互聯(lián)網(wǎng)的第三次浪潮

互聯(lián)網(wǎng)的第三次浪潮:網(wǎng)格在互聯(lián)網(wǎng)廣泛應用于電子商務并經(jīng)歷波浪起伏向前不斷發(fā)展的今天，在與高性能計算有關(guān)的科學合作領(lǐng)域，正在涌現(xiàn)出另一個具有劃時代的新生事物－網(wǎng)格(Grid)。它的出現(xiàn)，將掀起互聯(lián)網(wǎng)繼傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)(Internet)、萬維網(wǎng)(Web)之后的第三次浪潮，并將為信息產(chǎn)業(yè)帶來無限商機。對因特網(wǎng)、萬維網(wǎng)乃至整個信息技術(shù)，人們近來有兩派觀點。很多人認為，網(wǎng)絡技術(shù)和信息技術(shù)才剛剛開始快速成長，正處于“宇宙大爆炸之后萬分之一秒”的時間段。它們的作用還遠遠沒有發(fā)揮出來。不論在技術(shù)、在應用、還是在市場方面都有很多創(chuàng)新的機會。另一些人則認為因特網(wǎng)/萬維網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)接近成熟期。它們即將被更先進的技術(shù)取代。不論傾向何種觀點，有幾個問題我們是必須問的：“因特網(wǎng)后面是什么？萬維網(wǎng)后面是什么？什么是信息技術(shù)的下一個大浪潮？”我們必須提出這些問題，思考這些問題，想像對這些問題的回答。只有這樣，我們才有希望參與創(chuàng)造下一個大浪潮。而創(chuàng)造浪潮是趕上浪潮的最好方法。有一小批，但人數(shù)越來越多的電腦專家們認為，這下一個大東西就是網(wǎng)格。網(wǎng)格并不是要拋棄和完全取代因特網(wǎng)。它將建筑在因特網(wǎng)的基礎(chǔ)之上，不過比當前的因特網(wǎng)性能更高、功能更強、應用更廣。若干年之后，人們還是會說“上網(wǎng)”，但這個“網(wǎng)”將是建筑在因特網(wǎng)之上的網(wǎng)格?；ヂ?lián)網(wǎng)的三次浪潮眾所周知，由于美國軍事科學合作的需要，美國國防部先進研究計劃局(DARPA)于1969年，利用信息包傳輸和開放式整體結(jié)構(gòu)技術(shù)，組建了ARPAnet，從而誕生了Internet。1990年，伯納爾斯·李(Berners-Lee)在歐洲原子核研究中心(CERN)工作時，為了高能物理研究的需要發(fā)明了萬維網(wǎng)?，F(xiàn)在，歷史又將重演。CERN正在計劃建立一個新型而巨大的粒子對撞機，預計2005年完成。它所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量將是現(xiàn)在的1000倍，用當前的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已無法對付。因此，美國和歐洲的科學家們正在構(gòu)造一種叫做網(wǎng)格的新型信息技術(shù)基礎(chǔ)設施，它可以幫助科學家們自動地處理、組織、傳輸和管理這些數(shù)據(jù)，供歐美與CERN有關(guān)系的500多家大學和研究機構(gòu)使用。不難預測，與萬維網(wǎng)一樣，原來為科研服務的網(wǎng)格也會很快用于傳媒、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、電子商務、娛樂等各個領(lǐng)域?；ヂ?lián)網(wǎng)的三次浪潮因特網(wǎng)（internet）萬維網(wǎng)（web）網(wǎng)格（grid）第一個研究原型1969.10.11980-19891998第一個可用原型19701990.121999第一個標準1969.4（imp）1974.5（tcp/ip）1994.6（uri）1996.5（http）還沒有現(xiàn)在標準總數(shù)3180個rfc4611個工作組9個研究組中國參與標準1（1996.3）0還沒有互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展至今已經(jīng)32年了，出現(xiàn)了3180個技術(shù)標準文檔（RFC）。我國科技界僅參與了一個技術(shù)標準文檔的制定。那就是1996年3月（互聯(lián)網(wǎng)第一個標準發(fā)明27年后，TCP/IP協(xié)議發(fā)明22年后）胡道元教授牽頭制定的中文字符編碼標準（RFC1922）。Web發(fā)展至今也近12年了，出現(xiàn)了46個技術(shù)標準，我國科技界參與制定的技術(shù)標準還一個也沒有。中科院計算所副所長徐志偉博士呼吁：“我們不希望歷史重演。我們不希望看到，在2005年、2010年的時候，國際科技界制定的網(wǎng)格技術(shù)標準中，還是沒有我國科技界的參與?！庇跉v史上曾失去了計算機和因特網(wǎng)兩個機會，讓給了美國人。計算機的很多發(fā)明人和先驅(qū)都是英國人，包括巴貝奇和圖靈。萬維網(wǎng)的發(fā)明人伯納爾斯－李也是英國人。1990年，伯納爾斯－李在CERN工作時為了高能物理研究的需要發(fā)明了萬維網(wǎng)。據(jù)說，他曾與幾個英國的風險投資商談過，希望他們能將他的發(fā)明產(chǎn)品化、商業(yè)化。但是，這些投資商認為伯納爾斯－李發(fā)明的萬維網(wǎng)技術(shù)不夠先進，拒絕給他投資。四年以后，美國網(wǎng)景公司才推出了萬維網(wǎng)產(chǎn)品，頓時風靡全世界?，F(xiàn)在，歷史似乎又在重演了。CERN正在計劃建立一個新型而巨大的粒子對撞機，預計2005年完成。它所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量將是現(xiàn)在的一千倍，用當前的因特網(wǎng)技術(shù)無法對付。因此，美國和歐洲的科學家們正在構(gòu)造一種叫作網(wǎng)格的新型信息技術(shù)基礎(chǔ)設施，它可以幫助科學家們自動地處理、組織、傳輸和管理這些數(shù)據(jù)，供歐美與CERN有關(guān)系的500多家大學和研究機構(gòu)使用。問題的關(guān)鍵是，與萬維網(wǎng)一樣，原來為科研服務的網(wǎng)格很快就會聯(lián)上公司，于是會產(chǎn)生一大批網(wǎng)格創(chuàng)業(yè)公司，各自發(fā)明一套利用網(wǎng)格這個基礎(chǔ)設施提供服務而賺錢的辦法。這樣，英國的信息產(chǎn)業(yè)也就上去了。當初拒絕為伯納爾斯-李投資的一位英國風險投資商也加入了英國科學家的行列，呼吁政府一定要重視網(wǎng)格技術(shù)，早日投資、早日加入，不要讓下一個網(wǎng)景公司再落入美國手里。據(jù)悉，英國政府已決定投資1億英鎊于網(wǎng)格項目。美國政府從十年前就開始投資了，累計用于網(wǎng)格技術(shù)的基礎(chǔ)研究經(jīng)費已近五億美元。美國軍方更為積極。美國國防部已在規(guī)劃實施一個宏大的網(wǎng)格計劃，叫作“全球信息網(wǎng)格”（GlobalInformationGrid），預計在2020年完成。作為這個計劃的一部分，美國海軍和海軍陸戰(zhàn)隊已先期啟動一個160億美元的八年項目，包括系統(tǒng)的研制、建設、維護和升級。網(wǎng)格是什么？網(wǎng)格是把整個因特網(wǎng)整合成一臺巨大的超級計算機，實現(xiàn)IT資源的全面共享和協(xié)同。因特網(wǎng)的出現(xiàn)，將獨立的計算機個體聯(lián)成網(wǎng)絡，但是，它沒辦法共享其它機器的資源。Web興起，通過網(wǎng)頁的方式連接起來，計算機可以做包括電子商務在內(nèi)的更多事情。但是，各行業(yè)在應用層面上的互聯(lián)互通遠遠沒有實現(xiàn)，計算機的使用也遠不如電話這么方便。而網(wǎng)格將能實現(xiàn)應用層面上的互聯(lián)互通，即用戶使用層面上的互聯(lián)互通。其次，網(wǎng)格可以實現(xiàn)全面的資源共享。網(wǎng)格采用的是國際標準，標準化意味著，網(wǎng)格可以使接入設備像電話一樣易用。美國阿崗(Argonne)國家實驗室的資深科學家、美國網(wǎng)格計算項目的領(lǐng)導人，伊安佛斯特(IanFoster)，曾在1998年主編了題為《網(wǎng)格：21世紀信息技術(shù)基礎(chǔ)設施的藍圖》的一本書。他這樣描述網(wǎng)格：“網(wǎng)格是構(gòu)筑在互聯(lián)網(wǎng)上的一組新興技術(shù)，它將高速互聯(lián)網(wǎng)、高性能計算機、大型數(shù)據(jù)庫、傳感器、遠程設備等融為一體，為科技人員和普通老百姓提供更多的資源、功能和交互性?；ヂ?lián)網(wǎng)主要為人們提供電子郵件、網(wǎng)頁瀏覽等通信功能，而網(wǎng)格功能則更多更強，能讓人們透明地使用計算、存儲等其他資源?！庇纱丝梢?，實際上傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了計算機硬件的連通，Web實現(xiàn)了網(wǎng)頁的連通，而網(wǎng)格試圖實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)上所有資源的全面連通。它要把整個互聯(lián)網(wǎng)整合成一臺巨大的超級計算機，實現(xiàn)計算資源、存儲資源、通信資源、軟件資源、信息資源、知識資源的全面共享?；ヂ?lián)網(wǎng)的第三次浪潮的實質(zhì)，就是要將萬維網(wǎng)（WorldWideWeb）升華為網(wǎng)格（GreatGlobalGrid）。周松年的負載共享軟件已經(jīng)有了一些網(wǎng)格的特征。假如用戶要算一道題（比如模擬飛機發(fā)動機、電腦芯片設計等等），他只需把要求告訴負載共享軟件，這個軟件會自動地按最有效率的方式找到合適的電腦，用最快、最經(jīng)濟的途徑算出這道題。周松年的軟件已被美國一家大的芯片公司用于管理橫跨歐美的幾千臺電腦，共享它們的資源。周松年是這樣解釋網(wǎng)格的：“網(wǎng)格這個名詞是從輸電網(wǎng)來的。20世紀經(jīng)濟的發(fā)展、工業(yè)的發(fā)展、人類社會的發(fā)展，很大程度上是因為電力可以從墻上插座很方便地拿到。而計算對21世紀的經(jīng)濟和工業(yè)將會有強有力的推動。要推動的條件就是，計算能力要像電力一樣到處都能拿到。因此提出了‘計算網(wǎng)格’這個概念?！边@些東西到底對人類有什么用途呢？IBM深度計算研究所的所長比爾·普里布蘭克認為，高性能計算技術(shù)、網(wǎng)格技術(shù)乃至整個信息技術(shù)的根本目的是輔助人類，即利克萊德所說的“人與計算機的共生”。機器可以做的事情應該盡量讓它做?？墒墙裉斓娜藗冞€在花大量精力做機器的事。人類最寶貴的財富是時間，而計算機則可以為人類提供更多的時間和更高質(zhì)量的時間。計算機的計算能力、記憶能力和數(shù)據(jù)處理能力要比人強得多。我們每個人每天都要處理很多繁瑣的細節(jié)事務。假如瑣事能讓電腦去做，我們的人腦可以用來去干別的更有意義的事情。我們可以想像一下，如果我們有一個功能很強的電腦助手，能夠記住我們一生中的所有信息，并能夠方便而準確地檢索這些信息，那我們的人腦可以大大解放。有可能，網(wǎng)格技術(shù)可以幫助我們擺脫目前這種技術(shù)越發(fā)達，人就越忙的不正常趨勢。我們的大腦終于有了更多的閑暇和自由，去讀讀古書，去感受自然，去領(lǐng)會“采菊東籬下，悠然見南山”的意境。世界上的高性能計算機也有排名，最著名的一個就是“超級電腦世界500強”網(wǎng)站。這個網(wǎng)站是由田納西大學的杰出教授杰克·唐格拉維護的。唐格拉這樣解釋網(wǎng)格：“網(wǎng)格試圖提供這樣一種技術(shù)：人們可以把自己的微機插入網(wǎng)格，以后就可以透明地使用網(wǎng)格上的各種計算資源和知識資源，就像今天我們將任何一種家電設備插進墻上的插座，就可以方便地使用電一樣?！本W(wǎng)格技術(shù)的產(chǎn)生、發(fā)展必須具備以下三個基本條件：計算資源的廣域分布、網(wǎng)絡技術(shù)（特別是Internet）以及不斷增長的對資源共享的需求。在計算器技術(shù)發(fā)展的早期階段，只有很少數(shù)量的大型計算機，它們通常被安裝在相互獨立的計算中心內(nèi)，多個計算器用戶透過使用終端來共享一臺大型機的資源，但卻不能同時共享多臺大型機的計算資源。隨著網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，多臺大型計算器可以在局域網(wǎng)（LAN）內(nèi)互連，用戶透過網(wǎng)絡便可以同時使用多臺計算機的資源。而Internet的飛速發(fā)展和普及使得網(wǎng)格計算技術(shù)的產(chǎn)生成為可能。圖1顯示了計算資源共享的發(fā)展過程。網(wǎng)格計算是伴隨著互聯(lián)網(wǎng)而迅速發(fā)展起來的，專門針對復雜科學計算的新型計算模式。這種計算模式是利用互聯(lián)網(wǎng)把分散在不同地理位置的電腦組織成一個“虛擬的超級計算機”（網(wǎng)絡就是計算機），其中每一臺參與計算的計算機就是一個“節(jié)點”，而整個計算是由成千上萬個“節(jié)點”組成的“一張網(wǎng)格”，所以這種計算方式叫網(wǎng)格計算。這樣組織起來的“虛擬的超級計算機”有兩個優(yōu)勢，一個是數(shù)據(jù)處理能力超強；另一個是能充分利用網(wǎng)上的閑置處理能力。許多企業(yè)每年在信息技術(shù)方面的投入都很巨大，但是仍然不能滿足工作的需要。在設計單位，一般都需要具備300臺到500臺計算機，但是在高峰期，即便500臺電腦也遠遠不夠用；而一旦設計結(jié)束，大量的電腦又會閑置無用。計算機在大多數(shù)時間中都是空閑的，它無所事事，只是在設備之間來回發(fā)送電子，然后顯示最新的屏幕保護程序。這些計算機在消耗能量，但是實際上它的處理器中并沒有產(chǎn)生任何有用的事件或信息。據(jù)估計，一臺計算機用來執(zhí)行重要處理任務的時間少于其處理能力的5%。甚至大多數(shù)服務器只使用了其15%以下的處理能力來滿足用戶的需要，剩下的服務器時間（CPU、RAM、硬盤等等）仍然空閑著未被使用。而網(wǎng)格計算正是要將這大量的閑置資源利用起來，貢獻給需要它們的事業(yè)。通俗地說，網(wǎng)格計算是分布式計算（DistributedComputing）的一種，如果我們說某項工作是分布式的，那么，參與這項工作的一定不只是一臺計算機，而是一個計算機網(wǎng)絡，可以充分利用網(wǎng)絡中所有計算機的閑置處理能力來協(xié)同參與運算，顯然這種“螞蟻搬山”的方式將具有很強的數(shù)據(jù)處理能力。網(wǎng)格計算模式首先把要計算的數(shù)據(jù)分割成若干“小片”，而計算這些“小片”的軟件通常是一個預先編制好的屏幕保護程序，然后不同節(jié)點的計算機可以根據(jù)自己的處理能力下載一個或多個數(shù)據(jù)片斷和這個屏幕保護程序。只要節(jié)點的計算機的用戶不使用計算機時，屏保程序就會工作，這樣這臺計算機的閑置計算能力就被充分地調(diào)動起來了，即實現(xiàn)了“讓計算能力公用化”,全世界PC聯(lián)合起來。隨著超級計算機的不斷發(fā)展，它們已經(jīng)成為復雜科學計算領(lǐng)域的主宰。但以超級計算機為中心的計算模式存在明顯的不足，而且目前正在經(jīng)受挑戰(zhàn)。超級計算機雖然是處理能力強大的“巨無霸”，但它造價極高，通常只有一些國家級的部門，如航天、氣象等部門才有能力配置這樣的設備。而隨著人們?nèi)粘９ぷ饔龅降纳虡I(yè)計算越來越復雜，人們越來越需要數(shù)據(jù)處理能力更強大的計算機，而超級計算機的價格顯然阻止了它進入普通人的工作領(lǐng)域。于是，人們開始尋找一種造價低廉而數(shù)據(jù)處理能力超強的計算模式，最終科學家們找到了答案———GridComputing（網(wǎng)格計算）。網(wǎng)格的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀20世紀90年代初，根據(jù)網(wǎng)上主機大量增加，但其利用率卻并不高的情況，美國國家科學基金會(NFS)，將其4個超級計算中心構(gòu)筑成一個能夠進行元計算(meta-computing)的整體。元計算的含義是通過網(wǎng)絡，將計算資源連接起來，形成對用戶透明的超級計算環(huán)境。近年來元計算的這個術(shù)語已被網(wǎng)格計算所代替。網(wǎng)格方面的代表性研究工作還有美國的“國家技術(shù)網(wǎng)格（NTG）”、“分布萬億次級計算設施（DTF）”、美國宇航局的IDG、美國能源部的ASCIGrid以及歐盟的DataGrid等。國際上的網(wǎng)格研究主要采用開放源碼、公開合作的方式。（有關(guān)網(wǎng)格研究的信息，可從“全球網(wǎng)格論壇”網(wǎng)站：上查閱）。據(jù)悉，美國政府近十年來，累計用于網(wǎng)格的基礎(chǔ)研究經(jīng)費已近5億美元。美國軍方更為積極。美國國防部已在規(guī)劃實施一個宏大的網(wǎng)格計劃，叫做“全球信息網(wǎng)格”（GlobalInformationGrid），預計在2020年完成。作為這個計劃的一部分，美國海軍和海軍陸戰(zhàn)隊，已先期啟動一個160億美元的8年項目，包括系統(tǒng)的研制、建設、維護和升級。英國政府已決定投資1億英鎊，用來建設“英國國家網(wǎng)格(UKNationalGrid)”。粗略地說，網(wǎng)格系統(tǒng)可以分為三個基本層次：資源層、中間件層和應用層。由于現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)并不是針對網(wǎng)格計算設計的，為了使網(wǎng)格計算和現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)兼容，一般要有一個可擴展的中間件層。它是指一系列工具和協(xié)議軟件，其功能是屏蔽網(wǎng)格資源層中計算資源的分布、異構(gòu)特性(Heterogeneity)，向網(wǎng)格應用層提供透明、一致的使用接口。網(wǎng)格的中間件層也稱為網(wǎng)格操作系統(tǒng)（GridOperatingSystem），它同時需要提供用戶編程接口和相應的環(huán)境，以支持網(wǎng)格應用的開發(fā)。上述以美國政府的研發(fā)機構(gòu)為主的推動網(wǎng)格計算的項目，都采用了一種網(wǎng)絡協(xié)議“Globus”。Globus是以美國阿崗國家實驗室為主，全美有12所大學和研究機構(gòu)參與開發(fā)的網(wǎng)格項目。Globus對資源管理、安全、信息服務及數(shù)據(jù)管理等網(wǎng)格計算的關(guān)鍵技術(shù)進行研究，開發(fā)能在各種平臺上運行的網(wǎng)格計算工具軟件（Toolkit），幫助規(guī)劃和組建大型的網(wǎng)格試驗平臺，開發(fā)適合大型網(wǎng)格系統(tǒng)運行的大型應用程序。Globus認為：在網(wǎng)絡環(huán)境下的互操作，意味著需要開發(fā)一套通用協(xié)議，用它來描述信息的格式和信息交換的規(guī)則。Globus協(xié)議作為自由軟件，已經(jīng)在互聯(lián)網(wǎng)上公開()。Globus的網(wǎng)格計算協(xié)議是建立在互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議之上的，以互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議中的通信、路由、名字解析等功能為基礎(chǔ)。Globus的協(xié)議分為5層：構(gòu)造層、連接層、資源層、匯集層和應用層。上層協(xié)議可調(diào)用下層協(xié)議的服務。網(wǎng)格內(nèi)的全局應用都通過協(xié)議提供的服務來調(diào)用操作系統(tǒng)。最近，企業(yè)也預感到了網(wǎng)格潛藏著巨大市場，所以也紛紛加入了網(wǎng)格開發(fā)的隊伍。美國微軟公司已經(jīng)決定支援Globus計劃，日本的軟庫(Softbank)公司也向從事網(wǎng)格計算研究的新興企業(yè)UnitedDevices投資。除此以外，輝瑞（Pfizer）制藥公司以及飛機制造商波音公司等大公司，都已開始進行有關(guān)網(wǎng)格計算的實驗。目前它們實驗的目標主要著眼于將其應用于大規(guī)模的科學仿真。IBM公司在2001年8月2日宣布,它將為網(wǎng)格計算投資約40億美元。IBM公司近日宣布，它正在研制一種能被多家科研單位和眾多科學家同時使用的超級計算機網(wǎng)格，預計它將在2002年第三季度建成。其設計運算速度為每秒13.6萬億次，比1997年戰(zhàn)勝國際象棋特級大師卡斯帕羅夫的“深藍”超級計算機速度快1000倍，其存儲能力將達600萬億字節(jié)。它采用LINUX系統(tǒng)組合，網(wǎng)格的服務器裝有英特爾公司生產(chǎn)的代號為McKinley的新一代Itaniium微處理器。據(jù)稱，這個網(wǎng)格的功能將是目前全球同類系統(tǒng)中最強的。由此不難預測，網(wǎng)格將成為生物工程、氣候模擬、能源探索、航空航天、數(shù)字地球等重要科技領(lǐng)域的重要工具。與此同時，網(wǎng)格技術(shù)也將提升電子商務到一個新的臺階，它將把互聯(lián)網(wǎng)上的資源，整合成一臺超級服務器，有效地為電子商務提供內(nèi)容服務、計算服務、存儲服務和交易服務等。目前互聯(lián)網(wǎng)上的內(nèi)容每天都在飛速增長，不可能有哪個單一的服務器或者搜索引擎能掌握所有資源。美國國家科學基金會張曉東博士介紹說，現(xiàn)在每年互聯(lián)網(wǎng)都會增加2×1018字節(jié)的內(nèi)容，但大概只有3×1012字節(jié)能為公眾所用，相當于總量的0.00015%，即便是Google這種功能強大的搜索引擎也只能查找1.3×108字節(jié)的內(nèi)容。而網(wǎng)格技術(shù)得到充分應用后，能大大提高互聯(lián)網(wǎng)的資源利用率。網(wǎng)格技術(shù)能帶來這么多變革，它有些什么樣的技術(shù)特點？首先，網(wǎng)格能夠提供資源共享，它能消除信息孤島、實現(xiàn)應用程序的互連互通。網(wǎng)格與計算機網(wǎng)絡不同，計算機網(wǎng)絡實現(xiàn)的是一種硬件的連通，而網(wǎng)格能實現(xiàn)應用層面的連通。其次，網(wǎng)格第二個特點是協(xié)同工作，很多網(wǎng)格結(jié)點可以共同處理一個項目。第三，網(wǎng)格是基于國際的開放技術(shù)標準，這跟以前很多行業(yè)、部門或者公司推出的軟件產(chǎn)品不一樣。最后，網(wǎng)格可以提供動態(tài)的服務，能夠適應變化。

網(wǎng)格的關(guān)鍵技術(shù)信息網(wǎng)格是要利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡基礎(chǔ)設施、協(xié)議規(guī)范、Web和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，為用戶提供一體化的智能信息平臺，其目標是創(chuàng)建一種架構(gòu)在OS和Web之上的基于Internet的新一代信息平臺和軟件基礎(chǔ)設施。在這個平臺上，信息的處理是分布式、協(xié)作和智能化的，用戶可以通過單一入口訪問所有信息。信息網(wǎng)格追求的最終目標是能夠做到服務點播（ServiceOnDemand）和一步到位的服務(OneClickIsEnough)。信息網(wǎng)格的體系結(jié)構(gòu)、信息表示和元信息、信息連通和一致性、安全技術(shù)等是目前信息網(wǎng)格研究的重點。1．體系結(jié)構(gòu)從C/S發(fā)展到B/S是體系結(jié)構(gòu)的一個飛躍。為了重用業(yè)務處理邏輯和界面表示邏輯，提高系統(tǒng)的伸縮性，現(xiàn)在的體系結(jié)構(gòu)已逐漸向N層結(jié)構(gòu)發(fā)展，包括客戶端的顯示、服務端的表示邏輯、服務端的處理邏輯、后臺數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等。支撐信息網(wǎng)格的協(xié)議從頂層的統(tǒng)一服務互操作協(xié)議直到UDDI、SOAP、XML、HTTP，組成了一個從上至下的多層次協(xié)議棧，各層次協(xié)作服務實現(xiàn)了跨越Web的信息分布和集成應用程序邏輯。目前，信息網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)研究的重點是底層的信息存儲、表示、對外發(fā)布、呈現(xiàn)給用戶的各層應用程序邏輯具體分層、實現(xiàn)和集成以及各中間層的數(shù)據(jù)存儲、接口界面、通信機制等方面。2．信息的表示和元信息信息的表示體現(xiàn)在兩個方面:其一是將信息存儲于數(shù)據(jù)庫或其他存儲介質(zhì)中的表示;其二是將其呈現(xiàn)給用戶時的界面表示。信息網(wǎng)格是應用層的軟件基礎(chǔ)設施，各行各業(yè)都有將該行業(yè)的數(shù)據(jù)信息發(fā)布到網(wǎng)格上的需要，因此出現(xiàn)在信息網(wǎng)格上的信息種類是多種多樣的，包括結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，如何將它們映射成數(shù)據(jù)庫或其他存儲機制（比如文件系統(tǒng)）的數(shù)據(jù)實體是信息網(wǎng)格要解決的首要問題。元信息抽象化了數(shù)據(jù)對象的描述，使得各種信息可以通過元素屬性與值之間的關(guān)系對來表達。我們將這種元信息叫做數(shù)據(jù)表示的中間層。一般來說，數(shù)據(jù)的表示可以建立多個中間層，在各個應用程序邏輯層中都有相應的數(shù)據(jù)中間層。XML實現(xiàn)了Web文件的內(nèi)容和數(shù)據(jù)表示形式的分離，是一種有效的數(shù)據(jù)頁面表示和描述語言。XML與元信息的結(jié)合將使界面表示和數(shù)據(jù)存儲統(tǒng)一起來。3．信息的連通性信息的連通性是相對于信息“孤島”而言的。信息“孤島”是指將信息簡單地堆積在一起，要尋找它們往往只能通過搜索程序或固定的渠道；而信息的連通性是把有一定關(guān)系（包括語義和邏輯）的數(shù)據(jù)從邏輯上連接在一起，在不考慮安全限制的前提下，從一個信息源可以到達連通的其他任何信息源。雖然這些信息可能存儲在不同的位置，但對訪問者來說，它們就像是存儲在同一位置，訪問者不必關(guān)心它們的實際存儲位置。要真正解決信息的連通性，信息網(wǎng)格就必須解決與信息表示和用戶個性化密切相關(guān)的信息連通性模型的定義與實現(xiàn)。4．信息網(wǎng)格的智能化特性從信息存儲到用戶的瀏覽服務，信息網(wǎng)格縱向地為用戶提供集成一體的方案。它不需要程序員進行二次開發(fā)，只需要管理員做簡單的配置，就可建立服務平臺。信息網(wǎng)格的智能化特性關(guān)系到用戶是否接受的問題，也是其生命力的體現(xiàn)。智能化包括使用方便、界面一致、“主動”特性、用戶輸入和操作最少、平臺的靈活性和柔性特征以及方便的個性化服務。5．安全技術(shù)信息網(wǎng)格的目標是將Internet上提供信息服務的站點連接在一起，讓所有用戶都可以享受這些信息服務。另一方面，這些站點又可能分屬于不同的組織機構(gòu)，各組織機構(gòu)可以獨立地管理屬于自己的網(wǎng)絡節(jié)點。在實際應用中，信息網(wǎng)格必須為站點管理者提供訪問控制等安全管理機制，管理者可以自由地決定可以共享哪些信息、共享給誰和不能共享哪些信息。當然，這種權(quán)限控制必須是易維護且獨立于數(shù)據(jù)源本身，同時應該在邏輯上提供不同的安全管理層次和控制粒度。網(wǎng)格的系統(tǒng)構(gòu)成網(wǎng)格系統(tǒng)可以分為三個基本層次：資源層、中間件層和應用層。網(wǎng)格資源層是構(gòu)成網(wǎng)格系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，它包括各種計算資源，如超級計算器、貴重儀器、可視化設備、現(xiàn)有應用軟件等，這些計算資源透過網(wǎng)絡設備連接起來。網(wǎng)格資源層僅僅實現(xiàn)了計算資源在物理上的連通，但從邏輯上看，這些資源仍然是孤立的，資源共享問題仍然沒有得到解決。因此，必須在網(wǎng)格資源層的基礎(chǔ)上透過網(wǎng)格中間件層來完成廣域計算資源的有效共享。網(wǎng)格中間件層是指一系列工具和協(xié)議軟件，其功能是屏蔽網(wǎng)格資源層中計算資源的分布、異構(gòu)特性，向網(wǎng)格應用層提供透明、一致的使用接口。網(wǎng)格中間件層也稱為網(wǎng)格操作系統(tǒng)（GridOperatingSystem），它同時需要提供用戶編程接口和相應的環(huán)境，以支持網(wǎng)格應用的開發(fā)。網(wǎng)格應用層是用戶需求的具體體現(xiàn)。在網(wǎng)格操作系統(tǒng)的支持下，網(wǎng)格用戶可以使用其提供的工具或環(huán)境開發(fā)各種應用系統(tǒng)。能否在網(wǎng)格系統(tǒng)上開發(fā)應用系統(tǒng)以解決各種大型計算問題是衡量網(wǎng)格系統(tǒng)優(yōu)劣的關(guān)鍵。最近兩年，在美國的高性能計算研究領(lǐng)域，網(wǎng)格計算成為非常引人注目的熱點。與此同時，企業(yè)界也紛紛推出了各自的產(chǎn)品，但到目前為止，仍有相當多的關(guān)鍵技術(shù)還有待突破。網(wǎng)格計算要真正步入實用階段必須解決以下三大問題：1．體系結(jié)構(gòu)設計從第一臺計算器出現(xiàn)到現(xiàn)在，計算器體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了一系列變化，經(jīng)歷了大規(guī)模并行處理系統(tǒng)、共享存儲型多處理器系統(tǒng)、群集系統(tǒng)等各個發(fā)展階段，這些系統(tǒng)的共性是構(gòu)成系統(tǒng)的資源相對集中。與此相反的是，組成網(wǎng)格系統(tǒng)的資源是廣域分散的，不再局限于單臺計算機和小規(guī)模局域網(wǎng)范圍內(nèi)。網(wǎng)格計算的最終目標是用網(wǎng)上的多臺計算機構(gòu)成一臺虛擬的超級計算器，因此，網(wǎng)格系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)是我們必須首先解決的問題。簡言之，網(wǎng)格系統(tǒng)有哪些組成部分、組成部分之間的關(guān)系以及如何協(xié)同工作是網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)研究需要解決的問題。2．操作系統(tǒng)設計伴隨著計算器體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，計算器操作系統(tǒng)也經(jīng)歷了一系列發(fā)展變化，總的發(fā)展趨勢是如何更高效、更合理地使用計算器資源。網(wǎng)格操作系統(tǒng)是網(wǎng)格系統(tǒng)資源的管理者，它所管理的將是廣域分布、動態(tài)、異構(gòu)的資源，現(xiàn)有操作系統(tǒng)顯然無法滿足這一需求。3．使用模式設計網(wǎng)格使用模式解決的是如何使用網(wǎng)格超級計算器的問題。在現(xiàn)有的操作系統(tǒng)上，計算器用戶可以使用各種軟件工具來完成各種任務。而在網(wǎng)格環(huán)境下，用戶可能需要透過新的方式來利用網(wǎng)格系統(tǒng)資源。因此，在網(wǎng)格操作系統(tǒng)上設計開發(fā)各種工具、應用軟件是網(wǎng)格使用模式研究需要解決的關(guān)鍵問題。網(wǎng)格的基本的目標1)廣泛共享:所謂廣泛共享，是指通過各種方法、技術(shù)和策略將網(wǎng)絡上的各種資源提供給網(wǎng)絡上眾多用戶共享、使用；2）有效聚合:所謂有效聚合，是指將網(wǎng)絡上的巨大資源通過協(xié)同工作連接集成起來，產(chǎn)生巨大的綜合效能，聯(lián)合完成應用任務；3）充分釋放:所謂充分釋放，是指為用戶提供良好的開發(fā)手段和使用環(huán)境，將網(wǎng)絡上多種資源的聚合效能按照需求傳遞給用戶，為用戶提供個性化的信息服務、計算服務和決策支持服務。網(wǎng)格計算在Internet基礎(chǔ)上強調(diào)對計算、數(shù)據(jù)、設備等網(wǎng)絡基本資源進行整合，力圖將Internet作為一個社會化的計算基礎(chǔ)設施。在計算模型、技術(shù)路徑和研究目標上，網(wǎng)格計算和目前分布計算中間件領(lǐng)域面向應用級別的交互、互操作和開發(fā)有很大的不同。它強調(diào)多機構(gòu)之間大規(guī)模的資源共享和合作使用，提供了資源共享的基本方法，而分布計算技術(shù)沒有提供多組織之間的資源共享通用框架。顯然，網(wǎng)格計算正在建立一種新的Internet基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)（如同TCP/IP、WWW協(xié)議和相應的軟件系統(tǒng)奠定了現(xiàn)行Internet的基礎(chǔ)），是21世紀Terascale設施的信息處理基礎(chǔ)設施的先期實踐。應用推動網(wǎng)格一家票務公司要銷售滾石樂隊的告別演出門票，IT部門經(jīng)理擔心，開始網(wǎng)上售票后，公司的服務器和軟件會不會不堪重負?但實際上該公司并沒有增加數(shù)十個服務器和存儲系統(tǒng)，有關(guān)IT人員只是擰開開關(guān)，將公司的骨干網(wǎng)與一個“網(wǎng)格”相聯(lián)。結(jié)果公司在3分鐘內(nèi)銷售了90萬張門票，沒有一個顧客因系統(tǒng)處理能力不足而被拒之門外。在生物醫(yī)藥方面，網(wǎng)格技術(shù)主要有以下兩種作用：首先，在高性能計算方面，網(wǎng)格技術(shù)用來進行科技數(shù)據(jù)的計算。在分析水稻的基因時，單純用多臺計算機進行計算的情況下預計3萬小時的工作量，在網(wǎng)格技術(shù)的幫助下，只要400個小時就能完成，顯然，網(wǎng)格幫了大忙。生物科技對數(shù)據(jù)的存儲和管理有相當高的要求，生物數(shù)據(jù)非常復雜，包括物體本身、細胞、染色體、DNA、單個細胞的循環(huán)等各個方面的信息，層次多且類型雜。這樣，數(shù)據(jù)庫的整合就成為關(guān)鍵問題。比如說，在研究水稻的蛋白結(jié)構(gòu)時，可能會用到基因數(shù)據(jù)庫、蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫、基因表達數(shù)據(jù)庫和蛋白質(zhì)相互作用的數(shù)據(jù)庫，在這種情況下，應用網(wǎng)格技術(shù)，能在較短時間內(nèi)把需要的數(shù)據(jù)從不同的數(shù)據(jù)庫中挑出來綜合在一起，省去了多次訪問不同數(shù)據(jù)庫的煩惱。國際上已經(jīng)有了一些成功的網(wǎng)格應用例子，在歐洲，最大的網(wǎng)格系統(tǒng)中最重要的一塊就是生物網(wǎng)格。華大不久前發(fā)布了水稻的數(shù)據(jù)庫，從發(fā)布到現(xiàn)在的兩個多月內(nèi)，已經(jīng)有21個國家、2萬多個用戶，進行了多達4000次的下載。網(wǎng)格技術(shù)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的重要作用可見一斑。在航空業(yè)，現(xiàn)在主要受兩個問題的困擾。首先是海量計算的困擾。在電腦上進行飛機設計的時候，所有的零件，包括最小的螺絲釘，都是三維的，這樣，最后的飛機模型，數(shù)據(jù)量大概會達到2GB到5GB。在電腦上進行預裝的時候，這樣一個龐大的數(shù)據(jù)量，運算相當復雜，有時候只要飛機換一個角度，計算機就要花上三五分鐘的時間。如果能利用網(wǎng)格技術(shù)，解決海量計算的難點，會讓整個設計速度加快數(shù)倍，從而讓航空業(yè)的發(fā)展向前跨越一大步。1999年5月17日，一項由美國加州大學伯克利分校開展的尋找地外生命跡象的科學項目——SETI@home啟動了，SETI@home是SearchforExtraTerrestrialIntelligenceatHome的縮寫，意為：在家里尋找外星文明。SETI@home項目主要是利用聯(lián)網(wǎng)PC的閑置能力分析世界上最大的射電望遠鏡獲得的數(shù)據(jù)，以幫助科學家探索外星生物，其計算模式的實質(zhì)就網(wǎng)格計算。從SETI@home項目正式啟動以來，已經(jīng)有300萬志愿者參加了這個項目，他們從指定的站點下載射電望遠鏡收集的信息的片斷，用自己的計算機運行分析，從中尋找宇宙中生命的跡象，總處理數(shù)據(jù)量達到了15T，平均每位參與者讓自己的電腦為SETI@home工作了17個半小時，這相當于使用一臺PC機工作482023年，相當于使用超級計算機工作48年。這個項目充分利用了分布在世界各地計算機的力量，雖然整個計劃耗資只有50萬美元，卻擁有強大的威力。對等計算：倡導“平等”共享對等計算（Peer-to-Peer，簡稱P2P）是網(wǎng)格計算的一種普及模式。在這種模式下，服務器與客戶端的界限消失了，網(wǎng)絡上的所有節(jié)點都可以“平等”共享其他節(jié)點的計算資源。參與的計算機越多，資源也就越豐富，每個節(jié)點所能享受的服務越多，速度越快，質(zhì)量越好。常見的P2P服務軟件有：即使通訊（QQ）、資源下載（eDonkey,BitTorrent,BearShare）等。安裝過并運行這些軟件的計算機通常會自動互相搜索其他節(jié)點的地址和資源，并且互相提供服務，但有些應用也需要服務器提供身份驗證和對方節(jié)點的初始地址。IBM為P2P下了如下定義：P2P系統(tǒng)由若干互聯(lián)協(xié)作的計算機構(gòu)成，且至少具有如下特征之一：系統(tǒng)依存于邊緣化（非中央式服務器）設備的主動協(xié)作，每個成員直接從其他成員而不是從服務器的參與中受益；系統(tǒng)中成員同時扮演服務器與客戶機的角色；系統(tǒng)應用的用戶能夠意識到彼此的存在，構(gòu)成一個虛擬或?qū)嶋H的群體。不難看出，P2P把網(wǎng)格計算模式從集中式引向分布式，給Internet的分布、共享精神帶來了無限的遐想。有觀點認為，至少能開發(fā)出幾百種應用。但從目前的應用看，P2P的威力還主要體現(xiàn)在大范圍的共享和搜索的優(yōu)勢上，諸如對等計算、協(xié)同工作、搜索引擎、文件交換等方面。也就是說，P2P把網(wǎng)絡應用的核心從中央服務器向網(wǎng)絡邊緣的終端設備擴散：服務器到服務器、服務器到PC機、PC機到PC機，PC機到WAP手機，所有網(wǎng)絡節(jié)點上的設備都可以建立P2P對話。P2P技術(shù)弱化了集中式服務器的功能，重視網(wǎng)絡中所有個體的作用，強調(diào)的是個體之間、系統(tǒng)之間、計算機之間的直接通信和聯(lián)系，每一個參與者既是客戶方又是服務方，這使人們在Internet上的共享行為被提升到了一個更廣泛的層次，使人們以更主動的方式參與到網(wǎng)絡中去。它與現(xiàn)行的以中間件為主的分布式計算技術(shù)所采用的Client/Server模式有本質(zhì)區(qū)別。網(wǎng)格競爭是爭奪控制權(quán)綜觀幾千年的人類文明史，特別是近百年的發(fā)展史，從蒸汽機、發(fā)電機、電話到計算機，每一次引發(fā)變革的源頭固然是技術(shù)創(chuàng)新，但是根本的變革總是伴隨著依靠相關(guān)產(chǎn)品而形成的網(wǎng)格（Grid）。據(jù)美國《福布斯》雜志預測，網(wǎng)格技術(shù)將在2004～2005年出現(xiàn)一個高峰，推動信息產(chǎn)業(yè)市場的持續(xù)高速發(fā)展，在2020年將產(chǎn)生一個年產(chǎn)值為20萬億美元的大工業(yè)。關(guān)鍵是誰會是擁有這個大網(wǎng)格的“電力公司”？誰是“電力控制中心”？用什么規(guī)則來用“電”？這才是真正的競爭中心。正因為如此，當今網(wǎng)格熱潮所預示的商業(yè)機會異常誘人，各國政府和企業(yè)都在為爭奪網(wǎng)格的制高點積極行動，競爭的激烈程度絕對不亞于當年在超級計算機上的競爭。政府投入巨資開展研究是競爭的一大焦點。從美國、日本等發(fā)達國家到印度這樣的發(fā)展中國家，都啟動了大型網(wǎng)格研究計劃，并得到了產(chǎn)業(yè)界的大力支持。英國政府已投資1億英鎊，用來研制“英國國家網(wǎng)格（NKNationalGrid）”。美國政府用于網(wǎng)絡技術(shù)的基礎(chǔ)研究經(jīng)費則已達5億美元。美國軍方正規(guī)劃實施一個宏大的網(wǎng)格計劃，叫做“全球信息網(wǎng)格(GlobalInformationGrid)”，預計在2020年完成。作為這個計劃的一部分，美國海軍陸戰(zhàn)隊已啟動了一個耗資160億美元、歷時8年的項目。針對商業(yè)領(lǐng)域的競爭也已經(jīng)開始，主要IT廠商早就為獲得網(wǎng)格計算的控制權(quán)展開了競爭。Sun、Microsoft、HP、Compaq、IBM等都摩拳擦掌，要在這一新領(lǐng)域里有所作為。僅去年，IBM就宣布在網(wǎng)格計算領(lǐng)域投資40億美元，在全球建設40家數(shù)據(jù)中心，其投資力度和商業(yè)計劃都很驚人。IT巨頭們的爭奪Sun公司在網(wǎng)格領(lǐng)域先行一步，在2000年就啟動了以網(wǎng)格引擎（GridEngine）分布式資源管理軟件為基礎(chǔ)的開放源代碼戰(zhàn)略。為此，Sun公司發(fā)布了“網(wǎng)格引擎”企業(yè)版5.3的測試版，使企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)格計算更易聯(lián)接。IBM宣布在網(wǎng)格計算領(lǐng)域投資40億美元，以在全球建設40家數(shù)據(jù)中心，從而正式進入網(wǎng)格計算領(lǐng)域。同時，IBM被英國政府選中，負責提供英國國家網(wǎng)格項目的關(guān)鍵技術(shù)，這項預算達2500萬美元的網(wǎng)格項目會把8所大學的計算機相連。此外，IBM還宣布了一項名為北卡羅萊納生物信息科學網(wǎng)格的項目，涉及60家企業(yè)、大學和生物醫(yī)學研究公司，它的意義在于這是全球第一個主要由私營行業(yè)參與的網(wǎng)格項目。Microsoft決定支持網(wǎng)格組織GlobusProject。該組織的GlobusToolkit軟件使企業(yè)可以建造和管理網(wǎng)格。Microsoft的研究部門也參與了各項分布式計算研究項目，包括容錯遠程文件系統(tǒng)Farsite，以及建設分布式系統(tǒng)的Millenium。HP也表示將提供Coolbase軟件，使用戶可以通過Internet共享各種計算設備。Compaq與加拿大PlatformComputing結(jié)盟，為用戶提供完整的、集成的、開放的網(wǎng)絡解決方案。Compaq公司去年11月宣布，將銷售一種平臺網(wǎng)格套件（PlatformGridSuite）。日本NTT宣布將于2002年中期開展為期6個月的網(wǎng)格計算試驗，參與者包括了Intel、SGI等。試驗將連接日本家庭、企業(yè)和學術(shù)機構(gòu)的100萬臺PC，預計試驗的處理能力將達到每秒65萬億次浮點運算，是現(xiàn)有的最快超級計算機的6倍。標準創(chuàng)造機會由于錯過了參與互聯(lián)網(wǎng)前兩次浪潮，即Internet和Web的時機，我國的計算機產(chǎn)業(yè)在總體上落后于西方國家。目前，國際科技界正醞釀著第三次浪潮——網(wǎng)格，這是一個不可多得的機遇。徐志偉指出，根據(jù)Internet和Web發(fā)展的歷史，網(wǎng)格的重要技術(shù)標準可能在2004～2005年時段出現(xiàn)，而這個技術(shù)將主導2004～2020年的信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展趨勢。沒有標準，就難以競爭，但是我國在技術(shù)標準文檔的制定方面，遠遠落后于西方國家。徐志偉指出，在因特網(wǎng)發(fā)展的32年歷史中，出現(xiàn)了3180個技術(shù)標準文檔（RFC）。我國科技界僅參與了一個技術(shù)標準文檔的制定，那就是1996年3月（因特網(wǎng)第一個標準制定27年后，TCP/IP協(xié)議制定22年后），胡道元教授牽頭制定的中文字符編碼標準（RFC1922）。萬維網(wǎng)（Web）發(fā)展至今也近12年了，出現(xiàn)了46個技術(shù)標準，我國參與制定的技術(shù)標準還一個也沒有。徐志偉說：“我們不希望看到，在2005年或2010年的時候，國際科技界制定的網(wǎng)格技術(shù)標準中，還是沒有我國科技界的參與?！泵鎸磳⒌絹淼牡谌ヂ?lián)網(wǎng)應用浪潮，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。美國的“全球信息網(wǎng)格”和英國的“英國國家網(wǎng)格”等，都是雄心勃勃的網(wǎng)格戰(zhàn)略。我國也在加強網(wǎng)格研究方面的投入，科技部有關(guān)人士透露，科技部將通過863計劃“高性能計算”專項的形式，在“十五”期間支持網(wǎng)格的研究和應用工作，專項專家組將在近期成立。中科院計算所為自己的網(wǎng)格研究命名為“織女星網(wǎng)格”（VegaGrid），這個網(wǎng)格項目的目標是具備以下幾種能力：大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理能力、高性能計算能力，以及具備資源共享和提高資源利用率的能力。與國內(nèi)外其它網(wǎng)格研究項目相比，“織女星網(wǎng)格”的最大特點是“服務網(wǎng)格”（ServiceGrid）的概念。而服務網(wǎng)格有三個要點：第一，它是一種通用網(wǎng)格，不只是支持科學計算，還支持其它服務，包括通信服務、數(shù)據(jù)服務、信息服務、計算服務、交易服務等等；第二，服務是基本的應用模式，即客戶端向網(wǎng)絡發(fā)出服務請示，網(wǎng)格完成服務，并將結(jié)果通知客戶端；第三，網(wǎng)格的主要評價標準不單純是計算速度等傳統(tǒng)指標，而是類似“服務等級協(xié)議”（ServiceLevelAgreement）這樣的一套用戶滿意度或服務質(zhì)量評價標準。中科院計算所所長李國杰院士指出，網(wǎng)格計算的未來在于它與實際應用相結(jié)合，國家863計劃正著手進行此方面的規(guī)劃。機遇與挑戰(zhàn)由于種種原因，我國錯過了互聯(lián)網(wǎng)的前兩次浪潮即In