面向工程与科学计算的网格支撑环境研究

论文摘要

在计算网格环境中，地理上分布的计算资源在体系结构、操作系统、资源配置、可用性等多个方面都表现出显著的异构特性；资源本身是自治的，分属于不同的机构和管理域，具有不同的管理策略和安全控制策略；此外，资源又是动态的，在共享过程中，其状态和可用性是动态变化的。网格应用程序在利用共享资源时，不仅需要克服资源异构特征、适应资源自治管理，还需要进行可靠的资源发现、动态资源调度、有效的任务控制。随着多学科的数值模拟范围的不断扩大和精度的不断提高，工程与科学问题的研究将产生和处理更大规模的数据。相对于超级计算机，利用计算网格技术来处理这些大规模数据和并行计算任务成为一种更可行的解决问题的方法。 针对计算网格中存在的问题和工程与科学计算的需求，本文提出了MASSIVE网格系统。MASSIVE是一个面向多学科应用数值模拟的、基于计算网格技术的问题求解环境（PSE），它主要针对固体力学和流体力学的高精度数值模拟问题，为工程与科学计算领域的研究人员提供数据分析、大规模并行计算和可视化的服务。 本文的研究内容主要包括以下几个方面： （1） 研究MASSIVE计算网格系统的体系结构。以Globus Toolkit 2.2／2.4为网格中间件平台，针对工程与科学计算程序的特点提出了可视化的网格服务概念，从而提高计算网格系统的可用性。设计了三层结构的计算网格体系，包括中间构造层、服务池层和应用层。提出了可视的网格信息服务、可视的资源调度服务、并行任务监控服务、可视的文件传输服务。 （2） 研究可视化的信息服务和可扩展的信息服务体系EISA。研究并开发了一个可视的计算网格信息服务软件MASSIVE-MDS，提供网格资源信息定制功能，并提供适合于工程计算的网格信息服务应用编程接口。研究了EISA的结构，包含注册配置层、标准组织层、信息收集层，利用服务代理技术来解决资源信息定制问题，为资源调度程序提供可扩展的网格信息，提高任务调度的准确性和资源利用效率。 （3） 研究高效的资源调度算法和资源代理机制。为了提高资源调度的准确性和资源的利用率，本文提出了逻辑资源的概念，进而使用两级队列两级调度的方法，它们分别对应于逻辑资源分配和物理资源分配过程。研究并提出了一种改进的网格资源调度算法DBCCTOA，采用了朴素的0-1规划思想，设计了包含费用和时间的目标函数，建立进程间通信的成本和时间模型，最后进行最优求解。DBCCTOA算法弥补了相关算法忽略并行进程通信的缺陷。研究开发了Vexecutor网格任务执行代理程序。采用多线程结构和双向及时消息队列的通信模式，实现了网格任务的状态监控。 （4） 研究计算网格中可视化的文件传输服务。在GRID FTP的基础上研究并开发了一个MFTP软件，向用户提供了一个友好的、可交互的图形化网格文件

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 背景
• 1.1.1 网格技术的产生与发展
• 1.1.2 网格的定义与分类
• 1.1.3 网格技术在工程计算领域的应用
• 1.2 论文的主要内容与贡献
• 1.3 论文的结构
• 第二章 MASSIVE系统
• 2.1 MASSIVE系统的研究背景
• 2.1.1 工程与科学计算
• 2.1.2 计算固体力学简介
• 2.1.3 计算流体力学简介
• 2.2 MASSIVE项目简介
• 2.3 MASSIVE项目的基础设施
• 2.4 MASSIVE的体系结构
• 2.5 MASSIVE的原型系统
• 2.5.1 几何网格生成服务
• 2.5.2 计算问题求解服务
• 2.5.3 可视化服务
• 2.6 MASSIVE的Portal
• 2.6.1 资源发现
• 2.6.2 网格文件传输服务
• 2.6.3 资源调度服务
• 2.6.4 任务监控服务
• 第三章 MASSIVE的网格信息服务
• 3.1 网格信息服务简介
• 3.1.1 轻量级目录存取协议LDAP
• 3.1.2 监控与发现服务Globus MDS
• 3.2 可视的网格信息服务系统MASSIVE-MDS
• 3.2.1 MASSIVE-MDS结构描述
• 3.2.2 MDS的扩展
• 3.2.3 MASSIVE-MDS实现
• 3.3 可扩展的网格信息服务
• 3.3.1 可扩展的信息发现服务框架
• 3.3.2 注册配置层
• 3.3.3 标准组织层
• 第四章 MASSIVE中的资源管理
• 4.1 网格资源管理介绍
• 4.1.1 网格资源管理的功能
• 4.1.2 网格资源的特点
• 4.2 相关研究
• 4.3 任务相关条件下的时间成本优化调度算法DBCCTOA
• 4.3.1 DBCCTOA调度算法简介
• 4.3.2 建模
• 4.3.3 模型修改和简化
• 4.3.4 算法试验和评价
• 4.4 MASSIVE中基于代理的可视化任务管理模式
• 4.4.1 可视化任务管理基础框架MASSIVE-RMF
• 4.4.2 可视化网格计算环境框架的实现
• 第五章 MASSIVE中的文件传输MFTP
• 5.1 GridFTP介绍
• 5.1.1 第三方控制的文件传输方式
• 5.1.2 并行数据传输
• 5.1.3 条状数据传输
• 5.1.4 传输方式mode E
• 5.2 MASSIVE-FTP客户端系统的设计与实现
• 5.2.1 MFTP客户端函数
• 5.2.2 MFTP客户端库的实现
• 5.2.3 MFTP的性能测试
• 第六章 集群环境下对MPICH G2的改进
• 6.1 MPICH G2介绍
• 6.2 MPICH G2在跨集群计算时存在的问题
• 6.3 Nexus代理方法
• 6.4 内核改进方法
• 6.4.1 网格并行任务的进程通信方式
• 6.4.2 在集群环境中扩展MPICH-G2
• 6.4.3 并行任务管理在集群上的实现
• 第七章 应用与分析
• 7.1 MASSIVE网格科学计算效率分析
• 7.2 二维工程数值计算应用
• 7.2.1 问题描述
• 7.2.2 求解计算
• 7.2.3 数值模拟结果
• 7.3 固体力学问题的并行化求解与数值模拟
• 7.3.1 试验1
• 7.3.2 试验2
• 7.3.3 试验3
• 7.3.4 试验4
• 7.4 流体力学问题的并行化求解与数值模拟
• 第八章 总结与展望
• 8.1 研究总结
• 8.2 进一步的研究工作
• 参考文献
• 附录1:攻读博士期间发表的论文