[转帖]网格的故事

linda · 发表于 2005-7-27 21:30

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今天，因特网和万维网已经普及了。即使在中国这样的发展中国家，网络的影响也随处可见。“上网”已经不是很稀罕的前卫词语。有人开玩笑说，在中国，不论多么小的城市，你都可以看到两样东西，一个是卡拉OK，另一个是“网吧”。 研究科学技术发展史的人们爱用所谓的“S曲线”来说明问题。他们认为，任何科学技术都有一个从诞生，到快速成长、到成熟，到衰亡的过程。今天的高科技，明天也就可能成为传统产业，甚至是“低科技”。 　 对因特网、万维网乃至整个信息技术，人们近来有两派观点。很多人认为，网络技术和信息技术才刚刚开始快速成长，正处于“宇宙大爆炸之后万分之一秒”的时间段。它们的作用还远远没有发挥出来。不论在技术、在应用、还是在市场方面都有很多创新的机会。 另一些人则认为因特网/万维网技术已经接近成熟期。它们即将被更先进的技术取代。 不论采取何种观点，有几个问题我们是必须问的：“因特网后面是什么？万维网后面是什么？什么是信息技术的下一个大浪潮？” 我们必须提出这些问题，思考这些问题，想像对这些问题的回答。只有这样，我们才有希望参与创造下一个大浪潮。而创造浪潮是赶上浪潮的最好方法。 有一小批，但人数越来越多的电脑专家们认为，这下一个大东西就是网格。 2 那么什么是网格呢？它与我们熟知的因特网和万维网有什么不同呢？它有什么用途呢？它能给人类带来什么样的益处呢？ 这些问题很难用普通老百姓一下子就能明白的话语回答出来。一个重要原因是网格技术现在还处于萌芽阶段，还在科学家的实验室里，还远没有成型，因此不可能有唯一确定的简单回答。 但是，也有一小部分人认为网格技术可以开始从研究走向实用了。由于有因特网和万维网的铺垫，网格的实用和普及用不了因特网所花的三、四十年时间。2000年5月，世界上第一家网格创业公司在加州圣地亚哥成立，说明已经有人想把网格技术产业化、商业化了。 在本节中，作者先讲述一下国内外专家们对网格的研究和看法，然后阐明作者自己对网格的思考。在下面的叙述中，作者将不再区分因特网和万维网，因为万维网只不过是因特网上最广泛使用的一种应用而已。 在叙述之前，作者要做两点说明。 首先，网格并不是要抛弃和完全取代因特网。它将建筑在因特网的基础之上，不过比当前的因特网性能更高、功能更强、应用更广。若干年之后，人们还是会说“上网”，但这个“网”将是建筑在因特网之上的网格。 那么，我们能不能忽略网格技术，认为它“不过是”因特网的一种新名词“而已”呢？请看下面一条外国媒体的报道。 2000年8月，英国《泰晤时报》发表了一篇标题为“取代因特网的竞赛”的专题报道。这篇报道的副标题是：“巨大的财富正等着构造出网格的人。但是英国是否会再次失去机会呢？” 文章提到了英国在历史上曾失去了计算机和因特网两个机会，让给了美国人。计算机的很多发明人和先驱都是英国人，包括巴贝奇和图灵。万维网的发明人伯纳尔斯－李也是英国人。1990年，伯纳尔斯－李在CERN工作时为了高能物理研究的需要发明了万维网。据说，他曾与几个英国的风险投资商谈过，希望他们能将他的发明产品化、商业化。但是，这些投资商认为伯纳尔斯－李发明的万维网技术不够先进，拒绝给他投资。四年以后，美国网景公司才推出了万维网产品，顿时风靡全世界。 现在，历史似乎又在重演了。CERN正在计划建立一个新型而巨大的粒子对撞机，预计2005年完成。它所产生的数据量将是现在的一千倍，用当前的因特网技术无法对付。因此，美国和欧洲的科学家们正在构造一种叫作网格的新型信息技术基础设施，它可以帮助科学家们自动地处理、组织、传输和管理这些数据，供欧美与CERN有关系的500多家大学和研究机构使用。问题的关键是，与万维网一样，原来为科研服务的网格很快就会联上公司，于是会产生一大批网格创业公司，各自发明一套利用网格这个基础设施提供服务而赚钱的办法。这样，英国的信息产业也就上去了。 当初拒绝为伯纳尔斯-李投资的一位英国风险投资商也加入了英国科学家的行列，呼吁政府一定要重视网格技术，早日投资、早日加入，不要让下一个网景公司再落入美国手里。据悉，英国政府已决定投资1亿英镑于网格项目。 美国政府从十年前就开始投资了，累计用于网格技术的基础研究经费已近五亿美元。美国军方更为积极。美国国防部已在规划实施一个宏大的网格计划，叫作“全球信息网格”（Global Information Grid），预计在2020年完成。作为这个计划的一部分，美国海军和海军陆战队已先期启动一个160亿美元的八年项目，包括系统的研制、建设、维护和升级。

linda · 发表于 2005-7-27 21:30

3 2000年5月，中国计算机学会和中科院计算所在北京友谊宾馆主办了一个国际会议。中国的老百姓对信息技术最为了解的大概是微机和因特网。这个会议有一个老百姓恐怕会觉得很学术的名字，叫“亚太高性能计算国际会议”。殊不知这种学术会议往往是创新的源头，会上讨论的技术中往往有发达国家的大公司或创业公司也还没有开始做的新东西。 会议代表中，除了中国代表外，美国代表人数最多，其中不乏一些领头专家。他们对高性能计算和网格的重要性以及技术发展方向做了颇有见地的阐述。 会议的一个成功是“网格园桌会议”。这个园桌会议根本没有列入大会的正式日程，除了邀请一些代表参加外，只发了一个简单通知。结果参加园桌会议的代表非常踊跃，很多未被邀请的代表也主动参加，要求发言的代表太多，园桌会议的时间也只好一再延长。可见网格已经在科研界开始热起来了。 参会代表中有一位叫伊安•福斯特（Ian Foster），他是阿岗国家实验室的资深科学家、美国计算网格项目的领导人，曾在1998年主编过一本书，题为《网格：21世纪信息技术基础设施的蓝图》。他这样描述网格： “网格是构筑在因特网上的一组新兴技术，它将高速互联网、高性能计算机、大型数据库、传感器、远程设备等融为一体，为科技人员和普通老百姓提供更多的资源、功能和交互性。因特网主要为人们提供电子邮件、网页浏览等通信功能，而网格功能更多更强，能让人们透明地使用计算、存储等其他资源。 我举一个例子，假如有一个分布在中国各地的工程师小组要设计一种新型的拖拉机。（这实际上是一个真实的例子，有一家美国公司正在这样做。）这些工程师需要和各地的部件供应厂商、质量监督机构等等打交道。在因特网普及之前，人们通过邮政局寄送技术文档，非常耗时。有了因特网，人们可以用电子邮件送文档，互相回答问题。 而网格更进了一步，它给人们创造了一个虚拟的协同工作空间。大家可以从自己的桌面工作站上实时地看到拖拉机的设计，模拟拖拉机的操作，评价它的性能，修改设计等等。” 伊安•福斯特还对中国提出了一些建议。他认为，中国在构造网格时有四件事情需要注意。第一，网络需要升级、增加带宽。第二，需要建立高性能计算中心，并且通过高速网络，将这些中心和大学、研究所等等互联起来。第三，需要与各种用户建立合作伙伴关系，扩展网格的应用。第四，有好些社会工程的工作需要展开，需要让人们知道网格，学会使用网格，让网格发挥作用。 另一位来宾是美国“千亿次计算计划”的首席科学家托玛斯•斯特灵。他着重强调了网格中高性能计算的重要性。他认为：“21世纪的中国、亚洲和世界都将被创新所驱动、它们的前途也将由创新所确定。就像农业创造了大规模的谷物生产、工业创造了汽车一样，高性能计算将为我们提供创新的工具。中国和美国都有很多聪明的人才，能够产生很多思想。这些思想还不能叫创新，因为还没有受到检验。高性能计算允许我们快速、安全地测试这些思想，检验它们对人类社会的影响。因此，我认为，高性能计算是一种基础而且本质的平台，中国的未来将由它确定。” 还有一位来宾叫周松年。他80年代初从北京出国留学，在加州大学伯克利分校攻读博士学位。1987年毕业后，周松年把自己的博士研究成果付诸实践，在加拿大开了一家叫作平台计算的电脑软件公司。到了90年代初，平台计算公司研制出了一个名叫“负载共享软件”的产品。由于技术上的先进性和实用性，周松年的软件迅速得到了普及，成为了负载管理领域最流行的软件。公司的销售额也以每年50%以上的速度增长。 周松年的负载共享软件已经有了一些网格的特征。假如用户要算一道题（比如模拟飞机发动机、电脑芯片设计等等），他只需把要求告诉负载共享软件，这个软件会自动地按最有效率的方式找到合适的电脑，用最快、最经济的途径算出这道题。周松年的软件已被美国一家大的芯片公司用于管理横跨欧美的几千台电脑，共享它们的资源。 周松年是这样解释网格的：“网格这个名词是从输电网来的。20世纪经济的发展、工业的发展、人类社会的发展，很大程度上是因为电力可以从墙上插座很方便地拿到。而计算对21世纪的经济和工业将会有强有力的推动。要推动的条件就是，计算能力要像电力一样到处都能拿到。因此提出了‘计算网格’这个概念。” 世界上的高性能计算机也有排名，最著名的一个就是“超级电脑世界500强”网站。这个网站是由田纳西大学的杰出教授杰克•唐格拉维护的。唐格拉这样解释网格：“网格试图提供这样一种技术：人们可以把自己的微机插入网格，以后就可以透明地使用网格上的各种计算资源和知识资源，就像今天我们将任何一种家电设备插进墙上的插座，就可以方便地使用电一样。” 这些东西到底对人类有什么用途呢？IBM深度计算研究所的所长比尔•普里布兰克认为，高性能计算技术、网格技术乃至整个信息技术的根本目的是辅助人类，即利克莱德所说的“人与计算机的共生”。机器可以做的事情应该尽量让它做。可是今天的人们还在花大量精力做机器的事。人类最宝贵的财富是时间，而计算机则可以为人类提供更多的时间和更高质量的时间。计算机的计算能力、记忆能力和数据处理能力要比人强得多。我们每个人每天都要处理很多繁琐的细节事务。假如琐事能让电脑去做，我们的人脑可以用来去干别的更有意义的事情。我们可以想像一下，如果我们有一个功能很强的电脑助手，能够记住我们一生中的所有信息，并能够方便而准确地检索这些信息，那我们的人脑可以大大解放。 有可能，网格技术可以帮助我们摆脱目前这种技术越发达，人就越忙的不正常趋势。我们的大脑终于有了更多的闲暇和自由，去读读古书，去感受自然，去领会“采菊东篱下，悠然见南山”的意境。 4 我们再来看看网格可能的应用。在本书的下篇《启示录》中，我们会见到更多的应用。这些应用都是目前的因特网还无法提供的。 美国工程院院士戈登•贝尔想到的一个网格应用是天气预报。今天，人们已经可以从互联网上获得天气预报，这是因为气象局事先将天气预报的信息放到了网上。有了网格，人们只需要把天气预报的问题（比如北京地区后天的天气）提交给网格，网格会自动地把所有北京的天气预报从不同地方汇总后给用户。这些来自不同地方的预报在一定程度上可以补偿天气问题固有的混沌性。如果天气预报的信息还没有被计算出来，网格会自动从卫星、多普勒雷达、北京地区的气象传感器等数据源搜集实时数据，加上气象局的历史数据库，送给高性能计算机，算出北京地区后天的天气预报的信息。 目前，网上最流行的通信方式是电子邮件。而要使用它，我们寄信人必须知道收信人详细而精确的电子邮件地址。比如，要给张三写信，必须在电脑里键入zhangsan@ict.ac.cn之类的电子邮件地址。事实上，我们想说的只是：“给张三送一封电子邮件。”我们并不关心张三在哪里。我们能不能只键入“张三”呢？有了网格，我们就可以了。网格有一个全局的管家软件，叫作网格资源目录，他可以从“张三”查出张三的精确地址。 对电子邮件很熟的读者可能要说，等一下，这样的功能现在的电子邮件软件不是已经有了吗？不错，现在的软件有一个地址簿的功能，确实可以实现上述功能。但是，它需要用户把地址信息先输入到本地微机的地址簿中。如果你不知道收信人的地址怎么办？收信人的地址改了怎么办？网格则可以自动地管理这些信息，并把需要的信息送到需要的地方。 因此，网格的一个很重要的特征就是一体化。如果说因特网把全球的电脑联为一体的话，网格则进一步把全球这些电脑上的信息和知识孤岛联为一体。 有一个不太恰当的比方，将网格与中央电视台比较。目前的因特网和万维网相当于把电视台拆散成几万个独立的制作组（网络站点），各制作组有自己的频道、互不分享资源，而且只提供原始数据（不是制作好的节目）。每个制作组只能用自己的小资源（性能很差），经费又很有限，结果质量当然也很差。 我们上网的另一大目的是获取信息。在雅虎网站上有一个链接，指向联在因特网上的很多照相机和摄像机。它们把千里万里之外世界各地的景观实时地呈现在我们面前。 但是，我们能够遥控这些摄像机吗？现在已经有一些研究。几年前，南加州大学就做过一个叫作“远程花园”的科研项目，利用机器人技术和网络技术让人们从远处通过因特网操纵照相机，观看一个花园的景象。但是，这些结果不论在功能还是性能上都还很差。这些研究还没有解决很多问题。如果网上有1000人同时想操纵这台远程照相机怎么办？ 另外，因特网能够把数台摄像机的图像合成为一个三维立体图像吗？我们马上能想到的应用就是对自然保护区的监控。自然保护区这样的地方人最好少去，但同时有很多人又想去。一个办法就是在自然保护区安上很多摄像机，由人们远程控制，获得即时的三维立体真实图像。 假如我要开车从中关村到天津南开大学。目前国外已经有了这样的网上地图服务。只要输入始发地和目的地的地址，网络就会告诉你从哪儿拐弯、走多远上哪条高速公路、走多远从哪儿下高速路、然后走哪条道最后到大学，一共有多少里程，需要多少时间等等。 问题是，北京正在进行着一个叫作“中关村科技园区”的十年工程，其中建筑施工不断，道路和街名不断改变，交通经常会出现意外的堵塞。北京是一个动态的城市，因特网上的静态信息不能满足要求。我如果照着网络给出的指路意见行车的话，可能一出去就走到了最塞车的地方。网格技术则可帮忙。它将北京的城建信息、从交通路口照相机获得的实时路况信息、交通部门的道路信息等等联为一体，实时更新。再根据我的要求算出最佳路线，传到我的汽车电脑中。 再假设一个国外商家想在中国设厂。他目前可能需要查看中国各个高新产业园区的网站，找出最适合的地方。他还可能需要看看西部各省的网站，因为他知道有“西部大开发”这回事。这要花他很多时间，而且收获恐怕很少，因为他不知道这些网站的名字，就是找到了网站也看不到所需的信息，这些信息还在另外一些部门的电脑中，还没有来得及放在网站上。 有了网格，厂商只需把问题交给网格，各省市政府部门也只需把信息提交给网格。网格则会自动地组织这些信息，从问题找到匹配的应答信息。 网格的这种用途有点像一个办得很好的中央电视台。厂商不是人工地去查找每个省市的信息，而是选择“经济频道”的“高新技术园区”栏目。他知道这里有他需要的信息。网格与电视的一个根本不同是网格更灵活，不像电视需要定时顺序广播。网格则有“超文本”特性，它可以把前天、昨天、今天播出的节目全部利用起来。用户不会有“过了时间看不到”的问题。 我们再看一个交易的例子。假如你的“五一”假期太忙，没有办法陪家人。于是五一过后，你就许了个愿，说“国庆假期的时候带全家去九寨沟旅游”。你的孩子还是不依，让你马上预订。你只好照办。 传统的方法当然是找旅行社。但你听说过“电子商务”，于是你从家里的微机上了网格。你向网格提出了“国庆节全家去九寨沟旅游7天”的指示。 五分钟后，你收到了一份电子邮件回答。 网格告诉你，一家叫作“网格旅游”的公司感谢你的惠顾。网格旅游公司英文名为Grid Travel，简称g-travel，就是原来的e-travel公司。 网格旅游公司已经为你本人张三和你的妻子李四，以及你们的儿子张毛毛订妥了国庆节去九寨沟的七日潇洒游的全部事宜，附上全部的飞机、住宿和游览日程。你们在游途中将住星级宾馆的标准间（加一床位）。 你看到价钱时吃了一惊。再看看下面的小字说明，原来国庆节正是旅游高峰，所有设施都要涨价，不是旅行社的问题。如果觉得价钱太高，还可以选择“经济游”按钮。如果需要升级，可选择“豪华游”按钮。 回信告诉你，必须在九月一日以前确认，因为九寨沟为了保护自然环境，对国庆节高峰旅游有人数限制。你儿子要你马上确认。你也就只好按了“确认”键。 三分钟之后，你收到另一个邮件。它证实你的预订已经确认。然后问你是需要传统的机票、门票等等东西呢，还是用你的生物特征？你还不知道什么是“生物特征”，但你的儿子却说就是你的指纹。他坚持要用这个新玩意儿，因为永远不会丢失。 就这样，前后不到二十分钟，你办妥了九寨沟旅游事宜。你不知道的是，网格在背后收集和传送了很多信息，做了十几笔交易。它把这些杂事全给你做了，为你节省了不少时间。

linda · 发表于 2005-7-27 21:30

5 尽管当前因特网已经很时髦了，专家们还是对它提出了很多批评。最重要的批评有两个。 一个批评是，因特网实际上是一个大垃圾山。人们不停地往上倒东西，结果使得它包含很多重复、过时、零散、混乱的数据和信息，人们很难找到所需要的东西。万维网的企图是把垃圾变成金子，用一些简单的办法把数据和信息组织起来，让人们更方便地获得信息。但是万维网出来后，反面更加速了人们往上倒垃圾的趋势。 另一个批评是，因特网就像一个只有神经细胞的低等生物，它没有大脑，即没有利克莱德所说的“思维中心”（见“因特网的故事”）。四十多年过去了，人们并没有实现利克莱德在1960年勾画出的电脑网络的模样。现在，人们试图用网格来实现利克莱德的思想。 那么，网格和因特网在技术上有哪些不同呢？ 用简单的话讲，网格是高性能计算机、数据源、因特网三种技术的有机组合和发展，它与因特网相比具有高性能、一体化、知识生产、资源共享等技术优点。 如果把网格和人做一对比，那么高性能计算机就是大脑和重要器官，因特网相当于骨骼和血管、神经、淋巴等等通道，数据源就像五官，提供各种养料和信息，而客户端的各种微机、工作站、信息家电设备、移动设备等等就相当于肌肉和皮肤。 网格的高性能是指它比因特网具有更强的功能和性能，表现在四个方面。第一，网格的互联网络比因特网具有更大的带宽。欧美的网格计划都会使用更高速度的主干网。CERN的科学家这样形容网格的带宽：“它就像用100条车道的高速公路取代今天的道路。”第二，网格上将有更多高性能计算机，因此网格的计算速度、数据处理速度可以大幅度提高。第三，网格的体系结构将比因特网更能有效地利用这些资源。比如，网格将采用一种所谓的“广域缓存技术”，它自动地把用户最需要的信息放在离用户最近的服务器上。假如成都的用户要查找奥运会的信息，他绝大部分时间将访问成都的服务器，尽管这些信息是由中央电视台发布在北京的服务器上。第四，网格将促进更多、更大的网上社区的出现。这些相互联结的社区最终构成一个庞大的网格社区，把我们地球上所有公民联为一体。根据网络的麦特考夫定律，网格的价值与网格用户数的平方成正比。 如果说高性能只是反映了网格和因特网数量上的区别，那么网格的知识生产特性就反映了质的区别。因特网本身不创造或生产知识。人们都是先把信息或者是知识用其他方式生产出来以后，再“放到网上”，供用户查找。网格则能根据用户的要求自动地生产知识。前面谈到的天气预报就是知识生产的一个例子。在知识生产的过程中，高性能计算机将起到关键的作用。它把从数据源（传感器、贵重设备、数据库、信息库等等）得到的原始数据，运行特定的程序加工成信息和知识。网格可以自动地找到高性能计算机、程序软件和数据源。一个网格有多台分布在全国各地的高性能计算机，称为网格结点。有时，人们也把高性能计算机所在的计算中心、数据中心、信息中心等称为网格结点。 为了便于使用，网格不应该像因特网那样，提供几百万个网站，让用户去费尽心思寻找合适的地方。在逻辑上，网格应该就像一台机器。这个特性叫作“一体化”，它还有一个更学术化的名称，叫作“单一系统映象”。 有一种办法可以让我们展望网格的功能。我们只需将今天的因特网与一种已经成熟的技术（比如电力网）比较。其中的差距就是网格应该努力的方向。今天的因特网与电网相比，差距还是很大的。 首先，我们有各种各样的发电厂：水力发电厂、火力发电厂、风能发电厂、核能发电厂等等，它们分布在全国，并且联成了一个整体的电网。当我们把电器插上墙上的插座时，就自动从电网上得到了电能，我们并不知道，也不关心电能是从哪个发电厂、以何种形式提供的。我们说，电网将所有电厂一体化了。 那么因特网的情形又是怎样的呢？我们如果要获取信息，并不是直接从因特网本身获取，我们必须告诉电脑去访问某个网站。这就好像我们在打开一个灯的开关时必须告诉它，我们要小浪底来的水电一样笨拙。另外，信息也不是自动在网站产生的。我们还需要人为地先加工好信息，然后放在网站上。因特网上也有类似发电机一样的设备，那就是高性能计算机。但今天，我们在因特网上使用高性能计算机还必须指定好，并登录到特定机器上。 第二，电力网之所以能够提供一体化的电力服务，不仅因为电网将所有电厂联为一体，还因为我们有电力调度这样的系统。它提供自动负载平衡等功能，并且把电力透明地传送给用户。也就是说，它将从哪儿发电、什么样的发电机之类细节隐藏起来。今天的因特网还缺少这样一个全局的调度系统。因此，用户必须指定网站。如果是简单的网页浏览，万维网的HTML文件格式和协议把网站是什么系统的细节隐藏了。但如果我们要做的事是计算，则通常我们必须知道网站用的是什么高性能计算机，它有什么样的体系结构，采用什么样的操作系统等等。因特网上的计算机还有很多不兼容性。 电力网和网格的比较 电力网网格 发电厂高性能中心 发电机高性能计算机 电能信息、知识、交易 水能、风能、火能、核能等原始能源数据库、传感器、贵重设备等等数据源 输电线网广域网、城域网、局域网 电力调配系统网格系统软件和中间件、网络缓存和负载 平衡器等硬 动力电、照明电、家用电器等电力应用科学计算、电子商务、信息服务等网格应用 各种电器网格终端设备 如果一个网站的负载太高，今天的因特网还不能做自动的负载平衡，不能让别的网站分担一部分工作。另外，如果我们有一个很耗电的电器（比如粒子加速器或炼钢炉），我们可以通过电力网透明地利用多个电站的资源，让几个电站同时为一个电器供电。但在今天的因特网上，我们还难以做到“广域并行计算”，即让上海的一台高性能计算机与北京的一台高性能计算机协同工作，一起计算一道大的题目。 第三，今天的电力是无所不在的。我们可以在全国范围内使用任何电器。电器的种类也相当多，从耗电很少的家用电器到耗电巨大的炼钢电炉。不论何种电器，它们的用电方式基本上是一样的。 但因特网就不同了。因特网终端的种类还很少（主要是微机，其次是手机）。它们的功能也还很弱，主要是网页浏览，电子商务、计算、多媒体信息服务的应用还远没有普及。 网格将要改变这一切。不久的将来，人们将可以使用很多不同类型的网格终端设备上网，获取信息和知识、获取电子商务和计算等等服务，就像我们今天用电一样简单、方便。网格的硬件和软件技术将能够把所有计算资源和信息资源联为一体，透明而且高效率地提供各种服务。 网格将无所不在。

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