20世紀(jì)后半期，全世界范圍掀起第三次產(chǎn)業(yè)革命的浪潮，人類開(kāi)始邁入后工業(yè)社會(huì)——信息社會(huì)。在信息經(jīng)濟(jì)時(shí)代，其先進(jìn)生產(chǎn)力及科技發(fā)展的標(biāo)志就是計(jì)算技術(shù)。時(shí)至今日，計(jì)算科學(xué)，尤其是以超級(jí)計(jì)算機(jī)（或高性能計(jì)算機(jī)）為基礎(chǔ)的計(jì)算科學(xué)已經(jīng)與理論研究、實(shí)驗(yàn)科學(xué)相并列，成為現(xiàn)代科學(xué)的三大支柱之一。
現(xiàn)代超級(jí)計(jì)算基于先進(jìn)的集群技術(shù)構(gòu)建，即常說(shuō)的網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)（GridComputing）。網(wǎng)格計(jì)算是伴隨著互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展起來(lái)的，專門(mén)針對(duì)復(fù)雜科學(xué)計(jì)算的新型計(jì)算模式。這種計(jì)算模式利用互聯(lián)網(wǎng)把分散在不同地理位置的電腦組織成一個(gè)虛擬的“超級(jí)計(jì)算機(jī)”，其中每一臺(tái)參與計(jì)算的計(jì)算機(jī)就是一個(gè)“節(jié)點(diǎn)”，而整個(gè)計(jì)算是由成千上萬(wàn)個(gè)“節(jié)點(diǎn)”組成的“一張網(wǎng)格”，所以稱之為網(wǎng)格計(jì)算。這種“超級(jí)計(jì)算機(jī)”有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)，一個(gè)是數(shù)據(jù)處理能力超強(qiáng)，另一個(gè)是能充分利用網(wǎng)上的閑置處理能力。實(shí)際上，網(wǎng)格計(jì)算是分布式計(jì)算（DistributedComputing）的一種。需要說(shuō)明的是，網(wǎng)格計(jì)算是一種傳統(tǒng)的、更加專業(yè)化的定義方式，而超級(jí)計(jì)算則是更加通俗化的概念。兩者從本質(zhì)上是一致的。
超級(jí)計(jì)算中心（即超算中心）是指基于超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)外提供計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源以及技術(shù)咨詢等服務(wù)的機(jī)構(gòu)或單位。超級(jí)計(jì)算在一個(gè)國(guó)家的發(fā)展中，特別是一些尖端科技的發(fā)展中，發(fā)揮著不可替代的作用，生物科技、石油勘探、氣象預(yù)報(bào)、國(guó)防技術(shù)、工業(yè)設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃等經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域都離不開(kāi)超級(jí)計(jì)算。各個(gè)國(guó)家，尤其是經(jīng)濟(jì)、科技水平比較發(fā)達(dá)的國(guó)家，都把促進(jìn)超級(jí)計(jì)算的發(fā)展作為重要的規(guī)劃內(nèi)容。
超級(jí)計(jì)算與云計(jì)算
如本刊前文所述，云計(jì)算是一種將全球范疇、高度可擴(kuò)展、靈活的服務(wù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行發(fā)布與消費(fèi)，采取按需求和實(shí)際使用付費(fèi)的商業(yè)模式。云計(jì)算代表著全新的價(jià)值：它可以讓企業(yè)獲得高度可擴(kuò)展和靈活的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)；SaaS的瘦客戶端應(yīng)用減輕了軟件的采購(gòu)和維護(hù)成本；所有的功能都以服務(wù)的方式提供給用戶。
云計(jì)算是從網(wǎng)格計(jì)算演化而來(lái)，能夠隨需應(yīng)變地提供資源。網(wǎng)格計(jì)算可以在云中，也可能不在，這取決于什么樣的用戶在使用它。如果用戶是系統(tǒng)管理員和集成商，他們就會(huì)關(guān)心如何維護(hù)云，如升級(jí)、安裝和虛擬化服務(wù)器與應(yīng)用程序等；如果用戶是消費(fèi)者，就不必關(guān)心系統(tǒng)是如何運(yùn)行的。
網(wǎng)格計(jì)算與云計(jì)算有很多相似之處，兩者都能夠被看成是分布式計(jì)算所衍生出來(lái)的概念，都是為了讓IT資源能夠?qū)τ脩敉该鳎瑸榱俗孖T資源能夠達(dá)到更好的使用率。從這個(gè)提高資源利用率的角度出發(fā)，逐漸誕生了WEB服務(wù)的概念。網(wǎng)絡(luò)公司通過(guò)部署數(shù)以萬(wàn)計(jì)的服務(wù)器構(gòu)成龐大的計(jì)算資源，得以提供此前無(wú)法完成的新服務(wù)。企業(yè)或者個(gè)人能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)利用那些大網(wǎng)絡(luò)公司所釋放出來(lái)的計(jì)算資源，進(jìn)行應(yīng)用部署或者向外提供服務(wù)。這就是從網(wǎng)格計(jì)算到云計(jì)算的歷史過(guò)程。網(wǎng)格計(jì)算和云計(jì)算的意義就在于：無(wú)論是用戶還是企業(yè)開(kāi)發(fā)者，都能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)獲得數(shù)據(jù)或者進(jìn)行計(jì)算，盡管本地資源有限，但是能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，其數(shù)據(jù)的計(jì)算過(guò)程對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)就像互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于本地網(wǎng)絡(luò)用戶一樣。
1. 超級(jí)計(jì)算與云計(jì)算的相同點(diǎn)
從定義上來(lái)說(shuō)，網(wǎng)格計(jì)算和云計(jì)算都試圖將各種IT資源看成一個(gè)可以對(duì)外提供相應(yīng)服務(wù)的虛擬資源池。云計(jì)算試圖讓“用戶透明地使用資源”，而網(wǎng)格計(jì)算誕生的初衷就是“使用IT資源像使用水電一樣簡(jiǎn)單”。
云計(jì)算是一種寬泛的概念，它允許用戶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)各種基于IT資源的服務(wù)，并且用戶無(wú)需了解底層IT基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)就能夠享受到作為服務(wù)的“IT相關(guān)資源”。而網(wǎng)格的內(nèi)涵包括兩個(gè)方面，一方面是所謂的效用計(jì)算或者隨需計(jì)算，在這一點(diǎn)上，網(wǎng)格計(jì)算跟云計(jì)算是非常相似的，都是通過(guò)資源池或者分布式的計(jì)算資源來(lái)提供在線的計(jì)算、存儲(chǔ)等服務(wù)；另外一方面就是所謂的“虛擬超級(jí)計(jì)算機(jī)”，以松耦合的方式將大量的計(jì)算資源連接在一起，提供單個(gè)計(jì)算資源所無(wú)法完成的超級(jí)計(jì)算能力。從對(duì)外提供服務(wù)這一角度來(lái)看，網(wǎng)格計(jì)算跟云計(jì)算是非常類似的。
2. 超級(jí)計(jì)算與云計(jì)算的不同點(diǎn)
可以看出，網(wǎng)格計(jì)算和云計(jì)算有相似之處，特別是計(jì)算的并行與合作的特點(diǎn)。但他們之間的區(qū)別也是明顯的。主要有以下幾點(diǎn)：
l網(wǎng)格計(jì)算的思路是聚合分布資源、支持虛擬組織、提供高層次的服務(wù)，例如分布協(xié)同科學(xué)研究等。而云計(jì)算的資源相對(duì)集中，主要以數(shù)據(jù)中心的形式提供底層資源的使用，并不強(qiáng)調(diào)虛擬組織（VO）的概念；
l網(wǎng)格計(jì)算的初衷是用聚合資源來(lái)支持挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，因?yàn)楦咝阅苡?jì)算的資源不夠用，需要把分散的資源聚合起來(lái)。2004年以后，適應(yīng)普遍的信息化應(yīng)用被逐漸強(qiáng)調(diào)。而云計(jì)算從一開(kāi)始就支持廣泛企業(yè)計(jì)算、WEB應(yīng)用，普適性更強(qiáng)；
l 在對(duì)待異構(gòu)性方面，二者的理念有所不同。網(wǎng)格計(jì)算用中間件屏蔽異構(gòu)系統(tǒng)，力圖使用戶面向同樣的環(huán)境，把處理異構(gòu)部件的困難留給中間件來(lái)完成。而云計(jì)算實(shí)際上承認(rèn)異構(gòu)，用鏡像執(zhí)行，或者提供服務(wù)的機(jī)制來(lái)解決異構(gòu)性問(wèn)題。當(dāng)然不同的云計(jì)算系統(tǒng)會(huì)存在差別，如Google一般用自己內(nèi)部的專用平臺(tái)來(lái)支持。
總之，云計(jì)算是以相對(duì)集中的資源，運(yùn)行分散的應(yīng)用（大量分散的應(yīng)用在若干大的中心執(zhí)行）；而網(wǎng)格計(jì)算則是聚合分散的資源，支持大型集中式應(yīng)用（一個(gè)大的應(yīng)用分到多處執(zhí)行）。但從根本上來(lái)說(shuō)，從應(yīng)對(duì)Internet應(yīng)用的特征來(lái)說(shuō)，他們是一致的：為了完成在Internet情況下支持應(yīng)用、解決異構(gòu)性、資源共享等問(wèn)題。
超級(jí)計(jì)算的分類
隨著超級(jí)計(jì)算的不斷發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了新的應(yīng)用。新應(yīng)用在豐富了傳統(tǒng)的網(wǎng)格計(jì)算種類的同時(shí)，也給網(wǎng)格計(jì)算帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。
從網(wǎng)絡(luò)的角度，將超級(jí)計(jì)算分為三大類：并行信息處理、分布式I/O處理和并行文件處理。
1. 并行信息處理
并行信息處理指的是在所有計(jì)算節(jié)點(diǎn)并行執(zhí)行應(yīng)用，主節(jié)點(diǎn)管理各計(jì)算節(jié)點(diǎn)的輸入處理，節(jié)點(diǎn)之間信息高速交互，通過(guò)“等-停”機(jī)制保證信息交互時(shí)序的正確性。通常是在追求最高計(jì)算性能的定制計(jì)算環(huán)境。這類應(yīng)用就是通常所說(shuō)的科學(xué)計(jì)算，包括：氣候模型，材料科學(xué)，生物系統(tǒng)模型，核模擬和人工智能等等。
這類應(yīng)用的共同特點(diǎn)是對(duì)信息交互時(shí)延極敏感。對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求是高帶寬、低時(shí)延（Top500高端計(jì)算應(yīng)用IPC時(shí)延<10us）。
2. 分布式I/O處理
分布式I/O處理指的是客戶端請(qǐng)求通過(guò)主節(jié)點(diǎn)發(fā)送到所有計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行并行處理，各節(jié)點(diǎn)的結(jié)果直接返回主節(jié)點(diǎn)，由主節(jié)點(diǎn)響應(yīng)給客戶端。時(shí)延要求不苛刻，但是所有計(jì)算節(jié)點(diǎn)以最快速度響應(yīng)主節(jié)點(diǎn)，使得主節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)位置短時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大突發(fā)流量。這類計(jì)算的典型應(yīng)用就是網(wǎng)站搜索引擎。有信息顯示：Google每天需要提供1.5億次查詢服務(wù)，平均每毫秒發(fā)生1.736次查詢。舉例來(lái)說(shuō)，搜索“高性能計(jì)算”，得到3,250,000結(jié)果，用時(shí)0.20秒(第二次再搜0.05秒)。
這類應(yīng)用的共同特點(diǎn)是對(duì)網(wǎng)絡(luò)丟包敏感。對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求是高帶寬、不丟包。對(duì)設(shè)備帶寬、包緩存大小及分配方式有要求，與應(yīng)用的具體規(guī)模（服務(wù)器數(shù)量等)相關(guān)。
3. 并行文件處理
并行文件處理指的是將龐大的源數(shù)據(jù)文件通過(guò)主節(jié)點(diǎn)分割成多個(gè)小文件后，分發(fā)到各計(jì)算節(jié)點(diǎn)并行處理，處理完畢后返回主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行文件組裝。這類計(jì)算的典型應(yīng)用就是動(dòng)漫渲染和影視動(dòng)畫(huà)制作。將影視文件有機(jī)分割，分發(fā)到集群內(nèi)相應(yīng)服務(wù)器進(jìn)行渲染等工作，各部分完成后返回組合成新的文件。
這類應(yīng)用的特點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)之間信息交互少，但都是以大文件的形式完成。網(wǎng)絡(luò)流量很大，且存在很強(qiáng)的并發(fā)性。對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求是高帶寬互聯(lián)。
超級(jí)計(jì)算中心網(wǎng)絡(luò)安全解決方案
1. 超級(jí)計(jì)算在云計(jì)算中的部署方案
超級(jí)計(jì)算可以作為云計(jì)算的一種業(yè)務(wù)對(duì)Internet用戶提供便捷的服務(wù)。從這個(gè)角度來(lái)看，超算中心可以作為云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的一個(gè)部分。但是超級(jí)計(jì)算與云計(jì)算仍有較大區(qū)別，因此需要看作是特殊的云計(jì)算服務(wù)。超級(jí)計(jì)算作為“聚合”業(yè)務(wù)，是一種特殊的服務(wù)器集群應(yīng)用。這種應(yīng)用要求服務(wù)器自成系統(tǒng)，具體表現(xiàn)在：
l集群系統(tǒng)不能出現(xiàn)異構(gòu)現(xiàn)象；
l集群內(nèi)部的通信服務(wù)質(zhì)量要求非常高，因此不能與其他業(yè)務(wù)共享業(yè)務(wù)通道；
l集群系統(tǒng)的安全級(jí)別很高，從接入?yún)^(qū)開(kāi)始一直到超算區(qū)，要求與其他系統(tǒng)保持物理或邏輯隔離；
l 集群節(jié)點(diǎn)的計(jì)算性能要求較高，一般不會(huì)出現(xiàn)虛擬機(jī)。因此，集群內(nèi)部的通信流量并不會(huì)很大。
綜合各種需求，可以將超級(jí)計(jì)算中心和云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合，進(jìn)而對(duì)外提供統(tǒng)一的解決方案。如圖1所示，將超級(jí)計(jì)算服務(wù)作為云計(jì)算一個(gè)獨(dú)立的區(qū)，保證超級(jí)計(jì)算端到端的安全隔離，并在超級(jí)計(jì)算區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一交換架構(gòu)。該方案重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)性能、安全、可靠和易用性設(shè)計(jì)。
圖1超級(jí)計(jì)算中心網(wǎng)絡(luò)安全解決方案組網(wǎng)
2. 超級(jí)計(jì)算組網(wǎng)方案的高性能設(shè)計(jì)
由于Infiniband具有高帶寬、低時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)的特點(diǎn)（通�？梢缘陀�10us，甚至達(dá)到納秒級(jí)），傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)通常采用其進(jìn)行組網(wǎng)。隨著以太網(wǎng)的發(fā)展，以太網(wǎng)已在超級(jí)計(jì)算中心的網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用。在高性能計(jì)算區(qū)域（HPC)TOP500集群中，采用千兆以太網(wǎng)的用戶數(shù)量是采用InfiniBand集群用戶數(shù)量的兩倍。
千兆以太網(wǎng)計(jì)算集群的優(yōu)勢(shì)是成本較低，但萬(wàn)兆以太網(wǎng)計(jì)算集群的性能遠(yuǎn)高于千兆。新一代萬(wàn)兆以太網(wǎng)網(wǎng)卡可以將服務(wù)器之間延遲降低到千兆網(wǎng)絡(luò)延遲的八分之一，同時(shí)帶寬獲得更高的提升，幾乎與InfiniBand速度不相上下。以H3C數(shù)據(jù)中心級(jí)交換機(jī)S12500為例，根據(jù)最新的Spirent測(cè)試報(bào)告顯示，其萬(wàn)兆端口轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延6~14us（盒式萬(wàn)兆交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延更低）。除了轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延有大幅度降低之外，數(shù)據(jù)中心級(jí)交換機(jī)還能夠提供超高密度的萬(wàn)兆接入端口，可以實(shí)現(xiàn)大量計(jì)算節(jié)點(diǎn)的高密度接入，有效的降低成本。
近年來(lái)隨著萬(wàn)兆以太網(wǎng)成本逐漸降低，高性能集群升級(jí)到萬(wàn)兆以太網(wǎng)將會(huì)有效的提高計(jì)算集群的性價(jià)比。另外，萬(wàn)兆以太網(wǎng)每Gb的端口功耗比千兆以太網(wǎng)的要低，使得用戶獲得10倍帶寬的同時(shí)又降低了能耗。
3. 超級(jí)計(jì)算組網(wǎng)方案的高安全設(shè)計(jì)
安全設(shè)計(jì)方案可以分為安全分區(qū)規(guī)劃以及端到端的安全部署兩部分。如圖2所示。
在超算中心網(wǎng)絡(luò)中，存在不同業(yè)務(wù)種類的設(shè)備且易受攻擊程度不同。根據(jù)這些業(yè)務(wù)種類和設(shè)備情況可制定不同的安全策略和信任模型，將超算網(wǎng)絡(luò)劃分成不同區(qū)域，區(qū)域之間實(shí)現(xiàn)邏輯隔離，重點(diǎn)保證高性能計(jì)算區(qū)域（HPC)的數(shù)據(jù)安全和流量服務(wù)。
針對(duì)不同級(jí)別、不同業(yè)務(wù)的用戶實(shí)施端到端的安全部署，從接入終端一直到超算中心最終的服務(wù)器，都能一直保持邏輯隔離的狀態(tài)。通過(guò)端到端的安全隔離進(jìn)一步加強(qiáng)超算中心核心業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)中心安全性和服務(wù)質(zhì)量。
圖2超級(jí)計(jì)算組網(wǎng)方案的端到端安全設(shè)計(jì)
4. 超級(jí)計(jì)算組網(wǎng)方案的高可靠設(shè)計(jì)
采用網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)將實(shí)現(xiàn)高可靠性要求，可實(shí)現(xiàn)分布式設(shè)備管理、分布式路由和跨設(shè)備鏈路聚合，部署虛擬化除了提高超算中心網(wǎng)絡(luò)的可用性，減少單點(diǎn)故障影響，同時(shí)無(wú)需再考慮MSTP、VRRP等協(xié)議，解決了傳統(tǒng)設(shè)備和鏈路只能工作在主/備模式和利用率低于50％的性能瓶頸。
因此，通過(guò)部署網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，可以有效地將超算業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)可靠性提高一個(gè)級(jí)數(shù)，極大的保證用戶業(yè)務(wù)的連續(xù)性。同時(shí)，超算中心網(wǎng)絡(luò)的性能將以倍數(shù)級(jí)別靈活擴(kuò)展，增強(qiáng)可靠性，簡(jiǎn)化配置，降低投入和維護(hù)成本。
5. 超級(jí)計(jì)算組網(wǎng)方案的易用性設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的超算中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)異構(gòu)復(fù)雜，接口不統(tǒng)一：前端網(wǎng)和管理網(wǎng)采用以太網(wǎng)；存儲(chǔ)網(wǎng)采用FC；計(jì)算網(wǎng)用Infiniband。這導(dǎo)致超算中心運(yùn)行時(shí)協(xié)議轉(zhuǎn)換開(kāi)銷大、速率不匹配、存在性能瓶頸、開(kāi)發(fā)與部署周期長(zhǎng)、無(wú)法滿足業(yè)務(wù)快速靈活部署和性能需求的問(wèn)題。
圖3超算中心一體化網(wǎng)絡(luò)
超算中心網(wǎng)絡(luò)易用性解決方案就是一體化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)CEE（增強(qiáng)以太網(wǎng)）技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)IP協(xié)議融合前端、計(jì)算、存儲(chǔ)和管理四張網(wǎng)絡(luò)，消除網(wǎng)絡(luò)技術(shù)割裂所來(lái)的種種弊端�？梢杂行У暮�(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)層次、輕松部署、降低TCO。
結(jié)束語(yǔ)
云計(jì)算是從網(wǎng)格計(jì)算演化來(lái)的，但并不等同于網(wǎng)格計(jì)算。網(wǎng)格計(jì)算（尤其是大規(guī)模的網(wǎng)格計(jì)算）對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的要求很高。超算中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案需要滿足不同類型的超級(jí)計(jì)算的需求，必須能極大的提高超級(jí)計(jì)算的性能、可靠性、易用性和安全等方面的指標(biāo)。
