基于网格的高性能计算平台关键技术及其在CAE中的应用研究

论文摘要

基于网格的高性能计算平台是一个基于广域网络的分布式异构计算平台,它借助于网格为高性能计算提供了一个公共的计算平台,以通用网络为基础,以网格中间件为桥梁,实现了各种高性能计算资源之间的互联互通、共享和协同工作。与传统的高性能计算系统有很大的区别,它为实现大范围异构分布环境下的高性能计算提供基础软硬件环境、相关协议、公共服务、使能工具以及系统管理等功能。开展基于网格的高性能计算平台相关理论与技术的研究开发具有非常重要的理论意义和实际应用价值。本文以构建基于网格的高性能计算平台为目标,探索构建该平台的关键技术问题,主要围绕着基于网格的高性能计算平台的体系结构、资源虚拟化技术、资源分配和任务调度技术以及资源管理技术展开研究,并在该平台上部署并行多群体协作PSO框架以及高性能并行计算系统,使其能够成为执行计算机辅助工程（CAE）应用的理想平台。主要研究成果如下：以面向服务的观点提出基于网格的高性能计算平台体系结构,为该平台的设计实现、改进和优化运行提供坚实的理论基础,为其应用到制造系统中做出有益的理论探索。为了达到充分的资源共享和协作使用目的,在面向服务的网格高性能计算环境中,采用了资源虚拟化技术,即将不同的资源实现封装成一个通用的服务接口,并且这些服务接口有着统一的服务语义。针对基于网格的高性能计算平台的特点,作者将蚁群优化算法与网格调度技术相结合提出了一个改进算法。该算法将资源分配与任务调度这个NP难问题映射到任务资源分配图的优化选择问题上来最优化资源分配和任务调度,同时将信号量机制引入到最优任务资源分配图中来解决任务资源间可能的死锁问题。目前,尚无采用OGSA/WSRF结构的网格服务中间件能够很好地支持基于服务质量协商的网格资源管理,针对服务质量协商所涉及的协商资源预留问题和资源服务过程中服务质量的动态重协商问题,在对WS-Agreement规范进行一定的补充和完善后,基于WSRF设计了支持服务质量协商的网格资源管理体系结构并实现相应的服务框架,最终成功地将该服务框架应用到基于网格的高性能计算平台中。基于服务级协定和本文设计的并行多群体协作PSO算法实现了一个应用在基于网格的高性能计算平台上的并行多群体协作PSO框架。该框架为评价任务提供动态发现和选择计算资源功能以及协商服务质量功能,同时还能够屏蔽复杂的网格高性能计算环境,从而加速解决科学工程、制造业中涉及的优化设计问题。在探索网格与并行计算理论的基础上,作者借助于Globus Toolkit和MPICH-G2组件技术,设计并实现了基于网格的高性能计算平台上的并行计算系统,为复杂CAE应用能够在基于网格的高性能计算平台上执行搭建了一个高性能并行计算环境,不仅有效地提升了CAE应用的协同执行性能,而且提高了各类CAE软件资源的共享性,从而提高企业产品开发流程中计算分析阶段的计算效率,并大大降低了计算成本。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 高性能计算
• 1.1.2 工业制造业对高性能计算的需求
• 1.1.3 高性能计算的实现方式
• 1.2 国内外研究现状与发展趋势
• 1.2.1 高性能计算
• 1.2.2 网格
• 1.2.3 计算机辅助工程
• 1.3 基于网格的高性能计算平台
• 1.3.1 基于网格的高性能计算平台研究方向
• 1.3.2 基于网格的高性能计算平台关键技术
• 1.4 本文的主要工作
• 1.4.1 研究的目标及具体内容
• 1.4.2 论文创新点
• 1.5 课题意义与课题来源
• 1.5.1 课题意义
• 1.5.2 课题来源
• 1.6 论文结构
• 2 基于网格的高性能计算平台体系结构研究
• 2.1 引言
• 2.2 基于网格的高性能计算平台需求分析
• 2.2.1 功能性需求
• 2.2.2 非功能性需求
• 2.2.3 可用性需求
• 2.3 网格体系结构的现状及发展趋势
• 2.4 基于网格的高性能计算平台体系结构
• 2.4.1 基于网格的高性能计算平台对服务质量的需求
• 2.4.2 支持QoS的基于网格的高性能计算平台总体结构
• 2.4.3 基于网格的高性能计算平台体系结构中各层介绍
• 2.4.4 网格服务层详述
• 2.5 基于网格的高性能计算平台的网络支撑结构
• 2.5.1 基于VPN的网格高性能计算平台网络结构
• 2.6 本章小结
• 3 高性能计算资源建模与封装
• 3.1 引言
• 3.2 WSRF技术原理
• 3.2.1 WSRF技术架构和核心规范
• 3.2.2 WSRF的资源管理模式
• 3.3 高性能计算资源的内涵和分类分析
• 3.3.1 高性能计算资源的定义
• 3.3.2 基于网格的高性能计算平台计算资源的特点
• 3.3.3 基于网格的高性能计算平台对计算资源的功能要求
• 3.3.4 网格高性能平台中高性能计资源的分类
• 3.4 网格高性能计算模式下的计算资源层次模型
• 3.5 基于WSRF的计算资源封装
• 3.5.1 网格高性能计算平台中计算资源的QoS属性分析
• 3.5.2 基于XML的资源模型
• 3.5.3 应用WSRF实现计算资源的封装
• 3.6 本章小结
• 4 网格高性能计算平台中基于蚁群系统的任务调度算法研究
• 4.1 引言
• 4.2 网格计算中任务调度的研究现状及发展趋势
• 4.2.1 研究现状
• 4.2.2 发展趋势
• 4.2.3 基于网格的高性能计算平台中任务调度的特点和目标
• 4.3 蚁群系统
• 4.4 网格高性能计算平台中任务调度算法的改进
• 4.4.1 任务资源分配图
• 4.4.2 TRAG的优化选择问题
• 4.4.3 任务调度过程中死锁的出现和解决
• 4.5 信息素系统模型
• 4.6 基于ACS的任务调度改进算法的描述
• 4.6.1 基于网格的高性能计算平台资源信息素的建立
• 4.6.2 用户代理对计算资源的分配机制
• 4.6.3 TRAG优化算法
• 4.6.4 实验测试
• 4.7 本章小结
• 5 网格高性能计算平台中执行SLA的资源管理研究
• 5.1 引言
• 5.2 WS-Agreement
• 5.3 基于WS-Agreement的资源预留与QoS监控框架的研究
• 5.3.1 RMF服务
• 5.3.2 协商资源预留
• 5.3.3 任务执行与资源QoS监控
• 5.3.4 理论分析与模拟实验
• 5.4 基于扩展WS-Agreement的Globus资源管理模型实现框架
• 5.4.1 扩展WS-Agreement规范
• 5.4.2 Globus资源管理模型
• 5.4.3 Globus资源管理体系结构
• 5.4.4 扩展的Globus资源管理体系结构
• 5.4.5 具体设计与实现
• 5.4.6 实验评估
• 5.5 本章小结
• 6 网格高性能计算平台中执行SLA的并行多群体协作PSO框架设计与实现
• 6.1 引言
• 6.2 并行多群体协作PSO
• 6.2.1 PSO
• 6.2.2 并行PSO
• 6.2.3 多群体协作PSO
• 6.2.4 并行多群体协作PSO
• 6.3. 执行WS-Agreement的并行多种群协作PSO框架的设计
• 6.3.1 支撑PMCF的网格技术
• 6.3.2 PMCF
• 6.4 PMCF性能研究
• 6.4.1 PMCF性能分析
• 6.4.2 模拟实验
• 6.5 本章小结
• 7 网格高性能计算平台及其CAE应用实例研究
• 7.1 引言
• 7.2 CAE应用软件
• 7.3 CAE高性能计算解决方案
• 7.3.1 以隐式分析为主的解决方案
• 7.3.2 以显式分析为主的解决方案
• 7.3.3 兼顾隐式和显式分析解决方案的网格高性能计算平台
• 7.4 CAE应用案例
• 7.4.1 SRM冷流冲击实验数值仿真案例
• 7.4.2 计算模型
• 7.4.3 流固耦合计算方法
• 7.4.4 实验环境设置及实验步骤
• 7.4.5 结果分析
• 7.5 本章小节
• 8 结论与展望
• 8.1 引言
• 8.2 主要研究工作与成果
• 8.3 进一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录