網(wǎng)格技術(shù)的探討

摘要：該文論述了網(wǎng)格技術(shù)的概況、國(guó)內(nèi)一些有代表性的網(wǎng)格研究計(jì)劃的開(kāi)發(fā)進(jìn)展，以及網(wǎng)格發(fā)展面臨的技術(shù)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)格；網(wǎng)格計(jì)算；技術(shù)問(wèn)題

1 概況

網(wǎng)格（grid）是一個(gè)集成的計(jì)算與資源環(huán)境，或者說(shuō)是一個(gè)計(jì)算資源池。網(wǎng)格也是一種先進(jìn)的計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施（Advanced Computational Infrastructure，簡(jiǎn)稱ACI），用于研究與工程應(yīng)用相結(jié)合的項(xiàng)目，學(xué)科領(lǐng)域涉及超級(jí)計(jì)算技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、中間件技術(shù)、并行算法和各種計(jì)算科學(xué)研究與應(yīng)用技術(shù)，是一個(gè)綜合性的跨學(xué)科高技術(shù)研究課題。網(wǎng)格計(jì)算（Grid Computing）是伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而迅速發(fā)展起來(lái)的，是將地理上分布的計(jì)算資源（包括數(shù)據(jù)庫(kù)、貴重儀器等各種資源）充分利用起來(lái)，協(xié)同解決復(fù)雜的大規(guī)模問(wèn)題，特別是解決僅靠本地資源無(wú)法解決的復(fù)雜問(wèn)題，是專門(mén)針對(duì)復(fù)雜科學(xué)計(jì)算的新型計(jì)算模式。這種計(jì)算模式是利用互聯(lián)網(wǎng)把分散在不同地理位置的電腦組織成一個(gè)“虛擬的超級(jí)計(jì)算機(jī)” ，其中每一臺(tái)參與計(jì)算的計(jì)算機(jī)就是一個(gè)“節(jié)點(diǎn)” ，而整個(gè)計(jì)算是由成千上萬(wàn)個(gè)“節(jié)點(diǎn)”組成的“一張網(wǎng)格” ，所以這種計(jì)算方式叫網(wǎng)格計(jì)算。這樣組織起來(lái)的“虛擬的超級(jí)計(jì)算機(jī)”有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)，一個(gè)是數(shù)據(jù)處理能力超強(qiáng)；另一個(gè)是能充分利用網(wǎng)上的閑置處理能力。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的迅速增長(zhǎng)，互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的普及和高速網(wǎng)絡(luò)成本的大幅度降低，以及傳統(tǒng)計(jì)算方式和計(jì)算機(jī)的使用方式的改變，網(wǎng)格計(jì)算已經(jīng)逐漸成為超級(jí)計(jì)算發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。網(wǎng)格計(jì)算是一個(gè)嶄新而重要的研究領(lǐng)域，它以大粒度資源共享、高性能計(jì)算和創(chuàng)新性應(yīng)用為主要特征，必將成為21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要推動(dòng)力。

2 中國(guó)網(wǎng)格技術(shù)研究動(dòng)向

為大幅度提高我國(guó)的綜合國(guó)力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力，我國(guó)對(duì)于網(wǎng)格的建設(shè)十分關(guān)注，同時(shí)在網(wǎng)格計(jì)算方面做了大量基礎(chǔ)性和前瞻性研究工作。并在863專項(xiàng)中提出了具體的目標(biāo)。專項(xiàng)確立了“戰(zhàn)略與系統(tǒng)綜合研究” 、“高性能計(jì)算機(jī)” 、“網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)” 、“網(wǎng)格軟件”和“應(yīng)用網(wǎng)格”五個(gè)方面的課題。主要任務(wù)是研制面向網(wǎng)格的每秒萬(wàn)億次級(jí)高性能計(jì)算機(jī)和具有每秒數(shù)萬(wàn)億次聚合計(jì)算能力的高性能計(jì)算環(huán)境；開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的網(wǎng)格軟件；建設(shè)科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)急需的重要應(yīng)用網(wǎng)格；形成若干網(wǎng)格技術(shù)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，參與制定國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

目前，我國(guó)已開(kāi)展了“中國(guó)國(guó)家網(wǎng)格” 、“教育科研網(wǎng)格” 、“織女星網(wǎng)格”和“先進(jìn)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施北京、上海試點(diǎn)工程”等網(wǎng)格項(xiàng)目的研究。參與研究的主要有中科院計(jì)算所、清華大學(xué)、聯(lián)想集團(tuán)、江南計(jì)算所等幾家在高性能計(jì)算方面有較強(qiáng)實(shí)力的研究單位。

(1)“中國(guó)國(guó)家網(wǎng)格”(China National Grid)

“中國(guó)國(guó)家網(wǎng)格”是國(guó)家級(jí)高性能計(jì)算和信息服務(wù)的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施，它將在全國(guó)范圍內(nèi)為各行業(yè)和社會(huì)大眾提供各種一體化的高性能計(jì)算環(huán)境和信息服務(wù)。專項(xiàng)于2002年4月啟動(dòng)，投資高達(dá)3億人民幣，目標(biāo)是提供高性能計(jì)算、資源共享、協(xié)同工作的能力，同時(shí)在科學(xué)研究、環(huán)境資源、制造業(yè)、服務(wù)業(yè)中建設(shè)若干大型行業(yè)應(yīng)用網(wǎng)格；并研制面向網(wǎng)格計(jì)算、具有良好的應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境的高性能計(jì)算機(jī)，裝備網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)，促進(jìn)我國(guó)高性能計(jì)算機(jī)的研究和產(chǎn)業(yè)化。

(2)“教育科研網(wǎng)格”(China Grid)

教育部依托教育與科研網(wǎng)CERNET和高校的大量計(jì)算資源和信息資源，推出了ChinaGrid計(jì)劃。ChinaGrid包括開(kāi)發(fā)相應(yīng)的網(wǎng)格軟件，配合網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)(NC)的使用，將分布在教育與科研網(wǎng)格上自治的分布異構(gòu)的海量信息資源集成起來(lái)，建立聚合能力超過(guò)每秒15萬(wàn)億次量級(jí)的教育科研網(wǎng)格，總存儲(chǔ)容量超過(guò)260TB，結(jié)點(diǎn)覆蓋211建設(shè)的100所部屬高等院校，實(shí)現(xiàn)CERNET環(huán)境下資源的有效共享，消除信息孤島。 ChinaGrid當(dāng)時(shí)的第一期規(guī)劃：在2002年～2005年期間，建立12個(gè)計(jì)算網(wǎng)格的主結(jié)點(diǎn)，提供具有高性能計(jì)算、資源共享、協(xié)同工作的服務(wù)平臺(tái)。每個(gè)主結(jié)點(diǎn)建立一個(gè)聚合計(jì)算能力超過(guò)每秒5000億次、存儲(chǔ)能力分別達(dá)到5TB的超級(jí)計(jì)算結(jié)點(diǎn)，并通過(guò)相應(yīng)的計(jì)算網(wǎng)格軟件將分布在12個(gè)主結(jié)點(diǎn)的高性能計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，使整個(gè)ChinaGrid的聚合峰值計(jì)算能力超過(guò)每秒6萬(wàn)億次，存儲(chǔ)能力超過(guò)60TB。

(3)“織女星網(wǎng)格”(Vega Grid)

“織女星網(wǎng)格”是由中科院計(jì)算所聯(lián)合國(guó)內(nèi)十幾家科研單位，共同承擔(dān)的“863” 重點(diǎn)項(xiàng)目。該項(xiàng)目的目標(biāo)是：把我國(guó)的8個(gè)高性能計(jì)算中心通過(guò)Internet連接起來(lái)，進(jìn)行統(tǒng)一的資源管理、信息管理和用戶管理，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出多個(gè)需要高性能計(jì)算能力的網(wǎng)格應(yīng)用系統(tǒng)。它是我國(guó)的第一個(gè)網(wǎng)格雛形。目前，該項(xiàng)目已取得了一系列研究成果。包括研制出了運(yùn)算速度達(dá)每秒4萬(wàn)億次以上，主要用作“中國(guó)國(guó)家網(wǎng)格”的主機(jī)、網(wǎng)格應(yīng)用路由器和“織女星”網(wǎng)格操作系統(tǒng)等 。“織女星網(wǎng)格”主要研究?jī)?nèi)容如下：

在網(wǎng)格硬件層面，主要工作是研究下一代曙光高性能計(jì)算機(jī)，它們將是面向網(wǎng)格的超級(jí)服務(wù)器；

在網(wǎng)格系統(tǒng)軟件層面，主要工作是研究開(kāi)發(fā)一個(gè)名為GCP的網(wǎng)格計(jì)算協(xié)議棧(GridComputing Protocol Stack)以及有效支持GCP的“織女星”網(wǎng)格操作系統(tǒng)(Vega GOS)；

在網(wǎng)格應(yīng)用層面，主要研究的是信息網(wǎng)格和知識(shí)網(wǎng)格，以及科學(xué)計(jì)算類應(yīng)用網(wǎng)格。“織女星網(wǎng)格”在盡量使用國(guó)際上已有的先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，它最大特點(diǎn)就是提出了“服務(wù)網(wǎng)格”的概念。

3 面臨的技術(shù)問(wèn)題

網(wǎng)格技術(shù)的興起和發(fā)展得益于技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用需求的驅(qū)動(dòng)，但面臨著諸多挑戰(zhàn)。在技術(shù)方面，其研究重點(diǎn)是網(wǎng)格軟件技術(shù)的研究和實(shí)現(xiàn)，并以網(wǎng)格系統(tǒng)軟件為主要研究對(duì)象。人們需要建立具有開(kāi)放性的體系結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，以形成信息獲取、傳輸、訪問(wèn)、共享和處理的單一開(kāi)放的信息處理基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)，需要克服虛擬組織的管理和協(xié)同工作問(wèn)題，需要解決網(wǎng)格的可用性和可開(kāi)發(fā)性障礙，并解決系統(tǒng)安全問(wèn)題。網(wǎng)格作為基礎(chǔ)設(shè)施，除了技術(shù)上的挑戰(zhàn)外，一些社會(huì)、政治因素對(duì)網(wǎng)格的普及也至關(guān)重要，應(yīng)當(dāng)建立資源的外包、數(shù)據(jù)的保密等法律保護(hù)機(jī)制。

為了實(shí)現(xiàn)支持資源共享、協(xié)同工作，具有資源虛擬化和服務(wù)特征的網(wǎng)格，還需要理論和技術(shù)創(chuàng)新的支撐。網(wǎng)格研究面臨一系列需要回答的問(wèn)題，例如：(1)網(wǎng)格環(huán)境下數(shù)據(jù)如何分布、組織、管理?要求什么樣的存儲(chǔ)模型? (2)如何對(duì)動(dòng)態(tài)變化的資源實(shí)施有效管理?如何在廣域環(huán)境下調(diào)度資源，保證服務(wù)質(zhì)量? (3)網(wǎng)格服務(wù)的語(yǔ)義如何表示?應(yīng)用開(kāi)發(fā)者如何理解服務(wù)語(yǔ)義并與其應(yīng)用目標(biāo)相匹配? (4)為了在虛擬資源空間中建立資源提供者和使用者之間的信賴關(guān)系，保證各自的安全，應(yīng)該建立什么樣的網(wǎng)格計(jì)算安全模型和機(jī)制? (5)由于資源的分散性和部門(mén)所屬性，網(wǎng)格能否像電信基礎(chǔ)設(shè)施那樣由集中的大運(yùn)營(yíng)商來(lái)運(yùn)營(yíng)?它的經(jīng)濟(jì)模型和盈利機(jī)制是什么?如何通過(guò)引入投資機(jī)制，建立網(wǎng)格的運(yùn)營(yíng)服務(wù)業(yè)?在強(qiáng)調(diào)共享技術(shù)的同時(shí)，如何用有效的利益機(jī)制來(lái)促進(jìn)共享? 這對(duì)于網(wǎng)格在中國(guó)的成功也許比技術(shù)問(wèn)題更為重要。

此外，迄今為止尚未制定出全球統(tǒng)一的網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際上網(wǎng)格技術(shù)的研究基本上采用了因特網(wǎng)的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)路線，以層次化開(kāi)放式為基礎(chǔ)，在多個(gè)層次上建立橫向技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和平臺(tái)，以滿足不同層次資源和應(yīng)用集成的需要。這些標(biāo)準(zhǔn)中最主要的是Globus和OGSA。2003年7月，OMG、W3C、GridForum等標(biāo)準(zhǔn)化組織在出席“軟件服務(wù)網(wǎng)格研討會(huì)”后加快了全球大網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)的制定。同時(shí)，另一開(kāi)放源代碼網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)組織——Globus，也召開(kāi)會(huì)議研究通過(guò)廣域網(wǎng)聯(lián)接高性能計(jì)算的基礎(chǔ)設(shè)施問(wèn)題。Globus目前正致力于開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格架構(gòu)和其他技術(shù)，并已提出“開(kāi)放網(wǎng)格服務(wù)體系”建議標(biāo)準(zhǔn)，該體系結(jié)構(gòu)是目前最新的一種網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)，被稱為下一代的網(wǎng)格體系。在網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)方面，迄今為止還沒(méi)有正式的標(biāo)準(zhǔn)，但在核心技術(shù)上，相關(guān)機(jī)構(gòu)與企業(yè)已達(dá)成一致——由美國(guó)Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與南加州大學(xué)信息科學(xué)學(xué)院合作開(kāi)發(fā)的GlobusToolkit軟件包已成為網(wǎng)格計(jì)算事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。包括IBM、Microsoft、SGI、Sun在內(nèi)的12家計(jì)算機(jī)和軟件廠商已宣布將采用GlobusToolkit。2004年3月，GlobusToolkit32版正式發(fā)布。目前，國(guó)內(nèi)外很多大型的網(wǎng)格項(xiàng)目都是基于GlobusToolkit提供的協(xié)議與服務(wù)的。

參考文獻(xiàn)

[1]許文韜．網(wǎng)格技術(shù)綜述[J]．微型電腦應(yīng)用，2002，(18):62-64.

[2]孫培德．網(wǎng)格計(jì)算的研究新進(jìn)展[J]．計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2003，(16).

[3]王晨.基于網(wǎng)格的Web Services.情報(bào)理論與實(shí)踐，2004，27(1):77-78.

[4]孫輝，徐學(xué)文.美、歐網(wǎng)格技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析與思考.情報(bào)理論與實(shí)踐，2005，28(1):109-112.

[5]王麗華.基于網(wǎng)格技術(shù)的虛擬圖書(shū)館.情報(bào)科學(xué)，2004，22(4):482-487.