一种网格环境下的地震模拟计算支撑中间件系统技术方案

一种网格环境下面向地震灾害模拟预测过程领域的数值模拟计算软件的中间件系统，可以集成Ａｎｓｙｓ、Ａｂａｑｕｓ等多种常用的建模仿真分析软件，它具有独立的面向地震模拟计算领域的任务描述能力，能将客户端定制的某一个具体的地震模拟计算和分析任务进行解析，最终分解成可以并行执行的各项子任务，封装成彼此间可以独立执行的代理被调度到不同的网格节点上去执行。而每个节点上独立安装有各种仿真分析软件，其接受任务、执行任务、给出计算结果。最后，代理在节点上的执行结果通过任务解析器反馈给客户端。对于使用者提供透明的并行计算。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于计算机仿真模拟技术，具体涉及一种给地震和强台风等重大灾 .变模拟与分析提供一个稳定可靠、可扩展、.适应计算和网络技术演化需求的计 算中间件，能够使得地震和其它灾变的专业人员可以利用本支撑系统透明地利 用其专业理论与方法，开发具有良好成长性的数值求解、分析和预测系统，而 不必关心和注意他们所不擅长的最新的计算机技术和软件开发理论与方法。
技术介绍
建立地震灾害过程综合模拟仿真系统对于减小地震造成的影响有着重大的 作用，在地震灾害模拟预测过程领域有着巨大的计算需求，并且这些计算需求 普遍具有计算数据量大、计算周期长等特点，因此，运用并行处理技术来进行地震灾害的计算机模拟成为人们的首选。在重大工程动力灾变模拟过程的每个 步骤中基本上都有相应的商业软件如三维几何建模、数值求解、显示、分析等等，并行地震数据处理中地震数据处理和解释系统的研究一直是众多公司和研 究机构的研究热点之一，已有多种并行处理与解释系统走向实际应用，如OpenSpirit、 WebVista、 geocluster等。但是，随着计算机和网络技术的不断发展， 由于超级计算机的价格高昂和可扩展性过低等不足，传统的借助高性能超级计 算机来对灾变过程进行仿真和预测方法的局限性日趋明显。在网格等高性能计算技术的研究中，最关键的就是中间件，它是当今基础 软件体系的三大支柱之一，它可以屏蔽低层分布式环境的复杂性和异构性，简 化分布式应用程序的开发，提高分布式应用程序的健壮性、可靠性和可用性。 中间件是一种独立的系统软件或者服务程序，分布式应用软件借助这种软件在 不同的技术之间共享资源;近年来随着网络计算技术的快速发展，中间件技术取 得了重大进展。另一方面，由于在地震模拟、结构分析预测等领域的强烈应用需求的驱动， 近年来已有多种用于地震和台风的系统出现，反应在近几年的SEGY年会的成震预测中心、中国石油大学、长江大学等也已有相 应的基于超级计算的分析和预测软件问世。但是，由于缺乏最新的计算机和网 络技术以及基于网络的软件设计理论与方法的支持，这些系统在应用上仍存在 适应性和可扩展性较差等局限性，主要表现为以下方面(1) 异构性问题在强地震和强台风等重大工程动力灾变模拟过程中，三维 几何建模、数值求解、显示、分析和预测，可能由不同地区的不同部门完成， 根据需要，不同部门可能会采用不同操作系统甚至不同体系结构的集群。集群 /网格中间件主要的异构问题包括体系结构的异构，硬件异构，数据异构，网络 线路(有线或者无线)异构以及上层应用程序的异构。能否合理的解决这些异构是 中间件的一个关键问题。由于下层体系结构以及硬件的复杂多变性，现有的中 间件大多只是在特定的网络环境下具有一定扩展性。特别是在集群/网格领域内， 现有的中间件都是对应特定的集群/网格系统，这些计算环境都有相对固定的体 系结构以及硬件配置。当将其中间件移植到其他的分布式计算环境中之后便失 去了原有的性能。随着软硬件技术的飞速发展，开发出适应性，扩展性良好的 中间件将有着巨大的意义。(2) 异构数据源的处理:在地震等灾变模拟的研究领域，各个部分管理和存储数据的方式都有着很大的异构性，如在强地震模拟仿真中数据不仅有二维，三维甚至四维，而且数据还可以表示成不同的格式例如netcdf或segy。异构数 据源主要包括系统异构和模式异构。其中系统异构指数据源所依赖的操作系统 不同(如Windows, Unix等)，数据库管理系统(如DB2， Oracle, SQLServer, Sybase 等)。而模式异构指的是数据源在存储模式上的不同，存储模式主要包括关系模 式，对象模式，对象关系模式和文档嵌套模式等几种，即使是同一类存储模式， 他们的模式结构也可能存在差异，例如不同的关系数据管理系统的数据类型等 方面并不是完全一致的，如Oracle所采用的数据类型与SQL Server所采用的数 据类型并不是完全一致的。由此可以看出要开发出移植性良好的中间件，异构 数据源的处理将是最关键的问题之一。目前国内外在这方面的研究已经取得了 一定的进展，但是处理异构数据源的中间件技术并不是非常成熟。特别是在系 统异构这方面还有大量的工作需要去做。(3)专用并行文件系统:灾变模拟处理的数据量往往特别大，如日本的地球 模拟器在模拟日本东京大地震时，需要对采集的树百TB的地震数据进行综合处 理，如何有效地解决1/0瓶颈问题，实现系统的计算、通讯和I/0性能的均衡扩展， 一直是高性能计算领域急待研究解决的关键技术，为地震等灾变模拟系 统设计一个基于MPI-IO的高效，高可靠性的专用的并行文件系统。，建立高效 的并行模型对分发后的数据进行处理对提高系统效率，充分利用超级计算机资 源无疑具有相当重要的意义。(4) 任务描述与解析在基于网格计算的地震分析和预测系统中，灾变模拟 处理的任务需要在不同网格节点上由不同的数值分析处理软件来完成。不同的计算节点对任务有着不同的描述工具和方法，比如说ansys软件采用APDL语言 来描述计算过程。现有的研究工作中缺乏一种针对地震分析和预测任务的统一 描述工具。该工具能使用户能以一种统一的方式来描述和解析地震分析和预测 任务，使得该任务解析成不同的子任务，通过作业调度分发到不同的计算节点 上去执行。同时由于不同的计算资源节点上执行程序语法和数据格式都是不一 样的，需要平台提供任务解析和翻译的功能。(5) 作业调度:在基于网格计算的地震分析和预测系统中，作业调度是提高 资源利用率，实现资源共享，提高系统处理速度和减少响应时间的核心部分， 直接关系到灾变仿真网格系统性能的发挥。然而，当前作业调度算法的研究存 在局限性，多数算法仅仅满足网格自然特性(协同性，异构适应性，网络适应性 和规模可扩展性)中的部分特征。其中，单址协同算法多数由传统的封闭管理域 异构计算系统作业调度算法扩展而来，忽视了多址协同对降低作业响应时间和 提高资源使用率的影响，不具备完备的协同性。虽然许多研究工作提出了多 址协同问题和调度算法，然而这些工作假设所有高性能集群均为同构，与真实 的网格计算环境有较大的差距，在异构适应性方面有所欠缺。此外，部分工作 忽略了作业传输开销和算法复杂性，不具备网络适应性和算法规模的可扩展 性，因此难以在大规模网格调度环境中得到实际应用。(6) 容错技术重大工程动力灾变模拟如强地震下的重大工程的结构破坏的 模拟计算可能会持续几个月甚至更长的时间，随着网格计算规模的逐渐扩大与 复杂度的不断提高，系统中某些构件的失效概率不断提高。网格计算中的应用 任务具有计算量大，周期长的特点，所以在无容错措施的情况下，生命期较 长的进程就可能由于出错而不得不重新启动，并且其它与这个出错进程有通信 关系的无错进程可能也不得不随之重新启动，以使整个系统重新进入一致状 态，这种损失是巨大的。因而，对网格计算系统的容错机制的研究也具有同 样意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于为地震和强台风等重大灾变模拟与分析提供一个稳定可 靠、可扩展、适应计算和网络技术演化需求的计算中间件系统，该系统能描述 地震和强台风等重大灾变模拟与分析任务，并对任务进行解析和调度，使之能 在网格上不同的计算资源节点上并行执行。其特征在于客户端，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一个模拟与分析地震和强台风等重大灾变的中间件系统　本中间件系统可以为地震和强台风等重大灾变模拟与分析提供稳定可靠、可扩展、适应计算和网络技术演化需求的功能，该系统能描述地震和强台风等重大灾变模拟与分析任务，并对任务进行解析和调度，使之 能在网格上不同的计算资源节点上并行执行。其特征在于：客户端，任务解析器，任务调度模块，移动代理管理平台，抽象数据接口，并行文件系统，和容错模块。　客户端用于定制和提交地震分析和预测模拟处理的任务。　任务解析器用来接受和解析客户端 所请求的地震分析和预测模拟处理任务。　任务调度模块的将任务解析器提供的子任务在灾变仿真网格中的计算节点间进行统一调度，是提高资源利用率，实现资源共享，提高系统处理速度和减少响应时间的核心部件。　移动代理管理平台主要针对网格环境下 底层机群／网格结构、操作系统以及其他软硬件环境的异构性，使系统具有自主性、移动性、协作性、安全性和智能性等特征。　抽象数据接口主要用于解决从异构数据源中有效提取数据问题，在不改变数据源的存储和管理模式的条件下有效地对数据进行集成和管理 。　并行文件系统主要用于在计算和分析过程中频繁地异地数据访问和存储时提高整个分布式应用系统的性能。　容错模块包括故障检测技术、容错算法与备份恢复机制。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李肯立，唐卓，周炎涛，肖德贵，杨磊，吴凡，张少华，梁秋实，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]