可扩展桌面PSE计算加速系统的设计与实现

论文摘要

当前,面向个人用户的桌面PSE(Problem Solve Environment,问题求解环境),通过各种并行化方案来提高计算性能。如Start*P、Parallel MATLAB Toolbox和pMATLAB等为代表针对MATLAB的加速方案,以及其他通用的如NetSolve、Webflow等并行PSE(问题解决环境)。这些方案有效地提高了桌面PSE的计算性能。随着多核通用处理器、众核结构的图形处理器和各种浮点计算卡的出现,以及超级计算机体系结构的不断演变,带来了并行编程的多样化。为了适应这种多样化,本文提出一种新的并行化问题解决方案,即面向个人计算的高性能计算中间件系统。该系统采取三层结构,分为应用层、中间层和计算层等三层。其中应用层提供了与PSE应用程序的接口,负责将计算任务和数据封装打包发给中间层,待计算完成后再从中间层返回的数据中取出计算结果；中间层负责计算任务、数据和计算结果的转发,并管理后端计算资源；计算层则是根据计算任务,利用具有高性能计算能力的本地硬件或远程超级计算机,对数据做计算,然后返回计算结果。该中间件将PSE前端和计算层进行分离,PSE前端无需关心计算层的计算是在本地还是远程机器上完成,不用关心是CPU还是GPU抑或是浮点计算加速卡完成的。在以上所述设计思想的指导下对本系统做了实现,应用层前端采用MATLAB,计算层采用GPU和MPI集群。对于利用MPI集群做计算加速的,为了保证用户数据的机密性,利用RSA不对称密钥对客户机认证进行加密,利用DES对称密钥对计算命令、数据和计算结果做加密。最后,本文对本地计算加速和远程计算加速的性能做了评估,结果证明本系统设计和实现的合理性和有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.1.1 桌面PSE的优点和缺点
• 1.1.2 高性能计算机的优点及局限性
• 1.1.3 研究的目的
• 1.1.4 研究的意义
• 1.2 研究现状
• 1.3 论文研究的内容和组织形式
• 第二章 桌面PSE计算加速技术
• 2.1 桌面PSE概述
• 2.2 桌面PSE计算加速技术简介
• 2.3 当前高性能计算技术的机遇与挑战
• 2.3.1 超级计算机技术
• 2.3.2 高性能浮点计算部件简介
• 2.3.3 编程环境的挑战
• 2.4 桌面PSE计算加速方案应具备的主要特点
• 第三章 可扩展的桌面PSE计算加速系统的设计
• 3.1 设计的目标
• 3.2 总体设计
• 3.2.1 N路数据转换问题
• 3.2.2 本系统的三层结构设计
• 3.3 桌面PSE客户端的设计
• 3.4 中间层的设计
• 3.4.1 中间层的功能设计
• 3.4.2 中间层的独立性设计
• 3.4.3 可用计算函数清单的设计
• 3.5 计算层的设计
• 3.6 本地计算层的设计
• 3.7 远程计算层的设计
• 3.7.1 远程计算客户端的设计
• 3.7.2 数据加密交换机制的设计
• 3.7.3 应用服务器的功能设计
• 3.7.4 计算服务器的功能设计
• 3.7.5 计算服务器的计算接口设计
• 3.8 小结
• 第四章 可扩展的桌面PSE计算加速系统的实现
• 4.1 系统实现原则
• 4.2 桌面PSE计算的截取技术
• 4.2.1 计算截取技术的讨论
• 4.2.2 MATLAB计算截取的实现
• 4.3 标准计算格式的设计
• 4.4 应用层与中间层通信的实现
• 4.4.1 进程通信技术的选择
• 4.4.2 通信机制的实现
• 4.5 Windows服务程序的实现
• 4.6 计算资源管理的实现
• 4.7 计算资源调用的实现
• 4.7.1 动态链接库技术
• 4.7.2 计算资源动态调入的实现
• 4.7.3 计算接口的实现
• 4.7.4 计算函数调用的过程
• 4.8 远程计算的实现
• 4.8.1 计算的封装和加密
• 4.8.2 应用服务器的实现
• 4.8.3 计算服务器的实现
• 4.9 小结
• 第五章 测试结果与分析
• 5.1 测试环境和案例
• 5.2 本地计算加速性能分析
• 5.2.1 测试代码
• 5.2.2 测试数据与分析
• 5.3 远程计算加速性能分析
• 5.3.1 测试代码
• 5.3.2 测试数据与分析
• 第六章 结语
• 6.1 本设计与实现取得的成果
• 6.2 本设计与实现的不足与缺陷
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢