網(wǎng)格計(jì)算的發(fā)展及應(yīng)用前景

摘 要：本文論述了網(wǎng)格計(jì)算的發(fā)展概況；網(wǎng)格計(jì)算的應(yīng)用范圍；網(wǎng)格服務(wù)的特點(diǎn)和網(wǎng)格計(jì)算的未來發(fā)展?jié)摿Α?/p>

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)庫；虛擬化；浮點(diǎn)運(yùn)算；資源共享

中圖分類號：TP393.01 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-7712 （2013） 14-0000-01

當(dāng)今社會，很多的科學(xué)工程對計(jì)算的需求越來越高，計(jì)算的規(guī)模也越來越大，這就要求我們的計(jì)算機(jī)有更高的運(yùn)算速度和更大的存儲容量。想要更快的提高計(jì)算機(jī)的處理功能，要對系統(tǒng)硬件的速度加快，不斷改進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，尤其是當(dāng)系統(tǒng)硬件的速度已經(jīng)不能再升級的時候，后者將是我們考慮的重點(diǎn)。在相對復(fù)雜的科學(xué)計(jì)算當(dāng)中，超級并行機(jī)成為了主宰。但是在超級計(jì)算機(jī)為主體的計(jì)算模式有明顯的缺陷，雖然超級計(jì)算機(jī)有非常強(qiáng)大的處理能力，但制造超級計(jì)算機(jī)的成本非常昂貴，通常只有像航天、氣象、國防等一些國家級的部門才有資本去配備這樣的設(shè)備。而在人們的日常工作中，急需一種既有強(qiáng)大的處理能力，其成本又相對低廉的計(jì)算模式，通過科學(xué)家們不斷的努力，最終找尋到了一種適合用于商業(yè)的計(jì)算模式——網(wǎng)格計(jì)算（Grid Computing）。

一個集成的計(jì)算與資源環(huán)境我們稱為網(wǎng)格，或叫計(jì)算資源池。網(wǎng)格經(jīng)常被用于研究和工程應(yīng)用相關(guān)項(xiàng)目，它的學(xué)科領(lǐng)域涉及了很多方面技術(shù)，如超級計(jì)算技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行算法和各種計(jì)算科學(xué)研究與應(yīng)用技術(shù)，是一個具有綜合性能夠跨多個學(xué)科的高技術(shù)研究課題。伴隨互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而飛速發(fā)展起來的網(wǎng)格計(jì)算，是充分利用地理上分布的計(jì)算資源，將大規(guī)模難以解決的復(fù)雜問題進(jìn)行處理分析，進(jìn)而得到解決，尤其是那些光靠本地資源不能得以解決的復(fù)雜問題，它是一種新型計(jì)算模式，其專門針對那些復(fù)雜的科學(xué)計(jì)算。網(wǎng)格計(jì)算是通過互聯(lián)網(wǎng)，把不同地理位置的計(jì)算機(jī)組織起來，成為一個“虛擬的超級計(jì)算機(jī)”，將每臺獨(dú)立的計(jì)算機(jī)看做是一個“節(jié)點(diǎn)”，構(gòu)成整個計(jì)算是有無數(shù)個“節(jié)點(diǎn)”組成的網(wǎng)狀形態(tài)，稱為一張“網(wǎng)格”，管這種計(jì)算方式叫網(wǎng)格計(jì)算。

通過這種方式組織的“虛擬的超級計(jì)算機(jī)”在應(yīng)用上有很明顯優(yōu)勢，一是強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力；二是能將網(wǎng)上的閑置資源充分利用。網(wǎng)格是通過把網(wǎng)絡(luò)上不同的計(jì)算機(jī)進(jìn)行整合，組織成一臺超級計(jì)算機(jī)，將網(wǎng)絡(luò)上的各種資源，如數(shù)據(jù)、信息、知識等進(jìn)行全面共享。

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，網(wǎng)絡(luò)計(jì)算成本的極速減少和傳統(tǒng)計(jì)算方式的改變，在超級計(jì)算中應(yīng)用網(wǎng)格計(jì)算已是大勢所趨。網(wǎng)格計(jì)算對我們來說，還是一個新興領(lǐng)域，但其重要性不可忽視。網(wǎng)格計(jì)算的主要特征是大范圍的資源共享，超級強(qiáng)大的計(jì)算能力，它的應(yīng)用必將推動當(dāng)代經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展。

自九十年代以來，世界各國針對這種計(jì)算模式，紛紛成立了超級計(jì)算中心和相應(yīng)的工程研究中心，尤其是發(fā)達(dá)國家。美國還制定了關(guān)于先進(jìn)計(jì)算技術(shù)的新一輪規(guī)劃。在我國科技部的帶領(lǐng)和支持下，經(jīng)過專家組和相關(guān)單位的共同努力下，我國的高性能計(jì)算環(huán)境已經(jīng)得到飛快發(fā)展，相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施已逐漸成形。在科技部的帶領(lǐng)下，我國已建成五個國家級高性能計(jì)算中心，且加強(qiáng)建設(shè)了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以科學(xué)院為主體形成了計(jì)算網(wǎng)格。網(wǎng)格計(jì)算已得到國家的高度重視，其發(fā)展速度非常迅猛。網(wǎng)格計(jì)算的最終目標(biāo)是希望用戶在使用網(wǎng)格計(jì)算模式時能夠更加方便快捷。

在科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域，網(wǎng)格計(jì)算在很多方面得到廣泛應(yīng)用：

1.通過網(wǎng)絡(luò)整合計(jì)算機(jī)，進(jìn)行超級計(jì)算。網(wǎng)格計(jì)算可把網(wǎng)絡(luò)中的大部分計(jì)算機(jī)集中起來，讓他們一同來解決大規(guī)模、較復(fù)雜的問題。有效地組織了處于閑置狀態(tài)的計(jì)算機(jī)資源，將資源的利用率提升到更高的層次，減少了投資成本，充分滿足用戶各方面的需求。

2.提高計(jì)算的吞吐率。網(wǎng)格計(jì)算能利用CPU周期竊取技術(shù)，集中計(jì)算機(jī)大量空閑的計(jì)算資源，為一些對時間不太要求的問題進(jìn)行工作，將其作為計(jì)算資源的重要來源，這樣有效地提高了計(jì)算的吞吐率。

3.數(shù)據(jù)密集，數(shù)據(jù)量巨大問題的計(jì)算。在解決這方面問題的過程中，會產(chǎn)生很大的計(jì)算需求，網(wǎng)格計(jì)算可輕松的解決這一問題。網(wǎng)格計(jì)算在計(jì)算力學(xué)、計(jì)算材料、核物理反應(yīng)、電子學(xué)、航空航天等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用和需求。

4.實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)人與人工作交流。網(wǎng)格計(jì)算打破了地理界線上對人們的限制，更加方便了從事科技方面工作的工作人員之間的交流，它共享了工作人員各自的智慧。

5.更廣泛的資源貿(mào)易。隨著大型機(jī)和微機(jī)在人們工作和生活中的大量普及，計(jì)算機(jī)的資源出現(xiàn)了更多的閑置，問題越來越明顯。通過利用網(wǎng)格技術(shù)，這些閑置的資源分配給有大量計(jì)算需求的用戶，提供這些閑置資源的計(jì)算機(jī)不會受到太大的干擾。我們不必購買大型計(jì)算機(jī)來滿足我們大量的計(jì)算需求，我們可以通過向網(wǎng)格購買計(jì)算能力來實(shí)現(xiàn)自己的任務(wù)。五層沙漏結(jié)構(gòu)是早期的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)。在這個結(jié)構(gòu)當(dāng)中，以“協(xié)議”為中心是它最重要的思想，它是通過協(xié)議來實(shí)現(xiàn)一種機(jī)制，在虛擬組織的用戶與資源間建立一種資源共享的關(guān)系，它對網(wǎng)格的一致性、擴(kuò)展性和代碼的共享都有很大的好處。

在五層沙漏模型中，被共享的物理資源或這些資源所支持的服務(wù)是其強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)。在OGSA（Open Grid Services Architecture）里服務(wù)的概念包含的更廣泛，其中各種存儲資源、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算資源等都屬于服務(wù)。五層沙漏是對資源共享的實(shí)現(xiàn)，而OGSA則是對服務(wù)的實(shí)現(xiàn)，且其中的一切都被看作是網(wǎng)格服務(wù)。

相對其他來說，網(wǎng)格服務(wù)為中心的模型具有很多的優(yōu)勢：一是網(wǎng)格服務(wù)都是虛擬的組建，它有一組相對統(tǒng)一的接口可供用戶使用，而一切的網(wǎng)格服務(wù)都是依靠這些接口來實(shí)現(xiàn)的，這就能輕松提供高層次、高級別的服務(wù)。二是將不同的邏輯資源實(shí)例映射到同一個物理資源上，可通過虛擬化方式將其實(shí)現(xiàn)，在對很多服務(wù)組合的過程當(dāng)中，不需要考慮具體實(shí)現(xiàn)，可依據(jù)基礎(chǔ)的底層資源，通過虛擬的組織來對資源進(jìn)行管理。這種虛擬化的網(wǎng)格服務(wù)，能將所有的服務(wù)語義和行為全部都反映到當(dāng)?shù)仄脚_的基礎(chǔ)設(shè)施上。三是一項(xiàng)名為“Grid Computing”創(chuàng)意計(jì)劃正在IBM公司中被構(gòu)建，其主要目標(biāo)是通過網(wǎng)絡(luò)，向個體使用電腦提供一種具有超級的處理能力模式。“Grid Computing”是一種手段，它是通過網(wǎng)絡(luò)把網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中地區(qū)不同的個人電腦整合在一起，可讓每個網(wǎng)絡(luò)中的個體用戶更多的利用其他個體電腦的閑置資源，以加快其電腦的工作速率，也可讓所有的網(wǎng)絡(luò)用戶共享其他電腦資源。四是計(jì)算機(jī)行業(yè)的另一個巨人SUN公司也在網(wǎng)絡(luò)計(jì)算這個方向上推出了新措施。2001年11月份，SUN公司通過推出Sun Grid Engine企業(yè)版軟件，來提高公司的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算能力。自該軟件發(fā)行至今，已有更多的用戶使用它。

目前，很多軟件公司也在不斷提升他們的網(wǎng)格計(jì)算能力，且網(wǎng)格計(jì)算也給這些企業(yè)帶來了新商機(jī)。據(jù)相關(guān)專業(yè)人士推測，日后網(wǎng)格計(jì)算將給企業(yè)帶來巨大效益，如果網(wǎng)格計(jì)算的成長速度不變的話，在未來的十年內(nèi)，它將是年產(chǎn)值達(dá)20萬億美元的大產(chǎn)業(yè)。