基于集群的代谢网络远程计算平台——集群计算服务的设计与实现

摘要

作为生命科学研究的一个重要领域，代谢网络研究具有十分广阔的前景和意义。流平衡分析方法基于化学计量矩阵并能整合已有的化学反应动力学信息，从系统的高度来诠释代谢网络的特性，在该领域体现出其优势。但是由于流平衡分析方法的计算量比较大，对计算机性能有较高的要求；另一方面，随着Web技术的广泛应用，生物学家们对实时服务的期望也日益增加。因此，我们提出了基于集群和Web技术的代谢网络远程计算平台，旨在提供面向多用户的高性能计算服务，以实现流平衡分析方法在代谢网络研究中的应用。 该计算平台采用Java语言开发，基于浏览器/服务器三层结构进行多层体系结构设计，体现了系统架构的灵活性以及平台无关性等特点。平台使用图形化操作界面，以提供简便的操作方式，使生物学家等用户可以方便地构建代谢网络模型，而无需关心复杂的计算过程，具有良好的可交互性。 平台以集群为密集计算后台，采用集中式任务调度模型、加权结合轮询法的负载平衡技术，通过对多用户并发计算任务进行合理分配，以发挥集群管理节点的管理优势和计算节点的并行处理能力，实现对任务的高效处理，降低用户等待时间，提高服务效率。开发中还使用到了消息传递、远程方法调用等技术，实现节点间通信。 在实现系统开发基础上，以重建心肌细胞能量代谢网络为算例，通过仿真计算和虚拟试验，验证了平台在代谢网络研究中的可用性和正确性。对任务调度和负载平衡的测试结果也表明了其工作的良好性，实现了课题任务的预期目的。