1.3.2　網(wǎng)格計(jì)算

1.網(wǎng)格計(jì)算的概念

網(wǎng)格計(jì)算（Grid Computing）是伴隨著互聯(lián)網(wǎng)而迅速發(fā)展起來(lái)的，專(zhuān)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計(jì)算機(jī)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)“結(jié)點(diǎn)”，而整個(gè)計(jì)算是由成千上萬(wàn)個(gè)“結(jié)點(diǎn)”組成的“一張網(wǎng)格”，所以這種計(jì)算方式稱(chēng)為網(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)：一是數(shù)據(jù)處理能力超強(qiáng)；二是能充分利用網(wǎng)上的閑置處理能力。

實(shí)際上，網(wǎng)格計(jì)算是分布式計(jì)算（Distributed Computing）的一種，如果說(shuō)某項(xiàng)工作是分布式的，那么，參與這項(xiàng)工作的一定不只是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，而是一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。充分利用網(wǎng)上的閑置處理能力則是網(wǎng)格計(jì)算的又一個(gè)優(yōu)勢(shì)，網(wǎng)格計(jì)算模式首先把要計(jì)算的數(shù)據(jù)分割成若干“小片”，然后不同結(jié)點(diǎn)的計(jì)算機(jī)可以根據(jù)自己的處理能力下載一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)片，只要結(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)的用戶(hù)不使用計(jì)算機(jī)，它就會(huì)處理這些數(shù)據(jù)片，這樣這臺(tái)計(jì)算機(jī)的閑置計(jì)算能力就被充分地調(diào)動(dòng)起來(lái)。

2.網(wǎng)格計(jì)算的起源

隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，它已經(jīng)成為復(fù)雜科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域的主宰。但以超級(jí)計(jì)算機(jī)為中心的計(jì)算模式存在明顯的不足，而且目前正在經(jīng)受挑戰(zhàn)。超級(jí)計(jì)算機(jī)雖然是一臺(tái)處理能力強(qiáng)大的“巨無(wú)霸”，但它的造價(jià)極高，通常只有一些國(guó)家級(jí)的部門(mén)，如航天、氣象等部門(mén)才有能力配置這樣的設(shè)備。而隨著人們?nèi)粘９ぷ饔龅降纳虡I(yè)計(jì)算越來(lái)越復(fù)雜，人們?cè)絹?lái)越需要數(shù)據(jù)處理能力更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，超級(jí)計(jì)算機(jī)的價(jià)格顯然阻止了它進(jìn)入普通人的工作領(lǐng)域。此外，對(duì)于一些超大規(guī)模的應(yīng)用問(wèn)題，僅僅依靠單臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)來(lái)解決已經(jīng)不能勝任，于是，人們開(kāi)始尋找一種造價(jià)低廉而數(shù)據(jù)處理能力超強(qiáng)的計(jì)算模式，網(wǎng)格計(jì)算應(yīng)運(yùn)而生。

人們想象分布在世界各地的超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力能否通過(guò)利用廣域互連技術(shù)使其像電力資源那樣輸送到每一個(gè)用戶(hù)，來(lái)求解一些大規(guī)模科學(xué)與工程計(jì)算等問(wèn)題，從而形成了計(jì)算網(wǎng)格（又稱(chēng)網(wǎng)格計(jì)算系統(tǒng)）。計(jì)算網(wǎng)格是作為虛擬的整體而使用在地理上分散的異構(gòu)計(jì)算資源，這些資源包括高速互連的異構(gòu)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)、科學(xué)儀器、文件和超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)等。使用計(jì)算網(wǎng)格，一方面能使人們聚集分散的計(jì)算能力，形成超級(jí)計(jì)算的能力，解決諸如虛擬核爆炸、新藥研制、氣象預(yù)報(bào)和環(huán)境等重大科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的問(wèn)題；另一方面能使人們共享廣域網(wǎng)絡(luò)中的異構(gòu)資源，使各種資源得以充分利用。

3.網(wǎng)格計(jì)算的原理

網(wǎng)格計(jì)算系統(tǒng)主要包括網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)、網(wǎng)格系統(tǒng)軟件、網(wǎng)格應(yīng)用。網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)是地理上獨(dú)立的計(jì)算和信息中心。網(wǎng)格系統(tǒng)軟件起著關(guān)鍵的作用：統(tǒng)一管理計(jì)算網(wǎng)格，將各個(gè)結(jié)點(diǎn)集成起來(lái)，組成一個(gè)虛擬協(xié)同高性能計(jì)算環(huán)境，向社會(huì)大眾和各領(lǐng)域的科研機(jī)構(gòu)統(tǒng)一提供高性能計(jì)算和海量信息處理服務(wù)。網(wǎng)格應(yīng)用是以生物、氣象、能源、石油、水利等行業(yè)的重大應(yīng)用為背景建立的應(yīng)用。網(wǎng)格計(jì)算系統(tǒng)具有資源分布性、管理多重性、動(dòng)態(tài)多樣性、結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性等特點(diǎn)，其結(jié)點(diǎn)及各種資源分布于不同的地方，隸屬于不同的所有者，多層管理，為了完成特定的工作，各種各樣的異構(gòu)資源可動(dòng)態(tài)組合，規(guī)模可不斷加大。

網(wǎng)格計(jì)算常常被人們認(rèn)為是互聯(lián)網(wǎng)之后最重要的技術(shù)，它是伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而迅速發(fā)展起來(lái)的，是專(zhuān)門(mén)針對(duì)復(fù)雜科學(xué)計(jì)算的新型計(jì)算模式。也可以說(shuō)“網(wǎng)格計(jì)算是一種中間件”。現(xiàn)有的資源，例如網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)，以及文件系統(tǒng)等都是網(wǎng)格計(jì)算的底層設(shè)施，而網(wǎng)格計(jì)算之上則是應(yīng)用，各種各樣的應(yīng)用通過(guò)網(wǎng)格調(diào)用、共享各種資源來(lái)完成任務(wù)。所以，網(wǎng)格計(jì)算實(shí)際上是利用互聯(lián)網(wǎng)將分散于不同地域的計(jì)算機(jī)組織起來(lái)，成為一個(gè)虛擬的“超級(jí)計(jì)算機(jī)”。每臺(tái)參與的計(jì)算機(jī)就是一個(gè)“結(jié)點(diǎn)”，成千上萬(wàn)的結(jié)點(diǎn)組合起來(lái)，成為一張“網(wǎng)格”。網(wǎng)格計(jì)算具有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：一是數(shù)據(jù)處理能力超強(qiáng)；二是能夠充分利用網(wǎng)絡(luò)中的閑置計(jì)算能力，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源、知識(shí)資源、專(zhuān)家資源等的全面共享。

4.網(wǎng)格計(jì)算的優(yōu)勢(shì)

網(wǎng)格計(jì)算的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和資源整合及計(jì)算能力兩方面。在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)方面，其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：

①網(wǎng)格的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)比Internet具有更大的帶寬。歐美的網(wǎng)格計(jì)劃都會(huì)使用更高速度的主干網(wǎng)。

②網(wǎng)格上將有更多高性能計(jì)算機(jī)作為結(jié)點(diǎn)，因此網(wǎng)格的計(jì)算速度、數(shù)據(jù)處理速度可以大幅提高。

③網(wǎng)格的體系結(jié)構(gòu)將比Internet更能有效地利用這些資源。

④網(wǎng)格將促進(jìn)更多、更大的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域出現(xiàn)。這些相互連接的區(qū)域最終成為一個(gè)龐大的網(wǎng)格區(qū)域，把地球上所有計(jì)算機(jī)連為一體。

在資源整合及計(jì)算能力方面，其優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為：

①提高或拓展企業(yè)內(nèi)所有計(jì)算資源的效率和利用率，滿(mǎn)足最終用戶(hù)的需求，同時(shí)能夠解決以前由于計(jì)算、數(shù)據(jù)或存儲(chǔ)資源的短缺而無(wú)法解決的問(wèn)題。

②建立虛擬組織，通過(guò)共享應(yīng)用和數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)公共問(wèn)題進(jìn)行合作。

③整合計(jì)算能力、存儲(chǔ)和其他資源，能使得需要大量計(jì)算資源的巨大問(wèn)題求解成為可能。

④通過(guò)對(duì)這些資源進(jìn)行共享、有效優(yōu)化和整體管理，能夠降低計(jì)算的總成本。

5.網(wǎng)格計(jì)算的應(yīng)用

（1）網(wǎng)格計(jì)算在科研領(lǐng)域的應(yīng)用

在科學(xué)研究領(lǐng)域，研究與開(kāi)發(fā)活動(dòng)基本上是信息和計(jì)算密集型的，涉及使用多種方法，如分析、深入計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)抽取。網(wǎng)格計(jì)算可以幫助研究人員提高工作效率、網(wǎng)格技術(shù)可以輔助科學(xué)家完成重大領(lǐng)域的科學(xué)研究。網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)除具備超級(jí)計(jì)算能力以外，還將不同地域的資源整合在一起，使科學(xué)工作者能夠緊密合作，充分利用共享的資源（如大型的、昂貴的儀器設(shè)備等）。目前，網(wǎng)格計(jì)算主要被各大學(xué)和研究實(shí)驗(yàn)室用于高性能計(jì)算項(xiàng)目，這些項(xiàng)目要求巨大的計(jì)算能力或需要接入大量數(shù)據(jù)。例如在美國(guó)，網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)用于生命科學(xué)領(lǐng)域，正在成為現(xiàn)實(shí)；在物理學(xué)研究方面，德國(guó)Max Planck引力物理研究所與德國(guó)和美國(guó)多個(gè)機(jī)構(gòu)合作，利用網(wǎng)格的超級(jí)計(jì)算能力共同完成了模擬黑洞的項(xiàng)目。此外，網(wǎng)格計(jì)算還受到需要大型科學(xué)計(jì)算的國(guó)家級(jí)部門(mén)，如航天、氣象部門(mén)的關(guān)注。

（2）網(wǎng)格計(jì)算在企業(yè)及居民日常生活中的應(yīng)用

網(wǎng)格計(jì)算的商業(yè)應(yīng)用前景廣闊。通過(guò)商業(yè)智能和分析，此類(lèi)網(wǎng)格通常用于執(zhí)行大型的數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)智能和數(shù)據(jù)研究項(xiàng)目。采用傳統(tǒng)方式，這些項(xiàng)目一般需要相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間（數(shù)天或數(shù)周）。在企業(yè)優(yōu)化方面，通過(guò)利用網(wǎng)格，各類(lèi)組織可以快速將不同的資源連接在一起，進(jìn)行負(fù)載優(yōu)化，從而能夠跨企業(yè)邊界以“不中斷運(yùn)行”的方式提供計(jì)算和數(shù)據(jù)資源。總之，網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)能充分利用未用的計(jì)算資源，大大加快分析過(guò)程的速度，同時(shí)精度也高得多。網(wǎng)格計(jì)算環(huán)境能夠提高或拓展企業(yè)內(nèi)所有計(jì)算資源的效率和利用率，通過(guò)對(duì)這些資源進(jìn)行共享、有效優(yōu)化和整體管理，使各企業(yè)解決以前難以處理的問(wèn)題，最有效地使用自己的管理系統(tǒng)，滿(mǎn)足客戶(hù)要求并降低企業(yè)計(jì)算機(jī)資源的擁有和管理總成本。

網(wǎng)格計(jì)算在工程和產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面也獲得了很好的應(yīng)用，它支持所有行業(yè)的電子商務(wù)應(yīng)用。通過(guò)創(chuàng)建統(tǒng)一的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)網(wǎng)格，制造商不僅能夠?qū)崿F(xiàn)跨供應(yīng)鏈的協(xié)作，而且還能夠利用擴(kuò)展的計(jì)算功能減少開(kāi)發(fā)周期、降低開(kāi)發(fā)成本和縮短進(jìn)入市場(chǎng)所需的時(shí)間。

目前，很多大公司（如IBM等）也開(kāi)始追捧這種計(jì)算模式，并開(kāi)始有了相關(guān)“動(dòng)作”。除此之外，一批圍繞網(wǎng)格計(jì)算的軟件公司也逐漸壯大和為人所知，有業(yè)界專(zhuān)家預(yù)測(cè)，網(wǎng)格計(jì)算在未來(lái)將會(huì)形成一個(gè)年產(chǎn)值20萬(wàn)億美元的大產(chǎn)業(yè)。

綜合來(lái)說(shuō)，網(wǎng)格計(jì)算能及時(shí)響應(yīng)需求的變動(dòng)，通過(guò)匯聚各種分布式資源和利用未使用的容量，極大地增加可用的計(jì)算和數(shù)據(jù)資源的總量。可以說(shuō)，網(wǎng)格計(jì)算是未來(lái)計(jì)算世界中的一種劃時(shí)代的新事物。