余科軍

(四川教育學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系，四川成都610041)

1.引言

隨著應(yīng)用環(huán)境越來越復(fù)雜多變，系統(tǒng)規(guī)模更大，異構(gòu)系統(tǒng)更多，異地分布更廣，通信環(huán)境更復(fù)雜，如何構(gòu)建一個(gè)完善的網(wǎng)格系統(tǒng)就成為我們研究的主要課題。網(wǎng)格的研究源于美國聯(lián)邦政府過去10多年來資助的高性能計(jì)算項(xiàng)目。這類研究使用的名詞就是“網(wǎng)格”或“計(jì)算網(wǎng)格”。網(wǎng)格能夠充分吸納各種計(jì)算資源，并將它們轉(zhuǎn)化成一種隨處可得的、可靠的、標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)還是經(jīng)濟(jì)的計(jì)算能力[1]。這類研究的目標(biāo)是將跨地域的多臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)、大型數(shù)據(jù)庫、貴重科研設(shè)備、通信設(shè)備、可視化設(shè)備和各種傳感器整合成一個(gè)巨大的超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，支持科學(xué)計(jì)算和科學(xué)研究。

網(wǎng)格就是一個(gè)集成的計(jì)算與資源環(huán)境，或者說是一個(gè)計(jì)算資源池[2]。網(wǎng)格技術(shù)可以將足夠的計(jì)算機(jī)資源分配給分布在世界各地的計(jì)算機(jī)，它通過并行處理來提高分配到每個(gè)網(wǎng)格計(jì)算節(jié)點(diǎn)的計(jì)算速度。

2.國內(nèi)外網(wǎng)格技術(shù)的研究

網(wǎng)格(Grid)技術(shù)是近年來國際上信息技術(shù)領(lǐng)域的熱門課題，因此目前許多組織開發(fā)了支持網(wǎng)格計(jì)算的系統(tǒng)。網(wǎng)格計(jì)算研究起步最早的國家是美國，美國多家研究機(jī)構(gòu)開展了與網(wǎng)格相關(guān)的研究工作，制定了很多網(wǎng)格研究計(jì)劃，如美國國家科學(xué)基金會(huì)資助的TeraGrid、美國國防部的“全球信息網(wǎng)格”(GIG)、美國政府資助的“大型物理實(shí)驗(yàn)網(wǎng)格”(GriPhyN)及美國能源部的ASCIGrid、國家技術(shù)網(wǎng)格(NTG)等計(jì)劃。美國國家科學(xué)基金會(huì)TeraGrid計(jì)劃是一個(gè)需要多年分段實(shí)施的，為開放式科學(xué)研究而建立和使用的世界上最大、最全面的分布式基礎(chǔ)設(shè)施。

歐洲近年來啟動(dòng)了一系列網(wǎng)格開發(fā)計(jì)劃，其中包括DataGrid、SIMDAT、NextGRID、AkoGriMo和CoreGRID等計(jì)劃”。歐洲數(shù)據(jù)網(wǎng)格計(jì)劃(DataGrid)涉及到歐盟的二十幾個(gè)國家，其目的是開發(fā)一種能支持全球性分布科學(xué)探索的全新環(huán)境。SIMDAT是歐洲的一個(gè)大型網(wǎng)格研究計(jì)劃。該計(jì)劃的目標(biāo)是利用數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)格技術(shù)來開發(fā)解決工業(yè)復(fù)雜問題的方案。NextGRID是面向工商業(yè)領(lǐng)域建立的下一代網(wǎng)格服務(wù)結(jié)構(gòu)。該計(jì)劃針對(duì)的是廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域：法律部門的數(shù)據(jù)挖掘；廣播和娛樂；金融模型；數(shù)字媒體和供應(yīng)鏈管理。CoreGRID計(jì)劃的核心網(wǎng)格是一個(gè)研究網(wǎng)絡(luò)，主要用于大規(guī)模分布式網(wǎng)格和對(duì)等技術(shù)的基礎(chǔ)建設(shè)、軟件基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用。

日本認(rèn)為網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)將極大地改變?nèi)毡镜漠a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，成為激活經(jīng)濟(jì)的原動(dòng)力。日本主要在進(jìn)行國家研究網(wǎng)格計(jì)劃(NAREGI)和生物網(wǎng)格計(jì)劃(BioGrid)的研究。NAREGI計(jì)劃是日本文部科學(xué)省推出的“激活經(jīng)濟(jì)研究開發(fā)計(jì)劃”，目標(biāo)是使最高運(yùn)算速度達(dá)到100TFLOPS。生物網(wǎng)格計(jì)劃(BioGrid)是在2002年啟動(dòng)的一項(xiàng)為期五年的網(wǎng)格研究計(jì)劃，主要由日本文部科學(xué)省資助。計(jì)劃利用網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)與超高速網(wǎng)絡(luò)，將各大學(xué)生物工程研究機(jī)構(gòu)所擁有的超級(jí)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫、高性能觀測設(shè)備等研究資源聯(lián)合起來。

我國同世界其他各國政府一樣，為大幅度提高我國的綜合國力和國際競爭能力，對(duì)于網(wǎng)格的建設(shè)也十分關(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。其主要任務(wù)是研制面向網(wǎng)格的每秒萬億次級(jí)高性能計(jì)算機(jī)和具有每秒數(shù)萬億次聚合計(jì)算能力的高性能計(jì)算環(huán)境；開發(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)展和國防建設(shè)急需的重要應(yīng)用。目前，我國已開展了“中國國家網(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”等五大網(wǎng)格項(xiàng)目的研究。

從國內(nèi)外對(duì)網(wǎng)格技術(shù)的研究來看，網(wǎng)格技術(shù)的特點(diǎn)主要表現(xiàn)為：（1）網(wǎng)格技術(shù)和多學(xué)科結(jié)合；（2）網(wǎng)格技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域非常廣泛；（3）網(wǎng)格技術(shù)的全球化。網(wǎng)格技術(shù)正在為我們作出巨大貢獻(xiàn)。

3.格技術(shù)的應(yīng)用

網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)是一個(gè)正在迅猛發(fā)展的學(xué)科。從生物領(lǐng)域的后基因組計(jì)劃，到高能物理領(lǐng)域更深層次物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究，再到哈勃望遠(yuǎn)鏡所獲取的大量宇宙數(shù)據(jù)的處理，再到氣象、地震預(yù)報(bào)預(yù)測這些重大科學(xué)領(lǐng)域的計(jì)算問題，促使科學(xué)家必須利用分布在世界各地的計(jì)算機(jī)資源，通過高速網(wǎng)絡(luò)連接起來，共同完成計(jì)算問題。網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用正在改變著我們的教育、生產(chǎn)、制造、研究等。

(1)網(wǎng)格技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用

利用網(wǎng)格技術(shù)可以將各個(gè)分布在各地實(shí)驗(yàn)室中的超級(jí)計(jì)算機(jī)連接起來，形成一個(gè)“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”的超級(jí)信息處理中心。如利用網(wǎng)格技術(shù)將伊利諾州立大學(xué)超級(jí)計(jì)算中心、圣地亞哥大學(xué)超級(jí)計(jì)算中心、阿貢國家試驗(yàn)室和加州理工學(xué)院計(jì)算中心連接起來的由美國國家科學(xué)基金會(huì)建立的“分布式兆兆級(jí)網(wǎng)格(TeraGrid)”，就形成一個(gè)處理能力約為每秒13.5萬億次浮點(diǎn)操作，存儲(chǔ)容量接近700兆兆字節(jié)的“巨無霸”計(jì)算中心，以供許多領(lǐng)域的研究機(jī)構(gòu)使用。

網(wǎng)格技術(shù)為我們的學(xué)校教學(xué)資源提供了共享的新平臺(tái)。盡管傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)或者基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)都強(qiáng)調(diào)共享，但這種共享還是處于相對(duì)較低的水平上，而且從教學(xué)資源上來看，形式多樣，格式不統(tǒng)一，無法進(jìn)行統(tǒng)一有效的協(xié)調(diào)和管理；硬件和操作系統(tǒng)還并存著各種異構(gòu)系統(tǒng)，許多遠(yuǎn)程教育教學(xué)系統(tǒng)在不同的平臺(tái)上運(yùn)行；從實(shí)現(xiàn)的方式上來講，大多是靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的web頁面，沒有體現(xiàn)服務(wù)的概念。網(wǎng)格教學(xué)系統(tǒng)的核心是教學(xué)資源的共享和教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)的建立，它通過為用戶提供統(tǒng)一的服務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)更高層次的共享。

(2)網(wǎng)格技術(shù)在生物科技領(lǐng)域的應(yīng)用

網(wǎng)格技術(shù)能滿足生物科技對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理等方面相當(dāng)高的要求。生物數(shù)據(jù)由于包括物體本身、細(xì)胞、染色體、DNA、單個(gè)細(xì)胞的循環(huán)等各個(gè)方面的信息，所以非常復(fù)雜。這樣，數(shù)據(jù)庫的整合就成為關(guān)鍵問題。比如說，在研究水稻的蛋白結(jié)構(gòu)時(shí)，可能會(huì)用到基因數(shù)據(jù)庫、蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫、基因表達(dá)數(shù)據(jù)庫和蛋白質(zhì)相互作用的數(shù)據(jù)庫，在這種情況下，應(yīng)用網(wǎng)格技術(shù)，能在較短時(shí)間內(nèi)把需要的數(shù)據(jù)從不同的數(shù)據(jù)庫中挑選出來綜合在一起，省去了多次訪問不同數(shù)據(jù)庫的時(shí)間。

(3)網(wǎng)格技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)娛樂領(lǐng)域的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)技術(shù)是一種利用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)人工合成的可以按照用戶的輸入而變化的模擬仿真環(huán)境，一個(gè)多維信息空間，一個(gè)用戶可與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自然交互的三維人機(jī)界面。由于運(yùn)行虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所需要的計(jì)算資源太過于龐大，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)只用于飛行員、宇航員等的訓(xùn)練工作，普通個(gè)人根本無法享受這一技術(shù)帶來的娛樂體驗(yàn)。利用網(wǎng)格這種造價(jià)低廉而數(shù)據(jù)處理能力超強(qiáng)的計(jì)算模式，可以將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于網(wǎng)絡(luò)游戲中，讓參與游戲的人可以真切地感受虛擬環(huán)境所帶來的游戲快感。美國游戲基礎(chǔ)設(shè)施提供商Butterfly.net公司目前使用的就是IBM的網(wǎng)格計(jì)算服務(wù)器。該服務(wù)器利用了網(wǎng)格技術(shù)自恢復(fù)特性，能夠無縫隙地將所玩的游戲轉(zhuǎn)到最近的可用服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)了用戶資源的統(tǒng)一調(diào)動(dòng)、統(tǒng)一保存，極大提高了游戲運(yùn)行和服務(wù)的可擴(kuò)充性。據(jù)Butterfly.net與IBM的評(píng)估，在同相同的預(yù)定收益中，利用網(wǎng)格技術(shù)布置的網(wǎng)格服務(wù)器產(chǎn)生的利潤是傳統(tǒng)集中式服務(wù)器的8倍。而對(duì)于個(gè)人用戶來說，網(wǎng)格服務(wù)器則意味著更安全、更快捷的游戲體驗(yàn)。

(4)網(wǎng)格技術(shù)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用

網(wǎng)格技術(shù)可以整合和管理分散在各部門的信息化資源，實(shí)現(xiàn)各個(gè)政府部門之間數(shù)據(jù)的無縫交換，消除“信息孤島”，打破電子政務(wù)資源共享的瓶頸；另一方面，網(wǎng)格技術(shù)的分布式工作模式，可以有效地實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境下的協(xié)同辦公，提高政府的工作效率、增強(qiáng)為公眾服務(wù)的能力。

網(wǎng)格技術(shù)為企業(yè)的信息處理提供了很大的平臺(tái)。IBM推出一個(gè)網(wǎng)格計(jì)算力出租的計(jì)劃。為幫助軟件廠商開發(fā)新的應(yīng)用程序，并測試現(xiàn)有的應(yīng)用程序，IBM為這些軟件廠商提供IBM網(wǎng)格運(yùn)算服務(wù)器的免費(fèi)存取權(quán)。擁有免費(fèi)存取權(quán)的軟件開發(fā)人員可以利用IBM網(wǎng)格服務(wù)器的強(qiáng)大運(yùn)算資源，快速完成新開發(fā)的軟件所必需的調(diào)試及模擬運(yùn)算，從而縮短程序從開發(fā)到應(yīng)用的周期，提高軟件的開發(fā)速度。

網(wǎng)格技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)科學(xué)研究、環(huán)境資源、制造業(yè)、服務(wù)業(yè)生物工程汽車制造、制藥、太空研究和氣象研究分子電子學(xué)和生物分子元件等，這些都將為我們的生活和工作帶來巨大改變。

4.結(jié)束語

隨著高性能計(jì)算應(yīng)用需求的迅猛發(fā)展，在單一的計(jì)算機(jī)上或單一的計(jì)算機(jī)群系統(tǒng)上已不能解決一些超大規(guī)模應(yīng)用問題，這就需要將地理上分布、系統(tǒng)異構(gòu)的各種高性能計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、大型檢索存儲(chǔ)系統(tǒng)和可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)等，通過高速互連網(wǎng)絡(luò)連接并集成起來，形成對(duì)用戶相對(duì)透明的虛擬的高性能計(jì)算環(huán)境。

可以說網(wǎng)格是未來信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大趨勢，它將極大地改變我們的生活和工作。未來的網(wǎng)格計(jì)算主要有三大發(fā)展趨勢：即標(biāo)準(zhǔn)化、大型化和技術(shù)融合化。也就是說，網(wǎng)格計(jì)算將在行業(yè)應(yīng)用的引導(dǎo)下，以標(biāo)準(zhǔn)化向更廣域、多學(xué)科滲透，網(wǎng)格的一切對(duì)外功能都將以網(wǎng)格服務(wù)來體現(xiàn)，技術(shù)將進(jìn)一步融合，且將逐漸從高性能計(jì)算走向商業(yè)應(yīng)用，從前沿技術(shù)走向?qū)嵱没?、大眾化。可以預(yù)見，今后網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)仍將快速發(fā)展，從而開創(chuàng)計(jì)算科學(xué)的一個(gè)新紀(jì)元。

[1] 都志輝，陳渝，劉鵬.網(wǎng)格計(jì)算[M].北京：清華大學(xué)出版社.2002：3-5.

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

[3] 全球網(wǎng)格論壇.http：//www.gridforum.org.