网格计算及其应用

Microcomputer Appllcatlons Vol. 19, No 2, 2003综述型电脑皮用003年第19卷第2期网格计算及其应用丁永生摘要介绍了网格计算的一般结构和特点,通过分析|出现一个高峰推动信息产业市场的持续高速发展,在2020几类典型的来统,丁解到网格计算的恶想、技术和现状。阑述|年产生一个年产值为20万亿美元的大工业。2005年之前是了网格计算的应用前景。最后指出了网樁计算必频解决的一|网格浪潮正酝酿涌动的时刻中国科技界应积极地投入到网些重要问题格研究,并争取参与到以后的国际科技界中制定网格技术标关键词网格网格计网格应用准。为了让国内科技工作者了解这一领域,本文将介绍网格计算( Grid Computing)的一般结构和特点,通过分析几类典型引言的系统,了解网格计算的思想、技术和现状。最后,阐述网格计算的应用前景,并指出其中要解决的重要问题。随着 Interne和万维网(Web)的普及和成熟,人们认为它们即将被更先进的网络(Grid)技术取代。网络又被称为第二、刚格计算三代 Internet,是20世纪90年代出现的新概念,也是当前信息产业领域的一个热点。传统 terne实现了计算机硬件的网格计算是 Internet应用的新发展,又称为虚拟计算环连通Wb实现了网页的连通而网格试图实现互联网上所有境网格计算可定义为一个广域范围的“无缝的集成和协同计资源的全面连通包括计算资源存储资源通信资源软件资算环境”,它不仅提供利用强力计算机解决巨大挑战性问题的源、信息资源知识资源等,然后像一台超级计算机一样为用|环境网格还是一种基础组织把分布在各地的远程资源和设户提供一体化信息服务用户利用网格资源就如同使用电力备组织成统一的整体,它也可理解为一种把广义的各类资觀资源耦合起来的超级机群,也就是说,通过高速网络连接分布的、近年来国际上从美国、欧洲、日本等发达国家到印度这异构的计算资漂发展配置系然软件、工具和应用环境使之样的发展中国家都启动了大型网格研究计划并得到了产业成为一个相互协调的可看作是单一的超大型计算环境或网界的大力支持。月前国际上已有许多网格研究的组织和项格虚拟超级计算机,形成网格状的高性能计算网,各种计算资目他们的网格研究主要采用开放源码公开合作的模式全源就像是网格状的结点球网格论坛( Global gridForum)是目前主要的合作组织个理想的网格计算应类似于当前的web服务,它构建早期研究国家和部门有美国国防部能源部字航局学术与在当前所有硬件和软件平台上为用户提供完全透明的计算科学团体、英国国家网格比较有影响的研究计划有 Globus、环境用户分享网上资源就如同个人使用一台超级计算机egon、 Information Power Grid、 Eurogrid、 Distributed样.目前网格技术总体上还处于研究阶段部分技术已经进Terascale Facility等,且目前主要是面向科学计算。参与有关入开发阶段.与网格技术的目标类似或相关的其它研究开发标准制订的机构有:全球网格论坛负责模型驱动体系结构的工作包括:元计算( Metacomputing)内容分发 Contents对象管理组织OMG)、负责网格服务的万维网联盟(w3C)、 Delivery)、Per- toPeer computing、万维网服务(Web语义网络和 Globus. org等.在国内中国科学院计算技术研 Service。)等.网格技术研究工作分为三个层次)究所对网格技术的研究已较为深入,其最大特色是“服务网(1)计算网格:计算网格是网格的系统层.它为应用层(如格”的思想;另外国家科技部于今年通过863计划“高性能计|信息网格知识网格等)提供系统基础设施,通过计算网格,用算”专项的形式在“十五”期间支持网格的研究和应用工作。户可以使用到无限制的计算和数据资源研究内容包括网格同时,学术界在网格方而研究的加速也启动了HP、IBM计算的理论模型、网格体系结构、网格计算的协议和框架、网Mios.sm第信息产业界巨头对于网格的研发计划.医格操作系统的设计与实现网格程序设计和应用开发界面网药、化工、通信、电子汽车等领城的一些大公司,如Pzxr、格计算的性能评价与优化等Ericsson、 Hitachi、BMW、 Unilever、 Glaxo wellcome、 Smith(2)信息网格:研制一体化的智能信息处理平台,消除Kline等都已经开始构造和试用内部网格息孤岛,使得用户能方便地发布、处理和获取信息。信息网格据美国(福布斯)杂志预测阿格技术将在200250年提供V凵中国煤化工和服务用户可通过浏览CNMHG国家自然科学基金青年基金(60006);上海市青年科技启明星计划(0QD1438)、上海市青年教师再金(0QN3丁永生东华大学信息科学与技术学院教授博士生导师上海200051Microcomputer Applications Vol 19. No. 2, 2003橄型电应用2003年第19卷第2期器等访问网格果返回用户。(3)知识网格:研制一体化的智能知识处理平台,消除知识孤岛,使得用户能方便地发布处理和获取知识。相关研究Ninf是实现网格计算环境的另一个典型系统,也是基于/包括语义厂维网和知识本体论等。模式的网格计算系统。允许用户半透明地访问广域范围内的软硬件和数据资源,可远程调用其库函数。还提供各种支持典型实验系统和项目工具由于网格计算环境可以连接广域范囤内不同标准的异构Javalin是美国加州大学使用Java技术开发的一个基于孤岛”形成庞大的全球性计算体系是 Internet发展的高级| Internet的并行计算环境它充分利用支持Java的 Web Http形式因此受到世界各国和组织的高度重视已经发展了许多服务器和浏览器等流行工具构筑了简单易用的网格计算环论坛实验环境和研究项目,较有代表性的网格计算研究和项境目包括-5为使系统编程容易 Javalin提供了基础类库,自动完成负载平衡。Globus是由美国的学院、政府机构和IBM、 Microsoft以及 Cisco发起的,由美国 Argonne国家实验室进行的项目。旨Cactus是一个为科学家和工程师设计的开放的源问题的在开发制定开放分布式计算所需要协议软件和概念,力图实解决环境,它的模块化结构方便在不同结构上的并行计算现一种计算网格基础结构,来提供对高性能计算资源普遍的、和不同组之间的协作代码的开发, Cactus Codc来自于学术研可靠的和一致的访问。它可以将超级计算机、大型数据库档充团体它已被大型的国际物理和计算科学家的协作组织开案存储设备、先进可视化设备等资源连接起来组建成“网格虚发和使用了许多年,使用 Cactus Code可进行分布计算和元计拟计算机”它可以被认为是网格计算技术的典型代表和事实算。 Cactus的目前发展和现有试验说明了它是网格计算的上的规范也是发展网格度算的基本软件和工具种理想的试验床Globus系统最核心的组成部分是它的网格计算工具包,在 Cactus基础上开发的一个有影响的试验床是它是一个构筑网格计算环境的中间件提供构建计算网格最 gridLab基于 GridLab可进行基础和应用的协作开发及动基础的服务和能力包括资源定位管理通讯和安全等服务。态的网格计算Globus项目的基础是一些网格计算实验系统,其中最著名的(6)其他是I一WAY和 GUSTO:1)I一WAY项目是美国 Argonne国全球网格论坛是目前主要的合作组织。其他网格研究的家实验室的阿格计算实验系统,采用ATM技术连接已存在组织和项目有Legn, InformationPower GridEuroGrid.的大量分散网格和大计算中心包括ATM网AAet卫星| Distributed Terascale Facility等,且目前主要是面向科学计网ACTS、能漂科学网Eaet,;gabt网CASA加州教育和算,用于网格计算的研究和实验研究网 CalrEN和国防研究与工程网DREN等连接了包括NFS四大计算中心及 Los alamos, Oak Ridge、 Argonne等国四、网格计算的应用家实验室在内的20多个超级计算中心。系统设计了单一软件环境1-Sofr,提供调度、安全、并行编程支持和分布式文件系网格计算可应用的领域有:统等服务,运行在专门的机器I一POP上;2) GUSTO在很多(1)桌面超级计算:可将普通桌面用户和超级计算中心、方面可以被认为是1998年之前最大的计算网格实验床,它通大型数据库连接起来用户可以不受距离限制地使用这些计过专用多模光纤和 nernst连接分布在各地的17个站点,算能力;330个计算机和3600个处理器,且附加站点正在不断地增2)智能设备:可接用户和大量的、分布的、远程的智能设备,进行实时处理和远程操作等2)Net Solve3)协同环境:可以连接多个虚拟环境使不同位置的用户Net solve是实现网格计算环境的一个曲型系统。它是由能进行交互仿真美国 Tennessee大学和设计PvM的 Oak ridge国家实验室(4)分布式并行计算:可使多个异构计算机协同解决单机开发的网格计算系统它基于LAN和WAN网络技术连接分难以完各仲不同性质的仟调度到最合适的计算机布的资源形成科学数值计算的环境。结构中国煤化工Net Solve采用类似C/S的计算方式,提供用户丰富的数CNMHG,产业界已经在大力推动值计算资源环境能够在网格中搜寻计算资源,为应用选择最网格计算的应用,包括HP, IBM. Microsoft, Compaq及Sun合适的资源具有负载平衡功能能较高效地解决问题并将结等公司。这些公司已经在使用XML、 SOAP, UDD1等标准接Microcomputer Applications微型电脑应用2003年第19卷第2期口方面达成共识纳州三角园研究中心和IBM也建立了联盟关系,在国家第Compaq公司与平台计算公司达成了一项协议, Compaq个计算机网格上开展合作,为生命科学研究提供计算数据存公司将把它的Un和 Linux计算机服务与平台计算公司的储和网络资源,新的网格系统能够被北卡罗莱纳州内的数于软件进行整合使用该公司的软件把多台计算机连接成为一研究和教育人员访问帮助他们加速基因研究的步伐从而引台超级计算机。且它已经在新罕布什尔州的纳舒厄曼建立了导新的药品的发明与疾病展开更有效的斗争,同时还帮助推个专门的研究中心来研究网格计算问题 Compaq之所以会出更多的营养食品来满足全球人口的需要。加快在网格计算方面的发展速度,是因为它在高性能计算方美国政府用于网格技术的基础研究经费已达5亿美元面有庞大的用户群,尤其是在基因和医药研究方面。美国军方正规划实施一个宏大的网格计划,叫做“全球信息网IBM最近在开发网格标准平台方面取得了进展,这种平格”,预计在2020年完成。英国政府已投资1亿英镑,用来研台最终将作为未来网格架构的基础并且通过把网格计算引入制“英国国家阿格”:中国科学院软件研究所经过近十年的研商业领域提高网络服务的功能。1BM和 E tropic公司宜布,究,自主开发出可以精确进行油藏模拟的并行解法器和相关IBM将在其于今年年初开始的“网格”项目中使用 Entropia|软件,这套软件在“神威”“曙光”等国产高性能计算机上运的软件,HBM将评估 Entropia的网格计算技术,二家公司将行,成功地对几个国内外油田进行了模拟计算网格计算能力共同寻找分布式计算技术的客户此外,开发开放源代码软件可达千万量级,测试结果表明其性能已经与进口的同类软件的 Globus公司在分布式计算领域享有盛誉,它得到了IBM相当这套不断升级的软件适用于共享分布式等多种高性能的资助平台计算公司还为 Globus的工具包提供服务,计算环境具有较广阔的市场前景。Entropia则已经开始将 Globus的工具包整合在自己的软件世界经济和人类社会发展的很多领域已经对网格技术提中.IBM还在其运行mx和AX操作系统的服务器上运行出了实际需求如运输业的“综合信息平台”制造业的“网络Globus工具包软件。IBM还将把网格计算技术的力量应用到化虚拟制造能源业中的石油勘探与油藏模拟、电子政务中WebSphere平台中。的“资源共享”和“协同工作”资源环境领域的海量数据处理另一个业界巨人Sum也推出新软件促进网络计算的发与共享科学研究中的网络化虚拟实验室和虚拟天文台等,这.201年11月Sm推了 Sun grid Enginc企业版5.3版些行业都感到目前的可联网技术已不够用,它们需要新的技软件的阝版,继续提升它的网络技术计算水平。Sun与 Globus术,只有网格技术能满足这些需求。也结成了伙伴关系。Sun将帮助 Globus改进其工具包软件双方将开发使 Globus的工具包与Sun的开放源代码的网格五、结语引擎软件整合的接『。Sun还宣布与爱丁堡大学的爱丁量并行计算中心联合开发网格和高性能计算方法,休斯顿大学将网格计算符合 Internet发展的潮流,且正在获得越来越使用Sun的系统取代IBM的系统建立一个校园范围网格计多的应用电力网的模式是网格努力的方向人们使用阿络资算系统源像用电一样简单。网格计算为用户提供的是Web服务,未此外FP公司推出了esak万维网服务平台 . Microsoft来的发展将像 Internet-样,对人类社会产生巨大影响。在通过其,Nat计划和C#语言实现网格服务,且一批围绕网格 Internet上构筑网格计算环境将是具有重要意义和巨大商机计算的软件公司也逐渐壮大和为人所知,并成为受到关注的的发展领域新商机,如: Entropia、 Avaki. Noemix、 Data Synapse等。网格技术的目标是基于 Internet、Web和高性能计算等Gartner预测,在未来的10年将会看到商务发生彻底的技术,采用开放标准,实现网络虚拟环境上的资源共享和协同改变,冈格计算的网格服务将整合整个互联网不仅应用程序工作消除信息孤岛和资源孤岛。为了实现网格计算的目标可以共享,而且计算能力也可以共享目前要解决的重要问题有对于某些类似的计算任务而言—通常都是各个计算任(1)分布资灝共享的网格信息服务。网格技术使得大规模务之间无需通信阿格计算存在着巨大的潜力在医药行业和的资源共享成为可能,它可称为是一种虚拟组织,由于一个用其他一些行业中将非常普及,网格计算将是近期解决高能物户感兴趣的实体的多样性大量性动态行为和地理分布使理实验和破解基因代码这样的世界性合作的数据量极大的得资源服务和计算的发展交易机制特定化和监控等都是科学工程计算问题的唯一途径。我国科技界准备将这一国际些挑战性问题。但除了发现、交易和监控的基本机理外,必前沿技术引进我国应用中国科学院高能物理研究所的科研须提出一种信息服务结构来解决性能安全、自扩充性和鲁棒人员已经参与国际合作项日美国能源部下属的阿贲橡树岭性等但可扩布性和白适应性是实现网格计算的等国家实验室的超级计算机和存情资源都将陆续与该阿格|两个中国煤化工相连。把分布于这些国家实验室中的巨大信息资源进行有效CNMHG计算的主要挑战之一。在整合,将对基因组和天体物理等研究起到推动作用。北卡罗菜(下转第14页)Mierocomputer Applications Vol. 19, No 2, 2003研究与设计微型电脑应用2003年第19卷第2期般的并口型外设并不使用EPP模式,考虑到在ECP模式输出低电平)下,可以通过扩展控制寄存器ECR的高三位来选择任意一种(2)根据EPP状态寄存器中各位的定义,第5位( Spare并口模式因此可以首先在BOS中将并口模式设置为ECP位)是空余位,应当不起任何作用但实验表明该位的值会影模式然后在程序中使用outp( Base Ado+0x402,0x80)语句响到EPP模式的正常工作,只有当该位置零时,EPP模式才将并切换到EP模式这样就免除了修改BIOs设置的麻能正常工作。图5显示了第5控制位对指纹采集的影响POL.Chip芯片时序(参见图4)中有好几处要求时延,其控制寄存器中有两个控制位会对指纹图像采集产生影中最主要的是从复位完成到开始读数据之间的时延,其值为响如不能保证此时延数值,指纹采集结果最后一行像素(1)第2位( Reset位)用于复位芯片,置0有效(0代表为白点(灰度值25).其时延由于时间很短因此在考虑图5(a)第5控制位置0图5(b)第5控制位置1了机器指令执行时间后可以忽略不计。[2 ]Finger TIP CMOS Chip and System Data Book, Infineon参考文献[1JJan Axelson. Parallel Port Complete, ISBN 0-9650819(收稿日期:2002年8月20日)架坐里望里里里甲坐重里能坐的理里里坐塑重塑上接第7页)执行I/O时,网格应用必须能应付突然的服务、性能的变化和|算、网格计算的安全性、知识产权间题等耗尽的资源。为此,应研究网格迁移的自适应体系结构描述新的或更多合适的资源是如何定位的,通过在不同点间迁移参考文献任务来寻找和探索远程计算资源,使网格应用能动态自适应变化的网格环境1]网格计算论坛:htp://www.gridforum.org(3)应用层的可视化工具网格计算的主要领域是科学计[2lhtp:/www.ictaccn/homepage/xuzhw/research算它往往伴随者海量的数据面对浩如烟海的数据想通过人[3]胡凯、荣京民、阐志刚、武庄编著,网络计算新技术,科学出工分析得出正确的判断十分困难。如果把计算结果转换成直版社,2001观的图形信息,就能帮助研究人员摆脱理解数据的困难这就[43G.Alen,w. Benger.T. Goodale,H.C.Hege,G.要研究能在网格计算中传输和读取的可视化工具。并提供友Lanfermann, A. Merzky, T. Radke, E. Seidel, and J.好的用户界面。Shalf, Cactus Code: aproblem solving environment for(4)网格应用的组件和理想试验床的开发。它们是网格技the grid, 9th IEEE Int. Symp. on High Performance术发展乃至得到成功应用的两个重要方面Distributed Computing. Pittsburgh, PA, USA, aug 1(5)与网格计算相关的技术的研究。它们包括:实时企业中国煤化工信息系统、网络化虚拟设计环境、 .Internet术、知识管理、[5CN MH Gme/Description. htmlXML技术、ASP技术、万维网服务( Web Service)、语义网( Scmantic web)、数据网格、信息网格、计算网格、高性能计(收稿日期:2002年8月14