光子网格技术及应用

4光子网格研究进展

目前，国内外相关机构已在光子网格领域开展了一系列研究工作，具有代表性的研究计划或项目包括：

·美国的OptiPuter项目[4]，它通过多个波长来互连计算机集群系统、可视化及协同操作工具，并通过扩展的GMPLS协议及接口实现对光网络的控制；

·由日本和美国合作研究的G-lambda项目[5]，其目的是在网格资源调度器（gridresourcescheduler，GRS)和网络资源管理（network resource management，NRM）系统之间建立一个标准的Web服务接口(GNS-WSI)，以保证GRS和NRM之间信息的协同交互，并在此基础上实现动态跨域连接的建立及相关应用；

·加拿大CA*net4研究网络的UCLP（usercontrolled lightpath）计划[6]，其目标是倡导"用户使能的网络"，旨在为用户提供动态分配网络资源的功能，授予用户更大的能力革新基于网络的应用；

·欧盟的Phosphorus项目[7]，其目的是设计和实现一种新的网络服务平面结构，以提供网格网络服务，实现对网络和非网络（计算、存储）资源的集成管理。

与此同时，国际标准化组织，如互联网工程任务组（IETF）、分布式管理任务组（DMTF）、开放网格论坛（OGF），就网格计算的网络应用和编程环境、体系结构、数据管理、信息系统和性能、P2P、调度和资源管理以及安全等问题开展了一系列研究。OGF的网格高性能网络（gridhighperformancenetwork，GHPN）研究组已提出多个协议草案，如面向网格的光网络基础结构（draft-ggf-ghpn-opticalnets-2）、网格基础结构的联网问题（draft-ggf-ghpn-netissues-4）、传送协议综述（draft-ggf-ghpn-transportsurvey-1）、网格网络服务的用例（draft-ggf-ghpn-netservices-usecases）和网格网络服务（draft-ggf-ghpn-netservices-2）以及网格光突发交换网络（draft-ggf-ghpn-GOBS）等。全球光网格论坛（GLIF）也在近期就光网络控制平面及网格网络接口技术启动了一系列的标准化研究工作。

此外，一些企业（如HP、IBM、Intel等）也在大力开展光子网格相关技术及应用研究（如云计算、云存储等），他们在世界各地正在投巨资建立数据中心，这些都对光子网格技术及应用起到了或多或少的推动作用。

中国也对光子网格技术给予了高度重视，国家"863"计划、国家自然科学基金已设立多个项目开展了相关技术的研究，目前一些重要的研究技术包括：光网络集成计算环境[8,9]、网格与网络资源协同调度[10,11]、光子网格容错技术等[12]。

目前常见的光子网格体系结构主要有：基于密集波分复用、暗光纤和低成本光交换机的波长网格；基于光突发交换网络（OBS）的网格；基于自动交换光网络（ASON）的网格。图1所示为典型的基于ASON的光子网格体系结构。

该体系结构框架分成3个层次。第1层为应用层，包括所有运行在光子网格上的分布式应用。第2层为服务层，是该体系结构的实体，包括工作流和网格中间件两个部分。工作流封装多种不同的应用业务并对外发布服务。网格中间件负责向下调度、封装资源，具有资源监控、资源发现、资源调度、容错及安全控制等多种功能。第3层为物理资源层，它分为两个部分:一部分为传统的网格信息资源，包括计算资源、存储资源、显示设备等；另一部分为光子网格特有的资源，包括端口资源、节点资源、链路带宽资源、光路资源等。

其基本工作流程为：首先，服务层通过相关接口获取物理资源层的相关信息；当服务层接收到应用层的用户请求时，它调用资源管理和调度模块，将计算、存储、显示等任务分配至不同的可用资源上，当需要进行数据传送时，调用光网络的控制平面，动态地建立光通道连接。通过上述步骤，可有效地实现资源的最优化利用并最大限度地满足用户的QoS需求。

5光子网格技术的应用

众所周知，E-science对很多领域的科研计划和产业发展起着至关重要的作用，例如：天文领域中的行星流体与磁流体动力学计算；新一代无毒、无污染运载火箭的计算和仿真；飞机设计中数值风洞、载荷疲劳计算；汽车制造中的虚拟制造、整车空气动力学设计；钢铁生产中钢板碰撞性能计算、钢管成型仿真分析；核反应堆堆芯热工水力分析、核反应堆保护和控制分析、核级设备应力分析与抗震力学分析等。在这些应用中，位于不同区域的用户需要共享数据资源、进行大规模协同计算和分析并实现大数据流的数据交互和传送。

一个典型的光子网格应用实例是欧洲原子能研究机构CERN开展的高能物理实验，它的目标是处理大型粒子对撞机源源不断产生的petabyte量级实验数据。这些数据的分析和处理超出了目前世界上任何一台超级计算机或集群系统的能力，因此，CERN计算机中心负责将这些数据通过高速网络分配给欧洲、北美、日本等国的区域中心，后者再将任务进一步分解到物理学家的桌面上，通过不同区域物理学家的计算和协同分析来共同完成相关实验。目前，已有位于世界60多个国家和地区的近万名科学家参加到该实验中，不同区域间采用的是10Gbit/s的光网络通道进行数据交互和传输。

另一个应用例子是实时甚长基线干涉测量法（electronic-verylongbaselineinterferometry，e-VLBI）应用。e-VLBI是采用网络将天文望远镜的观测数据实时传送到数据处理中心进行处理的射电干涉技术。它在航天器精密跟踪、航天测控、精密时间比对、深空观测、人造地球卫星、月球探测器、太阳系行星际探测器等领域均有重要的科学意义和实用价值。在下一代e-VLBI系统中，其观测站的射电望远镜的采样速率将达到10 Gbit/s，数据处理中心的数据汇聚速率将达到40 Gbit/s，数据需要从位于偏远地区的观测站通过超长距离的高速光网络实时传送至数据处理中心进行相关处理。面对上述应用需求，欧洲、美国、日本、韩国、澳大利亚等国的科学家正在开展一系列基于高速光网络的e-VLBI技术研究，如欧洲EXPRES研究计划和东亚e-VLBI研究计划。美国自然科学基金资助的GRAGON研究项目也针对e-VLBI应用就光通路动态建立、大文件数据传输等进行了相关研究及现场实验[13]。

光子网格可以突破E-science应用的网络瓶颈，使得高性能计算广泛应用成为现实，用户和用户之间、用户和高性能计算机之间可方便、实时地实现数据交换和信息互动，这些将加速用户的科研进程，促进相关产业的发展，给科研工作者及高性能计算资源的拥有者带来光明的前景。

光子网格可用来管理分布在各地的贵重仪器，通过提供远程访问仪器设备的手段，可提高仪器的利用率，大大方便用户的使用。同时，它还可以用于构造网络化虚拟现实环境，实现对高性能计算结果或数据库的可视化，使分布在各地的使用者能够在相同的虚拟空间协同工作。该环境可以广泛应用于交互式科学可视化、医疗、教育、训练、艺术、娱乐、工业设计、信息可视化等许多领域，如远程医疗、远程教学、虚拟历史博物馆、协同学习环境等。

从上述分析可以看出，光子网格具有广阔的应用前景。光子网格代表着光传送网发展的一个方向，体现了网络和业务应用融合的一个大趋势。光子网格技术及应用体系研究将有助于推动网格应用的发展和光网络技术的进步。可以预见，光子网格具有十分重要的理论研究价值和社会意义，同时有着广阔的市场应用前景，在经济建设和社会发展中将起着极为重要的作用。