光子網(wǎng)格技術(shù)及應(yīng)用

1引言

網(wǎng)格(grid)是20世紀(jì)90年代中期發(fā)展起來的一項(xiàng)技術(shù)，其標(biāo)志性應(yīng)用為全球范圍內(nèi)的大規(guī)�？茖W(xué)計(jì)算(E-science)[1]。它將位于不同地理位置的科學(xué)儀器、高性能計(jì)算機(jī)、分布式數(shù)據(jù)庫、傳感器、遠(yuǎn)程設(shè)備等組合起來，以解決復(fù)雜的科學(xué)問題，如全球氣候模擬、高能物理、基因圖譜的測繪、核試驗(yàn)?zāi)�擬、新藥的研制、虛擬專家會(huì)診、大規(guī)模信息和決策支持系統(tǒng)等。網(wǎng)格技術(shù)使人們能夠共享計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和相關(guān)服務(wù)，因此它在天文、航空航天、交通、汽車制造、氣象、鋼鐵生成、核反應(yīng)堆等諸多領(lǐng)域的科研計(jì)劃和產(chǎn)業(yè)發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。

在網(wǎng)格應(yīng)用中，傳感器、遠(yuǎn)程設(shè)備、高性能計(jì)算機(jī)及可視化設(shè)備之間需要實(shí)時(shí)傳送terabyte甚至petabyte量級(jí)的海量數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)格應(yīng)用中占有十分重要的地位。傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)無法提供低延時(shí)保證下海量數(shù)據(jù)的高速傳輸，同時(shí)其盡力而為的服務(wù)方式無法滿足用戶的QoS要求。因此，構(gòu)建在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)上的網(wǎng)格應(yīng)用存在著諸多的局限性，如數(shù)據(jù)傳輸速度慢、可靠性差、用戶交互性差、使用界面不夠友善等，極大地影響了應(yīng)用系統(tǒng)的效率。

光子網(wǎng)格（opticalgrid）是近年來在上述背景下發(fā)展起來的一種新興技術(shù)[2~3]。其基本思想是將分布在不同地理位置的高性能并行計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)集群、大型存儲(chǔ)設(shè)備、高清晰顯示設(shè)備、大型科學(xué)儀器以及各種類型的個(gè)人計(jì)算機(jī)、服務(wù)器等通過光網(wǎng)絡(luò)相互關(guān)聯(lián)起來。由于光網(wǎng)絡(luò)具有大帶寬、高度透明、低延時(shí)、低成本、高可靠性和動(dòng)態(tài)帶寬調(diào)整能力，因此光子網(wǎng)格在滿足用戶共享網(wǎng)格信息資源的同時(shí)，還可為網(wǎng)格應(yīng)用提供海量數(shù)據(jù)的快速傳輸、高可靠性管理及資源的靈活調(diào)度和控制。

光子網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施，可突破網(wǎng)格應(yīng)用中的網(wǎng)絡(luò)瓶頸問題，使網(wǎng)格用戶能夠與高端計(jì)算資源保持同步并維持令人滿意的互動(dòng)功能，從而加速應(yīng)用領(lǐng)域的科研進(jìn)程，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。另一方面，光子網(wǎng)格的實(shí)施，使得高性能計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源及科學(xué)儀器的擁有者能夠更有效地拓展應(yīng)用市場，提高資源的利用率。由此可見，光子網(wǎng)格是使網(wǎng)格應(yīng)用真正走向?qū)嵱玫目尚屑夹g(shù)。

2 光子網(wǎng)格產(chǎn)生的背景

近年來，隨著大規(guī)�？茖W(xué)計(jì)算應(yīng)用的不斷發(fā)展，其對計(jì)算機(jī)處理能力、存儲(chǔ)能力及高性能可視化的要求在不斷增加。計(jì)算機(jī)處理或存儲(chǔ)能力受技術(shù)及成本等因素的制約，為每個(gè)用戶配備高性能計(jì)算、存儲(chǔ)及可視化設(shè)備既不經(jīng)濟(jì)也不現(xiàn)實(shí)。一種可行的解決方法是將計(jì)算及存儲(chǔ)任務(wù)分配給不同的計(jì)算機(jī)，通過共享不同研究機(jī)構(gòu)的計(jì)算、存儲(chǔ)及可視化資源來實(shí)現(xiàn)大規(guī)�？茖W(xué)計(jì)算及可視化應(yīng)用。這種方法可以有效地節(jié)省成本，提高資源的利用率。

與此同時(shí)，當(dāng)今科學(xué)計(jì)算問題的復(fù)雜性在不斷增加，它需要不同領(lǐng)域、不同國家的科學(xué)家共同協(xié)作才能取得突破性的成果。因此，必須構(gòu)建一個(gè)高速網(wǎng)絡(luò)將這些科學(xué)研究工作者、高性能計(jì)算及存儲(chǔ)設(shè)備、高精密儀器及可視化設(shè)備關(guān)聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)不同地理位置之間海量數(shù)據(jù)的高效傳送。上述應(yīng)用導(dǎo)致了對網(wǎng)絡(luò)的連通性及帶寬要求的不斷增加。

光纖及光網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備的大范圍敷設(shè)及廣泛應(yīng)用為互聯(lián)高性能計(jì)算機(jī)、大型存儲(chǔ)設(shè)備、高清晰顯示設(shè)備及大型科學(xué)儀器提供了可能。目前，在10Gbit/s及更高速率上，與IP交換機(jī)相比，光交換機(jī)具有更低的功耗和成本。光網(wǎng)絡(luò)可以提供低成本、高帶寬、高可靠性光連接，已被絕大多數(shù)研究機(jī)構(gòu)甚至一些個(gè)人用戶所接受。

光子網(wǎng)格即是在上述背景下產(chǎn)生的，它通過光網(wǎng)絡(luò)將終端用戶、計(jì)算、存儲(chǔ)等資源關(guān)聯(lián)起來，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程海量數(shù)據(jù)的高速傳輸。

3光子網(wǎng)格研究的關(guān)鍵問題

光子網(wǎng)格不等于簡單地用光網(wǎng)絡(luò)來提供大數(shù)據(jù)傳輸。要有效地支持網(wǎng)格應(yīng)用，傳統(tǒng)的光通信網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)格技術(shù)面臨著一系列的挑戰(zhàn)。

首先，要支持網(wǎng)格應(yīng)用，需要為大量的用戶和終端設(shè)備提供從Mbit/s至Tbit/s量級(jí)的傳輸帶寬。用戶對帶寬的請求具有突發(fā)性、并行性、大規(guī)模、多種粒度并存的特點(diǎn)，而光網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源及網(wǎng)格的計(jì)算與存儲(chǔ)資源均是有限的。很顯然，為每個(gè)用戶任務(wù)提供專用的光通路既不經(jīng)濟(jì)也不現(xiàn)實(shí)。因此，光通信系統(tǒng)需要支持不同類型、多粒度、突發(fā)性帶寬需求，具有按需分配帶寬的能力；提供組播和廣播能力；同時(shí)，系統(tǒng)為滿足應(yīng)用需求，還需要為用戶或應(yīng)用提供自組織、自管理和自控制分布式網(wǎng)絡(luò)資源的能力，支持靈活、快速的通道建立。

其次，網(wǎng)格應(yīng)用不同于通信網(wǎng)絡(luò)上的點(diǎn)到點(diǎn)通信業(yè)務(wù)，它具有分布式、多任務(wù)流的工作特點(diǎn)，多個(gè)任務(wù)可以分配至不同的計(jì)算資源上并行運(yùn)行，不同的任務(wù)分配方式會(huì)導(dǎo)致不同的光網(wǎng)絡(luò)資源分配方式。即使計(jì)算資源分配方案是確定的，由于光通道源、宿節(jié)點(diǎn)對之間可以有不同的路由選擇，因此光網(wǎng)絡(luò)資源將有不同的調(diào)度方案。而不同的任務(wù)分配方法又會(huì)導(dǎo)致不同的任務(wù)完成時(shí)間。因此，要在給定的限制條件下高效地完成一個(gè)給定的業(yè)務(wù)，系統(tǒng)必須支持大規(guī)模的分布式并行網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，必須合理地描述各業(yè)務(wù)流程之間的相互關(guān)系，并通過一種全新的方式來協(xié)同調(diào)度計(jì)算資源及光網(wǎng)絡(luò)資源，否則將直接導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行效率及資源利用率的降低。

再者，目前網(wǎng)格計(jì)算在完成資源發(fā)現(xiàn)、任務(wù)調(diào)度的過程中，通常不考慮網(wǎng)絡(luò)資源的限制及可用性，并且缺少從網(wǎng)絡(luò)中獲取可用的網(wǎng)絡(luò)資源信息的發(fā)現(xiàn)機(jī)制。而在實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)資源是一個(gè)影響系統(tǒng)效率和應(yīng)用功效的重要因素。因此，必須尋找一種新的資源描述、資源發(fā)現(xiàn)及資源更新機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)對計(jì)算資源和網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一管理和合理利用。

最后，網(wǎng)格應(yīng)用的多業(yè)務(wù)流、大數(shù)據(jù)量特性要求通信網(wǎng)絡(luò)具有更高的安全性及數(shù)據(jù)正確性保證。雖然網(wǎng)格具有一定的容錯(cuò)機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)也具有一定的保護(hù)/恢復(fù)能力，但是如何根據(jù)用戶的QoS需求，通過光網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格的協(xié)同操作來實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的系統(tǒng)容錯(cuò)，以保證網(wǎng)絡(luò)的安全性及網(wǎng)格用戶與通信網(wǎng)絡(luò)接口的安全性，也是需要解決的問題。

針對上述關(guān)鍵問題，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)及相關(guān)學(xué)者就光子網(wǎng)格及其應(yīng)用重點(diǎn)從以下幾個(gè)方面開展了研究。

·光子網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)技術(shù)：重點(diǎn)研究建造光子網(wǎng)格的技術(shù)、光子網(wǎng)格的基本組成與功能、光子網(wǎng)格各組成部分的相互關(guān)系、各部分集成的方式或方法以及它們與網(wǎng)格應(yīng)用之間的相互關(guān)系。

·控制與管理協(xié)議：重點(diǎn)研究光子網(wǎng)格的控制及管理機(jī)制，包括用戶網(wǎng)絡(luò)接口、計(jì)算資源調(diào)用及控制機(jī)制、光網(wǎng)絡(luò)突發(fā)帶寬的動(dòng)態(tài)調(diào)用及調(diào)整、信令和路由協(xié)議、域間和層間控制協(xié)議、光子網(wǎng)格中間件的接口技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法等。

·光子網(wǎng)格資源發(fā)現(xiàn)及調(diào)度機(jī)制：重點(diǎn)研究光子網(wǎng)格環(huán)境下網(wǎng)格信息資源和光網(wǎng)絡(luò)資源的描述、注冊、發(fā)布、更新、服務(wù)部署、資源發(fā)現(xiàn)和資源調(diào)度機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上研究不同工作模式下網(wǎng)格信息資源與光網(wǎng)絡(luò)資源的協(xié)同優(yōu)化調(diào)度機(jī)制、實(shí)現(xiàn)算法及性能指標(biāo)分析。

·光子網(wǎng)格容錯(cuò)及安全訪問機(jī)制：重點(diǎn)研究光子網(wǎng)格權(quán)限管理機(jī)制、用戶身份認(rèn)證技術(shù)以及跨域調(diào)度的安全和權(quán)限管理技術(shù)，研究在光子網(wǎng)格發(fā)生光纖鏈路中斷、設(shè)備節(jié)點(diǎn)故障、服務(wù)器宕機(jī)或服務(wù)程序中斷情況下，如何設(shè)立不同等級(jí)的容錯(cuò)策略，在保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和及時(shí)性的同時(shí)，使用戶察覺不到系統(tǒng)故障，以滿足不同用戶的QoS要求。

·業(yè)務(wù)模型及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)：重點(diǎn)研究多種網(wǎng)格應(yīng)用模型下業(yè)務(wù)類型的分類和整理方法，對不同類型業(yè)務(wù)，根據(jù)用戶的QoS要求，制訂不同的業(yè)務(wù)等級(jí)機(jī)制，給出不同類型、不同等級(jí)下業(yè)務(wù)工作流的描述方法，并提供一種輔助用戶進(jìn)行流程定義、生成描述文件的可視化工具，在此基礎(chǔ)上針對高性能計(jì)算及可視化、大規(guī)模協(xié)同設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊湫蛻?yīng)用，探討多業(yè)務(wù)應(yīng)用模式下光子網(wǎng)格的實(shí)現(xiàn)技術(shù)、應(yīng)用流程和發(fā)展前景。

由此可見，構(gòu)建一個(gè)新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，集成網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)格信息資源和服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對終端用戶、網(wǎng)絡(luò)資源和網(wǎng)格信息資源的協(xié)同管理，無論在理論研究或?qū)嶋H應(yīng)用中都存在很多問題有待進(jìn)一步探討。