1.3.2　网格计算

1.网格计算的概念

网格计算（Grid Computing）是伴随着互联网而迅速发展起来的，专门针对复杂科学计算的新型计算模式。这种计算模式是利用互联网把分散在不同地理位置的计算机组织成一个“虚拟的超级计算机”，其中每一台参与计算的计算机就是一个“结点”，而整个计算是由成千上万个“结点”组成的“一张网格”，所以这种计算方式称为网格计算。这样组织起来的“虚拟的超级计算机”有两个优势：一是数据处理能力超强；二是能充分利用网上的闲置处理能力。

实际上，网格计算是分布式计算（Distributed Computing）的一种，如果说某项工作是分布式的，那么，参与这项工作的一定不只是一台计算机，而是一个计算机网络。充分利用网上的闲置处理能力则是网格计算的又一个优势，网格计算模式首先把要计算的数据分割成若干“小片”，然后不同结点的计算机可以根据自己的处理能力下载一个或多个数据片，只要结点计算机的用户不使用计算机，它就会处理这些数据片，这样这台计算机的闲置计算能力就被充分地调动起来。

2.网格计算的起源

随着超级计算机的不断发展，它已经成为复杂科学计算领域的主宰。但以超级计算机为中心的计算模式存在明显的不足，而且目前正在经受挑战。超级计算机虽然是一台处理能力强大的“巨无霸”，但它的造价极高，通常只有一些国家级的部门，如航天、气象等部门才有能力配置这样的设备。而随着人们日常工作遇到的商业计算越来越复杂，人们越来越需要数据处理能力更强大的计算机，超级计算机的价格显然阻止了它进入普通人的工作领域。此外，对于一些超大规模的应用问题，仅仅依靠单台高性能计算机来解决已经不能胜任，于是，人们开始寻找一种造价低廉而数据处理能力超强的计算模式，网格计算应运而生。

人们想象分布在世界各地的超级计算机的计算能力能否通过利用广域互连技术使其像电力资源那样输送到每一个用户，来求解一些大规模科学与工程计算等问题，从而形成了计算网格（又称网格计算系统）。计算网格是作为虚拟的整体而使用在地理上分散的异构计算资源，这些资源包括高速互连的异构计算机、数据库、科学仪器、文件和超级计算系统等。使用计算网格，一方面能使人们聚集分散的计算能力，形成超级计算的能力，解决诸如虚拟核爆炸、新药研制、气象预报和环境等重大科学研究和技术应用领域的问题；另一方面能使人们共享广域网络中的异构资源，使各种资源得以充分利用。

3.网格计算的原理

网格计算系统主要包括网格结点、网格系统软件、网格应用。网格结点是地理上独立的计算和信息中心。网格系统软件起着关键的作用：统一管理计算网格，将各个结点集成起来，组成一个虚拟协同高性能计算环境，向社会大众和各领域的科研机构统一提供高性能计算和海量信息处理服务。网格应用是以生物、气象、能源、石油、水利等行业的重大应用为背景建立的应用。网格计算系统具有资源分布性、管理多重性、动态多样性、结构可扩展性等特点，其结点及各种资源分布于不同的地方，隶属于不同的所有者，多层管理，为了完成特定的工作，各种各样的异构资源可动态组合，规模可不断加大。

网格计算常常被人们认为是互联网之后最重要的技术，它是伴随着互联网技术而迅速发展起来的，是专门针对复杂科学计算的新型计算模式。也可以说“网格计算是一种中间件”。现有的资源，例如网络、计算机、服务器、操作系统、数据库，以及文件系统等都是网格计算的底层设施，而网格计算之上则是应用，各种各样的应用通过网格调用、共享各种资源来完成任务。所以，网格计算实际上是利用互联网将分散于不同地域的计算机组织起来，成为一个虚拟的“超级计算机”。每台参与的计算机就是一个“结点”，成千上万的结点组合起来，成为一张“网格”。网格计算具有两个优势：一是数据处理能力超强；二是能够充分利用网络中的闲置计算能力，从而实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源等的全面共享。

4.网格计算的优势

网格计算的优势体现在网络体系结构和资源整合及计算能力两方面。在网络体系结构方面，其优势体现在：

①网格的互联网络比Internet具有更大的带宽。欧美的网格计划都会使用更高速度的主干网。

②网格上将有更多高性能计算机作为结点，因此网格的计算速度、数据处理速度可以大幅提高。

③网格的体系结构将比Internet更能有效地利用这些资源。

④网格将促进更多、更大的网络区域出现。这些相互连接的区域最终成为一个庞大的网格区域，把地球上所有计算机连为一体。

在资源整合及计算能力方面，其优势表现为：

①提高或拓展企业内所有计算资源的效率和利用率，满足最终用户的需求，同时能够解决以前由于计算、数据或存储资源的短缺而无法解决的问题。

②建立虚拟组织，通过共享应用和数据来对公共问题进行合作。

③整合计算能力、存储和其他资源，能使得需要大量计算资源的巨大问题求解成为可能。

④通过对这些资源进行共享、有效优化和整体管理，能够降低计算的总成本。

5.网格计算的应用

（1）网格计算在科研领域的应用

在科学研究领域，研究与开发活动基本上是信息和计算密集型的，涉及使用多种方法，如分析、深入计算、数据挖掘和数据抽取。网格计算可以帮助研究人员提高工作效率、网格技术可以辅助科学家完成重大领域的科学研究。网格计算技术除具备超级计算能力以外，还将不同地域的资源整合在一起，使科学工作者能够紧密合作，充分利用共享的资源（如大型的、昂贵的仪器设备等）。目前，网格计算主要被各大学和研究实验室用于高性能计算项目，这些项目要求巨大的计算能力或需要接入大量数据。例如在美国，网格计算技术用于生命科学领域，正在成为现实；在物理学研究方面，德国Max Planck引力物理研究所与德国和美国多个机构合作，利用网格的超级计算能力共同完成了模拟黑洞的项目。此外，网格计算还受到需要大型科学计算的国家级部门，如航天、气象部门的关注。

（2）网格计算在企业及居民日常生活中的应用

网格计算的商业应用前景广阔。通过商业智能和分析，此类网格通常用于执行大型的数据挖掘、数据智能和数据研究项目。采用传统方式，这些项目一般需要相对较长的时间（数天或数周）。在企业优化方面，通过利用网格，各类组织可以快速将不同的资源连接在一起，进行负载优化，从而能够跨企业边界以“不中断运行”的方式提供计算和数据资源。总之，网格计算技术能充分利用未用的计算资源，大大加快分析过程的速度，同时精度也高得多。网格计算环境能够提高或拓展企业内所有计算资源的效率和利用率，通过对这些资源进行共享、有效优化和整体管理，使各企业解决以前难以处理的问题，最有效地使用自己的管理系统，满足客户要求并降低企业计算机资源的拥有和管理总成本。

网格计算在工程和产品设计方面也获得了很好的应用，它支持所有行业的电子商务应用。通过创建统一的产品开发网格，制造商不仅能够实现跨供应链的协作，而且还能够利用扩展的计算功能减少开发周期、降低开发成本和缩短进入市场所需的时间。

目前，很多大公司（如IBM等）也开始追捧这种计算模式，并开始有了相关“动作”。除此之外，一批围绕网格计算的软件公司也逐渐壮大和为人所知，有业界专家预测，网格计算在未来将会形成一个年产值20万亿美元的大产业。

综合来说，网格计算能及时响应需求的变动，通过汇聚各种分布式资源和利用未使用的容量，极大地增加可用的计算和数据资源的总量。可以说，网格计算是未来计算世界中的一种划时代的新事物。