据密集型计算 • 大型的天体物理、人体医学、图像等大型数据库的分析和处理 • 远程沉浸 • 对性能和服务质量有特别的要求，应用于交互的计算可视化、教育、培训、场景模拟、艺术与娱乐等领域。

  39. 网格编程技术 • 编程支持系统 • 面向对象技术及Legion • 基于商品化技术集成的网格编程 • VRML,Java3D,JDBC,CORBA,COM,JavaBean,Web以及各种网格技术等，一个重要成果是提出了一个逻辑结构形式。 • 数值计算编程环境NerSolve

  40. 网格核心服务技术 是连接网格底层与高层功能的纽带，是协 调整个网格系统有效运转的中枢。 • 高性能调度技术 • 高吞吐率管理技术 • 数据收集分析技术 • 可视化技术 • 安全技术

  41. 网格底层支撑技术 • 网格计算节点的构建技术，计算节点包括计算、通讯、存储等多种基本的组成元素。计算节点就是由这些基本的元素组合起来形成的； • 网络协议技术：数据传输协议、流协议、组通信协议、分布式对象协议等；

  42. 网格实现 • Globus的起源 • Globus的发展 • Globus的主要功能分化 • Globus与网格的关系 • Globus的应用实例

  43. Globus的起源 • Globus项目是目前国际上最有影响的与网格计算相关的项目之一； • 发起于九十年代中期，最初目的是希望把美国境内的各个高性能计算中心通过高性能网络连接起来，方便美国的大学和研究机构使用，提高高性能计算机的使用效率； • 第一个试验环境—I-WAY；

  44. Globus的发展 Globus项目是美国Argonne国家实验室的研发项目，它的发展主要从以下方面来讲： • 参加的人员，机构等规模来说； • 形成的实践成果：协议标准和工具包源代码等； • 应用范围；

  45. Globus与网格的关系 • Globus对网格的理解 • Globus对网格的支持 • 网格在Globus中的重要体现之处 • 统一的“虚拟组织”Virtual Organization； • 数据共享和互操作方案； • 建立支持网格计算的通用协议； • 开发支持网格计算的服务； • 实现支持网格计算环境的软件开发工具；

  46. Globus的功能分化： • 网格安全 • 网格信息获取与分布 • 网格资源管理 • 网格远程数据传输

  47. 网格实现－－－Globus逻辑结构

  48. Globus安全基础设施 • GSI(Grid Security Infrastructure) • 主要集中在网络的传输层和应用层 • 主要目标： • 支持在网格计算环境中主体之间的安全通信，防止主体假冒和数据泄密； • 支持跨虚拟组织的安全，这样就不能采用集中管理的安全系统； • 支持网格计算环境中用户单点登录，包括跨多个资源和地点的信任委托和信任转移等。 • 采用的技术： • 加强了与现有分布式安全技术的融合 • 基于公钥加密体系 • 有关认证证书：数字签名，主体名称、采用X.509认证等 • Secure Sockets Layer(SSL)通信协议等

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