高性能网格并行计算论

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1、高性能网格并行计算摘要：对高性能计算的各种方式进行了分析和比较，并阐述了网格和元计算的关系。通过对当前各种网格工程的透视，论述了网格体系结构和网格服务语义。探讨了网格的两个关键特点：异构性和动态性及其解决方法。对于认识网格概念以及指明未来高性能并行计算发展方向有一定意义。关键词：网格；高性能计算；开放网格服务体系结构；异构性1高性能计算的各种形式1.1分布式计算所谓分布式计算是指在分布式计算机系统上的程序设计和实现。而分布式系统又是指由多个地理上分散的计算机经互联网连接而成的系统，它是多计算机系统的一种形式，强调资源、任务、功能和控制的全面分布。就物理资源而言，包括处理机、

2、输入输出设备、通信接口和辅助存储器等。就逻辑资源而言，包括进程、任务、文件、表格和数据库等。早期分布式计算的侧重点是分布资源的共享利用，以便减少购买昂贵设备()如激光图形打印机的开销。由于分布式计算系统中有多个处理结点，因此应用任务在各个结点上的负载平衡也是分布式计算追求的目标。分布式计算主要是支持具有地理分布特征的应用项目，如飞机售票系统、银行通存通兑系统等。而且还能利用分布资源实现容错功能，但计算任务的高性能不是它刻意追求的目标。1.2并行计算并行计算简单地说，就是在并行计算机上所做的计算，它和常说的高性能计算、超级计算是同义词。并行计算的物质基础是高性能并行计算机，如

3、单指令多数据流机、SIMD并行向量处理机PVP、对称多处理机SMP、大规模并行处理机MPP、工作站机群COW，也包括分布网络计算机等。任何超级计算都离不开使用并行技术，从理论上讲，没有因果关系()或依赖关系的两个事件可以并发执行。直觉上，则是指两个事件同时执行。开发并行性的途径有3种，即时间共享、空间共享和资源重复。如流水线计算机是通过时间共享，让多个部件在时间上交错重叠地执行运算和处理；阵列处理机利用的是资源重复。由于业已提供的计算能力总是满足不了人类对计算能力的需求，而且这种需求是无止境的，因此并行计算的宗旨是追求高性能，有时甚至不惜代价去达到这样的目标。另外，并行计算

4、理论还不成熟，尚没有成为主流计算技术，许多问题有待解决。1.3异构计算自Freund首先提出优化选择理论之后[1]，异构计算便成为近年并行处理研究的新台阶。IEEE每年组织召开一次HCW(heterogeneouscomputingworkshop)。所谓异构计算，是指将性能、属性各异的计算机(如PC、工作站群、向量机等)，通过高速网络连成并行计算环境，充分利用程序和体系结构的异构性，各尽潜能，合理分治，协同完成一个计算任务，使得完成时间最少的过程。形象地说，异构计算如同交响乐团演奏一首乐曲，各种乐器协同弹奏，产生最美妙的乐感。据报道，许多超级计算机的峰值性能只发挥了，5%

5、原因是程序特征和体系结构不匹配。异构计算追求的目标正是充分挖掘程序和机器潜在的特征，并且让这两种特征匹配，从而大大提高任务的执行效率。1.4元计算元计算概念是伴随着LAN向WAN、Internet的发展过程中提出来的。要回答什么是元计算，先要搞清楚什么是元系统、元计算环境等概念。一般来讲，具有存在的主要任务和根本目标的任何形式的集体均可算是一个元系统。广义上讲，元系统是一个异构系统，这个系统通过某种网络将各个构件无缝地结合在一起，每个构件有自己的分工，完成一种特定的任务。整个系统将所有构件协调起来完成一个总体目标，并对外表现为单一的整体，且构件对外是不可见的。如果为了计算目

6、的而组建的元系统，则称之为元计算环境。在元计算环境中开展的程序设计和程序运行，则被称为元计算。如果将元计算环境引入到广域网范围内，使得广域网上的空闲计算机资源集成和共享起来，对那些亟需科学计算的用户提供统一界面的服务，而不必关心用户提交的任务是如何划分的，在何种机器上运行，结果如何收集等，这就是元计算追求的目标1.5网格计算网格计算是在元计算的基础上发展起来的，是Internet应用的新发展，是在巨型机与互联网技术的基础上推出的一项新变革，是完成超级计算任务的一种新模式，又称为虚拟计算环境，或全球计算统一平台。网格试图实现互联网上所有资源的全面连通和共享，包括计算资源、存储

7、资源、通信资源、软件资源、信息资源等。网格计算需要使用一套能够把一个应用程序划分成能在上千个计算机上执行的软件和机制，感觉上如同个人使用一台超级计算机一样。从学术上讲，网格是分布计算的一种形态。网格追求的目标来源于人们对“电力网”的类比理解，人们希望从网格中获取“计算或服务”，就像家电用插头从电力网中获得“电能”一样方便和普及。2著名的网格工程2.1Globus工程Globus是美国Argonne国家实验室的研发项目，全美有12所大学和研究机构参与了该工程。Globus对资源管理、安全、信息服务及数据管理等网格计算