محيط گريد

[آبجی]

محيط گريد(قسمت 1)

گريد نوعي سيستم نامتمرکز و موازي است که امکان به اشتراک گذاشتن و انتخاب منابع ناهمگون, خودمختار و توزيع شده از نظر جغرافيايي را به صورت پويا و در زمان اجرا و با ملاحظاتي نظير کارايي, در دسترس بودن, هزينه و کيفيت سرويس فراهم مي­نمايد.
سيستم­هاي گريد را مي­توان به سه دسته­ي گريد محاسباتي, گريد سرويس و گريد داده­اي تقسيم بندي کرد[9].
1.1. معماري گريد
همانطور که گفته شد هدف گريد ايجاد محيطي است تا کامپيوترها بتوانند به آساني به منابع موجود در ساير کامپيوترها دسترسي پيدا کرده و از آنها استفاده نمايند. ولي ايجاد چنين ساختاري به جهت وجود ناهمگوني بين کامپيوتر­ها کار بسيار مشکلي است.
محيط گريد مملو از تجهيزاتي است که با تکنولوژيهاي مختلف نرم­افزاري و سخت­افزاري کار مي­کنند. کامپيوترهاي مختلفي مانند سرورها، ابر رايانه­ها، رايانه­هاي شخصي معمولي، ابزار و منابع ذخيره سازي اطلاعات با ساختارهاي مختلف، تجهيزات مهندسي مثل تلسکوپ و....
کامپيوترها سخت­افزار خاص خود را دارند و از سيسستم عامل مخصوص به خود استفاده مي­کنند. يک کامپيوتر با Windows کار مي­کند ديگري يک Mainframe است که سيستم عامل VAX روي آن قرار دارد و اطلاعات را با روش سخت­افزاري تعريف شده, ذخيره و پردازش مي­کند و کامپيوتر ديگر يک سرور است که سيستم عامل Novell روي آن اجرا مي­شود، نرم­افزارهاي کاربردي در محيط و سکوي[1] خاص خود ايجاد شده و اجرا مي­شوند. کامپيوترها در شبکه­هاي مختلف با سياست­هاي مديريتي خاص، پيکربندي­ها و پروتکل­هاي مختلف کار مي­کنند.
در واقع هدف گريد در برخورد با چنين محيطي تبديل اين محيط به يک محيط يکنواخت است که در آن کامپيوترها بتوانند باهم ارتباط برقرار کرده، پيغام­هاي يکديگر را بفهمند و درخواست­هاي رسيده را پاسخ دهند. کليه کاربران محيطي همگن و يکنواخت را ببينند و احساس کنند. يعني هر کاربر يا نرم­افزار کاربردي بتواند با يک روش مشخص به منابع مورد نياز خود دسترسي پيدا کرده و از آنها استفاده کند و تمامي دغدغه­هاي موجود مانند مشکلات ارتباطي، غير همگون بودن کامپيوترها و غيره از ديد او پنهان بماند. مسلما براي دستيابي به اين محيط همگن و يکنواخت تغيير دادن و يکي کردن کامپيوترهاي موجود در دنيا عملي نشدني است. پس بايد با روشهاي ديگري اين کار انجام شود.
يعني بايد بتوانيم يک محيط انتزاعي همگن از تجهيزات و منابع کامپيوتري موجود بسازيم. که در آن کامپيوتر­ها بر اساس يک قانون يا پروتکل با هم ارتباط برقرار نمايند. به عبارت ديگر يک ماشين مجازي ايجاد کرده و در اختيار کامپيوترها و استفاده­کنندگان از آنها قرار دهيم تا سيستم­هاي مختلف بدون دغدغه ناهمگون بودن امکانات و تجهيزات بتوانند با يکديگر تبادل داده انجام دهند. در همين راستا ميان­افزارهايي طراحي شده و در اختيار کاربران قرار گرفته است.
براي محيط گريد ساختاري بصورت شکل 2 در نظر گرفته شده است.
اين ساختار چند لايه­اي انتظارات ما از يک محيط يکنواخت گريد را بر آورده مي­کند. که وظيفه لايه­هاي آن به شرح زير است [3].


[1] Platform
· لايه FABRIC
حاوي تمام منابع توزيع شده مانند کامپيوترها، شبکه­ها، منابع ذخيره سازي اطلاعات، پايگاه­هاي داده و ابزار علمي و مهندسي است.
منابع کامپيوتري مانند رايانه­هاي شخصي، سرورها، ابر رايانه­ها و خوشه­ها[1] داراي ساختارهاي مختلفي هستند و سيستم عامل خاص خود را دارند.

[1] Cluster





لايه ميان­افزار سطح کاربر


اين لايه شامل محيطي براي ايجاد و ارتقاي برنامه­هاي کاربردي در محيط گريد، ابزار برنامه سازي و امکاناتي جهت دسترسي و مديريت منابع است و همچنين وظيفه دارد که برنامه­ها را براي اجرا در محيط گريد زمانبندي و مديريت نمايد. اين لايه با فراهم آوردن دستورات و امکانات به­صورت انواع اوليه[1] اين امکان را در اختيار برنامه نويس و نرم­افزار کاربردي قرار مي­دهد تا بتواند با استفاده از اين انوع اوليه, امکانات موجود در محيط گريد را مورد استفاده قرار دهد.
· لايه ميان­افزار هسته­اي گريد[2]
همانطور که گفته شد ميان­افزار سطح کاربر وظيفه دارد تا حتي الامکان شرايطي را براي ديدن يک محيط يکپارچه و يکنواخت در اختيار کاربران و نرم­افزارهاي کاربردي قرار دهد.
در اين ميان به دليل اينکه محيط ما يک محيط وسيع شبکه­اي است بايستي براي اجراي يک برنامه در اين محيط مسائل ديگري همچون امنيت[3]، کيفيت سرويس دهي[4]، مسائل و سياستهاي مديريتي و... نيز در نظر گرفته شود. لايه ميان­افزار هسته­اي يکي از مهمترين قسمت­ها در معماري گريد است که وظيفه دارد يک محيط يکپارچه امن براي دسترسي نرم­افزار­هاي کاربردي به منابع فراهم سازد. اين لايه يک محيط انتزاعي از منابع موجود در گريد در اختيار نرم­افزار­هاي کاربردي قرار مي­دهد تا بتوانند به­وسيله سرويس­هاي اين لايه منابع مورد نياز را در اختيار گرفته و استفاده نمايند. همچنين اين لايه وظيفه دارد دسترسي­ها به منابع را کنترل کرده و مجوزهاي مورد نياز را در اختيار پردازه­هاي دريافتي از ساير کامپيوترها قرار دهد.

[1] primitive

[2] Core Grid Middleware

[3] Security

[4] Quality of Services

[آبجی]

2.1. شرح وظايف ميان­افزار هسته­اي گريد در جهت ايجاد محيط­هاي گريد
شرح وظايف يا عملياتي که اين ميان­افزار انجام مي­دهد به شرح زير است:
1.2.1.کشف منابع و ثبت وضعيت
سرويس اطلاعاتي گريد بايد در مورد منابع موجود در گريد که سرويس ارائه مي­کنند اطلاعات جمع آوري نمايد. اين اطلاعات، اطلاعات ماندگاري در مورد سرورهاي موجود است. اين سرورها براي فعال کردن سرويس­ها و برنامه­هاي موجود در گريد مديريت مي­شوند. در واقع وقتي قرار است يک برنامه در محيط گريد به اجرا در آيد لازم است که به­صورت موازي در سراسر محيط گريد توزيع شود. در اين حالت کامپيوتر مبدا بايد از امکانات و منابع موجود در گريد با اطلاع باشد يعني اطلاعات سرورهاي موجود را در اختيار داشته باشد تا بتواند به آنها مرتبط شده و از سرويس­هاي آنها استفاده نمايد.(در اينجا منظور از سرور ماشين سرور نيست بلکه منظور از سرور سرويس دهنده نرم­افزاري است که بوسيله يک شناسه مورد شناسايي قرار مي­گيرد). بنابراين يکي از وظايف ميان­افزار هسته­اي گريد جمع آوري و ذخيره­سازي اطلاعات در مورد منابع موجود در گريد است.
در اين قسمت به­طور کلي مراحل زير انجام مي­شود:
- تهيه مشخصات تعيين شده در مورد منابع موجود در گريد به همراه هدف مربوط به هر منبع.
- تهيه اطلاعات مربوط به وضعيت منابع.

2.2.1.زمان بندي[1] منابع
وقتي قرار است يک فعاليت در محيط گريد انجام شود، به دليل وجود مسائلي همچون زمان پاسخگويي، کارايي[2] وغيره مي­بايست منابع در دسترس برنامه ريزي، زمان بندي و هماهنگ شوند. تا بتوانيم وظيفه مورد نظر را در زمان مناسب و با کيفيت در نظر گرفته شده اجرا نماييم. به عبارت ديگر به­کارگيري منابع براي همکاري با يکديگر مثلا جهت عمليات موازي يا پردازه­هاي چند سطحي نياز به هماهنگي زيادي بين عناصر موجود در گريد دارد. در اينجا در واقع کامپيوتر مبدا از نظر زمانبندي صرفا مي­تواند منابع مورد نياز را رزرو نمايد.

3.2.1. دسترسي يکسان به منابع محاسباتي
در بين منابع موجود در گريد تفاوت­هاي زيادي وجود دارد. اين تفاوت­ها نبايد روي نحوه دسترسي به منابع تاثير بگذارند. يعني اگر بخواهيم يک نرم­افزار کاربردي بصورت قابل حمل در گريد مورد استفاده قرار گيرد بايد محيطي يکنواخت براي اجراي آن ايجاد نماييم که يکي از ويژگي­هاي اين محيط يکنواخت که کاربر و برنامه نويس و نرم­افزار کاربردي احساس مي­کنند امکان دسترسي يکسان به منابع کامپيوتري موجود درگريد است.

4.2.1. دسترسي يکسان به داده
يکي از اهداف ايجاد گريد امکان دسترسي به حجم وسيعي از منابع ذخيره سازي اطلاعات است. ولي مسئله اين است که باز هم بايد نرم­افزار­هاي کاربردي قابل حمل داشته باشيم به­طوري­که بتوانند به داده­هاي مورد نظر خود با روشي يکسان دسترسي پيدا کنند. يعني اين دسترسي بايد مستقل از تمام وابستگي­هاي داده­اي در محيط گريد باشد. علاوه بر اين امروزه سرويس­هاي دسترسي به داده­ها در گريد داده­ها را بوسيله نام شناسايي مي­کنند.

5.2.1. ارتباطات امن و تاييد اعتبار کاربران
يکي ديگر از وظايف ميان­افزار هسته­اي گريد اين است که اعتبار و سنديت درخواست­هاي رسيده را مشخص نموده، مجوز آنها را بررسي کرده آن­ها را رمز گشايي ­و در مورد يک سرويس معين بررسي کند. اين کار با استفاده از مدل­هاي امنيتي، پروتکل­ها و تکنولوژي­هاي برقراري ارتباط انجام مي­شود. در واقع اين سرويس مسائل امنيتي را براي محيط گريد فراهم مي­کند. در واقع هر کامپيوتر موجود در محيط بايد قبلا تاييد اعتبار شده باشد تا بتواند از امکانات گريد استفاده نمايدکه اين کار براي جلوگيري از نفوذ و خرابکاري درون کامپيوترها ضروري است.
3.1. بررسي سرويس­هاي ارائه شده توسط ميان­افزار هسته­اي گريد
اين ميان­افزار براي انجام وظايف خود سرويسهاي مختلفي را شامل مي­شود که عبارتند از:
1. مديريت راه دور پردازه­ها
2. تخصيص منابع
3. دسترسي به منابع ذخيره سازي
4. کشف و ثبت منابع
5. امنيت
6. کيفيت سرويس
7. رزرو کردن منابع

1.3.1. مديريت راه دور پردازه­ها
در محيط شبکه و ارتباطات شبکه­اي ارتباط کامپيوتر­ها از طريق ارسال و دريافت پيام انجام مي­شود. بنابراين اين پيغام­ها بايد به نوعي مديريت و کنترل شوند. يک کامپيوتر ممکن است درخواست­هاي زيادي از ساير کامپيوترها بصورت مستمر دريافت کند. پس بايد با روشي مثل صف بندي پيام­ها آنها را نگهداري کرده, درخواست­ها را پردازش نموده و پاسخ را به درخواست کننده ارسال نمايد.
اين سرويس از ميان­افزار هسته­اي گريد وظيفه دارد عمليات برقراري ارتباط جهت ارسال و دريافت پيام، عمليات همگام سازي ارتباطات، انتقال داده­ها، عمليات ضبط و نگهداري وقايع را انجام داده و امکان مشاهده و پيگيري درخواستها و وقايع را فراهم نمايد.

2.3.1. تخصيص منابع
در يک تعريف خيلي ساده محاسبات گريد عبارتست از استفاده از چندين منبع کامپيوتري مثل کامپيوتر، داده، I/O، تجهيزات و غيره براي حل يک مسئله بزرگ به­طوري­که اين مسئله قابل انجام توسط يک منبع تکي نباشد[5].
همانطور که مي­دانيم در محيط يک کامپيوتر تک که از منابع محلي براي اجراي برنامه­ها استفاده مي­کند هنگام اجراي يک برنامه بايد منابع کامپيوتر مثل حافظه، پردازنده، منابع ذخيره سازي داده، ورودي-خروجي و... در اختيار آن قرار گرفته (به آن تخصيص داده شده ) و اين منابع مديريت شوند. مثل مديريت حافظه.
در محيط گريد نيز وقتي يک برنامه مي­خواهد اجرا شود بايد منابع مورد نيازش را در اختيار گيرد. به­عنوان مثال يک برنامه ممکن است به 400 پردازنده براي اجرا نياز داشته باشد. درواقع بايد سيستم مجموعه­اي از منابع را به­طور همزمان در اختيار يک نرم­افزار کاربردي قرار داده و آنها را مديريت نمايد. مسلما مديريت منابع در اين حالت با حالت کامپيوتر تک متفاوت است. چرا که مجموعه­اي از تجهيزات و منابع بايد باهم همکاري کنند و به­طور همزمان در اختيار برنامه قرار گيرند. وظيفه اين سرويس, تخصيص منابع مورد نياز يک برنامه جهت اجرا در محيط گريد و مديريت اين منابع مي­باشد.
تخصيص منابع توسط اين سرويس در سه فاز بصورت زير مي­تواند انجام شود.
- فاز تخصيص : که در آن منابع کامپيوتري مورد نياز را در اختيار گرفته و اشياي مختلف مورد نياز ايجاد مي­شوند.
- فاز پيکربندي : که در آن نرم­افزار کاربردي مورد نظر مقدار دهي و آماده اجرا مي­شود.
- فاز کنترل و پيگيري : که در حين اجراي برنامه انجام مي­شود. دراين فاز عمليات کنترل تجهيزات و منابع تخصيصي و نمايش اطلاعات مورد نياز برنامه در حال اجرا انجام مي­شود.

3.3.1. دسترسي به منابع ذخيره سازي
در محيط گريد برخي از برنامه­ها با حجم وسيعي از اطلاعات سر و کار دارند که بايستي اولا بتوانند منابع لازم جهت ذخيره سازي اين اطلاعات را در محيط گريد در دسترس داشته باشند و ثانيا در مواقع نياز بتوانند به اين اطلاعات دسترسي پيدا کنند. همان­طور که قبلا نيز اشاره شد يکي از ضروريات محيط گريد ايجاد يک محيط يکنواخت و شفاف براي کاربرها و نرم­افزار­هاي کاربردي است يعني نرم­افزار­هاي کاربردي بايد شبيه به منابع محلي خود به اطلاعات مورد نياز خود دسترسي پيدا کنند.
وظيفه اين سرويس پديد آوردن امکاناتي جهت رسيدن به اين هدف است. يکي از ابزارهاي مناسبي که در اين بخش استفاده مي­شود يک ميان­افزار به­نام فروشنده منابع گريد[3] است که اين ميان­افزار امکاناتي را فراهم مي­کند تا نرم­افزار­هاي کاربردي بتوانند به سادگي به اطلاعات مورد نياز خود که درون منابع ذخيره سازي مختلف در سطح گريد ذخيره شده اند، دسترسي پيدا کنند.
فروشنده منابع گريد به طور خلاصه سه وظيفه­ي مهم جمع­آوري و مديريت فايل­ها, مديريت دادگان و کنترل دسترسي فايل­ها و دادگان را به عهده دارد.

4.3.1.کشف و ثبت منابع
در محيط گريد سرويس تخصيص منابع که زمان­بندي را انجام مي­دهد, نياز دارد بداند که در حال حاضر چه امکاناتي از محيط را مي­تواند رزرو کرده و به برنامه­ها تخصيص دهد. اين سرويس که سرويس­هاي اطلاعاتي را در محيط انجام مي­دهد، وظيفه دارد در محيط گريد به جستجو پرداخته و اطلاعات به روز از منابع موجود مانند اطلاعات مربوط به افراد، نرم­افزارها، سرويس­ها، شبکه و سخت­افزارهاي فعال قابل استفاده و به­طور کلي موجوديت­هاي محيط را جمع آوري و نگهداري نمايد. اين سرويس به نوعي عمليات سرويس پوشه­ها [4]و نام دهي[5] را در محيط انجام مي­دهد.




[1] Scheduling

[2] Performance

[3] Storage Resource Broker(SRB)

[4] Directory service

[5] Naming

[آبجی]

5.3.1. امنيت
به­طور کلي در محيط شبکه که اطلاعات به­ صورت اشتراکي در اختيار قرار مي­گيرد مسئله تامين امنيت موضوعي است که بايد در نظر گرفته شود. در گريد تجهيزات و منابع زيادي مانند کامپيوترهاي گران قيمت، تجهيزات حساس و باارزش و اطلاعات محرمانه­اي وجود دارند که بايد در برابر دسترسي­هاي غير مجاز محافظت شوند.
حتي در محيط­هايي که احتمال خرابکاري وجود ندارد نيز بايستي اين مسئله مد نظر قرار گيرد. چرا که ممکن است دسترسي به اطلاعات غير مجاز و يا انجام عمليات مخرب بصورت نا خواسته توسط کاربران يا نرم­افزار­هاي کاربردي انجام شود. اين سرويس ميان­افزار هسته اي, وظيفه ايجاد امنيت براي استفاده از منابع موجود را برعهده دارد.
به هر حال دسترسي و استفاده از منابع با يک درخواست از طرف کامپيوتر مبدا انجام مي­شود اين درخواست ممکن است مربوط به يک کاربر، يک منبع و يا يک پردازه باشد. ارتباط اين درخواست­ها با منابع مي­تواند بصورت منبع به کاربر، کاربر به منبع، پردازه به منبع و پردازه به پردازه باشد که سيستم بايد اطلاعات کاملي از هر جفت از موارد فوق مربوط به محيط گريد در اختيار داشته باشد تا با استفاده از آنها مشخص کند که آيا يک درخواست مجاز هست به يک منبع خاص دسترسي داشته باشد يا خير.
اين سرويس براي ايجاد امنيت در سطح گريد از يک معماري دوسطحي استفاده مي­کند.
در سطح اول مسائلي مانند تعيين هويت، کنترل دسترسي­ها، جامعيت، مجوز و رمزگشايي انجام مي­شود و درسطح دوم پيگيري در حال اجراي پردازه­ها انجام مي­شود تا از انجام هرگونه عمليات مخرب جلوگيري شود.
به­طور کلي وظايف اين سرويس را مي­توان بصورت زير خلاصه نمود:
- تعيين هويت
براي تعيين هويت کاربر­هاست تا مشخص شود که معتبر هستند يا خير.
- مجوز
براي اطمينان از اينکه کاربرهاي مجاز تنها به منابع مشخص شده براي آنها دسترسي پيدا مي­کنند.
- جانشيني
براي اينکه به سيستم اجازه داده شود تا بتواند مجموعه­اي از عمليات را براي يک کاربر که هنوز در سيستم معرفي نشده انجام دهد.
- تک ورود
سيستم بايد اين امکان را داشته باشد که وقتي يک کاربر يک بار براي استفاده از يک منبع وارد سيستم شد براي استفاده از منابع ديگر که از نظر مجوزهاي استفاده شبيه به اين منبع هستند، نياز به ورود مجدد نباشد.
- ارتباط امن
براي ضمانت کردن جامعيت و محرمانگي در ارتباطات.

6.3.1.کيفيت سرويس
برخي از نرم­افزارهاي کاربردي گريد طوري هستند که براي دريافت سرويس يا به عبارت ديگر براي اجرا شدن نياز دارند که سرويس­هاي ارائه شده در محيط با محدوديت­ها و معيارهاي خاصي ارائه شوند. به عنوان مثال يک برنامه بلادرنگ[1] نياز دارد که منابع مورد نيازش حتما در محدوده زماني مشخص به آن تخصيص داده شده و سرويس­ها بتوانند در زمان مشخص سرويس خود را ارائه کنند و يا برنامه ديگري ممکن است نياز داشته باشد که سطح خاصي از پوشيدگي مربوط به عملکرد آن در حين اجرا در اختيارش قرار گيرد.
در مورد اطلاعات پيوسته مانند چند رسانه­اي­ها هم مسئله کيفيت سرويس مطرح مي­شود و سيستم بايد بتواند اطلاعات چند رسانه­اي را که ترکيب صدا و تصوير هستند با کيفيت قابل قبول ارسال و دريافت نمايد. مثلا تصوير دريافتي بايد با صدا هماهنگ باشد. وجود مسائلي از اين قبيل باعث مي­شود که سيستم تمهيداتي را براي ارائه سرويس­هاي مورد نظر در نظر بگيرد.
فاکتورهاي کيفيت سرويس براي منابع مختلف متفاوت است. مثلا در مورد پردازنده درصد بکارگيري آن مطرح است. در مورد منابع ذخيره سازي اطلاعات و ديسک­ها، ظرفيت در مورد منابع شبکه سرعت انتقال اطلاعات و غيره مطرح است.
در محيط گريد يک نرم­افزار کاربردي بايد فاکتورها و پارامترهاي کيفيت سرويس را در مورد منابع مورد نياز مشخص کند. بعد از آن سرويس کنترل کيفيت از عمليات زير براي ارائه سرويس استفاده مي­کند.
رزرو کردن منابع
سيستم بايد با استفاده از مکانيزمي به سرعت منابع مورد نياز را براي يک نرم­افزار کاربردي خاص رزرو نمايد به­خصوص در مورد منابع کمياب در محيط گريد.

- سياست­هاي رزرو
سيستم بايد با استفاده از مکانيزمي محدوديت­ها و سياست­هاي اعمال شده روي منابع از طرف مالک آنها را در نظر بگيرد. اين محدوديت­ها مشخص مي­کنند که چه کسي، چه وقت و چگونه مي­تواند به منابع اين دامنه دسترسي داشته باشد. سيستم با استفاده از اين اطلاعات و محدوديت­هاي کيفيت سرويس موجود مي­تواند منبع مناسب را رزرو نمايد.
- پروتکل مورد توافق
سيستم بايد اين اطمينان را به­ وجود بياورد که کيفيت سرويس ارائه شده به يک مشتري در طول زمان سرويس دهي همان است که وي انتظار آن را داشته و سيستم با استفاده از اين پروتکل اين کار را انجام مي­دهد.

- امنيت
سيستم بايد از ورود کاربران غير مجاز جلوگيري کرده و سياست­هايي براي جلوگيري از اعمال تغييرات در مخازن داده­اي که حاوي اطلاعات تجهيزات رزرو شده، سياست­ها و اطلاعات پروتکل مورد توافق است در نظر بگيرد.

- سادگي کيفيت سرويس

اعمال سياست­هاي کيفيت سرويس براي يک پردازه بايد حتي الامکان طوري انجام شود که در صورتي­که امکان ارتقاي فاکتورهاي کيفيت سرويس وجود داشت، اين کار با حداقل تغييرات ممکن صورت گيرد. هرچند که در عمل اين کار بسيار مشکل است. به دليل اينکه نياز به پيش­بيني وضعيت آينده سيستم دارد.
- مقياس پذيري
روش انتخاب شده براي کيفيت سرويس بايد طوري باشد که بتوان از آن براي تعداد زيادي از موجوديتهاي محيط گريد استفاده نمود.


[1] Real Time

[آبجی]

4.1. تعريف سازمان­هاي مجازي چهار سناريوي زير را در نظر بگيريد


يک شرکت قصد تصميم گيري درباره­ي ساخت يک کارخانه­ي جديد را داشته که نياز به پيش بيني­هاي مالي بسيار مهمي دارد. اين پيش بيني­ها بر اساس سابقه­هاي ثبت شده در پايگاه­هاي داده­ي نا متمرکز شرکت انجام خواهند پذيرفت.
يک ائتلاف صنعتي سعي در انجام مطالعات امکان سنجي پروژه­اي را دارد که طراحي­هاي نسل آينده­ي هواپيما­ها را انجام خواهد داد. مسلما چنين طراحي نياز به محاسبات پيچيده, دقيق و شبيه­سازي­هاي گوناگوني دارد.
يک تيم مديريت بحران براي بررسي باران­هاي شيميايي نياز به محاسبه نحوه و ميزان گسترش محدوده­ي فاجعه با استفاده از آب و هواي محلي و خاک دارد. همچنين بايد خسارات احتمالي محاسبه شده و تدابير امنيتي لازم انديشيده شود و مقدار تجهيزات لازم براي مقابله با آن تعيين شود تا کمترين خسارت به محدوده وارد شود.
هزاران فيزيکدان در آزمايشگاه­ها و دانشگاه­هاي خود از سراسر دنيا گردهم آمده اند تا با استفاده از حجم­هاي بسيار بالاي داده مدلي براي سيارات و ستارگان جهان طراحي کنند.


اين مثال­ها از جنبه­هاي بسياري با هم متفاوت هستند: تعداد و انواع کاربران شرکت کننده در عمليات, انواع فعاليت­ها, مقياس و محدوده­ي فعل و انفعالات و منابع مشترک. اما در بسياري از نقاط هم اشتراک دارند همان طور که در ادامه توضيح داده مي­شود(شکل 3).
در همه­ي اين حالات تعدادي شرکت کننده­ي غير قابل اعتماد مقداري از منابع خود را به اشتراک مي­گذارند تا وظيفه­اي را انجام دهد. اما به اشتراک گذاشتن فقط به معني استفاده از اطلاعات يکديگر نيست بلکه گاهي اوقات معني استفاده مستقيم از منبع و در اختيار گرفتن کنترل آن به طور کامل مي­باشد.
به اشتراک گذاشتن منابع شرطي است؛ به اين معني که هر فرد موقعي که يک منبع را به اشتراک مي­گذارد مشخص مي­نمايد که اين منبع در چه مواقعي و چه مکاني قابل استفاده است و چه کاري مي­تواند انجام دهد. براي مثال يک شرکت کننده در سازمان مجازي P در شکل 3 مي­تواند به ساير شرکت کنندگان همان سازمان مجازي اجازه دهد که فقط مسائل ساده را بر روي رايانه­ي وي اجرا کنند. مصرف کنندگان نيز مي­توانند بر روي منابعي که مي­خواهند در اختيار بگيرند محدوديت قرار دهند, براي مثال شرکت کننده­اي در سازمان مجازي Q درخواست داده­هايي را ميکند که فقط با عنوان امن تاييد شده باشند. که البته قرار دادن چنين محدوديت­هايي مستلزم تعريف کردن قراردادهايي به عنوان اصول امنيت مي­باشد.

به اشتراک گذاشتن منابع مي­تواند حالت پويا داشته باشد و طي دوره­هاي زماني تغيير يابد. شرکت کنندگان و به تبع آن منابعي که به آنها اختصاص يافته مي­توانند حذف شوند, يا به محيط اضافه شوند يا دسترسي­هاي آنها تغيير يابد.
روابط بين منابع مشترک هميشه به صورت مشتري-مجري نيست بلکه گاهي مي­تواند همرده[1] باشد يعني جاي مشتري و مجري به تناوب تغيير يابد. اين به اشتراک گذاشتن منابع مي­تواند در هر زير مجموعه­اي از شبکه قرار بگيرد و بين تعداد خاصي از منابع به وقوع افتد.
اين روابط مي­توانند با هم ترکيب شوند تا در رسيدن به هدف خاصي همکاري­هاي لازم را به انجام رسانند. منابع مورد استفاده مي­توانند متعلق به سازمان­هاي متفاوتي باشند که توسط يکديگر استفاده مي­شوند.
يک منبع ثابت مي­تواند بسته به محدوديت­هايي که بر رويش قرار مي­گيرد و هدف از پيش تعيين شده با روش­هاي مختلفي استفاده گردد. براي مثال يک رايانه مي­تواند فقط براي اجراي قسمت خاصي از يک نرم­افزار به اشتراک گذاشته شود, در حالي که در حالت ديگري مي­تواند به مديريت يک پروژه­ي بزرگ اختصاص يابد. به خاطر عدم وجود اطلاعات قبلي درباره­ي نحوه­ي استفاده از يک منبع, مقدار کارايي, انتظارات و محدوديت­ها (که کلا به نام کيفيت سرويس معروف هستند) بايد جزيي از شرايطي باشند که براي يک منبع و يا نحوه­ي استفاده از آن در نظر گرفته مي­شود.

اين مشخصه­ها و نيازمندي­ها چيزي را تعريف مي­کنند که به آن سازمان مجازي مي­گوييم, مفهومي که به اعتقاد ما يکي از کليدي ترين مفاهيم موجود در گريد خواهد بود. سازمان­هاي مجازي به گروه­هاي مختلف سازماني يا اشخاص اجازه خواهد داد که منابع خود را در يک روند کنترل شده به اشتراک گذارند.


[1] Peer-to-peer

[آبجی]

5.1. ارتباط گريد با ساير تکنولوژي­ها
مفهوم به اشتراک گذاري پويا و کنترل شده در داخل سازمان­هاي مجازي بسيار پايه­اي است به طوري که ما مي­توانيم تصور کنيم که تکنولوژي­هاي مانند گريد بايد هم اکنون به صورت گسترده­اي نصب شده باشند. در عمل ما مي­بينيم که فقط تعداد کم و ناکافي راه حل براي مشکلات سازمان­هاي مجازي وجود دارد. به طور خلاصه, راه حل­هاي موجود براي سيستم­هاي توزيع شده نمي­توانند يک چارچوب مناسب و کلي پديد آورند که تمام نيازمندي­هاي سازمان­هاي مجازي براي به اشتراک گذاري منابع را پاسخ دهد. تکنولوژي­هاي گريد با فراهم سازي چنين راه حل کلي خود را از ساير تکنولوژي­ها متمايز کرده اند. در زير تکنولوژي­هايي که گريد مي­تواند براي رسيدن به هدف خود از آنها استفاده کند ذکر شده است.

1.5.1. سرويس جهاني وب
تکنولوژي­هاي وب به خاطر گستردگي و مقبوليت عام گزينه­ي مناسبي براي استفاده در گريد و حل مشکلات سازمان­هاي مجازي مي­باشند. به همين خاطر مي­توان از آنها در ساخت بستر براي سازمان­هاي مجازي استفاده کرد. با وجود اينکه اين فن آوري مدلي بسيار قوي براي استفاده در سيستم­هاي مجري-مشتري است, که هم در وب و هم در گريد کاربرد دارد, فاقد مشخصه­هاي قدرتمند تري هستند که براي ساخت سازمان­هاي مجازي نياز است. براي مثال مرورگر­هاي وب براي تاييد اعتبار کاربران عموما از TLS[1] استفاده مي­کنند و نمي­توانند سيستم تک وروده[2] يا جانشيني[3] را پشتيباني کنند.
بدين منظور بايد گام­هايي برداشته شود تا گريد و وب را با همديگر مجتمع سازد. براي مثال GSI[4] که خود مدل توسعه يافته­اي از TLS است قابليت تک وروده را پشتيباني مي­کند و اگر بتواند با وب مجتمع شود مي­تواند اين قابليت را به وب اضافه نمايد. همين طور اگر GSI قابليت جانشيني خود را به وب بيافزايد, وب ابزار بسيار مناسبي خواهد بود تا به عنوان درگاه سازمان­هاي مجازي مورد استفاده قرار گيرد تا واسطه­هاي بسيار کم حجم و کوچکي را بر روي نرم­افزار­هاي کاربردي حجيم قرار دهد.

2.5.1. فراهم کنندگان سرويس­هاي ذخيره سازي اطلاعات و نرم­افزارهاي کاربردي
فراهم کنندگان سرويس­هاي نرم­افزارهاي کاربردي و سرويس­هاي ذخيره سازي و ساير شرکت­هاي ميزباني مشابه, پيشنهاد مي­دهند که بعضي از نرم­افزارهاي کاربردي مهندسي و تجاري و نيز فضاي ذخيره سازي را به صورت اجاره­اي در اختيار مشتري­ها قرار دهند. مشتري و فروشنده بر روي سطح سرويس و نوع سخت­افزار و نرم­افزار مورد نظر به توافق مي­رسند. همچنين سطحي از امنيت که بايد توسط سرويس دهنده تضمين شود مشخص مي­شود.
مجتمع سازي تکنولوژي گريد با اين سرويس دهنده­ها محدوده­اي وسيع تر و غني تر از امکانات به­وجود مي­آورد. براي مثال, سرويس­ها و پروتکل­هاي استاندارد گريد مي­توانند براي جداسازي سخت­افزار و نرم­افزار از يکديگر به کار روند. يک مشتري مي­تواند با يک سرويس دهنده به توافق رسيده و منبعي را با مشخصات لازم در اختيار گرفته, سپس آن را در شبکه قرار دهد. در اين صورت منبعي که توسط اين سرويس دهنده در اختيار مشتري قرار گرفته, بر طبق پروتکل­هاي گريد و تحت امنيت پروتکل­هاي گريد به اشتراک گذاشته مي­شود.

3.5.1. سيستم­هاي محاسباتي حرفه اي
تکنولوژي­هاي توسعه نرم­افزاري مثل CORBA,EJB[5],J2EE [6] و DCOM سيستم­هايي هستند که براي ساخت نرم­افزارهاي توزيع شده طراحي شده­اند. آنها مي­توانند واسطه­هاي استانداردي براي منابع تعريف کنند, متدها را از راه دور صدا بزنند(RMI) و منابع را در داخل يک سازمان خاص به اشتراک گذارند. هرچند که هيچ کدام از اين­ها جزو نيازمندي­هايي که از قبل براي سازمان­هاي مجازي تعريف کرديم نيستند. ولي در پياده سازي گريد مي­توان از آنها استفاده کرد. براي مثال در CORBA مي­توانيم يک شئي پياده سازي کنيم که با استفاده از GSI عمليات برقراري امنيت بين سازمان­ها را مديريت کند. مي­توانيم شيئي بسازيم که با منابع موجود در گريد به تبادل اطلاعات پرداخته تا کنترل يک يا چند منبع را در داخل يک سازمان مجازي بر عهده بگيرد.
در تمام اين حالات استفاده از پروتکل­هاي گريد قابليت­هاي توسعه يافته­اي را در اختيار قرار مي­دهد (مثل امنيت بين واحدهاي سازماني مختلف) و امکان برقراري ارتباط با ديگر تکنولوژي­ها (غير از CORBA) فراهم مي­آورد.

4.5.1. محاسبات همرده و اينترنت
محاسبات همرده (همان طور که در نرم­افزارهايي مثل Napster و Gnutella وجود دارد) و محاسبات اينترنتي(مثل سيستم­هاي Entropia) نمونه­هاي عمومي تري از سيستم­هاي کلاسيک مشتري-مجري هستند. امکاناتي از قبيل به اشتراک گذاري و ساختار محاسباتي موجود در اين نرم­افزار­ها بسيار به آنچه که ما در گريد بدان نيازمنديم نزديک است.
در عمل, تمرکز بر روي اين دو محدوده هيچ همپوشاني مهمي با يکديگر ندارد و دليل اين اتفاق اين است که توسعه دهندگان اين سيستم­ها بيشتر سعي داشتند راه حل­هايي پيدا کنند که پروتکل­هايي را براي نرم­افزار خود پديد آورند نه اينکه يک پروتکل عمومي پديد آورند که به وسيله­ي ساير نرم­افزار­ها نيز مورد استفاده واقع شود.
همان طور که اين نرم­افزارهاي کاربردي پيچيده تر و احتياج به همکاري بين منابع روشن تر مي­شود, همگرايي بيشتري بين محاسبات همرده, اينترنت و گريد به وجود مي­آيد.

[1] Transport Layer Security

[2] Single Sign-on

[3] Delegation

[4] Grid Security Infrastructure

[5] Enterprise Java Beans

[6] Java 2 Enterprise Edition

[آبجی]

6.1. OGSA[1]
اين معماري, تکنولوژي گريدرا به صورت مجموعه­اي از سرويس­هاي گريد (GS) نشان مي­دهد که خود براي اينکه نيازمندي­هاي گريد را برطرف کند, يک نمونه­ي توسعه يافته از وب سرويس است. دليل اصلي توسعه­ي سرويس وب به سرويس گريد مديريت حالات مختلف, هويت شناسي[2], جلسه­ها[3] و سيکل­هاي حيات آنها مي­باشد.
چنين چارچوبي بايد نيازمندي­هاي سازمان­هاي مجازي و گريد را به طور کامل برطرف کند. براي مثال بايد قابليت جابجايي و همکاري منابع ناهمگون را فراهم آورد. همچنين بايد سرويس­هاي متداول نظير اعتبارسنجي و تبادل داده را انجام دهد.
در واقع OGSA محصول ترکيب معماري انعطاف پذير و جامعيت پوياي سرويس­هاي وب و معماري مقياس پذير و توزيع شده­ي گريد است. در ادامه به بررسي سرويس­هاي وب و OGSA خواهيم پرداخت.
1.6.1. سرويس­هاي وب
سرويس­هاي وب معماري مجتمعي هستند که طراحي شده اند تا به سيستم­هاي اطلاعاتي که به صورت مستقل اجرا مي­شوند اجازه دهند که با يکديگر تبادل اطلاعات داشته باشند. تعريف آنها در استانداردهاي W3C به طور کامل بيان شده است و شرکت­هاي بزرگي مثل IBM, Oracle و Microsoft به طور فعال بر آن نظارت دارند.
تعريف سرويس وب به اين صورت مي­باشد:
"وب سرويس يک بستر و يک بخش نرم­افزار مستقل از پياده سازي است که مي­تواند
· به وسيله­ي زبان توصيف سرويس تعريف شود
· توسط بخش ثبت سرويس­ها ثبت شود.
· از طريق يک مکانيزم استاندارد درک و فهميده شود(هنگام اجرا يا طراحي)
· از طريق يک واسط برنامه نويسي نرم­افزاري(API) و معمولا بر روي شبکه فراخواني شود.
· با ساير سرويس­ها ترکيب شود"[8]

سرويس­هاي وب به دو دليل براي ما حائز اهميت است:
1. وظيفه­ي آنها در متصل کردن چند منبع اطلاعاتي به هم ديگر مشابه چيزي است که ما در گريد به آن نياز داريم. اين به هم پيوستگي براي بسياري از سيستم­هايي که قصد استفاده از بسته­ها و اجزاي مختلف را دارند اهميت ويژه­اي دارد.
2. پشتيباني شرکت­هاي مختلف از استاندارد­هاي سرويس­هاي وب, زبان­هاي توصيفي, بسترها و ابزارهاي توسعه­ي نرم­افزاري زيادي را در اختيار قرار مي­دهد. اين امکانات با در اختيار قرار دادن يک چارچوب استاندارد براي توصيف و ترکيب کردن سرويس­هاي وب و سرويس­هاي گريد به سرويس­هاي گريد اجازه توسعه­ي سريع را مي­دهد.
يکي از مشخصه­هاي مهم سرويس­هاي وب وجود زبان­هايي است که براي توصيف جنبه­هاي مختلف بخش­هايي است که بايد با هم مجتمع شوند و اين زبان کاملا مستقل از پياده سازي و تکنولوژي­هاي محيط است. اين زبان­ها به طور کلي به وسيله­ي XML Schema پياده سازي مي­شوند. براي مثال WSDL[4] براي توصيف وظايف و واسطه­هاي سرويس­هاي وب به کار مي­رود وWSIL[5] براي پشتيباني سيستم­هاي ساده ثبت و بازيابي سرويس­ها به کار مي­رود. درحال حاضر تعداد بسياري پيشنهاد براي بازنگري اين زبان وجود دارد تا امکاناتي مثل کيفيت سرويس, وضعيت سرويس و انواع داده پيچيده تري را به اين زبان اضافه گردد.

2.6.1.سرويس OGSA
سيستمي که بر اساس OGSA طراحي مي­شود ترکيبي از سرويس­­هاي گريد خواهد بود. هر سرويس گريد يک سرويس وب است که به وسيله WSDL تعريف مي­شود. نمونه­هاي توسعه يافته­اي از WSDL در حال تعريف شدن هستند تا مشخصه­هاي خاص گريد را به اين زبان بيافزايند. اين نسخه توسعه يافته­ي WSDL به نامGSDL [6] معروف است.
يک سرويس گريد بايد واسطه­هاي معيني را پياده سازي کند, سيکل حيات مشخصي داشته باشد و در اين سيکل حيات به وسيله­ي GSH[7] به طور يکتا قابل شناسايي باشد. مديريت سيکل حيات شامل يک مدل مرحله­اي است تا بتواند بر روي ملزومات سيستم محدوديت قرار دهد, هنگامي که اختلال جزيي[8] در سيستم رخ دهد از بروز نابودي داده­هاي دائمي جلوگيري کند و استقلال سيستم را تضمين کند.
يک سرويس گريد ممکن است که بعضي از مشخصه­هاي خود را از طريق عناصر داده سرويس (SDE) به نمايش گذارد. اين عناصر داده سرويس مي­توانند ايستا يا پويا باشند. آنهايي که ايستا هستند در طول سيکل حيات سرويس گريد ثابت مي­مانند. اطلاعات اين عناصر داده سرويس با استفاده از WSDL قابل فهم خواهد بود. آنهايي که پويا هستند براي نمايش وضعيت سرويس گريد به کار مي­روند. از اين عناصر داده سرويس معمولا براي آناليز سرويس­هاي گريد استفاده مي­کنند. براي مثال با استفاده از ابزارهاي خاصي کارايي سرويس, شناسايي خطاهاي پيش آمده و آناليز پيشرفت سرويس, محاسبه و تعيين مي­شود. عناصر داده سرويس با استفاده از XML Schema پياده مي­شوند و به سادگي قابل پرس و جو[9] مي­باشند.
در عناصر داده سرويس مکانيزم­هاي اخطار يک رويداد[10], ثبت و انتشار پشتيباني شده است و توابعي که در واسطه­هاي عناصر داده سرويس وجود دارند فقط اعتبار سنجي و ثبت و درک سرويس­ها مي­باشد.

3.6.1. تاريخچه OGSA
نويسندگان OGSA انتظار داشتند که اولين پياده سازي OGSA که بر روي Globus Toolkit 3 صورت گرفت تمام نيازمندي­هاي اين نرم­افزار را برطرف کند و تمام امکاناتي را که Globus Toolkit 2 فراهم کرده بود را نيز داشته باشد و در واقع نيز OGSA فرصت خوب و مناسبي براي طراحي دوباره تکنولوژيGlobus بود. اگر چه اين روش بسيار مفيد خواهد بود ولي تغييرات زيادي بايد از نظر معنايي در سيستم داده شود.
به خاطر اينکه سرمايه گذاري­هاي بسياري بر روي گريد­هاي قديمي انجام شده بود, به وجود آوردن يک تغيير اساسي در ساختار گريد باعث ايجاد نگراني در ميان اين شرکت­ها گشت. به همين دليل بايد نيرويي آنها را وادار مي­کرد که از اين تکنولوژي جديد استفاده کنند و آن را به عنوان پايه براي تکنولوژي­هاي بعد گريد در نظر گيرند. بحث بر پذيرفتن OGSA به عنوان پايه­ي تکنولوژي­هاي آينده­ي گريد به سه فاکتور اساسي وابسته مي­باشد: سياسي, بازرگاني و تکنولوژيکي.
از نظر سياسي, براي اينکه اين تکنولوژي فراگير باشد, کيفيت سرويس بالايي داشته باشد و تمام شرکت­هايي که بر روي گريد کار مي­کنند از اين استاندارد استفاده کنند, موسسه­ي eScience وظيفه­اي را بر عهده گرفت که شرکت­هاي مختلف را از لحاظ قانوني مجبور کند که اين استاندارد را رعايت کنند و در صورت تخلف مورد پي گرد قرار گيرند.
از نظر بازرگاني, ابزارهاي برنامه نويسي و يک بستر مناسب براي گريد در حال حاضر وجود ندارد و اين امر به اين دليل است که منابع موسسه­ي eScience در برابر تقاضاي بسيار زياد براي يک بستر کامل و استاندارد گريد ضعيف و اندک است. از آنجايي که ساخت چنين بستري به نيروي کار بالا و هزينه­هاي سنگين وابسته است شرکت­هاي تجاري مختلفي سعي در پشتيباني مالي اين پروژه دارند تا يک بستر استاندارد براي گريد پديد آيد.

از نظر تکنولوژيکي, OGSA به طور وسيعي به مهندسي نرم­افزار وابسته است. در حال حاضر بسته­هاي نرم­افزاري که براي گريد وجود دارد عموما زياد ساخت يافته نيستند و توسعه دهندگان اين سيستم­ها را دچار سردرگمي مي­کنند. اين عدم وجود ساختار منظم باعث افزايش هزينه نگهداري و توسعه­ي بستر گريد مي­شود.
به هر حال با تعريف GSDL­ها و استفاده­ي برنامه نويسان از آنها به گونه­اي اين مشکل کمتر احساس مي­شود و زبان استانداردي براي توسعه دهندگان پديد آمده است.






4.6.1. چالش­هاي پيش روي OGSA
براي اينکه استاندارد­هاي OGSA تامين شوند چالش­هاي زيادي وجود دارد. رسيدن به استانداردهايي که در تمام نقاط دنيا پذيرفته باشند براي مجتمع کردن سرويس­هاي وب و گريد يکي از واضح ترين و مهم ترين چالش­ها است. ما در اين قسمت بر روي مشکلات فني تر تمرکز خواهيم کرد.
· انواع ابتدايي[11] مختلف که براي نرم­افزارهاي کاربردي علمي استفاده مي­شوند بايد در يک XML Schema تعريف شده و به وسيله­ي تمام گريد­هاي تعريف شده در دنيا مورد قبول واقع شوند, در غير اين صورت هر شبکه­اي از استاندارد­هاي خود استفاده کرده و هماهنگ کردن آنها مقدور نخواهد بود.
· دقت زيادي در تعريف GSDL­ها بايد وجود داشته باشد تا اين سرويس­ها به صورت جامع و مانع تعريف شده و نيز استفاده­هاي فزاينده­ي آينده از اين زبان را نيز پشتيباني کند.
· بستر­هاي استانداردي نياز است که بر روي آنها سرويس­هاي گريد و نرم­افزارهاي کاربردي پياده شوند.
· بستري براي اعلان خطا­هاي سيستم(شامل کشف خطا, گزارش آن, نحوه برطرف کردن خطاهاي جزيي و غيره) و پاسخ گويي به آنها بايد ايجاد شود.
· بستري براي مديريت و توسعه. اين بستر امکاناتي را در اختيار قرار خواهد داد تا به وسيله آن­ها رفتار گريد را مديريت کرده و نيز توانايي افزودن,حذف و ويرايش سرويس­هاي گريد را به صورت پويا داشته باشيم.
· سرويس­هاي هماهنگ کننده­اي بايد پياده سازي شوند که بتوانند سرويس­هاي مختلف گريد را با يکديگر هماهنگ کنند.
· روش­هاي تست يکي از اساسي ترين نياز­هايي هستند که به عنوان معيارهايي از کارايي گريد بايد تعريف شده و پياده سازي شوند.
· پشتيباني از گريد­هاي متحرک[12] که به طور نا پيوسته به شبکه متصل مي­شوند و نوعي تبادل اطلاعات نامعتبر(به دليل وجود ارتباط غير قابل اطمينان) دارند يکي ديگر از چالش­هاي پيش روي گريد است.

در حال حاضر اين چالش­ها در برابر معماري کلاسيک گريد قرار دارند که گروه­هاي فعال در مجمع گريدهاي عمومي[13] آنها را در نظر دارند. OGSA يک چهارچوب مناسب را فراهم مي­کند که اين چالش­ها را مورد توجه قرار داده است. براي مثال واسط­هايي را در اختيار قرار مي­دهد تا بتوان GSDL­ها را تعريف کرد.

[1] Open Grid Services Architecture

[2] Identification

[3] Sessions

[4] Web Service Description Language

[5] Web Services Inspection Language

[6] Grid Services Description Language

[7] Grid Service Handle

[8] Partial Failure

[9] Query

[10] Event Notification

[11] primitive

[12] mobile

[13] Global Grid Forum