網(wǎng)格技術(shù)綜述

余科軍

(四川教育學院計算機科學系，四川成都610041)

1.引言

隨著應用環(huán)境越來越復雜多變，系統(tǒng)規(guī)模更大，異構(gòu)系統(tǒng)更多，異地分布更廣，通信環(huán)境更復雜，如何構(gòu)建一個完善的網(wǎng)格系統(tǒng)就成為我們研究的主要課題。網(wǎng)格的研究源于美國聯(lián)邦政府過去10多年來資助的高性能計算項目。這類研究使用的名詞就是“網(wǎng)格”或“計算網(wǎng)格”。網(wǎng)格能夠充分吸納各種計算資源，并將它們轉(zhuǎn)化成一種隨處可得的、可靠的、標準的同時還是經(jīng)濟的計算能力[1]。這類研究的目標是將跨地域的多臺高性能計算機、大型數(shù)據(jù)庫、貴重科研設備、通信設備、可視化設備和各種傳感器整合成一個巨大的超級計算機系統(tǒng)，支持科學計算和科學研究。

網(wǎng)格就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[2]。網(wǎng)格技術(shù)可以將足夠的計算機資源分配給分布在世界各地的計算機，它通過并行處理來提高分配到每個網(wǎng)格計算節(jié)點的計算速度。

2.國內(nèi)外網(wǎng)格技術(shù)的研究

網(wǎng)格(Grid)技術(shù)是近年來國際上信息技術(shù)領(lǐng)域的熱門課題，因此目前許多組織開發(fā)了支持網(wǎng)格計算的系統(tǒng)。網(wǎng)格計算研究起步最早的國家是美國，美國多家研究機構(gòu)開展了與網(wǎng)格相關(guān)的研究工作，制定了很多網(wǎng)格研究計劃，如美國國家科學基金會資助的TeraGrid、美國國防部的“全球信息網(wǎng)格”(GIG)、美國政府資助的“大型物理實驗網(wǎng)格”(GriPhyN)及美國能源部的ASCIGrid、國家技術(shù)網(wǎng)格(NTG)等計劃。美國國家科學基金會TeraGrid計劃是一個需要多年分段實施的，為開放式科學研究而建立和使用的世界上最大、最全面的分布式基礎設施。

歐洲近年來啟動了一系列網(wǎng)格開發(fā)計劃，其中包括DataGrid、SIMDAT、NextGRID、AkoGriMo和CoreGRID等計劃”。歐洲數(shù)據(jù)網(wǎng)格計劃(DataGrid)涉及到歐盟的二十幾個國家，其目的是開發(fā)一種能支持全球性分布科學探索的全新環(huán)境。SIMDAT是歐洲的一個大型網(wǎng)格研究計劃。該計劃的目標是利用數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)格技術(shù)來開發(fā)解決工業(yè)復雜問題的方案。NextGRID是面向工商業(yè)領(lǐng)域建立的下一代網(wǎng)格服務結(jié)構(gòu)。該計劃針對的是廣泛的應用領(lǐng)域：法律部門的數(shù)據(jù)挖掘；廣播和娛樂；金融模型；數(shù)字媒體和供應鏈管理。CoreGRID計劃的核心網(wǎng)格是一個研究網(wǎng)絡，主要用于大規(guī)模分布式網(wǎng)格和對等技術(shù)的基礎建設、軟件基礎設施和應用。

日本認為網(wǎng)格計算技術(shù)將極大地改變?nèi)毡镜漠a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，成為激活經(jīng)濟的原動力。日本主要在進行國家研究網(wǎng)格計劃(NAREGI)和生物網(wǎng)格計劃(BioGrid)的研究。NAREGI計劃是日本文部科學省推出的“激活經(jīng)濟研究開發(fā)計劃”，目標是使最高運算速度達到100TFLOPS。生物網(wǎng)格計劃(BioGrid)是在2002年啟動的一項為期五年的網(wǎng)格研究計劃，主要由日本文部科學省資助。計劃利用網(wǎng)格計算技術(shù)與超高速網(wǎng)絡，將各大學生物工程研究機構(gòu)所擁有的超級計算機、數(shù)據(jù)庫、高性能觀測設備等研究資源聯(lián)合起來。

我國同世界其他各國政府一樣，為大幅度提高我國的綜合國力和國際競爭能力，對于網(wǎng)格的建設也十分關(guān)注，同時在網(wǎng)格計算方面做了大量基礎性和前瞻性研究工作，并在863專項中提出了具體的目標，專項確立了“戰(zhàn)略與系統(tǒng)綜合研究”、“高性能計算機”、“網(wǎng)格結(jié)點”、“網(wǎng)格軟件”和“應用網(wǎng)格”五個方面的課題。其主要任務是研制面向網(wǎng)格的每秒萬億次級高性能計算機和具有每秒數(shù)萬億次聚合計算能力的高性能計算環(huán)境；開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的網(wǎng)格軟件；建設科學研究、經(jīng)濟建設、社會發(fā)展和國防建設急需的重要應用。目前，我國已開展了“中國國家網(wǎng)格”、“教育科研網(wǎng)格”、“織女星網(wǎng)格”和“先進計算基礎設施北京、上海試點工程”等五大網(wǎng)格項目的研究。

從國內(nèi)外對網(wǎng)格技術(shù)的研究來看，網(wǎng)格技術(shù)的特點主要表現(xiàn)為：（1）網(wǎng)格技術(shù)和多學科結(jié)合；（2）網(wǎng)格技術(shù)應用的領(lǐng)域非常廣泛；（3）網(wǎng)格技術(shù)的全球化。網(wǎng)格技術(shù)正在為我們作出巨大貢獻。

3.格技術(shù)的應用

網(wǎng)格計算技術(shù)是一個正在迅猛發(fā)展的學科。從生物領(lǐng)域的后基因組計劃，到高能物理領(lǐng)域更深層次物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究，再到哈勃望遠鏡所獲取的大量宇宙數(shù)據(jù)的處理，再到氣象、地震預報預測這些重大科學領(lǐng)域的計算問題，促使科學家必須利用分布在世界各地的計算機資源，通過高速網(wǎng)絡連接起來，共同完成計算問題。網(wǎng)格計算技術(shù)的應用正在改變著我們的教育、生產(chǎn)、制造、研究等。

(1)網(wǎng)格技術(shù)在教育領(lǐng)域的應用

利用網(wǎng)格技術(shù)可以將各個分布在各地實驗室中的超級計算機連接起來，形成一個“強強聯(lián)合”的超級信息處理中心。如利用網(wǎng)格技術(shù)將伊利諾州立大學超級計算中心、圣地亞哥大學超級計算中心、阿貢國家試驗室和加州理工學院計算中心連接起來的由美國國家科學基金會建立的“分布式兆兆級網(wǎng)格(TeraGrid)”，就形成一個處理能力約為每秒13.5萬億次浮點操作，存儲容量接近700兆兆字節(jié)的“巨無霸”計算中心，以供許多領(lǐng)域的研究機構(gòu)使用。

網(wǎng)格技術(shù)為我們的學校教學資源提供了共享的新平臺。盡管傳統(tǒng)的網(wǎng)絡教學系統(tǒng)或者基于網(wǎng)絡的遠程教學系統(tǒng)都強調(diào)共享，但這種共享還是處于相對較低的水平上，而且從教學資源上來看，形式多樣，格式不統(tǒng)一，無法進行統(tǒng)一有效的協(xié)調(diào)和管理；硬件和操作系統(tǒng)還并存著各種異構(gòu)系統(tǒng)，許多遠程教育教學系統(tǒng)在不同的平臺上運行；從實現(xiàn)的方式上來講，大多是靜態(tài)或動態(tài)的web頁面，沒有體現(xiàn)服務的概念。網(wǎng)格教學系統(tǒng)的核心是教學資源的共享和教學服務系統(tǒng)的建立，它通過為用戶提供統(tǒng)一的服務接口，實現(xiàn)更高層次的共享。

(2)網(wǎng)格技術(shù)在生物科技領(lǐng)域的應用

網(wǎng)格技術(shù)能滿足生物科技對數(shù)據(jù)的存儲和管理等方面相當高的要求。生物數(shù)據(jù)由于包括物體本身、細胞、染色體、DNA、單個細胞的循環(huán)等各個方面的信息，所以非常復雜。這樣，數(shù)據(jù)庫的整合就成為關(guān)鍵問題。比如說，在研究水稻的蛋白結(jié)構(gòu)時，可能會用到基因數(shù)據(jù)庫、蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫、基因表達數(shù)據(jù)庫和蛋白質(zhì)相互作用的數(shù)據(jù)庫，在這種情況下，應用網(wǎng)格技術(shù)，能在較短時間內(nèi)把需要的數(shù)據(jù)從不同的數(shù)據(jù)庫中挑選出來綜合在一起，省去了多次訪問不同數(shù)據(jù)庫的時間。

(3)網(wǎng)格技術(shù)在網(wǎng)絡娛樂領(lǐng)域的應用

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)技術(shù)是一種利用計算機圖形技術(shù)人工合成的可以按照用戶的輸入而變化的模擬仿真環(huán)境，一個多維信息空間，一個用戶可與計算機系統(tǒng)自然交互的三維人機界面。由于運行虛擬現(xiàn)實技術(shù)所需要的計算資源太過于龐大，目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)只用于飛行員、宇航員等的訓練工作，普通個人根本無法享受這一技術(shù)帶來的娛樂體驗。利用網(wǎng)格這種造價低廉而數(shù)據(jù)處理能力超強的計算模式，可以將虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用于網(wǎng)絡游戲中，讓參與游戲的人可以真切地感受虛擬環(huán)境所帶來的游戲快感。美國游戲基礎設施提供商Butterfly.net公司目前使用的就是IBM的網(wǎng)格計算服務器。該服務器利用了網(wǎng)格技術(shù)自恢復特性，能夠無縫隙地將所玩的游戲轉(zhuǎn)到最近的可用服務器上，實現(xiàn)了用戶資源的統(tǒng)一調(diào)動、統(tǒng)一保存，極大提高了游戲運行和服務的可擴充性。據(jù)Butterfly.net與IBM的評估，在同相同的預定收益中，利用網(wǎng)格技術(shù)布置的網(wǎng)格服務器產(chǎn)生的利潤是傳統(tǒng)集中式服務器的8倍。而對于個人用戶來說，網(wǎng)格服務器則意味著更安全、更快捷的游戲體驗。

(4)網(wǎng)格技術(shù)在其它領(lǐng)域的應用

網(wǎng)格技術(shù)可以整合和管理分散在各部門的信息化資源，實現(xiàn)各個政府部門之間數(shù)據(jù)的無縫交換，消除“信息孤島”，打破電子政務資源共享的瓶頸；另一方面，網(wǎng)格技術(shù)的分布式工作模式，可以有效地實現(xiàn)在網(wǎng)絡虛擬環(huán)境下的協(xié)同辦公，提高政府的工作效率、增強為公眾服務的能力。

網(wǎng)格技術(shù)為企業(yè)的信息處理提供了很大的平臺。IBM推出一個網(wǎng)格計算力出租的計劃。為幫助軟件廠商開發(fā)新的應用程序，并測試現(xiàn)有的應用程序，IBM為這些軟件廠商提供IBM網(wǎng)格運算服務器的免費存取權(quán)。擁有免費存取權(quán)的軟件開發(fā)人員可以利用IBM網(wǎng)格服務器的強大運算資源，快速完成新開發(fā)的軟件所必需的調(diào)試及模擬運算，從而縮短程序從開發(fā)到應用的周期，提高軟件的開發(fā)速度。

網(wǎng)格技術(shù)的應用領(lǐng)域非常廣泛，網(wǎng)絡通信基礎技術(shù)和應用技術(shù)科學研究、環(huán)境資源、制造業(yè)、服務業(yè)生物工程汽車制造、制藥、太空研究和氣象研究分子電子學和生物分子元件等，這些都將為我們的生活和工作帶來巨大改變。

4.結(jié)束語

隨著高性能計算應用需求的迅猛發(fā)展，在單一的計算機上或單一的計算機群系統(tǒng)上已不能解決一些超大規(guī)模應用問題，這就需要將地理上分布、系統(tǒng)異構(gòu)的各種高性能計算機、數(shù)據(jù)服務器、大型檢索存儲系統(tǒng)和可視化、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)等，通過高速互連網(wǎng)絡連接并集成起來，形成對用戶相對透明的虛擬的高性能計算環(huán)境。

可以說網(wǎng)格是未來信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大趨勢，它將極大地改變我們的生活和工作。未來的網(wǎng)格計算主要有三大發(fā)展趨勢：即標準化、大型化和技術(shù)融合化。也就是說，網(wǎng)格計算將在行業(yè)應用的引導下，以標準化向更廣域、多學科滲透，網(wǎng)格的一切對外功能都將以網(wǎng)格服務來體現(xiàn)，技術(shù)將進一步融合，且將逐漸從高性能計算走向商業(yè)應用，從前沿技術(shù)走向?qū)嵱没?、大眾化?？梢灶A見，今后網(wǎng)格計算技術(shù)仍將快速發(fā)展，從而開創(chuàng)計算科學的一個新紀元。

[1] 都志輝，陳渝，劉鵬.網(wǎng)格計算[M].北京：清華大學出版社.2002：3-5.

[2] 許文韜.網(wǎng)格技術(shù)綜述.微型電腦應用[J].2002(18)：62-64.

[3] 全球網(wǎng)格論壇.http：//www.gridforum.org.