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網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
www.simplelove-0511.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整體，實現(xiàn)資源的全面共享和有機協(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。資源包括高性能計算機、存儲資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源、知識資源、專家資源、大型數(shù)據(jù)庫、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，能同時調(diào)動數(shù)百萬臺計算機完成某一個計算任務(wù)，能匯集數(shù)千科學(xué)家之力共同完成同一項科學(xué)試驗，還可以讓分布在各地的人們在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)面對面交流。


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政府資助的高性能計算科研項目。這項研究的目標(biāo)是將跨地域的多臺高性能計算機、大型數(shù)據(jù)庫、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巨大的超級計算機系統(tǒng)，以支持科學(xué)計算和科學(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)的計算能力，這反映了學(xué)術(shù)和研究領(lǐng)域內(nèi)的分歧。事實上，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是美國阿貢（Argonne）國家實驗室的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研發(fā)項目，全美12所大學(xué)和研究機構(gòu)參與了該項目。Globus對資源管理、安全、信息服務(wù)及數(shù)據(jù)管理等網(wǎng)絡(luò)計算的關(guān)鍵理論進行研究，開發(fā)能在各種平臺上運行的網(wǎng)絡(luò)計算工具軟件，幫助規(guī)劃和組建大型的網(wǎng)絡(luò)試驗平臺，開發(fā)適合大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運行的大型應(yīng)用程序。目前，Globus技術(shù)已在美國航天局網(wǎng)絡(luò)、歐洲數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、美國國家技術(shù)網(wǎng)絡(luò)等8個項目中得到應(yīng)用。2005年8月，美國國際商用機器公司（IBM）宣布投入數(shù)十億美元研發(fā)網(wǎng)絡(luò)計算，與Globus合作開發(fā)開放的網(wǎng)絡(luò)計算標(biāo)準(zhǔn)，并宣稱網(wǎng)絡(luò)的價值不僅僅限于科學(xué)計算，商業(yè)應(yīng)用也有很好的前景。網(wǎng)絡(luò)計算和Globus從開始幕后走到前臺，受到前所未有的關(guān)注。


中國非常重視發(fā)展網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，由863計劃“高性能計算機及其核心軟件”重大專項支持建設(shè)的中國國家網(wǎng)絡(luò)項目在高性能計算機、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)試驗床——中國國家網(wǎng)絡(luò)，已于2005年12月21日正式開通運行。這意味著通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，中國已能有效整合全國范圍內(nèi)大型計算機的計算資源，形成一個強大的計算平臺，幫助科研單位和科技工作者等實現(xiàn)計算資源共享、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、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)點是網(wǎng)絡(luò)計算資源的提供者，包括高端服務(wù)器、集群系統(tǒng)、MPP系統(tǒng)大型存儲設(shè)備、數(shù)據(jù)庫等。寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是在網(wǎng)絡(luò)計算環(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，對系統(tǒng)內(nèi)的任務(wù)進行動態(tài)調(diào)度，提高系統(tǒng)的運行效率。網(wǎng)絡(luò)計算主要是科學(xué)計算，它往往伴隨著海量數(shù)據(jù)。如果把計算結(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)計算通常著眼于大型應(yīng)用項目，按照Globus技術(shù)，大型應(yīng)用項目應(yīng)由許多組織協(xié)同完成，它們形成一個“虛擬組織”，各組織擁有的計算資源在虛擬組織里共享，協(xié)同完成項目。對于共享而言，有價值的不是設(shè)備本身而是實體的接口或界面。


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，是物理或邏輯實體。常用的共享資源包括處理能力、存儲系統(tǒng)、目錄、網(wǎng)絡(luò)資源、分布式文件系統(tǒng)、分布式計算機池、計算機集群等。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現(xiàn)的。各資源間的授權(quán)驗證、安全控制也在此實現(xiàn)。資源層的作用是對單個資源實施控制，與可用資源進行安全握手、對資源做初始化、監(jiān)測資源運行狀況、統(tǒng)計與付費有關(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。為了對來自應(yīng)用的共享進行管理和控制，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)測診斷、網(wǎng)絡(luò)啟動、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)計算的庫函數(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、高能物理實驗、航空器研究等領(lǐng)域開發(fā)了一些基于Globus網(wǎng)絡(luò)計算的應(yīng)用程序。雖然這些應(yīng)用仍屬試驗性質(zhì)，但它證明了網(wǎng)絡(luò)計算可以完成不少超級計算機難以勝任的大型應(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。面對即將到來的第三代互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，很多發(fā)達國家都投入了大量研究資金，希望能抓住機遇，掌握未來的命運。


中國也加強了網(wǎng)絡(luò)方面的投入。中科院計算所為自己的網(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、高性能計算、資源共享和提高資源利用率的能力。與國內(nèi)外其他網(wǎng)絡(luò)研究項目相比，織女星網(wǎng)絡(luò)的最大特點是“服務(wù)網(wǎng)絡(luò)”。中國許多行業(yè)，如能源、交通、氣象、水利、農(nóng)林、教育、環(huán)保等對高性能計算網(wǎng)絡(luò)即信息網(wǎng)絡(luò)的需求非常巨大。預(yù)計在最近兩三年內(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。


分布式超級計算 分布式超級計算將分布在不同地點的超級計算機用高速網(wǎng)絡(luò)連接起來，并用網(wǎng)絡(luò)中間件軟件“粘合”起來，形成比單臺超級計算機強大得多的計算平臺。


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)密集型計算 并行計算技術(shù)往往是由一些計算密集型應(yīng)用推動的，特別是一些帶有巨大挑戰(zhàn)性質(zhì)的應(yīng)用，大大促進了對高性能并行體系結(jié)構(gòu)、編程環(huán)境、大規(guī)?？梢暬阮I(lǐng)域的研究。數(shù)據(jù)密集型計算的應(yīng)用比計算密集型的應(yīng)用多得多，它對應(yīng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)更側(cè)重于數(shù)據(jù)的存儲、傳輸和處理，計算網(wǎng)絡(luò)則更側(cè)重于計算能力的提高。在這個領(lǐng)域獨占鰲頭的項目是歐洲核子中心開展的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（DataGrid）項目，其目標(biāo)是處理2005年建成的大型強子對撞機源源不斷產(chǎn)生的PB/s量級實驗數(shù)據(jù)。


遠(yuǎn)程沉浸 這是一種特殊的網(wǎng)絡(luò)化虛擬現(xiàn)實環(huán)境。它是對現(xiàn)實或歷史的逼真反映，對高性能計算結(jié)果或數(shù)據(jù)庫可視化?！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、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)計算平臺的身份出現(xiàn)，接著進入分布式海量數(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)能進行無縫融合和溝通，從而形成嶄新的商業(yè)機會。


信息集成如信息網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)、知識網(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個用于擴展萬維網(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)計算也需要對核心——標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和服務(wù)進行定義。目前，一些標(biāo)準(zhǔn)化團體正在積極行動。迄今為止，網(wǎng)絡(luò)計算雖還沒有正式的標(biāo)準(zhǔn)，但在核心技術(shù)上，相關(guān)機構(gòu)與企業(yè)已達成一致，由美國阿貢國家實驗室與南加州大學(xué)信息科學(xué)學(xué)院合作開發(fā)的Globus 計算工具軟件已成為網(wǎng)絡(luò)計算實際的標(biāo)準(zhǔn)，已有12家著名計算機和軟件廠商宣布將采用Globus 計算工具軟件。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)項目都是基于Globus 計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)計算亟待解決的一個問題，否則它將無法成為企業(yè)的商業(yè)架構(gòu)。在真正實現(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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