云計算和超計算的介紹與比較 - 全文

20世紀后半期，全世界范圍掀起第三次產(chǎn)業(yè)革命的浪潮，人類開始邁入后工業(yè)社會--信息社會。在信息經(jīng)濟時代，其先進生產(chǎn)力及科技發(fā)展的標志就是計算技術(shù)。時至今日，計算科學，尤其是以超級計算機（或高性能計算機）為基礎(chǔ)的計算科學已經(jīng)與理論研究、實驗科學相并列，成為現(xiàn)代科學的三大支柱之一。

現(xiàn)代超級計算基于先進的集群技術(shù)構(gòu)建，即常說的網(wǎng)格計算技術(shù)（GridComputing）。網(wǎng)格計算是伴隨著互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展起來的，專門針對復雜科學計算的新型計算模式。這種計算模式利用互聯(lián)網(wǎng)把分散在不同地理位置的電腦組織成一個虛擬的"超級計算機"，其中每一臺參與計算的計算機就是一個"節(jié)點"，而整個計算是由成千上萬個"節(jié)點"組成的"一張網(wǎng)格"，所以稱之為網(wǎng)格計算。這種"超級計算機"有兩個優(yōu)勢，一個是數(shù)據(jù)處理能力超強，另一個是能充分利用網(wǎng)上的閑置處理能力。實際上，網(wǎng)格計算是分布式計算（DistributedComputing）的一種。需要說明的是，網(wǎng)格計算是一種傳統(tǒng)的、更加專業(yè)化的定義方式，而超級計算則是更加通俗化的概念。兩者從本質(zhì)上是一致的。

超級計算中心（即超算中心）是指基于超級計算機系統(tǒng)對外提供計算資源、存儲資源以及技術(shù)咨詢等服務(wù)的機構(gòu)或單位。超級計算在一個國家的發(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、氣象預報、國防技術(shù)、工業(yè)設(shè)計、城市規(guī)劃等經(jīng)濟、社會發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域都離不開超級計算。各個國家，尤其是經(jīng)濟、科技水平比較發(fā)達的國家，都把促進超級計算的發(fā)展作為重要的規(guī)劃內(nèi)容。

超級計算與云計算

如本刊前文所述，云計算是一種將全球范疇、高度可擴展、靈活的服務(wù)通過互聯(lián)網(wǎng)進行發(fā)布與消費，采取按需求和實際使用付費的商業(yè)模式。云計算代表著全新的價值：它可以讓企業(yè)獲得高度可擴展和靈活的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)；SaaS的瘦客戶端應(yīng)用減輕了軟件的采購和維護成本；所有的功能都以服務(wù)的方式提供給用戶。

云計算是從網(wǎng)格計算演化而來，能夠隨需應(yīng)變地提供資源。網(wǎng)格計算可以在云中，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，他們就會關(guān)心如何維護云，如升級、安裝和虛擬化服務(wù)器與應(yīng)用程序等；如果用戶是消費者，就不必關(guān)心系統(tǒng)是如何運行的。

網(wǎng)格計算與云計算有很多相似之處，兩者都能夠被看成是分布式計算所衍生出來的概念，都是為了讓IT資源能夠?qū)τ脩敉该鳎瑸榱俗孖T資源能夠達到更好的使用率。從這個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)公司通過部署數(shù)以萬計的服務(wù)器構(gòu)成龐大的計算資源，得以提供此前無法完成的新服務(wù)。企業(yè)或者個人能夠通過互聯(lián)網(wǎng)利用那些大網(wǎng)絡(luò)公司所釋放出來的計算資源，進行應(yīng)用部署或者向外提供服務(wù)。這就是從網(wǎng)格計算到云計算的歷史過程。網(wǎng)格計算和云計算的意義就在于：無論是用戶還是企業(yè)開發(fā)者，都能夠通過互聯(lián)網(wǎng)來獲得數(shù)據(jù)或者進行計算，盡管本地資源有限，但是能夠通過網(wǎng)絡(luò)進行復雜的運算，其數(shù)據(jù)的計算過程對于用戶來說就像互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)對于本地網(wǎng)絡(luò)用戶一樣。

1.超級計算與云計算的相同點

從定義上來說，網(wǎng)格計算和云計算都試圖將各種IT資源看成一個可以對外提供相應(yīng)服務(wù)的虛擬資源池。云計算試圖讓"用戶透明地使用資源"，而網(wǎng)格計算誕生的初衷就是"使用IT資源像使用水電一樣簡單"。

云計算是一種寬泛的概念，它允許用戶通過互聯(lián)網(wǎng)訪問各種基于IT資源的服務(wù)，并且用戶無需了解底層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)涵包括兩個方面，一方面是所謂的效用計算或者隨需計算，在這一點上，網(wǎng)格計算跟云計算是非常相似的，都是通過資源池或者分布式的計算資源來提供在線的計算、存儲等服務(wù)；另外一方面就是所謂的"虛擬超級計算機"，以松耦合的方式將大量的計算資源連接在一起，提供單個計算資源所無法完成的超級計算能力。從對外提供服務(wù)這一角度來看，網(wǎng)格計算跟云計算是非常類似的。

2.超級計算與云計算的不同點

可以看出，網(wǎng)格計算和云計算有相似之處，特別是計算的并行與合作的特點。但他們之間的區(qū)別也是明顯的。主要有以下幾點：

網(wǎng)格計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)同科學研究等。而云計算的資源相對集中，主要以數(shù)據(jù)中心的形式提供底層資源的使用，并不強調(diào)虛擬組織（VO）的概念；

網(wǎng)格計算的初衷是用聚合資源來支持挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，因為高性能計算的資源不夠用，需要把分散的資源聚合起來。2004年以后，適應(yīng)普遍的信息化應(yīng)用被逐漸強調(diào)。而云計算從一開始就支持廣泛企業(yè)計算、WEB應(yīng)用，普適性更強；

在對待異構(gòu)性方面，二者的理念有所不同。網(wǎng)格計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完成。而云計算實際上承認異構(gòu)，用鏡像執(zhí)行，或者提供服務(wù)的機制來解決異構(gòu)性問題。當然不同的云計算系統(tǒng)會存在差別，如Google一般用自己內(nèi)部的專用平臺來支持。

總之，云計算是以相對集中的資源，運行分散的應(yīng)用（大量分散的應(yīng)用在若干大的中心執(zhí)行）；而網(wǎng)格計算則是聚合分散的資源，支持大型集中式應(yīng)用（一個大的應(yīng)用分到多處執(zhí)行）。但從根本上來說，從應(yīng)對Internet應(yīng)用的特征來說，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、資源共享等問題。

超級計算的分類

隨著超級計算的不斷發(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)格計算種類的同時，也給網(wǎng)格計算帶來了新的挑戰(zhàn)。從網(wǎng)絡(luò)的角度，將超級計算分為三大類：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算節(jié)點并行執(zhí)行應(yīng)用，主節(jié)點管理各計算節(jié)點的輸入處理，節(jié)點之間信息高速交互，通過"等-停"機制保證信息交互時序的正確性。通常是在追求最高計算性能的定制計算環(huán)境。這類應(yīng)用就是通常所說的科學計算，包括：氣候模型，材料科學，生物系統(tǒng)模型，核模擬和人工智能等等。

這類應(yīng)用的共同特點是對信息交互時延極敏感。對網(wǎng)絡(luò)的要求是高帶寬、低時延（Top500高端計算應(yīng)用IPC時延<10us）。

2.分布式I/O處理

分布式I/O處理指的是客戶端請求通過主節(jié)點發(fā)送到所有計算節(jié)點進行并行處理，各節(jié)點的結(jié)果直接返回主節(jié)點，由主節(jié)點響應(yīng)給客戶端。時延要求不苛刻，但是所有計算節(jié)點以最快速度響應(yīng)主節(jié)點，使得主節(jié)點網(wǎng)絡(luò)位置短時會產(chǎn)生較大突發(fā)流量。這類計算的典型應(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。舉例來說，搜索"高性能計算"，得到3，250，000結(jié)果，用時0.20秒(第二次再搜0.05秒)。

這類應(yīng)用的共同特點是對網(wǎng)絡(luò)丟包敏感。對網(wǎng)絡(luò)的要求是高帶寬、不丟包。對設(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)文件通過主節(jié)點分割成多個小文件后，分發(fā)到各計算節(jié)點并行處理，處理完畢后返回主節(jié)點進行文件組裝。這類計算的典型應(yīng)用就是動漫渲染和影視動畫制作。將影視文件有機分割，分發(fā)到集群內(nèi)相應(yīng)服務(wù)器進行渲染等工作，各部分完成后返回組合成新的文件。

這類應(yīng)用的特點是節(jié)點之間信息交互少，但都是以大文件的形式完成。網(wǎng)絡(luò)流量很大，且存在很強的并發(fā)性。對網(wǎng)絡(luò)的要求是高帶寬互聯(lián)。

超級計算中心網(wǎng)絡(luò)安全解決方案

1.超級計算在云計算中的部署方案

超級計算可以作為云計算的一種業(yè)務(wù)對Internet用戶提供便捷的服務(wù)。從這個角度來看，超算中心可以作為云計算數(shù)據(jù)中心的一個部分。但是超級計算與云計算仍有較大區(qū)別，因此需要看作是特殊的云計算服務(wù)。超級計算作為"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：

集群系統(tǒng)不能出現(xiàn)異構(gòu)現(xiàn)象；

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；

集群系統(tǒng)的安全級別很高，從接入?yún)^(qū)開始一直到超算區(qū)，要求與其他系統(tǒng)保持物理或邏輯隔離；

集群節(jié)點的計算性能要求較高，一般不會出現(xiàn)虛擬機。因此，集群內(nèi)部的通信流量并不會很大。

綜合各種需求，可以將超級計算中心和云計算數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)進行融合，進而對外提供統(tǒng)一的解決方案。如圖1所示，將超級計算服務(wù)作為云計算一個獨立的區(qū)，保證超級計算端到端的安全隔離，并在超級計算區(qū)內(nèi)實現(xiàn)統(tǒng)一交換架構(gòu)。該方案重點強調(diào)性能、安全、可靠和易用性設(shè)計。

2.超級計算組網(wǎng)方案的高性能設(shè)計

由于Infiniband具有高帶寬、低時延轉(zhuǎn)發(fā)的特點（通?？梢缘陀?0us，甚至達到納秒級），傳統(tǒng)的超級計算網(wǎng)絡(luò)通常采用其進行組網(wǎng)。隨著以太網(wǎng)的發(fā)展，以太網(wǎng)已在超級計算中心的網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用。在高性能計算區(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)計算集群的優(yōu)勢是成本較低，但萬兆以太網(wǎng)計算集群的性能遠高于千兆。新一代萬兆以太網(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)中心級交換機S12500為例，根據(jù)最新的Spirent測試報告顯示，其萬兆端口轉(zhuǎn)發(fā)時延6~14us（盒式萬兆交換機的轉(zhuǎn)發(fā)時延更低）。除了轉(zhuǎn)發(fā)時延有大幅度降低之外，數(shù)據(jù)中心級交換機還能夠提供超高密度的萬兆接入端口，可以實現(xiàn)大量計算節(jié)點的高密度接入，有效的降低成本。

近年來隨著萬兆以太網(wǎng)成本逐漸降低，高性能集群升級到萬兆以太網(wǎng)將會有效的提高計算集群的性價比。另外，萬兆以太網(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倍帶寬的同時又降低了能耗。

3.超級計算組網(wǎng)方案的高安全設(shè)計

安全設(shè)計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)域之間實現(xiàn)邏輯隔離，重點保證高性能計算區(qū)域（HPC)的數(shù)據(jù)安全和流量服務(wù)。

針對不同級別、不同業(yè)務(wù)的用戶實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)。通過端到端的安全隔離進一步加強超算中心核心業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)中心安全性和服務(wù)質(zhì)量。

4.超級計算組網(wǎng)方案的高可靠設(shè)計

采用網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)將實現(xiàn)高可靠性要求，可實現(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，減少單點故障影響，同時無需再考慮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)可靠性提高一個級數(shù)，極大的保證用戶業(yè)務(wù)的連續(xù)性。同時，超算中心網(wǎng)絡(luò)的性能將以倍數(shù)級別靈活擴展，增強可靠性，簡化配置，降低投入和維護成本。

5.超級計算組網(wǎng)方案的易用性設(shè)計

傳統(tǒng)的超算中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)異構(gòu)復雜，接口不統(tǒng)一：前端網(wǎng)和管理網(wǎng)采用以太網(wǎng)；存儲網(wǎng)采用FC；計算網(wǎng)用Infiniband。這導致超算中心運行時協(xié)議轉(zhuǎn)換開銷大、速率不匹配、存在性能瓶頸、開發(fā)與部署周期長、無法滿足業(yè)務(wù)快速靈活部署和性能需求的問題。

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)計方案，通過CEE（增強以太網(wǎng)）技術(shù)和標準IP協(xié)議融合前端、計算、存儲和管理四張網(wǎng)絡(luò)，消除網(wǎng)絡(luò)技術(shù)割裂所來的種種弊端。可以有效的簡化網(wǎng)絡(luò)層次、輕松部署、降低TCO。

結(jié)束語

云計算是從網(wǎng)格計算演化來的，但并不等同于網(wǎng)格計算。網(wǎng)格計算（尤其是大規(guī)模的網(wǎng)格計算）對于網(wǎng)絡(luò)的要求很高。超算中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案需要滿足不同類型的超級計算的需求，必須能極大的提高超級計算的性能、可靠性、易用性和安全等方面的指標。