網(wǎng)格在產(chǎn)生初期主要集中在高性能的科學(xué)計(jì)算及仿真領(lǐng)域，現(xiàn)在的網(wǎng)格計(jì)算不再局限于此，已出現(xiàn)了不同應(yīng)用領(lǐng)域的網(wǎng)格,參見(jiàn)圖一所示。面向不同應(yīng)用領(lǐng)域的網(wǎng)格系統(tǒng),在功能體系上有不同的特征及要求，而網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)則研究的是一般網(wǎng)格系統(tǒng)的通用功能體系及其相互關(guān)系，它是對(duì)各專用網(wǎng)格系統(tǒng)的抽象與概括。本文的主要目的是通過(guò)對(duì)科學(xué)計(jì)算網(wǎng)格、數(shù)據(jù)網(wǎng)格、知識(shí)網(wǎng)格及Web服務(wù)網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)的分析，給出網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)研究的最新研究成果，并指出它研究的主要問(wèn)題及下一步的研究方向。

二、面向科學(xué)計(jì)算及仿真應(yīng)用的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)

    固名思義，面向科學(xué)計(jì)算及仿真應(yīng)用網(wǎng)格的基本功能,就是利用網(wǎng)格技術(shù)將多種復(fù)雜的分布式的計(jì)算資源組織起來(lái)，形成一個(gè)分布式、松耦合的巨型計(jì)算系統(tǒng)，該計(jì)算系統(tǒng)的主要任務(wù)是完成超大規(guī)模的、復(fù)雜的仿真和計(jì)算任務(wù)，如中長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)、航空航天跨領(lǐng)域的安全仿真等等。科學(xué)計(jì)算及仿真應(yīng)用網(wǎng)格是目前研究最早成果最多的網(wǎng)格，它也是網(wǎng)格研究的起點(diǎn)，該網(wǎng)格的基本體系結(jié)構(gòu)如圖二^[14]所示。

圖一網(wǎng)格應(yīng)用的分類

    科學(xué)計(jì)算網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)的基本特征是系統(tǒng)中雖然有數(shù)據(jù)，但主要問(wèn)題或關(guān)鍵問(wèn)題是組織、訪問(wèn)和管理計(jì)算任務(wù)，這是因?yàn)榭茖W(xué)計(jì)算問(wèn)題一般都是計(jì)算密集型問(wèn)題，其CPU的開(kāi)銷是巨大的，因此，如何將一個(gè)大問(wèn)題分解為并發(fā)的任務(wù)，并將這些任務(wù)分配到多個(gè)異構(gòu)的計(jì)算系統(tǒng)中去，同時(shí)將這些并發(fā)的任務(wù)有機(jī)的組織起來(lái)，以盡量小的管理開(kāi)銷達(dá)到完成一個(gè)共同計(jì)算任務(wù)的目的，則成為科學(xué)計(jì)算網(wǎng)格的中心任務(wù)。

    從圖二可以看出，該網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)大致可分為應(yīng)用層、網(wǎng)格通用服務(wù)及本地資源層。從網(wǎng)格通用服務(wù)來(lái)看，它是靠建立一組通用服務(wù)完成與各本地資源的通信連接，并為上層應(yīng)用提供訪問(wèn)接口。在廣域范圍內(nèi)的科學(xué)計(jì)算問(wèn)題的核心是性能問(wèn)題，在目前的技術(shù)條件下，影響科學(xué)計(jì)算網(wǎng)格性能的一個(gè)重因素是通信問(wèn)題，因?yàn)楦饔?jì)算任務(wù)之間往往存在大量的數(shù)據(jù)交換，但是因目前的通信技術(shù)還難以滿足在這樣大的范圍內(nèi)進(jìn)行大吞吐量的數(shù)據(jù)交換，因此要盡可能減少因通信而帶來(lái)的性能下降。這就要求在任務(wù)管理和分配的過(guò)程中，要進(jìn)行任務(wù)的優(yōu)化，要盡量使計(jì)算和通信過(guò)程重疊，提高系統(tǒng)的并發(fā)程度，增加計(jì)算粒度，減少任務(wù)之間的耦合度或用冗余的計(jì)算減少通信開(kāi)銷，或者在通信傳輸上采用一些新技術(shù)提高傳輸效率，如集結(jié)成組傳輸、數(shù)據(jù)壓縮、調(diào)整傳輸協(xié)議的某些參數(shù)或采用特殊協(xié)議等等。因此在應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)注意在計(jì)算精度與通信能力之間作出平衡。

    從科學(xué)計(jì)算網(wǎng)格的體系結(jié)構(gòu)可以看出，這類網(wǎng)格對(duì)通信服務(wù)及任務(wù)分解及調(diào)度提出較高的要求。

    科學(xué)計(jì)算網(wǎng)格的實(shí)例是Cactus, Globus^[15]是科學(xué)計(jì)算網(wǎng)格系統(tǒng)一個(gè)最著名的組件，它的概念、功能、組成及結(jié)構(gòu)對(duì)現(xiàn)在網(wǎng)格的研究有著重要的影響。

    對(duì)通用網(wǎng)格服務(wù)的研究是網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)研究的重要內(nèi)容，從圖二可以看出，通用網(wǎng)格服務(wù)包含很多方面，它們的功能及層次成不一樣。但它們的總體功能是完成網(wǎng)格資源的統(tǒng)一訪問(wèn)，為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的訪問(wèn)接口（API或SDK），有的是為了統(tǒng)一異構(gòu)資源的訪問(wèn)接口，協(xié)調(diào)多個(gè)用戶同步訪問(wèn)同一資源的問(wèn)題；有的是完成多個(gè)資源的聚集管理，包括查找、分類等等

圖二 科學(xué)計(jì)算網(wǎng)格的體系結(jié)構(gòu)

    總體上講，科學(xué)計(jì)算網(wǎng)格至少需要具備三種基本功能：（1）任務(wù)管理，用戶通過(guò)該功能向網(wǎng)格提交任務(wù)、為任務(wù)指定所需資源、刪除任務(wù)并監(jiān)測(cè)任務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)；（2）任務(wù)調(diào)度，用戶提交的任務(wù)由該功能按照任務(wù)的類型、所需資源、可用資源等情況安排運(yùn)行日程和策略；（3）資源管理，確定并監(jiān)測(cè)網(wǎng)格資源狀況，收集任務(wù)運(yùn)行時(shí)的資源占用數(shù)據(jù)。

三、數(shù)據(jù)網(wǎng)格的體系結(jié)構(gòu)

    數(shù)據(jù)網(wǎng)格^[14] 是以大規(guī)模數(shù)據(jù)的共享、存貯、傳輸及分析為基本特征。初期的數(shù)據(jù)網(wǎng)格項(xiàng)目就是為了管理高能物理試驗(yàn)的海量數(shù)據(jù)而建立的，數(shù)據(jù)網(wǎng)格系統(tǒng)一般都有海量數(shù)據(jù)的聯(lián)

圖三數(shù)據(jù)網(wǎng)格的體系結(jié)構(gòu)

    機(jī)采集系統(tǒng)，如高能物理儀器，它可以以Pbytes/Sec量級(jí)產(chǎn)生數(shù)據(jù)；高速數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)不同的應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸速率從100M—2.5G不等；從地域上講，可跨世界多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。海量數(shù)據(jù)的共享、訪問(wèn)、控制、管理及傳輸是數(shù)據(jù)網(wǎng)格的核心問(wèn)題。著名的數(shù)據(jù)網(wǎng)格有EU Data Grid和GriphyN等。數(shù)據(jù)網(wǎng)格的體系結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖三^［14］所示。

    從圖三可以看出，數(shù)據(jù)網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)中最明顯的特征是在網(wǎng)格通用服務(wù)層中增加或強(qiáng)化了一些數(shù)據(jù)庫(kù)或數(shù)據(jù)管理服務(wù)，如數(shù)據(jù)管理（Data Management）、元數(shù)據(jù)管理（Metadata Management）、對(duì)象－文件的映射（Object-File Mapping）、復(fù)制管理（Replication Management）、SQL數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)（SQL Database Server）、復(fù)制目錄（Replica Catalog）等。

    數(shù)據(jù)網(wǎng)格以海量數(shù)據(jù)的存貯、傳輸、共享及分析為基本任務(wù)，因此數(shù)據(jù)網(wǎng)格必須如下能力：分析任務(wù)的能力，主要完成海量數(shù)據(jù)的分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行可視化處理，以便用戶使用；隨時(shí)掌握網(wǎng)絡(luò)中資源的能力；執(zhí)行任務(wù)程序的能力，可根據(jù)用戶需要執(zhí)行分析程序；任意數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?，?shù)據(jù)傳輸是數(shù)據(jù)網(wǎng)格基礎(chǔ)通信服務(wù)，它對(duì)通信能力的要求相當(dāng)高，突發(fā)強(qiáng)；判定和保障服務(wù)質(zhì)量的能力；從錯(cuò)誤中恢復(fù)的能力等等。

    數(shù)據(jù)網(wǎng)格的實(shí)例就是歐洲的數(shù)據(jù)網(wǎng)格（EU Data Grid），它主要為高能物理研究而建立的，還有其它諸多數(shù)據(jù)網(wǎng)格項(xiàng)目如下:Particle Physics Data Grid (US, DOE),GriPhyN(US, NSF),iVDGL (US, NSF),TeraGrid (US, NSF),European Data Grid (EU,EC),DataTAG(EU, EC), Japanese Grid Projects(APGrid，Japan)。數(shù)據(jù)網(wǎng)格是近來(lái)發(fā)展最快的項(xiàng)目。