下一代网际网路新纪元-全球网格WorldWideGrid

PAGEPAGE9下一代網際網路新紀元─全球網格（WoｒldＷｉｄeGｒid)一、前言網格（Gｒid)的概念係由電力網格（powergｒid）而來,表示由網絡結合其（電力格點）上的各式資源而成,主要的精神是透過虛擬組織所實現的分散資源之統合與有效利用。簡單地說，全球資訊網（Web)是經由網際網路來分享資訊,而網格（Griｄ)則是經由網際網路來分享計算資源(包含最常用的計算與儲存資源）促進實質合作能力與資料儲存。，它不僅可以整合分散的各式電腦資源，更是將網際網路整合變成一巨大的虛擬電腦系統計算資源。如同全球資訊網的發展歷程，網格目前的發展是以輔助科學的研究為目的.對科學家而言,理想中的計算環境為：以目前的電腦技術來看,仍不足以完成他們想要的計算能力，這是由於他們所需的資料量很大，且分散儲存於不同的地方、重覆大量相似的科學計算，更希望能透過網路視訊會議，便能分享他們的大量資料及複雜的計算結果。因此他們便開始夢想一個趨於無限的計算能力與儲存空間，永遠不必擔心資料要儲存在那裡，更夢想一個趨於無限的計算能力，隨時可以與各地遠方的合作夥伴，安全而快速地分享彼此的資源資料及成結果,並且可以便捷而低成本的完成這些動作。網格理想中的情境之一即為:使用者可隨時隨地連線執行程式，取用當你需要分析分散於全球各地不同電腦的資料時，系統會自動找尋到最方便的資料來源，且在最適當的地方進行分析。沒有中央管理的控制、使用標準一般目的的通訊協定議、具備自動的負載平衡機制量等。二、本院目前的網格應用計畫2003年9月２９日,歐洲粒子物理研究中心(CEＲN）與全球13個國家,同步宣佈ＬCＧ(LＨＣCｏmpｕtｉｎgGrid）［2１］第一階段網格服務正式上線。該系統係應用新世代的網際網路應用架構－全球網格（WorldWｉｄｅGrｉd），將分散於全世界十餘個研究單位的電腦資源連接成為虛擬的單一系統，這是應用資訊科技於科學研究的一大里程碑.LCＧ計畫係利用網格技術,結合全球主要高能物理研究單位之計算資源,共同提供大強子對撞機（LａrgeHａdｒonＣｏlｌider,LHＣ）實驗所需的大量計算、程式設計、資料管理與系統維護之需求。在亞洲地區，台灣是本計畫的主要參與單位，在國家科學委員會的支持下，由中央研究院物理研究所、台灣大學物理學系,以及中央大學物理學系參與ＬHC實驗及研究計畫；網格技術的導入、參與全球網格佈署、建置與服務工作，則委由中央研究院計算中心負責。[３２]ﻩﻩ歐洲粒子物理研究中心的ＬＣG—1計畫是全球網格技術第一個實際運作系統。目前LＣG－1的建置,共有瑞士ＣERN、捷克布拉格大學、法國IN2P３電腦中心、德國ＦorｓcｈuｎgsｚentrｕmKarlsｒuｈｅ、匈牙利ＫFKI粒子與核子物理研究所、義大利INFＮ－ＣNＡF國家電腦中心、日本東京大學、波蘭ＡCCCyfｒｏnｅｔ、俄羅斯莫斯科國立大學、西班牙Ｐorｔｄ＇IｎformａｃióＣiｅnｔífｉca、台灣中央研究院、英國ＲｕｔｈeｒｆｏrdAｐpｌｅton實驗室，以及美國費米國家實驗室與Ｂrooｋhaｖｅn國家實驗室等１4個單位參與.中央研究院計算中心應用先進網路及網格技術,與中央研究院物理所合作,完成與歐洲資料網格計畫（EuｒｏpeＤａｔaＧrid,ＥＤG）間電子憑證（ＣertificａｔeAuthｅntiｃaｔiｏn）之相互認證,以及ＬCG-1系統建置，並獲邀擔任亞洲地區維運中心（ＯperaｔionCentre）重任。此計畫之成功,已使得台灣與國際一流的學術研究同步，並奠定新一代的資訊技術基礎建設.三、網格的運作模式基本概念網格的基本構想，在分散式計算、網路計算、平行計算等研究領域均曾提出類似概念，網格環境則提供了更加的實現機會，雖然部份仍待各方合作努力實踐。資源共享使用者可用到遠超過任一個超級電腦中心容量的資源,而且資源分享不再僅限於單純的檔案傳輸，而是可存取任何地點的軟體、電腦與資料,甚至可以操控遠端儀器、望遠鏡等設備。網格最大的挑戰,便是跨越資源管理單位的管理領域,以及不同的安全存取控制，進行共享與合作。如果資源可以安全地透過網路彼此分享，亦可平衡負載、相互備援，將可大幅提升資源使用效能、並將使用者等候時間減至最低。安全存取資源分享的結果，便有所謂安全性問題的產生.在網格運作環境的過程當中，必須確保資源共享的安全性提供者及使用者。藉由由於新的資訊不斷地產生，因此也就需要一個具有彈性且可靠的帳號管理機制，故在資訊安全中,便有所謂授權（Ａuthｏｒｉzａｔion）、認證（Aｕｔhｅntｉcaｔｉon）與稽核帳號(Ａcｃｏｕｎtinｇ)三「A」整合機制的概念。雖然三「A」早已存在,但在網格運作中尤為重要，更需要新的處理模式,決定究竟誰被授誰有哪些權限可以使用何種網格資源?那些資源被授與哪些權限給誰權使用？不同資源間的使用政策等等，都需要一個追蹤所有資訊的有效方法。資源利用資源控管的目的在於確保每個使用者都能得到最適當的服務,且發揮最大的資源使用效能。不管你擁有多少電腦資源，總要浪費許多排隊等待的時間,但如果有一個有效自動分配資源到不同電腦的機制,便可以節省排隊等待的時間。在網格中，如果有使用者等待執行運作的訊息時,便可以計算出適當的資源分配，執行資源分配的任務，網格而中介軟體（middlewａre）的便是扮演這個重要的角色之一，便是執行資源分配的重任。打破距離障礙為了避免所謂的通訊瓶頸,網格發展者必需具備發生計算錯誤、傳輸錯誤或電腦當機時，發生錯誤的補救方法。因而必須仰賴穩定、快速的網際網路基礎架構,而為了達到這些需求，適當的傳輸通訊協定、發展高效能網路的交換技術等高效能網路問題便必需解決。，包括:適當的傳輸通訊協定、發展高效能乙太網路的交換技術等等。開放標準開放標準（OｐeｎStaｎdard）提供共通的整合界面，它可以確保幫助各單位所發展出來的網格系統，可以相互整合與應用。由於網格的本質就是共享,不同的單位或應用團體都有各自的需求標準，且在發展的過程中,也不斷的會有新的技術或工具出現,因此在整合的過程中，一些相關標準也需隨時檢視修正。即使網格技術的發展歷程雖然不長現只是發展初期，但在核心技術上卻已有超乎想像的進發展。基本上，目前大部分所有的網格計畫主要是建立在Ｇlobｕs中介軟體的環境通訊協議上.Ｇlobus是一個開放原碼的基礎平台,它提供了許多網格所需要的基本功能與服務,如安全性、資源選取與匹配發現、儲存資源管理與資料存取等。網格結構原理整個網格架構（GriｄAｒchｉtecture)可用階層式(Layer）概念來描述,其中較高層係以使用者為中心，底層則專注於電腦資源及網路:最底層的網路層(NetworkLａｙeｒ)：確保網格中的資源可以經由網際網路連接；第二層資源層（ResourcｅLａyeｒ）:由網格中實際的資源所組成，包括：超級電腦、儲存系統、電子儀器,甚至於感測器;中介軟體層（ＭidｄlｅwaｒeLayer)：整合不同資源構成為網格環境,並將網格所需的不同元件組合在一起；最上層是應用層（ApplｉcatiｏnＬayｅｒ）：包括不同領域的使用者應用、入口網站及開發工具等等，是與使用者直接互動的界面。應用層同時也提供服務管理機制端（Serｖicｅware)，包括：網格資源使用統計使用人數、帳單處理、帳號管理等。一般常以Fabric來表示網格的底層基礎設施。在中介軟體層和資源層加入聚合服務層(ColｌecｔivｅSerｖices）,用以管理不同電腦資源間網路的執行狀況。由於網格與網頁及電子郵件一樣，也是使用網際網路,隨時都有大量資源在執行，因此網格必需知道那些訊息是與之有關，同時過濾無關之訊息。UｓerAppｌicａｔioｎsＴoｏlｓａndapplｉcａtｉoｎsCｏlleｃtｉｖeＳｅrviｃeｓDｉreｃtoryBroｋｅriｎｇ，diａｇnostiｃs,andmonｉtｏringReｓourcesandConneｃｔｉvｉtyProtｏcolsＳecｕrｅaｓsesｓｔｏresoｕrcesandｓerviceｓFaｂricDivｅｒsereｓourcｅｓｓｕｃhasｃｏmpｕtｅr，storage,ｍedia，networks,aｎｄｓeｎｓoｒｓ圖1網格架構簡單舉例說明地說,最上層的應用層必需依賴下面其他分層才能大網格上執行，當即一個使用者要從分析許多獨立檔案的資料中進行分析時，其流程為：取得認證憑證(CertiｆｉｃateAｕｔｈenｔicａtｉｏn,CＡ)，才能權限開啟以取得檔案存取權限.詢問網格資訊系統及複製目錄(ＲepｌicaLocａtiｏｎServiｃｅ，ＲLS）在何處可以找到檔案，何處有最適當的電腦資源進行分析。(聚合服務）對Faｂric送出要求並且萃取資料，啟動計算然後傳回提供結果。(資源及連結協定）監測計算及資料傳輸過程，回報提醒使用者分析過程何時結束,以及監測及回復錯誤狀況回復.(聚合服務）為了達成上述的任務發揮網格功效，網格必需努力地讓應用程式必須網格化（Ｇrｉdｆｙing），擁有正確的服務以及協定，讓使用者可以在瀏覽器上執行，當網格化後，數以千計的使用者便可以在網格上執行相同的應用程式,並且經由中介軟體在不同fabｒｉc的環境中轉換。因此中介軟體就如是網格的大腦,網路是神經系統，而分散的電腦就是肌肉，網路就像是神經一樣,連接網格內的所有資源。而網格的能力主要便是由網路上的每個節點所提供的計算資源來決定,每個節點將是高效能計算資源的來源。而中介軟體的發展是網格是否能成功的關鍵，它是一個用來整合網格內分散計算資源的軟體,主要擔任自動化機器間協調過程的角色。一個測試平台（（testｂed）是由多個節點所構成，每個節點都有一定數量的電腦,並扮演不同的角色。測試平台是一個真的網格，用以執行及測試中介軟體,但由於是給少數開發者及科學家短期測試使用，所以存取仍會有所限制。目前全球已有很多不同的測試平台，以歐州資料網格為例，大約有1,０00個ＣPＵ，橫跨歐洲15個不同的測試站,建立在GEANT高速通訊網路上.如此說來，任何可以在電腦上做的事情，都可以在網格上執行，而且不會影響原電腦正常的運作,它本身就如同一個超級大電腦。［1３］三、本院網格計畫之發展趨勢與展望LＣG計畫係利用網格技術，結合全球主要高能物理研究單位之計算資源，共同提供大強子對撞機(LargeＨａdronＣoｌｌider,ＬＨＣ）實驗所需的大量計算、程式設計、資料管理與系統維護之需求。在亞洲地區，台灣是本計畫的主要參與單位,在國家科學委員會的支持下，由中央研究院物理研究所、台灣大學物理學系,以及中央大學物理學系參與LＨＣ實驗及研究計畫；至於網格技術的導入、參與全球網格佈署、建置與服務工作,則委由中央研究院計算中心負責。［2］這個由歐洲粒子物理研究中心（CERN）推導的世代網際網路應用架構-全球網格，於20０３年９月２９日,與全球13個國家,正式同步宣佈LCG(ＬＨＣＣomｐｕtiｎgGrｉd)［3］第一階段網格服務正式上線.這個分散於全世界十餘個研究單位電腦設備,透過網路連結成為虛擬的單一系統，應是應用資訊科技於科學研究的一大里程碑。ﻩﻩ歐洲粒子物理研究中心的LＣG-1計畫是全球網格技術第一個實際運作系統.目前ＬCG－1的建置,共有瑞士CERN、捷克布拉格大學、法國IＮ2Ｐ3電腦中心、德國FｏrscｈunｇｓzeｎtrumKａrlｓｒuｈｅ、匈牙利KFKI粒子與核子物理研究所、義大利ＩNFN-ＣNAF國家電腦中心、日本東京大學、波蘭ACCCyｆronet、俄羅斯莫斯科國立大學、西班牙Portd＇ＩnfoｒmacióCiｅntíｆicａ、台灣中央研究院、英國ＲutherｆordＡppleton實驗室，以及美國費米國家實驗室與Ｂrｏｏkｈavｅn國家實驗室等十四個單位參與.本院計算中心應用先進網路及網格技術,與物理所合作，完成與歐洲資料網格計畫（ＥuｒopｅＤatａGrｉd，EＤG)間電子憑證(CerｔificateAuｔhenticａtｉon）之相互認證，以及ＬCG—1系統建置，並獲邀擔任亞洲地區維運中心(OｐerａｔiｏnCentre）重任。此計畫之成功，已使得台灣與國際一流的學術研究同步，並奠定新一代的資訊技術基礎建設.如同全球資訊網的發展歷程,網格目前的發展是為了幫助科學的研究。例如ＬＣG計畫利用網格技術，便是用於處理實驗所產生的巨量計算與資料管理需求。通常，這樣大規模量的實驗資料一年就內可以累計12億到14億ｇigabytｅs的資料容量，。如果用光碟來儲存,這些光碟將和巴黎鐵塔一樣高.科學家若要利用這些堆積成山的資料，必須使用大量的電腦（約７萬套目前最快的個人電腦)，分析並過濾有用的資訊。這對於高能物理以及資訊科學研究均帶來前所未有的挑戰,促使計算資源的使用產生本質性的變革；如何有效利用分散資源、提昇資源應用效能，實為重要的課題。而網格技術即扮演非常關鍵的角色,它可以整合網際網路上的各式計算資源，彙整為遠超過單一計算系統，甚至單一機構所能提供的計算能力,幫助科學家們處理更大尺度、複雜度更高的問題與各類型應用。「ＬHC網格計畫的首要目標是，證明物理學家將可處理ＣＥRＮ的新型對撞機所產生如雪崩般大量的資料,並使個別研究人員可以便捷的使用這些資料,就如同這些資料在他們自己的硬碟機上面.同時，這個計畫也是一個新型的e-sｃienｃｅ社會學實驗。CEＲＮ希望展示一個方向,並且鼓勵其他學科擁抱計算網格的發展潛能。」Naｔuｒｅ在2０0３年４月４22期出刊的雜誌中［4］,特別介紹LＣG計畫,並將網格定位為下一代計算技術。文章中簡明的概述了LCG計畫的內容與意義，並做了這樣的註腳。但網格的應用並不僅侷限於粒子物理的範圍，歐洲粒子物理研究中心發展的全球網格，也將應用在生物資訊學及地球科學等各領域的研究。英國自20００年起即以三年時間致力於利用Ｇｒiｄ技術，發展e-Scｉenｃｅ科學研究、教育與產業應用［５］.歐盟將於2004年起,擴充Gｒid應用環境並成立EＧEE(EnａblｉｎｇGｒidｓfｏrE-ＳcieｎceaｎdInｄustｒyinＥｕｒｏｐe)計畫[6］,擴大發展e－Scｉｅｎｃe科學研究、教育與產業應用。美國則以Midｄleｗaｒe[7］、Gloｂus［8］、TerａGrｉd[9］、IｎｆｏrｍatｉoｎPｏwerＧrid［10］及LＣＧ等發展經驗，成立Grid3計畫，透過虛擬組織（viｒtｕalｏｒganｉzatioｎ)推動ＯpenSｃieｎceＧｒｉd,期望整合能源部（ＤOE)與國家科學基金會(ＮＳF）轄下所有GRIＤ相關計畫,成為科學研究、教育與社會變遷的重要基礎。日本也結合產官學研各界,於2003年正式成立NａtioｎalＲeｓｅarｃｈＧridIｎiｔｉaｔｉvｅ[11],希望藉此建立新一代的資訊基礎建設,進而提昇國家競爭力.與全球資訊網的發展不同的是，早在CEＲN正式推動全球網格之前，各主要資訊系統廠商如ＨP、IＢＭ、Mｉcｒｏsofｔ、Ｏrａclｅ、SGI、SＵN等，不但踴躍爭取參與國際性或各國網格計畫，亦深恐坐失商機，積極設立商業模式建構，投入技術研發,並陸續推出網格化的系統及應用軟體.如HＰ的PｌaneｔaryＣoｍpｕtinｇ、IBM的Ｏn－DeｍａnｄＣompｕｔｉｎg、Oracｌe的EnｔeｒｐｒisｅGｒidCoｍpｕｔｉｎg、ＳUN的GrｉdEngine等，均將對後續的發展應用，產生實質影響.全球網格之時代即將到來。「透過TｉmBeｒners—Lee的工作,發明了WorldWideＷeb技術,作為物理學家用來分享文件的工具，CEＲＮ

改變了人們與電腦的互動方式.將網格系統由測試階段調整到真實運用將是ＣERＮ再一次相當完美的表現」[4］。積極參與歐洲粒子物理研究中心繼全球資訊網(ＷWW）之後推出的全球網格計畫，引進網格技術並培育網格人才，將使台灣有更好的機會應用全球網格，面對我們在科學研究、教育與環境變遷上的挑戰.四、結論網格計算結合分散的運算資源、儲存裝置以及其他各類型資訊系統，協調彼此的資源分享，並經由管理機制,降低機器的閒置時間,構成虛擬的整合應用環境。研究人員可以突破空間障礙，透過共享的虛擬組織，彈性建立各種議題、有效的合作機制，並解決更大尺度的問題外,對於誰可以分享，可以分享那些資源，在什麼情況下可以分享，其實都有嚴格的控制與清楚的定義.這種利用有效連結網路上分散的資源,便可獲取強大的運算能力,更可降低軟硬體設備之支出成本，網格技術(GrｉdＴｅcｈnology)可謂是本世紀以來影響最深遠的資訊技術。五、參考文獻．GrｉdCaｆé,詳見HYPERLIＮK”ｈttp：/／grｉｄcａfe．wｅb。ｃｅrn。ｃh/grｉｄｃafｅ/”http：／/gridcａfe。ｗeb.cerｎ。cｈ/gridcaｆe/ＬHＣComｐutingGｒid,ＨYPＥRＬＩNK"http:／／lｃg．wｅｂ.ｃerｎ．ｃｈ／ＬＣＧ＂httｐ：//lｃg．wｅb。cｅrｎ．ch/LCG．台灣LCG計畫相關資料，詳見HＹPEＲLINＫ＂mａiｌto:LＣＧ＠Ｔaiwan”LCG@Ｔaｉwａn，HYPＥRLINＫ”http：／/ｌcｇ．ｇrid.ｓｉnicａ.ｅdｕ.ｔｗ＂http：//lcｇ．grｉd。sｉniｃa．edu。tw．GrｉdＣafé,詳見HYＰERLIＮK”ｈttp://gridc