網(wǎng)格技術(shù)綜述

摘 要：本文對(duì)網(wǎng)格、網(wǎng)格計(jì)算的概念、特點(diǎn)和應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)格；網(wǎng)格計(jì)算；資源共享

中圖分類號(hào)：TP391.41

網(wǎng)格是一種信息社會(huì)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，它實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)上所有資源的互聯(lián)互通和共享資源，包括計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、通信資源、軟件資源、信息資源、知識(shí)資源、數(shù)據(jù)資源、專家資源等，網(wǎng)格可實(shí)現(xiàn)異地協(xié)同工作，支持開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)、功能動(dòng)態(tài)變化。網(wǎng)格的影響是全社會(huì)的，涉及人們工作和生活的方方面面。例如，電子政務(wù)中的一站式辦公，制造企業(yè)中的異地設(shè)計(jì)、制造、海量數(shù)據(jù)的管理和資源共享，社保系統(tǒng)中的養(yǎng)老金防冒領(lǐng)、跨地區(qū)就醫(yī)保費(fèi)支付等業(yè)務(wù)和應(yīng)用，都需要用網(wǎng)格技術(shù)來(lái)解決。

1 網(wǎng)格技術(shù)概述

1.1 網(wǎng)格

網(wǎng)格就是一個(gè)集成的計(jì)算與資源環(huán)境，或者說(shuō)是一個(gè)計(jì)算資源池，它利用互聯(lián)網(wǎng)把地理上廣泛分布的各種資源連成一個(gè)邏輯整體，就像一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)一樣（虛擬的超級(jí)計(jì)算機(jī)），為用戶提供一體化信息和應(yīng)用服務(wù)（計(jì)算、存儲(chǔ)、訪問(wèn)等），虛擬組織最終實(shí)現(xiàn)在這個(gè)虛擬環(huán)境下進(jìn)行資源共享和協(xié)同工作，最充分的實(shí)現(xiàn)信息共享。過(guò)去，人們使用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)，只是把Internet作為信息交互的平臺(tái)，發(fā)送電子郵件或網(wǎng)頁(yè)瀏覽，而網(wǎng)格技術(shù)將Internet作為計(jì)算機(jī)資源共享的平臺(tái)，使其得到了更好、更寬的發(fā)展。

1.2 網(wǎng)格計(jì)算

“網(wǎng)格計(jì)算”（Grid Computing）廣義的定義就是基于網(wǎng)格對(duì)問(wèn)題求解的過(guò)程。狹義定義中的網(wǎng)格資源主要是指分布的計(jì)算機(jī)資源，而網(wǎng)格計(jì)算是指將分布的計(jì)算機(jī)組織起來(lái)協(xié)同解決復(fù)雜的科學(xué)與工程計(jì)算問(wèn)題。即分布式計(jì)算，分布式計(jì)算是一門(mén)計(jì)算機(jī)科學(xué)。它研究如何把一個(gè)需要非常巨大的計(jì)算能力才能解決的問(wèn)題分成許多小的部分，然后把這些部分分配給許多計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，最后把這些計(jì)算結(jié)果綜合起來(lái)得到最終結(jié)果。網(wǎng)格計(jì)算作為新一代的分布式計(jì)算方法，與傳統(tǒng)分布式計(jì)算的主要區(qū)別在于在沒(méi)有集中控制機(jī)制的情況下，通過(guò)對(duì)計(jì)算資源進(jìn)行大規(guī)模共享，滿足應(yīng)用對(duì)高性能計(jì)算要求，并且這種對(duì)計(jì)算資源進(jìn)行大規(guī)模共享是動(dòng)態(tài)的、柔性的、安全的和協(xié)作式的。

2 網(wǎng)格技術(shù)的特點(diǎn)

2.1 網(wǎng)格的特點(diǎn)

（1）資源共享：網(wǎng)格與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)不同，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的是一種硬件的連通，而網(wǎng)格能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層面的連通。即把實(shí)際的用戶和資源虛化抽象為網(wǎng)格用戶和網(wǎng)格資源。網(wǎng)格用戶使用標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)放、通用的協(xié)議和界面，可以訪問(wèn)網(wǎng)格中的各種資源，但實(shí)際的用戶和物理資源是相互不可見(jiàn)的，資源對(duì)外提供的只是一個(gè)虛擬化的接口。在網(wǎng)格中各種資源都能被共享使用，網(wǎng)格中的多個(gè)用戶可以共同使用網(wǎng)格中的一個(gè)資源，網(wǎng)格中的一個(gè)用戶也可以同時(shí)使用多個(gè)網(wǎng)格資源。網(wǎng)格提供的資源共享，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序的互連互通。

（2）異地協(xié)同工作：網(wǎng)格第二個(gè)特點(diǎn)是協(xié)同工作，很多網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)可以共同處理一個(gè)項(xiàng)目。

（3）通用開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，非集中控制，非平凡服務(wù)質(zhì)量：這是Ian Foster最近提出的網(wǎng)格檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)格是基于國(guó)際的開(kāi)放技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這跟以前很多行業(yè)、部門(mén)或者公司推出的軟件產(chǎn)品不一樣。

（4）動(dòng)態(tài)功能，高度可擴(kuò)展性：網(wǎng)格可以提供動(dòng)態(tài)的服務(wù)，能夠適應(yīng)變化。同時(shí)網(wǎng)格并非限制性的，它實(shí)現(xiàn)了高度的可擴(kuò)展性。

2.2 網(wǎng)格計(jì)算的特點(diǎn)

（1）更好地利用計(jì)算資源。網(wǎng)格計(jì)算可以更加有效地使用分布式的計(jì)算資源，提供更多可用的計(jì)算力。這可以減少對(duì)市場(chǎng)的響應(yīng)時(shí)間，提高產(chǎn)品創(chuàng)新能力，為改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行額外的測(cè)試和仿真。網(wǎng)格計(jì)算通過(guò)使用現(xiàn)有的資源幫助組織機(jī)構(gòu)保護(hù)IT方面的投資，以不變的投資獲得更多計(jì)算能力

（2）增加用戶的生產(chǎn)力。通過(guò)提供對(duì)資源的透明訪問(wèn)，用戶可以更快地完成工作。用戶還可以獲得額外的生產(chǎn)力，因?yàn)樗麄兛梢詫Ｗ⒂谠O(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)而再為收集計(jì)算資源和人工調(diào)度和管理大量工作浪費(fèi)寶貴的時(shí)間。

（3）高度可伸縮性。網(wǎng)格可以隨時(shí)間無(wú)縫地增長(zhǎng)，允許成千上萬(wàn)的處理器集成為一個(gè)聚簇?？梢元?dú)立地升級(jí)系統(tǒng)組件，一旦需要就可以增加額外的資源，減少大量一次性支出。

（4）高度柔性。網(wǎng)格計(jì)算可以在最需要的地方提供計(jì)算力，幫助更好地滿足動(dòng)態(tài)變化的工作負(fù)荷。網(wǎng)格可以包含異構(gòu)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)，允許根據(jù)指令增加或刪除資源。

3 網(wǎng)格技術(shù)的應(yīng)用

3.1 網(wǎng)格技術(shù)應(yīng)用

（1）學(xué)科研究?，F(xiàn)在科學(xué)研究的問(wèn)題空前復(fù)雜化，而復(fù)雜科學(xué)領(lǐng)域的計(jì)算通常以超級(jí)計(jì)算機(jī)作為數(shù)據(jù)處理中心，超級(jí)計(jì)算機(jī)雖然處理能力強(qiáng)大，但是其本身的造價(jià)極其高昂，并不是所有的研究機(jī)構(gòu)都有能力配備。網(wǎng)格技術(shù)的出現(xiàn)，最大程度地提高了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)計(jì)算資源的利用率。利用網(wǎng)格提高現(xiàn)有資源利用率主要有兩種辦法：一是利用網(wǎng)格技術(shù)可以將各個(gè)實(shí)驗(yàn)室的超級(jí)計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，形成一個(gè)“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”的超級(jí)信息處理中心。另外一種方式就是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，利用互聯(lián)網(wǎng)個(gè)人用戶的閑置計(jì)算機(jī)，進(jìn)行科學(xué)研究。

（2）企業(yè)、商業(yè)信息處理。網(wǎng)格信息集成將更多地用在企業(yè)、商業(yè)上。網(wǎng)格將使分布在世界各地的應(yīng)用程序和各種信息，能夠進(jìn)行無(wú)縫融合和溝通，從而形成嶄新的商業(yè)機(jī)會(huì)。例如，如果所有的超市和商場(chǎng)都通過(guò)網(wǎng)格服務(wù)將其銷售信息動(dòng)態(tài)發(fā)布出來(lái)，任何一家工廠就可以隨時(shí)知道自己所生產(chǎn)的產(chǎn)品的實(shí)時(shí)銷售情況，從而極其精準(zhǔn)地安排生產(chǎn)，避免原料和庫(kù)存的浪費(fèi)；再如，對(duì)于一位想到美國(guó)旅行的人來(lái)說(shuō)，他需要辦理各種手續(xù)：護(hù)照、簽證、機(jī)票、酒店、地面交通，等等。如果所有的服務(wù)設(shè)施都把它們的服務(wù)在網(wǎng)格發(fā)布出來(lái)了的話，就可以讓程序自動(dòng)為其辦理手續(xù)和安排行程了。

（3）電子政務(wù)。網(wǎng)格技術(shù)可以整合和管理分散在各部門(mén)的信息化資源，實(shí)現(xiàn)各個(gè)政府部門(mén)之間數(shù)據(jù)的無(wú)縫交換，消除“信息孤島”，打破電子政務(wù)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(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境下的協(xié)同辦公，提高政府的工作效率、增強(qiáng)為公眾服務(wù)的能力。

（4）個(gè)人娛樂(lè)。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)視頻點(diǎn)播與在線游戲已經(jīng)成為個(gè)人娛樂(lè)重要的一環(huán)。使用網(wǎng)格，可以為游戲開(kāi)發(fā)商和服務(wù)供應(yīng)商提供可擴(kuò)展的、高彈性的基礎(chǔ)設(shè)施以運(yùn)行大型多人游戲，讓參與游戲的人可以真切地感受虛擬環(huán)境所帶來(lái)的游戲快感。而對(duì)于個(gè)人用戶來(lái)說(shuō)，網(wǎng)格服務(wù)器則意味著更安全、更快捷的游戲體驗(yàn)。

（5）軍事領(lǐng)域。全球信息網(wǎng)格GIG（Global Information Grid）是網(wǎng)格信息集成在軍事應(yīng)用上例子。從1999年開(kāi)始，美國(guó)國(guó)防部計(jì)劃為之投入數(shù)百億美元，耗時(shí)將長(zhǎng)達(dá)十年以上。GIG將集成各種軍事信息，包括偵察、智能、戰(zhàn)斗信息、后勤、運(yùn)輸、醫(yī)療等，并通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算和通信完成信息的收集、處理、存儲(chǔ)、分發(fā)、管理和安全保障等功能。GIG的目標(biāo)是綜合系統(tǒng)中所有的信息和能力，提供單一的、集成的、安全的、端到端的信息系統(tǒng)，允許用戶訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序，而不管他們身在何處。美國(guó)國(guó)防部設(shè)想，依靠GIG的幫助，到2010年，衛(wèi)星、預(yù)警機(jī)、雷達(dá)及情報(bào)人員等采集到的所有相關(guān)信息經(jīng)過(guò)處理后，將實(shí)時(shí)反饋到駕駛艙，不僅讓飛行員對(duì)它的周邊情況了如指掌，還讓機(jī)群和地面部隊(duì)、海面艦船的配合天衣無(wú)縫。也正是依靠這套系統(tǒng)，可以將誤傷友軍或平民目標(biāo)的情形減少到最低限度。

3.2 網(wǎng)格計(jì)算應(yīng)用

（1）分布式超級(jí)計(jì)算。網(wǎng)格計(jì)算可以把分布式的超級(jí)計(jì)算機(jī)集中起來(lái)，協(xié)同解決復(fù)雜的大規(guī)模的問(wèn)題。使大量閑置的計(jì)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(shí)滿足。

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

（3）數(shù)據(jù)密集型計(jì)算 。數(shù)據(jù)密集型的問(wèn)題的求解往往同時(shí)產(chǎn)生很大的通訊和計(jì)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(jì)、計(jì)算力學(xué)、計(jì)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(shuō)實(shí)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(wèn)題也越來(lái)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(jì)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(huì)受到太大的干擾。需要計(jì)算能力的人可以不必購(gòu)買(mǎi)大的計(jì)算機(jī)，只要根據(jù)自己的任務(wù)的需求，向網(wǎng)格購(gòu)買(mǎi)計(jì)算能力就可以滿足計(jì)算需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

網(wǎng)格技術(shù)讓人們共享海量數(shù)據(jù)，網(wǎng)格計(jì)算匯聚了各種異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)，形成了高性能的聯(lián)合計(jì)算環(huán)境，而網(wǎng)格技術(shù)應(yīng)用已滲入到許多領(lǐng)域，如“林業(yè)網(wǎng)格”、“水利網(wǎng)格”、“知識(shí)網(wǎng)格”、“中國(guó)教育網(wǎng)格”和“科學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)格”等，下一步網(wǎng)格的目標(biāo)是普及網(wǎng)格知識(shí)、培養(yǎng)網(wǎng)格人才，推動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)的發(fā)展。

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作者單位：洛陽(yáng)理工學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心，河南洛陽(yáng) 471000