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网格设备个性化本地安全操作系统研究

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网格设备个性化本地安全操作系统研究赵维(金陵科技学院南京210000)
摘要人们越来越清晰地认识到网格就是下一代软件技术,具有全方位的互联互通,强烈地表现出网格整体属性.指出网格是网格设备的集合,分析现有OS的缺点、构造rgOS,分析rgOS的优点.在网格应用开发过程分析中、提出概念模型过程,并指出是网格应用开发的基本过程.最后提出J语言、并分析其特点.
关键字网格网格设备网格应用开发rgOS vgOS J语言
1 引言网格(Grid)概念产生于90 年代中期,是从电力网(Power Grid)借鉴过来的,最终目的是希望人们能够象使用电力一样方便地使用分布在网络上强大而丰富的计算能力.作为目前越来越重要的计算机技术研究领域,网格是一种关系科研、经济,社会,国防的重要国家基础设施,在国内外引起了广泛的关注.网格最终应该是一种公共事业由网格应用服务商提供服务,这种服务与电话、电力、水,煤气并列,被称为第五公用设施.
网格的发展经历了三个阶段:第一阶段是网格的萌芽阶段,开始于90 年代早期,研究内容是关于千兆网试验床以及一些元计算方面的工作;第二阶段是一些早期的试验、时间大概从90 年代中期到晚期,出现了一些比较重要的开创性和奠基性的研究项目,比如I-WAY, Globus,Legion等;目前是网格计算的迅速发展阶段,关于网格的研究,开发和应用项目大量出现,出现了影响很大的组织全球网格GGF(Global Grid Forum),同时网格计算也不再仅仅局限于科学研究,工业界与学术界联盟,正致力于使网格计算在更广泛的领域得到推广和应用.
网格的作用是将分散在网络上的信息及信息存储,处理能力以合理的方式粘合起来,形成有机的整体,以提供比任何单台高性能计算机都强大得多的处理能力、实现信息的高度融合和共享.发展网格被认为是下一代Internet的核心任务之一、它已经成为各国的研究热点、例如美国有等、欧洲有CERN 等、澳大利亚有等、日本有Ninf,Bricks 等、中国有国家网格,上海网格等网格研究项目.
美国《福布斯》杂志2001年9月10日预测:网格技术将在2004年至2005年出现一个高峰,推动信息产业市场的持续高速发展,在2020年将产生一个年产值为20万亿美元的大产业.
然而、今天我国的网格远还没有发展成为社会基础设施的形态.网格研究是网格实现的前提,因此要首先开展网格相关方面的理论研究.
本文针对论文[1](《网格基础设施及虚拟操作系统研究》)的网格设备,指出安全性要求是网格设备操作系统(我称之为real grid OS,简称rgOS)软件的根本要求.根据当前网格设备的具体网格资源及应用要求,通过具有本质安全特性的vgOS构造(配置)个性化的本地操作系统,分析其特征与构成,说明网格应用开发过程,提出概念模型,并描述了网格开发语言J.
2 网格设备网格[1]是网格设备(通过网格层次结构实现)的集合,网格设备是拥有同一网络地址(IPv6)的网格资源(WSRF)[2]的集合,网格资源是通过网络服务(Web Service)[3]实现互操作的物理的或逻辑的资源.因此,我们通常可以直接认为网格就是网格资源与网络服务的集合,也可以简单称网格是网格资源的集合.网格资源的拥有和使用是要付出代价的,可以租用或购买.网络服务实际上就是一段代码(因此,网络服务总是与具体运行环境相关的),在网格中其所有权永远属于某一个人或组织(称为网络服务所有者、所有者负责网络服务的正确运行)、而其他的人、机构,网格资源或高级网络服务,只能使用网络服务(的一个运行副本),当然也是要付费的.在网格中、只有网格资源和网络服务需要付费、除此之外,网格的使用过程中用户不再需要支付任何别的费用.(网格基础设施及其网络的运营商,可以按月收取一定的基础设施费、就象电话月租费一样.)
网格设备包括联入网格的计算机、手持PC,PDA,网格家电,还有更多的行业中应用的网格仪器仪表及虚拟设备,现有的数字智能设备理论上都可以升级改造为网格设备.网格设备在种类和数量上将赶上电器设备,总有一天,网格设备将成为智能设备甚至电器设备的代名词.
下面我分析PC机作为网格设备时的情况,其它网格设备以此类推.现有PC操作系统的缺点现有PC操作系统都是通用型操作系统,其上可以支持许多应用,而每一个应用都只使用到操作系统的部分功能,即系统提供了许多无用功能,使操作系统变得极为庞大,我称之为胖系统.事实表明,现有胖系统在网络环境下极易受到破坏和.正因为此,网络安全正是目前炙手可热的研究领域.
现有系统安全措施的不足现有系统安全措施都基本是一种针对单机系统(或局域网络)的被动防御,无法知道黑客在什么位置,用的是哪台计算机、就如同人们回家要洗手,非典时期带口罩等个人防护措施,不知道致病菌或SARS病毒在哪里.
而网格是一种主动式的按需服务,用户必须首先确定自己的身份才能获得服务,如同我们现在用的手机和有线电视,用户的身份与位置都可以查得到.
网格本身是一个整体,应该具有[1]中描述的本质安全性即使某一个网格设备(整体中的个体),感染病毒,其它相临网格设备也不易传染,目前还没有针对网格整体的安全办法.
下面的网格设备个性化本地安全操作系统(real grid OS,rgOS ),不仅增强网格设备自身系统的安全性,还可以实现网格整体的本质安全性.
3 rgOS构造网络服务提供商生产出网络服务(通过传统编程),提交给网格(基础设施或增殖服务管理器),网格仅(以网格数据的形式)保留该网格服务的副本(到数据库中).在网格中的所有网络服务访问者都只读,不可修改、所有修改更新都由网络服务所有者启动.网络服务管理器采用数据库技术存储网络服务样本代码(而不是象现在这样存储于文件系统),同时记录下网络服务的运行环境、网格资源需求,可能的输入输出、以及引用的(低级)网络服务等信息,所有这些信息都以相应的WSDL文档描述出来.
网格设备都是网格自启动的,即上电开机经配置(IP地址与网格应用等)后,网格设备完成网格资源自检后,即引导vgOS[1,从网格读入用户即网格设备所有者指定的网格应用就是高级网络服务及其WSDL文档,并根据该WSDL文档,参照网格设备带有的(硬软件)网格资源把相关的(低级)网络服务及其WSDL文档都读入网格设备(的rgOS的数据库中)、如此循环,直至基本网格服务.
需要说明的是,(1)如若网格应用要用到(经常的事)自身不具有的硬件网格资源时,可以把相关网络服务读入网格设备(以后真正使用时再传递到租用的网格资源处),也可以直接把该网络服务传递给相应网格资源处;如果是软资源(比如中文系统等)、则可以把软资源驱动当作(就是)网络服务,或软资源就是原子数据资源(譬如汉字库),直接读入.
(2)网格设备同样用数据库存储这些网络服务及WSDL文档,而不是文件系统.网格中因安全等因素将大量淘汰文件系统的使用,正如Microsoft的下一代操作系统longhorn一样.
当然网格设备用数据库存储网络服务时,必须具有硬盘等永久存储器,否则无所谓存储.而硬盘直接配置数据库系统,逐渐淘汰文件系统驱动.
与网络服务一样,网格设备也是根据网格应用的要求(WSDL文档),选择读入相应网格资源驱动的.
在rgOS中、网格资源是当作进程处理,网络服务是当作线程处理的,一个网格资源上可以有多个网络服务,即使同一个网络服务也可以有多个线程(副本,也即执行映像).rgOS不是根据别的,正是根据一系列WSDL(或WSRP)来完成调度的rgOS管理网格资源(进程调度),所以又称rgOS为资源管理器,网格资源驱动管理网络服务(线程调度).
在rgOS中、作业调度,就是网格应用调度,而网格应用是(高级)网络服务,此时把网格设备所有者当作网格资源,而此时的网格资源驱动的权限就是用户权限.
在rgOS中、CPU,内存,硬盘,外设等等统统抽象为网格资源,不仅被rgOS管理,还可以通过暗含资源模式(Implied resource pattern)[2]由vgOS向网格开放,换钱啦!
网络带宽虽然是资源,目前仅是网络资源,不是网格资源,网格暂且不管理它的买卖(,但为了维护网格自身性能的稳定,必须加与考虑).
网格中只有网格资源出租换钱(目前已经有南韩的2M S连接2000万台PC的网格计划),网络服务按副本卖钱,以及网格基础设施月租费等利益模式.
在网格设备中、rgOS与vgOS[1]共同起作用的,rgOS管理用户(或网格应用)所涉及到的全部网格资源和网络服务,包括通过vgOS交互的远程资源和服务;vgOS管理网格代理,包括客户端代理(替本地rgOS完成与远端网格资源或网络服务的交互),与服务器端代理(替网格设备主动开放的网格资源或网络服务完成与远地rgOS的交互).
图rgOS,vgOS与网格关系示意图以上描述了rgOS的构造原理,下面分析rgOS的特点.
4 网格设备操作系统rgOS的优点计算机的发展从单机系统局域网络InternetWeb网页网格,走了一个整体特性逐步加强的过程.因此,在网格发展初期,现有操作系统有存在一段时期的必然性,但随网格发展,rgOS将以无可比拟的优势迅速普及.
(1)瘦身性与现有胖操作系统为不同个人、不同应用提供通用系统版本不同、rgOS为每一个人、每一个应用量身定制出不同的系统版本,即应用需要的功能,rgOS都能提供;应用不需要的功能,rgOS不保留其映像.
rgOS具有小巧轻便灵活的瘦身性,最大化地体现出了agile和按需计算(computing on demand)的软件设计思想.
(2)个性化每个用户应用都有一个rgOS,rgOS因用户应用的不同而不同、这种各特异性,也叫个性化,是rgOS的本质特征.
(3)本质安全性安全将是未来网格系统成败的首要因素.为理解rgOS的本质安全性,我们不妨借鉴自然物种的安全措施,自然物种间具有的遗传物质差异产生天然的抗病毒屏障,物种内也通过禁止繁殖等措施来保持个体遗传物质的特异性,从而实现个体的健康免疫特性.因此,rgOS的本质安全性是从网格整体考察的,个性化的rgOS具有个体间的遗传差异性,从而提高rgOS个体免疫安全特性.
(4)网格整体性共享网格资源和协同网络服务是网格的本质特征、也是构建网格系统的根本需求,因此网格必须体现出整体属性.网格又是无限巨大动态成长的,无法给出具体网格物理模式,针对具体网格应用也没有必要给出统一逻辑模式,因此我抽象出网格虚拟模式,虚拟模式代表网格的整体属性,虽然我们不能够描绘出具体网格虚拟模式,但针对每一个具体网格应用,系统给出个性化应用模式.
这个个性化应用模式就是rgOS,网格虚拟模式就是vgOS.rgOS强烈地体现出网格整体性特征、用vgOS表现出整体依赖性.
(5)简单化现有操作系统要考虑作业管理,存储管理,进(线)程管理,文件管理,设备管理等内容、还有并发,多处理机、分布式等之分别.与其复杂性相比、rgOS就简单多了,仅考虑网格资源和网络服务管理,并具有天然的并发,多处理机、分布式的特征.
5 网格应用开发传统应用开发,主要表现为分析设计实现过程,即使最新的UML分析设计工具也不能够与具体语言开发编程器配合完美,开发人员总是抱怨UML只能参考.在网格环境下的应用开发,与传统大不相同、表现为:首先要定义应用(的WSDL文档),然后应用(高级网络服务)网格资源网络服务的一系列分解过程,直到某一个网格资源或网络服务已经存在(,已存在的网络服务可以看成是网格虚拟计算机的指令,已存在的网格资源可以看成已实现的对象).这一个过程可以看成是一系列WSDL(WSRP)文档的生成过程.
最后,针对没有匹配的网络服务,应用传统方法开发(,此时的网络服务都已经分解得很简单了,很容易实现).
显然,一系列WSDL文档的分解与生成过程,是网格应用开发的关键所在.该过程与UML过程有很大相似.是否可以启发我们发明专门的网格应用开发语言呢再次分析传统应用开发的分析设计实现过程.分析是分析问题,设计是设计求解,实现指编码.分析问题,有一个认识深度的概念,不同的分析深度往往得出不同的概念,概念不同导致后续设计的不同.这实际上是传统开发方法的最大弱点、经常导致大型应用的开发失败.
经验告诉我,可以在分析与设计之间加入概念,既网格应用的开发过程为分析概念设计实现.概念就是建立问题模型,由于问题与解的互补性,问题模型就是解模型.这样可以确保后续设计与实现就是分析所要求的.
概念过程,是一个认识由浅入深的过程,在网格应用开发中突出地表现为一系列WSDL文档的分解与生成过程.这是一个量化的过程,可以形式化描述.我定义所设计的网格应用开发语言为J语言、具体参见我的专门文章.
J语言针对网格特点设计的网格应用开发语言、我命名为J语言.J语言最大的特点是扩展Java的简单继承为J的复杂继承,即多继承与部分继承关系.
J语言是对Java(等过程性)语言的更高一级的抽象(为说明性)语言.
J语言的是一个对网格实体(包括网格资源和网络服务)描述的WSDL文档的生成语言.
J语言解决了目前直接编写WSDL文档(,即Ian Foster所谓的cut-and-paste过程)不便的问题犹如用机器码写程序不便,导致汇编语言的出现;用汇编语言写程序不便,导致高级语言的出现;用高级写程序不便,导致集成开发器下的面向对象语言的出现.
网格环境下,涉及大量WSDL文档的编写,有的WSDL文档很复杂,又不便或不能够自动生成,手工的cut-and-paste与网格时代及不相称,设计一个在更高级抽象层次上的J编程语言、实属必需.
J语言比当今的计算机(过程性)高级语言(如Java等)更高一级,因为它的结果是描述网格实体外延的WSDL文档,而过程性高级语言只是网络服务的实现语言.
J语言应该吸取UML的优点.比UML更具优势的是,J语言可以实现与现有开发器(如J Builder)的完美结合J语言给出网格服务的外延规定,现有开发器则给出网格服务的内涵(具体实现)规定.
以J为分水岭、计算机开发语言将从程序性语言发展到说明性(元)描述语言时代.
6 结论网格设备个性化安全操作系统rgOS是网格发展的必然与本质要求,同时rgOS通过与vgOS的完美结合,又能极大促进网格自身的发展.论文重点研究了rgOS的构造几特点.
计算机技术的发展日新月异,Web网络正在通过Web Service网络服务技术(及WSRF)向网格悄然嬗变.事实上,许多大型网络应用系统,尤其网络游戏,已经具备了网格应用的特征、至少是网格应用雏形.
论文认为网格应用具有更低使用门槛、更低开发难度,更快开发进度,更低维护成本等诸多软件开发者梦寐以求的优点.
网格应用开发语言J将是未来工作的重点.我们应该抓住机遇,尽快发展网格技术,促进国民经济发展.参考文献[5] OGSA. Ian Foster, Carl Kesselman, JeffreyM.Nick and Steven Tuecke, The Physiology of the Grid: An Open Grid Services Architecture for Distributed Systems Integration[EBOL. JunOGSA. Ian Foster andD.Gannon, The Open Grid Services Architecture Platform[EBOL, Feb[6] Ian Foster,Jeffrey Frey,Steve Graham 等 wsrf [EBOL
作者:赵维男,1968年生,主要研究网格.电话
Author:ZHAO Wei
21 room209, Gulou district, Nanjing city, Jiangsu province, CHINAPost CodPhone number

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