分布式有限元計(jì)算中的數(shù)據(jù)傳輸與管理_圖文

1、1引言分布式有限元計(jì)算中的數(shù)據(jù)傳輸與管理宰 李書卉,李云鵬,顧元憲大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工程力學(xué)系,大連116023隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們正在不斷建造更為快速的交通工具、更大規(guī)模的建筑物、更 大跨度的橋梁、更大功率的發(fā)電機(jī)組和更為精密的機(jī)械設(shè)備,其中工程結(jié)構(gòu)分析是關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié) 之一。在計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析方法支持下發(fā)展起來的有限元分析方法,為解決這些復(fù)雜的工程 分析計(jì)算問題提供了有效工具。國際上從20世紀(jì)60年代開始投入大量人力和物力開發(fā)有限元分析 軟件,目前功能強(qiáng)大的商品化軟件主要有NASTRAN、ANSYS、ABAQUS、COSMOS、ADINA 等,國內(nèi)大連理工

2、大學(xué)研制開發(fā)的有限元分析與優(yōu)化軟件JIFEX等也具有大規(guī)模工程計(jì)算能力。 分布式計(jì)算成為當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要分支。將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)有限元計(jì)算技術(shù) 相結(jié)合,是傳統(tǒng)有限元計(jì)算技術(shù)發(fā)展的一條新思路。本文介紹了在JIFEx軟件中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算所 遇到的海量數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)、分布的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性等問題及其解決方案。2分布式有限元計(jì)算的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸問題分布式計(jì)算.是借助計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將分布在不同地點(diǎn)的計(jì)算實(shí)體組織起來進(jìn)行信息處理的一種 方式.分布式計(jì)算的理想目標(biāo)就是要實(shí)現(xiàn)分散對(duì)等的協(xié)同計(jì)算,這也是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)目 標(biāo)。在網(wǎng)絡(luò)計(jì)算環(huán)境中,如何準(zhǔn)確簡便地用程序設(shè)計(jì)語言等方式描述應(yīng)用問題和資源需求,如

3、何 使軟件系統(tǒng)能夠適應(yīng)異構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境.保證網(wǎng)絡(luò)計(jì)算系統(tǒng)的可靠性,使用戶能夠便捷有效地 開發(fā)和使用系統(tǒng)聚合的效能,是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的關(guān)鍵問題。有限元計(jì)算軟件按功能分為前處理模塊、求解模塊、后處理模塊等,JIFEX使用統(tǒng)一的集中 式數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)所有模型數(shù)據(jù)及求解結(jié)果.模型數(shù)據(jù)由前處理器寫入數(shù)據(jù)庫中。求解結(jié)果由求解模 塊寫入數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)一旦通過處理器寫入數(shù)據(jù)庫中,如需要.即可為該軟件的其他處理器所用。 JIFEX軟件可以運(yùn)行在不同的操作系統(tǒng)上,本文面臨的是將這些異構(gòu)平臺(tái)上的軟件統(tǒng)一起來 的數(shù)據(jù)一致性問題。本文的系統(tǒng)延承集中式數(shù)據(jù)庫的形式,采用客戶胡./服務(wù)器模型,每一個(gè)運(yùn)行 JIFEX軟件的系統(tǒng)都是

4、客戶機(jī),服務(wù)器作為全局的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。將所有最新的數(shù)據(jù)都保存在服務(wù) 器上,這樣就解決了網(wǎng)絡(luò)計(jì)算海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和一致性的問題.有限元計(jì)算中的數(shù)據(jù)都是海量數(shù) 據(jù)。如何表示和存取這些復(fù)雜數(shù)據(jù)是個(gè)關(guān)鍵問題。系統(tǒng)采用C+編制了一套工程數(shù)據(jù)庫.采用特 定的數(shù)據(jù)格式。解決了表示復(fù)雜數(shù)據(jù)這個(gè)關(guān)鍵問題。這樣也確保了計(jì)算的效率和數(shù)據(jù)的保密。 TCP/IP是廣為應(yīng)用的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?，F(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)幾乎全部支持TCP/IP協(xié)議.因而無論從可移 植性、可使用性還是發(fā)展前景來看,采用TCP/IP協(xié)議開發(fā)網(wǎng)絡(luò)通信軟件都是一個(gè)最佳選擇。 TCP/IP協(xié)議的核心足傳輸層協(xié)議(TCP、UDP、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議(IP和物理接u層,這三層通常在操

5、作+國家重點(diǎn)桀礎(chǔ)鉚f究專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)(G1999032805和國家自然科學(xué)基金(10032030資助項(xiàng)目系統(tǒng)的內(nèi)核巾實(shí)現(xiàn)。TcP/IP 9i9絡(luò)環(huán)境下的應(yīng)用程序是通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)編程界血Socket實(shí)現(xiàn)的。而 Socket又利用下層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信工作。Socket是TCP/IP協(xié)議傳輸層所提供的接口,供用戶編程訪問網(wǎng)絡(luò)核心資源。本文的系統(tǒng)采用 了基于TCP/lP Socket的自定義應(yīng)用層協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。本地程序通過Socket將信息傳入網(wǎng)絡(luò),遠(yuǎn)地程 序也可通過Socket將信息傳入網(wǎng)絡(luò).他們都通過Socket得到信息,在定義本地和遠(yuǎn)程程序交換信息 的規(guī)則時(shí),事實(shí)上就是定義了自己的協(xié)議。每個(gè)客戶端有

6、所變動(dòng)時(shí),都要將數(shù)據(jù)的變化實(shí)時(shí)反映 給服務(wù)器端,保證服務(wù)器上的數(shù)據(jù)是最新的,再及時(shí)由服務(wù)器廣播給其他用戶。保證數(shù)據(jù)一致。3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)客戶杌/服務(wù)器(Clie州Server技術(shù)是一種分布式計(jì)算模式.它的優(yōu)勢在于以普及的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為 基礎(chǔ),將用戶要完成的計(jì)算任務(wù)最恰當(dāng)?shù)胤峙涞骄W(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)計(jì)算機(jī)上.把應(yīng)用分解,將較為復(fù) 雜的計(jì)算和重要的資源管理交給網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器。而把一些頻繁與用戶打交道的計(jì)算任務(wù)交由前 端的較簡單的客戶機(jī)來完成。通過這種計(jì)算模式使客戶能最佳地利用整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的計(jì)算機(jī)系統(tǒng), 從而實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算、分析、處理和顯示功能,實(shí)現(xiàn)了真正的資源共享?？蛻艟褪求w系結(jié)構(gòu)的核心部分。是一個(gè)面向最終用戶的接口

7、設(shè)備或應(yīng)用程序。它是一項(xiàng)服務(wù) 的消費(fèi)者,可向其他設(shè)備和應(yīng)用程序提出請(qǐng)求,然后再向用戶顯示所得的信息;服務(wù)器是一項(xiàng)服 務(wù)的提供者,它包含并管理數(shù)據(jù)庫和通信設(shè)備,為客戶請(qǐng)求過程提供服務(wù)。從技術(shù)上來看?？蛻袅?/服務(wù)器結(jié)構(gòu)本身是一種建立在一定硬件環(huán)境基礎(chǔ)上的軟件結(jié)構(gòu)。它是 指將一個(gè)應(yīng)用適當(dāng)?shù)胤纸鉃槎鄠€(gè)任務(wù),有多臺(tái)機(jī)器分別執(zhí)行,共同來實(shí)現(xiàn)整個(gè)應(yīng)用。一般將執(zhí)行 客戶和服務(wù)器任務(wù)的機(jī)器分別稱為客戶平臺(tái)和服務(wù)器平臺(tái)。在上述多個(gè)任務(wù)之間存在著多種交互 關(guān)系,但是,它們最基本體現(xiàn)為“請(qǐng)求/響應(yīng)”關(guān)系,即客戶向服務(wù)器提出對(duì)某種信息或數(shù)據(jù)的請(qǐng) 求.服務(wù)器針對(duì)請(qǐng)求完成處理,將結(jié)果作為響應(yīng)返回給客戶.客戶與服務(wù)器過程的

8、惟一區(qū)別在于 客戶是會(huì)話的發(fā)出者,至于發(fā)出請(qǐng)求、提供信息及終止會(huì)話方面,兩者關(guān)系基本對(duì)等,如圖l所 不。圖l系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖本文系統(tǒng)中所有的數(shù)據(jù)都保存在服務(wù)器上.客戶端每一個(gè)工作站點(diǎn)都復(fù)制一份應(yīng)用程序,并 且在本地保留本次計(jì)算所必需的數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶取得對(duì)數(shù)據(jù)的操作權(quán)限,并且對(duì)數(shù)據(jù)操作的同時(shí),自然地將操作的過程傳給服務(wù)器,再由服務(wù)器將此消息廣播到其他用戶節(jié)點(diǎn)。如圖2(a所示,并 不對(duì)其他用戶節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行改動(dòng)。當(dāng)其他用戶節(jié)點(diǎn)需要用到該數(shù)據(jù)時(shí),再主動(dòng)向服務(wù)器請(qǐng)求. 此時(shí)服務(wù)器才把數(shù)據(jù)信息傳給用戶節(jié)點(diǎn),如圖2(b所示.圖2(acIicnt向scrV盯發(fā)_i羞數(shù)據(jù),再由姍r廣播此消懇(bclient3向Ser

9、vcr請(qǐng)求數(shù)據(jù)服務(wù)器端系統(tǒng)的功能如下:身份驗(yàn)證功能:接收并解釋處理客戶端傳來的請(qǐng)求:向客戶端發(fā) 布消息:對(duì)客戶端進(jìn)行訪問權(quán)控制;維護(hù)數(shù)據(jù)?？蛻舳讼到y(tǒng)的功能如下:請(qǐng)求服務(wù)器驗(yàn)證,參與計(jì)算工作;向服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求:包括請(qǐng)求獲 取數(shù)據(jù)與請(qǐng)求處理數(shù)據(jù)(增、刪、插、改:實(shí)現(xiàn)功能模塊(前處理、分析計(jì)算和后處理,可以具有 這三部分功能中任何一項(xiàng)或若干項(xiàng);接收并解釋、處理服務(wù)器發(fā)布的消息。4若干關(guān)鍵技術(shù)問題解決方法4.I傳輸協(xié)議的設(shè)計(jì)由于客戶端程序與服務(wù)器端程序分別運(yùn)行在不同的環(huán)境中。采用不同的編程語言進(jìn)行實(shí)現(xiàn), 為了使客戶端程序與服務(wù)器端程序能夠彼此通信。能夠協(xié)調(diào)運(yùn)行,必須制定一個(gè)協(xié)議。通過該協(xié) 議來規(guī)范客戶

10、和服務(wù)器數(shù)據(jù)交換的過程和數(shù)據(jù)交換的類型,該協(xié)議提供了客戶與服務(wù)器互相訪問 的功能接口。因此。我們制定了自己的信包格式和協(xié)議類型,格式如圖3所示.圖3傳輸協(xié)議的信包格式其中,包頭規(guī)定了整個(gè)數(shù)據(jù)包的功能,區(qū)分該包是一個(gè)數(shù)據(jù)信息包還是一個(gè)控制包。如果該 包是數(shù)據(jù)信息包,則其后跟的是數(shù)據(jù)消息:如果是控制包。則其后跟的是對(duì)數(shù)據(jù)消息的各種操作 類型。指明了數(shù)據(jù)內(nèi)容更新到數(shù)據(jù)庫中的方式.雙方通信首先都要傳遞一個(gè)控制包.等對(duì)方將消 息頭解釋完之后,回復(fù)確認(rèn)信息表示數(shù)據(jù)庫可用時(shí),再傳遞數(shù)據(jù)信息包。有限元計(jì)算巾涉及到的 數(shù)據(jù)分為定長數(shù)據(jù)和變長數(shù)據(jù),定長數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)較容易。問題在于變長數(shù)據(jù)的傳輸。本文將變長數(shù)據(jù)的

11、數(shù)據(jù)長度信息包裝在數(shù)據(jù)信息包的消息頭中,使接收數(shù)據(jù)的一方能確認(rèn)是何種數(shù)據(jù), 開辟適當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)空間。4.2異構(gòu)系統(tǒng)間傳輸數(shù)據(jù)字節(jié)順序是指占內(nèi)存多于一個(gè)字節(jié)類型的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存放順序,通常有低字節(jié)優(yōu)先、高 字節(jié)優(yōu)先兩種字節(jié)順序。這樣的差異是由CPU決定的.通常認(rèn)為,在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)淖止?jié)的順序即 網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)順序,考慮到與協(xié)議的一致以及與同類其他平臺(tái)產(chǎn)品的互通,在程序中發(fā)送數(shù) 據(jù)包時(shí),將主機(jī)字節(jié)序轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序.接收數(shù)據(jù)包處將網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序轉(zhuǎn)換為主機(jī)字節(jié)序。4.3并發(fā)事件的處理對(duì)于服務(wù)器端來說需要處理多個(gè)客戶的并發(fā)通信請(qǐng)求,我們采用了多線程方式.為在不同時(shí) 刻訪問共享的資源.任何共享這些資源的線程都

12、必須通過線程通信的手段進(jìn)行調(diào)度。訪問共享資 源的線程必須同步,以防止共享資源的訪問沖突和錯(cuò)誤訪問。本文系統(tǒng)采用的互斥原則是:讀共享、讀寫與寫寫互斥的原則。這樣保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的一致 性。5結(jié)束語分布式計(jì)算模式是今后有限元計(jì)算的發(fā)展趨勢之一,本文工作集中了中小型的硬件資源。集 合成一個(gè)分布式系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)的分布式有限元計(jì)算。系統(tǒng)中存在著分布的數(shù)據(jù)以及集中的 數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了分布與集中的統(tǒng)一,有效地實(shí)現(xiàn)了有限元計(jì)算中定長數(shù)據(jù)和變長數(shù)據(jù)在異構(gòu)系統(tǒng)間 的傳輸問題,合理地處理了并發(fā)事件。參考文獻(xiàn):【l 1Mikc Connell,Odd TuIIberg。A仔硼cwork for immerSiVe FEM

13、 Visualizaiiusing tf蚰sparent object communication in a distrjbuted network cnVironment.AdVances in Engineering SoRware,2002,33:453459【2】 崔俊芝.計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE的現(xiàn)在和未來.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造,2000,6:37【3】 張標(biāo)標(biāo),徐志軍,葛蘊(yùn)珊,等.基于CORBA網(wǎng)絡(luò)有限元計(jì)算模式的探討.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),200l,2l(5: 596598【4】 Li chunlin,Lu Zhengding,“La”鋤.Desi即鋤d implementation

14、of a distributed computing cnvironment model for object-orient networks progr啪ming.Computer Cornfnunications,2002,25:5l 652l【5】 韓永彬,王云莉,劉娜,等.基于web的分布式計(jì)算環(huán)境中CAE軟件的應(yīng)用共享.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2002, 13:127129【6】 林銳,白云,金峰,等.一種用于協(xié)同工作的網(wǎng)絡(luò)通訊服務(wù)器及其API設(shè)計(jì).計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2000,4:83 85Abstract:With che deVclopment of the nenOrk technolo,distributed computing is becoming one 0fthc most important branches of the computing technoIogy.In order to tackle the problem exjsting in the storage of a large number of dat丑integrated data management mcthod h豳bn i