网格计算综述-许东菊

1、网格计算综述Review on Grid Computing什么是网格计算为什么需要网格计算目前的主要研究现状 主要的研究内容 主要的应用什么是网格计算网格计算是伴随着互联网而迅速发展起来的专门针对复杂科学计算的新型计算模式。这种计算模式利用互联网把分散在不同地理位置的计算机组织成一个虚拟的超级计算机, 其中每一台参与计算的计算机就是一个节点, 而整个计算是由成千上万个节点组成的一张网格, 所以这种计算方式叫网格计算。网 格计算实际上应归属于分布式计算(Distributed Computing)。网格计算模式首先把要计算的数据分割成若干“小片”，而计算这些“小片”的软件通常是一个预先编制好的

2、程序，然后处于不同节点的计算机可根据自己的处理能力下载一个或多个数据片断和程序。只要节点的计算机的用户不使用计算机时，程序就会工作。为什么需要网格计算随着超级计算机的不断发展，它已经成为复杂科学计算领域的主导，但以超级计算机为中心的计算模式存在明显的不足，而且正在经受挑战。超级计算机虽然是一种处理能力强大的计算机，但它造价极高，通常只有一些国家级的部门，如航天、气象等部门才有能力配置这样的设备。随着人们日常生活和工作中遇到的计算越来越复杂，人们将越来越需要数据处理能力强大而价格相对便宜的计算机，而超级计算机的价格显然阻止了它进入普通人的领域。于是，人们开始寻找一种造价低廉而数据处理能力超强的计

3、算模式，这就是网格计算。 归纳起来，网格计算主要满足了以下需求。（1）科学与社会经济发展的需求。（2）复杂科学问题的解决需要多学科领域、多种研究方法、多种工具与手段的协同努力。（3）经济发展需要通过分工合作来提高效率、降低成本。（4）在理论与实验上，现代科学中必须通过复杂计算才能解决 的问题越来越多。目前的主要研究现状网格技术在中国的发展情况 网格的作用有目共睹。同世界其他各国政府一样，为大幅度提高我国综合国力和国际竞争能力，我国政府对于网格建设也十分关注，在863专项中提出建设“中国国家高性能计算环境(中国国家网格”)。国家高性能计算环境项目的目标是:建立一个计算资源广域分布、支持异构特性的

4、计算网格师范系统，把我国的8个高性能计算中心通过Internet连接起来，进行统一的资源管理、信息管理和用户管理， 并在此基础上开发了多个需要高性能计算能力的网格应用系统，取得一系列研究成果。中国国家网格将提供高性能计算、资源共享、协同工作的能力;在科学研究、环境资源、制造业、服务业中建设若干大型行业应用网格;研制面向网格计算的高性能计算机，装备网格节点，促进我国高性能计算机的研究和产业化;研究以网格软件为代表的网格核心技术，在网格体系结构和网格软件、网格应用技术、网格服务模式、网格安全以及网格管理和运行机制等方面突破一批关键技术;推动网格的产业化进程。我国对网格计算的研究始于1998年，在关

5、键技术研究方面与国外差距不大。目前 ， 我国的网格计算研究主要集中在中科院计算所、国防科大、江南计算所、清华大学等有较强实力的研究单位。国外研究现状 目前，国外的网格研究主要集中在美国和欧洲等发达国家。这些国家在网格研究阶段度投入了大量的财力、物力和人力，并取得了一些初步成果。最“正统”的网格研究来源于美国联邦政府过去资助的高性能计算项目。这方面的代表性研究工作包括美国国家科学基金会资助的NPACI，“国家技术网格”（NTG），分布万亿次级计算设施（DTF）、美国宇航总署的IDG、美国能源部的ASCI Grid以及欧盟的Data Grid 等。其中最著名、最具代表性的网格计算研究是美国Glob

6、us 项目。Globus是美国Argonne 国家实验室的研发项目，全美有12所大学和研究机构参与了该项目。 Globus对资源管理、安全、信息服务及数据管理等网格计算的关键理论进行研究，开发能在各种平台上运行的网格计算工具软件Toolkit，帮助规划和组建大型的网格试验平台，开发适合大型网格系统运行的大型应用程序。Globus的技术已在NASA网格（NASA IPG）、欧洲数据网格（Data Grid）、美国国家技术网格（NTG）等8个项目中得到应用。英国已投资1亿英镑用来研制“英国国家网格（UK National Grid）”。美国军方正规划实施一个宏大的网格计划，叫做“全球信息网格（Gl

7、obal Information Grid）”，预计在2020 年完成。主要研究内容网格体系结构 网格体系结构是关于如何建造网格的技术，包括对网格基本组成部分和各部分功能的定义和描述，网格各部分相互关系与集成方法的规定是网格有效运行机制的刻画。 显然，网格体系结构是网格的骨架和灵魂，是网格最核心的技术，只有建立合理的网格体系结构，才能够设计和建造好网格，才能够使网格有效地发挥作用。比较流行的网格体系结构是以协议为中心的协议结构，即如下图所示的五层沙漏体系结构。构造层（Fabric）它的功能是向上提供网格中可供共享的资源，它们是物理或逻辑实体。连接层（Connectivity.）它是网格中网络事

8、务处理通信与授权控制的核心协议。构造层提交的各种资源间的数据交换都在这一层的控制下实现。各资源间的授权验证、安全控制也在这里实现。 资源层（Resource）这一层的作用是对单个资源实施控制，与可用资源进行安全握手、对资源做初始化、监测资源运行状况、统计与付费等有关的资源使用数据。汇聚层（Collective）这层的作用是将资源层提交的受控资源汇聚在一起，供虚拟组织的应用程序共享、调用。 应用层（Applications）这层是网格用户的应用程序。应用程序通过各层的API调用相应的服务，再通过服务调用网格上的资源来完成任务。网格的关键技术 为实现网格计算的目标，必须重点解决三个关键问题。（1）

9、异构性由于网格是由分布在广域网上不同管理域的各种计算资源组成的，怎样实现异构机器间的合作和转换是首要问题。（2）可扩展性要在网格资源规模不断扩大、应用不断增长的情况下，不降低网格的性能。（3）动态自适应性在网格计算中，某一节点资源出现故障或失败的可能性较高，资源管理必须能动态监视和管理网格资源，从可利用的资源中选取最佳资源服务。网格计算的安全问题 网格计算一个最早的引发点是受到了电网的启示,所以,网格计算与电网有很多地方可以类比。正如电网的首要问题是安全一样, 网格计算的安全也是最为重要的。通俗地说,需要重视的安全问题主要来自两个方面,一是身份验证的问题,另一个是网格计算必须要受到有序的控制和

10、管理。对于网格计算中的身份验证问题, 虽然与我们现在的基于客户机/服务器模式的身份验证有所不同,但目前各大学和研究机构多是采用安全的telnet 和ftp 应用环境,虽然黑客们也会对此发动攻击和挑战,以达到偷电的目的,但其危险性会因人为的干预或者安全措施的加强而并不十分严重。 相比之下,网格计算的有序管理问题就要麻烦和危险得多。网格计算是利用互联网把分散在不同地理位置的电脑组织成一个虚拟的超级计算机,这样组织起来的虚拟的超级计算机具有极强的数据处理能力。这使得普通用户也能指挥和调度一台超级计算机, 但令人遗憾的是, 网格计算本身不能区分你是一个善良的用户还是一个黑客? 也不能区分你的项目是用成

11、千上万台PC联手寻找外星人,还是成千上万台PC联手破解美国政府的核武器机密?主要的应用随着 网 格 研究的深人和应用的不断需求，网格具有广阔美好的应用前景: (1) 利 用 网格形成的超级计算功能，实现各计算中心计算资源共享.在基础研究、汽车、大型水电工程、石油勘探、气象气候、航空、交通、金融、农林、医疗等领域提供超级计算功能，发挥空前的作用。 (2) 利用网格智能信息处理功能，为用户提供一体化的智能信息服务.实现全面的信息资源共享，解决信息孤岛问题，使用户通过单一人口访问所有信息资源。(3) 网格的进一步发展将会催生新的行业.网格的根本特征是资源共享而不是规模大小，因此，随着网格技术的发展，将会诞生一些专门提供网络服务的公司一计算力公司.它所行使