计算机网络与计算模式的变革

第14章 计算机网络与计算模式的变革u高性能集群计算u网格计算 u移动计算 u普适计算 高性能计算许多大型问题的计算量非常庞大，以往需要昂贵的大型/巨型机才能完成，而且计算费用昂贵，常称这种类型的计算为高性能计算。例如结晶学、蛋白质动力学、生物催化学、光子的相对论量子化学、虚拟设计、全球气象和离散事件模拟等。（high performance computing，HPC） 14.1 高性能集群计算多处理器并行计算机性能的提高多处理器并行多机并行高性能工作站和高速网络 高性能集群计算系统 14.1.1 集群计算系统及其体系结构简称为集群（cluster）或者集群系统，它是一种并行或分布式处理系统，它由很多通过网络连接在一起的独立计算机组成，整个系统像一个单独集成的计算机资源一样协同工作。 集群计算系统特点：投资风险小、可扩展性好、可继承现有软硬件资源、开发周期短、可编程性好 快速传输协议和服务 集群中间件层 应用程序 多个高性能的计算机结点 集群系统的组成 并行程序设计环境与工具 高性能网络/交换机（如千兆以太网） 具有较强网络功能的微内核操作系统 网络接口卡 高速互连网络 集群中间层 及应用系统层 并行编程环境 集群底层结构 节点 操作系统 节点 操作系统 单一系统映像和可用性底层结构 串行应用 并行编程环境 PVM,MPI,Java 并行应用 集群系统的组成u多个高性能计算机(PC、工作站或SMP)u优秀的操作系统(分层或基于微内核)u高性能网络/开关u网络接口卡(NIC)u快速通信协议和服务 高速局域网：uEthernetuFDDIuATMuMyrinetuQuadricsuSCI 高速互连网络 集群中间层 及应用系统层 并行编程环境 集群底层结构 节点 操作系统 节点 操作系统 单一系统映像和可用性底层结构 串行应用 并行编程环境 PVM,MPI,Java 并行应用 集群系统的组成u实现单一系统映像(SSI)和可用性低层结构（如自动故障检测、故障恢复和容错支持 ）为用户提供使用集群计算系统的环境和接口 14.1.2 集群计算系统的分类1、科学计算集群 2、负载均衡集群3、高可用性集群最早出现的集群类型，主要用于进行大规模的数值计算 将负载均匀地分摊给集群中的各台计算机。（负载：应用程序或者网络流量负载） 一种运行速度和响应速度快、可靠性高的高性能计算机系统 4、并行数据库集群具有并行计算、负载均衡和高可用性等多种特性 1、资源管理与负载平衡14.1.3 集群计算系统中的关键技术2、进程迁移及其作用通过网络互连实现全系统范围内的资源共享，通过高效的资源管理和任务调度(RMS：)提高资源的利用率 负载平衡技术的核心是任务调度算法 u动态负载平衡u容错性和高可用性u充分利用特殊资源u并行文件I/O进程从当前位置移动到另一个节点，然后在目的节点根据进程状态再生该进程 1、集群系统在科学计算领域中的应用14.1.4 集群计算系统的应用2、集群在商业计算领域中的应用空间科学与天文学 天气与气象地球科学和石油工程 环境科学航空、航天、机械和制造工业 生物学、生物医学和生物化学 军事应用 主要应用的商业领域有银行、金融、证券、保险、电信等，目的是进行运营数据管理和商业决策支持等 14.2 网格计算背景：利用互联网或专用网所连接的各种资源，实现资源的高度共享和集成，为用户提供高性能的计算、管理及服务。 网格的起源：源于人们对高性能计算能力的追求。 网格的概念：通过将局域网内或者广域网上地域分布的若干高性能计算机合成一个虚拟的大型计算系统，以解决单台计算机无法完成的大型复杂问题，或者让网上用户透明地共享这些昂贵的计算、存储、设备资源。 14.2.1 网格的基本特征和内涵网格的基本特征：广域性、异构性、动态性 网格的内涵解决多个层次的资源共享和协作技术，将Internet从通信和信息交互的平台提升到资源共享的平台。 网格是通过网络整合计算机、数据、设备和服务等各种资源的一种重要基础设施。 目标是实现资源共享和分布式协同工作。 网格的基本特征 1、分布与共享 2、自相似性3、动态性与多样性4、自治性与管理的多重性5、动态自适应性 14.2.2 网格的分类按照网格客体的不同层次资源网格信息网格知识网格根据网格客体对象的类别 数据网格 计算网格 服务网格 14.2.2 网格的分类按照其主体（即网格用户）的不同 科学研究网格 地球系统网格 地震网格 军事网格 教育网格 14.2.3 网格的体系结构网格的体系结构 沙漏模型 开放网格服务体系OGSA(Open Grid Services Architecture) 沙漏模型 TCP/IP体系结构模型 网格的沙漏模型 构造层 网络层 应用层 汇集层 资源层 连接层 应用层 传输层 链路层 沙漏模型 TCP/IP体系结构模型 网格的沙漏模型 构造层 网络层 应用层 汇集层 资源层 连接层 应用层 传输层 链路层 管理本地局部资源 实现通信功能 实现对单个资源的共享 协调“各种”资源的共享 提供对相应服务的支持 开放网格服务体系 开放网格服务体系结构开放网格服务基础架构OGSA服务OGSA模式 协议 驻留环境 O G SA 模式 更专业、更特定领域的服务 其他模式 协议 O G SA服务：注册、认证、监控，数据访问和管理等 驻留环境和协议绑定 开放网格服务基础架构 Web服务 网格系统的层次划分 网格资源层 网格中间件层 网格应用层 构成网格系统的软硬件基础，包括各种计算资源 网格计算的核心，是指一系列工具和协议软件 为网格用户提供各种开发工具或环境 14.2.5网格计算中的关键技术1、资源管理和调度 资源发现 资源选择 作业(jobs)调度 作业的监控和迁移 14.2.5网格计算中的关键技术2、网格安全技术 集成问题（integration） 协同问题（interoperability） 信任关系问题（trust relationships） 14.2.6 国内外网格计算技术的研究现状美国：Condor、Legion、Globus 欧洲联盟：欧洲数据网格中国：织女星网格中国国家网格（CN Grid）国家空间信息网格（China Spatial Information Grid）国家自然科学基金委网格（NSFC Grid）中国教育科研网格（China Grid）上海信息网格（Shanghai Grid） 14.2.7 网格计算的应用1、分布式超级计算2、分布式仪器系统3、数据密集型计算4、远程沉浸 14.3 移动计算移动计算环境：移动设备通过无线或固定网络与固定或其他移动设备连接的计算环境。 计算节点：固定节点和移动节点 移动计算节点与其他节点交换信息的方式：移动过程中通过移动通信网络与固定节点或者其它移动节点连接和交换信息 14.3.1 移动计算环境的组成及特点 无线网络单元 无线局域网 无线广播单元 无线蜂窝单元 MSS FH 固定网络 MSS FH FH FH MSS MSS MU MU：Mobile Unit 移动基站 固定主机 移动计算的特点1、移动性2、频繁断接性3、低可靠性4、网络条件的多样性5、无线连接的低带宽6、网络通信的非对称性7、移动设备的资源有限性 14.3.2 移动计算中的关键技术1、移动IP协议2、缓存技术4、复制技术3、数据广播技术5、安全技术 14.3.3 移动计算的应用1、商业 2、医疗卫生 3、军事 14.4 普适计算计算模式的变革主机计算桌面计算普适计算 framework computing desktop computing pervasive computingorUbiquitouscomputing 14.4.1 普适计算的产生、组成及特性普适计算系统基础设施移动设备普适计算的特性 普适性 透明性 无所不在性 动态性 永恒性 自适应性 上下文感知 智能空间 14.4.2 实现普适计算的关键技术1、普适网络3、人机交互技术4、自适应技术2、上下文感知5、服务发现及其协议8、中间件技术 7、数据库技术9、安全技术(security) 14.4.3 普适计算的典型研究工作介绍MIT：Oxygen Project CMU：Aura Project NIST：Smart Space Project IBM：DreamSpace Project Microsoft：EasyLiving Project 清华大学：Smart Classroom