網(wǎng)格計(jì)算

1、網(wǎng)格計(jì)算網(wǎng)格計(jì)算高性能計(jì)算的應(yīng)用需求使計(jì)算能力不可能在單一計(jì)算機(jī)上獲得，因此，必須通過構(gòu)建“網(wǎng)絡(luò)虛擬超級(jí)計(jì)算機(jī)”或“元計(jì)算機(jī)”來獲得超強(qiáng)的計(jì)算能力。20世紀(jì)90年代初，根據(jù)Inter上主機(jī)大量增加但利用率并不高的狀況，美國國家科學(xué)基金會(huì)（NFS）將其四個(gè)超級(jí)計(jì)算中心構(gòu)筑成一個(gè)元計(jì)算機(jī)，逐漸發(fā)展到利用它研究解決具有重大挑戰(zhàn)性的并行問題。它提供統(tǒng)一的管理、單一的分配機(jī)制和協(xié)調(diào)應(yīng)用程序，使任務(wù)可以透明地按需要分配到系統(tǒng)內(nèi)的各種結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)中，

2、包括向量機(jī)、標(biāo)量機(jī)、SIMD和MIMD型的各類計(jì)算機(jī)。NFS元計(jì)算環(huán)境主要包括高速的互聯(lián)通信鏈路、全局的文件系統(tǒng)、普通用戶接口和信息、視頻電話系統(tǒng)、支持分布并行的軟件系統(tǒng)等。元計(jì)算被定義為“通過網(wǎng)絡(luò)連接強(qiáng)力計(jì)算資源，形成對(duì)用戶透明的超級(jí)計(jì)算環(huán)境”，目前用得較多的術(shù)語“網(wǎng)格計(jì)算(gridcomputing)”更系統(tǒng)化地發(fā)展了最初元計(jì)算的概念，它通過網(wǎng)絡(luò)連接地理上分布的各類計(jì)算機(jī)（包括機(jī)群）、數(shù)據(jù)庫、各類設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備等，形成對(duì)用戶相對(duì)透明

3、的虛擬的高性能計(jì)算環(huán)境，應(yīng)用包括了分布式計(jì)算、高吞吐量計(jì)算、協(xié)同工程和數(shù)據(jù)查詢等諸多功能。網(wǎng)格計(jì)算被定義為一個(gè)廣域范圍的“無縫的集成和協(xié)同計(jì)算環(huán)境”。網(wǎng)格計(jì)算模式已經(jīng)發(fā)展為連接和統(tǒng)一各類不同遠(yuǎn)程資源的一種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)計(jì)算技術(shù)基本結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格計(jì)算的目標(biāo)，必須重點(diǎn)解決三個(gè)問題：⑴異構(gòu)性由于網(wǎng)格由分布在廣域網(wǎng)上不同管理域的各種計(jì)算資源組成，怎樣實(shí)現(xiàn)異構(gòu)機(jī)器間的合作和轉(zhuǎn)換是首要問題。⑵可擴(kuò)展性要在網(wǎng)格資源規(guī)模不斷擴(kuò)大、應(yīng)用不斷增長(zhǎng)的情況下，

4、不降低性能。⑶動(dòng)態(tài)自適應(yīng)性在網(wǎng)格計(jì)算中，某一資源出現(xiàn)故障或失敗的可能性較高，資源管理必須能動(dòng)態(tài)監(jiān)視和管理網(wǎng)格資源，從可利用的資源中選取最佳資源服務(wù)。網(wǎng)格計(jì)算環(huán)境的構(gòu)建層次從下至上依次為：(1)網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)由分布在Inter上的各類資源組成，包括各類主機(jī)、工作站甚至PC機(jī)，它們是異構(gòu)的，可運(yùn)行在Unix、NT等各種操作系統(tǒng)下，也可以是上述機(jī)型的機(jī)群系統(tǒng)、大型存儲(chǔ)設(shè)備、數(shù)據(jù)庫或其他設(shè)備。(2)中間件是網(wǎng)格計(jì)算的核心，負(fù)責(zé)提供遠(yuǎn)程進(jìn)程管理、資源分

5、配、存儲(chǔ)訪問、登錄和認(rèn)證、安全性和服務(wù)質(zhì)量（QoS）等。(3)開發(fā)環(huán)境和工具層提供用戶二次開發(fā)環(huán)境和工具，以便更好地利用網(wǎng)格資源。(4)應(yīng)用層提供系統(tǒng)能接受的語言，如HPC和MPI等?？膳渲闷渌恍┲С止こ虘?yīng)用、數(shù)據(jù)庫訪問的軟件，還可提供Web服務(wù)接口，使用戶可以使用Web方式提交其作業(yè)并取得計(jì)算結(jié)果。2基本功能網(wǎng)格計(jì)算環(huán)境要求不影響各結(jié)點(diǎn)本地的管理和自主性，不改變?cè)械牟僮飨到y(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和服務(wù)，保證用戶和遠(yuǎn)程結(jié)點(diǎn)的安全性，允許遠(yuǎn)程結(jié)點(diǎn)

6、選擇加入或退出系統(tǒng)，盡量使用已存在的標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)，以便與已有的應(yīng)用兼容，并能提供可靠的容錯(cuò)機(jī)制。一個(gè)理想的網(wǎng)格計(jì)算應(yīng)類似當(dāng)前的Web服務(wù)，可以構(gòu)建在當(dāng)前所有硬件和軟件平臺(tái)上，給用戶提供完全透明的計(jì)算環(huán)境。對(duì)用戶而言，它把眾多同、異構(gòu)的資源變成了同構(gòu)的虛擬計(jì)算環(huán)境。為此，網(wǎng)格計(jì)算環(huán)境設(shè)計(jì)需要有以下主要特征：管理層次確定管理層次體系，管理域按區(qū)域?qū)哟蝿澐郑瑳Q定管理信息流的流向；實(shí)例：Globus系統(tǒng)Globus是一個(gè)多研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)的項(xiàng)目，

7、它力圖實(shí)現(xiàn)計(jì)算網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，來提供對(duì)高性能遠(yuǎn)程計(jì)算資源普遍的、可靠的、一致性的訪問。目前的Globus可以認(rèn)為是計(jì)算網(wǎng)格技術(shù)的典型代表和事實(shí)上的規(guī)范。Globus最核心的部分就是它的元計(jì)算工具包，其中定義了構(gòu)建計(jì)算網(wǎng)格最基礎(chǔ)的服務(wù)。Globus構(gòu)建了一個(gè)如圖所示的虛擬元計(jì)算機(jī)。1元計(jì)算實(shí)驗(yàn)床圖示的底層是Globus的元計(jì)算測(cè)試床和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，具體來說，它們是網(wǎng)絡(luò)連接的一些有組織的計(jì)算網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)，其中最著名的有IWAY和GUSTO。IWAY是Gl

8、obus的較簡(jiǎn)化系統(tǒng)，用于氣象衛(wèi)星的實(shí)時(shí)圖像處理。在這個(gè)應(yīng)用中，衛(wèi)星中的數(shù)據(jù)下載后，進(jìn)入一個(gè)遠(yuǎn)程超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行云層檢測(cè)處理，然后再由另外一個(gè)圖形處理機(jī)進(jìn)行氣象圖繪制。這些處理均在地理上分布的多臺(tái)機(jī)器上實(shí)現(xiàn)。IWAY成功地驗(yàn)證了Globus系統(tǒng)一些基本構(gòu)件和機(jī)制。GUSTO在很多方面都被認(rèn)為是1998年以前最大的計(jì)算網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)床。該實(shí)驗(yàn)床最初通過專用多模光纖和Inter連接17個(gè)站點(diǎn)、330個(gè)計(jì)算機(jī)和3600個(gè)處理器。目前，GUSTO站點(diǎn)遍

9、布整個(gè)美國大陸、夏威夷、瑞典和德國等，附加站點(diǎn)還在不斷增加。2Globus工具包構(gòu)件中間層是Globus的工具包模塊，也是Globus的核心服務(wù)，主要包括7個(gè)部分，如下表所示。3高級(jí)服務(wù)雖然Globus的工具包可以被應(yīng)用程序直接調(diào)用，但仍然可以通過更高層的工具調(diào)用。Globus提供了自己的一些高級(jí)服務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)下一層服務(wù)的調(diào)用，這些高級(jí)服務(wù)最終的目標(biāo)是形成一個(gè)Globus的“適應(yīng)性廣域范圍資源環(huán)境”（AWARE）。同時(shí)，Globus也

10、支持其他高級(jí)調(diào)用，例如基于消息傳遞的MPI、高級(jí)并行編程語言C、遠(yuǎn)程文件訪問系統(tǒng)RemoteIO等。Globus工具包支持這些高級(jí)應(yīng)用來間接調(diào)用Globus的核心服務(wù)。Globus從底層構(gòu)建了元計(jì)算軟件，開發(fā)了一些基本的服務(wù)和機(jī)制，并可以由多種高級(jí)工具調(diào)用。隨著更多的元計(jì)算團(tuán)體加入Globus的研究，它將被開發(fā)得更加完善，并將被更多的高級(jí)應(yīng)用軟件調(diào)用。Globus的目標(biāo)是適應(yīng)廣域網(wǎng)絡(luò)資源環(huán)境的計(jì)算，目前這一類課題的研究還很艱巨，Glob