網格計算

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網格計算(Grid Computing)

目錄

什麼是網格計算

  網格計算是伴隨著互聯網而迅速發展起來的,專門針對複雜科學計算的新型計算模式。這種計算模式是利用互聯網把分散在不同地理位置的電腦組織成一個“虛擬的超級電腦”,其中每一臺參與計算的電腦就是一個“節點”,而整個計算是由成千上萬個“節點”組成的“一張網格”,所以這種計算方式叫網格計算。這樣組織起來的“虛擬的超級電腦”有兩個優勢,一個是數據處理能力超強;另一個是能充分利用網上的閑置處理能力。    

  實際上,網格計算是分散式計算(Distributed Computing)的一種,如果我們說某項工作是分散式的,那麼,參與這項工作的一定不只是一臺電腦,而是一個電腦網路,顯然這種“螞蟻搬山”的方式將具有很強的數據處理能力。    

  充分利用網上的閑置處理能力則是網格計算的有一個優勢,網格計算模式首先把要計算的數據分割成若幹“小片”,而計算這些“小片”的軟體通常是一個預先編製好的屏幕保護程式,然後不同節點的電腦可以根據自己的處理能力下載一個或多個數據片斷和這個屏幕保護程式。於是“演出開始了”,只要,節點的電腦的用戶不使用電腦時,屏保程式就會工作,這樣這台電腦的閑置計算能力就被充分地調動起來了。

網格計算的起源

  網格計算的起源是由於單台高性能電腦已經不能勝任一些超大規模應用問題的解決。於是,人們想象分佈在世界各地的超級電腦的計算能力能否通過利用廣域互連技術使其像電力資源那樣輸送到每一用戶,來求解一些大規模科學與工程計算等問題,從而形成了計算網格(又稱網格計算系統)。網格計算是作為虛擬的整體而使用在地理上分散的異構計算資源,這些資源包括高速互連的異構電腦、資料庫、科學儀器、文件和超級計算系統等。使用計算網格,一方面能使人們聚集分散的計算能力,形成超級計算的能力,解決諸如虛擬核爆炸、新藥研製、氣象預報和環境等重大科學研究和技術應用領域的問題,另一方面能使人們共用廣域網路中的異構資源,使各種資源得以充分利用。

  網格計算系統主要包括網格結點、網格系統軟體、網格應用。網格結點是地理上獨立的計算和信息中心。網格系統軟體起著關鍵的作用,統一管理計算網格,將各個結點集成起來,組成一個虛擬協同高性能計算環境,向社會大眾和各領域的科研機構統一提供高性能計算和海量信息處理服務。網格應用是以生物、氣象、能源石油水利等行業的重大應用為背景建立的應用。網格計算系統具有資源分佈性、管理多重性、動態多樣性、結構可擴展性等特點,其結點及各種資源分佈於不同的地方,隸屬於不同的所有者,多層管理,為了完成特定的工作,各種各樣的異構資源可動態組合,規模可不斷加大。

網格計算功能

  第一,網格的互聯網路比Internet具有更大的帶寬。歐美的網格計劃都會使用更高速度的主幹網;

  第二,網格上將有更多高性能電腦作為節點,因此網格的計算速度、數據處理速度可以大幅度提高。

  第三,網格的體繫結構將比Internet更能有效地利用這些資源。

第四,網格將促進更多、更大的網路區域的出現。這些相互聯結的區域最終成為一個龐大的網格區域,把我們地球上所有電腦聯為一體。

網格計算的應用

  (1)網格計算在科研領域的應用

  在科學研究領域,網格技術可以輔助科學家完成重大領域的科學研究。網格計算技術除具備超級計算能力以外,還將不同地域的資源整合在一起,使科學工作者能夠緊密合作,充分利用共用的資源(如大型的昂貴的儀器設備等)。網格計算技術在美國,首先是在生命科學領域,正在成為現實。在物理學研究方面,德國Max Planck引力物理研究所與德國和美國多個機構合作,利用網格的超級計算能力,共同完成了模擬黑洞的項目。

  (2)網格計算在企業及居民日常生活中的應用

  網格計算的商業應用前景廣闊.網格計算環境能夠提高或拓展企業內所有計算資源的效率和利用率,通過對這些資源進行共用、有效優化和整體管理,使各企業解決以前難以處理的問題,最有效地使用他們的系統,滿足客戶要求並降低他們電腦資源的擁有和管理總成本.網格計算支持所有行業的電子商務應用。例如,飛機和汽車等複雜產品的生產要求對產品設計、產品組裝和產品生命周期管理進行計算密集型模擬.中國國家計算網格簡稱織女星網格(VegaGrid),該項目前取得的一些研究成果已經開始應用到如稅務這樣的重要行業。

網格計算與雲計算的異同

  雲計算是一種寬泛的概念,它允許用戶通過互聯網訪問各種基於IT資源的服務,這種服務允許用戶不一定瞭解底層IT基礎設施架構就能夠享受到作為服務的“IT相關資源”。無論是網格還是雲計算都試圖將各種IT資源看成一個虛擬的資源池,然後向外提供相應的服務。雲計算試圖讓“用戶透明地使用資源”,而網格計算當初的口號就是讓“使用IT資源像用水用電一樣簡單”。

  網格的內涵主要有兩個方面,在效用計算或隨需計算方面與雲計算很相似,即通過一個資源池或者分散式的計算資源提供線上計算及存儲等服務;另一方面就是所謂的“虛擬超級電腦”,以松耦合的方式將大量的計算資源連接在一起提供單個計算資源所無法完成的超級計算能力,這也是狹義上的網格計算跟雲計算概念上的差別:

  1)網格計算主要是聚合分佈資源,支持虛擬組織,滿足高端服務。例如生物網格、地理空間信息網格、國家教育網格等以及分佈協同科研。它通過互聯網將所有計算資源集合在一起,形成一個計算池。而後利用任務調度技術和特定的網格軟體,將用戶提交的任務分解開,形成許多個相互之間相對獨立的子任務,由網格系統將這些子任務分配到各個計算節點,進行解析處理或完成計算,再提交回網格系統,經過整合完成計算目標,滿足用戶需求。雲計算的資源相對集中,主要是以數據中心的形式提供底層資源服務。它通過虛擬技術形成獨立的雲,雲是由許多資源構成的龐大計算池。但雲計算提出的某些資源是針對某項特定的任務,即接收到用戶提出的任務後,利用“雲”來完成計算,然後返給用戶計算目標,從而滿足用戶需求。從用戶的角度感覺網格與雲計算的區別不大,但在後臺計算方式上存在不同。

  2)網格計算強調資源共用,誰都可以做為請求者使用其它節點的資源,但也需要貢獻一定資源給其他節點。網格計算強調將工作量轉移到遠程的可用計算資源上。雲計算強調專有,誰都可以獲取自己的專有資源,並且這些資源是由少數團體提供的,使用者不需要貢獻自己的資源。在雲計算中,計算資源被轉換形式去適應工作負載,它支持網格類型應用,也支持非網格環境,例如運行或應用傳統的web2.0三層網路架構。網格計算側重並行的計算集中性需求,難以自動擴展。雲計算側重事務性應用,大量的單獨請求可以實現自動或半自動的擴展。

  3)網格計算的服務形式是執行作業,當接收到網格高性能調度系統分配給的任務後,在一個階段內完成作業,產生數據返給用戶;而雲計算支持持久服務,用戶可以利用雲計算作為部分lT基礎設施,實現業務的托管或外包。

  4)網格與雲計算對異構問題的處理,基本理念不同。網格系統中是利用中間件屏蔽異構系統,希望用戶面對的是同構環境,而雲計算系統面對異構問題為用戶提供服務機制,或是用專用內部平臺(如google),或用鏡像執行來解決異構問題。

  5)網格主要是滿足高端應用,近年來才逐漸強調普及應用。而雲計算從開始就支持廣泛的企業應用、web應用,普適性更強。與更多面向科研等高端應用的網格相比,雲計算面向商業、企業應用,其商業模式更加清晰。

  6)雲計算以相對集中的資源運行分散的應用(大量的分散應用在幾個大的中心執行),它通過虛擬化將物理機的資源進行切割,從而實現資源的隨需分配和自動增長。從控制端來看,雲計算將所有的IT資源看成是一個資源池,但是不同晶元的物理機會被歸類到不同的資源池中。網格計算是聚合分散資源支持大型集中式應用(一個大的應用分到多處執行)。提交任務的用戶並不知道自己的任務將會在哪些網格的物理節點上運行,他是按照特定的格式,將作業任務提交給網格系統,然後等待網格返回結果。而網格作業調度系統自動找尋與該任務相匹配的資源,並尋找出空閑的物理節點,將任務分配過去直至完成。雖然網格能夠實現跨物理機進行並行作業處理,但需要用戶先將並行演算法寫好,並且通過調度系統將作業分解到各個不同的物理節點進行。

  儘管如此,網格計算與雲計算的確有很多相似之處,可以認為兩者都是分散式計算所衍生出來的概念,都是為了讓IT資源能夠對用戶透明,都力爭讓IT資源能夠達到更好的使用率等。最近,劉鵬提出了新的設想:雲計算將與網格計算融為一體,實現雲計算平臺之間的互操作和資源共用,實現緊耦合高性能科學計算與松耦合高吞吐量商業計算的融合,使互聯網上的主要計算設施融為一個有機整體— —並將其稱之為雲格(Gloud,即Grid+Cloud)。

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