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網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
tools.kfqgw-jgdw.cn 2014-06-04
網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是從1990年代中期發(fā)展起來的新技術(shù)，它把互聯(lián)網(wǎng)上分散的資源融為有機(jī)整體，實(shí)現(xiàn)資源的全面共享和有機(jī)協(xié)作，使人們能夠透明地使用資源的整體能力并按需獲取信息。資源包括高性能計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源、知識(shí)資源、專家資源、大型數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)、傳感器等。 


當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)只限于信息共享，網(wǎng)絡(luò)則被認(rèn)為是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的第三階段。網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)造地區(qū)性的網(wǎng)絡(luò)、企事業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，甚至家庭網(wǎng)絡(luò)和個(gè)人網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)的根本特征并不一定是它的規(guī)模，而是資源共享，消除資源孤島。
網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有很大的應(yīng)用潛力，能同時(shí)調(diào)動(dòng)數(shù)百萬臺(tái)計(jì)算機(jī)完成某一個(gè)計(jì)算任務(wù)，能匯集數(shù)千科學(xué)家之力共同完成同一項(xiàng)科學(xué)試驗(yàn)，還可以讓分布在各地的人們?cè)谔摂M環(huán)境中實(shí)現(xiàn)面對(duì)面交流。


網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展歷程
網(wǎng)絡(luò)研究起源于過去十年美國(guó)政府資助的高性能計(jì)算科研項(xiàng)目。這項(xiàng)研究的目標(biāo)是將跨地域的多臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)、大型數(shù)據(jù)庫(kù)、大型的科研設(shè)備、通信設(shè)備、可視化設(shè)備和各種傳感器等整合成一個(gè)巨大的超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以支持科學(xué)計(jì)算和科學(xué)研究。


微軟公司把開發(fā)力量集中在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上，關(guān)注使用網(wǎng)絡(luò)共享信息，而不是網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算能力，這反映了學(xué)術(shù)和研究領(lǐng)域內(nèi)的分歧。事實(shí)上，很多用于學(xué)術(shù)領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都能夠成為商業(yè)應(yīng)用。


Globus是美國(guó)阿貢（Argonne）國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目，全美12所大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)參與了該項(xiàng)目。Globus對(duì)資源管理、安全、信息服務(wù)及數(shù)據(jù)管理等網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的關(guān)鍵理論進(jìn)行研究，開發(fā)能在各種平臺(tái)上運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算工具軟件，幫助規(guī)劃和組建大型的網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)平臺(tái)，開發(fā)適合大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行的大型應(yīng)用程序。目前，Globus技術(shù)已在美國(guó)航天局網(wǎng)絡(luò)、歐洲數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、美國(guó)國(guó)家技術(shù)網(wǎng)絡(luò)等8個(gè)項(xiàng)目中得到應(yīng)用。2005年8月，美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器公司（IBM）宣布投入數(shù)十億美元研發(fā)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，與Globus合作開發(fā)開放的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，并宣稱網(wǎng)絡(luò)的價(jià)值不僅僅限于科學(xué)計(jì)算，商業(yè)應(yīng)用也有很好的前景。網(wǎng)絡(luò)計(jì)算和Globus從開始幕后走到前臺(tái)，受到前所未有的關(guān)注。


中國(guó)非常重視發(fā)展網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，由863計(jì)劃“高性能計(jì)算機(jī)及其核心軟件”重大專項(xiàng)支持建設(shè)的中國(guó)國(guó)家網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目在高性能計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)軟件、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和應(yīng)用等方面取得了創(chuàng)新性成果。具有18萬億次聚合計(jì)算能力、支持網(wǎng)絡(luò)研究和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)床——中國(guó)國(guó)家網(wǎng)絡(luò)，已于2005年12月21日正式開通運(yùn)行。這意味著通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，中國(guó)已能有效整合全國(guó)范圍內(nèi)大型計(jì)算機(jī)的計(jì)算資源，形成一個(gè)強(qiáng)大的計(jì)算平臺(tái)，幫助科研單位和科技工作者等實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源共享、數(shù)據(jù)共享和協(xié)同合作。


網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)
網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)、寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、資源管理和任務(wù)調(diào)度工具、應(yīng)用層的可視化工具。網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)計(jì)算資源的提供者，包括高端服務(wù)器、集群系統(tǒng)、MPP系統(tǒng)大型存儲(chǔ)設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)等。寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是在網(wǎng)絡(luò)計(jì)算環(huán)境中，提供高性能通信的必要手段。資源管理和任務(wù)調(diào)度工具用來解決資源的描述、組織和管理等關(guān)鍵問題。任務(wù)調(diào)度工具根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的負(fù)載情況，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的任務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。網(wǎng)絡(luò)計(jì)算主要是科學(xué)計(jì)算，它往往伴隨著海量數(shù)據(jù)。如果把計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成直觀的圖形信息，就能幫助研究人員擺脫理解數(shù)據(jù)的困難。這需要開發(fā)能在網(wǎng)絡(luò)計(jì)算中傳輸和讀取，并提供友好用戶界面的可視化工具。


網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究現(xiàn)狀
網(wǎng)絡(luò)計(jì)算通常著眼于大型應(yīng)用項(xiàng)目，按照Globus技術(shù)，大型應(yīng)用項(xiàng)目應(yīng)由許多組織協(xié)同完成，它們形成一個(gè)“虛擬組織”，各組織擁有的計(jì)算資源在虛擬組織里共享，協(xié)同完成項(xiàng)目。對(duì)于共享而言，有價(jià)值的不是設(shè)備本身而是實(shí)體的接口或界面。


從技術(shù)角度看，共享是資源或?qū)嶓w間的互操作。Globus技術(shù)設(shè)定，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的互操作意味著需要開發(fā)一套通用協(xié)議，用于描述消息的格式和消息交換的規(guī)則。在協(xié)議之上則需要開發(fā)一系列服務(wù)，這與建立在TCP/IP（傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議）上的萬維網(wǎng)服務(wù)原理相同。在服務(wù)中先定義應(yīng)用編程接口，基于這些接口再構(gòu)建軟件開發(fā)工具。


Globus網(wǎng)絡(luò)計(jì)算協(xié)議建立在網(wǎng)際協(xié)議之上，以網(wǎng)際協(xié)議中的通信、路由、名字解析等功能為基礎(chǔ)。Globus協(xié)議分為構(gòu)造層、連接層、資源層、匯集層和應(yīng)用層五層。每層都有各自的服務(wù)、應(yīng)用編程接口和軟件開發(fā)工具、上層協(xié)議調(diào)用下層協(xié)議的服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的全局應(yīng)用都需通過協(xié)議提供的服務(wù)調(diào)用操作系統(tǒng)。


構(gòu)造層功能是向上提供網(wǎng)絡(luò)中可供共享的資源，是物理或邏輯實(shí)體。常用的共享資源包括處理能力、存儲(chǔ)系統(tǒng)、目錄、網(wǎng)絡(luò)資源、分布式文件系統(tǒng)、分布式計(jì)算機(jī)池、計(jì)算機(jī)集群等。連接層是網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)事務(wù)處理通信與授權(quán)控制的核心協(xié)議。構(gòu)造層提交的各資源間的數(shù)據(jù)交換都在這一層控制下實(shí)現(xiàn)的。各資源間的授權(quán)驗(yàn)證、安全控制也在此實(shí)現(xiàn)。資源層的作用是對(duì)單個(gè)資源實(shí)施控制，與可用資源進(jìn)行安全握手、對(duì)資源做初始化、監(jiān)測(cè)資源運(yùn)行狀況、統(tǒng)計(jì)與付費(fèi)有關(guān)的資源使用數(shù)據(jù)。匯集層的作用是將資源層提交的受控資源匯集在一起，供虛擬組織的應(yīng)用程序共享、調(diào)用。為了對(duì)來自應(yīng)用的共享進(jìn)行管理和控制，匯集層提供目錄服務(wù)、資源分配、日程安排、資源代理、資源監(jiān)測(cè)診斷、網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)、負(fù)荷控制、賬戶管理等多種功能。應(yīng)用層是網(wǎng)絡(luò)上用戶的應(yīng)用程序，它先通過各層的應(yīng)用編程接口調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)，再通過服務(wù)調(diào)用網(wǎng)絡(luò)上的資源來完成任務(wù)。應(yīng)用程序的開發(fā)涉及大量庫(kù)函數(shù)。為便于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的開發(fā)，需要構(gòu)建支持網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的庫(kù)函數(shù)。


目前，Globus體系結(jié)構(gòu)已為一些大型網(wǎng)絡(luò)所采用。研究人員已經(jīng)在天氣預(yù)報(bào)、高能物理實(shí)驗(yàn)、航空器研究等領(lǐng)域開發(fā)了一些基于Globus網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的應(yīng)用程序。雖然這些應(yīng)用仍屬試驗(yàn)性質(zhì)，但它證明了網(wǎng)絡(luò)計(jì)算可以完成不少超級(jí)計(jì)算機(jī)難以勝任的大型應(yīng)用任務(wù)?？梢灶A(yù)見，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將很快掀起下一波互聯(lián)網(wǎng)浪潮。面對(duì)即將到來的第三代互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，很多發(fā)達(dá)國(guó)家都投入了大量研究資金，希望能抓住機(jī)遇，掌握未來的命運(yùn)。


中國(guó)也加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)方面的投入。中科院計(jì)算所為自己的網(wǎng)絡(luò)起名為“織女星網(wǎng)絡(luò)”（Vega Grid），目標(biāo)是具有大規(guī)模數(shù)據(jù)處理、高性能計(jì)算、資源共享和提高資源利用率的能力。與國(guó)內(nèi)外其他網(wǎng)絡(luò)研究項(xiàng)目相比，織女星網(wǎng)絡(luò)的最大特點(diǎn)是“服務(wù)網(wǎng)絡(luò)”。中國(guó)許多行業(yè)，如能源、交通、氣象、水利、農(nóng)林、教育、環(huán)保等對(duì)高性能計(jì)算網(wǎng)絡(luò)即信息網(wǎng)絡(luò)的需求非常巨大。預(yù)計(jì)在最近兩三年內(nèi)，就能看到更多的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用實(shí)例。


網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域
網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，主要有以下幾方面。


分布式超級(jí)計(jì)算 分布式超級(jí)計(jì)算將分布在不同地點(diǎn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)用高速網(wǎng)絡(luò)連接起來，并用網(wǎng)絡(luò)中間件軟件“粘合”起來，形成比單臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)強(qiáng)大得多的計(jì)算平臺(tái)。


分布式儀器系統(tǒng) 分布式儀器系統(tǒng)使用網(wǎng)絡(luò)管理分布在各地的貴重儀器系統(tǒng)，提供遠(yuǎn)程訪問儀器設(shè)備的手段，提高儀器的利用率，方便用戶的使用。


數(shù)據(jù)密集型計(jì)算 并行計(jì)算技術(shù)往往是由一些計(jì)算密集型應(yīng)用推動(dòng)的，特別是一些帶有巨大挑戰(zhàn)性質(zhì)的應(yīng)用，大大促進(jìn)了對(duì)高性能并行體系結(jié)構(gòu)、編程環(huán)境、大規(guī)?？梢暬阮I(lǐng)域的研究。數(shù)據(jù)密集型計(jì)算的應(yīng)用比計(jì)算密集型的應(yīng)用多得多，它對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)更側(cè)重于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳輸和處理，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)則更側(cè)重于計(jì)算能力的提高。在這個(gè)領(lǐng)域獨(dú)占鰲頭的項(xiàng)目是歐洲核子中心開展的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（DataGrid）項(xiàng)目，其目標(biāo)是處理2005年建成的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)源源不斷產(chǎn)生的PB/s量級(jí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。


遠(yuǎn)程沉浸 這是一種特殊的網(wǎng)絡(luò)化虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。它是對(duì)現(xiàn)實(shí)或歷史的逼真反映，對(duì)高性能計(jì)算結(jié)果或數(shù)據(jù)庫(kù)可視化?！俺两笔侵溉丝梢酝耆谌肫渲校焊鞯氐膮⑴c者通過網(wǎng)絡(luò)聚集在同一個(gè)虛擬空間里，既可以隨意漫游，又可以相互溝通，還可以與虛擬環(huán)境交互，使之發(fā)生改變。目前，已經(jīng)開發(fā)出幾十個(gè)遠(yuǎn)程沉浸應(yīng)用，包括虛擬歷史博物館、協(xié)同學(xué)習(xí)環(huán)境等。遠(yuǎn)程沉浸可以廣泛應(yīng)用于交互式科學(xué)可視化、教育、訓(xùn)練、藝術(shù)、娛樂、工業(yè)設(shè)計(jì)、信息可視化等許多領(lǐng)域。


信息集成 網(wǎng)絡(luò)最初是以集成異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)的身份出現(xiàn)，接著進(jìn)入分布式海量數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域。信息網(wǎng)絡(luò)通過統(tǒng)一的信息交換架構(gòu)和大量的中間件，向用戶提供“信息隨手可得”式的服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)信息集成將更多應(yīng)用在商業(yè)上，分布在世界各地的應(yīng)用程序和各種信息通過網(wǎng)絡(luò)能進(jìn)行無縫融合和溝通，從而形成嶄新的商業(yè)機(jī)會(huì)。


信息集成如信息網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)、知識(shí)網(wǎng)絡(luò)等，是近幾年網(wǎng)絡(luò)流行起來的應(yīng)用方向。2002年，Globus聯(lián)盟和IBM在全球網(wǎng)絡(luò)論壇上發(fā)布了開放性網(wǎng)絡(luò)服務(wù)架構(gòu)及其詳細(xì)規(guī)范，把Globus標(biāo)準(zhǔn)與支持商用的萬維網(wǎng)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合起來。2004年，Globus聯(lián)盟、IBM和惠普（HP）等又聯(lián)合發(fā)布了新的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)草案，把開放性網(wǎng)絡(luò)服務(wù)架構(gòu)詳細(xì)規(guī)范I轉(zhuǎn)換成6個(gè)用于擴(kuò)展萬維網(wǎng)服務(wù)的規(guī)范，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)已與萬維網(wǎng)服務(wù)徹底融為一體，標(biāo)志著網(wǎng)絡(luò)商用化時(shí)代的來臨。


網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)是關(guān)鍵。就像TCP/IP協(xié)議是因特網(wǎng)的核心一樣，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)計(jì)算也需要對(duì)核心——標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和服務(wù)進(jìn)行定義。目前，一些標(biāo)準(zhǔn)化團(tuán)體正在積極行動(dòng)。迄今為止，網(wǎng)絡(luò)計(jì)算雖還沒有正式的標(biāo)準(zhǔn)，但在核心技術(shù)上，相關(guān)機(jī)構(gòu)與企業(yè)已達(dá)成一致，由美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與南加州大學(xué)信息科學(xué)學(xué)院合作開發(fā)的Globus 計(jì)算工具軟件已成為網(wǎng)絡(luò)計(jì)算實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)，已有12家著名計(jì)算機(jī)和軟件廠商宣布將采用Globus 計(jì)算工具軟件。作為一種開放架構(gòu)和開放標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施，Globus 計(jì)算工具軟件提供了構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用所需的很多基本服務(wù)，如安全、資源發(fā)現(xiàn)、資源管理、數(shù)據(jù)訪問等。目前所有重大的網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目都是基于Globus 計(jì)算工具軟件提供的協(xié)議與服務(wù)的。


除了標(biāo)準(zhǔn)以外，安全和可管理性、人才的缺乏也是網(wǎng)絡(luò)計(jì)算亟待解決的一個(gè)問題，否則它將無法成為企業(yè)的商業(yè)架構(gòu)。在真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用之前，還需要解決許多問題。即便如此，構(gòu)建全球網(wǎng)絡(luò)的前景仍是無法抗拒的。 
 
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