張愛民

[摘要]論述網(wǎng)格計算的發(fā)展概況，在科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，網(wǎng)格服務(wù)的特點以及在未來網(wǎng)絡(luò)市場中的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

[關(guān)鍵詞]網(wǎng)格 互聯(lián)網(wǎng) 數(shù)據(jù)庫 資源共享

中圖分類號：TP3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0420065－01

現(xiàn)代社會由于大規(guī)模的科學(xué)和工程計算的需求，迫使計算機(jī)必須不斷地提高其運算速度和存儲容量。計算機(jī)的發(fā)展歷史表明，為了達(dá)到更好的處理性能，除了必須提高系統(tǒng)的硬件的速度外，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也必須不斷改進(jìn)，特別是當(dāng)元器件的速度達(dá)到極限時，后者將變成焦點問題。于是，超級并行機(jī)已經(jīng)成為復(fù)雜科學(xué)計算領(lǐng)域的主宰。但以超級計算機(jī)為中心的計算模式存在明顯的不足，而且目前正在經(jīng)受挑戰(zhàn)。而隨著人們在日常工作遇到的商業(yè)計算越來越復(fù)雜，人們迫切需要數(shù)據(jù)處理能力更強(qiáng)大的計算機(jī)，而超級計算機(jī)的價格顯然阻止了它進(jìn)入普通人的工作領(lǐng)域。于是，人們開始尋找一種造價低廉而數(shù)據(jù)處理能力超強(qiáng)的計算模式，最終科學(xué)家們經(jīng)過努力找到了答案Grid Computing（網(wǎng)格計算）。

網(wǎng)格（grid）是一個集成的計算與資源環(huán)境，或者說是一個計算資源池。網(wǎng)格也是一種先進(jìn)的計算基礎(chǔ)設(shè)施（Advanced Computational Infras

-tucture，簡稱ACI），用于研究與工程應(yīng)用相結(jié)合的項目，學(xué)科領(lǐng)域涉及超級計算技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、中間件技術(shù)、并行算法和各種計算科學(xué)研究與應(yīng)用技術(shù)，是一個綜合性的跨學(xué)科高技術(shù)研究課題。網(wǎng)格計算（Grid Computing），是伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而迅速發(fā)展起來的，是將地理上分布的計算資源（包括數(shù)據(jù)庫、貴重儀器等各種資源）充分利用起來，協(xié)同解決復(fù)雜的大規(guī)模問題，特別是解決僅靠本地資源無法解決的復(fù)雜問題，是專門針對復(fù)雜科學(xué)計算的新型計算模式。這種計算模式是利用互聯(lián)網(wǎng)把分散在不同地理位置的電腦組織成一個“虛擬的超級計算機(jī)”，其中每一臺參與計算的計算機(jī)就是一個“節(jié)點”，而整個計算是由成千上萬個“節(jié)點”組成的“一張網(wǎng)格”，所以這種計算方式叫網(wǎng)格計算。這樣組織起來的“虛擬的超級計算機(jī)”有兩個優(yōu)勢，一個是數(shù)據(jù)處理能力超強(qiáng)；另一個是能充分利用網(wǎng)上的閑置處理能力。

近年來，隨著計算機(jī)計算能力的迅速增長，互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的普及和高速網(wǎng)絡(luò)成本的大幅度降低以及傳統(tǒng)計算方式和計算機(jī)的使用方式的改變，網(wǎng)格計算已經(jīng)逐漸成為超級計算發(fā)展的一個重要趨勢。網(wǎng)格計算是一個嶄新而重要的研究領(lǐng)域，它以大力度資源共享，高性能計算和創(chuàng)新性應(yīng)用為主要特征，必成為21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要推動力。

二十世紀(jì)九十年代以來，世界各個國家，尤其是發(fā)達(dá)國家，建立了很多超級計算應(yīng)用中心（NCSA）和工程研究中心，美國還制定了新一輪規(guī)劃的先進(jìn)計算框架計劃（ACIP），發(fā)展面向21世紀(jì)的先進(jìn)計算技術(shù)。我國在科技部的領(lǐng)導(dǎo)和主持下，在已建成的５個國家級高性能計算中心基礎(chǔ)上，又于中南、西北等地建立了新的國家高性能計算中心，科技部并加強(qiáng)了網(wǎng)格節(jié)點的建設(shè)，形成以科學(xué)院為主體的計算網(wǎng)格。教育部也啟動了網(wǎng)格計算工程，第一批12個網(wǎng)點正在建設(shè)中，國家基金委也列出專項基金資助網(wǎng)格計算。

網(wǎng)格是借鑒電力網(wǎng)（eiectric power grid）的概念出來的，網(wǎng)格的最終目的是希望用戶在使用網(wǎng)格的計算能力時，就如同現(xiàn)在使用電力一樣方便簡單。

在科學(xué)計算領(lǐng)域，網(wǎng)格計算可以在以下幾個方面得到廣泛應(yīng)用：

１．分布式超級計算。網(wǎng)格計算可以把分布式的超級計算機(jī)集中起來，協(xié)同解決復(fù)雜的大規(guī)模的問題。使大量閑置的計算機(jī)資源得到有效的組織，提高了資源的利用效率，節(jié)省了大量的重復(fù)投資，使用戶的需求能夠得到及時滿足。

２．高吞吐率計算。網(wǎng)格技術(shù)能夠十分有效地提高計算的吞吐率，它利用CPU的周期竊取技術(shù)，將大量空閑的計算機(jī)的計算資源集中起來，提供給對時間不太敏感的問題，作為計算資源的重要來源。

３．?dāng)?shù)據(jù)密集型計算。數(shù)據(jù)密集型的問題的求解往往同時產(chǎn)生很大的通訊和計算需求，需要網(wǎng)格能力才可以解決。網(wǎng)格可以藥物分子設(shè)計、計算力學(xué)、計算材料、電子學(xué)、生物學(xué)、核物理反應(yīng)、航空航天等眾多的領(lǐng)域得到廣泛的需求。

４．基于廣泛信息共享的人與人交互。網(wǎng)格的出現(xiàn)更加突破了人與人之間地理界線的限制，使得科技工作者之間的交流更加的方便，從某種程度上可以說實現(xiàn)人與人之間的智慧共享。

５．更廣泛的資源貿(mào)易。隨著大型機(jī)的性能的提高和微機(jī)的更加普及，及其資源的閑置的問題也越來越突出，網(wǎng)格技術(shù)能夠有效地組織這些閑置的資源，使得有大量的計算需求的用戶能夠獲得這些資源，資源的提供者的應(yīng)用也不會受到太大的干擾。需要計算能力的人可以不必購買大的計算機(jī)，只要根據(jù)自己的任務(wù)的需求，向網(wǎng)格購買計算能力就可以滿足計算需求。

早期的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)是五層沙漏結(jié)構(gòu)。在五層沙漏結(jié)構(gòu)中，最重要的思想是以“協(xié)議”為中心，它側(cè)重于外部的行為而不是內(nèi)部的特征，通過協(xié)議可以實現(xiàn)一種機(jī)制，使得虛擬組織的擁護(hù)與資源之間可以進(jìn)行資源使用的協(xié)商，建立共享關(guān)系，并且可以進(jìn)一步管理和開發(fā)新的共享關(guān)系。這一標(biāo)準(zhǔn)化的開放結(jié)構(gòu)對網(wǎng)格的擴(kuò)展性、互操作性、一致性以及代碼的共享都有好處。

五層沙漏模型中，強(qiáng)調(diào)的是被共享的物理資源（或者是這些資源所支持的服務(wù)）在OGSA中，服務(wù)所指的概念更廣，包括各種計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)、程序、數(shù)據(jù)庫等等，一切都是服務(wù)。五層模型實現(xiàn)的是對資源的共享，而在OGSA中，實現(xiàn)的對服務(wù)的共享。在OGSA中一切都看作是網(wǎng)格服務(wù)，網(wǎng)格是可擴(kuò)展的網(wǎng)格服務(wù)的集合，即網(wǎng)格＝{網(wǎng)格服務(wù)}。

以網(wǎng)格服務(wù)為中心的模型的好處有以下幾點：

1．網(wǎng)格中所有組建都是虛擬的，通過提供一組相對統(tǒng)一的核心接口，所有的網(wǎng)格服務(wù)都基于這些接口的實現(xiàn)，就可以很容易地構(gòu)造出具有層次結(jié)構(gòu)的、更高級別的服務(wù)，這些服務(wù)可以跨越不同的抽象層次，以一種統(tǒng)一的方式來看待。

2．虛擬化也使得將多個邏輯資源實例映射到相同的物理資源上成為可能，在對服務(wù)進(jìn)行組合時不必考慮具體的實現(xiàn)，可以以底層資源組成為基礎(chǔ)，在虛擬組織中進(jìn)行資源管理。通過網(wǎng)格服務(wù)的虛擬化，可以將通過的服務(wù)語義和行為，無縫地映射到本地平臺的基礎(chǔ)設(shè)施之上。

網(wǎng)格計算將成為未來網(wǎng)絡(luò)市場發(fā)展的熱點。據(jù)《ForbesASAP》預(yù)測，網(wǎng)格技術(shù)將在近年度達(dá)到高峰，并帶來因特網(wǎng)的新生。如果網(wǎng)格技術(shù)能促使市場按預(yù)期的17%年增長率持續(xù)成長的話，那么2020年將會形成一個年產(chǎn)值20萬億美元的大產(chǎn)業(yè)。

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