基于Linux的PC集群光化学反应模拟计算平台研究

摘要

计算机模拟是研究光化学反应的一个有效手段,该方法可以在分子水平上观察化学反应,追踪分子运动过程。本文针对可用计算资源无法满足研究小组计算需求,而购买专用服务器价格昂贵的现状,对经济可用的模拟计算平台构建技术进行了研究,并采用基于Linux系统的PC集群技术实现了该模拟计算平台。
　　 作者参与了基于经典分子动力学方法的生物分子质谱分析模拟程序的开发,发现在光化学反应模拟计算中,计算量随研究体系规模的增大而迅速增加。因此,本文首先针对中小规模计算体系,使用PC机构建了利用串行模拟程序实现模拟的LBAR(Load Balancer Added in Real Server)集群。这种集群服务器可以将多个计算负载均衡到各个结点,同时均衡器也可参与计算。该系统各结点都使用双操作系统,根据负载情况,各台PC机可迅速转换角色。其次,针对规模较大的体系,本文基于Beowulf集群的架构思想,采用并行程序实现模拟计算,构造了PCS(Parallel ComputingSystem)系统,大大降低了计算时间。该系统支持通信环的动态建立,一方面使PCS系统仍然具有动态扩展性；另一方面则有效避免了只能从某一结点启动并行计算导致的瓶颈问题。最后,本文根据目前主流并行计算采用的主从式软件开发范型,在主进程所在结点负载较重的情况下,将LBAR系统所具有的负载分配性能应用于PCS系统,使其能够动态合理地选择并行计算的主进程结点,从而使计算负载得到进一步均衡优化。因此,该系统具有低成本、负载均衡、动态扩展、高资源利用率及很好灵活性的特点。
　　 本文通过对集群技术的研究与探讨,结合实际项目,实现了一种面向不同规模计算体系的集群服务器解决方案。通过测试,表明该集群系统是一种高性价比、可用于多个领域的科学计算集群服务器。本文提出的方案,对价格有效性要求较高的科学计算平台设计,有实际参考意义。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 论文选题背景

1.1.1 项目背景

1.1.2 集群研究现状

1.1.3 典型集群系统介绍

1.2 论文主要工作

1.3 论文组织结构

第二章 集群技术基础

2.1 国内外技术分析与选择

2.2 Linux虚拟服务器集群

2.2.1 LVS集群通用体系结构

2.2.2 LVS集群工作方式

2.2.3 LVS集群调度算法

2.3 Beowulf集群

2.3.1 Beowulf集群概念

2.3.2 Beowulf集群分类

2.3.3 Beowulf集群体系结构

2.4 小结

第三章 模拟计算平台设计

3.1 模拟程序分析

3.2 集群计算平台需求分析

3.3 面向中小体系的LBAR计算系统

3.3.1 LBAR系统均衡机制的选择

3.3.2 LBAR系统调度算法的选择

3.3.3 LBAR系统结构设计

3.4 面向大体系的PCS计算系统

3.4.1 PCS系统硬件分析

3.4.2 PCS计算系统网络分析

3.4.3 PCS系统软件分析

3.4.4 PCS系统并行应用分析

3.4.5 PCS系统结构设计

3.5 小结

第四章 系统实现及性能分析

4.1 系统环境测试

4.2 LBAR系统测试

4.2.1 系统实现与运行测试

4.2.2 系统利用率测试

4.2.3 集群性能测试

4.2.4 集群适用性测试

4.3 PCS系统测试

4.3.1 PCS系统实现与运行测试

4.3.2 PCS计算系统应用测试

4.3.3 PCS算系统性能测试

4.4 系统综合应用

4.5 小结

第五章 总结及未来工作

5.1 总结

5.2 未来工作

致谢

硕士期间从事的科研工作及取得的研究成果

参考文献