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1、网格计算的实现原理及核心技术分析王春兰 中国矿业大学计算机学院， 徐州， 2 2 1 0 0 8摘要网格计算是将因特网上所有的资源整合成一台虚拟的超级计算机， 形成一种无缝、 集成 的计算和服务环境的技术.本文介绍了网格计算的概念， 并详细介绍了网格计算的工作原理和一 些核心技术， 最后提到了网格计算的国内外现状， 和网格的普及会遇到的一些难题.关健词网格计算， 资源， 共享， 技术1 网格技术特点有了网格， 共享信息就和我们现在用电用水用电话一样方便， 打开开关即可。网格主要具 有以下特点:( 1 ) 藕合各种分布资源， 实现共享( 2 ) 动态性和多样性( 3 ) 统一集成的有标准接口的单
2、一资源( 4 )自 相似性在理解网格时， 我们要注意理解网格与网络的关系。网格与网络关系密切。没有网络， 就 没有网格。 网格建筑在I n t e r n e t 之上， 但是WWW不是网格， 网格也不是I n t e r n e t 的替代品， 而 是I n t e r n e t 、 高性能计算机、 数据源等技术的有机结合和发展。也就是说， I n t e r n e t 仅仅是有网 格的某些成分。 另外， 网格的功能比I n t e r n e t 更强大。 因为网格上有更多的高性能计算机， 网格 的体系结构比I n t e r n e t 更能有效地利用资源， 因此网格的资源共享能力、
3、 计算速度、 数据处理 速度可以大幅度提高。 并且， 网格还具有I n t e r n e t 所没有的知识生产特性， 网格比I n t e r n e t 更一 体化。2 网格计算原理既然网格是借鉴电力网的概念提出来的， 那么我们先结合电力网来理解网格的目标。 网格 的最终目标是要做到在获取网格计算能力时， 能和使用电一样方便。 即: 用户在使用网格时， 不 用了解其地理位置、 所访问到的资源的所有者， 我们只需要有一个公众接口就行。这就和我们 用电一样， 我们并不知道我们用的电是哪个发电站提供的， 也不知道中间经过了什么变电所， 我们只需要有个插座接到电线上就可以了。这是网格的目的， 即在
4、网格成熟的时候， 它也会像 电力一样成为大众生活的基础性设施。在网格系统中， 也有资源消费者和资源提供者。消费者就是用网格求解间题的用户， 资源 提供者就是网格中各种共享资源的所有者。网格的结构比电力网更复杂， 要提供的服务也更1 2 3强， 所以它也就需要解决更多的问题， 用大量的管理节点来维护网格正常运行。虽然网格和电力网有这样一些相似的地方， 但是它的工作原理和电力网是完全不同的。 电 力网只需要把电用各种变电设备送到用户设备就可以了。而网格计算要调用其中的共享的分 布资源， 来解决用户的各种各样的问题。网格主要由网格节点、 资料库、 贵重仪器、 视频设备、 宽带骨干及网格软件等六部分组
5、成。 网格计算通过这几个部分， 就可以把令人望而生畏的大型任务切割成小的片段以便利用现有 的资源来进行计算。其实现原理大概如下:( 1 ) 用户使用他的计算机( 节点) 向网格发出一个需要处理的任务请求。( 2 ) 管理服务器首先要对该用户的身份进行认证。 通过认证后， 应用软件和数据被保存到 数据库中， 同时被保存的还有用户和工作站的状态和权限情况. 软件的许可证也被保存到管理 服务器上。如果该任务可以并行处理， 它将被切割成几个小片段。( 3 ) 服务器把分离的任务片段发送给每一个计算节点( 分布在网格中的计算资源) ， 每个 节点都包含了代理程序， 当存在空闲的处理周期时， 它会运行任务
6、片段。提交任务的用户的访 问节点可以作为计算网格的一部分， 也可以不参与网格计算( 图1 就是这种情况) 。( 4 ) 当某台机器完成作业后， 它会把结果返回给管理服务器， 服务器会汇集每台机器返回 的这些结果并更新工作站和用户的状态。 根据整个任务规模和可用资源的不同， 步骤3 和步骤 4 可能会重复若干次。( 5 )只有在整个任务完成后， 服务器才会把运算结果返回给用户。例如， 旨在开发天花治疗药物的网格计算项H “ S m a l l p o x R e s e a r c h G r i d P r o j e c t “ ( 天花研究 网格计算项目) 就是招募志愿者， 登录全球数百万
7、台计算机并利用各电脑空闲时间， 运用网格 计算技术对3 5 0 0 。 万种侯选治疗药物成分及数种蛋白质和天花病毒进行化学相互作用的分 析。 希望参加天花研究网格计算计划的志愿者首先从“ G r i d . O r g ” 的网站下载屏幕保护程序。 该 屏幕保护程序在电脑空闲时间进行数据处理， 这样可分担一部分研究所进行的分析工作。 志愿 者将处理完的结果发送到U n i t e d D e v i c e s 的数据中心， 然后领取新数据再进行分析。 这样就把 庞大的计算分配给全球众多的计算机上， 实现网格计算。 与此类似， 旅美华人科学家、 耶鲁大学 医学院遗传学助理教授许田参与的D 2
8、0 L网格计算项目， 在2 0 0 3 年上半年将“ 非典” 病毒列为 运算目标之一， 希望能集大量个人电脑之力形成一台虚拟的超级计算机， 加速抗“ 非典” 药物筛 选。参与这个项目的个人电脑用户只需要安装软件“ 药物设计优化实验室” ， 简称D 2 0 L ， 它启 动后以后台方式运行， 利用电脑的闲置运算能力工作， 自 动从网站获取数据包， 运算完成后自 动发送回去， 不需要用户干预， 也不会影响用户的正常使用。网格计算就是通过这样的方式， 把很多计算机的闲置运算能力集中起来解决庞大的运算 项目。 但是在用户组看起来就可以认为是在自己的计算机上完成这一系列运算， 形成了在一个 计算机上没有
9、通过别的计算机的帮助就可以实现快速的庞大计算的假象。当然， 上面的网格计算是透明地利用众多个人计算机的闲置能力来完成大项目。 网格计算 的另一种情况就是利用网络访问别人的运算能力强且暂时空闲的超级计算机， 这个过程同样 也是透明的. 从本质上来讲， 这两种情况是统一的， 都是透明地访问网格中暂时空闲的资源， 实 现计算。1 2 43 网格计算的关键技术分析根据网格技术在网格体系结构中所处的层次， 我们常常从下到上把各种网格技术划分为 以下四种网格技术: 网格底层支撑技术、 网格核心服务技术、 网格编程技术和网格应用技术。( 1 ) 网格底层支撑技术网格底层支撑技术是建造网格的基础。 网格中的节
10、点是提供服务的基础， 它们必须要提供 资源， 提供通信、 存储和计算能力. 它们 是整个网 络服务能力的一个关键因素。 另外， 网格的通 信基础是网络， 那么网络的硬件和软件也是非常关键的.网络协议会影响到通信的流量和延 迟， 带宽和延迟必须保证足够为网格的大量数据通信服务。 2 ) 网格核心服务技术网格核心服务是连接网格底层和高层的纽带， 是协调整个网格系统的中枢。 这里主要有四 个关键技术。 高吞吐率网格资源的管理: 实现全网格资源目 录的统一， 用户的账户管理。 因为网格中 的资源是在随时变化的、 异构的， 所以动态地收集、 处理网格中各种资源( 尤其是服务器) 的状 态信息是统一调度管
11、理的基础。 数据收集、 信息优化技术: 提供目 录和缓存技术， 可以大大提高网格信息查询和浏览速 度。用户、 管理员和系统软件协同工作将零散的原始数据组织成一体化的信息和知识。 网格中作业调度技术: 网格调度必须通过协调网格中的资源， 为网格中各种各样的应 用提供及时、 高效、 准确的服务。 网格中的信息将被动态监测， 网格中的作业将根据资源状况进 行负载平衡， 实现优化运行。 网格安全技术: 网格的安全体系结构必须满足如下限制条件: 单一登录点、 信用凭证保 护、 可公开性、 统一认证结构、 支持安全组通信等。网格要求同时使用大量的资源、 动态的资源 请求、 对多个管理域中资源的使用、 复杂
12、的通信结构， 以及严格的性能要求等。 同样我们也可以 通过I n t e r n e t 中的安全措施如安全认证、 身份鉴别、 私钥加密、 安全委托等来保证网格安全。在这些核心技术中重点要解决的软件问题包括性能与精度的不可预见性， 实时资源管理 与动态算法选择， 支持程序环境的多样性与即插即用性， 容忍延迟和节约带宽的新算法设计， 以及支持长时间运算等。 3 ) 网格编程技术和网络一样， 在网格上同样也要进行各种编程才能实现各种服务的提供。 既可以专门为网 格设计一种编程语言和编译器， 也可以采用我们现有的编程环境实现。不过， 网格和现在的程 序标准化接口差别太大， 并且其异构性解决起来也很困
13、难， 所以应该采用专门的网格编程支持 系统。( 4 ) 网格应用技术现在的网格应用技术主要有分布式超级计算、 实时广域分布式仪器系统、 数据密集型计算 和远程沉浸。这些都是现在网格正在应用或正在研究的一些应用领域。从网格的实现角度来说， 网格在技术上有至少以下几个难点: 安全性、 数据完整性、 网络带 宽以及网格平台之间应用的移植。 因为网格的实现是基于因特网的， 任何单位和个人都共享网 格中分布广泛而种类繁多的资源， 以及传输大量数据所需的一定的带宽， 这都是很明显的难1 2 5题 。譬如说， 目前， 中国的企业用户 包括许多大型企业) 所拥有的网络带宽并不能达到应用网 格的要求. 还有，
14、网格计算对系统的自 管理能力要求也非常高， 企业需要对其现有的网络基础 设施进一步改造。4 结束语看看网格的发展现状， 发达国家都纷纷投入了巨大的资金和人力， 中国也不甘落后， 希望 在这所谓的“ 第三代因特网” 浪潮中显示自己的力量。 中国科学院计算所带头， 联合国内其他大 学正在开发网格操作系统。分布在全国五个城市的国家高性能计算中心的超级计算机已经初 步实现统一的资源目录管理。国内唯一一个面向社会开放的超级计算中心上海超级计算 中心已有很成功的应用天气预报网格投入使用， 现在正在研究交通网格。 在甘肃也建立了 服务于大型工程计算、 气象预报、 生态环境建设等工农业生产生活的高性能网格计算
15、中心。网格已经在走向商业化， 一些实力强大的科研机构或单位纷纷研制出了自己的小型网格。 现在我们用个人P C 、 手机等各种终端可以访问互联网， 获取很多信息。 想象一下， 有了网格， 我 们要做的任何计算， 都可以通过像电源插座那么方便的接口就可以实现， 这是多么美好的一件 事啊。 我们可以不用买大型机、 小型机甚至个人P C ， 就可以开发项目、 进行天气预测， 而做这一 切只不过需要我们像平常缴电费那样交纳很少的服务费和拥有一个标准接口就可以了。我们 期待的网格应该是一个全球化的网格， 而不是一个企业、 一个学校的网格。 要实现这样的网格， 有很多难题需要解决， 比如网络带宽、 数据完整
16、性和安全性。参考文献 1 徐志伟 2 黄允中 3 吴龙生. 网格的关键技术间 题. 互联网 世界 2 0 0 3 . 1 0 ， 顾志松. 网格技术框架的探讨和研究. 计算机工程 . 2 9 卷 1 3 期 . 网格技术及其研究动向. 现代通信. 2 0 0 2 ( 1 0 )Wo r k i n g P r i n c i p l e a n d K e y T e c h n o l o g y o f G r i d C o mp u t i n gWa n g C h u n l a nC o l l e g e o f C o mp u t e r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , C U MT, X u z h o u ， 2 2 1 0 0 8A b s t r a c t G r id c o m p u t i n g i s a k i n d o f t e c h n o l o g y t h a t c o m b i n e s a l l t h e r e s
