网格技术的探讨 网格技术

　　摘要：该文论述了网格技术的概况、国内一些有代表性的网格研究计划的开发进展，以及网格发展面临的技术问题。 　　关键词：网格；网格计算；技术问题 　　 　　1 概况
　　
　　网格（grid）是一个集成的计算与资源环境，或者说是一个计算资源池。网格也是一种先进的计算基础设施（Advanced Computational Infrastructure，简称ACI），用于研究与工程应用相结合的项目，学科领域涉及超级计算技术、网络技术、数据库技术、中间件技术、并行算法和各种计算科学研究与应用技术，是一个综合性的跨学科高技术研究课题。网格计算（Grid Computing）是伴随着互联网技术而迅速发展起来的，是将地理上分布的计算资源（包括数据库、贵重仪器等各种资源）充分利用起来，协同解决复杂的大规模问题，特别是解决仅靠本地资源无法解决的复杂问题，是专门针对复杂科学计算的新型计算模式。这种计算模式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” ，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。这样组织起来的“虚拟的超级计算机”有两个优势，一个是数据处理能力超强；另一个是能充分利用网上的闲置处理能力。
　　近年来，随着计算机计算能力的迅速增长，互联网络的普及和高速网络成本的大幅度降低，以及传统计算方式和计算机的使用方式的改变，网格计算已经逐渐成为超级计算发展的一个重要趋势。网格计算是一个崭新而重要的研究领域，它以大粒度资源共享、高性能计算和创新性应用为主要特征，必将成为21世纪经济发展的重要推动力。
　　
　　2 中国网格技术研究动向
　　
　　为大幅度提高我国的综合国力和国际竞争能力，我国对于网格的建设十分关注，同时在网格计算方面做了大量基础性和前瞻性研究工作。并在863专项中提出了具体的目标。专项确立了“战略与系统综合研究” 、“高性能计算机” 、“网格结点” 、“网格软件”和“应用网格”五个方面的课题。主要任务是研制面向网格的每秒万亿次级高性能计算机和具有每秒数万亿次聚合计算能力的高性能计算环境；开发具有自主知识产权的网格软件；建设科学研究、经济建设、社会发展和国防建设急需的重要应用网格；形成若干网格技术的国家标准，参与制定国际标准。
　　目前，我国已开展了“中国国家网格” 、“教育科研网格” 、“织女星网格”和“先进计算基础设施北京、上海试点工程”等网格项目的研究。参与研究的主要有中科院计算所、清华大学、联想集团、江南计算所等几家在高性能计算方面有较强实力的研究单位。
　　(1)“中国国家网格”(China National Grid)
　　 “中国国家网格”是国家级高性能计算和信息服务的战略性基础设施，它将在全国范围内为各行业和社会大众提供各种一体化的高性能计算环境和信息服务。专项于2002年4月启动，投资高达3亿人民币，目标是提供高性能计算、资源共享、协同工作的能力，同时在科学研究、环境资源、制造业、服务业中建设若干大型行业应用网格；并研制面向网格计算、具有良好的应用开发环境的高性能计算机，装备网格结点，促进我国高性能计算机的研究和产业化。
　　(2)“教育科研网格”(China Grid)
　　 教育部依托教育与科研网CERNET和高校的大量计算资源和信息资源，推出了ChinaGrid计划。ChinaGrid包括开发相应的网格软件，配合网络计算机(NC)的使用，将分布在教育与科研网格上自治的分布异构的海量信息资源集成起来，建立聚合能力超过每秒15万亿次量级的教育科研网格，总存储容量超过260TB，结点覆盖211建设的100所部属高等院校，实现CERNET环境下资源的有效共享，消除信息孤岛。 ChinaGrid当时的第一期规划：在2002年～2005年期间，建立12个计算网格的主结点，提供具有高性能计算、资源共享、协同工作的服务平台。每个主结点建立一个聚合计算能力超过每秒5000亿次、存储能力分别达到5TB的超级计算结点，并通过相应的计算网格软件将分布在12个主结点的高性能计算机连接起来，使整个ChinaGrid的聚合峰值计算能力超过每秒6万亿次，存储能力超过60TB。
　　(3)“织女星网格”(Vega Grid)
　　“织女星网格”是由中科院计算所联合国内十几家科研单位，共同承担的“863” 重点项目。该项目的目标是：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，并在此基础上开发出多个需要高性能计算能力的网格应用系统。它是我国的第一个网格雏形。目前，该项目已取得了一系列研究成果。包括研制出了运算速度达每秒4万亿次以上，主要用作“中国国家网格”的主机、网格应用路由器和“织女星”网格操作系统等 。“织女星网格”主要研究内容如下：
　　在网格硬件层面，主要工作是研究下一代曙光高性能计算机，它们将是面向网格的超级服务器；
　　 在网格系统软件层面，主要工作是研究开发一个名为GCP的网格计算协议栈(GridComputing Protocol Stack)以及有效支持GCP的“织女星”网格操作系统(Vega GOS)；
　　 在网格应用层面，主要研究的是信息网格和知识网格，以及科学计算类应用网格。“织女星网格”在尽量使用国际上已有的先进技术的同时，它最大特点就是提出了“服务网格”的概念。
　　
　　
　　3 面临的技术问题
　　
　　网格技术的兴起和发展得益于技术进步和应用需求的驱动，但面临着诸多挑战。在技术方面，其研究重点是网格软件技术的研究和实现，并以网格系统软件为主要研究对象。人们需要建立具有开放性的体系结构、标准和协议，以形成信息获取、传输、访问、共享和处理的单一开放的信息处理基础设施平台，需要克服虚拟组织的管理和协同工作问题，需要解决网格的可用性和可开发性障碍，并解决系统安全问题。网格作为基础设施，除了技术上的挑战外，一些社会、政治因素对网格的普及也至关重要，应当建立资源的外包、数据的保密等法律保护机制。
　　为了实现支持资源共享、协同工作，具有资源虚拟化和服务特征的网格，还需要理论和技术创新的支撑。网格研究面临一系列需要回答的问题，例如：(1)网格环境下数据如何分布、组织、管理?要求什么样的存储模型? (2)如何对动态变化的资源实施有效管理?如何在广域环境下调度资源，保证服务质量? (3)网格服务的语义如何表示?应用开发者如何理解服务语义并与其应用目标相匹配? (4)为了在虚拟资源空间中建立资源提供者和使用者之间的信赖关系，保证各自的安全，应该建立什么样的网格计算安全模型和机制? (5)由于资源的分散性和部门所属性，网格能否像电信基础设施那样由集中的大运营商来运营?它的经济模型和盈利机制是什么?如何通过引入投资机制，建立网格的运营服务业?在强调共享技术的同时，如何用有效的利益机制来促进共享? 这对于网格在中国的成功也许比技术问题更为重要。
　　此外，迄今为止尚未制定出全球统一的网格标准。国际上网格技术的研究基本上采用了因特网的开放标准路线，以层次化开放式为基础，在多个层次上建立横向技术标准和平台，以满足不同层次资源和应用集成的需要。这些标准中最主要的是Globus和OGSA。2003年7月，OMG、W3C、GridForum等标准化组织在出席“软件服务网格研讨会”后加快了全球大网格标准的制定。同时，另一开放源代码网格标准组织――Globus，也召开会议研究通过广域网联接高性能计算的基础设施问题。Globus目前正致力于开发标准的网格架构和其他技术，并已提出“开放网格服务体系”建议标准，该体系结构是目前最新的一种网格体系结构，被称为下一代的网格体系。在网格计算技术方面，迄今为止还没有正式的标准，但在核心技术上，相关机构与企业已达成一致――由美国Argonne国家实验室与南加州大学信息科学学院合作开发的GlobusToolkit软件包已成为网格计算事实上的标准。包括IBM、Microsoft、SGI、Sun在内的12家计算机和软件厂商已宣布将采用GlobusToolkit。2004年3月，GlobusToolkit32版正式发布。目前，国内外很多大型的网格项目都是基于GlobusToolkit提供的协议与服务的。
　　
　　参考文献
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