Mạng - Máy tính

Các thành phần ở tầng này được triển khai ở mức cục bộ; các thao tác tài nguyên đặc biệt diễn ra trên các tài nguyên đặc biệt trong tầng này chính là một kết quả của các thao tác được chia sẽ ở tầng cao hơn. Như vậy là có một sự ràng buộc tinh vi, chặt chẽ giữa các chức năng được cài đặt ở lớp nền với các thao tác chia sẻ được hỗ trợ ở tầng khác.

Các loại tài nguyên trong tầng này đều bị ràng buộc bởi hai cơ chế :

Cơ chế quản lý tài nguyên (Resource Management Mechanism): cho phép cung cấp khả năng điều phối chất lượng dịch vụ.

Cơ chế thẩm tra (Enquiry Mechanism): cho phép tìm hiểu cấu trúc, tình trạng và các tính năng  của tài nguyên .

Các phân loại tài nguyên chính trong tầng tác chế:

+ Tài nguyên tính tóan: là các cơ chế bắt buộc tuân thủ khi bắt đầu chạy chương trình, cho phép kiểm soát, điều khiển việc thi hành các tiến trình.

Cơ chế quản lý: cho phép quản lý các loại tài nguyên đã được xác định rõ vị trí làm cho các tiến trình đạt được lợi ích nhiều hơn .

Cơ chế thẩm tra:có khả năng xác định rõ phần cứng , phầm mềm nhờ các thông tin về tình  trạng của hệ thống (tải hiện thời, tình trạng hàng đợi …) 

+ Tài nguyên lưu trữ: là cơ chế bắt buộc cho việc lấy về và tải lên các tập tin từ hệ thống lưu trữ, cho phép đọc một phần của tập tin cũng như cho phép chọn lọc dữ liệu từ các tập tin ở xa.

Cơ chế quản lý:làm cho việc di chuyển tập tin dễ dàng hơn (không gian, băng thông đĩa, băng thông mạng, tải của CPU …)

Cơ chế thẩm tra:xác định tình trạng phần cứng và phần mềm thông qua các thông tin tải. Thí dụ dung lượng đĩa còn trống, băng thông sử dụng …

+ Tài nguyên mạng

Cơ chế quản lý: có tác dụng làm cho việc lưu chuyển trong mạng được tốt hơn, hiệu quả hơn thông qua các quyền ưu tiên, chế …

Cơ chế thẩm tra: cho phép xác định các đặc điểm của mạng.

+ Các kho mã nguồn: là nơi quản lý tất cả các loại tài nguyên và tất cả các phiên bản của mã nguồn …

+ Các bộ sưu tập: là cơ chế bắt buộc để hiện thực và truy vấn các bộ sưu tập cũng như các thao tác cập nhật  như trong cơ sở dữ liệu quan hệ …

B. Tầng kết nối (Connectivity layer)

Đây là tầng quan trọng để tạo nên hạt nhân của các giao thức xác thực và truyền thông bắt buộc của các giao dịch đặc trưng trong hệ thốngmạng lưới. Giao thức truyền thông cho phép chuyển đổi dữ liệu qua lại giữa các loại tài nguyên ở tầng chế tác. Giao thức xác thực được xây dựng trên các dịch vụ truyền thông để cung cấp các cơ chế mã hóa và bảo mật trong việc kiểm tra xác thực người dùng và tài nguyên mạng lưới.

Truyền thông bao gồm các công đoạn: truyền thông tin, định tuyến và đặt tên. Những giao thức này tương tự như các giao thức trong TCP/IP: Internet Protocol (IP) , Transport Protocols (TCP , UDP) và các giao thức tầng ứng dụng (DNS , OSPF , RSVP …)

Các vấn đề bảo mật phức tạp trong mạng lưới được giải quyết bằng các giải pháp xây dựng và nâng cấp từ các chuẩn đã có. Trong truyền thông hiện có rất nhiều các chuẩn bảo mật được phát triển trong ngữ cảnh Internet. Giải pháp xác thực trong môi trường mạng lưới các tổ chức ảo bao gồm các đặc điểm sau :

+ Cơ chế đăng nhập một lần (Single Sign On):người dùng chỉ cần đăng nhập vào mạng lưới một lần duy nhất. Sau đó hệ thống phải quản lý người dùng đã xác thực và cho phép truy cập các tài nguyên được phép trong lớp chế tác mà không yêu cầu cung cấp các thông tin xác thực nữa.

+ Cơ chế ủy quyền (Delegation, Proxy):người dùng có thể ủy quyền lại cho một chương trình trong một khoảng thời gian xác định truy cập đến các loại tài nguyên mà anh ta được phép sử dụng. Chương trình này cũng có thể ủy quyền có điều kiện một phần các tập quyền của nó cho chương trình con khác. Hệ thống mạng lưới phải hiểu, kiểm soát chặt chẽ và đáp ứng tốt cơ chế ủy quyền này một cách trong suối đối với chương trình được trao ủy quyền.

+ Cơ chế tích hợp đa giải pháp bảo mật địa phương (Integration with various local security solutions): Đặc điểm của mạng lưới là mỗi site chứa tài nguyên mạng lưới đều có cơ chế bảo mật tại chỗ không giống nhau (các cơ chế xác thực như Kerberos, LDAP, Active Directory, username/password,... ). Cơ chế bảo mật mạng lưới phải có khả năng giao tiếp bên trong với các cơ chế bảo mật địa phương mà không yêu cầu thay thế toàn bộ các giải pháp bảo mật hiện có, nhưng cần có cơ chế ánh xạ bảo mật trong các môi trường cục bộ khác nhau.

+ Cơ chế quan hệ tin tưởng dựa trên người dùng (User-based Trust Relationships): người dùng có thể sử dụng các loại tài nguyên có được từ sự kết hợp của nhiều nhà cung cấp khác nhau. Việc kết hợp đó không bắt buộc các nhà cung cấp tài nguyên phải tác động qua lại lẫn nhau nhựng phải đảm bảo cấu hình của cơ chế bảo mật hiện có. Ví dụ, xem xét trường hợp một người dùng có quyền sử dụng hai site A và site B. Khi đó người dùng có quyền dùng site A và B cùng một lúc mà không cần phải thông qua các quản trị viên của các site A và B, khi các site này đã được thiết lập cơ chế quan hệ tin tưởng dựa trên người dùng.

Giải pháp bảo mật của mạng lưới cũng đồng thời cung cấp khả năng hỗ trợ cơ chế bảo vệ truyền thông một cách linh hoạt và khả năng hỗ trợ này được cho là đáng tin cậy hơn giao thức TCP/IP  truyền thống trên Internet.

C. Tầng tài nguyên (Resource layer)

Tầng này được xây dựng trên nền tảng sẵn có của tầng kết nối . Đây là tầng dùng để xác định các giao thức chính cho các quá trình thương lượng, khởi tạo, kiểm tra, điều khiển, tính toán và kiểm toán chi phí của các thao tác được chia sẻ trên các tài nguyên. Những giao thức trong tầng tài nguyên sẽ gọi các chức năng trong tầng chế tác để truy cập và sử dụng các loại tài nguyên cục bộ.

Có hai loại giao thức chính trong các giao thức của tầng tài nguyên:

+ Giao thức thông tin (Information protocol):cho phép lấy các thông tin về cấu trúc, tình trạng của một loại tài nguyên nào đó trong mạng lưới.

+ Giao thức quản lý (Management protocol): dùng để sắp xếp quản lý thứ tự các truy cập đến các tài nguyên được chia sẻ.

D. Tầng kết hợp tập thể (Collective layer)

Trong khi tầng tài nguyên chỉ cho phép truy cập đến một loại tài nguyên đơn thì  tầng kết hợp tập thể lại chứa các giao thức và dịch vụ cho phép giao tiếp giữa các tài nguyên trong mạng lưới. Tầng này bao gồm các dịch vụ chính như sau:

+ Các dịch vụ thư mục (Directory Services): cho phép các thành phần tham gia trong hệ thống mạng lưới tổ chức ảo tìm hiểu sự tồn tại và các thuộc tính của các loại tài nguyên của họ. Một dịch vụ thư mục cũng cho phép người dùng truy vấn các thuộc tính của tài nguyên, loại tài nguyên, tính khả dụng …

+ Các dịch vụ chứa chấp, lập lịch, môi giới (Co-allocation, Scheduling & Broker Services): cho phép các thành phần tham gia vào mạng lưới tổ chức ảo gởi yêu cầu đến một hay nhiều máy chủ cho các mục đích chứa chấp, lập lịch và môi giới truy cập các tài nguyên tương ứng.

+ Các dịch vụ giám sát và dự báo (Monitoring and Diagnostic Services): cho phép hệ thống hỗ trợ kiểm soát tài nguyên trong mạng lưới các tổ chức ảo.

+ Các dịch vụ nhân bản dữ liệu (Data Replication Services): cho phép hỗ trợ việc quản lý lưu trữ tài nguyên trong mạng lưới tổ chức ảo (kể cả mạng và năng lực tính toán) tạo điều kiện cho truy cập tài nguyên đến mức cao nhất có thể.

+ Các hệ thống lập trình hỗ trợ mạng lưới (Grid-enable Programming Systems): tương tự như mô hình lập trình giao tiếp ứng dụng (API) thông thường, nhưng dùng trong môi trường mạng lưới. Hệ thống này cho phép sử dụng các dịch vụ mạng lưới để xác định các thông tin tài nguyên, thực hiện cơ chế bảo mật mạng lưới, định vị trí tài nguyên và tất cả những gì có liên quan đến mạng lưới.

+ Hệ thống quản lý tải và môi trường cộng tác (Workload Management System & Collaboration Framework): tương tự như môi trường giải quyết vấn đề PSE (Problem Solving Environment), hệ thống này cung cấp các đặc tả, cách dùng và quản lý đa bước, quản lý tính đồng bộ,  đa luồng, đa thành phần… trong các tiến trình tính toán.

+ Dịch vụ tìm kiến phần mềm (Software Discovery Service): hỗ trợ tìm kiếm và lựa chọn phần mềm cài đặt và làm nền tảng cho mạng lưới.

E. Tầngứng dụng (Application layer)

Đây là tầng cuối cùng trong kiến trúc mạng lưới, bao gồm tất cả các ứng dụng hướng tới người dùng trong môi trường mạng lưới của các tổ chức ảo. Về nguyên tắc, người sử dụng có thể tương tác với mạng lưới thông qua tầng ứng dụng một cách trong suốt mà không nhận biết được sự có mặt của các tầng khác trong mạng lưới.

Dựa trên nền tảng kiến trúc mạng lưới, ta có thể thấy được thành phần chủ đạo của mạng lưới (bao gồm các dịch vụ và nghi thức đặc trưng) nằm trong các tầng kết nối, tài nguyên và kết hợp tập thể. Các thành phần này là cốt lõi của công nghệ tính toán mạng lưới. Đây là hạt nhân của mọi hệ thống mạng lưới, cũng giống như  bộ xử lý trung ương (CPU) của máy tính cá nhân.

Có thể liệu kê một số nền tảng chính của công nghệ tính toán mạng lưới như sau:

Hạ tầng an ninh mạng lưới (Grid Security Infrastructure hay GSI): là cơ chế cho phép xác thực và truyền thông an toàn trên mạng máy tính. GSI cung cấp một số dịch vụ hữu ích cho mạng lưới như khả năng xác thực lẫn nhau, cơ chế đăng nhập một lần, cơ chế uỷ quyền. Động cơ chủ yếu để phát triển GSI là:

+ Nhu cầu của việc truyền thông an toàn (với khá năng xác thực cao và đáng tin cậy) giữa các thành phần tham gia mạng lưới.

+ Nhu cầu hỗ trợ bảo mật khi trao đổi xuyên qua các ranh giới của các tổ chức không cho phép triển khai cùng một hệ thống bảo mật tập trung.

+ Nhu cầu hỗ trợ cơ chế đăng nhập một lần cho các người sử dụng của mạng lưới, bao gồm cả việc giao uỷ nhiệm thư cho các thanh phần tính toán sử dụng và truy cập nhiều tài nguyênmạng lưới.

GSI dựa trên các công nghệ mã khoá công khai (Public Key Infrastructure hay PKI), Chứng thư X.509 (Certificate), Nghi thức truyền thông bảo mật (Secure Socket Layer hay SSL). Những chuẩn công nghiệp về bảo mật trên được thêm vào cơ chế đăng nhập một lần (SSO) và uỷ quyền (Proxy) tạo nên nền tảng bảo mật vững chắc của mạng lưới.

Nghi thức chuyển tập tin mạng lưới (Grid File Transport Protocol hay GridFTP): là nghi thức chuyển giao dữ liệu dạng tập tin (như FTP) hay dữ liệu (như HTTP) có hiệu năng cao, an toàn và đáng tin cậy nhất trên mạng Internet hiện nay. GridFTP được các nhà chuyên môn đánh giá cao vì nó cung cấp các tính năng đặc trưng phù hợp với kiến trúc mạng lưới:

+ Bảo mật theo chuẩn GSI trên các kênh điều khiển và kênh truyền dữ liệu. Đây là điều kiện tiên quyết của các ứng dụng mạng lưới.

+ Tạo lập và quản lý các kênh truyền dữ liệu song song, cho phép tăng tốc độ truyền dữ liệu tới mức kỷ lục.

+ Trao đổi từng phần tập tin dữ liệu, đặc biệt hiệu quả với các tập tin dữ liệu có dung lượng cực kỳ lớn.

+ Trao đổi dữ liệu với sự tham gia của phía thứ ba. Đây là nghi thức cho phép chuyển tập tin trực tiếp từ máy chủ tới máy chủ khi kênh điều khiển nằm trên máy chủ thứ ba.

+ Xác thực các kênh truyền dữ liệu.

+ Tái sử dụng các kênh truyền dữ liệu và dẫn truyền các lệnh điều khiển.

Dịch vụ thư mục siêu tính toán mạng lưới (Grid Meta-computing Directory Service hay MDS): cung cấp các công cụ cần thiết để xây dựng một kiến trúc thông tin mạng lưới, dựa trên nghi thức truy cập dịch vụ thư mục đơn giản (Light Directory Access Protocol hay LDAP) để truy vấn thông tin mạng lưới từ nhiều  thành phần khác nhau, tạo ra một không gian tên (name space) đồng nhất cho thông tin về các tài nguyên mạng lưới có thể có của nhiều tổ chức khác nhau. Khả năng truy xuất đồng bộ trên diện rộng của MDS cung cấp các thông tin về tài nguyên mạng lưới sau:

+ Cấu hình chi tiết, tài nguyên bộ nhớ, tốc độ CPU, số lượng máy tính chạy bó song song, số lượng và kiểu card giao tiếp mạng, v....

+ Thông tin tài nguyên tính toán thời gian thực như mô tả tình trạng mạng với kết nối điểm-điểm, độ tải của CPU máy chủ tham gia mạng lưới,v.v....

+ Thông tin đặc biệt cho mỗi công việc như là yêu cầu về bộ nhớ, CPU,  hay là cấu trúc phần cứng để chương trình vận hành hiệu quả hơn.

Dịch vụ thông tin tài nguyên mạng lưới (Grid Resource Information Service hay GRIS): cung cấp một phương thức truy vấn tài nguyên đồng nhất trên mạng lưới gồm cấu hình hiện hữu, khả năng, trạng thái.... Các tài nguyên này có thể bao gồm:

+ Các nút tính toán.

+ Các hệ thống lưu trữ dữ liệu.

+ Các dụng cụ khoa học.

+ Các kết nối mạng.

+ Các cơ sở dữ liệu.

Dịch vụ thông tin theo chỉ mục mạng lưới (Grid Index Information Service hay GIIS): dịch vụ này kết hợp chặt chẽ với các dịch vụ GRIS để cung cấp thông tin cho các ứng dụng mạng lưới có thể tìm kiếm và khai thác. GIIS cung cấp cơ chế xác định tài nguyên theo các mô tả sẵn có. Ví dụ, truy vấn GIIS có thể đưa ra danh sách tất cả các tài nguyên tính toán có sẵn trên mạng lưới, hoặc tất cả các hệ thống lưu trữ dữ liệu phân tán của một chi nhánh cụ thể. GIIS cũng có thể thông tin về mức độ sử dụng các tài nguyên mạng lưới (tính toán, dữ liệu, tình trạng mạng, .... )

 

Hệ thống quản trị và phân phối tài nguyên mạng lưới (Grid Resource Allocation Management hay GRAM):  Đây là một thành phần khá quan trọng trong kiến trúc quản lý tài nguyên mạng lưới, trong đó dịch vụ quản lý tài nguyên toàn cục được đặt trên cùng. 

Hình trên mô tả là tổng quan các thành phần khác nhau của kiến trúc quản lý tài nguyên mạng lưới cài đặt bằng công cụ nền GLOBUS[1]. Từ đây, ta có thể thấy có ba thành phần chính trong hệ thống quản lý tài nguyên mạng lưới theo Globus, đó là ngôn ngữ đặc tả tài nguyên mở rộng (RSL), giao diện với các công cụ quản lý tài nguyên cục bộ (GRAM), bộ phận phân phối liên hợp (Co-allocator). Cơ chế này cho phép tạo giao diện chuẩn để truy cập các công cụ quản lý tài nguyên cục bộ, khi một site tham gia mạng lưới. Một số hệ thống còn có thể cung cấp các dịch vụ phân phối liên hợp, cho phép kết nối một yêu cầu với nhiều hệ thống GRAM.

Ngôn ngữ đặc tả tài nguyên mạng lưới (Resource specification Language hay RSL): là ngôn ngữ mô tả và truyền tải các thông tin yêu cầu tài nguyên tính toán, lưu trữ và chuyển tải thông tin, giữa các thành phần trong kiến trúc quản lý tài nguyên mạng lưới.