计算网格计算

广域网虚拟平台——网格计算和对等计算的融合*)吴帆叶懋陈贵海(南京大学软件新技术国家重点实验室南京210093)摘要近几年,分布式计算领域出现了两个研究热点:网格计算(GridComputing)和对等计算(PeertoPeerComputing).
网格计算和对等计算以不同的方法组织大规模分布式的资源,包括计算能力、存储资源和带宽等.
两者的研究领域有一定的重叠,又有很好的互补性,融合将是必然趋势.
我们构想了一个广域网虚拟平台,全世界的计算机连接成一个整体,任何人随时随地都可以得到所需的资源和服务.
正是这一理想,驱动着网格计算和对等计算技术的快速进步.
关键字广域网虚拟平台,网格计算,对等计算InternetVirtualPlatform——ConvergenceofP2PandGridComputingWUFanYEMaoCHENGui-Hai(StateKeyLaboratoryofNovelSoftwareTechnology,NanjingUniversity,Nanjing210093)AbstractTwosupposedlynewapproachestodistributedcomputinghaveemergedinthepastfewyears,bothclaimingtoaddresstheproblemoforganizinglargescaleanddistributedresourcesincludingcomputationalability,storageandnetworkbandwidthetc:peer-to-peercomputing(P2P)andGridcomputing.
TheP2PandGridinfrastructurecommunitiesaretacklinganoverlappingsetofproblems.
Meanwhilethestrengthsandweaknessesofthetwoapproachessuggestthattheinterestsofthetwocommunitiesarelikelytogrowcloserovertime.
AvisionofInternetVirtualPlatformthataworldwidecomputerwithinwhichaccesstoresourcesandservicescanbenegotiatedasandwhenneededmotivatesbothGridandP2Pcomputing.
KeywordsInternetVirtualPlatform,GridComputing,P2PComputing1.
引言随着互联网和网络计算技术的迅猛发展,分布式计算领域出现了两个研究热点:网格计算(GridComputing)和对等计算(PeertoPeerComputing).
两者从不同的角度提出分布式网络环境中大规模资源的收集和协同的解决方案,但具有共同的目标,即构建一个统一的广域网虚拟平台.
1网格计算和对等计算联系紧密,主要体现在以下几点[12]:(1)研究的问题都是虚拟社区中共享资源的组织.
(2)采用的方法都是构建覆盖网络.
(3)都取得了实质性的进展,但仍然存在局限性,IanFoster这样概括目前的发展情况:"网格计算建立了体系结构,但没有解决结点失效(nodefailure)问题;对等计算解决了失效问题,但没有建立体系结构".
(4)其互补性使两者的融合成为必然的趋势.
现在,对等计算与网格计算领域处于一种平行发展的局面.
但这种平行状态并不是脑力与金钱的浪费.
没有对等计算领域的有力支持,网格计算就不可能拥有完备牢靠的体系结构,就不可能具有如此多的重要性质,如检索、存储可扩展性、分布性、匿名性等等.
*)本课题得到国家973项目(No.
2002CB312002)和教育部高校青年教师奖资助.
吴帆,硕士研究生,主要研究领域为网格计算与P2P系统.
叶懋,硕士研究生,主要研究领域为网格计算与P2P系统.
陈贵海教授,博导,主要研究领域为网络理论、网格计算等.
本文如下组织,第二部分概要说明广域网虚拟平台的设计目标.
第三部分阐述网格计算和对等计算的定义与体系结构,以及为实现虚拟平台的最终目标两者共同面临的问题.
第四部分对现有的系统进行分析分类.
最后,我们总结并勾勒未来的发展.
2.
设计目标我们的最终目标是建立一个全球化的广域网虚拟平台,通过互联网加快分布式计算的速度,以获得更高的商业利益和提供更有效的科学研究手段.
广域网虚拟平台可看作一个普适计算的基础设施,它将以前小规模的局域网络拓展成全球化的网格.
该虚拟计算平台应满足以下几点基本要求:可靠性:虚拟平台提供的计算能力必须保证是持续、稳定和安全的,不应该因为虚拟平台内部个别资源的变化而对其应用造成影响,即虚拟平台内部局部资源的变动对其应用应该是透明的.
虚拟计算平台还应该满足各种形式的安全要求,比如数据传输加密,权限的认证,避免非法入侵和非法使用等.
标准化:一方面,虚拟计算平台资源之间应该有一个统一的可以互相访问的接口或者协议标准,因为只有这样才能够实现虚拟平台资源的互操作从而实现充分的资源共享,标准化是共享的前提;另一方面,虚拟平台对用户提供的计算能力应该满足一定的标准,有一种比较统一的形式,从而便于以一种统一的方式进行访问,对于访问者来说,不能因为时间、地点、具体的访问系统等的不同而要求不断改变访问形式,访问形式应该具有一致性.
易访问性:用户应该可以在任何时间、任何地点、-1-以自己习惯的统一的形式访问和使用各种网络资源.
在虚拟平台上没有资源处在什么位置的概念,无论你在何地,资源都在你的身边.
人们以前在解决特定问题时或许不得不到特定的地点去进行,但在虚拟平台上解决问题时,不应该因为访问者或者资源所在地位置不同而受到限制.
廉价性:这是虚拟计算平台被普遍接受和推广的前提.
集中式系统的服务器有较高的性能需求,自然费用高昂.
虚拟计算平台通过将资源充分共享,最大限度发挥资源的使用价值,可以将原来闲置的资源收集起来供平台用户使用,而且可以避免以前由于地理位置限制,所带来诸如搬运费、差旅费等各种额外的花费.
3.
网格计算与对等计算网格计算和对等计算具有共同的目标,即构建一个统一的广域网虚拟平台.
两者从不同的角度提出分布式网络环境中大规模资源的收集和协同的解决方案.
3.
1网格计算(GridComputing)3.
1.
1网格定义与目标网格来源于大规模计算.
IanFoster和CarlKesselman在[14]中这样描述网格:"网格是构筑在互联网上的一组新兴技术,它将高速互联网、高性能计算机、大型数据库、传感器、远程设备等融为一体,为科技人员和普通老百姓提供更多的资源、功能和交互性.
互联网主要为人们提供电子邮件、网页浏览等通信功能,而网格功能则更多更强,让人们透明地使用计算、存储等其他资源.
"2000年,IanFoster等在[15]中将其进一步描述为"在动态变化的多个虚拟机构间共享资源和协同解决问题.
"2002年7月,IanFoster在[16]中,限定网格必须同时满足三个条件:(1)在分布式的网络环境中协调资源的使用;(2)使用标准的、开放的并且通用的协议和接口;(3)提供多样化的服务质量.
网格的应该是自动配置(self-configuring)、自动调整(self-tuning)和自动恢复(self-healing)的,其目标是充分利用Internet中从中心到边缘的共享计算能力、存储空间、信息、软件等资源.
3.
1.
2网格体系结构网格现在采用五层沙漏结构.
五层沙漏结构是一种影响十分广泛的结构,其中一个最重要的思想就是以"协议"为中心,也十分强调服务、API和SDK的重要性.
图1网格五层协议体系结构在五层沙漏结构中,最底层是构造层(Fabric),构造层面对的是一个个具体的物理(也可以是逻辑的)资源,它通过对这些局部资源的管理,向上层提供对这些资源的管理和控制接口.
构造层的上面是连接层(Connectivity),主要是为下层的物理资源提供安全的数据通信能力,这是资源之间进行互操作的前提,连接层使得孤立的单个资源之间建立了联系.
连接层的上面是资源层(Resource),它反映的是抽象的局部资源的特征,而资源层上面的汇聚层(Collective)完成的功能是如何将下面以单个资源形式表现出来的资源集中起来,协调解决多个资源之间的问题.
最上面的应用层(Application)和资源的距离最远,它关心的是有什么样的资源可以由下面提供给虚拟组织,解决不同虚拟组织的具体问题.
如图1所示[15].
开放网格服务结构OGSA(OpenGridServicesArchitecture)[13]是GlobalGridForum的重要标准协议,是继五层沙漏结构之后最重要,也是目前最新的一种网络体系结构,被称为下一代的网格.
OGSA定义了"网格服务"的概念.
这里,服务指具有特定功能的网络化实体.
在OGSA中,服务的概念更广,包括各种计算资源、存储资源、网络、程序、数据库等等,总之,一切都是服务.
五层模型实现的是对资源的共享,而在OGSA中,实现的将是对服务的共享.
从资源到服务,这种抽象,将资源、信息、数据等统一起来,十分有利于灵活的、一致的、动态的共享机制的实现,使得分布式系统管理有了标准的接口和行为.
网格服务提供了一组接口,这些接口的定义明确并且遵守特定的惯例,解决服务发现、动态服务创建、生命周期管理、通知等问题.
在OGSA中,网格服务可以以不同的方式聚集起来满足虚拟组织的需求,虚拟组织自身也可以部分的根据他们操作和共享的服务来定义.
简言之,网格服务=接口/操作+服务数据.
以网格服务为中心的模型具有如下好处[13]:1)由于网格环境中所有的组件都是虚拟的(这里的具体含义是指对相同接口不同实现的封装),因此,通过提供一组相对统一的核心接口,所有的网格服务都基于这些接口实现,就可以很容易的构造出具有层次结构的、更高级别的服务,这些服务可以跨越不同的抽象层次,以一种统一的方式来看待.
2)虚拟化也使得将多个逻辑资源实例映射到相同的物理资源上成为可能,在对服务进行组合时不必考虑具体的实现,可以以底层资源组成为基础,在虚拟组织中进行资源管理.
通过网格服务的虚拟化,可以将通用的服务语义和行为,无缝地映射到本地平台的基础设施之上.
3.
2对等计算(P2PComputing)3.
2.
1对等计算定义与目标IonStoica等人[33]给出了对等计算的严格定义:"P2P系统和应用是一种分布式的系统,它没有集中式的控制,或者分层组织结构,软件在任何节点上运行都能发挥相同的功能.
"P2P研究的重点与Grid不尽相同,P2P着重于系统的分布性(decentralization)、稳定性(stability)和容错性(faulttolerance).
这些方面,虽然非Grid所侧重,但随着系统规模的扩大,将越来越不容忽视.
应用层Application汇聚层Collective资源层Resource连接层Connectivity构造层Fabric2P2P的目标是利用Internet边缘的共享存储空间、空闲处理器周期等资源.
3.
2.
2对等计算体系结构在DejanS.
Milojicic等人的技术报告[29]中,提出了一个非标准化的P2P体系结构,如图2所示.
在这一节中,我们讨论各构件的功能及其实现过程中遇到问题的解决办法.
图2P2P系统体系结构通信层(CommunicationLayer):P2P模型以网络通信为基础,覆盖了广大的通信范畴.
在P2P社区中通信,最根本的问题就是要解决端节点的动态性.
系统应该能够很好的解决某个节点或一组节点有意(用户关闭计算机)或无意(网络连接意外中断)的离开网络.
如何在动态的环境中,为应用层提供可靠的连通性是P2P系统的开发者面临的挑战之一.
组管理层(GroupManagementLayer):组管理包括在虚拟组织中节点之间如何发现、定位和路由.
如何发现未知节点方面,Napster[www.
napster.
com]采用高度集中的方式,Gnutella[20]采用完全分布式的方式,还有一些系统采用折中的方式.
定位与路由算法是为了优化,或者说最短化节点间消息传递的路径.
其基本目标是,尽量减小到达目标节点所经过的跳数,尽量缩小节点上路由表的大小.
在这方面,基于Hash的路由方式被广泛采用,当前涌现的路由模型主要有6个:Chord[33]、CAN[30]、Tapestry[38]、Pastry[31]、Viceroy[28]和Cycloid[18].
鲁棒层(RobustnessLayer):P2P系统的鲁棒性需要有三个关键的构件来支持:安全性、资源汇聚和可靠性.
安全性是实现P2P系统的又一挑战.
P2P的优势在于,它允许节点扮演客户和服务器双重角色.
但是,从客户端向服务器的转化会给整个系统带来一系列的问题.
一般来讲,只有可靠的或授权的用户才能够获取信息和服务.
不幸的是,安全机制不是要求用户完成繁琐的认证程序,就是需要一个可靠的第三方提供证书.
所以,这其中存在着一个矛盾,是保持P2P系统分布式的特点,还是采纳集中式的安全认证机制.
目前的P2P系统不但采用了以前分布式系统成熟的安全机制,如信任链、会话秘钥、数字摘要和数字签名,还提出了许多适用于P2P系统的新的安全机制,包括多重秘钥加密[7]、沙箱[3,37]、数字签名[24]、权限与义务挂钩、防火墙等.
资源汇聚是P2P模型提供的一个基本功能.
从各个端节点汇聚来的资源种类繁多,一方面,资源包括计算机中存储的文件和其它信息;另一方面,端节点上所有可用的CPU计算能力、带宽、磁盘空间等都可被作为资源.
P2P系统的可靠性是一个重要的问题.
P2P系统天然的动态性使得我们很难保证行为的可靠性.
通常的解决办法,是利用冗余信息来提高可靠性.
例如,在计算密集型应用中,当发现失败时,计算任务可由另一个可用节点重新执行.
或者,同一个任务同时由多个节点各自独立的执行;在文件共享应用中,通过让一些节点保存文件的副本来提高可靠性;在通信型应用中,建立消息确认-重传机制或者从多条路径同时传递同一消息,都可提高可靠性;在有拓扑结构的P2P系统中,可靠性还应该考虑在结点的不断加入与离开情况下,如何动态维护覆盖网络的拓扑结构.
专属层(Class-specificLayer):以上讨论的构件适用于所有的P2P系统结构,而专属层构件是对各类P2P应用的功能抽象.
调度应用于可并行执行的计算密集型应用,计算密集型任务被分割成小块,每一块由调度组件分配到可用节点执行.
元数据适用于内容和文件管理型应用,元数据被用来描述节点提供的信息,并为资源定位提供有力的参考.
消息构件应用于协作型应用.
管理构件用来支持对P2P底层设施的管理.
应用层(Application-specificLayer):这一层包括由开发工具、应用程序和服务实现的运行于P2P覆盖层之上的各种具体应用,例如分布式计算(用在科学研究、金融业等),文件共享,及通信与协作系统.
3.
3共同面临的问题3.
3.
1体系结构(Formation)拓扑结构和节点发现策略常位于覆盖网络(overlaynetwork)中,主要解决节点如何加入已知系统并获取其邻居信息的问题.
IanFoster和Jonathan工具tools应用applications服务services应用层Application-specificLayer元数据meta-data消息messaging管理management安全性security资源汇聚resourceaggregation可靠性reliability鲁棒层RobustnessLayer组管理层GroupManagementLayer发现discovery定位与路由locatingandrouting通信层CommunicationLayer通信communication专属层Class-specificLayer调度scheduling3Ledlie分别提出在Grid和P2P环境中的成员管理协议[21,26].
Grid的体系结构的实现存在很大的困难,幸运的是可以借鉴P2P领域的研究成果,可见二者是相辅相成的.
3.
3.
2可用性(Utilization)资源发现:该策略决定了我们将如何找到所需资源,包括文件、计算机、服务和设备等等.
这就需要在高速性、稳定性、有效性和自治性中找到合适的结合点.
大多数情况下,在P2P领域中普遍使用的基于hash的查找机制可以达到满意的效果.
资源管理和优化:为解决如何能够最好最有效的利用网络中的资源的问题.
它包括如何分布元数据,由谁来执行计算任务,如何选择链路进行通信,以及如何加快热点资源的共享与传播等.
Grid方面,WilliamH.
Bell等人提出并模拟了在Grid环境中的资源复制策略[36];P2P方面,Freenet[10]作为代表,展示了一种分布式匿名的信息存储与获取系统.
Grid与P2P都致力于数据资源的复制和缓存算法,来提高系统的运行效率.
调度与冲突避免:P2P将重点放在利用带宽方面,其解决方案大多是设计运行于各节点之上适应网络动态变化的应用程序.
Grid致力于有效的任务调度,并利用传统的技术,但这种技术需要中央服务器,容易形成瓶颈,缺乏服务质量和公平性保证[6].
负载平衡:P2P和Grid采用的方法都是将大块的任务或数据划分为小块分配到多个节点来平衡负载或将大的数据流分割为多个小数据流并通过不同路径传输[34].
Karger等人[23]改进了基于Hash的数据结构并提出2个复杂度为常数度的负载平衡策略.
3.
3.
3鲁棒性(RobustnessorCopingwithFailure)数据完整性:目前P2P系统模型往往采用冗余信息来保证数据完整性,并且允许有损的数据完整性.
但P2P的这种思想无法应用于Grid,试想,大型的科学计算项目,如EuropeanDataGrid[11],每个月产生的数据量以PB计,并对数据的完整性有极高的要求,冗余的数据将会带来巨大的资金开销.
所以,P2P模型要想适用于Grid,就必须修改现有的模型.
安全性:包括认证(验证数据和计算,防范恶意攻击)、可用性(防范拒绝服务攻击)和授权(访问控制).
P2P可以借鉴Grid的集中式体系结构来解决部分Dos的问题[1,8].
Grid方面,GSI(GridSecurityInfrastructure)[17]解决了认证的问题,但是inter-testbedauthentication[19]仍然亟待解决.
沿着类似SPKI的分布式认证机制研究也许是一个正确的方向[9].
Welch等人[35]改进并标准化了基于PKI的X.
509代理认证机制,为不同虚拟组织之间相互授权提供了更好的安全机制.
3.
3.
4标准在开发和管理方面,P2P还没有实质上的标准或API,除了Gnutella,每一个版本的模型都采用一套全新的接口.
另一方面,Globus于2002年发布了面向WebServices的API——OpenGridServicesArchitecture(OGSA),作为Globus的下一代网格计算平台的标准.
4.
分类网格计算和对等计算是分布式计算领域涌现出的两个新兴的研究热点.
从系统特征来看,它们目前的应用系统大致可分为三类(如图3所示):网格计算系统、对等计算系统和兼具前两者特征的融合性系统.
网格计算系统大都以Globus为实现平台,包括以EuropeanDataGrid[11],NSF'sNationalTechnologyGrid(NTG)[32],NASA'sInformationPowerGrid(NASAIPG)[22]为代表的各类网格.
对等计算系统可进一步划分为两类:文件共享(Napster,Gnutella,Freenet,Oceanstore[25])和空闲CPU周期收集(SETI@home[setiathome.
ssl.
berkeley.
edu]),SUNMicrosystems推出的JXTA作为P2P系统的开发包正逐渐为广大用户接受.
网格计算和对等计算的融合是必然的趋势,但在这条道路上困难重重,Avaki[2]迈出了难能可贵的第一步,相信不久将会有更多的融合性系统涌现出来.
网格计算系统对等计算系统融合性系统图3分类(以系统特征为标准)从应分为高性能用领域看,网格计算和对等计算可科学计算(Avaki,EuropeanDataGrid,NTG等)、拾遗计算(SETI@home,Condor[27],Entropia[www.
entropia.
com]等)、文件资源共享(Napster,Gnutella,Freenet,Oceanstore等)、通信与协作(Magi[5],Groove[www.
grove.
net],Jabber,AMIster等)、支撑平台(Globus,JXTA,.
NETMyServices等).
如图4所示.
现行的商业系统都是位于某一座标轴上,即针对某一特定应用;而支撑平台则对每一座标轴领域提供技术支持.
高性能科学计算:高性能科学应用指以超级计算机工程计算为主体,整合互联网上从中心到边缘的计算能力,来完成目前单一的超级计算机无法解决的问题.
高性能科学计算主要包括三个方面:分布式超级计算、高吞吐率计算和数据密集型计算.
1)分布式超级计算.
越来越多的科学与问题已无法在任何一台超级计算机上解决了,网格可以把分布式的超级计算机集中起来,协同解决复杂的大规模计算问题.
包括Avaki,GriPhyN[www.
griphyn.
org],NASAIPG,DOE'sDISCOM[4],NTG,NEESgrid[www.
neesgrid.
org]等等.
高吞吐率计.
高吞吐率计算关注的是一段相2)算3)对较长的时间内完成的计算量.
目前网格将空闲的CPU资源收集起来,以获取强大的计算能力,提供给对时间不太敏感的计算问题.
数据密集型计算.
对于数据密集型问题,数据采集地点、处理地点、分析与结果存放地点、可视化设备位置等往往不在同一个地方.
数据密集型问题的求解往往同时会产生很大的通信和计算需求,需要高性能网络的支持.
许多高能物理实验、天气预报、数字化天空扫描等GlobusEuropeanDataGridAvNTGNASAIPGakiJXTASETI@homeNapster,GnutellaFreenet,Oceanstore4都是数据密集型问题,目前网格可以在这类问题的求解中发挥巨大作用,如欧洲数据网格EuropeanDataGrid.
计算:这类应用将一个拾遗大的任务分割成小块,寻地外文r和Gnutella,息.
包括即时通讯软件、编程接口,有助于规划来想象一下,全世界的计算机连接成一以得到所需的计算能力、存储,现在异构的网络环境中的鲁棒性、高性能和安全熟起来.
网格计算【参.
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使其能够在相对独立的端节点上处理.
以此为模型的应用集中在计算密集型应用.
这类应用收集网络上空闲的计算能力,将其汇集成可观的计算能力.
在这种情况下,每个端节点具有相同的功能,处理图4分类(以应用领域为标准)数据的不同子集.
最具代表性的拾遗计算系统非搜明(SETI@Home)莫数.
文件资源共享:这类应用集中在信息的存储与获取上,由内容交换模型驱动.
像Napste每个客户端可以搜索其他用户共享的文件,并直接从对方的硬盘上下载.
通信与协作:这类应用支持用户进行实时的协作,无须依赖于服务器中转信远程协作软件、网络游戏等等.
即时通讯软件已经深受网络用户的欢迎,如Yahoo!
、AOL和Jabber;远程协作软件可以帮助企业和客户,以及合作伙伴之间建立起一种安全的网上工作联系方式;可以使相隔万里的用户同时查阅并修改同一份文件;这项技术在网络游戏中发挥得淋漓尽致,游戏程序运行在所有的客户端,通讯完全通过P2P的方式,避免了中央服务器这一瓶颈.
支撑平台:支撑平台为开发Grid和P2P应用提供了一系列的服务、软件库和和组建大型的实验和应用,开发适合大型系统运行的应用程序.
主要实现包括安全性、信息获取与分布、资源管理和远程数据传输在内的主要功能.
当今代表性的支撑平台有Globus,JXTA,.
NETMyServices.
5.
未来与发展让我们个整体,任何人都可能力而不受地域的限制;我们在网络上工作,就像使用个人电脑一样方便快捷.
我们把这个叫做虚拟计算平台.
这依赖于网格计算和对等计算技术的成功结合.
为此,我们需要构建一个稳定并且多用途的体系结构,以一种有组织的、分布式的方式实性.
此外,还需建立多样化的发现、协商和维护协议来提供丰富并且高质量的服务.
目前网格计算和对等计算正在从不同的方向向这一目标而努力.
随着时间的推移,网格计算在解决系统规模方面的技术将会逐渐成对可扩展性、协商可靠性、自组织、自动问题检测和容错性的需求越来越强,幸运的是对等计算为其提供了大量可行方案.
与此同时,对等计算领域,随着技术的飞速进步和越来越多资源的接入,研究者和开发者们越来越信心十足.
我们期待着一整套标准的体系结构和开发工具的出现,网格计算和对等计算有共同的目标——构筑跨越互联网的虚拟计算平台,二者的融合正在逐渐成为一个研究热点.
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*)本课题得到国家973项目(No.
2002CB312002)和教育部高青年教师奖资助.
吴帆,硕士研究生,主要研究领域为网格计算与P2P系统.
叶懋,硕士研究生,主要研究领域为网格校计算与P2P系统.
陈贵海教授,博导,主要研究领域为网络理论、网格计算等.
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