光子網格技術,光子網格技術定義和應用

1引言

網格(grid)是20世紀90年代中期發展起來的一項技術，其標志性應用為全球范圍內的大規模科學計算(E-science)[1]。它將位于不同地理位置的科學儀器、高性能計算機、分布式數據庫、傳感器、遠程設備等組合起來，以解決復雜的科學問題，如全球氣候模擬、高能物理、基因圖譜的測繪、核試驗模擬、新藥的研制、虛擬專家會診、大規模信息和決策支持系統等。網格技術使人們能夠共享計算資源、存儲資源和相關服務，因此它在天文、航空航天、交通、汽車制造、氣象、鋼鐵生成、核反應堆等諸多領域的科研計劃和產業發展中起著至關重要的作用。

在網格應用中，傳感器、遠程設備、高性能計算機及可視化設備之間需要實時傳送terabyte甚至petabyte量級的海量數據，網絡在網格應用中占有十分重要的地位。傳統互聯網無法提供低延時保證下海量數據的高速傳輸，同時其盡力而為的服務方式無法滿足用戶的QoS要求。因此，構建在傳統互聯網上的網格應用存在著諸多的局限性，如數據傳輸速度慢、可靠性差、用戶交互性差、使用界面不夠友善等，極大地影響了應用系統的效率。

光子網格（opticalgrid）是近年來在上述背景下發展起來的一種新興技術[2~3]。其基本思想是將分布在不同地理位置的高性能并行計算機、計算機集群、大型存儲設備、高清晰顯示設備、大型科學儀器以及各種類型的個人計算機、服務器等通過光網絡相互關聯起來。由于光網絡具有大帶寬、高度透明、低延時、低成本、高可靠性和動態帶寬調整能力，因此光子網格在滿足用戶共享網格信息資源的同時，還可為網格應用提供海量數據的快速傳輸、高可靠性管理及資源的靈活調度和控制。

光子網格網絡的實施，可突破網格應用中的網絡瓶頸問題，使網格用戶能夠與高端計算資源保持同步并維持令人滿意的互動功能，從而加速應用領域的科研進程，促進相關產業的發展。另一方面，光子網格的實施，使得高性能計算資源、存儲資源及科學儀器的擁有者能夠更有效地拓展應用市場，提高資源的利用率。由此可見，光子網格是使網格應用真正走向實用的可行技術。

2 光子網格產生的背景

近年來，隨著大規模科學計算應用的不斷發展，其對計算機處理能力、存儲能力及高性能可視化的要求在不斷增加。計算機處理或存儲能力受技術及成本等因素的制約，為每個用戶配備高性能計算、存儲及可視化設備既不經濟也不現實。一種可行的解決方法是將計算及存儲任務分配給不同的計算機，通過共享不同研究機構的計算、存儲及可視化資源來實現大規模科學計算及可視化應用。這種方法可以有效地節省成本，提高資源的利用率。

與此同時，當今科學計算問題的復雜性在不斷增加，它需要不同領域、不同國家的科學家共同協作才能取得突破性的成果。因此，必須構建一個高速網絡將這些科學研究工作者、高性能計算及存儲設備、高精密儀器及可視化設備關聯起來，實現不同地理位置之間海量數據的高效傳送。上述應用導致了對網絡的連通性及帶寬要求的不斷增加。

光纖及光網絡傳輸設備的大范圍敷設及廣泛應用為互聯高性能計算機、大型存儲設備、高清晰顯示設備及大型科學儀器提供了可能。目前，在10Gbit/s及更高速率上，與IP交換機相比，光交換機具有更低的功耗和成本。光網絡可以提供低成本、高帶寬、高可靠性光連接，已被絕大多數研究機構甚至一些個人用戶所接受。

光子網格即是在上述背景下產生的，它通過光網絡將終端用戶、計算、存儲等資源關聯起來，從而實現遠程海量數據的高速傳輸。

3光子網格研究的關鍵問題

光子網格不等于簡單地用光網絡來提供大數據傳輸。要有效地支持網格應用，傳統的光通信網絡及網格技術面臨著一系列的挑戰。

首先，要支持網格應用，需要為大量的用戶和終端設備提供從Mbit/s至Tbit/s量級的傳輸帶寬。用戶對帶寬的請求具有突發性、并行性、大規模、多種粒度并存的特點，而光網絡的帶寬資源及網格的計算與存儲資源均是有限的。很顯然，為每個用戶任務提供專用的光通路既不經濟也不現實。因此，光通信系統需要支持不同類型、多粒度、突發性帶寬需求，具有按需分配帶寬的能力；提供組播和廣播能力；同時，系統為滿足應用需求，還需要為用戶或應用提供自組織、自管理和自控制分布式網絡資源的能力，支持靈活、快速的通道建立。

其次，網格應用不同于通信網絡上的點到點通信業務，它具有分布式、多任務流的工作特點，多個任務可以分配至不同的計算資源上并行運行，不同的任務分配方式會導致不同的光網絡資源分配方式。即使計算資源分配方案是確定的，由于光通道源、宿節點對之間可以有不同的路由選擇，因此光網絡資源將有不同的調度方案。而不同的任務分配方法又會導致不同的任務完成時間。因此，要在給定的限制條件下高效地完成一個給定的業務，系統必須支持大規模的分布式并行網絡服務，必須合理地描述各業務流程之間的相互關系，并通過一種全新的方式來協同調度計算資源及光網絡資源，否則將直接導致系統運行效率及資源利用率的降低。

再者，目前網格計算在完成資源發現、任務調度的過程中，通常不考慮網絡資源的限制及可用性，并且缺少從網絡中獲取可用的網絡資源信息的發現機制。而在實際應用中，網絡資源是一個影響系統效率和應用功效的重要因素。因此，必須尋找一種新的資源描述、資源發現及資源更新機制，以實現對計算資源和網絡資源的統一管理和合理利用。

最后，網格應用的多業務流、大數據量特性要求通信網絡具有更高的安全性及數據正確性保證。雖然網格具有一定的容錯機制，網絡也具有一定的保護/恢復能力，但是如何根據用戶的QoS需求，通過光網絡和網格的協同操作來實現更高級別的系統容錯，以保證網絡的安全性及網格用戶與通信網絡接口的安全性，也是需要解決的問題。

針對上述關鍵問題，國內外研究機構及相關學者就光子網格及其應用重點從以下幾個方面開展了研究。

·光子網格體系結構及實現技術：重點研究建造光子網格的技術、光子網格的基本組成與功能、光子網格各組成部分的相互關系、各部分集成的方式或方法以及它們與網格應用之間的相互關系。

·控制與管理協議：重點研究光子網格的控制及管理機制，包括用戶網絡接口、計算資源調用及控制機制、光網絡突發帶寬的動態調用及調整、信令和路由協議、域間和層間控制協議、光子網格中間件的接口技術及實現方法等。

·光子網格資源發現及調度機制：重點研究光子網格環境下網格信息資源和光網絡資源的描述、注冊、發布、更新、服務部署、資源發現和資源調度機制，并在此基礎上研究不同工作模式下網格信息資源與光網絡資源的協同優化調度機制、實現算法及性能指標分析。

·光子網格容錯及安全訪問機制：重點研究光子網格權限管理機制、用戶身份認證技術以及跨域調度的安全和權限管理技術，研究在光子網格發生光纖鏈路中斷、設備節點故障、服務器宕機或服務程序中斷情況下，如何設立不同等級的容錯策略，在保障數據傳輸的準確性和及時性的同時，使用戶察覺不到系統故障，以滿足不同用戶的QoS要求。

·業務模型及應用實驗：重點研究多種網格應用模型下業務類型的分類和整理方法，對不同類型業務，根據用戶的QoS要求，制訂不同的業務等級機制，給出不同類型、不同等級下業務工作流的描述方法，并提供一種輔助用戶進行流程定義、生成描述文件的可視化工具，在此基礎上針對高性能計算及可視化、大規模協同設計、實時數據傳輸等典型應用，探討多業務應用模式下光子網格的實現技術、應用流程和發展前景。

由此可見，構建一個新型的網絡架構，集成網絡、網格信息資源和服務，實現對終端用戶、網絡資源和網格信息資源的協同管理，無論在理論研究或實際應用中都存在很多問題有待進一步探討。

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4光子網格研究進展

目前，國內外相關機構已在光子網格領域開展了一系列研究工作，具有代表性的研究計劃或項目包括：

·美國的OptiPuter項目[4]，它通過多個波長來互連計算機集群系統、可視化及協同操作工具，并通過擴展的GMPLS協議及接口實現對光網絡的控制；

·由日本和美國合作研究的G-lambda項目[5]，其目的是在網格資源調度器（gridresourcescheduler，GRS)和網絡資源管理（network resource management，NRM）系統之間建立一個標準的Web服務接口(GNS-WSI)，以保證GRS和NRM之間信息的協同交互，并在此基礎上實現動態跨域連接的建立及相關應用；

·加拿大CA*net4研究網絡的UCLP（usercontrolled lightpath）計劃[6]，其目標是倡導“用戶使能的網絡”，旨在為用戶提供動態分配網絡資源的功能，授予用戶更大的能力革新基于網絡的應用；

·歐盟的Phosphorus項目[7]，其目的是設計和實現一種新的網絡服務平面結構，以提供網格網絡服務，實現對網絡和非網絡（計算、存儲）資源的集成管理。

與此同時，國際標準化組織，如互聯網工程任務組（IETF）、分布式管理任務組（DMTF）、開放網格論壇（OGF），就網格計算的網絡應用和編程環境、體系結構、數據管理、信息系統和性能、P2P、調度和資源管理以及安全等問題開展了一系列研究。OGF的網格高性能網絡（gridhighperformancenetwork，GHPN）研究組已提出多個協議草案，如面向網格的光網絡基礎結構（draft-ggf-ghpn-opticalnets-2）、網格基礎結構的聯網問題（draft-ggf-ghpn-netissues-4）、傳送協議綜述（draft-ggf-ghpn-transportsurvey-1）、網格網絡服務的用例（draft-ggf-ghpn-netservices-usecases）和網格網絡服務（draft-ggf-ghpn-netservices-2）以及網格光突發交換網絡（draft-ggf-ghpn-GOBS）等。全球光網格論壇（GLIF）也在近期就光網絡控制平面及網格網絡接口技術啟動了一系列的標準化研究工作。

此外，一些企業（如HP、IBM、Intel等）也在大力開展光子網格相關技術及應用研究（如云計算、云存儲等），他們在世界各地正在投巨資建立數據中心，這些都對光子網格技術及應用起到了或多或少的推動作用。

中國也對光子網格技術給予了高度重視，國家“863”計劃、國家自然科學基金已設立多個項目開展了相關技術的研究，目前一些重要的研究技術包括：光網絡集成計算環境[8,9]、網格與網絡資源協同調度[10,11]、光子網格容錯技術等[12]。

目前常見的光子網格體系結構主要有：基于密集波分復用、暗光纖和低成本光交換機的波長網格；基于光突發交換網絡（OBS）的網格；基于自動交換光網絡（ASON）的網格。圖1所示為典型的基于ASON的光子網格體系結構。

該體系結構框架分成3個層次。第1層為應用層，包括所有運行在光子網格上的分布式應用。第2層為服務層，是該體系結構的實體，包括工作流和網格中間件兩個部分。工作流封裝多種不同的應用業務并對外發布服務。網格中間件負責向下調度、封裝資源，具有資源監控、資源發現、資源調度、容錯及安全控制等多種功能。第3層為物理資源層，它分為兩個部分:一部分為傳統的網格信息資源，包括計算資源、存儲資源、顯示設備等；另一部分為光子網格特有的資源，包括端口資源、節點資源、鏈路帶寬資源、光路資源等。

其基本工作流程為：首先，服務層通過相關接口獲取物理資源層的相關信息；當服務層接收到應用層的用戶請求時，它調用資源管理和調度模塊，將計算、存儲、顯示等任務分配至不同的可用資源上，當需要進行數據傳送時，調用光網絡的控制平面，動態地建立光通道連接。通過上述步驟，可有效地實現資源的最優化利用并最大限度地滿足用戶的QoS需求。

5光子網格技術的應用

眾所周知，E-science對很多領域的科研計劃和產業發展起著至關重要的作用，例如：天文領域中的行星流體與磁流體動力學計算；新一代無毒、無污染運載火箭的計算和仿真；飛機設計中數值風洞、載荷疲勞計算；汽車制造中的虛擬制造、整車空氣動力學設計；鋼鐵生產中鋼板碰撞性能計算、鋼管成型仿真分析；核反應堆堆芯熱工水力分析、核反應堆保護和控制分析、核級設備應力分析與抗震力學分析等。在這些應用中，位于不同區域的用戶需要共享數據資源、進行大規模協同計算和分析并實現大數據流的數據交互和傳送。

一個典型的光子網格應用實例是歐洲原子能研究機構CERN開展的高能物理實驗，它的目標是處理大型粒子對撞機源源不斷產生的petabyte量級實驗數據。這些數據的分析和處理超出了目前世界上任何一臺超級計算機或集群系統的能力，因此，CERN計算機中心負責將這些數據通過高速網絡分配給歐洲、北美、日本等國的區域中心，后者再將任務進一步分解到物理學家的桌面上，通過不同區域物理學家的計算和協同分析來共同完成相關實驗。目前，已有位于世界60多個國家和地區的近萬名科學家參加到該實驗中，不同區域間采用的是10Gbit/s的光網絡通道進行數據交互和傳輸。

另一個應用例子是實時甚長基線干涉測量法（electronic-verylongbaselineinterferometry，e-VLBI）應用。e-VLBI是采用網絡將天文望遠鏡的觀測數據實時傳送到數據處理中心進行處理的射電干涉技術。它在航天器精密跟蹤、航天測控、精密時間比對、深空觀測、人造地球衛星、月球探測器、太陽系行星際探測器等領域均有重要的科學意義和實用價值。在下一代e-VLBI系統中，其觀測站的射電望遠鏡的采樣速率將達到10 Gbit/s，數據處理中心的數據匯聚速率將達到40 Gbit/s，數據需要從位于偏遠地區的觀測站通過超長距離的高速光網絡實時傳送至數據處理中心進行相關處理。面對上述應用需求，歐洲、美國、日本、韓國、澳大利亞等國的科學家正在開展一系列基于高速光網絡的e-VLBI技術研究，如歐洲EXPRES研究計劃和東亞e-VLBI研究計劃。美國自然科學基金資助的GRAGON研究項目也針對e-VLBI應用就光通路動態建立、大文件數據傳輸等進行了相關研究及現場實驗[13]。

光子網格可以突破E-science應用的網絡瓶頸，使得高性能計算廣泛應用成為現實，用戶和用戶之間、用戶和高性能計算機之間可方便、實時地實現數據交換和信息互動，這些將加速用戶的科研進程，促進相關產業的發展，給科研工作者及高性能計算資源的擁有者帶來光明的前景。

光子網格可用來管理分布在各地的貴重儀器，通過提供遠程訪問儀器設備的手段，可提高儀器的利用率，大大方便用戶的使用。同時，它還可以用于構造網絡化虛擬現實環境，實現對高性能計算結果或數據庫的可視化，使分布在各地的使用者能夠在相同的虛擬空間協同工作。該環境可以廣泛應用于交互式科學可視化、醫療、教育、訓練、藝術、娛樂、工業設計、信息可視化等許多領域，如遠程醫療、遠程教學、虛擬歷史博物館、協同學習環境等。

從上述分析可以看出，光子網格具有廣闊的應用前景。光子網格代表著光傳送網發展的一個方向，體現了網絡和業務應用融合的一個大趨勢。光子網格技術及應用體系研究將有助于推動網格應用的發展和光網絡技術的進步。可以預見，光子網格具有十分重要的理論研究價值和社會意義，同時有著廣闊的市場應用前景，在經濟建設和社會發展中將起著極為重要的作用。