計算機網格應用研究論文

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[摘要]文章論述了網格計算的發展概況、在科學領域的應用范圍、網格服務的特點以及在未來網絡市場中的發展潛力。

[關鍵詞]數據庫；浮點運算；虛擬化；資源共享

現代社會由于大規模的科學和工程計算的需求，迫使計算機必須不斷地提高其運算速度和存儲容量。計算機的發展歷史表明，為了達到更好的處理性能，除了必須提高系統的硬件的速度外，系統的結構也必須不斷改進，特別是當元器件的速度達到極限時，后者將變成焦點問題。于是，超級并行機已經成為復雜科學計算領域的主宰。但以超級計算機為中心的計算模式存在明顯的不足，而且目前正在經受挑戰。超級計算機雖然是一臺處理能力強大的“巨無霸”，但它的造價極其昂貴，通常只有一些國家級的部門，如航天、軍事、氣象等部門才有能力配置這樣的設備。而隨著人們在日常工作遇到的商業計算越來越復雜，人們迫切需要數據處理能力更強大的計算機，而超級計算機的價格顯然阻止了它進入普通人的工作領域。于是，人們開始尋找一種造價低廉而數據處理能力超強的計算模式，最終科學家們經過努力找到了答案——GridComputing（網格計算）。

網格（grid）是一個集成的計算與資源環境，或者說是一個計算資源池。網格也是一種先進的計算基礎設施（AdvancedComputationalInfrastructure，簡稱ACI），用于研究與工程應用相結合的項目，學科領域涉及超級計算技術、網絡技術、數據庫技術、中間件技術、并行算法和各種計算科學研究與應用技術，是一個綜合性的跨學科高技術研究課題。網格計算（GridComputing）是伴隨著互聯網技術而迅速發展起來的，是將地理上分布的計算資源（包括數據庫、貴重儀器等各種資源）充分利用起來，協同解決復雜的大規模問題,特別是解決僅靠本地資源無法解決的復雜問題，是專門針對復雜科學計算的新型計算模式。這種計算模式是利用互聯網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”，其中每一臺參與計算的計算機就是一個“節點”，而整個計算是由成千上萬個“節點”組成的“一張網格”，所以這種計算方式叫網格計算。這樣組織起來的“虛擬的超級計算機”有兩個優勢，一個是數據處理能力超強；另一個是能充分利用網上的閑置處理能力。簡單地講，網格是把整個網絡整合成一臺巨大的超級計算機，實現計算資源、存儲資源、數據資源、信息資源、知識資源、專家資源的全面共享。

近年來，隨著計算機計算能力的迅速增長，互聯網絡的普及和高速網絡成本的大幅度降低以及傳統計算方式和計算機的使用方式的改變，網格計算已經逐漸成為超級計算發展的一個重要趨勢。網格計算是一個嶄新而重要的研究領域，它以大粒度資源共享，高性能計算和創新性應用為主要特征，必將成為21世紀經濟發展的重要推動力。

二十世紀九十年代以來，世界各個國家，尤其是發達國家，建立了很多超級計算應用中心（NCSA）和工程研究中心，美國還制定了新一輪規劃的先進計算框架計劃(ACIP),發展面向21世紀的先進計算技術.我國在科技部的領導和主持下，經過306主題專家組及相關單位的努力，作為我國高性能計算和信息服務的戰略性基礎設施的國家高性能計算環境發展很快。在已建成的5個國家級高性能計算中心基礎上，又于中南、西北等地建立了新的國家高性能計算中心，科技部并加強了網格節點的建設，形成以科學院為主體的計算網格。教育部也啟動了網格計算工程，第一批12個網點正在建設中，國家基金委也列出專向基金資助網格計算。

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

在科學計算領域，網格計算可以在以下幾個方面得到廣泛應用：

1.分布式超級計算。網格計算可以把分布式的超級計算機集中起來，協同解決復雜的大規模的問題。使大量閑置的計算機資源得到有效的組織，提高了資源的利用效率，節省了大量的重復投資，使用戶的需求能夠得到及時滿足。

2.高吞吐率計算。網格技術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，將大量空閑的計算機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.數據密集型計算。數據密集型的問題的求解往往同時產生很大的通訊和計算需求，需要網格能力才可以解決。網格可以藥物分子設計、計算力學、計算材料、電子學、生物學、核物理反應、航空航天等眾多的領域得到廣泛的需求。

4.基于廣泛信息共享的人與人交互。網格的出現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人與人之間的智慧共享。

5.更廣泛的資源貿易。隨著大型機的性能的提高和微機的更加普及，及其資源的閑置的問題也越來越突出，網格技術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，只要根據自己的任務的需求，向網格購買計算能力就可以滿足計算需求。早期的網格體系結構是五層沙漏結構。在五層沙漏結構中，最重要的思想是以“協議”為中心，它側重于外部的行為而不是內部的特征，通過協議可以實現一種機制，使得虛擬組織的擁護與資源之間可以進行資源使用的協商，建立共享關系，并且可以進一步管理和開發新的共享關系。這一標準化的開放結構對網格的擴展性、互操作性、一致性以及代碼的共享都有好處。

在2002年的2月，IBM與Globus共同發表了OGSA（OpenGridServicesArchitecture），勾勒了GlobusToolkit3.0的藍圖。OGSA主要是將WebServices、數據庫存取、J2EE等技術規范納入網格計算。初步的規范已經公布在網絡上供大家評估建議。

五層沙漏模型中，強調的是被共享的物理資源（或者是這些資源所支持的服務）在OGSA中，服務所指的概念更廣，包括各種計算資源、存儲資源、網絡、程序、數據庫等等，一切都是服務。五層模型實現的是對資源的共享，而在OGSA中，實現的對服務的共享。在OGSA中一切都看作是網格服務，網格是可擴展的網格服務的集合，即網格={網格服務}。

以網格服務為中心的模型的好處有以下幾點：

網格中所有組建都是虛擬的，通過提供一組相對統一的核心接口，所有的網格服務都基于這些接口的實現，就可以很容易地構造出具有層次結構的、更高級別的服務，這些服務可以跨越不同的抽象層次，以一種統一的方式來看待。

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，在對服務進行組合時不必考慮具體的實現，可以以底層資源組成為基礎，在虛擬組織中進行資源管理。通過網格服務的虛擬化，可以將通過的服務語義和行為，無縫地映射到本地平臺的基礎設施之上。

“藍色巨人”IBM正在構筑一項名為“GridComputing”的計劃，旨在通過因特網，向每一臺個人電腦提供超級的處理能力。IBM公司副總裁、也是這項計劃的總設計師歐文·伯杰說，“GridComputing”是一種整合電腦資源的新手段，它通過因特網把分散在各地的個人電腦連接起來，不僅可使每臺個人電腦通過充分利用相互間閑置的電腦能源，來提升各自的電腦處理能力，還可使成千上萬的用戶在大范圍的網絡上共享電腦處理功能、文件以及應用軟件。正如網絡技術總是從科學開發領域轉向企業商務領域一樣，我們也希望看到‘GridComputing’能取得這樣的進展。

另一個業界巨人SUN也推出新軟件促進網絡計算的發展。2001年11月，Sun推出了SunGridEngine企業版軟件的、，繼續提升它的網絡技術計算水平。該軟件自推出以來，SunGridEngine企業版軟件的用戶已經增長了20倍。今天，全球有118000多顆CPU都是采用SunGridEngine軟件管理的。

除此之外，一批圍繞網格計算的軟件公司也逐漸壯大和為人所知并成為受到關注的新商機，如：Entropia、Avaki、Noemix、DataSynapse等等。有業界專家預測，網格計算將成為未來網絡市場發展的熱點。據《ForbesASAP》預測，網格技術將在本年度達到高峰，并帶來因特網的新生。如果網格技術能促使市場按預期的17%年增長率持續成長的話，那么在2020年將會形成一個年產值20萬億美元的大產業.

【參考文獻】

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