网格计算综述-许东菊

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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。
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。
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。
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。
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?
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Globus 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。
（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。
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。
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.它所行使的作用与电 网中的电力公司相似，除了管理服务提供商在网 格节点上的“就位”，还负责管理用户服务，承 包企业的IT应用.他们可以通过将现有设备和资 源网络化，从而构造各种性质的网格，如地区性、 行业性、专业性的网格系统.人们只要把自己的 微机接人网格系统，就可以直接使用网格上的各 种计算资源、信息资源和知识资源，就像使用家 中的水、电、气、电话等一样.
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（Global Information Grid）”，预计在2020 年完成。
（1）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。
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。