分布式有限元计算中的数据传输与管理_图文

1、1引言分布式有限元计算中的数据传输与管理宰 李书卉,李云鹏,顾元宪大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室工程力学系,大连116023随着现代科学技术的发展,人们正在不断建造更为快速的交通工具、更大规模的建筑物、更 大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为精密的机械设备,其中工程结构分析是关键技术环节 之一。在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析方法,为解决这些复杂的工程 分析计算问题提供了有效工具。国际上从20世纪60年代开始投入大量人力和物力开发有限元分析 软件,目前功能强大的商品化软件主要有NASTRAN、ANSYS、ABAQUS、COSMOS、ADINA 等,国内大连理工

2、大学研制开发的有限元分析与优化软件JIFEX等也具有大规模工程计算能力。 分布式计算成为当今计算机技术发展的一个重要分支。将计算机网络技术与传统有限元计算技术 相结合,是传统有限元计算技术发展的一条新思路。本文介绍了在JIFEx软件中实现网络计算所 遇到的海量数据集中存储、分布的数据传输实时性等问题及其解决方案。2分布式有限元计算的数据存储与传输问题分布式计算.是借助计算机网络将分布在不同地点的计算实体组织起来进行信息处理的一种 方式.分布式计算的理想目标就是要实现分散对等的协同计算,这也是网络技术发展的一个目 标。在网络计算环境中,如何准确简便地用程序设计语言等方式描述应用问题和资源需求,如

3、何 使软件系统能够适应异构动态变化的环境.保证网络计算系统的可靠性,使用户能够便捷有效地 开发和使用系统聚合的效能,是实现网络计算的关键问题。有限元计算软件按功能分为前处理模块、求解模块、后处理模块等,JIFEX使用统一的集中 式数据库存储所有模型数据及求解结果.模型数据由前处理器写入数据库中。求解结果由求解模 块写入数据库。数据一旦通过处理器写入数据库中,如需要.即可为该软件的其他处理器所用。 JIFEX软件可以运行在不同的操作系统上,本文面临的是将这些异构平台上的软件统一起来 的数据一致性问题。本文的系统延承集中式数据库的形式,采用客户胡./服务器模型,每一个运行 JIFEX软件的系统都是

4、客户机,服务器作为全局的数据存储器。将所有最新的数据都保存在服务 器上,这样就解决了网络计算海量数据的存储和一致性的问题.有限元计算中的数据都是海量数 据。如何表示和存取这些复杂数据是个关键问题。系统采用C+编制了一套工程数据库.采用特 定的数据格式。解决了表示复杂数据这个关键问题。这样也确保了计算的效率和数据的保密。 TCP/IP是广为应用的互联网络协议。现在的网络几乎全部支持TCP/IP协议.因而无论从可移 植性、可使用性还是发展前景来看,采用TCP/IP协议开发网络通信软件都是一个最佳选择。 TCP/IP协议的核心足传输层协议(TCP、UDP、网络层协议(IP和物理接u层,这三层通常在操

5、作+国家重点桀础铆f究专项经费(G1999032805和国家自然科学基金(10032030资助项目系统的内核巾实现。TcP/IP 9i9络环境下的应用程序是通过网络系统编程界血Socket实现的。而 Socket又利用下层的网络通信协议实现通信工作。Socket是TCP/IP协议传输层所提供的接口,供用户编程访问网络核心资源。本文的系统采用 了基于TCP/lP Socket的自定义应用层协议来实现。本地程序通过Socket将信息传入网络,远地程 序也可通过Socket将信息传入网络.他们都通过Socket得到信息,在定义本地和远程程序交换信息 的规则时,事实上就是定义了自己的协议。每个客户端有

6、所变动时,都要将数据的变化实时反映 给服务器端,保证服务器上的数据是最新的,再及时由服务器广播给其他用户。保证数据一致。3系统结构客户杌/服务器(Clie州Server技术是一种分布式计算模式.它的优势在于以普及的网络技术为 基础,将用户要完成的计算任务最恰当地分配到网络上的各个计算机上.把应用分解,将较为复 杂的计算和重要的资源管理交给网络上的服务器。而把一些频繁与用户打交道的计算任务交由前 端的较简单的客户机来完成。通过这种计算模式使客户能最佳地利用整个网络上的计算机系统, 从而实现分布式计算、分析、处理和显示功能,实现了真正的资源共享。客户就是体系结构的核心部分。是一个面向最终用户的接口

7、设备或应用程序。它是一项服务 的消费者,可向其他设备和应用程序提出请求,然后再向用户显示所得的信息;服务器是一项服 务的提供者,它包含并管理数据库和通信设备,为客户请求过程提供服务。从技术上来看。客户柳./服务器结构本身是一种建立在一定硬件环境基础上的软件结构。它是 指将一个应用适当地分解为多个任务,有多台机器分别执行,共同来实现整个应用。一般将执行 客户和服务器任务的机器分别称为客户平台和服务器平台。在上述多个任务之间存在着多种交互 关系,但是,它们最基本体现为“请求/响应”关系,即客户向服务器提出对某种信息或数据的请 求.服务器针对请求完成处理,将结果作为响应返回给客户.客户与服务器过程的

8、惟一区别在于 客户是会话的发出者,至于发出请求、提供信息及终止会话方面,两者关系基本对等,如图l所 不。图l系统结构图本文系统中所有的数据都保存在服务器上.客户端每一个工作站点都复制一份应用程序,并 且在本地保留本次计算所必需的数据。当用户取得对数据的操作权限,并且对数据操作的同时,自然地将操作的过程传给服务器,再由服务器将此消息广播到其他用户节点。如图2(a所示,并 不对其他用户节点的数据进行改动。当其他用户节点需要用到该数据时,再主动向服务器请求. 此时服务器才把数据信息传给用户节点,如图2(b所示.图2(acIicnt向scrV盯发_i羞数据,再由姗r广播此消恳(bclient3向Ser

9、vcr请求数据服务器端系统的功能如下:身份验证功能:接收并解释处理客户端传来的请求:向客户端发 布消息:对客户端进行访问权控制;维护数据。客户端系统的功能如下:请求服务器验证,参与计算工作;向服务器发出请求:包括请求获 取数据与请求处理数据(增、删、插、改:实现功能模块(前处理、分析计算和后处理,可以具有 这三部分功能中任何一项或若干项;接收并解释、处理服务器发布的消息。4若干关键技术问题解决方法4.I传输协议的设计由于客户端程序与服务器端程序分别运行在不同的环境中。采用不同的编程语言进行实现, 为了使客户端程序与服务器端程序能够彼此通信。能够协调运行,必须制定一个协议。通过该协 议来规范客户

10、和服务器数据交换的过程和数据交换的类型,该协议提供了客户与服务器互相访问 的功能接口。因此。我们制定了自己的信包格式和协议类型,格式如图3所示.图3传输协议的信包格式其中,包头规定了整个数据包的功能,区分该包是一个数据信息包还是一个控制包。如果该 包是数据信息包,则其后跟的是数据消息:如果是控制包。则其后跟的是对数据消息的各种操作 类型。指明了数据内容更新到数据库中的方式.双方通信首先都要传递一个控制包.等对方将消 息头解释完之后,回复确认信息表示数据库可用时,再传递数据信息包。有限元计算巾涉及到的 数据分为定长数据和变长数据,定长数据传输的实现较容易。问题在于变长数据的传输。本文将变长数据的

11、数据长度信息包装在数据信息包的消息头中,使接收数据的一方能确认是何种数据, 开辟适当的存储空间。4.2异构系统间传输数据字节顺序是指占内存多于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序,通常有低字节优先、高 字节优先两种字节顺序。这样的差异是由CPU决定的.通常认为,在网络中传输的字节的顺序即 网络字节序为标准顺序,考虑到与协议的一致以及与同类其他平台产品的互通,在程序中发送数 据包时,将主机字节序转换为网络字节序.接收数据包处将网络字节序转换为主机字节序。4.3并发事件的处理对于服务器端来说需要处理多个客户的并发通信请求,我们采用了多线程方式.为在不同时 刻访问共享的资源.任何共享这些资源的线程都

12、必须通过线程通信的手段进行调度。访问共享资 源的线程必须同步,以防止共享资源的访问冲突和错误访问。本文系统采用的互斥原则是:读共享、读写与写写互斥的原则。这样保证系统数据的一致 性。5结束语分布式计算模式是今后有限元计算的发展趋势之一,本文工作集中了中小型的硬件资源。集 合成一个分布式系统。实现了跨平台的分布式有限元计算。系统中存在着分布的数据以及集中的 数据,实现了分布与集中的统一,有效地实现了有限元计算中定长数据和变长数据在异构系统间 的传输问题,合理地处理了并发事件。参考文献:【l 1Mikc Connell,Odd TuIIberg。A仔硼cwork for immerSiVe FEM

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