随着人们在日常工作遇到的商业计算越来越复杂，人们迫切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。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，最终科学家们经过努力找到了答案--Grid Computing（网格计算）。
1 网格技术的兴起
网格计算(grid) ，就是指将多个计算机组成网格状网络。"grid"在英语中是"方格"的意思，是一种"模拟实现高性能计算机的技术"。比如，有一项业务需要一个人5分钟的处理时间。如果他身边有4个具有同样工作能力的帮手，可以把这项业务平均分成5等份，分别交给5个人进行处理。那么，理论上这项业务的处理时间将缩短到1分钟。这就是网格计算的基本思路。
网格概念的核心是资源及服务及对资源的使用。网格计算的实质，是在打破传统的强加在"资源"之上的种种限制的基础上，为使用者提供一科前所未有的高级服务。第三代Internet面临的任务将成为推动网格计算(Gird Computing)发展的基本动力。
2 网格体系结构
网格体系结构就是关于建造网格的技术，它给出了网格的基本组成与功能，描述了网格各组成部分的关系以及它们集成的方式与方法，刻画了支持网格有效运行的机制。Foster将网格体系结构定义为"划分系统基本组件，指定组件的目的与功能，说明组件之间如何相互作用的技术"
1.1 五层沙漏结构
五层沙漏结构是一种早期的抽象层次结构，它以"协议"为中心，强调服务与API和SDK的重要性。五层沙漏结构如下图：
1. 1.1 构造层
网络构造层的功能是控制可以使用的资源，并提供访问这些资源的接口。
1. 1.2 连接层
连接层实现资源和应用的通信。它定义了核心的通信和认证协议,用于网格中的网络事务处理。
1.1.3 资源层
资源层实现对单个资源的共享。他在连接层之上，用于初始化、监视、控制单个资源的共享操作。
1.1. 4 汇聚层
汇聚层的作用是协调共享的资源，它描述资源的共性，说明不同集合资源之间是如何相互作用的。资源层协议必须是通用的而且可以广泛使用，汇聚层协议在资源层通用目的的协议的基础上，实现更高级的应用。
1.1.5 应用层
应用层是在虚拟组织环境中存在的。从应用程序员的观点看网格结构，应用是根据在任一层次上定义的服务来构造的。
2. 2 五层沙漏结构的技术细节
五层沙漏结构侧重于定性的描述，它包含如下一些内容：
2. 2.1 共享
共享强调对计算机、软件、数据以及其它资源的直接访问。这种共享必须是高度可控的，需要在资源控制者和使用者之间定义什么是可共享的，哪些用户可以共享，在什么条件下可以共享。这里的共享是一种随时间变化的动态共享，而不是静态的。主要有三种形式形式的共享关系：C/S共享关系、P2P共享关系、Proxy共享关系。
2. 2.2 互操作
共享定义为对各种资源的直接访问，也就是支持互操作。因此，共享关系需要一种互操作的机制，使共享可以跨越不通的组织边界、使用策略以及资源类型。
2.2.3 开放式协议
为实现互操作，必须制定和相互遵守协议。这里的协议是指为了实现特定的操作而定义的分布式系统元素之间交互的方式以及交互过程中交换的信息的结构。
2.2.4 API/SDK
API（Application Programming Interfaces）和SDK（Software Development Kits），使得在建立网格应用时可以在抽象的基础上提高编程的级别。
2.2.5 沙漏形状
五层结构的重要特点是沙漏形状，其内在含义就是因为各部分协议的数量是不同的，对于其最核心的部分，要能够实现上层各种协议向核心协议的映射，同时实现核心协议向下层其它各种协议的映射，核心协议在所有支持网格计算的地点都应得到支持。因此核心协议的数量不应该太多，这样核心协议就形成了协议层次结构中的一个瓶颈，在五层结构中，资源层和连接层共同组成这个核心的瓶颈部分。
3 网格安全特点
网格安全技术防止非法用户使用或获取网格的资源，从而确保网络资源的安全性。网格环境具有异构性、可扩展性、结构不可预测性以及具有多级管理域等特点，使网格的安全问题不同于传统的分布式计算环境。网格系统的安全体系的设计中除具有Internet的安全特性外，还具有以下特征：
（1）异构资源管理。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆网格可以包含跨地理分布的多种异构资源、不同体系结构的超大型级计算机和不同结构的操作系统及应用软件，要求网格系统能动态地适应多种计算机资源和复杂的系统结构，异构资源的认证和授权，给安全管理带来一定的挑战。
（2）可扩展性。网格的用户、资源和结构是动态变化的，要求网格系统安全结构具有可扩展性，以适应网格规模的变化。
（3）结构不可预测性。在传统的高性能计算系统中,计算资源是独占的,因此系统的行为是可以预测的。而在网格计算系统中,资源的共享造成系统行为和系统性能经常发生变化，网格结构具有不可预测性。[1]
（4）多级管理域。由于计算网格的分布性特点，与用户和资源有关的各种属性可以跨越物理层属于多个组织机构。由于构成网格计算系统的超级计算机资源通常属于不同的机构或组织,并且使用不同的安全机制, 因此需要各个机构或组织共同参与解决多级管理域的问题。
4 网格的应用
网格的最终目的是希望用户在使用网格的计算能力时，就如同现在使用电力一样方便简单。在科学计算领域，网格计算可以在以下几个方面得到广泛应用：
（1）分布式超级计算
网格计算可以把分布式的超级计算机集中起来，协同解决复杂的大规模的问题。
使大量闲置的计算机资源得到有效的组织，提高了资源的利用效率，节省了大量的重复投资，使用户的需求能够得到及时满足。
（2）高吞吐率计算
网格技术能够十分有效地提高计算的吞吐率，它利用CPU的周期窃取技术，将大量空闲的计算机的计算资源集中起来，提供给对时间不太敏感的问题，作为计算资源的重要来源。
（3）数据密集型计算
数据密集型的问题的求解往往同时产生很大的通讯和计算需求，需要网格能力才可以解决。网格可以药物分子设计、计算力学、计算材料、电子学、生物学、核物理反应、航空航天等众多的领域得到广泛的需求。[2]
（4）基于广泛信息共享的人与人交互
网格的出现更加突破了人与人之间地理界线的限制，使得科技工作者之间的交流更加的方便，从某种程度上可以说实现人与人之间的智慧共享。
（5）更广泛的资源贸易
随着大型机的性能的提高和微机的更加普及，及其资源的闲置的问题也越来越突出，网格技术能够有效地组织这些闲置的资源，使得有大量的计算需求的用户能够获得这些资源，资源的提供者的应用也不会受到太大的干扰。需要计算能力的人可以不必购买大的计算机，只要根据自己的任务的需求，向网格购买计算能力就可以满足计算需求。
5 计算机网格面临的技术问题
网格技术的兴起和发展得益于技术进步和应用需求的驱动，但面临着诸多挑战。在技术方面，其研究重点是网格软件技术的研究和实现，并以网格系统软件为主要研究对象。人们需要建立具有开放性的体系结构、标准和协议，以形成信息获取、传输、访问、共享和处理的单一开放的信息处理基础设施平台，需要克服虚拟组织的管理和协同工作问题，需要解决网格的可用性和可开发性障碍，并解决系统安全问题。网格作为基础设施，除了技术上的挑战外，一些社会、政治因素对网格的普及也至关重要，应当建立资源的外包、数据的保密等法律保护机制。
为了实现支持资源共享、协同工作，具有资源虚拟化和服务特征的网格，还需要理论和技术创新的支撑。网格研究面临一系列需要回答的问题，例如（1）网格环境下数据如何分布、组织、管理？要求什么样的存储模型？（2）如何对动态变化的资源实施有效管理？如何在广域环境下调度资源，保证服务质量？（3）网格服务的语义如何表示？应用开发者如何理解服务语义并与其应用目标相匹配？（4）为了在虚拟资源空间中建立资源提供者和使用者之间的信赖关系，保证各自的安全，应该建立什么样的网格计算安全模型和机制？（5）由于资源的分散性和部门所属性，网格能否像电信基础设施那样由集中的大运营商来运营？它的经济模型和盈利机制是什么？如何通过引入投资机制，建立网格的运营服务业？在强调共享技术的同时，如何用有效的利益机制来促进共享？这对于网格在中国的成功也许比技术问题更为重要。
此外，迄今为止尚未制定出全球统一的网格标准。国际上网格技术的研究基本上采用了因特网的开放标准路线，以层次化开放式为基础，在多个层次上建立横向技术标准和平台，以满足不同层次资源和应用集成的需要。[3]
6 结语
网格研究最初的目标是希望能够将超级计算机连接成为一个可远程控制的元计算机系统，现在，已发展成为建立大规模计算和数据处理的通用基础支撑结，实现资源共享和分布协同工作。网格技术的最终目的是希望用户在使用网格计算能力解决大规模数据计算的问题，用户不必考虑的计算来自于哪个地理位置，由什么样的计算设施提供。网格计算将成为未来网络市场发展的热点。据《ForbesASAP》预测，网格技术将在近年度达到高峰，并带来因特网的新生。 [4]如果网格技术能促使市场按预期的17％年增长率持续成长的话，那么在2020年将会形成一个年产值20万亿美元的大产业。
参考文献
[1]李秀. 计算机文化基础[M] .北京清华大学出版社,2003.
[2]王森. 计算机原理 [M].北京:电子工业出版社, 2002.
[3]施伯乐. 数据库教程 [M].北京: 人民邮电出版社,2004.
[4]陈明德. Novell网格实际操作[M] .北京:北京电子工业出版社, 1998．
论文作者:郑达
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第2期
论文发表时间:2019/3/18
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