网格技术作为支撑现代科学活动的重要手段，受 到了人们的 普遍重视。然而，构造一个实用的网格系统并不是一 件容易的事 情，面临诸多的技术挑战。单志广、姜进磊、武永卫 编写的《网络计算环境--体系结构》试图从体系结构 的角度来描述一 个网格系统所应该具有的各种元素及所提供的功能， 为开发者提 供参考。本书首先介绍了网格的三种典型架构，即五 层沙漏结构、 开放网格服务架构和面向服务的网格体系。其次，从 理论的角度 探讨了不同网格系统的统一描述。最后从实现的角度 ，对元信息 服务、监控服务、数据管理、执行管理及安全服务等 网格系统的 关键部件进行了剖析。     本书可供网络计算相关领域的科研技术人员参考 ，也可供相 关专业的研究生、本科生阅读。       

第 1章
从英国的 e-Science项目开始，网格成为支撑现代科学活动的核心技术，获得了蓬勃的发展。本章从现代科学活动的特点及要求出发，对网格技术的历史、发展现状、面临的挑战等作一个概括而又全方位的介绍。 
1.1 现代科学活动的特点及要求
科学研究是人类的一种认识和实践活动，其昀基本的特点是创造性和探索性。现代科学活动始于 20世纪初的物理学革命，其突出特点表现在以下八个方面[1]。 
(1)科学研究的领域和对象逐渐向微观和宏观各层次深入，对过程、结构和功能多个方面进行完整研究。 
(2)科学研究的内容具有学科交叉的性质，学科之间的横向和纵向联系更加紧密。 
(3)科学研究的组织形式更加多样，集体研究成为科学研究的主要形式，科学研究成为一种重要的社会职业部门或社会建制，科研人员的数目剧增，形成庞大的科研队伍。 
(4)科学研究的方法和手段越来越依赖于昀新的复杂技术装备，信息技术、网络技术等广泛应用于科学研究的各个领域，呈现出科学技术化的趋势。 
(5)科学研究的成果迅速转化和扩散，使得基础研究、应用研究和开发研究三者之间的界限越来越模糊，政府、企业和科研机构之间的关系更加紧密，呈现出科学产业化的趋势。 
(6)科学技术已经渗透到社会生活的各个领域，更加强调与国家经济、安全和可持续发展的目标紧密结合；同时科学研究的实验设备日益庞大和昂贵，对社会的人力、物力和资金的需求也不断加大，呈现出科学社会化的趋势。 
(7)科技资源的配置在全球范围内进行，科技成果的评价和应用也在全球范围内进行和流动，国际科技合作与交流迅速增加，科学研究呈现出全球化的特征。 
(8)科学研究的质量控制既要关注研究工作的潜在应用，更要考虑研究成果的可使用性、成本效益和社会可接受性等，而且更加强调科学家的社会责任，并把伦理标准纳入科学研究的行为规范之中。
现代科学活动的这些特点越来越需要知识和技术的结合、相关学科信息的共享和多种科研资源的协同工作。因此，如何协同分散在各地的大量科研资源来完成各种复杂科研问题的求解已成为一个至关重要的问题，于是网格技术应运而生。 
1.2 网格概念的提出与发展
网格(Grid)技术正是为解决跨组织、跨地域的大规模资源共享和协作问题而提出的一种新方法。网格昀早是借助电力网的概念提出的：就像人们使用电力而不用知道电力从哪里来、怎么来一样，人们在使用网格提供的计算力的时候也无需知道提供“计算力”的资源的位置、互联方式等细节问题。网格问题被形象地定义为在个人、组织机构、互联资源(计算设备、网络、在线仪器设备、存储设备等)的动态集合上实现灵活、安全、透明、协同的资源共享。网格研究试图将一组通过高速网络连接起来的异构的资源聚合起来，作为一个整体计算环境，透明地向用户提供各类高性能计算服务。其昀终目标是希望计算机一旦接入网络就能获取源源不断的计算能力。
从狭义上来讲，网格被称为计算网格( Computational Grid)，由元计算 (Metacomputing) [2]的概念发展而来。在昀开始的时候，元计算的目标是把各个独立的超级计算机或网络上的闲置计算机资源集合起来，成为一个整体来为科学计算提供强大的超级计算服务。随着网络环境及网络应用需求的多样化，单纯的超级计算服务已经无法满足这种需求，在这个背景下，人们引入了网格的概念。网格之父 Ian Foster在文献[3]中给出的描述是：计算网格是一个能够为人们提供可靠的、一致的、普适并且廉价的高端计算能力的软、硬件平台。
从广义上来讲，网格就是一个集成的计算与资源环境，或者说是一个计算资源池，它能够充分吸纳各种不同类型的计算资源，将它们转化为一种可靠的、易得的和标准的计算能力。在这种广义的定义下，网格中的资源包括了各种类型的计算机、网络通信能力、数据资料、仪器设备等。实际上，广义的网格概念就是我们平常所说的网格计算( Grid Computing)，Ian Foster等在文献[4]中给出的描述是：网格的概念就是在动态、多机构虚拟组织之间的协调的资源共享和问题解决。
网格技术的发展经历了如图 1-1所示的几个主要阶段[5]。 
20世纪 80年代中后期，为了满足科研活动对新的高性能计算技术的需要，网格计算的前身——元计算 [2]开始受到人们的关注。元计算又被称为网络虚拟超级计算机。著名的 Globus项目在 1995年启动时昀初的目的也是提供一个元计算工具包[6]。SETI[7]和 Conder[8]都是这一时期的代表性研究成果。
到 20世纪 90年代中期，元计算的概念逐渐被从“电力网格”中借鉴来的“计算网格”的概念取代。然而，这一时期的网格技术研究项目大多是各自为政，没有一个统一的指导思想和规范。Globus Toolkit较早的两个主要版本 1.0和 2.0分别在 1998年和 2001年发布。它们都基于 C语言来实现，其中 GT 2.0 的影响比较大，被 LHC Grid和 Tera Grid等著名网格采用。 
2001年，与网络多层体系结构类似的沙漏型多层体系结构被引入网格中。同年，GGF成立。GGF及其继承者——开放网格论坛( Open Grid Forum， OGF)[9]随后积极推动网格技术标准和规范的建立。2002年，GGF会议上提出 OGSA [10]和开放网格服务基础设施( open grid services infrastructure， OGSI)[11]。这两个规范的提出使得网格技术正式走入面向服务的时代。OGSA的提出统一了网格系统的体系结构，规范了网格的重要功能和关键组件。OGSI提出了有状态网格服务的概念。面向服务思想的引入简化了网格资源之间的访问界面和协议，方便了资源之间的互操作[12]。Globus Toolkit 3遵循 OGSA体系架构，并实现了 OGSI中定义的网格服务标准。
然而，由于 Web服务技术具有更大的影响力及在工业界更高的支持度， OASIS[13]提出的 Web服务资源框架( web services resource framework， WSRF)[14]在 2004年后逐渐代替了 OGSI。WSRF的提出标志着网格技术与 Web服务技术的昀终结合。新的 Globus Toolkit 4 即实现了基于 WSRF标准的网格服务。 
1.3 网格的特点
一般来说，网格解决的问题有三个特征。 
(1)资源的异构性。网格中可以用来共享的资源有着极其广泛的类型，包括网络资源、计算资源、存储资源、数据资源等。同一种资源也往往有着不同的表现形式和实现方式，如作业系统的 PBS (Portable Batch System)和 LSF (Load Sharing Facility)，传输协议中的文件传输协议( file transfer protocol， FTP)和超文本传输协议(hyper text transfer protocol， HTTP)等。类别不同的资源通过网格进行互联，解决了它们之间的通信和互操作问题。
(2)管理的自治性。网格的资源往往来自不同的物理单位和组织，各个单位和组织对自己的资源大都存在着特定的策略，这就要求网格在进行资源整合的同时，尽量保留这种管理上的自治性，这也是广义网格概念中“协调的资源共享”的真正含义——需要协调不同单位和组织的资源组织和管理策略。 
(3)行为的动态性。虽然相比于现在比较流行的 P2P (Peer-to-Peer)系统，网格系统一般来说稳定得多，但是网格毕竟是在一个广域网环境下的大规模、分布式的系统，所以动态性是不可避免的。这种动态性主要体现为节点资源的加入和退出，以及应用的不断增长。
针对这些问题特性，网格作了针对性的设计。与传统的分布式系统相比，网格具有如下技术特征和优势。 
(1)资源共享，消除资源孤岛。网格能够实现资源共享，消除信息孤岛，实现应用程序的互联互通。网格与计算机网络不同，计算机网络实现的是一种硬件的连通，而网格能实现应用层面的连通。 
(2)协同工作。网格提供了一个无缝的、集成的计算与协作环境，很多网格结点可以共同处理一个项目。此外，网格还支持跨组织、跨学科，涉及大规模资源共享的协作活动，如 Access Grid本质上就是一个大规模的电子会议和分布式会议平台。昀后，网格还能实现更高层次的协同处理，美军的全球信息网格( Global Information Grid， GIG)计划是这方面的一个典型例子。 
(3)通用开放标准、非集中控制、非平凡服务质量。这是 Ian Foster在 2002年提出的网格检验标准，其中通用开放标准将网格与 P2P系统区分开来，非集中控制将网格与集群区分开来，而非平凡服务质量则将网格与 Web区分开来。网格是基于国际的开放技术标准，这跟以前很多行业、部门或公司推出的软件产品不一样。 
(4)动态功能，高度可扩展性。网格可以提供动态的服务，能够适应变化：新的应用可以动态地被部署到网格系统中，形成新的服务；已有的服务也可以根据需要组合起来，对外提供新的功能，从而满足变化的应用需求。同时，网格并非限制性的，它实现了高度的可扩展性，新的资源可以动态地加入，已有的资源也可以随时退出。 
1.4 网格在国内外的发展现状
进入 21世纪，网格的概念日益被人们熟知，相应的技术也逐渐走向成熟。在这一情形下，全球网格建设蓬勃发展，得到了各国政府和产业界的大力支持。在 21世纪的昀初十年里，网格技术的研究与应用呈现出如下一些特点。 
政、产、学、研各界积极参与，网格建设和应用蓬勃发展，特别是建设网格信息基础设施已成为世界各国政府的共同目标。美国、日本，以及欧洲各国政府支持了数十个大型的网格研究和开发项目，下面是其中的一些代表性项目及其投入计划。 
(1)美国： Tera Grid、OSG(Open Science Grid)，Cyberinfrastructure等，2000～ 2005年投入约 5亿美元，2006～2010年投入约 6.5亿美元。 
(2)欧盟：e-Infrastructure、EGEE (Enabling Grids for e-Science in Europe)、 OMII(Open Middleware Infrastructure Institute)等，第六框架投入 2.5亿欧元、第七框架投入 6.5亿欧元。 
(3)英国： e-Science网格(2000～2006年，投入 2.5亿英镑)。 
(4)德国： D-Grid(2003～2007年，投入 1亿美元)。 
(5)日本：国家科研网格 Naregi(2003～2007年，投入约 1.2亿美元，主要是网格软件的开发)， Cyber Science Infrastructure(2006～2011年，投入 10亿美元)。 
(6)韩国： KGrid(2002～2006年，0.32亿美元)； e-Science网格( 2007～2011年)。 
(7)中国：科学技术部资助了中国国家网格( China National Grid， CNGrid)，至 2010年年底已完成二期的研发与应用工作；教育部资助了中国教育科研网格 (ChinaGrid)，一期建设工作于 2006年结束，目前，正在进行二期建设；国家自然科学基金委员会资助了“以网络为基础的科学活动环境”( NSFGrid)等，整个重大专项将于近期结题。
除了众多学术机构在进行网格方面的研究之外，业界许多公司已认识到网格所带来的巨大应用前景和商业价值，纷纷投入巨资开展服务网格的研究并大力推广网格服务的商业化。Sun在 2000年就启动了以网格引擎( Grid Engine)分布式资源管理软件为基础的开放源代码战略。IBM宣布在网格计算领域投资 40亿美元，已在全球建设 40家数据中心，从而正式进入网格计算领域。另外， IBM还进一步推出 On Demand Computing计划，打算整合其包括硬件、存储、网络计算在内的 IT基础设施，针对企业级的 IT应用及业务流程变革，提供一种前所未有的按需使用的综合服务

前言
第1章 现代科学活动环境与网格技术综述
 1.1 现代科学活动的特点及要求
 1.2 网格概念的提出与发展
 1.3 网格的特点
 1.4 网格在国内外的发展现状
 1.5 网格面临的挑战
 1.6 与网格有关的标准和组织
 参考文献
第2章 五层沙漏结构
 2.1 网格体系结构
 2.2 沙漏结构的基本理念
 2.3 沙漏结构详述
 2.3.1 构造层
 2.3.2 连接层
 2.3.3 资源层
 2.3.4 汇聚层
 2.3.5 应用层
 参考文献
第3章 开放网格服务架构
 3.1 SOA
 3.1.1 概念辨识
 3.1.2 架构描述
 3.1.3 服务的类型与接口
 3.1.4 SOA的特点
 3.2 Web服务
 3.2.1 SOAP
 3.2 2WSDL
 3.2.3 UDDI
 3.3 0GSA的基本理念
 3.4 结构示意
 3.4.1 资源层
 3.4.2 Web服务层
 3.4.3 OGSA架构服务层
 3.4.4 应用程序层
 3.5 OGSA中的服务接口
 3.6 0GSA的核心服务
 3.6.1 执行管理服务
 3.6.2 数据服务
 3.6.3 资源管理服务
 3.6.4 安全服务
 3.6.5 自管理服务
 3.6.6 信息服务
 参考文献
第4章 面向服务的网格体系
 4.1 基本理念
 4.1.1 以服务为中心
 4.1.2 采用统一的Web服务框架
 4.2 层次结构
 4.2.1 物理和逻辑资源层
 4.2.2 Web服务适配层
 4.2.3 标准网格服务层
 4.2.4 网格应用层
 4.3 运行环境
 4.3.1 简单运行环境
 4.3.2 虚拟运行环境
 4.3.3 组操作环境
 4.4 网格的功能模块
 4.5 网格的执行流程
 4.5.1 作业的类型
 4.5.2 作业的执行模型
 4.5.3 作业的执行流程
 4.6 参考实现：CGSP
 参考文献
第5章 数学基础
 5.1 实体与本体
 5.2 虚拟化与代数系统
 5.3 类型代数与商代数
 5.4 同型与异构性
第6章 网格标准的理论描述
 6.1 描述要点
 6.1.1 资源相关的标准
 6.1.2 工作流相关的标准
 6.1.3 日志相关的规范
 6.1.4 通知与资源的动态管理
 6.2 握手与通道
 6.3 本地代理
 6.4 移动性
 6.5 程序设计
 6.6 与外网的连接
第7章 元信息服务
 7.1 概述
 7.2 功能架构
 7.2.1 总体描述
 7.2.2 MDS
 7.2.3 MCAT
 7.2.4 MCS
 7.3 模块描述
 7.3.1 元信息提供者及信息类型
 7.3.2 元信息服务模型
 7.3.3 元信息服务组件
 参考文献
第8章 监控服务
 8.1 概述
 8.2 技术难点
 8.3 常用监控模型与系统分类
 8.3.1 常用监控模型
 8.3.2 监控系统分类
 8.4.监控系统的标准架构
 8.5 网格监控标准的参考实现：CGSV
 参考文献
第9章 数据管理
 9.1 概述
 9.2 GT4中的数据管理
 9.3 关键技术
 9.3.1 GridFlTP
 9.3.2 RFT
 9.3.3 RLS
 9.3.4 DAI
 9.4 其他数据管理系统
 9.4.1 SRM
 9.4.2 SRB
 9.5 数据管理技术应用示例
 参考文献
第10章 执行管理
 10.1 概述
 10.2 执行管理剖析
 10.3 作业需求描述
 10.4 资源分配与作业调度
 10.4.1 目标
 10.4.2 调度模型
 10.4.3 资源分配模型
 10.5 典型的执行管理系统
 10.5 1GRAM
 10.5.2 GARA
 10.5.3 Condor
 10.5.4 GRACE
 10.5.5 CGSP的执行管理
 参考文献
第11章 安全服务
 11.1 概述
 11.2 安全技术基础
 11.2.1 PKI
 11.2.2 TLS
 l1.2.3 SAML
 11.2.4 Web服务安全
 11.3 网格安全基础设施
 11.3.1 GSI概览
 11.3.2 相互认证
 11.3.3 安全通信
 11.3.4 授权
 11.3.5 委托与单点登录
 11.4 GOS安全机制
 11.4.1 基本概念
 11.4.2 安全体系
 11.4.3 认证的实现
 11.4.4 授权的实现
 11.4.5 通信安全的实现
参考文献