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互联网上的网格计算
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| 摘要：网格计算是对分布在各地的网络资源，包括计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源、专家资源等，进行协调、透明和安全的共享，是继传统互联网、万维网之后的第三代互联网应用。其目的就是将计算能力和信息资源像电力一样方便地送到每一个用户，消除信息孤岛和资源孤岛。介绍了网格计算的好处、体系结构、发展现状及主要应用，认为网格计算对电信运营商而言，也是一次机遇。关键词：网格计算，资源共享，互联网，协调一、网格计算的基本概念最近，国外一些媒体把网格计算（rrid computing）说成是2003年互联网上的新新事物（new new thing）。从字面上看，网格计算并不能清晰地说明它的含义。实际上，网格计算是对分布在各地的IT资源进行协调、实现透明和安全的共享，即使用一台以上的计算机同时去运行某一应用，不管这些计算机位于何处，而最终用户察觉不到。像Web一样，用户不知道掌握内容的计算机来自何方，只不过网格计算把这种能力延伸到所有应用。有人认为，网格计算是继传统互联网、万维网之后的第三代互联网应用。传统互联网实现了计算机的联通，万维网实现了网页的联通，而网格技术试图实现互联网上所有资源的全面联通，包括联通计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源、专家资源等，最终实现网络虚拟环境上的资源共享和协同工作，消除信息孤岛和资源孤岛，其目的就是将计算能力和信息资源像电力一样方便地输送到每一个用户。网格的规模可大可小，大可把整个互联网整合成一台巨大的超级计算机，小可构造地区性的网格、企事业内部网格、局域网网格、甚至家庭网格和个人网格。网格的根本特征在于资源共享，而不是它的规模。由于这种计算模式是利用互联网把分散在各地的许多台计算机组织成一台“虚拟的超级计算机”，而每台计算机好比网格上的一个节点，所以取名为网格计算。网格计算的两个主要优势是，数据处理能力超强和能够充分利用网上的闲置处理能力。在技术上，网格系统要求高速连接和极低的时延，故具备以下两个特性的高性能以太网交换技术对网格系统的实现非常重要：超高密度的吉位以太网接口和线速为10Gbit/s的以太网的性能。为什么会提出网格计算的想法呢？在过去几十年中，处理器速度虽然不断提高，但服务器和PC机等设备始终是为满足某特定应用或同时运行若干应用的需求而设计的。随着科研、生产的迅速发展，人们面临的计算问题越来越复杂，越来越需要数据处理能力超强的计算机，但超级计算机的价格太高，无法用于更多的工作领域。实际上在任一机构内，总有一些计算机是空闲的，或者至少没有把计算机具有的处理能力用尽；而另外一些计算机却非常繁忙。人们自然希望如果某一应用需要较多的处理能力，就可以随时向网上其它计算机借用处理能力。于是，网格计算这种成本低廉而数据处理能力超强的计算模式应运而生。二、网格计算的好处网格计算的好处可以从功能和性能两方面来说。在功能方面的好处包括：·资源共享、协同工作；·实现应用层面的互联互通；·提供一体化服务（一站式服务）、无障碍服务（自动化与无缝连接）和动态服务；·对原有系统进行集成；·共享资源（计算、软件、数据），提高利用率；·实现负载平衡、容错容灾和就近服务。在性能方面的好处包括：·拓宽应用面，实现用户与用户的互动，而不只是用户与机器的互动，利用迈特卡夫（Ｍｅｔｃａｌｆｅ）和布朗定律实现网络扩张效应，提高系统的价值；·提高服务器端的资源利用率；·实现自动化，减少人为环节；·实现并行工作、缩短路径、消除瓶颈。三、网格的体系结构图1是网格的分层体系结构，它定义了网格计算及其每一层的功能。上面各层主要以软件为中心，下面各层主要以硬件为中心。由图1可见，设计一个有生命力的网格需要做的事情远远不止把空闲计算机的计算能力通过软件集中在一起。应用与服务件（serviceware）定义了网格体系结构的最高层，其中包括门户和开发工具。各行各业的应用是不同的，所以支持它们的门户和开发工具也是不同的。服务件提供许多管理级的功能，包括计费、结算以及对用户使用情况的计量。当把资源进行虚拟化，在用户、部门和公司之间实现共享之后，它们都是需要予以跟踪的重要事情。中间件层提供使多个网元（服务器、存储器、网络等）能够参与统一网格环境的协议。中间件层可被看作一个智能层，通过软件和控制把各种网元会聚在一起，能够支持许多功能与协议。资源层由网格中的各种实际资源组成，主要包括服务器和存储器等，为网格中的资源提供必要的连接。对广域网格而言，可以用长距离、大容量的WDM链路来提供对等连接，而第二、三层交换路由器则为这种管道提供连接、性能和智能。由于来自不同厂商的设备都将成为网格的一部分，故上述多层体系结构需要极好的标准化。四、网格计算的发展现状有趣的是，网格计算实际上并非新事物，它在概念上已经存在30多年了，是互联网原始基本概念——分散、共享与协作的回归。而且网格计算在技术上的实现也有若干年了，但主要用于大学和政府的科研项目中，在企业中的商用还只是近几年的事。自2001年IBM宣布要把网格计算概念商用化以来，网格计算在业界得到了广泛的支持。此商用化计划于2002年末在IBM提出的“按需电子商务”（e-business on demand）倡议中得到了完善。目前看来，网格计算已不再遥远，而是近在眼前，它将越来越多地被用在商用的计算环境中。由于看到了网格技术的好处和潜在的巨大市场，各国政府和大公司近年来纷纷投入巨资开展这方面的研究开发工作。据称，美国政府用于网格的研究经费已达5亿美元，英国政府已投资1亿英镑来开发“英国国家网格”。美国有代表性的政府项目包括：美国国家科学基金会资助的NPACI、国家技术网格（NTG）、分布式万亿次级计算设施（TeraGrid/DTF），美国宇航总署的IDG，美国能源部的ASCI Grid和北卡罗来纳州的Bioinformatics Grid，除此之外，美国国防部在它的高性能计算现代化计划中也使用了网格技术。在欧洲，除了欧盟在研究Data Grid外，最积极的是英国，荷兰、意大利与德国也有相当投入。原来不甚积极的法国最近也启动了一个名为ACI Grid的国家网格计划。在亚洲，日本、韩国（NTG*Grid）、新加坡（BioGrid）以及中国台湾（知识创新网格）都启动了网格计划。中国也将通过863计划“高性能计算”专项的形式，在“十五”期间支持网格的研究和应用工作。在政府的带动下，IBM、微软、英特尔、Sun、惠普等各大知名公司和大学也加紧了对这一未来信息技术的研究，如IBM制定了百亿美元网格计划，英特尔提出“计算和通信的融合”，微软针对网格提出“无处不在的计算”等；开发使用网格的大学包括美国Rice大学、韩国国立汉城大学和中国清华大学等。Gloubs Toolkit是目前网格计算事实上的开放式中间件标准，是在20世纪９0年代中期由Globus Project开发的。从Globus网站上可以下载Globus Toolkit：2001年中期，每月被下载2 000次左右；到2002年末，每月下载次数上升到2万次，此数字中还未包括从其它网站（如IBM、中间件公司Platform Computing、美国国家科学基金会等）下载的次数。Sun公司也免费提供自己开发的网格引擎软件，用此软件的网格现在已有6500个，比2001年9月增加了一倍。2003年人们将会看到更多的网格，而且会出现网格外包的可能。网格计算必须基于开放式标准，因为它必须成为人人都能使用的一种新技术。网格成功的一个关键就是提供开放式的协议，让不同的系统能够互通，不仅仅是通过TCP/IP相互对话，而且还能够协作寻找文件、应用以及共享存储容量。现在的问题是，已经实施的网格系统都在运行，而且大部分都基于专有的解决方案，而网格的开放式标准目前还处在初级阶段，Globus Toolkit只是跨出了第一步，后面还有许多工作要做；而就目前商用的情况来看，还缺少与网格可以兼容的应用。例如，人们需要对应用进行并行化，让部分应用工作在这台服务器上，另外一些应用工作在别的服务器上；人们还需要负荷平衡管理软件，允许从某处分配资源，激活后连接到内联网上，使它成为可用的资源。全球网格论坛（Global Grid Forum）正在制订一套新的网格标准，即开放式网格服务体系结构（OGSA），它是Globus Toolkit的进一步发展，其目标是在综合网格与Web概念及技术的基础上形成网格系统的体系结构。OGSA预定2003年发布，估计发布后将被IBM、Sun等公司采用，在它们新的中间件版本中得到支持。在2003年５月前发布的Globus Toolkit版本3.0也将支持OGSA，市场上将会出现许多由OGSA支持的Web服务器和网络管理软件等产品。当然，在走向开放式标准的同时，一些厂商会坚持自己的路子，想方设法在产品中加入对它们有利的东西，因此至少在应用级，互操作性将成为潜在客户最关心的问题。但有些厂商认为，问题不会太大，因为估计今后会出现一套公共的网格服务，使用标准化的API，所有应用都与此一起工作。所以，只要所有的操作系统都支持开放式协议，没理由认为基于开放式标准的网格系统不能与专有系统共存。总之，网格计算迄今还有许多标准化问题有待解决，只有在解决这些问题之后，网格才能真正地在市场中起飞。美国《福布斯》杂志曾预测，信息技术的下一波浪潮将在2004～2005年度出现，这一波浪潮的本质特征就是万维网升级为网格（Great Global Grid）。到2020年，受网格计算技术推进的互联网将成长为一个20万亿美元产值的大产业。五、网格的主要应用标准化问题并没有阻止网格技术的应用。在走向商用之前，网格技术先是在政府部门、科研单位和大学里得到使用，主要用于高性能计算、数据库链接等需要资源共享的应用。此后，在生命科学、工程设计、生产制造和金融服务等方面，网格计算也有成功的应用。在生命科学研究中，需要进行许多生物医学模拟，这需要很强的处理能力。现在利用网格技术能同时运行大约4500个节点，这样的能力可以用来进行基因组模拟和诊断。如要模拟蛋白质结构折叠，则需要同时运行大约1万个节点。当然，现在的网格计算水平离这样的要求还很远。生命科学研究的另一个例子是药物发现与研究。在美国，一种新药要获得联邦药物管理局（FDA）的批准，通常要经过动物试验、少量人体试验和多人临床试验的过程。这不仅是一个非常费时、费力和费钱的过程，而且人体还可能会受到某些不可预测的危害。如果人们能够利用网格技术在计算机上进行模拟，那将极大地节省资金和时间。上述生命科学的模拟模型也可应用于其它领域，如石油及天然气的开发、汽车制造、电子设计自动化和核武器试验等。目前网格计算在民间商用领域里的应用主要包括服务器／存储器合并、百货商场与企业级的CPU计算能力最大化、分布式资源与工作负荷的管理、批处理与数据库挖掘。除了IBM、Sun和德州仪器等几家比较著名的公司具有网格计算平台以外，其它公司的网格用户还包括福特汽车公司、摩根大通公司、索尼影视娱乐公司（Sony Pictures）、计算机动画公司Pixar和Industrial Light及Magic、好莱坞特技公司等。2003年2月，IBM与中间件公司Platform Computing和DataSynapse联合提出了许多倡议，以推进网格在研发（用于生命科学）、事业分析与企业最优化（用于金融市场）、工程设计（用于汽车和宇航）、政府发展（用于政府）等方面的商用。表1列出了到目前为止有关网格计算的一些信息。表1 有关网格计算的一些信息网格计算的应用 提供者/公司 使用者/项目 服务器/存储器合并与集中企业计算能力最大化分散资源与工作负荷管理批处理加速产品上市（软件、药物等）协同计算或对等计算数据库决策支持数据挖掘 AvakiDataSynapsEntropia惠普IBMOraclePlatformComputingSunUnited Devices 北京城制造网络新加坡BioGridCharles Schwab中国科学院e-Science Grid欧洲BioInformatics Institute（英国）福特汽车公司通用汽车公司 Industrial Light及Magic摩根大通公司McAfee中国科技部863Grid ProjectMonsanto/Pharmacia美国国家科学基金会TeraGrid韩国国立汉城大学北卡罗来纳州Bioinformatics GridNovartisPixarRice大学SETI@home索尼影视娱乐公司德州仪器公司意大利国家新技术、能源和环境局清华大学东京大学美国国防部 六、网格与电信运营商对电信运营商而言，网格技术也是一次机遇。他们既可把网格技术用在内部数据网上，也可提供基于网格的服务。例如，高级的网上游戏就已经有点像网格了，现在设计的游戏往往要同时占用25台服务器，还必须把高性能的客户机与快速的服务器相连。不过，目前电信运营商对网格基本上还是持观望态度，还没有准备提供基于网格的服务，特别是因为网格服务的使用模式还不成熟。但运营商已经看到网格的潜力和运营商自己的优势，例如他们可以利用其骨干网和数据中心来构建网格。当运营商看到网格的市场生存能力之后，一定会投资于网格。在中国，科学研究、国民经济和社会发展实际上已经呈现出对网格技术的需求，例如，银行界提出的“业务集中”，航空、船舶、汽车行业提出的“广域虚拟设计环境”，资源环境领域提出的“单一数据源”以及电子商务和电子政务提出的“资源共享”与“协同工作”等，都是网格技术的潜在应用。因此，网格技术同样为中国提供了一个极其宝贵的创新机会，包括理论创新、技术创新和产业创新，我们决不能错失良机。雷震洲 信息产业部电信研究院教授级高级工程师
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