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1、严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。网格计算技术网格计算技术Grid Computing桂小林桂小林西安交通大学计算机科学与技术系西安交通大学计算机科学与技术系2006.5.82006.5.8新一代互联网络应用技术新一代互联网络应用技术1 1严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。引子引子 网格（网格（GridGrid）技术是近年来兴起的一门信息新技术，）技术是近年来兴起的一门信息新技术，它代表了继它代表了继InternetInternet技术和技
2、术和WebWeb技术之后的第三次技术技术之后的第三次技术浪潮。浪潮。本课程书结合国内外在网格计算技术、网格信息服务本课程书结合国内外在网格计算技术、网格信息服务技术方面的最新发展状况，系统介绍网格技术的基本技术方面的最新发展状况，系统介绍网格技术的基本概念、基本方法和基本技术。概念、基本方法和基本技术。具体包括：具体包括：网格技术的产生背景和目标，网格的基本网格技术的产生背景和目标，网格的基本网格技术的产生背景和目标，网格的基本网格技术的产生背景和目标，网格的基本概念和特征，网格的发展历程，网格的体系结构（包概念和特征，网格的发展历程，网格的体系结构（包概念和特征，网格的发展历程，网格的体系结
3、构（包概念和特征，网格的发展历程，网格的体系结构（包括括括括OGSAOGSA和和和和OGSIOGSI），网格家族的主要成员（包括），网格家族的主要成员（包括），网格家族的主要成员（包括），网格家族的主要成员（包括P2PP2P、语义语义语义语义WebWeb、知识本体论、智能代理和内容分发网络等）、知识本体论、智能代理和内容分发网络等）、知识本体论、智能代理和内容分发网络等）、知识本体论、智能代理和内容分发网络等）的基本工作原理，网格计算技术（包括网格并行计算的基本工作原理，网格计算技术（包括网格并行计算的基本工作原理，网格计算技术（包括网格并行计算的基本工作原理，网格计算技术（包括网格并行计算与
4、科学计算），网格通信技术，网格应用调度技术，与科学计算），网格通信技术，网格应用调度技术，与科学计算），网格通信技术，网格应用调度技术，与科学计算），网格通信技术，网格应用调度技术，网格安全技术和网格信息服务技术网格安全技术和网格信息服务技术网格安全技术和网格信息服务技术网格安全技术和网格信息服务技术。2 2严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。频度频度3 3严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。热度热度4 4严格执行突发事件上报制度、校外活动报批
5、制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。1988199319951998200020022005同构计算同构计算同构计算同构计算异构计算异构计算异构计算异构计算元计算元计算元计算元计算网格计算网格计算网格计算网格计算普适计算普适计算普适计算普适计算计算规模计算模式的演变计算模式的演变5 5严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。参考书目参考书目桂小林，网格技术导论，北京邮电大学出版社，2005CeramiE.Web服务精髓.陈逸，译.北京：中国电力出版社,2003MarcusR.Great
6、GlobalGrid:EmergingTechnologyStrategies.NewYork:WileyPress,20026 6严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。第一章：网格的基本概念第一章：网格的基本概念网格的用途网格的概念网格的本质网格的目标网格需要解决的问题网格的机遇与挑战网格的理想7 7严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。计算资源存在极大浪费计算资源存在极大浪费 据估计，全球大型超级计算机系统在大量时间内（约据估计，全球大型超级计
7、算机系统在大量时间内（约60%60%）处于闲置状态，）处于闲置状态，UNIXUNIX家族服务器也只有家族服务器也只有30%30%左左右的时间在处理用户应用，而个人桌面计算机则每天右的时间在处理用户应用，而个人桌面计算机则每天有一半以上的时间处于关机状态。另据一些专业媒体有一半以上的时间处于关机状态。另据一些专业媒体披露：网络上的大量工作站和服务器的利用率也仅仅披露：网络上的大量工作站和服务器的利用率也仅仅使用了其使用了其2020左右的能力；就像科研院所这样使用计左右的能力；就像科研院所这样使用计算机频率高的单位，其计算机及其资源的利用率也仅算机频率高的单位，其计算机及其资源的利用率也仅为为25
8、25左右。左右。如果这样的情况出现在一个企业内部的其它事务上，如果这样的情况出现在一个企业内部的其它事务上，那肯定是不难以容忍的。例如，如果一家电视机制造那肯定是不难以容忍的。例如，如果一家电视机制造工厂的生产流水线有工厂的生产流水线有5050以上的空闲，一家航空公司以上的空闲，一家航空公司有有60%60%的飞机在地面待机，一家汽车制造商的飞机在地面待机，一家汽车制造商50%50%的组的组装厂被闲置，或者一家旅游连锁店有装厂被闲置，或者一家旅游连锁店有85%85%的房间是空的房间是空置的，那么企业的利润将会受到严重影响，而且这种置的，那么企业的利润将会受到严重影响，而且这种情况在一个正常的企业
9、内也是不允许的。情况在一个正常的企业内也是不允许的。8 8严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。网络上很多资源无法发现和共享网络上很多资源无法发现和共享目目前前，在在InternetInternet上上通通过过FTPFTP提提供供了了大大量量的的文文件件共共享享，通通过过网网页页提提供供大大量量的的文文本本共共享享。互互联联网网上上，这这两两方方面面的的共共享享资资源源每每天天都都在在飞飞速速增增长长，不不可可能能有有哪哪个个单单一一的的服服务务器器或或者者搜搜索索引引擎擎能能够够掌握所有资源。掌握所有资源。根根据据专专
10、家家估估计计，现现在在每每年年互互联联网网都都会会增增加加10101818字字节节以以上上的的内内容容，但但大大概概只只有有10101212字字节节能能为为公公众众所所用用，只只相相当当于于总总量量的的百百万万分分之之一一，即即便便是是某某些些功功能能强强大大的的搜搜索索引引擎擎也也只只能能查查找找其其中中约约10108 8字节的内容。字节的内容。9 9严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。网格的网格的用途用途 1.网格聚合广域计算资源网格聚合广域计算资源2.2.网格共享广域信息资源网格共享广域信息资源 总总总总的的的的
11、来来来来讲讲讲讲,是是是是应应应应用用用用需需需需求求求求推推推推动动动动着着着着网网网网格格格格技技技技术术术术的的的的产产产产生生生生和发展。和发展。和发展。和发展。最最最最初初初初，网网网网格格格格被被被被认认认认为为为为是是是是支支支支持持持持广广广广域域域域高高高高性性性性能能能能计计计计算算算算的的的的，通通通通过过过过高高高高速速速速网网网网络络络络互互互互连连连连的的的的跨跨跨跨管管管管理理理理域域域域的的的的、异异异异构构构构的的的的软软软软硬硬硬硬件资源协作体。件资源协作体。件资源协作体。件资源协作体。现现现现在在在在，网网网网格格格格与与与与WebWebWebWeb服服服
12、服务务务务结结结结合合合合，可可可可以以以以提提提提供供供供信信信信息息息息资资资资源共享、发现与检索服务。源共享、发现与检索服务。源共享、发现与检索服务。源共享、发现与检索服务。1010严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。网格聚合广域计算资源 随着计算机网络的迅速发展，带宽的日益增长，聚集网随着计算机网络的迅速发展，带宽的日益增长，聚集网络上各种机器提供统一资源服务现已成为一种趋势。使络上各种机器提供统一资源服务现已成为一种趋势。使用单一的机器构成完整而独立的计算机存在明显不足：用单一的机器构成完整而独立的计算机存在
13、明显不足：当一个机器为很多作业提供运行服务时，其它机器却处当一个机器为很多作业提供运行服务时，其它机器却处于空闲状态。这会导致资源的巨大浪费。于空闲状态。这会导致资源的巨大浪费。PCPC集群（集群（ClusterofPCClusterofPC，PCsPCs）、工作站机群（）、工作站机群（NetworkNetworkofWorkstationsofWorkstations，NOWsNOWs）是共享网络机器资源的典型例）是共享网络机器资源的典型例子。然而，子。然而，PCsPCs和和NOWsNOWs共享的机器通常具有相同的体系共享的机器通常具有相同的体系结构，即包括相同的结构，即包括相同的CPUCP
14、U、相同的操作系统配置，而网、相同的操作系统配置，而网络中大部分其它体系结构的机器却无法实现共享。络中大部分其它体系结构的机器却无法实现共享。想象一下，如果一个组织内能够在晚上使用其所有的空想象一下，如果一个组织内能够在晚上使用其所有的空闲计算机、服务器、工作站来运行通信密集型、计算密闲计算机、服务器、工作站来运行通信密集型、计算密集型任务，将会怎么样呢？它们会完成得更好更快，企集型任务，将会怎么样呢？它们会完成得更好更快，企业可能因此更快地将产品推向市场，同时削减其用于信业可能因此更快地将产品推向市场，同时削减其用于信息环境建设上的大量开支，企业也因此从中获取更多利息环境建设上的大量开支，企
15、业也因此从中获取更多利润，竞争力自然增强。润，竞争力自然增强。1111严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。网格共享广域信息资源网网格格最最早早从从高高性性能能计计算算发发展展而而来来，后后经经历历元元计计算到网格计算，再到现在的网格信息服务。算到网格计算，再到现在的网格信息服务。网网格格不不仅仅支支持持旨旨在在聚聚合合计计算算资资源源的的高高性性能能科科学学计计算算，而而且且支支持持分分布布式式资资源源的的协协作作与与共共享享；不不仅仅综综合合了了对对科科学学计计算算、并并行行计计算算以以及及工工程程计计算算等等各各种
16、种业业务务的的支支持持，即即解解决决计计算算密密集集型型的的重重大大挑挑战战性性的的问问题题，同同时时还还构构成成事事务务处处理理、信信息息交交流流、电电子子商商务务、远远程程教教育育、远远程程医医疗疗、数数字字图图书馆等新型应用的基础。书馆等新型应用的基础。1212严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。1313严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。网格网格的概念的概念 网格（网格（Grid)Grid)是一种新技术，也是一种新思想是一种新技术，也是
17、一种新思想,不同的不同的组织和个人有不同的定义。组织和个人有不同的定义。它具有新技术的两个主要特征：它具有新技术的两个主要特征：其一，不同群体使用不同的名词来称谓它；其一，不同群体使用不同的名词来称谓它；其二，网格的精确含义和内容还没有固定，而是在不断变化。其二，网格的精确含义和内容还没有固定，而是在不断变化。网格（网格（GridGrid）技术起源于）技术起源于2020世纪世纪9090年代初由美国政府年代初由美国政府资助的分布式超级计算（资助的分布式超级计算（DistributedSupercomputingDistributedSupercomputing）项目项目I-WAYI-WAY。从从
18、19931993年开始，高性能计算技术和互联网技术进一步年开始，高性能计算技术和互联网技术进一步融合，酝酿产生了继因特网、融合，酝酿产生了继因特网、WebWeb之后的第三大技术之后的第三大技术浪潮。浪潮。“网格网格”这一术语的思想则源于日常生活中公共设施这一术语的思想则源于日常生活中公共设施的应用，的应用，IanFosterIanFoster出版的著作中最早将它称之为出版的著作中最早将它称之为“网网格格”。1414严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。网格网格的概念的概念 20022002年年7 7月月，IanIanFo
19、sterFoster在在WWhathatisisthetheGrid?Grid?AAThreeThreePointChecklistPointChecklist中，中，认为网格必须同时满足三个条件：认为网格必须同时满足三个条件：(1)(1)在非集中控制的环境中协同使用资源；在非集中控制的环境中协同使用资源；(2)(2)使用标准的、开放的和通用的协议和接口（也就是指使用标准的、开放的和通用的协议和接口（也就是指GlobusGlobus）；）；(3)(3)提供非平凡的服务。提供非平凡的服务。可可见见，这这三三个个条条件件要要求求非非常常严严格格，这这样样像像P2P(PeerP2P(Peertoto
20、Peer)Peer)、SUNSUNGridGridEngineEngine、CondorCondor、EntropiaEntropia、MultiClusterMultiCluster等都被排除在网格之外。等都被排除在网格之外。而而另另一一些些人人则则赞赞同同广广义义的的“网网格格观观”，并并把把它它称称作作巨巨大大全全球球网网格格（GreatGreatGlobalGlobalGridGrid，GGGGGG），它它不不仅仅包包括括计计算算网网格格、数数据据网网格格、信信息息网网格格、知知识识网网格格、商商业业网网格格，还还包包括括一一些些已已有有的的网网络络计计算算模模式式，例例如如对对等等计
21、计算算P2PP2P、进进化计算等。化计算等。1515严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。网格网格的概念的概念Ian Foster的定义：“网网格格计计算算是是动动态态多多机机构构虚虚拟拟组组织织中中的的一一个个协协调调的的共共享享资资源和解决问题的过程源和解决问题的过程”。IBM认为：网格就是“服务”、“业务”（Services）我们认为：网格是分布式异构资源的协作体。显然，网格这一概念也是“与时俱进”的。1616严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发
22、事件。网格的本质网格的本质作为新一代网络计算与应用技术，网格的本质不是它的规模，而是充分利用互联网络中的现有软硬件资源，支持广域环境上的计算、数据、存储、信息和知识资源的共享、互通与互用，消除资源孤岛，以较低成本获得高性能。网格要解决的问题可以概括为：如何在动态、异构虚拟组织间利用网格资源来协同的解决某一问题，如复杂计算问题和信息服务问题。1717严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。网格的目标网格的目标网格的目标是将地理上分布的、系统上异构的多种计算资源通过高速网络连接起来，协同解决大型应用问题，进行广域信息资源的分布
23、共享，最终把整个因特网整合成一台超级虚拟计算机。网格需要为用户提供统一的编程与应用接口，屏蔽硬件边界、进程通信和同步的复杂性，为用户提供单一的虚拟机器。1818严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。网格的目标（网格的目标（2）（1）降低应用成本低）降低应用成本低利用因特网中的各种已有软、硬件资源支持利用因特网中的各种已有软、硬件资源支持利用因特网中的各种已有软、硬件资源支持利用因特网中的各种已有软、硬件资源支持各种应用，不仅可以节省应用成本，而且可各种应用，不仅可以节省应用成本，而且可各种应用，不仅可以节省应用成本，而且
24、可各种应用，不仅可以节省应用成本，而且可以带动各学科研究水平的快速提高以带动各学科研究水平的快速提高以带动各学科研究水平的快速提高以带动各学科研究水平的快速提高。（2）屏蔽资源的分布性）屏蔽资源的分布性网格资源通常是跨管理域的资源，这些资源网格资源通常是跨管理域的资源，这些资源网格资源通常是跨管理域的资源，这些资源网格资源通常是跨管理域的资源，这些资源属于不同的组织，信任关系不容易事先确定。属于不同的组织，信任关系不容易事先确定。属于不同的组织，信任关系不容易事先确定。属于不同的组织，信任关系不容易事先确定。1919严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、
25、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。网格的目标（网格的目标（3）（3）屏蔽资源的异构性）屏蔽资源的异构性每个系统可能具有不同的数据表示每个系统可能具有不同的数据表示每个系统可能具有不同的数据表示每个系统可能具有不同的数据表示每个系统可能安装不同体系结构的处理器每个系统可能安装不同体系结构的处理器每个系统可能安装不同体系结构的处理器每个系统可能安装不同体系结构的处理器每个处理器可能有不同的处理器速度每个处理器可能有不同的处理器速度每个处理器可能有不同的处理器速度每个处理器可能有不同的处理器速度每个系统的内部消息可能有不同的通信速度每个系统的内部消息可能有不同的通信速度每个系统的内部消息可能有不同的
26、通信速度每个系统的内部消息可能有不同的通信速度每个系统可能采用不同的通信协议每个系统可能采用不同的通信协议每个系统可能采用不同的通信协议每个系统可能采用不同的通信协议任何两个系统间的消息通信带宽可能不同任何两个系统间的消息通信带宽可能不同任何两个系统间的消息通信带宽可能不同任何两个系统间的消息通信带宽可能不同（4）保证资源自治性、动态性和扩展性）保证资源自治性、动态性和扩展性PC X86Sun SparcIBM RS6K2020严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。网格的目标（网格的目标（4）（4）保证资源自治性、动态性
27、和扩展性）保证资源自治性、动态性和扩展性网格首先要保证网格结点的自治性。自治性网格首先要保证网格结点的自治性。自治性是指网格系统不因影响节点的原有功能，节是指网格系统不因影响节点的原有功能，节点有自愿加入和退出网格的权力。点有自愿加入和退出网格的权力。网格资源的动态性需要网格具有自适应性。网格资源的动态性需要网格具有自适应性。对于临时性加入的网格资源，通过信息传感对于临时性加入的网格资源，通过信息传感器来发现其可用性。器来发现其可用性。网格的扩展性要解决网络节点增多、资源规网格的扩展性要解决网络节点增多、资源规模扩大、应用增加等情况下，不降低网格性模扩大、应用增加等情况下，不降低网格性能的问题
28、。能的问题。2121严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。1.4 网格需要解决的问题网格需要解决的问题网格要解决的问题可以概括为：如何在动态、异构虚拟组织间利用网格资源来协同的解决某一问题，如复杂计算问题和信息服务问题1.虚拟组织虚拟组织的协作2.资源共享资源共享的无缝性3.资源协同的资源协同的应用求解4.异构性的异构性的自适应2222严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。网格的机遇与挑战网格的机遇与挑战表1.1互联网三次浪潮形成的技术标准和原型类
29、型第1个标准制订机构与标准情况中国参与标准Internet1969：IMP1974：TCP/IPRFC：3180个1996：1个Web1994：URL1996：HTTPRFC：46个RFC：11个0个Grid2002：OGSAGGF：OGSAGGF：OGSI积极参与没有标准，就难以竞争。我国在技术标准文档的制定方面，远远落后于西方国家。在因特网发展的30多年历史中，出现了3180个技术标准文档（RFC）。我国科技界仅参与了一个技术标准文档的制定，那就是1996年3月（因特网第一个标准制定27年后，TCP/IP协议制定22年后）牵头制定的中文字符编码标准（RFC1922）。万维网（Web）发展至
30、今也近10多年了，出现了46个技术标准，我国参与制定的技术标准还一个也没有.2323严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。网格的理想网格的理想正如元计算专家L.Smarr和C.E.Catlett所认为的那样：“最最终，除除了了一一台台摆在在桌桌面面上上的的计算算机机外外，用用户将将觉察察不不到到对其其它它计算算机机资源源的的使使用用，因因为系系统拥有有了了通通过网网络延延伸伸并并获得得任任何何所所需需计算算资源的能力源的能力”。网格软件PC机工作站/机群Web服务器超级计算机数据库网格用户信息插座信息插座信息插座用户用户
31、2424严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。小结小结网格带来的挑战的核心问题是如何为网格提供网格带来的挑战的核心问题是如何为网格提供一致操作环境，进行分布式协同计算、广域资一致操作环境，进行分布式协同计算、广域资源的获取，以支持用户无处不在地操作网格，源的获取，以支持用户无处不在地操作网格，实现资源共享、协同计算与应用服务。实现资源共享、协同计算与应用服务。在网格的面对的挑战中，需要关心网格协议的在网格的面对的挑战中，需要关心网格协议的制定、协同计算模型的建立、网格开放体系结制定、协同计算模型的建立、网格开放体系结构、
32、并发通信模型、资源动态管理与监测、任构、并发通信模型、资源动态管理与监测、任务调度算法和多编程环境协同等技术。务调度算法和多编程环境协同等技术。通过这些技术的研究，可以提高网格的用户可通过这些技术的研究，可以提高网格的用户可操作性，降低使用门槛，吸引更多用户加入到操作性，降低使用门槛，吸引更多用户加入到网格中来，从而壮大网格的规模，提高资源聚网格中来，从而壮大网格的规模，提高资源聚集度，以支持广域资源的融合与共享、分布式集度，以支持广域资源的融合与共享、分布式协同计算与应用服务。协同计算与应用服务。2525严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理
33、各类违纪行为或突发事件。第二章：网格的历史第二章：网格的历史桂小林西安交通大学计算机科学与技术系2626严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。引子引子网格是应用需求的产物。网格起源于分布式高性网格是应用需求的产物。网格起源于分布式高性网格是应用需求的产物。网格起源于分布式高性网格是应用需求的产物。网格起源于分布式高性能计算，后来经历了异构计算、元计算到网格计能计算，后来经历了异构计算、元计算到网格计能计算，后来经历了异构计算、元计算到网格计能计算，后来经历了异构计算、元计算到网格计算三个阶段。算三个阶段。算三个阶段。算三
34、个阶段。由于人类对计算机性能的需求永无止境，在诸如由于人类对计算机性能的需求永无止境，在诸如由于人类对计算机性能的需求永无止境，在诸如由于人类对计算机性能的需求永无止境，在诸如预测模型的构造和模拟，工程设计和自动化，能预测模型的构造和模拟，工程设计和自动化，能预测模型的构造和模拟，工程设计和自动化，能预测模型的构造和模拟，工程设计和自动化，能源勘探，医学，军事等领域内对计算能力提出了源勘探，医学，军事等领域内对计算能力提出了源勘探，医学，军事等领域内对计算能力提出了源勘探，医学，军事等领域内对计算能力提出了极高的、具有挑战性的要求。极高的、具有挑战性的要求。极高的、具有挑战性的要求。极高的、具
35、有挑战性的要求。而传统的计算模式已经难以适应日益增长的应用而传统的计算模式已经难以适应日益增长的应用而传统的计算模式已经难以适应日益增长的应用而传统的计算模式已经难以适应日益增长的应用需求，计算模式发生改变成为必然。需求，计算模式发生改变成为必然。需求，计算模式发生改变成为必然。需求，计算模式发生改变成为必然。计算模式从基于同构系统的并行计算演变到基于计算模式从基于同构系统的并行计算演变到基于计算模式从基于同构系统的并行计算演变到基于计算模式从基于同构系统的并行计算演变到基于异构环境的分布式计算，再从分布式计算演变到异构环境的分布式计算，再从分布式计算演变到异构环境的分布式计算，再从分布式计算
36、演变到异构环境的分布式计算，再从分布式计算演变到元计算和网格计算。元计算和网格计算。元计算和网格计算。元计算和网格计算。2727严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。元器件的发展元器件的发展 元器件的发展，无疑是过去几十年来推动计算机技术元器件的发展，无疑是过去几十年来推动计算机技术发展的重要动力，也是最活跃、最具影响的因素。发展的重要动力，也是最活跃、最具影响的因素。尽管元器件制造技术在不断改进，集成电路的设计方尽管元器件制造技术在不断改进，集成电路的设计方法不断更新，但在未来十年内，元器件的速度不可能法不断更新，但在
37、未来十年内，元器件的速度不可能继续以以往的速度继续提高继续以以往的速度继续提高(在过去在过去1010年里，年里，CPUCPU的主的主频每频每1818个月就提高一倍个月就提高一倍)。据据SIA(SemiconductorIndustryAssociation)SIA(SemiconductorIndustryAssociation)预测，目前预测，目前集成电路制造的主导技术集成电路制造的主导技术-CMOS-CMOS技术，在技术，在20102010年左年左右可能达到极限。右可能达到极限。如果没有理论与技术上的重大突破，那么提高元器件如果没有理论与技术上的重大突破，那么提高元器件的速度最终将受到光速
38、和氢原子直径的限制。的速度最终将受到光速和氢原子直径的限制。而另一方面，人类对计算机系统性能的需求永无止境，而另一方面，人类对计算机系统性能的需求永无止境，应用领域需要计算机解决的问题越来越复杂，规模越应用领域需要计算机解决的问题越来越复杂，规模越来越大。来越大。2828严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。体系结构的发展体系结构的发展过去过去4040年来，科学家提出了很多并行处理技术，年来，科学家提出了很多并行处理技术，如流水线、向量化和陈列等；设计了各种计算如流水线、向量化和陈列等；设计了各种计算机系统，如对称多处理
39、机机系统，如对称多处理机(SymmetricalMulti-(SymmetricalMulti-ProcessorsProcessors，SMP)SMP)，大规模并行处理机，大规模并行处理机(MassiveParallelProcessors(MassiveParallelProcessors，MPP)MPP)等，它们都等，它们都极大地提高了计算机系统的整体速度。极大地提高了计算机系统的整体速度。但由于但由于SMPSMP、MPPMPP的处理器往往是同构的，而的处理器往往是同构的，而应用任务可能包含复杂的内在并行行（性，对应用任务可能包含复杂的内在并行行（性，对吗？）吗？）(如如SIMDSIMD
40、、MIMDMIMD和向量等和向量等)，不同的并，不同的并行性可能适合不同的处理机来运行。行性可能适合不同的处理机来运行。在在SMPSMP或或MPPMPP系统中，大部分应用程序仅能获系统中，大部分应用程序仅能获得其峰值性能的一小部分。得其峰值性能的一小部分。2929严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。同构计算系统的不足同构计算系统的不足 传统的同构计算系统通常在一个给定的机器上使用一种传统的同构计算系统通常在一个给定的机器上使用一种并行编程模型，不能满足多于一种并行性的应用需求。并行编程模型，不能满足多于一种并行性的应用
41、需求。单一类型的机器经常花费大部分的时间在不适合其执行单一类型的机器经常花费大部分的时间在不适合其执行的代码上。任何一类同构系统都有其固有的局限性。的代码上。任何一类同构系统都有其固有的局限性。向量机器使用交错存储器，流水线向量机器使用交错存储器，流水线ALUALU，从而导致可达每秒百，从而导致可达每秒百万浮点的性能。如果应用程序不能开发出这些特性，则系统性万浮点的性能。如果应用程序不能开发出这些特性，则系统性能将严重下降。能将严重下降。由由AmdahlAmdahl定理可知，并行计算系统对于不适合其执行的定理可知，并行计算系统对于不适合其执行的并行任务往往将花费大量的额外开销。如果映射大部分并
42、行任务往往将花费大量的额外开销。如果映射大部分任务任务(或子任务或子任务)在不合适的机器上运行，将引起计算系在不合适的机器上运行，将引起计算系统的机器性能的下降，并使编程人员的调度努力失去意统的机器性能的下降，并使编程人员的调度努力失去意义。义。研究和开发支持多种内在并行应用的计算系统是摆在我研究和开发支持多种内在并行应用的计算系统是摆在我们面前的重大挑战，其目的是提高计算效率，获取应用们面前的重大挑战，其目的是提高计算效率，获取应用程序峰值性能的大部分。程序峰值性能的大部分。3030严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件
43、。异构计算系统的优势异构计算系统的优势异构计算系统支持具有多内在并行性的应用，异构计算系统支持具有多内在并行性的应用，它可以提高应用程序实际执行性能与其峰值性它可以提高应用程序实际执行性能与其峰值性能的比。能的比。计算系统的异构性并不是一个新概念，几种专计算系统的异构性并不是一个新概念，几种专门的协处理器已经用于提高计算机系统的吞吐门的协处理器已经用于提高计算机系统的吞吐量。量。I/OI/O处理器和浮点处理器是其中的典型代表，它们是处理器和浮点处理器是其中的典型代表，它们是增强系统性能的一个异构化方法。增强系统性能的一个异构化方法。一个异构系统通常包括若干异构的计算节点、一个异构系统通常包括若
44、干异构的计算节点、互连的高速网络、通信接口以及编程环境等。互连的高速网络、通信接口以及编程环境等。图图2.12.1给出一个典型的异构计算环境，该异构计给出一个典型的异构计算环境，该异构计算环境包括算环境包括PCPC、工作站机群、超级计算机等。、工作站机群、超级计算机等。3131严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。图2.1一个典型的异构计算环境3232严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。异构计算系统的优势异构计算系统的优势异构计算环境具有实现异构
45、计算环境具有实现Petaflops(10Petaflops(101515Flops/s)Flops/s)性性能的潜力。能的潜力。WhyWhy？通过下面的例子而窥见一斑：通过下面的例子而窥见一斑：例如，某个复杂的应用问题中，假设其包括例如，某个复杂的应用问题中，假设其包括30%30%的的向量代码，向量代码，15%15%的的MIMDMIMD代码，代码，20%20%的的SIMDSIMD代码，代码，25%25%的数据流代码和的数据流代码和10%10%的串行代码。的串行代码。如果在单机上执行，将花费如果在单机上执行，将花费2525个时间单位；个时间单位；如果在超级向量计算机上运行，其性能可比串行执如果在
46、超级向量计算机上运行，其性能可比串行执行时提高一倍；行时提高一倍；如果在图如果在图2.12.1中所示的异构计算环境（包含中所示的异构计算环境（包含PASMPASM、CrayY-MPCrayY-MP、CM-5CM-5、MPPMPP、IULIUL等机器）上运行，等机器）上运行，其性能可同比提高其性能可同比提高2020倍以上。倍以上。3333严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。3434严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。异构计算系统的优势异构计算系统
47、的优势表2-1：不同嵌入并行行的应用在不同环境上的执行性能比较执行环境执行环境执行时间执行时间/时间单位时间单位总执行时间总执行时间/个个时间单位时间单位向量部分向量部分MIMDMIMD部分部分SIMDSIMD部分部分其它部分其它部分串行执行串行执行/个个2525252525252525100100向量系统向量系统/个个1 11717202012125050异构系统异构系统/个个1 11 11 11 144性能比性能比2525：1 1：1 12525：1717：1 12525：2020：1 12525：1212：1 15050：2525：2 23535严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度
48、等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。异构计算系统的分类与不足异构计算系统的分类与不足基于异构计算环境的异构处理可分为粗粒度异构处理和细粒度异构处理。细粒度异构是按指令分配和调度，通信开销太大；而粗粒度异构是按指令块进行调度，通信开销可以容忍，是具有开发前景的一种异构处理。粗粒度的异构处理又称为元计算(Metacomputing，Metacomputation)，3636严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。几个定义几个定义 定义定义2.12.1一个异构系统是指异构的且非均一的一个异构系统
49、是指异构的且非均一的系统，它由不同类型的节点构成，在同一类型系统，它由不同类型的节点构成，在同一类型的节点中，这些节点的处理能力可能相同也可的节点中，这些节点的处理能力可能相同也可能不相同。能不相同。定义定义2.22.2一个异构均一系统是指异构的且均一一个异构均一系统是指异构的且均一的系统，它由不同类型的节点构成，在同一类的系统，它由不同类型的节点构成，在同一类型的节点中，所有节点的处理能力均相同。型的节点中，所有节点的处理能力均相同。定义定义2.32.3一个同构系统是指同构且均一的系统，一个同构系统是指同构且均一的系统，它包含同一类型的节点，每个节点均具有相同它包含同一类型的节点，每个节点均
50、具有相同的处理能力。的处理能力。定义定义2.42.4一个同构非均一系统是一个同构的且一个同构非均一系统是一个同构的且非均一的系统，它包含同一类型的节点，在这非均一的系统，它包含同一类型的节点，在这些节点中，有一些节点的处理能力各不相同。些节点中，有一些节点的处理能力各不相同。3737严格执行突发事件上报制度、校外活动报批制度等相关规章制度。做到及时发现、制止、汇报并处理各类违纪行为或突发事件。元计算元计算粗粒度的异构处理称为元计算粗粒度的异构处理称为元计算(Metacomputing)(Metacomputing)。异构计算环境得以成功地应用在高性能计算领异构计算环境得以成功地应用在高性能计算