網(wǎng)格技術(shù)發(fā)展方向探討

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摘要該文主要介紹國(guó)內(nèi)外一些有代表性的網(wǎng)格研究計(jì)劃的開(kāi)發(fā)進(jìn)展和網(wǎng)格計(jì)算的起源及發(fā)展，探討了網(wǎng)格技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞網(wǎng)格網(wǎng)格計(jì)算服務(wù)網(wǎng)格；

1引言

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一次計(jì)算革命，有可能將全球計(jì)算機(jī)聯(lián)合起來(lái)協(xié)同工作，被人們視為21世紀(jì)的新型網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)。網(wǎng)格的概念來(lái)源于電力網(wǎng)格，如電力網(wǎng)把強(qiáng)大的電力輸送到每家每戶的每個(gè)插座，用戶不必過(guò)問(wèn)電是水電、火電，還是核電，也不必過(guò)問(wèn)電站位于何方。網(wǎng)格技術(shù)可把分布在各地的計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，將充足的計(jì)算資源分配給每個(gè)用戶，如同個(gè)人使用一臺(tái)虛擬的超級(jí)計(jì)算機(jī)一樣。但網(wǎng)格不是萬(wàn)能技術(shù)，不是所有問(wèn)題都能解決，只有那些能并行運(yùn)算的應(yīng)用才可能被拆成若干細(xì)小任務(wù)分配到每個(gè)網(wǎng)格計(jì)算節(jié)點(diǎn)，通過(guò)并行處理來(lái)提高計(jì)算速度。

網(wǎng)格研究源于美國(guó)聯(lián)邦政府過(guò)去10年來(lái)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”。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(kù)、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。

2國(guó)外網(wǎng)格技術(shù)研究動(dòng)向

2.1美國(guó)的網(wǎng)格技術(shù)研究

美國(guó)是網(wǎng)格研究起步最早的國(guó)家，美國(guó)多家研究機(jī)構(gòu)開(kāi)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(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助的TeraGrid、美國(guó)國(guó)防部的“全球信息網(wǎng)格”(GIG)、美國(guó)政府資助的“大型物理實(shí)驗(yàn)網(wǎng)格”(GriPhyN)及美國(guó)能源部的ASCIGrid、國(guó)家技術(shù)網(wǎng)格(NTG)等計(jì)劃。

(1)TeraGrid

美國(guó)國(guó)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(kāi)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。目前，TeraGrid已能提供40TFLOPS的聚合計(jì)算及近4千萬(wàn)億字節(jié)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，并建成了能融合許多系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可通過(guò)GlobusToolkit支持基于網(wǎng)格的計(jì)算，提供諸如基于證書的單個(gè)注冊(cè)和分布應(yīng)用管理、TeraGrid資源恢復(fù)、對(duì)用戶軟件結(jié)構(gòu)的持續(xù)監(jiān)控和TeraGrid的協(xié)同能力等。

(2)全球信息網(wǎng)格(GIG)

GIG是美國(guó)國(guó)防部(DOD)于20世紀(jì)90年代末提出并開(kāi)始建設(shè)的一種集成的信息基礎(chǔ)設(shè)施，由一套全球互聯(lián)的端對(duì)端信息系統(tǒng)、相關(guān)程序和人員組成，它可將美軍在全球范圍內(nèi)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)和武器平臺(tái)網(wǎng)聯(lián)為一體，預(yù)計(jì)在2020年完成。從系統(tǒng)組成上看，GIG將系統(tǒng)分為基礎(chǔ)、通信、計(jì)算、全球應(yīng)用和使用人員五個(gè)層次。從技術(shù)體制上看，GIG包括了多種專用或租借的通信計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和設(shè)備、各種軟件和數(shù)據(jù)、安全服務(wù)設(shè)備，以及有助于謀求信息優(yōu)勢(shì)的其他相關(guān)技術(shù)。

(3)大型物理實(shí)驗(yàn)網(wǎng)格(GriPhyN)

GriPhyN是由實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家和IT研究人員共同發(fā)起的，其目標(biāo)是為21世紀(jì)的數(shù)據(jù)密集型科學(xué)構(gòu)建第一臺(tái)千萬(wàn)億次計(jì)算系統(tǒng)。GriPhyN計(jì)劃將通過(guò)一個(gè)名為“千萬(wàn)億級(jí)的虛擬數(shù)據(jù)網(wǎng)格(PVDG)”的計(jì)算環(huán)境來(lái)滿足全球各地成千上萬(wàn)的科學(xué)家們的數(shù)據(jù)密集型計(jì)算需求。GriPhyN合作組織計(jì)劃實(shí)行必要的計(jì)算機(jī)科學(xué)研究，最終形成一系列產(chǎn)品型的數(shù)據(jù)網(wǎng)格。

2.2歐洲的網(wǎng)格技術(shù)研究

歐洲近來(lái)啟動(dòng)了一系列網(wǎng)格開(kāi)發(fā)計(jì)劃，其中包括DataGrid、SIMDAT、NextGRID、AkoGriMo和CoreGRID等計(jì)劃”。這些項(xiàng)目的情況如下：

(1)DataGrid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(guó)家，其目的是開(kāi)發(fā)一種能支持全球性分布科學(xué)探索的全新環(huán)境。該計(jì)劃旨在設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)中間件解決方案和可擴(kuò)展的測(cè)試床，以便于處理千萬(wàn)億字節(jié)的分布式數(shù)據(jù)、成千上萬(wàn)的資源(如處理器、磁盤等)以及大量同步用戶的請(qǐng)求。該計(jì)劃的重點(diǎn)是高能物理學(xué)、地球科學(xué)和生物信息科學(xué)等科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域。

(2)SIMDAT計(jì)劃

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(lái)開(kāi)發(fā)解決工業(yè)復(fù)雜問(wèn)題的方案。主要用于國(guó)際經(jīng)濟(jì)的四個(gè)重要領(lǐng)域：汽車制造、制藥、太空研究和氣象研究。該項(xiàng)目的7個(gè)網(wǎng)格技術(shù)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域包括(除了一般的網(wǎng)格結(jié)構(gòu))：分布式數(shù)據(jù)訪問(wèn)、VO管理、工作流、實(shí)體論、分析服務(wù)和知識(shí)服務(wù)。

(3)NextGRID計(jì)劃

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(lè)；金融模型；數(shù)字媒體和供應(yīng)鏈管理。研究和開(kāi)發(fā)領(lǐng)域包括：網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、核心服務(wù)以及動(dòng)態(tài)聯(lián)合體和網(wǎng)格商業(yè)模型。

(4)AkoGriMo計(jì)劃

AkoGriMo注重為動(dòng)態(tài)虛擬組織提供傳輸移動(dòng)通信的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和服務(wù)。

包括兩個(gè)測(cè)試床：E—Learning和Hospital。該計(jì)劃在下一代網(wǎng)格使用的分層方法有：域和應(yīng)用專門服務(wù)、復(fù)雜的網(wǎng)格服務(wù)、核心網(wǎng)格服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)中間件和移動(dòng)互連網(wǎng)。該技術(shù)在下一代Ipv6網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上建立下一代網(wǎng)格，并支持操作系統(tǒng)的安全性、賬目管理己賬和用戶。

(5)CoreGRID計(jì)劃

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。主要研究包括從知識(shí)，數(shù)據(jù)管理到問(wèn)題解決環(huán)境的各種情況，有42個(gè)組織參加。在歐洲開(kāi)展網(wǎng)格技術(shù)研究最積極的是英國(guó)、荷蘭、意大利與德國(guó)。研制“英國(guó)國(guó)家網(wǎng)格”。

2.3日本的網(wǎng)格技術(shù)研究

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。目前，日本主要在進(jìn)行國(guó)家研究網(wǎng)格計(jì)劃(NAREGI)和生物網(wǎng)格計(jì)劃(BioGrid)的研究。(2)生物網(wǎng)格計(jì)劃(BioGrid)

生物網(wǎng)格計(jì)劃是在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(kù)、高性能觀測(cè)設(shè)備等研究資源聯(lián)合起來(lái)。生物網(wǎng)格計(jì)劃主要由五個(gè)部分組成：

·網(wǎng)格基礎(chǔ)技術(shù)組：主要進(jìn)行安全、高性能的網(wǎng)格技術(shù)開(kāi)發(fā)；

·數(shù)據(jù)聯(lián)機(jī)分析組：使Spring一8及超高壓電子顯微鏡等高性能分析設(shè)備的連接成為可能，并實(shí)現(xiàn)分析數(shù)據(jù)的共享；

·計(jì)算網(wǎng)格技術(shù)組：研究開(kāi)發(fā)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)及各種生物模擬技術(shù)；

·數(shù)據(jù)網(wǎng)格組：主要任務(wù)是各種生物數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)；

·商業(yè)開(kāi)發(fā)組：以各項(xiàng)開(kāi)發(fā)技術(shù)為橋梁，開(kāi)發(fā)超大型網(wǎng)格計(jì)算機(jī)，它比現(xiàn)在世界上運(yùn)算速度最快的計(jì)算機(jī)還快數(shù)倍，將達(dá)每秒300萬(wàn)億次。

3中國(guó)網(wǎng)格技術(shù)研究動(dòng)向

我國(guó)同世界其他各國(guó)政府一樣，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，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。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”等五大網(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(ChinaNationalGrid)

“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”(ChinaGrid)

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第一期規(guī)劃：在2002年～2005年期間，一是建立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)將建立一個(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”(VegaGrid)“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(GridComputingProtocolStack)以及有效支持GCP的“織女星”網(wǎng)格操作系統(tǒng)(VegaGOS)；

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。

4結(jié)束語(yǔ)

網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)是一個(gè)正在迅猛發(fā)展的新興學(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(cè)這些重大科學(xué)領(lǐng)域的計(jì)算問(wèn)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(guò)高速網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，共同完成計(jì)算問(wèn)題，這正是網(wǎng)格計(jì)算快速發(fā)展的源動(dòng)力。可以說(shuō)網(wǎng)格是未來(lái)信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)，它將極大地改變我們的生活和工作。未來(lái)的網(wǎng)格計(jì)算主要有三大發(fā)展趨勢(shì)：即標(biāo)準(zhǔn)化、大型化和技術(shù)融合化。也就是說(shuō)，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(lái)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⒋蟊娀？梢灶A(yù)見(jiàn)，今后網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)仍將快速發(fā)展，從而開(kāi)創(chuàng)計(jì)算科學(xué)的一個(gè)新紀(jì)元。

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(1)NAREGI計(jì)劃

日本文部科學(xué)省推出的“激活經(jīng)濟(jì)研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃”。目標(biāo)是使最高運(yùn)算速度達(dá)到100TFLOPS。并預(yù)定從2008年開(kāi)始在產(chǎn)業(yè)界加以應(yīng)用。包括了一個(gè)從2003年開(kāi)始的五年規(guī)劃：2005年為中間評(píng)估階段，2006年度開(kāi)始實(shí)施面向?qū)嶋H應(yīng)用的強(qiáng)化研究，2007年為實(shí)證試驗(yàn)時(shí)期，2008年進(jìn)入實(shí)用化階段。五年計(jì)劃的研究?jī)?nèi)容可分為三個(gè)部分：進(jìn)行網(wǎng)格應(yīng)用開(kāi)發(fā)的“系統(tǒng)實(shí)證研究開(kāi)發(fā)”、進(jìn)行網(wǎng)格中間件開(kāi)發(fā)的“網(wǎng)格研究開(kāi)發(fā)”，以及進(jìn)行運(yùn)用技術(shù)開(kāi)發(fā)的“基礎(chǔ)研究”。其中，系統(tǒng)實(shí)證研究主要進(jìn)行有關(guān)納米級(jí)分子、電子模擬的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，并計(jì)劃將NAREGI開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序和中間件用于分子電子學(xué)和生物分子元件領(lǐng)域；網(wǎng)格研究則主要是想充分利用現(xiàn)有的成品軟件，開(kāi)發(fā)出新的工具和中間件；而基礎(chǔ)研究則主要側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的研究。