網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)是對網(wǎng)格基本組成部分和各部分功能的定義和描述，對網(wǎng)格各部分相互關(guān)系與集成方法的規(guī)定，以及對網(wǎng)格有效運行機制的定義。網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)是網(wǎng)格最核心的技術(shù)，是網(wǎng)格的架構(gòu)和靈魂，只有建立合理的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)，才能夠設(shè)計和構(gòu)建網(wǎng)格，才能夠使網(wǎng)格的效能發(fā)揮得最好。目前最重要最有影響的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)有兩個：5層沙漏體系結(jié)構(gòu)、基于Web服務(wù)的開放網(wǎng)格服務(wù)體系結(jié)構(gòu)(OGSA)。

5層沙漏體系結(jié)構(gòu)是一種很有影響力的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是基于美國國家實驗室的網(wǎng)格研發(fā)項目Globus提出來的，主要側(cè)重于定性描述，而不是定義具體的協(xié)議。5層沙漏體系結(jié)構(gòu)是以協(xié)議為中心的結(jié)構(gòu)，強調(diào)被共享的物理資源以及這些資源所支持的服務(wù)，突出服務(wù)與應(yīng)用編程接口(API)和軟件開發(fā)工具(SDK)的重要性。

5層沙漏結(jié)構(gòu)自下而上按構(gòu)造層、連接層、資源層、匯聚層和應(yīng)用層劃分，如圖1所示。

圖1：5層沙漏結(jié)構(gòu)與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 

1）構(gòu)造層

構(gòu)造層控制局部的資源，并向上提供網(wǎng)格中可供共享訪問的資源，它們是物理或邏輯實體，如高性能計算資源、大型數(shù)據(jù)庫存儲資源、高速網(wǎng)絡(luò)資源、傳感器和遠(yuǎn)程設(shè)備等。Globus工具包中相應(yīng)的組件負(fù)責(zé)監(jiān)測可用的軟硬件資源的特性、當(dāng)前負(fù)荷、狀態(tài)等信息，并將其打包供上層調(diào)用。

2）連接層

連接層定義了網(wǎng)格事務(wù)處理所需通信和鑒別的核心協(xié)議，通信協(xié)議使物理層資源之間可進行數(shù)據(jù)交換，通過傳輸、路由、名字解析實現(xiàn)。鑒別是在通信服務(wù)之上，進行授權(quán)驗證。Globus工具包中，相應(yīng)組件采用基于公鑰的網(wǎng)格安全基礎(chǔ)協(xié)議(GSI)。在此協(xié)議中提供一次登錄、委托授權(quán)、整合各種局域網(wǎng)安全方案、基于用戶的信任關(guān)系等功能。

3）資源層

資源層建立在連接層協(xié)議之上，定義安全握手、資源初始化，監(jiān)測和控制資源的運行狀況，統(tǒng)計與計費有關(guān)資源的使用情況。資源層調(diào)用構(gòu)造層的功能實現(xiàn)對本地資源的訪問和控制。資源層協(xié)議主要分兩類：一類是信息協(xié)議，用于獲得資源的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)信息；另一類是管理信息，用于協(xié)商對特定共享資源的訪問。

4）匯聚層

資源層主要是實現(xiàn)與單個資源的交互，而匯聚層則負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各種資源，關(guān)注全局的狀態(tài)以及跨多個資源的交互，實現(xiàn)更廣泛的資源共享，它包括目錄服務(wù)、資源分配、進度安排、業(yè)務(wù)代理、資源監(jiān)視和診斷、負(fù)載控制、軟件發(fā)現(xiàn)(基于求解問題參數(shù)的最佳軟件實現(xiàn)和運行平臺)、安全認(rèn)證、計費等。

5）應(yīng)用層

應(yīng)用層作為網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)中的最高一層，是在虛擬組織環(huán)境中存在的，由用戶的應(yīng)用程序構(gòu)成。應(yīng)用程序通過調(diào)用下層提供的服務(wù)，再通過服務(wù)調(diào)用網(wǎng)格上的資源實現(xiàn)，為了便于應(yīng)用程序的開發(fā)，需要大量支持網(wǎng)格計算的庫函數(shù)。

網(wǎng)格的5層沙漏體系結(jié)構(gòu)的建立需要具有支持資源共享、服務(wù)共享、代碼共享的協(xié)議軟件和應(yīng)用編程接口，對實現(xiàn)這些協(xié)議的技術(shù)沒有限制。從長期的角度講，網(wǎng)格計算能否獲得成功，取決于連接層和資源層的協(xié)議必須能否得到更廣泛的支持，能否夠屏蔽掉網(wǎng)格中各種資源的分布、異構(gòu)特性。因特網(wǎng)協(xié)議使不同的計算機網(wǎng)絡(luò)能夠互聯(lián)和交換信息，網(wǎng)格協(xié)議使不同的用戶組織能夠互操作和交換或共享資源。

5層體系結(jié)構(gòu)的另一個特點是沙漏形狀(見圖1)。為什么采用沙漏形狀？實際上可通過與微內(nèi)核的操作系統(tǒng)進行類比來理解。微內(nèi)核操作系統(tǒng)僅提供一些關(guān)鍵的核心功能，大量與應(yīng)用或與特定設(shè)備有關(guān)的部分交付其他部分來實現(xiàn)。由此可知，一個小的核心操作系統(tǒng)非常有利于移植，也容易實現(xiàn)和獲取支持。在網(wǎng)格環(huán)境中，由于各部分協(xié)議的數(shù)量不同且可變化，確保最核心部分的協(xié)議，使其既能支持上層各種協(xié)議向其映射，同時又可實現(xiàn)向下層的各種協(xié)議映射。換句話說，在支持網(wǎng)格計算的所有地點都應(yīng)能得到核心協(xié)議的支持，為此應(yīng)對核心協(xié)議數(shù)量加以控制，因而，網(wǎng)格核心協(xié)議也就成了5層體系結(jié)構(gòu)的“瓶頸”。