網(wǎng)格（Grid）組成的構(gòu)想源于電力供應(yīng)網(wǎng)，其基本思路是使用戶(hù)在應(yīng)用網(wǎng)格計(jì)算時(shí)，就像日常生活中從電網(wǎng)中獲取電能那樣，可以方便地獲取高性能的計(jì)算能力。圖1給出了電力網(wǎng)和網(wǎng)格組成的示意比較。通常人們?cè)谑褂秒娏r(shí)，并不知道電是從哪個(gè)發(fā)電站送來(lái)的，也無(wú)需知道電是通過(guò)什么型號(hào)的發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生的，不論是采用火力發(fā)電，還是水力發(fā)電或核反應(yīng)發(fā)電，表現(xiàn)的形式為無(wú)形的電能。網(wǎng)格也希望如此，最終使人們可以從有形的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)向使用者提供無(wú)形的計(jì)算能力。
1、網(wǎng)格和網(wǎng)格計(jì)算
網(wǎng)格是一個(gè)集成的計(jì)算與資源環(huán)境，也就是說(shuō)網(wǎng)格是一個(gè)計(jì)算資源池。除了必要的各種類(lèi)型的計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)之外，計(jì)算資源池涵蓋了計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、通信資源、軟件資源、信息資源、知識(shí)資源等，甚至還包括與人文相關(guān)的專(zhuān)家資源的集合。網(wǎng)格計(jì)算(Grid Computing)廣義的定義就是基于網(wǎng)格對(duì)問(wèn)題求解的過(guò)程。顯然，上述所給出的網(wǎng)格和網(wǎng)格計(jì)算概念相對(duì)是抽象的。狹義定義中的網(wǎng)格資源主要是指分布的計(jì)算機(jī)資源，而網(wǎng)格計(jì)算是指將分布的計(jì)算機(jī)組織起來(lái)協(xié)同解決復(fù)雜的科學(xué)與工程計(jì)算問(wèn)題。
可見(jiàn)從工程實(shí)施意義上，網(wǎng)格是繼傳統(tǒng)因特網(wǎng)(Internet)、萬(wàn)維網(wǎng)(WWW)之后的新一代因特網(wǎng)環(huán)境集成及應(yīng)用。傳統(tǒng)因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)硬件的連通，Web 實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)頁(yè)的連通，而網(wǎng)格則試圖實(shí)現(xiàn)因特網(wǎng)上所有資源的全面連通，形成對(duì)用戶(hù)相對(duì)透明的虛擬的高性能計(jì)算環(huán)境，最終實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境上的資源共享和協(xié)同工作，消除信息孤島和資源孤島。因此，網(wǎng)格是信息社會(huì)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，是把整個(gè)因特網(wǎng)整合成一臺(tái)無(wú)形的超級(jí)虛擬計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)因特網(wǎng)上所有資源的互聯(lián)、互通，完成各類(lèi)資源智能共享的一種新型的分布式計(jì)算技術(shù)。
2、網(wǎng)格的現(xiàn)實(shí)意義
網(wǎng)格技術(shù)的起源可以追溯到20世紀(jì)90年代初。當(dāng)時(shí)，歐洲的一批科學(xué)家將分布在法國(guó)和瑞士等國(guó)不同地理位置的計(jì)算資源，包括CPU、存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)庫(kù)等通過(guò)高速的因特網(wǎng)組成充分的資源集成，使其具有一種更高性能計(jì)算、管理及服務(wù)的資源能力，來(lái)解決高能物理研究中的計(jì)算難題。其結(jié)果是，位于瑞士的科技人員可以通過(guò)網(wǎng)格將巨大的計(jì)算任務(wù)提交到位于法國(guó)的高性能計(jì)算機(jī)集群上完成，這預(yù)示著：世界上計(jì)算機(jī)不管是大型、小型，還是個(gè)人的，都可以連在一個(gè)共有的開(kāi)放式的因特網(wǎng)上，將因特網(wǎng)上所有的計(jì)算機(jī)設(shè)備集成起來(lái)形成一個(gè)虛擬的超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不再是一種夢(mèng)想，這就是網(wǎng)格技術(shù)產(chǎn)生的背景。
促使網(wǎng)格技術(shù)產(chǎn)生的因素主要有如下幾點(diǎn)：
1）隨著人們對(duì)各種學(xué)科研究領(lǐng)域的深入拓展，對(duì)解決問(wèn)題所需的計(jì)算能力大幅度增加。如在建立數(shù)字化人腦數(shù)據(jù)庫(kù)的研究中，若將人腦體素的分辨率定在微米級(jí)，則建立一個(gè)彩色數(shù)字化人腦數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)量將達(dá)4.5 PB(1P=1015)。如果當(dāng)前硬盤(pán)的容量為100 GB，則一個(gè)彩色數(shù)字化人腦數(shù)據(jù)庫(kù)就需45 000塊硬盤(pán)。
2）因特網(wǎng)上的計(jì)算能力(如CPU)很多都處于閑置狀態(tài)，眾多計(jì)算機(jī)高級(jí)處理能力僅僅用于上網(wǎng)瀏覽網(wǎng)頁(yè)或做簡(jiǎn)單的文字處理對(duì)計(jì)算資源是一種浪費(fèi)。
3）因特網(wǎng)特別是瀏覽器已可進(jìn)行較為復(fù)雜的操作，從而為網(wǎng)格實(shí)施資源分配、任務(wù)調(diào)度等運(yùn)作過(guò)程提供了條件。
網(wǎng)格概念的提出從根本上突破了以往計(jì)算資源利用的種種限制(如地理位置)，使之成為以共享和協(xié)作方式迅速、方便解決復(fù)雜問(wèn)題的基本工具。
3、網(wǎng)格的組成和特征
網(wǎng)格計(jì)算系統(tǒng)主要包括網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)格系統(tǒng)軟件、網(wǎng)格應(yīng)用，如圖2所示。網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)是地理上獨(dú)立的計(jì)算和信息中心。網(wǎng)格系統(tǒng)軟件對(duì)網(wǎng)格計(jì)算系統(tǒng)的組成起著關(guān)鍵的作用，軟件統(tǒng)一管理計(jì)算網(wǎng)格(Computational Grid)，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)集成起來(lái)，組成一個(gè)虛擬協(xié)同高性能計(jì)算環(huán)境，向社會(huì)大眾和各領(lǐng)域的科研機(jī)構(gòu)統(tǒng)一提供高性能計(jì)算和海量信息處理服務(wù)。網(wǎng)格應(yīng)用是以生物、氣象、能源、石油、水利、軍事等行業(yè)的重大應(yīng)用為背景建立的應(yīng)用。
圖2：網(wǎng)格計(jì)算系統(tǒng)的基本組成
網(wǎng)格計(jì)算系統(tǒng)具有資源分布性、管理多重性、動(dòng)態(tài)多樣性、結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性等特征，其節(jié)點(diǎn)及各種資源分布于不同的地方，隸屬于不同的所有者，具有多層管理的特點(diǎn)。為了完成特定的工作，各種各樣的異構(gòu)資源可動(dòng)態(tài)組合，規(guī)模可不斷加大。
1）分布性
分布與共享是網(wǎng)格的一個(gè)主要特征。網(wǎng)格的分布性首先指的是網(wǎng)格資源是分布的，但又是共享的。可以認(rèn)為：分布是網(wǎng)格硬件在物理上的特征表現(xiàn)，而共享則是在網(wǎng)格軟件支持下實(shí)現(xiàn)的邏輯上的特征。
2）多樣性
網(wǎng)格資源是多樣的和異構(gòu)的。網(wǎng)格中的信息技術(shù)資源多種多樣，不僅有各種類(lèi)型的超級(jí)計(jì)算機(jī)，甚至包括各種尖端科學(xué)儀器，如光譜分析儀、天文望遠(yuǎn)鏡等都可以聯(lián)接到網(wǎng)格環(huán)境中，由這些機(jī)器產(chǎn)生的科學(xué)數(shù)據(jù)可以直接傳輸?shù)骄W(wǎng)格上去，從而實(shí)現(xiàn)跨越地理分布的多個(gè)管理域。
3）動(dòng)態(tài)性
與Internet 類(lèi)似，網(wǎng)格也是一個(gè)開(kāi)放性的信息載體。它可以從最初包括的少數(shù)資源發(fā)展到具有成千上萬(wàn)資源的大網(wǎng)格。網(wǎng)格資源的動(dòng)態(tài)變化要求提高網(wǎng)格的可擴(kuò)展性，自適應(yīng)性。網(wǎng)格的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)時(shí)，必須注重網(wǎng)格的可擴(kuò)展性。與一般的因特網(wǎng)及單機(jī)結(jié)構(gòu)不相同的是，網(wǎng)格系統(tǒng)由于地域分布和系統(tǒng)的復(fù)雜性使其整體結(jié)構(gòu)經(jīng)常發(fā)生變化。網(wǎng)格同樣可能發(fā)生障礙，但由于網(wǎng)格系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力很強(qiáng)，能夠在特殊情況下自動(dòng)將用戶(hù)的請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給正常的子系統(tǒng)來(lái)完成。
4）管理復(fù)雜性
與因特網(wǎng)的域管理機(jī)制類(lèi)似，網(wǎng)格系統(tǒng)中的各種資源屬于不同的機(jī)構(gòu)與組織，網(wǎng)格資源應(yīng)具有自治性的。但網(wǎng)格資源也必須能提供統(tǒng)一管理，具有互操作特征，因此，管理網(wǎng)格系統(tǒng)的管理機(jī)制更為復(fù)雜。
5）自相似性
分形模型的一個(gè)重要特征是自相似性。網(wǎng)格的局部和整體之間也存在著一定的相似性，這對(duì)于構(gòu)建和研究網(wǎng)格技術(shù)有十分重要的意義。
以WWW為代表的因特網(wǎng)技術(shù)在給人們帶來(lái)了很多方便的同時(shí)，其固有的缺陷也暴露無(wú)疑。人們常用信息垃圾山來(lái)形容Internet的現(xiàn)狀，這是由Internet自身特性所決定的：Internet是一個(gè)開(kāi)放性的系統(tǒng)，人們?cè)诰W(wǎng)上發(fā)布信息時(shí)，幾乎沒(méi)有任何限制；Internet實(shí)行的所謂域管理及分散管理機(jī)制，缺乏一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)管理神經(jīng)中樞，所以導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系處于無(wú)序的狀態(tài)。
相比之下，網(wǎng)格是高性能計(jì)算機(jī)、信息源、因特網(wǎng)3種技術(shù)的有機(jī)組合，具有更高性能的知識(shí)生產(chǎn)、一體化和資源共享功能。具體包括：
1）網(wǎng)格比WWW具有更大的帶寬和更高的信息傳輸速度。
2）可提供高級(jí)數(shù)據(jù)處理能力。
3）可提供有效的廣域緩存技術(shù)支持。
4）擁有更大的網(wǎng)上社區(qū)。
除此之外，網(wǎng)格在處理信息方面與WWW質(zhì)的區(qū)別還在于：因特網(wǎng)本身主要起信息載體的功能，并不創(chuàng)造和生產(chǎn)知識(shí)，而網(wǎng)格卻能根據(jù)用戶(hù)的要求自動(dòng)地生產(chǎn)知識(shí)與信息。在知識(shí)生產(chǎn)過(guò)程中，網(wǎng)格的高性能計(jì)算機(jī)能將數(shù)據(jù)源(傳感器、貴重設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)、信息庫(kù))中得到原始數(shù)據(jù)通過(guò)特定網(wǎng)格程序軟件加工成信息知識(shí)。而且這一功能是完全由網(wǎng)格本身完成，不需要人為干預(yù)。另外與WWW的信息孤島效應(yīng)不同，在邏輯上，整個(gè)網(wǎng)格就像一臺(tái)計(jì)算機(jī)在運(yùn)作，充分體現(xiàn)了它的一體化和高度綜合性功能，而不像WWW那樣從成千上萬(wàn)個(gè)網(wǎng)址中漫無(wú)邊際地查找。
