關於網絡技術發展歷程

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　　網絡技術發展歷程：

　　網絡技術是從1990年代中期發展起來的新技術，它把互聯網上分散的資源融為有機整體，實現資源的全面共享和有機協作，使人們能夠透明地使用資源的整體能力並按需獲取信息。資源包括高性能計算機、存儲資源、數據資源、信息資源、知識資源、專家資源、大型數據庫、網絡、傳感器等。

　　當前的互聯網只限於信息共享，網絡則被認為是互聯網發展的第三階段。網絡可以構造地區性的網絡、企事業內部網絡、局域網網絡，甚至家庭網絡和個人網絡。網絡的根本特征並不一定是它的規模，而是資源共享，消除資源孤島。

　　網絡技術具有很大的應用潛力，能同時調動數百萬台計算機完成某一個計算任務，能匯集數千科學家之力共同完成同一項科學試驗，還可以讓分布在各地的人們在虛擬環境中實現面對面交流。

　　網絡技術的發展歷程

　　網絡研究起源於過去十年美國政府資助的高性能計算科研項目。這項研究的目標是將跨地域的多台高性能計算機、大型數據庫、大型的科研設備、通信設備、可視化設備和各種傳感器等整合成一個巨大的超級計算機系統，以支持科學計算和科學研究。

　　微軟公司把開發力量集中在數據網絡上，關注使用網絡共享信息，而不是網絡的計算能力，這反映了學術和研究領域內的分歧。事實上，很多用於學術領域的網絡技術都能夠成為商業應用。

　　Globus是美國阿貢(Argonne)國家實驗室的網絡技術研發項目，全美12所大學和研究機構參與了該項目。Globus對資源管理、安全、信息服務及數據管理等網絡計算的關鍵理論進行研究，開發能在各種平台上運行的網絡計算工具軟件，幫助規劃和組建大型的網絡試驗平台，開發適合大型網絡系統運行的大型應用程序。目前，Globus技術已在美國航天局網絡、歐洲數據網絡、美國國家技術網絡等8個項目中得到應用。2005年8月，美國國際商用機器公司(IBM)宣布投入數十億美元研發網絡計算，與Globus合作開發開放的網絡計算標准，並宣稱網絡的價值不僅僅限於科學計算，商業應用也有很好的前景。網絡計算和Globus從開始幕後走到前台，受到前所未有的關注。

　　中國非常重視發展網絡技術，由863計劃“高性能計算機及其核心軟件”重大專項支持建設的中國國家網絡項目在高性能計算機、網絡軟件、網絡環境和應用等方面取得了創新性成果。具有18萬億次聚合計算能力、支持網絡研究和網絡應用的網絡試驗床——中國國家網絡，已於2005年12月21日正式開通運行。這意味著通過網絡技術，中國已能有效整合全國范圍內大型計算機的計算資源，形成一個強大的計算平台，幫助科研單位和科技工作者等實現計算資源共享、數據共享和協同合作。

　　網絡的關鍵技術

　　網絡的關鍵技術有網絡結點、寬帶網絡系統、資源管理和任務調度工具、應用層的可視化工具。網絡結點是網絡計算資源的提供者，包括高端服務器、集群系統、MPP系統大型存儲設備、數據庫等。寬帶網絡系統是在網絡計算環境中，提供高性能通信的必要手段。資源管理和任務調度工具用來解決資源的描述、組織和管理等關鍵問題。任務調度工具根據當前系統的負載情況，對系統內的任務進行動態調度，提高系統的運行效率。網絡計算主要是科學計算，它往往伴隨著海量數據。如果把計算結果轉換成直觀的圖形信息，就能幫助研究人員擺脫理解數據的困難。這需要開發能在網絡計算中傳輸和讀取，並提供友好用戶界面的可視化工具。

　　網絡技術的研究現狀

　　網絡計算通常著眼於大型應用項目，按照Globus技術，大型應用項目應由許多組織協同完成，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裡共享，協同完成項目。對於共享而言，有價值的不是設備本身而是實體的接口或界面。

　　從技術角度看，共享是資源或實體間的互操作。Globus技術設定，網絡環境下的互操作意味著需要開發一套通用協議，用於描述消息的格式和消息交換的規則。在協議之上則需要開發一系列服務，這與建立在TCP/IP(傳輸控制協議/網際協議)上的萬維網服務原理相同。在服務中先定義應用編程接口，基於這些接口再構建軟件開發工具。

　　Globus網絡計算協議建立在網際協議之上，以網際協議中的通信、路由、名字解析等功能為基礎。Globus協議分為構造層、連接層、資源層、匯集層和應用層五層。每層都有各自的服務、應用編程接口和軟件開發工具、上層協議調用下層協議的服務。網絡內的全局應用都需通過協議提供的服務調用操作系統。

　　構造層功能是向上提供網絡中可供共享的資源，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、目錄、網絡資源、分布式文件系統、分布式計算機池、計算機集群等。連接層是網絡中網絡事務處理通信與授權控制的核心協議。構造層提交的各資源間的數據交換都在這一層控制下實現的。各資源間的授權驗證、安全控制也在此實現。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、監測資源運行狀況、統計與付費有關的資源使用數據。匯集層的作用是將資源層提交的受控資源匯集在一起，供虛擬組織的應用程序共享、調用。為了對來自應用的共享進行管理和控制，匯集層提供目錄服務、資源分配、日程安排、資源代理、資源監測診斷、網絡啟動、負荷控制、賬戶管理等多種功能。應用層是網絡上用戶的應用程序，它先通過各層的應用編程接口調用相應的服務，再通過服務調用網絡上的資源來完成任務。應用程序的開發涉及大量庫函數。為便於網絡應用程序的開發，需要構建支持網絡計算的庫函數。

　　目前，Globus體系結構已為一些大型網絡所采用。研究人員已經在天氣預報、高能物理實驗、航空器研究等領域開發了一些基於Globus網絡計算的應用程序。雖然這些應用仍屬試驗性質，但它證明了網絡計算可以完成不少超級計算機難以勝任的大型應用任務。可以預見，網絡技術將很快掀起下一波互聯網浪潮。面對即將到來的第三代互聯網應用，很多發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。

　　中國也加強了網絡方面的投入。中科院計算所為自己的網絡起名為“織女星網絡”(Vega Grid)，目標是具有大規模數據處理、高性能計算、資源共享和提高資源利用率的能力。與國內外其他網絡研究項目相比，織女星網絡的最大特點是“服務網絡”。中國許多行業，如能源、交通、氣象、水利、農林、教育、環保等對高性能計算網絡即信息網絡的需求非常巨大。預計在最近兩三年內，就能看到更多的網絡技術應用實例。

　　網絡技術的應用領域

　　網絡技術的應用領域很廣，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絡連接起來，並用網絡中間件軟件“粘合”起來，形成比單台超級計算機強大得多的計算平台。

　　分布式儀器系統 分布式儀器系統使用網絡管理分布在各地的貴重儀器系統，提供遠程訪問儀器設備的手段，提高儀器的利用率，方便用戶的使用。

　　數據密集型計算 並行計算技術往往是由一些計算密集型應用推動的，特別是一些帶有巨大挑戰性質的應用，大大促進了對高性能並行體系結構、編程環境、大規模可視化等領域的研究。數據密集型計算的應用比計算密集型的應用多得多，它對應的數據網絡更側重於數據的存儲、傳輸和處理，計算網絡則更側重於計算能力的提高。在這個領域獨占鳌頭的項目是歐洲核子中心開展的數據網絡(DataGrid)項目，其目標是處理2005年建成的大型強子對撞機源源不斷產生的PB/s量級實驗數據。

　　遠程沉浸 這是一種特殊的網絡化虛擬現實環境。它是對現實或歷史的逼真反映，對高性能計算結果或數據庫可視化。“沉浸”是指人可以完全融入其中：各地的參與者通過網絡聚集在同一個虛擬空間裡，既可以隨意漫游，又可以相互溝通，還可以與虛擬環境交互，使之發生改變。目前，已經開發出幾十個遠程沉浸應用，包括虛擬歷史博物館、協同學習環境等。遠程沉浸可以廣泛應用於交互式科學可視化、教育、訓練、藝術、娛樂、工業設計、信息可視化等許多領域。

　　信息集成 網絡最初是以集成異構計算平台的身份出現，接著進入分布式海量數據處理領域。信息網絡通過統一的信息交換架構和大量的中間件，向用戶提供“信息隨手可得”式的服務。網絡信息集成將更多應用在商業上，分布在世界各地的應用程序和各種信息通過網絡能進行無縫融合和溝通，從而形成嶄新的商業機會。

　　信息集成如信息網絡、服務網絡、知識網絡等，是近幾年網絡流行起來的應用方向。2002年，Globus聯盟和IBM在全球網絡論壇上發布了開放性網絡服務架構及其詳細規范，把Globus標准與支持商用的萬維網服務標准結合起來。2004年，Globus聯盟、IBM和惠普(HP)等又聯合發布了新的網絡標准草案，把開放性網絡服務架構詳細規范I轉換成6個用於擴展萬維網服務的規范，網絡服務已與萬維網服務徹底融為一體，標志著網絡商用化時代的來臨。

　　網絡技術的發展，標准是關鍵。就像TCP/IP協議是因特網的核心一樣，構建網絡計算也需要對核心——標准協議和服務進行定義。目前，一些標准化團體正在積極行動。迄今為止，網絡計算雖還沒有正式的標准，但在核心技術上，相關機構與企業已達成一致，由美國阿貢國家實驗室與南加州大學信息科學學院合作開發的Globus 計算工具軟件已成為網絡計算實際的標准，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。作為一種開放架構和開放標准基礎設施，Globus 計算工具軟件提供了構建網絡應用所需的很多基本服務，如安全、資源發現、資源管理、數據訪問等。目前所有重大的網絡項目都是基於Globus 計算工具軟件提供的協議與服務的。

　　除了標准以外，安全和可管理性、人才的缺乏也是網絡計算亟待解決的一個問題，否則它將無法成為企業的商業架構。在真正實現商業應用之前，還需要解決許多問題。即便如此，構建全球網絡的前景仍是無法抗拒的。