分布式高性能空間天氣建模框架的研究

摘要：以日地系統(tǒng)活動(dòng)規(guī)律研究、空間天氣模擬及預(yù)報(bào)為背景，提出了一個(gè)新的基于大規(guī)模科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域組件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范CCA（common component architecture）的大規(guī)模科學(xué)計(jì)算模型協(xié)同工作虛擬平臺(tái)，即分布式高性能空間天氣建模框架DHPA（distributed high performance architecture for space weather modeling）。該框架采用面向服務(wù)的設(shè)計(jì)思想，解決了現(xiàn)有空間天氣框架SWMF（space weather modeling framework）在模型的建模、集成、應(yīng)用、管理、互操作等方面暴露的問(wèn)題。DHPA為空間天氣科學(xué)計(jì)算和模擬提供了一個(gè)新的框架解決方案，也可以作為其他學(xué)科大規(guī)模科學(xué)計(jì)算建模框架的設(shè)計(jì)參考模型。

關(guān)鍵詞：空間天氣； 高性能計(jì)算； 建模框架； 空間物理模型； 網(wǎng)格計(jì)算

中圖分類號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001－3695(2008)06－1731－05

0引言

在太陽(yáng)大氣、行星際、地球磁層、電離層和中高層大氣所組成的日地空間環(huán)境中，常常出現(xiàn)給地面和空間技術(shù)系統(tǒng)的運(yùn)行和可靠性以及人類健康和生命帶來(lái)嚴(yán)重危害的變化或狀態(tài)，這種由太陽(yáng)活動(dòng)引起的短時(shí)間尺度的變化，稱為空間天氣[1]。

圖1為發(fā)布在美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局（NASA）網(wǎng)站的太陽(yáng)活動(dòng)爆發(fā)圖和太陽(yáng)輻射觀測(cè)圖。

這些太陽(yáng)劇烈活動(dòng)會(huì)造成惡劣的空間天氣災(zāi)害，對(duì)地球及人類生存環(huán)境造成重大影響。例如，太陽(yáng)風(fēng)暴產(chǎn)生的X射線破壞高頻通信系統(tǒng)，對(duì)航空和衛(wèi)星通信系統(tǒng)造成重大損失；日冕物質(zhì)拋射（CME）可將數(shù)十億噸的帶電粒子以每秒幾百公里的速度拋入太空，若宇航員暴露在這種空間環(huán)境下就相當(dāng)于醫(yī)院X光透視時(shí)輻射劑量的5萬(wàn)倍，會(huì)患上嚴(yán)重的放射性疾病；另外，衛(wèi)星會(huì)在不斷受到空間災(zāi)害天氣的破壞而失效，導(dǎo)致通信線路大范圍中斷，甚至直接影響到了正常的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)[2]，從2000年7月至2001年12月，太陽(yáng)引起的地磁暴使電力供應(yīng)損失多達(dá)50億美元；為了避免輻射暴露和通信障礙，每次飛機(jī)航線的調(diào)整使航空公司多花費(fèi)10萬(wàn)美元。因此，空間天氣直接影響到國(guó)防、航天、國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。空間天氣學(xué)研究是地球系統(tǒng)科學(xué)和和人類可持續(xù)發(fā)展研究的重要組成部分，它與固體地球、海洋和大氣密切相關(guān)，共同構(gòu)成日地系統(tǒng)的完整科學(xué)體系。然而，由于整個(gè)日地系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜而龐大的自然系統(tǒng)，它包含著許多相互交錯(cuò)的復(fù)雜因素。太陽(yáng)風(fēng)以每秒數(shù)百公里的速度將大量物質(zhì)及能量帶入磁氣圈，電離圈和上層大氣圈強(qiáng)烈地影響著每一個(gè)物理域的物理過(guò)程。對(duì)這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的研究與預(yù)報(bào)給科學(xué)家們提出了了巨大挑戰(zhàn)。超級(jí)計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的發(fā)展為日地系統(tǒng)活動(dòng)規(guī)律的研究開(kāi)辟了一條新的道路。近年來(lái)，空間物理和計(jì)算機(jī)科學(xué)家開(kāi)始為日地系統(tǒng)中的物理域進(jìn)行建模，在超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行空間天氣的高性能模擬。復(fù)雜的空間物理過(guò)程模擬需要耦合由不同科學(xué)研究和組織開(kāi)發(fā)的擁有不同數(shù)字化表示的空間物理模型[3]。目前，絕對(duì)多數(shù)空間物理模型計(jì)算機(jī)程序代碼高度集成于一體，使得內(nèi)部代碼有強(qiáng)烈的依賴性，導(dǎo)致軟件越來(lái)越復(fù)雜，模型無(wú)法復(fù)用和維護(hù)。例如美國(guó)密西根大學(xué)開(kāi)發(fā)的空間等離子區(qū)模擬程序BATSRUS（block adaptive－tree solar－wind roe－type upwind scheme），從最初的高效的磁氣流體力學(xué)MHD（magneto－h(huán)ydro－dynamics）代碼，到最終與一個(gè)電離層模型、多種上層大氣模型和一個(gè)內(nèi)部磁力圈模型完全緊緊地耦合在一起。雖然它能夠成功地實(shí)現(xiàn)對(duì)空間天氣中的全球MHD進(jìn)行模擬，但是科學(xué)家們已經(jīng)無(wú)法對(duì)其中的模型進(jìn)行維護(hù)和擴(kuò)展，這樣的模型已經(jīng)喪失了生命力。

為了解決以上問(wèn)題，1996年，在NASA的地球科學(xué)技術(shù)部ESTO （earth science technology office）的計(jì)算技術(shù)CT（computing technology）項(xiàng)目的推動(dòng)下，美國(guó)密西根大學(xué)的空間環(huán)境模擬中心CSEM（center for space environment modeling）開(kāi)始進(jìn)行空間天氣建模框架SWMF（space weather modeling framework）[4]的開(kāi)發(fā)。它引入了軟件工程中的組件和軟件框架思想，將跨越太陽(yáng)表面到地球上層大氣這一領(lǐng)域的一系列物理域模型轉(zhuǎn)換為各種模型組件，使之以靈活、高效的方式在框架中運(yùn)行及耦合，從而方便地實(shí)現(xiàn)從太陽(yáng)表面到地球上層大氣圈各區(qū)域空間物理過(guò)程建模，以及在超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬。然而，該平臺(tái)也存在明顯的缺陷，如模型的互操作、遺留代碼的重用、代碼安全、代碼維護(hù)、支持分布式計(jì)算等問(wèn)題。為了克服這些缺陷，本文提出了一個(gè)新的基于CCA（common component architecture)[5]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和CBSE[6]（component－based software engineering）技術(shù)的，為空間天氣模擬仿真的物理建模、模型集成、管理、應(yīng)用構(gòu)建、應(yīng)用可視化為一體的，方便科學(xué)家使用和系統(tǒng)管理的分布式協(xié)同工作虛擬平臺(tái)，即分布式高性能計(jì)算空間天氣建模框架DHPA。它的開(kāi)放性、協(xié)作性、互操作性、分布式并行性等特點(diǎn)使得該平臺(tái)有明顯的優(yōu)越性。該框架采用基于組件的面向服務(wù)的設(shè)計(jì)思想，解決了SWMF存在的缺陷，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模空間天氣科學(xué)計(jì)算和模擬的需求。

1空間天氣建模框架SWMF

當(dāng)前版本的SWMF包含了九個(gè)模型分別描述九個(gè)空間物理域[4]：a）日冕模型SC（solar corona）。利用太陽(yáng)觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)描述從約1Rs(太陽(yáng)半徑)到約24Rs的空間物理域。b）爆發(fā)時(shí)間生成器模型EE（eruptive event generator）。為模擬初始框架輸入日冕物質(zhì)拋射。c）內(nèi)部日光圈模型IH (inner hemisphere)。模擬從日冕外部邊界到地球磁氣圈及其以上的太陽(yáng)風(fēng)。d）日光能量粒子模型SP（solar energetic particles）。描述從太陽(yáng)事件到地球大氣圈的太陽(yáng)能量粒子的傳輸、加速度和散射。e）全球磁氣圈模型GM（global magnetosphere）。描述內(nèi)部日光圈與地球磁氣圈外部之間的聯(lián)系。f）內(nèi)部磁氣圈模型IM（inner magnetosphere）。用來(lái)計(jì)算地球內(nèi)部磁氣圈中的粒子、電場(chǎng)和電流的動(dòng)態(tài)行為，并計(jì)算它們對(duì)內(nèi)部磁氣圈和上層大氣圈造成的影響。g）輻射帶模型RB（radiation belt）。用來(lái)追蹤被捕獲的粒子。h）電離層電氣力學(xué)模型IE (ionosphere electrodynamics)。用來(lái)計(jì)算地球電離層中的電壓和極光電子沉降。i）上層大氣模型UA（upper atmosphere）。用來(lái)模擬地球熱層和電離層的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

SWMF采用類似“三明治”的分層框架，包括上層構(gòu)造層（superstructure layer）、物理模型層（physics module layer）和基礎(chǔ)設(shè)施層（infrastructure layer）。上層構(gòu)造層包括組件接口和框架服務(wù)。組件接口包括物理模型與框架高層控制模塊（CON）的接口——包裝器(wrappers)、組件與組件交互的接口——耦合器(couplers)。框架服務(wù)主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)組件注冊(cè)、構(gòu)建和并行計(jì)算環(huán)境、控制組件的耦合和執(zhí)行過(guò)程，并實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算的耦合工具包。物理模塊層主要包括空間物理過(guò)程模擬模型。基礎(chǔ)設(shè)施層包括一些底層的并行計(jì)算程序庫(kù)、可視化中間件等。例如不同坐標(biāo)系類型轉(zhuǎn)換工具、時(shí)間轉(zhuǎn)換工具和事務(wù)管理工具。

SWMF已經(jīng)被成功地模擬了2003年發(fā)生的一次重大太陽(yáng)活動(dòng)事件——“萬(wàn)圣節(jié)前夕2003空間風(fēng)暴”[1]（halloween 2003 space storms）。SWMF成為科學(xué)家們進(jìn)行空間天氣預(yù)報(bào)以及科學(xué)分析的有力工具。然而，該平臺(tái)也存在一些明顯的缺陷：

a）代碼維護(hù)困難。SWMF是緊耦合的類似“三明治”的分層框架，模型程序代碼作為子程序運(yùn)行，整個(gè)應(yīng)用只有一個(gè)可執(zhí)行體，必須整體編譯，因此某個(gè)模型的改動(dòng)，要花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行整體編譯，同時(shí)也影響了其他用戶的使用。

b）代碼安全和授權(quán)。SWMF的模型源代碼必須導(dǎo)入到NASA超級(jí)計(jì)算機(jī)Columbia上才能運(yùn)行。然而，一些模型代碼擁有者可能不愿公開(kāi)發(fā)布自己的源代碼。

c）開(kāi)放性差，不支持協(xié)同開(kāi)發(fā)。空間物理過(guò)程包括大量多種時(shí)空范圍的物理模型，涉及到物理、化學(xué)、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域的協(xié)同工作，需要綜合來(lái)自不同學(xué)科的模型，完成復(fù)雜的空間事件決策，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的空間天氣預(yù)報(bào)。

d）開(kāi)發(fā)語(yǔ)言無(wú)法實(shí)現(xiàn)互操作。不同組織開(kāi)發(fā)的模型采用不同語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，如Fortran77/90/95、Python、C、C++、Java等，因此，語(yǔ)言互操作是組件間進(jìn)行交互的必要條件。然而，SWMF要求物理模型必須由Fortran77或Fortran 90來(lái)實(shí)現(xiàn)，且運(yùn)行在擁有Fortran 90編譯器的UNIX/Linux操作系統(tǒng)，這種苛刻的要求限制了某些遺留代碼的重用與組件之間的交互。

e）不支持基于互聯(lián)網(wǎng)的分布式計(jì)算。物理地將源代碼和它的運(yùn)行支撐環(huán)境導(dǎo)入到一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)上需要耗費(fèi)大量的精力和時(shí)間，并且單臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)不一定能夠買足計(jì)算需求，科學(xué)家們更希望使用有更高計(jì)算能力的計(jì)算網(wǎng)格。

2分布式高性能空間天氣建模框架DHPA

DHPA采用了基于組件的軟件開(kāi)發(fā)工程CBSE方法，能夠有效地解決軟件的復(fù)雜性問(wèn)題。CBSE方法已被廣泛應(yīng)用，例如CORBAL、COM/DCOM、Java Bean等已經(jīng)成為業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)，解決了企業(yè)級(jí)應(yīng)用的復(fù)雜性問(wèn)題。CBSE有利于軟件封裝，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)已有組件的復(fù)用，以及程序的模塊化建模，從而簡(jiǎn)化了對(duì)大規(guī)模應(yīng)用的構(gòu)建和維護(hù)，提高了復(fù)雜科學(xué)計(jì)算模型的開(kāi)發(fā)效率。框架提供了高層抽象接口，使用戶無(wú)須關(guān)心復(fù)雜的底層實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。然而，這些傳統(tǒng)的通用組件不能夠滿足諸如空間天氣模擬之類的大規(guī)模高性能科學(xué)計(jì)算的需求，例如不支持并行計(jì)算；無(wú)法與科學(xué)編程語(yǔ)言（Fortran）互用；不支持諸如復(fù)數(shù)、Fortran類型的動(dòng)態(tài)多維數(shù)組等基本科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)類型。

1998年，由美國(guó)能源部DOE（department of energy）的六個(gè)實(shí)驗(yàn)室和兩個(gè)大學(xué)聯(lián)合發(fā)起CCA項(xiàng)目，提出了適用于大規(guī)模高性能科學(xué)計(jì)算的組件規(guī)范CCA，將CBSE方法引入到大規(guī)模科學(xué)計(jì)算軟件工程領(lǐng)域。CCA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范定義了兩種實(shí)體類型：組件和框架。組件是被封裝的功能計(jì)算單元；框架是一個(gè)用來(lái)動(dòng)態(tài)實(shí)例化組件、耦合組件、管理組件的一個(gè)軟件集成和運(yùn)行環(huán)境。CCA引入了端口（ports）——組件間相互調(diào)用的抽象接口。它包括兩種類型的端口：服務(wù)提供端口和服務(wù)使用端口。組件通過(guò)服務(wù)使用端口使用外部服務(wù)，與其他組件的服務(wù)提供端口連接，同時(shí)通過(guò)服務(wù)提供端口對(duì)外提供服務(wù)，與其他組件的服務(wù)使用端口連接。這種提供服務(wù)和使用服務(wù)的模式，建立了科學(xué)計(jì)算組件之間的對(duì)等關(guān)系。CCA規(guī)范明確地定義了構(gòu)建組件的基本規(guī)則、組件必須滿足最小限度行為的規(guī)則，以及組件與框架之間的接口規(guī)則。組件通過(guò)這種定義好的組件端口（插腳），可靈活地將組件插入框架（插座）。CCA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范使用了科學(xué)接口定義語(yǔ)言SIDL（scientific interface definition language）[5]來(lái)描述接口。它類似CORBA IDL[7]，保持了編程語(yǔ)言的中立性，但是它對(duì)IDL進(jìn)行了必要的擴(kuò)展，主要擴(kuò)展了并行機(jī)制、反射機(jī)制、面向?qū)ο笳Z(yǔ)義定義，以及科學(xué)數(shù)據(jù)類型，如多維數(shù)組，復(fù)數(shù)等。Babel工具[8]可將SIDL與Fortran 77/90/95、Python、C++、Java無(wú)縫地鏈接為一體，實(shí)現(xiàn)各種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言之間的互操作。CCA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范沒(méi)有明確限定框架的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)、通信協(xié)議的選擇以及組件發(fā)現(xiàn)機(jī)制等功能，使得它可以適用于不同的運(yùn)行環(huán)境，如單個(gè)大型超級(jí)計(jì)算機(jī)、工作站集群、計(jì)算網(wǎng)格等。至今，科學(xué)家們已經(jīng)研發(fā)了多個(gè)基于CCA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的科學(xué)計(jì)算框架，例如CCAFFEINE[9]、UIntah[10]、XCAT[11]、SCIRUN[12]等。本文提出的DHPA是一個(gè)采用CCA規(guī)范，構(gòu)建在分布式環(huán)境下的用于進(jìn)行空間天氣模擬和仿真的物理建模、模型集成、管理、應(yīng)用構(gòu)建、應(yīng)用可視化的協(xié)同工作虛擬平臺(tái)。

3DHPA參考模型

DHPA參考模型包括兩個(gè)基本元素：組件和基礎(chǔ)框架。有三種類型的組件：空間物理模型組件、框架服務(wù)組件和空間科學(xué)應(yīng)用構(gòu)建引擎組件。基礎(chǔ)框架包括構(gòu)架引導(dǎo)驅(qū)動(dòng)和通信機(jī)制，如圖2所示。

3．1組件 

3．1．1組件的構(gòu)建

DHPA參考模型是基于CCA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的，它將組件的功能包裝成服務(wù)發(fā)布出去，實(shí)現(xiàn)對(duì)等的面向服務(wù)的組件之間的調(diào)用模式。組件交互關(guān)系如圖3所示。

在這種模型構(gòu)建環(huán)境下，研究人員無(wú)須公開(kāi)模型實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)即可提供對(duì)外服務(wù)，從而保證了模型源代碼的安全，方便模型的維護(hù)和系統(tǒng)升級(jí)。由于DHPA框架是基于網(wǎng)絡(luò)分布式環(huán)境的，它將傳統(tǒng)軟件基礎(chǔ)構(gòu)架中所包含的對(duì)上層構(gòu)架提供的服務(wù)提升到應(yīng)用層，封裝成為框架服務(wù)組件，實(shí)現(xiàn)了輕量級(jí)的基礎(chǔ)框架。

DHPA為研究人員提供了一個(gè)便利的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使他們只需做很少量的工作就可以生成新組件或改進(jìn)遺留模塊代碼。DHPCA組件構(gòu)建流程如圖4所示。研究人員通過(guò)SIDL定義組件和組件接口，利用Babel工具對(duì)其進(jìn)行編譯，映射成為目標(biāo)代碼。目標(biāo)代碼與原始模塊代碼經(jīng)本地編譯器編譯鏈接后，生成可執(zhí)行組件。

例如在DHPA下，可以方便地實(shí)現(xiàn)內(nèi)部磁氣圈模型與全球磁氣圈模型的耦合。在耦合過(guò)程中，內(nèi)部磁氣圈模型需要獲取全球磁氣圈模型中的場(chǎng)線密度。組件包裝過(guò)程如下：

a）定義組件接口。內(nèi)部磁氣圈模型定義服務(wù)使用端口UseFldensityPort，全球磁氣圈模型定義服務(wù)提供端口ProvideFldensityPort向外提供統(tǒng)計(jì)場(chǎng)線密度服務(wù)Fldensity()。IM、GM的接口標(biāo)準(zhǔn)定義文件如下：

package IM version 1．0 {

interface UseFldensityPort 

extends gov．cca．Port 

{

double getFldensity(．．．);

…} }

package GM version 1．0 {

interface ProvideFldensityPort

extends gov．cca．Port 

{

double Fldensity(．．．);

…} }

b）定義組件。組件需要實(shí)現(xiàn)所定義的接口及CCA定義的gov．cca．Componment中的 setServices()。IM、GM的組件標(biāo)準(zhǔn)定義文件如下：

package IM version 1．0 {

class IM implements IM．UseFldensityPort， 

gov．cca．Component

{

double getFldensity (…);

void setServices(…) throws gov．cca． CCAException;

… } }

package GM version 1．0 {

class GM implements GM．ProvideFldensity Port， gov．cca．Component

{

double Fldensity (…);

void setServices(…) throws gov．cca． CCAException;

… } }

3．1．2組件分類

DHPA主要包括空間物理模型組件、空間科學(xué)應(yīng)用構(gòu)建引擎組件和框架服務(wù)組件。

空間物理模型組件是由不同科學(xué)家們開(kāi)發(fā)的、不同的空間物理模型，如日冕模型、內(nèi)部日光圈模型等，經(jīng)封裝而成的、遵循CCA規(guī)范的組件。

空間科學(xué)應(yīng)用構(gòu)建引擎組件實(shí)現(xiàn)了CCA規(guī)范中的builderService端口。它是框架內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的功能組件，主要提供組件管理服務(wù)和連接管理服務(wù)。

框架服務(wù)組件為科學(xué)家們的協(xié)同研究工作提供全面的支持。主要包括以下幾類組件：

a）代碼開(kāi)發(fā)工具組件。它為應(yīng)用代碼的開(kāi)發(fā)提供服務(wù)，包括數(shù)值化組件和并行代碼開(kāi)發(fā)組件。數(shù)值化組件實(shí)現(xiàn)了求解大規(guī)模科學(xué)問(wèn)題中出現(xiàn)的偏微分方程組（PDEs）、常微分方程組（ODEs）和優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)值化方法。主要功能包括串行/并行ODE積分器（CVODE/PVODE）、非線性方程求解器（KINSOL）、微分代數(shù)方程求解器（IDA）、參數(shù)敏感性分析（CVODES）、優(yōu)化等。比較有代表性的是美國(guó)能源部ODE2000支持開(kāi)發(fā)的PETSc(portable，extensible toolkit for scientific computation)[13]，它主要用于在分布式存儲(chǔ)環(huán)境高效求解偏微分方程組及相關(guān)問(wèn)題；美國(guó)Argonne實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的高級(jí)最優(yōu)化工具TAO(toolkit for advanced optimization)[14]，其主要目的是在高性能機(jī)器上求解大規(guī)模最優(yōu)化問(wèn)題。并行代碼開(kāi)發(fā)組件主要為分布式組件的并行數(shù)據(jù)重分配提供支持。比較有代表性的是美國(guó)能源部ODE2000支持的PAWS(parallel application workspace)[15]。

b）可視化組件。此類組件主要為應(yīng)用的構(gòu)建、運(yùn)行、控制提供遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)可視化顯示服務(wù)。美國(guó)RSI公司的旗幟產(chǎn)品IDL（interactive data language）是開(kāi)發(fā)這類組件常用的工具。

c）工作流組件。為開(kāi)發(fā)人員提供了一個(gè)所見(jiàn)即所得的人性化的友好界面，開(kāi)發(fā)人員只需通過(guò)鼠標(biāo)拖拉方式就可輕松實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)例化組件，構(gòu)建應(yīng)用。

d）性能分析與優(yōu)化組件。此類組件主要提供數(shù)字化軟件的分析與優(yōu)化服務(wù)、支持自動(dòng)代理性能監(jiān)視與分析策略、自動(dòng)引導(dǎo)優(yōu)化策略以及QoS。通過(guò)客戶—協(xié)商—代理模式，組件將所需要的特殊服務(wù)請(qǐng)求及所需的QoS約束的元數(shù)據(jù)傳遞給代理進(jìn)行動(dòng)態(tài)協(xié)商，最終實(shí)例化一個(gè)滿足應(yīng)用級(jí)質(zhì)量的組件。

e）事務(wù)服務(wù)組件。主要提供網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)格資源的可靠性檢查策略、檢查點(diǎn)回滾等容錯(cuò)策略及日志策略。

f）語(yǔ)言互操作組件。它采用語(yǔ)言獨(dú)立的軟件庫(kù)實(shí)現(xiàn)組件間語(yǔ)言互操作，如Babel工具。

g）組件知識(shí)庫(kù)組件。它是一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的組件知識(shí)庫(kù)，構(gòu)成了一個(gè)組件市場(chǎng)。它是實(shí)現(xiàn)組件共享的重要部分，主要存儲(chǔ)組件及組件的標(biāo)準(zhǔn)接口定義信息，使得組件的服務(wù)能被其他組件發(fā)現(xiàn)并使用，或被用戶直接查詢到。同時(shí)，它隱藏了各個(gè)組織所開(kāi)發(fā)模型的原代碼，使得組件間可透明交互。它主要包括向組件提供增加、查詢及版本管理等服務(wù)；同時(shí)向用戶提供用戶操作界面。其核心實(shí)現(xiàn)主要包括模糊搜索算法、與語(yǔ)言互操作工具的基于網(wǎng)絡(luò)的接口、組件類型信息知識(shí)庫(kù)、其他組件軟件工具查詢的調(diào)用接口，如LLNL（lawrence livermore national laboratory）開(kāi)發(fā)的Alexandria[16]。

h）注冊(cè)與發(fā)現(xiàn)服務(wù)組件。它主要實(shí)現(xiàn)了組件服務(wù)的動(dòng)態(tài)注冊(cè)及查詢，是組件交互的中間代理。動(dòng)態(tài)注冊(cè)與發(fā)現(xiàn)服務(wù)流程圖如圖5所示。

該圖中主要描述了遠(yuǎn)程組件C通過(guò)注冊(cè)發(fā)現(xiàn)服務(wù)，與提供所需服務(wù)的組件B進(jìn)行綁定及通信的流程：①各科學(xué)研究人員發(fā)布組件；②將組件描述及接口描述的標(biāo)準(zhǔn)接口定義語(yǔ)言文件放入組件庫(kù)；③遠(yuǎn)程組件C進(jìn)行服務(wù)注冊(cè)；④查找提供所需服務(wù)的組件；⑤⑥返回查詢到的組件B的標(biāo)志給組件C；⑦組件C與組件B綁定；⑧組件C與組件B通信，開(kāi)始耦合。

3．2基礎(chǔ)框架

基礎(chǔ)框架是一個(gè)輕量級(jí)的框架，主要包括框架引導(dǎo)驅(qū)動(dòng)和遠(yuǎn)程通信機(jī)制。框架引導(dǎo)驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)框架的啟動(dòng)和關(guān)閉。遠(yuǎn)程通信機(jī)制的選擇沒(méi)有具體的限定，但需要具有以下性能：在分布式異構(gòu)框架中具有可靠的傳輸性能；具有頻繁交換浮點(diǎn)數(shù)類型的大數(shù)組的能力；支持并行組件的通信。主要的兩種實(shí)現(xiàn)機(jī)制是：CORBAL ORB和Web services 技術(shù)的SOAP、XML、HTTP機(jī)制。下面分析了主要的兩種遠(yuǎn)程通信機(jī)制。

a）CORBAL ORB。它采用二進(jìn)制編碼，具有較強(qiáng)的傳輸能力，這比較適合空間天氣科學(xué)應(yīng)用。但它需要通信雙方必須采用CORBAL 的通信協(xié)議，因此互操作性不佳，很難實(shí)現(xiàn)分布式應(yīng)用的透明傳輸。另外，需要對(duì)CORBAL進(jìn)行擴(kuò)展以支持并行計(jì)算，如法國(guó)的IRISA研究開(kāi)發(fā)的一個(gè)輕便的并行CORBA對(duì)象（Paco++）[17]。

b）Web services 的SOAP、XML、HTTP通信機(jī)制。XML的可擴(kuò)展性和自我描述性，及HTTP協(xié)議的廣泛性，使得SOAP具有很好的互操作性。然而性能卻不佳。它采用ASCII描述傳送信息，將空間天氣科學(xué)應(yīng)用的浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換成ASCII這一過(guò)程會(huì)造成大量性能損耗。有實(shí)驗(yàn)表明，其消耗時(shí)間占整個(gè)消息傳遞過(guò)程所用時(shí)間的90%[18]。目前有不少研究者對(duì)SOAP優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了研究，如gSOAP[19] 、XSOAP[20] 、bSOAP[21]。另外，該通信機(jī)制不支持并行組件，需要對(duì)通信協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展，如PRMI (parallel remote method invocation)[22]。

目前，在框架的實(shí)現(xiàn)上比較有影響力的是印度大學(xué)開(kāi)發(fā)的XCAT。它的第二個(gè)版本XCAT2采用了Web services技術(shù)，使用XSOAP進(jìn)行組件間通信。第三個(gè)版本XCAT3采用基于Web services的OGSA（open grid services architecture），提供了一個(gè)進(jìn)行網(wǎng)格計(jì)算的基于組件的網(wǎng)格服務(wù)模型。

3．3DHPA運(yùn)行機(jī)制

整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行包括組件與組件的交互、組件與基礎(chǔ)框架的交互。圖6以IM模型和GM模型的耦合為例，分析了系統(tǒng)的運(yùn)行流程。

a)在基礎(chǔ)框架啟動(dòng)后，構(gòu)建引擎通過(guò)createInstance()實(shí)例化IM和GM。通過(guò)setServices()為 IM和GM分別傳入service對(duì)象。

b)IM、GM分別通過(guò)service對(duì)象完成服務(wù)使用接口FldensityUsePort和服務(wù)提供接口FLdensityProvidePort的注冊(cè)。

c)構(gòu)建引擎通過(guò)connect()構(gòu)建連接，返回connectionID，并將連接信息存放在連接表中。

d)IM的服務(wù)使用接口與GM的服務(wù)提供接口連接。

e)IM獲取GM提供的統(tǒng)計(jì)場(chǎng)線密度服務(wù)。IM和GM開(kāi)始耦合。

4結(jié)束語(yǔ)

超級(jí)計(jì)算機(jī)為科學(xué)家研究空間天氣提供了高性能的硬件支撐平臺(tái)，然而復(fù)雜的空間天氣模擬不僅需要高性能計(jì)算支持，還需要集空間物理建模、模型管理、應(yīng)用、互操作、協(xié)同、可視化等功能于一體的軟件平臺(tái)的支持。本文提出了一個(gè)新的基于CCA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和CBSE技術(shù)的大規(guī)模科學(xué)計(jì)算模型協(xié)同工作虛擬平臺(tái)框架DHPA。該框架支持各學(xué)科科學(xué)家異地協(xié)同進(jìn)行科研工作，支持各種模型組件之間的互操作，支持基于互聯(lián)網(wǎng)的分布式計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模空間天氣科學(xué)計(jì)算和模擬的需求，為科學(xué)家們的天氣預(yù)報(bào)決策提供重要的信息和手段。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文