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水科学应用网格的若干关键技术研究

作　者: 张国义
导　师: 陈国良
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 计算机应用
关键词: 水科学应用网格 体系结构 网格应用框架 性能优化 应用实例研究
分类号: TP399-CA
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


水科学应用网格是一特定的应用网格，它为水科学计算和水利工程运用提供一个基于网格的问题综合求解与协同计算环境，并为网格应用的生成、配置、运行与性能优化提供一套行之有效的管理机制与操作手段。本文紧紧围绕水科学应用网格的体系结构、网格应用框架、网格应用的性能优化等方面的问题开展了系统与深入的研究，在理论及应用上取得了一些满意的成果，其主要研究内容与贡献如下：(1)水科学应用网格的体系结构研究：以开放网格服务架构(OGSA，Open Grid Service Architecture)为基础，提出了一个符合面向服务计算(SOC，Service-oriented Computing)规范的应用网格体系结构模型；以网格应用框架和网格应用的性能优化为中心，并以服务域和网格应用编程模型为手段，建立了一套关于资源抽象与服务提供、应用生成与配置管理的网格运行机制；以满足水科学计算与工程应用的需求为原则，研制了一个水科学应用网格的原型系统(简称为e-Water)。(2)网格应用框架研究：结合当前的网格与Web计算的研究进展并参照OGSA网格服务框架(Grid Service Framework)等技术规范，提出了网格应用框架的一个元模型(Metamodel)；在改进与扩展分布式异构计算的任务／通道(Task／Channel)模型的基础上，提出了一个基于“服务合约创建—端点属性定义—服务动态绑定”的三阶段式网格应用统一编程模型；在参考美国IBM公司的GAF4J(Grid Application Framework for Java)、英国NEReSC中心的WS-GAF(Web Services Grid Application Framework)等研究成果的基础上，为e-Water研制了一个面向服务计算的网格应用框架。(3)网格应用的性能优化方法研究：根据网格资源的动态变化特性，以实现网格及其应用的最佳性能为主要目标，提出了一个基于“感知、规划与控制”的网格性能操纵模型；根据基于PERT(Program Evaluation and Review Technique)的网络规划技术和最小成本加速策略(即所谓的Min-Max算法)，提出了一个应用架构与任务调度双向自适应调整的网格应用性能调适(Performance Tuning)方法；采用基于离散事件模拟的建模与仿真技术，在参考国外MicroGrid、SimGrid和GridSim等项研究成果的基础上，研制了一个网格应用的性能仿真器及其关键算法，可针对不同的资源配置和服务绑定策略进行网格及应用总体性能的仿真分析。(4)基于网格的大型流域洪水控制调度系统的研制：设计与实现了一个基于e-Water的大型流域洪水控制调度系统，其中包括河网水动力模型的并行直接求解、多设定洪水控制调方案的并行累进增量克隆仿真(PPISC，Parallel and Progressive Incremental Simulation Cloning)等关键算法；根据各模块的计算特点，分析了系统的资源需求，提出了系统的总体部署方案；结合网格应用的性能调适方法，建立了该系统的性能模型，并针对不同的资源配置和服务部署策略进行了系统总体性能的对比仿真；以1996、2003年夏季的淮河流域洪水控制调度案例为实验数据对系统进行了实际的运行测试。理论分析与测试结果均表明，采用本文所提出的e-Water网格关键技术，不但使经优化后的PPISC算法具有近似线性的加速比，而且使系统的计算精度与总体性能得到了较大幅度的提高。

全文目录


中文摘要  3-5
英文摘要  5-14
第一章 绪论  14-26
  1.1 本文的研究背景  14
  1.2 网格计算技术的研究现状及其进展  14-17
  1.3 应用网格及其需要解决的关键技术问题  17-20
  1.4 本文的主要研究工作  20-23
  1.5 论文的组织  23
    1.5.1 内容安排  23
    1.5.2 章节之间的联系  23
  1.6 本章小结  23-25
  本章参考文献  25-26
第二章 水科学应用网格的体系结构  26-57
  2.1 概述  26-29
  2.2 应用背景与需求分析  29-34
  2.3 e-Water的体系结构  34-41
    2.3.1 总体结构  34-39
    2.3.2 系统支撑平台与应用开发环境  39-41
  2.4 e-Water核心服务的管理  41-46
    2.4.1 e-Water的核心服务简介  41-44
    2.4.2 e-Water核心服务的管理  44-46
  2.5 e-Water的资源管理与分配策略  46-54
    2.5.1 资源的组织与管理  48-49
    2.5.2 资源的管理与分配策略  49-51
    2.5.3 基于服务域的实现  51-54
  2.6 本章小结  54-55
  本章参考文献  55-57
第三章 网格应用框架研究  57-97
  3.1 引言  57-58
  3.2 相关的技术  58-77
    3.2.1 网格服务的模型  58-63
    3.2.2 面向服务的架构  63-67
    3.2.3 OGSA网格服务框架  67-69
    3.2.4 网格应用的架构模式  69-73
    3.2.5 Web服务的组合  73-77
  3.3 e-Water的网格应用框架研究  77-87
    3.3.1 网格应用框架的一般需求  77-79
    3.3.2 网格应用框架的元模型  79-80
    3.3.3 e-Water网格应用框架的总体结构  80-83
    3.3.4 关于网格应用编程模型的讨论  83-87
  3.4 网格应用框架实例研究  87-89
    3.4.1 研究实例简介  87
    3.4.2 领域应用框架的设计  87-88
    3.4.3 网格应用框架的使用  88-89
  3.5 相关的工作与比较  89-93
    3.5.1 IBM公司的GAF4J  89-91
    3.5.2 NEReSC 的 WS-GAF  91-92
    3.5.3 与本文工作的比较  92-93
  3.6 本章小结  93-94
  本章参考文献  94-97
第四章 网格应用的性能优化方法研究  97-131
  4.1 引言  97-98
  4.2 e-Water的性能工程  98-114
    4.2.1 性能工程概述  98-102
    4.2.2 网格资源与服务的性能感知  102-104
    4.2.3 网格应用的性能规划与评估  104-111
    4.2.4 网格应用的性能监测与控制  111-114
  4.3 网格应用的性能模型与优化方法  114-122
    4.3.1 概述  114-117
    4.3.2 网格应用的性能模型  117-120
    4.3.3 网格应用的性能优化方法  120-122
  4.4 网格应用的性能仿真  122-127
    4.4.1 概述  122-124
    4.4.2 性能建模与仿真方法  124-126
    4.4.3 仿真器的原型实现  126-127
  4.5 网格应用性能优化的实例研究  127-129
    4.5.1 研究实例简介  127-128
    4.5.2 结果及分析  128-129
  4.6 本章小结  129-130
  本章参考文献  130-131
第五章 基于网格的大型流域洪水控制调度系统  131-159
  5.1 引言  131-132
  5.2 流域洪水控制调度的原理与方法  132-142
    5.2.1 洪水控制调度的基本原理  132-133
    5.2.2 洪水控制调度的方法  133-134
    5.2.3 洪水控制调度的数学模型与求解方法  134-135
    5.2.4 河网非恒定流的并行与分布式仿真方法  135-142
  5.3 流域洪水控制与调度系统的结构  142-145
    5.3.1 系统的逻辑结构  142-144
    5.3.2 系统的总体设计  144-145
  5.4 在e-Water网格环境下的实现  145-148
    5.4.1 系统的资源需求分析  145-147
    5.4.2 系统的资源配置与部署  147-148
  5.5 系统的性能配置与优化  148-151
    5.5.1 理论性能分析  148-149
    5.5.2 性能的动态自适应调适  149-151
  5.6 系统的测试与结果分析  151-157
    5.6.1 试验数据  151-153
    5.6.2 结果与分析  153-157
  5.7 本章小结  157-158
  本章参考文献  158-159
第六章 论文总结  159-164
  6.1 本文的工作  159-160
  6.2 本文的贡献与创新之处  160-162
  6.3 进一步的工作  162-164
致谢  164-165
在读期间参加的科研项目  165-166
在读期间发表和录用的学术论文  166

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 在其他方面的应用
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