6.6.2. Архітектура Грід-систем
Яким він повинен бути
Правильно розроблене і добре реалізоване Грід-середовище характеризується наступними основними функціональними можливостями:
доступ до обчислювальних ресурсів, даних, пристроїв, вимірювальних інструментів повинен бути простим, прозорим, видаленим, і безпечним;
доступ повинен бути віртуальним (потрібний доступ не до серверів, а до сервісів, що поставляють дані або обчислювальні ресурси, — причому без необхідності знання апаратної структури, що забезпечує ці сервіси);
доступ повинен здійснюватися на вимогу (із заданою якістю), а ресурси повинні надаватися тоді, коли в них виникає потреба;
доступ повинен бути розподіленим, забезпечуючи можливість спільної колективної роботи віртуальних команд;
доступ повинен бути стійкий до збоїв, а при виході з ладу серверів додатки повинні автоматично мігрувати на резервні сервери;
доступ повинен забезпечувати можливість роботи в гетерогенному середовищі - з різними платформами.
Необхідно відзначити, що не все з цих вимог в належній мірі реалізовані в даний час.
Надалі ми зосередимося на випадку глобального Гріда. Для такої системи найважливішою умовою ефективної роботи є забезпечення взаємодії (інтероперабельності) між різними платформами, мовами і програмними середовищами. У мережевому середовищі інтероперабельність має на увазі роботу по загальних протоколах. Протоколи регламентують взаємодію елементів розподіленої системи, а також структуру інформації, що передається.
Функціональною базовою компонентою Грід-системи є сервіс (служба). Тому при формулюванні загальних принципів побудови Гріда важливо визначити як структуру протоколів, на яких заснована його робота, так і його архітектуру в термінах сервісів. Образно кажучи, архітектура Грід-систем має дві «проекції» - протокольну і сервісну.
Протоколи глобального Гріда
Загальна структура глобального Гріда описується у вигляді стека (набору рівнів або шарів) протоколів [1](Рис.6.16). У такій моделі кожен рівень призначений для вирішення вузького круга завдань і використовується для надання послуг для вищих рівнів. Верхні рівні ближче до користувача і працюють з найбільш абстрактними об'єктами, тоді як нижні рівні сильно залежать від фізичної реалізації Грід-ресурсів. Корисно мати на увазі, що ця структура аналогічна мережевій моделі OSI (Open Systems Interconnection), - абстрактній моделі для мережевих комунікацій і розробки мережевих протоколів. У лівій частині мал. 1 показані рівні стека Грід-протоколів, а справа - чотири аналогічних ним рівнів моделі OSI (всього в стеку OSI сім рівнів). Отже, стек Грід-протоколів включає:
апаратний рівень (Fabric Layer) складають протоколи, по яких відповідні служби безпосередньо працюють з ресурсами;
зв'язуючий рівень (Connectivity Layer) складають протоколи, які забезпечують обмін даними між компонентами базового рівня і протоколи аутентифікації;
ресурсний рівень (Resource Layer) - це ядро багаторівневої системи, протоколи якого взаємодіють з ресурсами, використовуючи уніфікований інтерфейс і не розрізняючи архітектурні особливості конкретного ресурсу;
колективний (Collective Layer) рівень відповідає за координацію використання наявних ресурсів;
прикладний рівень (Application Layer) описує призначені для користувача застосування, що працюють в середовищі віртуальної організації; додатки функціонують, використовуючи протоколи, визначені на рівнях, що пролягають нижче.
Рис.6.16. Стеки протоколів Грід-системи і мережевої моделі.
Апаратний рівень: управління локальними ресурсами
Апаратний рівень забезпечує доступ до розподілених ресурсів, необхідний протоколам більш високого рівня. Як вже неодноразово наголошувалося, спектр можливих ресурсів вельми широкий - це можуть бути комп'ютери, пристрої масового зберігання даних, каталоги, мережеві ресурси і тому подібне
При цьому ресурс може бути логічною суттю (наприклад, розподіленою файловою системою) або фізичною (наприклад, кластером комп'ютерів). Реалізація такого ресурсу може включати внутрішні протоколи (наприклад, NFS (Network File System) або протокол управління кластером), проте подібні протоколи не включаються в стек Гріда. Компоненти апаратного рівня реалізують локальні операції, специфічні для кожного даного ресурсу (логічного або фізичного). Цей рівень по своїх функціях аналогічний канальному рівню моделі OSI і, по суті, є набором інтерфейсів для управління локальними ресурсами.
Зв'язуючий рівень: комунікації і безпека
Комунікаційні протоколи зв'язуючого рівня (Connectivity) повинні забезпечувати надійний транспорт і маршрутизацію повідомлень, а також привласнення імен об'єктам мережі, а протоколи аутентифікації цього рівня, грунтуючись на комунікаційних, надають криптографічні механізми для ідентифікації і перевірки достовірності користувачів і ресурсів. Інфраструктура підтримки включає централізовану видачу сертифікатів, управління сертифікатами і ключами і так далі.
Ресурсний рівень: сумісне використання ресурсів
Ресурсний рівень за допомогою комунікаційних і аутентифікаційних протоколів, що входять в зв'язуючий рівень, що пролягає нижче, проводить узгодження методів безпеки, ініціалізацію і моніторинг ресурсів, і управління ними. Для доступу до локальних ресурсів і подальшого управління ресурсний рівень викликає відповідні функції апаратного рівня. Відмітимо, що протоколи ресурсного рівня призначені виключно для роботи з локальними ресурсами, вони не враховують глобальний стан системи. Цим займається колективний рівень, розташований вище. Ресурсний рівень включає два основні класи протоколів:
інформаційні протоколи, призначені для отримання інформації про структуру і стан ресурсу, його конфігурацію, поточне завантаження і політику (тобто, умовах) надання ресурсів (наприклад, вартості їх використання);
протоколи управління, що забезпечують узгодженість доступу до ресурсу, що поділяється, і визначення необхідних операцій, які ресурс повинен виконати (скажімо, ініціалізація процесу або доступ до даних).
Колективний рівень: координація ресурсів
Протоколи колективного рівня відповідають за взаємодію всіх елементів пулу ресурсів, що і відбите в самій назві. Як приклад глобальних функцій і сервісів, що реалізовуються протоколами цього рівня, можна назвати службу каталогів, розподіл ресурсів, планування і брокерські послуги, служби моніторингу, діагностики, реплікації даних, колективної авторизації.
Прикладний рівень: запуск додатків в Грід-середовища
Цей вищий рівень Грід-архітектури включає призначені для користувача застосування, які виконуються в середовищі об'єднаних ресурсів. В процесі виконання додатки використовують протоколи рівнів, що пролягають нижче, що забезпечують доступ до необхідних служб, а також прикладні програмні інтерфейси (Application Programming Interface - API), відповідні даним протоколам.
Застосування можуть викликатися через достатньо складні оболонки і бібліотеки. Ці оболонки самі можуть визначати протоколи, сервіси і прикладні програмні інтерфейси, проте подібні надбудови не відносяться до фундаментальних протоколів і сервісів, що визначають архітектуру Грід-систем.