網(wǎng)格計(jì)算也許是個(gè)新名詞，但對(duì)于電腦科學(xué)領(lǐng)域來說，并非一個(gè)全新的技術(shù)。我們可以追溯到十多年前，電腦發(fā)展有兩個(gè)流派：一派是超級(jí)電腦，像“CRAY1”(克雷一號(hào))之類的超級(jí)電腦，雖然運(yùn)算速度很快，但造價(jià)也極高，不是一般企業(yè)可以負(fù)擔(dān)得起的；另外一派的高速運(yùn)箅就提出，利用分散式的方式將需要大量運(yùn)算的工作，分給很多電腦一同運(yùn)算，再將計(jì)算完的結(jié)果送回來。這樣便能把很多需要運(yùn)算的問題，利用多個(gè)電腦來協(xié)助運(yùn)算了。如基因排列、撞擊模擬、氣象預(yù)測(cè)等，都可以利用這樣的方式來完成。
20世紀(jì)90年代提出的網(wǎng)格運(yùn)算概念，是基于網(wǎng)格問題的求解。網(wǎng)格計(jì)算是在動(dòng)態(tài)的環(huán)境下協(xié)調(diào)資源分享與問題解決能力，利用互聯(lián)網(wǎng)或?qū)Ｓ?*** 把地理上廣泛分布的各種計(jì)算資源互連在一起，構(gòu)成虛擬的整合應(yīng)用環(huán)境，這些計(jì)算資源包括超級(jí)計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)集群、存儲(chǔ)系統(tǒng)和可視化系統(tǒng)等。在必要的時(shí)候，這項(xiàng)技術(shù)還可以有選擇地將計(jì)算資源作為單獨(dú)、統(tǒng)一的計(jì)算資源來處理。研究人員可突破空間障礙，透過共享的虛擬組織，彈性地建立各種議題和有效的合作機(jī)制，并解決更大尺度的問題。
網(wǎng)格運(yùn)算的目的是善用伺服器能童，利用大量的閑置伺服器運(yùn)算能力從事更多的工作，包括IBM、Microsoft、Sun等公司已開始將網(wǎng)格運(yùn)算加入到商用系統(tǒng)中。由于IBM、Sun具有自己的伺服器與作業(yè)系統(tǒng)，IBM早已投入許多的人力加入開發(fā)；Sun則收購Gridware公司以加快Grid Computing的研發(fā)步伐。Microsoft則宣布支援最主要的網(wǎng)格運(yùn)算組織的Globus Project，在.Net服務(wù)與Windows XP作業(yè)系統(tǒng)中提供 Grid Computing的Tool Kit，以便于提供商業(yè)網(wǎng)格運(yùn)算服務(wù)。
在網(wǎng)格計(jì)算中，首先要査清網(wǎng)格里所有可用的資源，比如可供訪問的主機(jī)、空置的處理能力、資料庫里可供使用的資料、共用的應(yīng)用程序、共用主機(jī)采用的操作系統(tǒng)等。用戶提交的任務(wù)要由系統(tǒng)來分配資源并控制其運(yùn)行，包括將其分配到哪些主機(jī)上運(yùn)行、調(diào)用哪些資料、啟動(dòng)何種應(yīng)用程序、何時(shí)開始運(yùn)行等。這樣，網(wǎng)格計(jì)算至少需要具備三種基本功能：任務(wù)管理、任務(wù)調(diào)度和資源管理。任務(wù)管理指用戶通過該功能向網(wǎng)格提交任務(wù)、為任務(wù)指定所需資源、刪除任務(wù)并監(jiān)測(cè)任務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)。任務(wù)調(diào)度指用戶提交的任務(wù)由該功能按照任務(wù)的類型、所需資源、可用資源等情況安排運(yùn)行日程和策略。資源管理指確定并監(jiān)測(cè)網(wǎng)格資源狀況，收集任務(wù)運(yùn)行時(shí)的資源占用資料。根據(jù)馬森大學(xué)的研究，網(wǎng)格計(jì)算可分為集中式任務(wù)管理系統(tǒng)、分散式任務(wù)管理系統(tǒng)、分散式作業(yè)系統(tǒng)、參量分析、資源監(jiān)測(cè)/預(yù)測(cè)，以及分散式計(jì)算界面等幾類，現(xiàn)有的網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)方案主要集中在之一、二類。屬于集中式任務(wù)管理系統(tǒng)的有Sun公司的GridEngine、LSF、PBS等；屬于分散式任務(wù)管理系統(tǒng)的有Globus、Legion和NetSolve等。集中式系統(tǒng)由一臺(tái)電腦統(tǒng)一調(diào)度任務(wù)，分散式系統(tǒng)任務(wù)的載入和運(yùn)行控制由網(wǎng)格中各臺(tái)電腦自行完成。
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Globus是美國(guó)Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)項(xiàng)目，全美有12所大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)參與了該項(xiàng)目。Globus對(duì)資源管理、安全、資訊服務(wù)及資料管理等網(wǎng)格計(jì)算的關(guān)鍵理論進(jìn)行研究，開發(fā)能在各種平臺(tái)上運(yùn)行的網(wǎng)格計(jì)算工具軟體，幫助規(guī)劃和組建大型的網(wǎng)格試驗(yàn)平臺(tái)，開發(fā)適合大型網(wǎng)格系統(tǒng)運(yùn)行的大型應(yīng)用程式。Toolkit是Globus最重要的成果，其之一版在1999年推出，Toolkit源代碼開放，任何人都可以從其網(wǎng)站上下載。目前，Globus的技術(shù)已在NASA網(wǎng)格、歐洲資料網(wǎng)格、美國(guó)國(guó)家技術(shù)網(wǎng)格等8個(gè)專案中得到應(yīng)用。通常，網(wǎng)格計(jì)算著眼于大型應(yīng)用專案，按照Globus的觀點(diǎn)，大型應(yīng)用專案應(yīng)該由許多組織協(xié)同完成，共同形成一個(gè)“虛擬組織”，各組織擁有的計(jì)算資源在虛擬組織里共用。
按Globus的定義，所有共用的實(shí)體都是資源，電腦、記憶體、資料、軟體等是資源，分散式檔系統(tǒng)、緩沖池等也是資源。在Globus看來，現(xiàn)有的共用方案，比如互聯(lián)網(wǎng)、B2B、ASPS、SSPS、Java、CORBA、DCE等，或者在共用配置的靈活性上，或者在共用資源種類上不能 完全滿足虛擬組織的需要。同時(shí),Globus并不試圖取代現(xiàn)有技術(shù)，而是希望在現(xiàn)有技術(shù)之上建立更高層次的共用。從技術(shù)的角度看，共用是資源或?qū)嶓w間的互操作，比如用甲電腦的WhatIf 分析程式調(diào)用乙電腦的資料庫。Globus認(rèn)為， *** 環(huán)境下的互操作意味著需要開發(fā)一套通用協(xié)定，用來描述消息的格式和消息交換的規(guī)則。在協(xié)定之上，需要開發(fā)一系列服務(wù)，這與建立在TCP/IP協(xié)議上的Web服務(wù)原理相同。在服務(wù)中要定義API，基于這些API再構(gòu)建軟體發(fā)展工具(SDK)。
Globus的網(wǎng)格計(jì)算協(xié)定建立在互聯(lián)網(wǎng)協(xié)定之上，以互聯(lián)網(wǎng)協(xié)定中的通信、路由、名字解析等功能為基礎(chǔ)。Globus的協(xié)議分為五層:構(gòu)造層、連接層、資源層、匯集層和應(yīng)用層。每層都有自已的服務(wù)、API和SDK,上層協(xié)定調(diào)用下層協(xié)定的服務(wù)。網(wǎng)格內(nèi)的全局應(yīng)用通過協(xié)定提供的服務(wù)調(diào)用作業(yè)系統(tǒng)。
構(gòu)造層(Fabric):功能是向上提供網(wǎng)格中可共享的資源——物理或邏輯實(shí)體。常用的資源包括處理能力、存儲(chǔ)系統(tǒng)、目錄、網(wǎng)格資源、分布式文件系統(tǒng)、分布式計(jì)算機(jī)池、計(jì)算機(jī)集群等。Toolkit中相應(yīng)組件負(fù)責(zé)偵測(cè)可用的軟硬件資源的特性、當(dāng)前負(fù)荷、狀態(tài)等信息，并將其打包供上層協(xié)議調(diào)用。
連接層(Connectivity)：是網(wǎng)格中 *** 事務(wù)處理通信與 授權(quán)控制的核心協(xié)議。構(gòu)造層提交的各種資源間的數(shù)據(jù)交換 都在這一層的控制下實(shí)現(xiàn)。各資源間的授權(quán)驗(yàn)證、安全控制也在這里實(shí)現(xiàn)。在Toolkit中，相應(yīng)組件采用基于 公用的網(wǎng)格安全基礎(chǔ)協(xié)議(GSI)。在此協(xié)議中提供一次登錄、委托授權(quán)、局域安全方案整合、基于用戶的信任關(guān)系等功能。資源間的數(shù)據(jù)交換通過傳輸、路由及名字解析實(shí)現(xiàn)。
資源層(Resource)：作用是對(duì)單個(gè)資源實(shí)施控制，與可用資源進(jìn)行安全握手、對(duì)資源做初始化、監(jiān)測(cè)資源運(yùn)行狀況、統(tǒng)計(jì)與付費(fèi)有關(guān)的資源使用數(shù)據(jù)。在Toolkit中有一系列組件用來實(shí)現(xiàn)資源注冊(cè)、資源分配和資源監(jiān)視。Toolkit還在這一層定義了客戶端的C、Java的API和SDK。
匯集層(Collective)：作用是將資源層提交的受控資源匯集在一起，供虛擬組織的應(yīng)用程序共享、調(diào)用。為了對(duì)來自應(yīng)用的共享進(jìn)行管理和控制，匯集層提供目錄服務(wù)、資源分配、日程安排、資源 *** 、資源監(jiān)測(cè)診斷、網(wǎng)格啟動(dòng)、負(fù)荷控制、賬戶管理等多種功能。
應(yīng)用層(Application)：是網(wǎng)格上用戶的應(yīng)用程序。應(yīng)用程序通過各層的API調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)，再通過服務(wù)調(diào)用網(wǎng)格上的資源來完成任務(wù)。應(yīng)用程序的開發(fā)涉及大量庫函數(shù)。為便于網(wǎng)格應(yīng)用程序的開發(fā)，需要構(gòu)建支持網(wǎng)格計(jì)算的庫函數(shù)。
目前，Globus體系結(jié)構(gòu)已為一些大型網(wǎng)格應(yīng)用所采用。研究人員已經(jīng)在天氣預(yù)報(bào)、髙能物理實(shí)驗(yàn)、航空器研究等領(lǐng)域開發(fā)了一些基于Globus網(wǎng)格計(jì)算的應(yīng)用程序，效果較好。雖然這些應(yīng)用仍屬試驗(yàn)性質(zhì)，但至少表明，網(wǎng)格計(jì)算可以勝任不少超級(jí)計(jì)算機(jī)難以勝任的大型應(yīng)用任務(wù)。
來源：開源地理空間基金會(huì)中文分會(huì)
來源鏈接：https://www.osgeo.cn/post/1a18c
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