協(xié)同地球科學(xué)計(jì)算環(huán)境的協(xié)同與共享研究

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1、華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文協(xié)同地球科學(xué)計(jì)算環(huán)境的協(xié)同與共享研究姓名：文元橋申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：博士專業(yè)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指導(dǎo)教師：余勝生20061110摘要隨著人類對(duì)自然規(guī)律認(rèn)識(shí)的日益深入和人類科研領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，現(xiàn)代科學(xué)研究呈現(xiàn)出大規(guī)模、多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，這也是現(xiàn)代科學(xué)計(jì)算的一個(gè)發(fā)展方向。和傳統(tǒng)的單一學(xué)科的大規(guī)?？茖W(xué)計(jì)算相比，大規(guī)模多學(xué)科交叉的科學(xué)計(jì)算更強(qiáng)調(diào)多個(gè)學(xué)科的協(xié)同與合作。這種協(xié)同合作不僅僅有不同科學(xué)計(jì)算程序之間的協(xié)作，也包括人和人之間的協(xié)同合作。在這種情況下，傳統(tǒng)的面向某一特定科學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)問(wèn)題求解環(huán)境已經(jīng)不能很好的滿足現(xiàn)代科學(xué)計(jì)

2、算的需求。因此，需要設(shè)計(jì)一種更強(qiáng)調(diào)協(xié)同和合作的科學(xué)問(wèn)題求解環(huán)境——協(xié)同科學(xué)計(jì)算環(huán)境（CSCE:CollaborativeScientificComputingEnvironment）。協(xié)同科學(xué)計(jì)算環(huán)境旨在為多學(xué)科的科學(xué)計(jì)算用戶提供一個(gè)協(xié)同工作的虛擬空間，它向用戶提供方便、智能的應(yīng)用界面和豐富的協(xié)同功能，使得不同學(xué)科的用戶能夠透明的享受高性能計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)各自領(lǐng)域科學(xué)問(wèn)題的計(jì)算機(jī)求解，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜問(wèn)題求解過(guò)程中的跨學(xué)科的協(xié)同合作。在協(xié)同科學(xué)計(jì)算環(huán)境中，不同學(xué)科的用戶不僅僅可以便捷、高效的獲取包括科學(xué)計(jì)算程序、應(yīng)用程序、科學(xué)數(shù)據(jù)、文檔

3、、高性能計(jì)算機(jī)等計(jì)算資源，而且可以利用系統(tǒng)提供的科學(xué)計(jì)算試驗(yàn)管理工具幫助他們實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜科學(xué)問(wèn)題的定義、管理、求解、分析，從而使得他們能有更多的時(shí)間和精力來(lái)關(guān)注自己的研究領(lǐng)域，而不是關(guān)注如何計(jì)算本身。以建立區(qū)域氣候模擬系統(tǒng)為研究原型，探討利用Peer-to-Peer技術(shù)和移動(dòng)Agent技術(shù)構(gòu)建協(xié)同地球科學(xué)計(jì)算環(huán)境（GeoCoEn:GeophysicalCollaborativeComputingEnvironment）的一些關(guān)鍵技術(shù)。其目的在于為開(kāi)展區(qū)域氣候模擬研究的不同學(xué)科的研究人員提供一個(gè)易用、透明、開(kāi)放的高性能協(xié)同科學(xué)計(jì)算環(huán)境

4、，滿足分布在不同地方的用戶開(kāi)展協(xié)同模擬、共享資源、共享計(jì)算的需求，探索構(gòu)建以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的協(xié)同科學(xué)計(jì)算環(huán)境的理論和技術(shù)要求。根據(jù)GeoCoEn體系結(jié)構(gòu)的需求分析，吸取近年來(lái)問(wèn)題求解環(huán)境（PSE:ProblemSolvingEnvironment）和協(xié)同問(wèn)題求解環(huán)境（CPSE:CollaborativeProblemSolvingEnvironment）體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用框架方面的優(yōu)秀思想，GeoCoEn基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)采用了基于P2P和多Agent集成的多層體系結(jié)構(gòu)，滿足了GeoCoEn對(duì)開(kāi)放性、靈活性、可擴(kuò)展性、可移植性以及透明性等方面的

5、需求。P2P和多Agent的集成既能夠充分發(fā)揮IP2P在對(duì)等計(jì)算、資源共享、資源發(fā)現(xiàn)以及協(xié)同工作方面的優(yōu)勢(shì)，也能發(fā)揮移動(dòng)Agent既能夠保證系統(tǒng)良好的伸縮性、健壯性，也能克服系統(tǒng)的異構(gòu)性，還能夠?qū)崿F(xiàn)高效的軟件重用以及提供靈活多樣的協(xié)同合作方式等優(yōu)點(diǎn)。在GeoCoEn中，每個(gè)用戶就是一個(gè)對(duì)等體——GeoPeer，而GeoPeer之間通過(guò)采用基于社區(qū)的混合P2P結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)協(xié)同合作。這種組織結(jié)構(gòu)既能準(zhǔn)確的反應(yīng)出每個(gè)Peer的個(gè)體特征，也能體現(xiàn)其團(tuán)體特征，同時(shí)也能夠保證Peer和Peer之間能夠準(zhǔn)確、迅速的相互感知和定位，提高了系統(tǒng)在資源定

6、位、文件搜索等方面的效率。GeoPeer提供的包括Peer管理服務(wù)、數(shù)據(jù)管理服務(wù)和通信服務(wù)等在內(nèi)的多種服務(wù)為實(shí)現(xiàn)分布式環(huán)境下的協(xié)同合作及大規(guī)模、廣泛的數(shù)據(jù)與資源共享提供了良好的支持。在分析和討論多模式耦合技術(shù)和科學(xué)需求的基礎(chǔ)上，根據(jù)GeoCoEn基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)的基本思想，利用多Agent技術(shù)實(shí)現(xiàn)了分布式環(huán)境下的多模式耦合，構(gòu)建了一個(gè)具有開(kāi)放架構(gòu)的分布式多模式耦合模擬系統(tǒng)(DMCSS:DistributedMulti-modelCouplingSimulationSystem)。根據(jù)GeoCoEn科學(xué)活動(dòng)低重復(fù)性和高動(dòng)態(tài)性的特點(diǎn)，建立

7、了一個(gè)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)科學(xué)工作流模型，并利用有向圖理論對(duì)模型進(jìn)行了描述。基于案例推理的重用為解決科學(xué)工作流低重復(fù)性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)科學(xué)工作流從單個(gè)計(jì)算步驟到整個(gè)流程定義的多層次重用提供了有效的解決手段。關(guān)鍵詞：協(xié)同科學(xué)計(jì)算環(huán)境，協(xié)同模型，P2P共享，多模式耦合，協(xié)同可視化，科學(xué)工作流IIAbstractWiththeincreasinglywideningofmankindknowsandtheever-extendingofhumanresearchdomains,themodernscienceresearchespresentlar

8、ge-scaleandinter-disciplinarycharacteristics,whichisthecharacteristicsofmodernscientificcomputingtoo.Comparedwiththetraditio