1.3.2　網格計算

1.網格計算的概念

網格計算（Grid Computing）是伴隨著互聯網而迅速發展起來的，專門針對復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計算機組織成一個“虛擬的超級計算機”，其中每一臺參與計算的計算機就是一個“結點”，而整個計算是由成千上萬個“結點”組成的“一張網格”，所以這種計算方式稱為網格計算。這樣組織起來的“虛擬的超級計算機”有兩個優勢：一是數據處理能力超強；二是能充分利用網上的閑置處理能力。

實際上，網格計算是分布式計算（Distributed Computing）的一種，如果說某項工作是分布式的，那么，參與這項工作的一定不只是一臺計算機，而是一個計算機網絡。充分利用網上的閑置處理能力則是網格計算的又一個優勢，網格計算模式首先把要計算的數據分割成若干“小片”，然后不同結點的計算機可以根據自己的處理能力下載一個或多個數據片，只要結點計算機的用戶不使用計算機，它就會處理這些數據片，這樣這臺計算機的閑置計算能力就被充分地調動起來。

2.網格計算的起源

隨著超級計算機的不斷發展，它已經成為復雜科學計算領域的主宰。但以超級計算機為中心的計算模式存在明顯的不足，而且目前正在經受挑戰。超級計算機雖然是一臺處理能力強大的“巨無霸”，但它的造價極高，通常只有一些國家級的部門，如航天、氣象等部門才有能力配置這樣的設備。而隨著人們日常工作遇到的商業計算越來越復雜，人們越來越需要數據處理能力更強大的計算機，超級計算機的價格顯然阻止了它進入普通人的工作領域。此外，對于一些超大規模的應用問題，僅僅依靠單臺高性能計算機來解決已經不能勝任，于是，人們開始尋找一種造價低廉而數據處理能力超強的計算模式，網格計算應運而生。

人們想象分布在世界各地的超級計算機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個用戶，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）。計算網格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計算機、數據庫、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、新藥研制、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享廣域網絡中的異構資源，使各種資源得以充分利用。

3.網格計算的原理

網格計算系統主要包括網格結點、網格系統軟件、網格應用。網格結點是地理上獨立的計算和信息中心。網格系統軟件起著關鍵的作用：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布性、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布于不同的地方，隸屬于不同的所有者，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。

網格計算常常被人們認為是互聯網之后最重要的技術，它是伴隨著互聯網技術而迅速發展起來的，是專門針對復雜科學計算的新型計算模式。也可以說“網格計算是一種中間件”。現有的資源，例如網絡、計算機、服務器、操作系統、數據庫，以及文件系統等都是網格計算的底層設施，而網格計算之上則是應用，各種各樣的應用通過網格調用、共享各種資源來完成任務。所以，網格計算實際上是利用互聯網將分散于不同地域的計算機組織起來，成為一個虛擬的“超級計算機”。每臺參與的計算機就是一個“結點”，成千上萬的結點組合起來，成為一張“網格”。網格計算具有兩個優勢：一是數據處理能力超強；二是能夠充分利用網絡中的閑置計算能力，從而實現計算資源、存儲資源、數據資源、信息資源、知識資源、專家資源等的全面共享。

4.網格計算的優勢

網格計算的優勢體現在網絡體系結構和資源整合及計算能力兩方面。在網絡體系結構方面，其優勢體現在：

①網格的互聯網絡比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干網。

②網格上將有更多高性能計算機作為結點，因此網格的計算速度、數據處理速度可以大幅提高。

③網格的體系結構將比Internet更能有效地利用這些資源。

④網格將促進更多、更大的網絡區域出現。這些相互連接的區域最終成為一個龐大的網格區域，把地球上所有計算機連為一體。

在資源整合及計算能力方面，其優勢表現為：

①提高或拓展企業內所有計算資源的效率和利用率，滿足最終用戶的需求，同時能夠解決以前由于計算、數據或存儲資源的短缺而無法解決的問題。

②建立虛擬組織，通過共享應用和數據來對公共問題進行合作。

③整合計算能力、存儲和其他資源，能使得需要大量計算資源的巨大問題求解成為可能。

④通過對這些資源進行共享、有效優化和整體管理，能夠降低計算的總成本。

5.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，研究與開發活動基本上是信息和計算密集型的，涉及使用多種方法，如分析、深入計算、數據挖掘和數據抽取。網格計算可以幫助研究人員提高工作效率、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，充分利用共享的資源（如大型的、昂貴的儀器設備等）。目前，網格計算主要被各大學和研究實驗室用于高性能計算項目，這些項目要求巨大的計算能力或需要接入大量數據。例如在美國，網格計算技術用于生命科學領域，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。此外，網格計算還受到需要大型科學計算的國家級部門，如航天、氣象部門的關注。

（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。通過商業智能和分析，此類網格通常用于執行大型的數據挖掘、數據智能和數據研究項目。采用傳統方式，這些項目一般需要相對較長的時間（數天或數周）。在企業優化方面，通過利用網格，各類組織可以快速將不同的資源連接在一起，進行負載優化，從而能夠跨企業邊界以“不中斷運行”的方式提供計算和數據資源。總之，網格計算技術能充分利用未用的計算資源，大大加快分析過程的速度，同時精度也高得多。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享、有效優化和整體管理，使各企業解決以前難以處理的問題，最有效地使用自己的管理系統，滿足客戶要求并降低企業計算機資源的擁有和管理總成本。

網格計算在工程和產品設計方面也獲得了很好的應用，它支持所有行業的電子商務應用。通過創建統一的產品開發網格，制造商不僅能夠實現跨供應鏈的協作，而且還能夠利用擴展的計算功能減少開發周期、降低開發成本和縮短進入市場所需的時間。

目前，很多大公司（如IBM等）也開始追捧這種計算模式，并開始有了相關“動作”。除此之外，一批圍繞網格計算的軟件公司也逐漸壯大和為人所知，有業界專家預測，網格計算在未來將會形成一個年產值20萬億美元的大產業。

綜合來說，網格計算能及時響應需求的變動，通過匯聚各種分布式資源和利用未使用的容量，極大地增加可用的計算和數據資源的總量。可以說，網格計算是未來計算世界中的一種劃時代的新事物。