网格技术

网格技术特点

网格技术，首先，能够提供资源共享，消除信息孤岛，实现应用程序的互联互通。网格与计算机网络不同，网络实现硬件的联通，网格则能实现应用层面的联通; 其次，网格能够实现协同工作，很多网格结点可以共同处理一个项目; 第三，网格基于国际开放的技术标准，与以往很多行业、部门或者公司推出的软件产品不一样; 第四，网格可以提供动态服务，能够适应变化。具体来讲，网格具有如下 5 个方面特点。图 1.1 网格技术示意图(1)分布与资源共享: 分布性是网格最本质的特征。指网格的资源分布。如计算资源和数据资源分布在不同的地理位置上。资源共享是网格建设的目的。(2)高度抽象: 网格上的各种资源对用户是透明的，用户只需要使用某个资源，而不需要知道其处于什么地理位置，通过什么设备提供资源。(3)自相似: 网格的局部和整体之间存在着一定的相似性，在大尺度上和小尺度上有相同或者类似的规律。(4)动态性和多样性: 网格资源是动态变化的，在网格环境中，某些资源在此时可用，过一段时间就可能损坏，原来没有的资源也可能不断地添加到网格环境中来。网格资源是多样的，提供网格资源的设备可能是不同的，提供的数据资源可能具有不同的结构，因此网格要屏蔽这些资源的异构性，达到各类资源的统一。(5)自治性与管理重性: 网格节点内部的自治和外部的受控整合是网格的一个特征。网格资源首先是个人或某个组织的，所以个人或组织对网格资源有最高的管理权限。但是网格资源也必须接受网格的统一管理，否则不同的资源就无法建立相互之间的联系，无法实现共享和互操作，无法作为一个整体为更多的用户提供方便的服务。因此网格具有管理的多重性。

网格的生成技术有哪些？

1.1结构化网格
从严格意义上讲,结构化网格是指网格区域内所有的内部点都具有相同的毗邻单元.结构化网格生成技术有大量的文献资料[1,2,3,4].结构化网格有很多优点:
1.它可以很容易地实现区域的边界拟合,适于流体和表面应力集中等方面的计算.
2.网格生成的速度快.
3.网格生成的质量好
4.数据结构简单
5.对曲面或空间的拟合大多数采用参数化或样条插值的方法得到,区域光滑,与实际的模型更容易接近.
它的最典型的缺点是适用的范围比较窄.尤其随着近几年的计算机和数值方法的快速发展,人们对求解区域的复杂性的要求越来越高,在这种情况下,结构化网格生成技术就显得力不从心了.
结构化网格的生成技术只要有：
代数网格生成方法.主要应用参数化和插值的方法,对处理简单的求解区域十分有效.
PDE网格生成方法.主要用于空间曲面网格的生成.
1.2非结构化网格
同结构化网格的定义相对应,非结构化网格是指网格区域内的内部点不具有相同的毗邻单元.即与网格剖分区域内的不同内点相连的网格数目不同.从定义上可以看出,结构化网格和非结构化网格有相互重叠的部分,即非结构化网格中可能会包含结构化网格的部分.
非结构化网格技术从六十年代开始得到了发展,主要是弥补结构化网格不能够解决任意形状和任意连通区域的网格剖分的缺欠.到90年代时,非结构化网格的文献达到了它的高峰时期.由于非结构化网格的生成技术比较复杂,随着人们对求解区域的复杂性的不断提高,对非结构化网格生成技术的要求越来越高.从现在的文献调查的情况来看,非结构化网格生成技术中只有平面三角形的自动生成技术比较成熟（边界的恢复问题仍然是一个难题,现在正在广泛讨论）,平面四边形网格的生成技术正在走向成熟.而空间任意曲面的三角形、四边形网格的生成,三维任意几何形状实体的四面体网格和六面体网格的生成技术还远远没有达到成熟.需要解决的问题还非常多.主要的困难是从二维到三维以后,待剖分网格的空间区非常复杂,除四面体单元以外,很难生成同一种类型的网格.需要各种网格形式之间的过度,如金字塔形,五面体形等等.
非结构化网格技术的分类,可以根据应用的领域分为应用于差分法的网格生成技术（常常成为grid generation technology）和应用于有限元方法中的网格生成技术（常常成为mesh generation technology）,应用于差分计算领域的网格要除了要满足区域的几何形状要求以外,还要满足某些特殊的性质（如垂直正交,与流线平行正交等）,因而从技术实现上来说就更困难一些.基于有限元方法的网格生成技术相对非常自由,对生成的网格只要满足一些形状上的要求就可以了.
非结构化网格生成技术还可以从生成网格的方法来区分,从现在的文献资料所涉及的情况来看,主要有以下一些生成方法：
对平面三角形网格生成方法,比较成熟的是基于Delaunay准则的一类网格剖分方法（如Bowyer-Watson Algorithm和Watson’s Algorithm）和波前法（Advancing Front Triangulation）的网格生成方法.另外还有一种基于梯度网格尺寸的三角形网格生成方法,这一方法现在还在发展当中.基于Delannay准则的网格生成方法的优点是速度快,网格的尺寸比较容易控制.缺点是对边界的恢复比较困难,很可能造成网格生成的失败,对这个问题的解决方法现在正在讨论之中.波前法（Advancing Front Triangulation）的优点是对区域边界拟合的比较好,所以在流体力学等对区域边界要求比较高的情况下,常常采用这种方法.它的缺点是对区域内部的网格生成的质量比较差,生成的速度比较慢.
曲面三角形网格生成方法主要有两种,一种是、直接在曲面上生成曲面三角形网格；另外一种是采用结构化和非结构化网格技术偶合的方法,即在平面上生成三角形网格以后再投影到空间的曲面上,这种方法会造成曲面三角形网格的扭曲和局部拉长,因此在平面上必须采用一定的修正技术来保证生成的曲面网格的质量.
平面四边形网格的生成方法有两类主要的方法.一类是间接法,即在区域内部先生成三角形网格,然后分别将两个相邻的三角形合并成为一个四边形.生成的四边形的内角很难保证接近直角.所以在采用一些相应的修正方法（如Smooth, add）加以修正.这种方法的优点是首先就得到了区域内的整体的网格尺寸的信息,对四边形网格尺寸梯度的控制一直是四边形网格生成技术的难点.缺点是生成的网格质量相对比较差,需要多次的修正,同时需要首先生成三角形网格,生成的速度也比较慢,程序的工作量大.
另外一类是直接法,二维的情况称为铺砖法（paving method）.采用从区域的边界到区域的内部逐层剖分的方法.这种方法到现在已经逐渐替代间接法而称为四边形网格的主要生成方法.它的优点是生成的四边形的网格质量好,对区域边界的拟合比较好,最适合流体力学的计算.缺点是生成的速度慢,程序设计复杂.空间的四边形网格生成方法到现在还是主要采用结构化与非结构化网格相结合的网格生成方法.
三维实体的四面体和六面体网格生成方法现在还远远没有达到成熟.部分四面体网格生成器虽然已经达到了使用的阶段,但是对任意几何体的剖分仍然没有解决,现在的解决方法就是采用分区处理的办法,将复杂的几何区域划分为若干个简单的几何区域然后分别剖分再合成.对凹区的处理更是如此.
六面体的网格生成技术主要采用的是间接方法,即由四面体网格剖分作为基础,然后生成六面体.这种方法生成的速度比较快,但是生成的网格很难达到完全的六面体,会剩下部分的四面体,四面体和六面体之间需要金字塔形的网格来连接.现在还没有看到比较成熟的直接生成六面体的网格生成方法.
其它的网格生成方法：
二维到三维投影的网格生成方法：对比较规则的三维区域,首先在平面上生成三角形或四边形网格然后在Map到三维的各个层面,连接各个层面就生成了三维的网格剖分.这种方法目前应用非常广泛.

网格的结构体系

在介绍网格的特征之前，我们首先要解决一个重要的问题：网格是不是分布式系统？这个问题之所以必须回答，因为人们常常会问另一个相关的问题：为什么我们需要网格？现在已经有很多系统（比如海关报关系统、飞机订票系统）实现了资源共享与协同工作。这些系统与网格有什么区别？对这个问题的简要回答是：网格是一种分布式系统，但网格不同于传统的分布式系统。IBMGlobal Service与EDS是在这个分布式领域最著名的公司。构建分布式系统有三种方法：即传统方法（我们称之为EDS方法）、分布自律系统（Autonomous Decentralized Systems, ADS）方法，网格（grid）方法。ADS通常用于工业控制系统中。网格方法与传统方法的区别见下表：特征 传统分布式系统 网格开放性 需求和技术有一定确定性、封闭性 开放技术、开放系统通用性 专门领域、专有技术 通用技术集中性 很可能是统一规划、集中控制 一般而言是自然进化、非集中控制使用模式 常常是终端模式或C/S模式 服务模式为主标准化 领域标准或行业标准 通用标准（+行业标准）平台性 应用解决方案 平台或基础设施通过以上对比，网格具有以下四点优势：（1）资源共享，消除资源孤岛：网格能够提供资源共享，它能消除信息孤岛、实现应用程序的互连互通。网格与计算机网络不同，计算机网络实现的是一种硬件的连通，而网格能实现应用层面的连通。（2）协同工作：网格第二个特点是协同工作，很多网格结点可以共同处理一个项目。（3）通用开放标准，非集中控制，非平凡服务质量：这是Ian Foster最新提出的网格检验标准。网格是基于国际的开放技术标准，这跟以前很多行业、部门或者公司推出的软件产品不一样。（4）动态功能，高度可扩展性：网格可以提供动态的服务，能够适应变化。同时网格并非限制性的，它实现了高度的可扩展性。 网格之所以能有以上所说的种种优势特征，是由网格的体系结构赋予它的。网格体系结构的主要功能是划分系统基本组件，指定组件的目的与功能，刻画组件之间的相互作用，整合各部分组件。科研工作者已经提出并实现了若干种合理的网格体系结构。下面介绍影响比较广泛的两个网格体系结构：网格计算协议体系结构(Grid Protocol Architecture，GPA)和计算经济网格体系结构(GRACE)模型。OGSA（Open Grid Services Architecture）被称为是下一代的网格体系结构，它是在原来“五层沙漏结构”的基础上，结合最新的Web Service 技术提出来的。OGSA包括两大关键技术即网格技术和Web Service 技术。随着网格计算研究的深入，人们越来越发现网格体系结构的重要。网格体系结构是关于如何建造网格的技术，包括对网格基本组成部分和各部分功能的定义和描述，网格各部分相互关系与集成方法的规定，网格有效运行机制的刻画。显然，网格体系结构是网格的骨架和灵魂，是网格最核心的技术，只有建立合理的网格体系结构，才能够设计和建造好网格，才能够使网格有效地发挥作用。OGSA最突出的思想就是以“服务”为中心。在OGSA框架中，将一切都抽象为服务，包括计算机、程序、数据、仪器设备等。这种观念，有利于通过统一的标准接口来管理和使用网格。Web Service提供了一种基于服务的框架结构，但是，Web Service 面对的一般都是永久服务，而在网格应用环境中，大量的是临时性的短暂服务，比如一个计算任务的执行等。考虑到网格环境的具体特点，OGSA 在原来Web Service 服务概念的基础上，提出了“网格服务（Grid Service）”的概念，用于解决服务发现、动态服务创建、服务生命周期管理等与临时服务有关的问题。基于网格服务的概念，OGSA 将整个网格看作是“网格服务”的集合，但是这个集合不是一成不变的，是可以扩展的，这反映了网格的动态特性。网格服务通过定义接口来完成不同的功能，服务数据是关于网格服务实例的信息，因此网格服务可以简单地表示为“网格服务=接口/行为+服务数据”。在当下，网格服务提供的接口还比较有限,OGSA 还在不断的完善过程之中，下一步将考虑扩充管理、安全等等方面的内容。 Ian Foster于2001年提出了网格计算协议体系结构，认为网格建设的核心是标准化的协议与服务，并与Internet网络协议进行类比(如图1)。该结构主要包括以下五个层次：构造层(Fabric)：控制局部的资源。由物理或逻辑实体组成，目的是为上层提供共享的资源。常用的物理资源包括计算资源、存储系统、目录、网络资源等；逻辑资源包括分布式文件系统、分布计算池、计算机群等。构造层组件的功能受高层需求影响，基本功能包括资源查询和资源管理的QoS保证。连接层(Connectivity)：支持便利安全的通信。该层定义了网格中安全通信与认证授权控制的核心协议。资源间的数据交换和授权认证、安全控制都在这一层控制实现。该层组件提供单点登录、代理委托、同本地安全策略的整合和基于用户的信任策略等功能。资源层(Resource)：共享单一资源。该层建立在连接层的通信和认证协议之上，满足安全会话、资源初始化、资源运行状况监测、资源使用状况统计等需求，通过调用构造层函数来访问和控制局部资源。汇集层(Collective)：协调各种资源。该层将资源层提交的受控资源汇集在一起，供虚拟组织的应用程序共享和调用。该层组件可以实现各种共享行为，包括目录服务、资源协同、资源监测诊断、数据复制、负荷控制、账户管理等功能。应用层(Application)：为网格上用户的应用程序层。应用层是在虚拟组织环境中存在的。应用程序通过各层的应用程序编程接口（API）调用相应的服务，再通过服务调动网格上的资源来完成任务。为便于网格应用程序的开发，需要构建支持网格计算的大型函数库。 现在国内国外运用得最多的可能是在一些大型院校的计算网格（实现计算资源的共享。 什么是计算资源： 简单来说就是计算能力，CPU。 计算资源共享就是CPU计算的共享）。人们把一个集群(cluster, 也就是常说的机房，通常有几十台操作系统为Linux的计算机)的计算机连成一个局域型网格。这样就好像把这几十台电脑连成了一台超级计算机，计算能力当然大大提高了。这种局域计算网格主要运用于一些科研的研究。比如说生物科学。当生物科学的研究员需要高性能的计算资源来帮助他们分析试验的结果时，他们就把这些分析试验的程序提交（submit）给网格，网格通过计算再把结果返回给这些研究员。计算结果可能是一些图像（rendering）也可能是一些数据。这些计算如果在单一PC（Personal computer, 个人计算机）上运行的话，往往会花费几个月的时间，然而在网格中运行一，两天也就完成了。这就是网格技术最直观的优点之一。当然有一些大型主机（super-mainframe）也有很强的计算能力（比如常说的IBM deepblue，打败人类国际象棋大师Kasparov那位），但是这种主机太昂贵，而且配置(deploy)往往不方便，是名副其实的重量级（heavyweight）计算。1996年初，美国数学家和程序设计师乔治· 沃特曼编制了一个梅森素数计算程序，并把它放在网页上供数学家和数学爱好者免费使用，这就是著名的“因特网梅森素数大搜索”（GIMPS)项目。现在只要人们去GIMPS的主页下载那个免费程序，就可以通过计算网格来搜寻新的梅森素数。SETI@Home，一个分布式计算的项目，通过互联网络上的计算机搜索地球外智慧讯息，网格在分布式计算的成功运用。）的网站指出，世界上最强大的计算机IBM 的 ASCI White，可以实现每秒12万亿次的浮点运算，但是花费了1亿千万美元；然而SETI@HOME只用了50万美元却实现了每秒15万亿次浮点运算。网格另外一个显著的运用可能就是虚拟组织（Virtual Organisations）。这种虚拟组织往往是针对与某一个特定的项目，或者是某一类特定研究人员。在这里面可以实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源的全面共享。比如说中国2008年奥运会开幕式研究组就可以运用网格组成一个虚拟组织。在这个虚拟组织里，任何成员不管在哪个地方都可以有权访问组织的共享资源（如 开幕式场地图纸，开幕式资金，开幕式节目单）；而且可以和另一地方的虚拟组织成员进行交流。这个虚拟组织就像把所有奥运会开幕式的资源，信息，以及人员集中到了一个虚拟的空间，让人们集中精力研讨开幕式项目的问题，而不必考虑其他的问题。据个实例，由英国利兹大学，牛津大学，约克大学和谢菲尔德大学合作的DAME项目就是致力于研究和运用虚拟组织。DAME架构在这四个大学合建的白玫瑰网格White Rose Computational Grid (WRCG)上，运用于对飞机故障的快速检测和维修。

什么是“网格”？

在信息学中，网格是一种用于集成或共享地理上分布的各种资源（包括计算机系统、存储系统、通信系统、文件、数据库、程序等），使之成为有机的整体，共同完成各种所需任务的机制。网格是一种新兴的技术，正处在不断发展和变化当中。学术界和商业界围绕网格开展的研究有很多，其研究的内容和名称也不尽相同因而网格尚未有精确的定义和内容定位。比如国外媒体常用“下一代互联网”、 “Internet2 ”、“下一代Web”等来称呼网格相关技术。网格是利用互联网把地理上广泛分布的各种资源（包括计算资源、存储资源、带宽资源、软件资源、数据资源、信息资源、知识资源等）连成一个逻辑整体，就像一台超级计算机一样，为用户提供一体化信息和应用服务（计算、存储、访问等），虚拟组织最终实现在这个虚拟环境下进行资源共享和协同工作，彻底消除资源“孤岛”，最充分的实现信息共享。扩展资料：网格技术的应用：1、生物医学：网格可提供药品开发人员所需的计算能力，用以研究药物和蛋白质分子的形态与运动。2、工程：波音、福特、bmw公司都在尝试用网格计算进行复杂的仿真与设计。3、数据搜集/分析：制造、石油加工、货物运输、甚至零售企业都要维护昂贵的设备，时常会出现问题，造成不好的结果。同无线传感器一样，网格能够存储和处理所有交易。4、娱乐产业：界面设计网格作为一个集成的计算与资源环境，能够吸收各种计算资源，将它们转化成一种随处可得的、可靠的、标准的且相对经济的计算能力，其吸收的计算资源包括各种类型的计算机、网络通信能力、数据资料、仪器设备甚至有操作能力的人等各种相关资源等。参考资料来源：百度百科-网格 （生物学与信息学）参考资料来源：百度百科-网格技术

什么是网格？

1.1结构化网格
从严格意义上讲,结构化网格是指网格区域内所有的内部点都具有相同的毗邻单元.结构化网格生成技术有大量的文献资料[1,2,3,4].结构化网格有很多优点:
1.它可以很容易地实现区域的边界拟合,适于流体和表面应力集中等方面的计算.
2.网格生成的速度快.
3.网格生成的质量好
4.数据结构简单
5.对曲面或空间的拟合大多数采用参数化或样条插值的方法得到,区域光滑,与实际的模型更容易接近.
它的最典型的缺点是适用的范围比较窄.尤其随着近几年的计算机和数值方法的快速发展,人们对求解区域的复杂性的要求越来越高,在这种情况下,结构化网格生成技术就显得力不从心了.
结构化网格的生成技术只要有：
代数网格生成方法.主要应用参数化和插值的方法,对处理简单的求解区域十分有效.
PDE网格生成方法.主要用于空间曲面网格的生成.
1.2非结构化网格
同结构化网格的定义相对应,非结构化网格是指网格区域内的内部点不具有相同的毗邻单元.即与网格剖分区域内的不同内点相连的网格数目不同.从定义上可以看出,结构化网格和非结构化网格有相互重叠的部分,即非结构化网格中可能会包含结构化网格的部分.
非结构化网格技术从六十年代开始得到了发展,主要是弥补结构化网格不能够解决任意形状和任意连通区域的网格剖分的缺欠.到90年代时,非结构化网格的文献达到了它的高峰时期.由于非结构化网格的生成技术比较复杂,随着人们对求解区域的复杂性的不断提高,对非结构化网格生成技术的要求越来越高.从现在的文献调查的情况来看,非结构化网格生成技术中只有平面三角形的自动生成技术比较成熟（边界的恢复问题仍然是一个难题,现在正在广泛讨论）,平面四边形网格的生成技术正在走向成熟.而空间任意曲面的三角形、四边形网格的生成,三维任意几何形状实体的四面体网格和六面体网格的生成技术还远远没有达到成熟.需要解决的问题还非常多.主要的困难是从二维到三维以后,待剖分网格的空间区非常复杂,除四面体单元以外,很难生成同一种类型的网格.需要各种网格形式之间的过度,如金字塔形,五面体形等等.
非结构化网格技术的分类,可以根据应用的领域分为应用于差分法的网格生成技术（常常成为grid generation technology）和应用于有限元方法中的网格生成技术（常常成为mesh generation technology）,应用于差分计算领域的网格要除了要满足区域的几何形状要求以外,还要满足某些特殊的性质（如垂直正交,与流线平行正交等）,因而从技术实现上来说就更困难一些.基于有限元方法的网格生成技术相对非常自由,对生成的网格只要满足一些形状上的要求就可以了.
非结构化网格生成技术还可以从生成网格的方法来区分,从现在的文献资料所涉及的情况来看,主要有以下一些生成方法：
对平面三角形网格生成方法,比较成熟的是基于Delaunay准则的一类网格剖分方法（如Bowyer-Watson Algorithm和Watson’s Algorithm）和波前法（Advancing Front Triangulation）的网格生成方法.另外还有一种基于梯度网格尺寸的三角形网格生成方法,这一方法现在还在发展当中.基于Delannay准则的网格生成方法的优点是速度快,网格的尺寸比较容易控制.缺点是对边界的恢复比较困难,很可能造成网格生成的失败,对这个问题的解决方法现在正在讨论之中.波前法（Advancing Front Triangulation）的优点是对区域边界拟合的比较好,所以在流体力学等对区域边界要求比较高的情况下,常常采用这种方法.它的缺点是对区域内部的网格生成的质量比较差,生成的速度比较慢.
曲面三角形网格生成方法主要有两种,一种是、直接在曲面上生成曲面三角形网格；另外一种是采用结构化和非结构化网格技术偶合的方法,即在平面上生成三角形网格以后再投影到空间的曲面上,这种方法会造成曲面三角形网格的扭曲和局部拉长,因此在平面上必须采用一定的修正技术来保证生成的曲面网格的质量.
平面四边形网格的生成方法有两类主要的方法.一类是间接法,即在区域内部先生成三角形网格,然后分别将两个相邻的三角形合并成为一个四边形.生成的四边形的内角很难保证接近直角.所以在采用一些相应的修正方法（如Smooth, add）加以修正.这种方法的优点是首先就得到了区域内的整体的网格尺寸的信息,对四边形网格尺寸梯度的控制一直是四边形网格生成技术的难点.缺点是生成的网格质量相对比较差,需要多次的修正,同时需要首先生成三角形网格,生成的速度也比较慢,程序的工作量大.
另外一类是直接法,二维的情况称为铺砖法（paving method）.采用从区域的边界到区域的内部逐层剖分的方法.这种方法到现在已经逐渐替代间接法而称为四边形网格的主要生成方法.它的优点是生成的四边形的网格质量好,对区域边界的拟合比较好,最适合流体力学的计算.缺点是生成的速度慢,程序设计复杂.空间的四边形网格生成方法到现在还是主要采用结构化与非结构化网格相结合的网格生成方法.
三维实体的四面体和六面体网格生成方法现在还远远没有达到成熟.部分四面体网格生成器虽然已经达到了使用的阶段,但是对任意几何体的剖分仍然没有解决,现在的解决方法就是采用分区处理的办法,将复杂的几何区域划分为若干个简单的几何区域然后分别剖分再合成.对凹区的处理更是如此.
六面体的网格生成技术主要采用的是间接方法,即由四面体网格剖分作为基础,然后生成六面体.这种方法生成的速度比较快,但是生成的网格很难达到完全的六面体,会剩下部分的四面体,四面体和六面体之间需要金字塔形的网格来连接.现在还没有看到比较成熟的直接生成六面体的网格生成方法.
其它的网格生成方法：
二维到三维投影的网格生成方法：对比较规则的三维区域,首先在平面上生成三角形或四边形网格然后在Map到三维的各个层面,连接各个层面就生成了三维的网格剖分.这种方法目前应用非常广泛.