地理計(jì)算第二章

1、,,地理計(jì)算,GeoComputation,,地理計(jì)算,主講： 李 霖 教授,第二章 計(jì)算技術(shù),首先區(qū)分計(jì)算科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)。盡管他們相關(guān)，但是計(jì)算學(xué)是致力于計(jì)算機(jī)技術(shù)在特殊領(lǐng)域中應(yīng)用和解決問題。,按照最傳統(tǒng)的理論——實(shí)驗(yàn)的二值觀點(diǎn)，計(jì)算學(xué)擴(kuò)展為包括實(shí)驗(yàn)、模擬、建模的三部分。,,計(jì)算是關(guān)鍵的、核心的、一般的、廣泛被應(yīng)用的、不斷革新的科學(xué)，地理計(jì)算是計(jì)算的地理版本，當(dāng)前最迫切的是該方面的研究很少，進(jìn)展更是緩慢，可以說該領(lǐng)域中絕大多數(shù)地

2、方還是未涉足的空白區(qū)這就給地理計(jì)算學(xué)者們豐富的空間來研究、討論。,,地理分析的計(jì)算復(fù)雜度主要來自兩個(gè)方面：地理數(shù)據(jù)的增長和模型的復(fù)雜性。地理學(xué)者已經(jīng)見證了地理信息量的快速增長。特別是遙感影象精度的增加，是數(shù)據(jù)呈指數(shù)上升。許多地理模型都是需要一定計(jì)算強(qiáng)度的，包括各種優(yōu)化搜索策略。在應(yīng)用很多模型來進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)和決策時(shí)卻因計(jì)算的復(fù)雜度和低性能而受到影響。,,摩爾定律預(yù)測，每18個(gè)月微處理器的性能將翻倍，這個(gè)規(guī)則在過去的一段時(shí)間里得到驗(yàn)證，并且

3、還會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。但是，盡管有這種顯著的性能增加，計(jì)算機(jī)工藝設(shè)計(jì)在不久的將來會(huì)達(dá)到它們的處理器材料的限制極限，再加之費(fèi)用的大幅提高，使人們轉(zhuǎn)而投向采用其他方法來提高計(jì)算性能。,,GC試圖為新一代高性能技術(shù)發(fā)掘新的應(yīng)用?，F(xiàn)在的微處理器性能還在繼續(xù)提高，但是一旦其接近了其最大值，再想增加速度和性能，只有依靠大規(guī)模并行及硬件了。各種計(jì)算技術(shù)在地理學(xué)中不再局限于模型應(yīng)用和科學(xué)研究了，已經(jīng)開始應(yīng)用到大規(guī)模的分析和決策系統(tǒng)中。新的技術(shù)技

4、術(shù)的發(fā)展，地理計(jì)算提供了無限可能，如并行計(jì)算、移動(dòng)計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算、對(duì)等計(jì)算、公用計(jì)算。,內(nèi)容,§2.1高性能計(jì)算§2.2并行計(jì)算§2.3網(wǎng)絡(luò)計(jì)算§2.4網(wǎng)格計(jì)算,§2.1高性能計(jì)算,高性能計(jì)算是利用基于向量或并行處理器為基礎(chǔ)的超級(jí)計(jì)算機(jī)硬件對(duì)大容量資料，對(duì)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)分析與控制的系統(tǒng)，對(duì)那些復(fù)雜而又不能用其他手段來處理的現(xiàn)實(shí)世界（包括地理的時(shí)間、空間世界）所實(shí)施的計(jì)算。,

5、§2.1高性能計(jì)算,超級(jí)計(jì)算機(jī)的容量與運(yùn)算速度是地理學(xué)60年代“計(jì)量革命”時(shí)期所用計(jì)算機(jī)的109倍，是70年代初期“數(shù)學(xué)模型革命”時(shí)期的108倍，比80年代中期“GIS革命”時(shí)期高106 倍，比基于Pentium處理器的工作站快103倍。正是以這種高性能為基礎(chǔ)的地理環(huán)境中具有全球性或大區(qū)域性時(shí)、空演變特征的地理現(xiàn)象（數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、全球氣侯變化、GIS和RS圖像解譯等）模擬才有可能真正實(shí)現(xiàn)。基于高性能計(jì)算的模擬成為創(chuàng)新、認(rèn)知

6、的工具；高性能計(jì)算成為與理論、實(shí)驗(yàn)具有同樣重要性的科學(xué)工具，在或是理論模型復(fù)雜、甚至尚未建立，或是因費(fèi)用昂貴而使實(shí)驗(yàn)無法進(jìn)行的情況下，高性能計(jì)算成為求解問題的唯一有效手段。,地球模擬,§2.1高性能計(jì)算,高性能計(jì)算的實(shí)現(xiàn)依賴于迅速發(fā)展的并行硬件及其相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。前者以Cray T3D及其的新一代產(chǎn)品、并行虛擬計(jì)算機(jī)為代表的并行超級(jí)計(jì)算機(jī)，后者除一些常規(guī)并行編程語言外，地理學(xué)家們實(shí)施地理計(jì)算，更多地可望借助信息通道界面利用各種

7、語言編寫的軟件編碼系統(tǒng)。其首要任務(wù)是要研究并實(shí)施將現(xiàn)存的向量和串行的地理代碼，轉(zhuǎn)換成能為像由512個(gè)并行處理器組成的CRAY T3D這樣的超級(jí)計(jì)算機(jī)所接受的編碼系統(tǒng)。,§2.1高性能計(jì)算,高性能計(jì)算以并行高速計(jì)算為特征，以多處理器、多計(jì)算機(jī)或分布式系統(tǒng)為并行計(jì)算機(jī)的互聯(lián)形式。在系統(tǒng)的組成上，當(dāng)今流行的主流并行計(jì)算機(jī)都是并行機(jī)，包括共享存儲(chǔ)的對(duì)稱多處理器、分布存儲(chǔ)的大規(guī)模并行機(jī)和工作站機(jī)群。整個(gè)高性能并行運(yùn)算，其應(yīng)用分為計(jì)算密集

8、型、數(shù)據(jù)密集型和網(wǎng)絡(luò)密集型3大類。在地理現(xiàn)象研究中，像數(shù)值天氣預(yù)報(bào)這樣的大數(shù)據(jù)處理當(dāng)屬計(jì)算密集型的高性能計(jì)算應(yīng)用，而像GIS的可視化計(jì)算應(yīng)是數(shù)據(jù)密集型的高性能計(jì)算，至于現(xiàn)在正在研究發(fā)展中的3S集成技術(shù)和應(yīng)用中所涉及到的，將是計(jì)算、數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)3種密集型高性能運(yùn)算的綜合，其真正意義上的實(shí)現(xiàn)還需作很大努力。,§2.1高性能計(jì)算-超級(jí)計(jì)算機(jī),英國，2000年HPC的性能達(dá)到0.5個(gè)萬億次（TF）。美國HPC性能達(dá)到10-100個(gè)TF

9、，2001年IBM的White ASCI超級(jí)計(jì)算機(jī)配置了8192個(gè)IBM Power3處理器和160TB字節(jié)的磁盤存儲(chǔ)器，能夠達(dá)到每秒12.3萬億次的運(yùn)算速度。2002年11月，美國IBM負(fù)責(zé)開發(fā)一款名為“ASCI Purple”的超級(jí)計(jì)算機(jī)。該系統(tǒng)運(yùn)算速度最高可達(dá)每秒100萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算。,加速戰(zhàn)略計(jì)算創(chuàng)新（ASCI）,美國克林頓總統(tǒng)在1995年8月11日宣布：“美國決定謀求真正的“零當(dāng)量”全面禁止試驗(yàn)核武器條約”。通過逼真的建模和

10、模擬計(jì)算來取代傳統(tǒng)的反復(fù)試驗(yàn)的工程處理方法,1976年,大規(guī)模并行計(jì)算機(jī)，強(qiáng)調(diào)處理器數(shù)目極多ASIC White該系統(tǒng)硬件環(huán)境由一個(gè)IBM RS/6000 SP系統(tǒng)構(gòu)成，含有512個(gè)SMP節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)含有16個(gè)處理器(512*16=8192)，系統(tǒng)總共有8192個(gè)CPU，峰值速度達(dá)到12.3Tflops。所有節(jié)點(diǎn)都經(jīng)過內(nèi)部SP開關(guān)網(wǎng)絡(luò)互連。,ASIC Q374個(gè)32（374×32=11968)路AlphaServer&

11、#160;GS320 系統(tǒng)構(gòu)成，采用英國QSW公司的QsNet開關(guān)網(wǎng)互連，帶寬最高可達(dá)340MB/s。占用5個(gè)籃球場的面積（約2000平方米） 目前完成兩臺(tái)10Tflops巨型機(jī)。,ASCI Blue Mountain （第28名）系統(tǒng)由48個(gè)Origin2000（128CPU的共享存儲(chǔ)器多處理機(jī)， 48×128＝6144）構(gòu)成，采用HIPPI-800組成三維環(huán)網(wǎng)完成其間的互連。,ASCI Blue-PacificIBM

12、3.89 TeraOPs Peak 4*5856 =23424處理器2.6 Terabyte Memory52.5 Terabyte Storage,ASCI RedIntel 3.15 萬億次 ，2 ×9360＝18720 1.2 Terabyte Memory 12.5 Terabyte Storage,地球模擬器（向量并行計(jì)算機(jī)）節(jié)點(diǎn)：由8個(gè)8Gflops的向量處理器共享16GB高速存儲(chǔ)器構(gòu)成全系統(tǒng)640

13、個(gè)節(jié)點(diǎn)，專用交叉開關(guān)網(wǎng)絡(luò)互連8×640＝5120處理器,,§2.1高性能計(jì)算-超級(jí)計(jì)算機(jī),我國對(duì)高性能計(jì)算技術(shù)的發(fā)展給予了高度的重視。相繼研制出曙光-1全對(duì)稱（SMP）并行機(jī)、曙光- 1000 大規(guī)模并行處理（MPP）系統(tǒng)和基于機(jī)群結(jié)構(gòu)的曙光-1000A及曙光-2000系列百億次高性能計(jì)算機(jī)。國防科技大學(xué)83年研制成功我國第一臺(tái)銀河-Ⅰ億次巨型計(jì)算機(jī)起，先后研制成功銀河-Ⅱ十億次巨型計(jì)算機(jī)、銀河- Ⅲ百億次巨型

14、計(jì)算機(jī)和銀河-Ⅰ、銀河-Ⅱ型全數(shù)字仿真計(jì)算機(jī)、銀河小型巨型計(jì)算機(jī)。曙光和銀河系列百億次并行計(jì)算機(jī)的商品化，高性能計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)的突破，以及更高性能并行機(jī)的相繼研制成功，縮小了我國高性能計(jì)算技術(shù)研究與世界水平的差距，為我國信息化建設(shè)和國防現(xiàn)代化提供了強(qiáng)有力的工具。經(jīng)過50多年的發(fā)展，我國在計(jì)算技術(shù)方面確實(shí)有了巨大進(jìn)步，但是同國際先進(jìn)水平的差距反而比50多年前增大?！斑@種差距仍有著繼續(xù)增加的趨勢?！?§2.1高性能計(jì)

15、算-超級(jí)計(jì)算機(jī),新華網(wǎng)天津2010年６月１日電（記者周潤?。翟拢常比照桨l(fā)布的第３５屆全球超級(jí)計(jì)算機(jī)前５００強(qiáng)排行榜上，中國首臺(tái)實(shí)測性能超過千萬億次的高性能計(jì)算機(jī)曙光“星云”躋身世界超級(jí)計(jì)算機(jī)第二位，我國首臺(tái)千萬億次高性能計(jì)算機(jī)“天河一號(hào)”位列第七位。據(jù)曙光資料，星云系統(tǒng)運(yùn)算峰值達(dá)到每秒3000萬億次（3PFlops），實(shí)現(xiàn)Linpack值每秒1271萬億次（1.271PFlops），是中國第一臺(tái)、世界第三臺(tái)實(shí)現(xiàn)雙精度浮點(diǎn)計(jì)算超千萬

16、次的超級(jí)計(jì)算機(jī)，且其單位耗能所提供的性能達(dá)到了4.98億次/瓦?！∈锕赓Y料還顯示，星云超級(jí)計(jì)算機(jī)采用自主涉及的HPP體系結(jié)構(gòu)，由4640個(gè)計(jì)算單元組成，采用了高效異構(gòu)協(xié)同計(jì)算技術(shù)，系統(tǒng)包括了9280顆通用CPU和4640顆專用GPU組成。計(jì)算網(wǎng)絡(luò)采用了單向40Gbps QDR Infiniband技術(shù)，核心存儲(chǔ)采用了自主涉及的Parastor高速IO系統(tǒng)。,§2.1高性能計(jì)算,但是對(duì)GC來說，如果它是為了解決各種困難的、感興趣

17、的或重要的問題而尋找各種計(jì)算方法，或者限制在機(jī)器速度能承擔(dān)的上面來，那么過不久，GC真正的發(fā)展限制就會(huì)出現(xiàn)。,§2.2并行計(jì)算,§2.2.1 什么是并行計(jì)算§2.2.2 并行計(jì)算機(jī)的類型§2.2.3 并行的方法和分解策略§2.2.4 何時(shí)使用并行計(jì)算§2.2.5 怎樣使用并行編程§2.2.6 并行計(jì)算的體系結(jié)構(gòu)§2.2.7 網(wǎng)絡(luò)并行系統(tǒng)

18、7;2.2.8 并行算法和并行效率評(píng)測§2.2.9 地理學(xué)中的超級(jí)計(jì)算：巨大的挑戰(zhàn)§2.2.10 并行可視計(jì)算,§2.2并行計(jì)算,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能增長的根本因素有兩個(gè)：一個(gè)是微電子技術(shù)，另一個(gè)是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)技術(shù)。制造大規(guī)模集成電路的工藝在實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)達(dá)到0.3微米，但是，極限無疑是存在的，因?yàn)榫w管的形體尺寸最終受到氫原子（最小的原子）直徑尺寸的限制，同時(shí)電信號(hào)的傳輸速度終將受到光速（宇宙最高速度）的

19、限制。因而要想進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度和性能必須從體系結(jié)構(gòu)技術(shù)上找出路，由此產(chǎn)生了并行處理技術(shù)。,§2.2并行計(jì)算,并行處理技術(shù)已成為計(jì)算機(jī)界最熱門研究課題之一。高性能計(jì)算機(jī)是國家國力和科技水平的標(biāo)志。像中長期天氣預(yù)報(bào)，全球氣候變化，地球物理勘探，空氣動(dòng)力學(xué)模擬，原子、粒子結(jié)構(gòu)探索，生物大分子結(jié)構(gòu)解釋，大氣污染研究，新飛機(jī)和武器系統(tǒng)的研制，新材料的設(shè)計(jì)和新藥劑的研制等學(xué)科和領(lǐng)域，都迫切要求計(jì)算機(jī)有每秒千億次萬億次甚至更高

20、的速度。唯有大規(guī)模并行處理系統(tǒng)（MPP系統(tǒng)）才可能實(shí)現(xiàn)這一要求。分布式可擴(kuò)展計(jì)算并行由于其良好的可擴(kuò)展性和可移植性，正逐漸成為并行計(jì)算發(fā)展的主流?，F(xiàn)在科學(xué)家正用并行計(jì)算構(gòu)建一個(gè)虛擬太空（Nature，2005），預(yù)計(jì)2010年能完成。,§2.2并行計(jì)算,本節(jié)將討論并行計(jì)算技術(shù)（也稱并行處理），首先討論什么是并行計(jì)算，地理學(xué)者為什么關(guān)心地理計(jì)算，并簡要回顧超級(jí)計(jì)算的歷史以及并行計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，然后論述并行計(jì)算的優(yōu)缺點(diǎn)，描述如何

21、進(jìn)行并行計(jì)算。,§2.2.1 什么是并行計(jì)算,最簡單的描述并行就是，為加速完成一個(gè)費(fèi)時(shí)計(jì)算的任務(wù)而在同一時(shí)間采用多個(gè)處理器或處理單元。這和單處理器多線程是不同的概念，單處理器多線程是將處理器的時(shí)間進(jìn)行分段來處理多個(gè)任務(wù)。同時(shí)這里還要和特殊的單處理器并行工作分開（如圖形控制和磁盤管理）。,§2.2.1 什么是并行計(jì)算,Almasi給出這樣的定義：并行處理系統(tǒng)是一個(gè)由若干處理單元構(gòu)成的集合，集合中的處理單元能夠互相通信并

22、互相協(xié)同以快速解算大題目。這是一個(gè)準(zhǔn)確的定義，它刻畫了并行處理系統(tǒng)的基本特征——由若干個(gè)能互相通信的處理單元構(gòu)成的處理機(jī)集合，和基本功能——互相協(xié)同以快速解算大題目；這又是一個(gè)“朦朧”的定義，對(duì)于并行處理系統(tǒng)的諸要素，它沒有給出明確的界定。,§2.2.1 什么是并行計(jì)算,對(duì)各種任務(wù)其并行處理的適應(yīng)性也不同。有些任務(wù)很容易進(jìn)行并行處理。如，假設(shè)砌墻蓋房一個(gè)人的話需要16天，那么四個(gè)人同時(shí)進(jìn)行的話只需4天。加速度是用來描述并行

23、處理效果的，可以定義為一個(gè)處理器使用的時(shí)間除以N個(gè)處理器運(yùn)行的時(shí)間，加速度值越接近N說明并行處理性能越好。,§2.2.1 并行計(jì)算--并行性,并行性是問題中具有可以同時(shí)進(jìn)行運(yùn)算或操作的特性。在同一時(shí)刻或是同一時(shí)間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不同的工作，它們在時(shí)間上能互相重疊，都體現(xiàn)了并行性。并行性實(shí)際上包含了同時(shí)性和并發(fā)性二重含義。同時(shí)性指的是兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生；并發(fā)性指的是兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)

24、生。,§2.2.1 并行計(jì)算--并行性,時(shí)間重疊是在并行性概念中引入時(shí)間因素，讓多個(gè)處理過程在時(shí)間上相互錯(cuò)開，輪流重疊的使用同一套硬件設(shè)備的各個(gè)部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得速度。資源重復(fù)是在并行性概念中引入空間因素。通過重復(fù)設(shè)置硬件資源來提高可靠性或并行性能。資源共享是利用軟件的方法讓多個(gè)用戶按一定時(shí)間順序輪流地使用同一套資源，包括CPU、主存、外設(shè)等硬件資源和軟件、信息資源，以提高其利用率，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。例如

25、，多道程序分時(shí)系統(tǒng)等。,§2.2.2 并行計(jì)算機(jī)的類型,Flynn（1972）基于指令程序和數(shù)據(jù)適應(yīng)的不同把計(jì)算機(jī)分為4類。,§2.2.2 并行計(jì)算機(jī)的類型,SISD處理器是一個(gè)時(shí)間對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行一個(gè)指令，典型的von Neuman計(jì)算機(jī)就是這樣的處理器。它有兩個(gè)非常重要的特征：串行和確定性。因這種操作按順序進(jìn)行，易于跟蹤和理解。MISD能對(duì)某數(shù)據(jù)塊同時(shí)進(jìn)行多指令，很明顯它在現(xiàn)實(shí)中沒有應(yīng)用，是個(gè)不存在的類型。,

26、§2.2.2 并行計(jì)算機(jī)的類型,SIMD機(jī)器具有一系列前后銜接，步調(diào)一致的處理器，同時(shí)對(duì)不同的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行相同的操作，但在任何時(shí)間點(diǎn)上只有一個(gè)指令在執(zhí)行。該類型計(jì)算機(jī)的主要特征是：同步的、確定的、指令或操作并行的。這種類型的機(jī)器局限于一定類型的任務(wù)，對(duì)許多實(shí)際的任務(wù)還不實(shí)用。陣列處理機(jī)、流水線處理機(jī)、關(guān)聯(lián)處理機(jī)等均屬于該類計(jì)算機(jī)。MIMD機(jī)器能同時(shí)對(duì)不同的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行不同的指令操作。能讓程序員更靈活地編寫程序，使算法適應(yīng)機(jī)器來

27、完成各種任務(wù)。該類型計(jì)算機(jī)的特征是：指令可同步或異步、指令的執(zhí)行可確定的和不確定的、適合塊、回路和子程序級(jí)的并行。多處理機(jī)和多計(jì)算機(jī)都屬于此類計(jì)算機(jī)。,§2.2.2 并行計(jì)算機(jī)的類型,并行機(jī)器也可根據(jù)內(nèi)存使用情況分為共享內(nèi)存并行和分布式內(nèi)存并行。在共享內(nèi)存并行機(jī)中，所有的處理器都連通到機(jī)器的同一內(nèi)存上，這可能產(chǎn)生問題：如果多個(gè)處理器多想對(duì)同一變量同時(shí)進(jìn)行賦值，第一個(gè)能成功還是最后一個(gè)，該如何是好？即使能讓你寫代碼來處理這種爭奪

28、問題的排序，但因不同的處理器的不同運(yùn)行，讓你也很難來跟蹤這個(gè)問題。同時(shí)因不同處理器都試圖讀寫內(nèi)存，也使內(nèi)存的開辟、分配、管理亂為一團(tuán)。,§2.2.2 并行計(jì)算機(jī)的類型,分布式內(nèi)存并行機(jī)器中就克服了上述問題，它由處理單元構(gòu)成，每個(gè)處理單元包括一個(gè)處理器和一定的內(nèi)存，每個(gè)處理器進(jìn)能處理與之關(guān)聯(lián)的內(nèi)存，另外一個(gè)處理器需要它的數(shù)據(jù)值可以通過明確的消息來處理。現(xiàn)在計(jì)算機(jī)已經(jīng)可以通過虛擬內(nèi)存來達(dá)到分布式內(nèi)存。,§2.2.3并行的

29、方法和分解策略,在并行計(jì)算中，計(jì)算是在多個(gè)數(shù)據(jù)塊上同時(shí)進(jìn)行，或者問題是通過多個(gè)處理機(jī)同時(shí)處理解決。根據(jù)并行的體系不同并行可以在不同的層次上進(jìn)行。主要有三種類型的并行：任務(wù)或事件并行、數(shù)據(jù)或幾何并行、算法或過程并行。過程并行是處理機(jī)有特殊的任務(wù)并且數(shù)據(jù)塊要按一定的順序的通過，更簡單的理解就是串行后的并行。,數(shù)據(jù)并行,數(shù)據(jù)并行把要處理的數(shù)據(jù)集做合理劃分，分配到可用的處理器上，各處理器并行執(zhí)行各自的數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)并行有基于記錄（Re

30、cord）的數(shù)據(jù)并行和基于屬性（Attribute）的數(shù)據(jù)并行兩種主要途徑。,任務(wù)并行,任務(wù)并行是把解決問題的整個(gè)過程分成若干個(gè)子過程，將它們分派到不同的處理器上并行執(zhí)行。兩種途徑。第一種基于分而治之策略，這種策略首先對(duì)任務(wù)進(jìn)行劃分，然后分派子任務(wù)到指定的處理器。第二種基于任務(wù)隊(duì)列，就是動(dòng)態(tài)的把子任務(wù)分派到目前可用的處理器上。對(duì)于任務(wù)并行，所有的數(shù)據(jù)都是共享的，任何處理器都可以操作它們。所以，無論采用任務(wù)并行的哪種方式，都要仔細(xì)

31、考慮負(fù)載平衡的問題。任務(wù)并行的成功執(zhí)行在很大程度上依賴于對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)集的結(jié)構(gòu)。,數(shù)據(jù)并行與任務(wù)并行相結(jié)合,當(dāng)任務(wù)并行和數(shù)據(jù)并行結(jié)合起來考慮時(shí)，一種有效的方法就是先對(duì)數(shù)據(jù)合理劃分，把數(shù)據(jù)子集分配到各個(gè)處理器上。然后采用基于劃分和征用策略的任務(wù)并行方法，根據(jù)各個(gè)處理器上數(shù)據(jù)集的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，把子任務(wù)分配到指定的處理器上。最后，當(dāng)每個(gè)處理器上的任務(wù)都執(zhí)行完畢后，再合并執(zhí)行結(jié)果。這樣做的好處就是，只在任務(wù)執(zhí)行的前后進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，任務(wù)可以不被打斷的執(zhí)行下

32、去，大大降低了任務(wù)執(zhí)行過程中進(jìn)行同步和通信的開銷。因此在進(jìn)行并行處理時(shí)應(yīng)考慮以下一些問題：1）整個(gè)體系結(jié)構(gòu)的可伸縮性； 2）數(shù)據(jù)的分割；3）任務(wù)的劃分；4）通信花費(fèi)；5）結(jié)果集成。,分解策略,完全并行分解、域分解和控制分解完全分解將問題分解成過程集合，它只需要附加初始化各過程和收集結(jié)果的通信負(fù)載。域分解是將構(gòu)成問題的目標(biāo)或數(shù)據(jù)按一定的大小或粒度分配到每個(gè)處理機(jī)上，以達(dá)到高度的并發(fā)?？刂品纸怅P(guān)注于對(duì)應(yīng)用控制的流程，主要有兩

33、種方法：功能分解和管理員/工人分解。功能分解是將問題分解成操作集，其中需要建立各處理機(jī)間的通信。管理員/工人分解使用一個(gè)主處理機(jī)來控制，動(dòng)態(tài)的控制各處理機(jī)（工人），這種動(dòng)態(tài)的任務(wù)處理更有效。,§2.2.4 何時(shí)使用并行計(jì)算,何時(shí)使用用并行計(jì)算能使我們節(jié)省時(shí)間，而不是冒然地就使用它。比如：代碼的運(yùn)行頻率是多少？運(yùn)行時(shí)間多久？如果說代碼運(yùn)行重復(fù)度不高、時(shí)間不久那就根本別想用并行處理，因?yàn)椴捎貌⑿刑幚頃r(shí)的費(fèi)時(shí)可能比順序代碼要慢上2倍

34、還要多。如果該程序需要運(yùn)行一兩次，且運(yùn)行時(shí)間達(dá)一兩周，那它通常仍比采用并行處理要快。如果你的程序要運(yùn)行一月或更久，那么并行處理可以考慮；如果該模型要運(yùn)行成千上萬次，那并行計(jì)算就是必需的了。同時(shí)你還要考慮并行處理的規(guī)模，如果問題的核心很小且依賴前期的結(jié)果，則并行處理就不合適。如果考慮上述各問題，那你就可以使用并行技術(shù)，當(dāng)然你還要考慮并行計(jì)算的類別、語言選擇問題等等。,§2.2.5 怎樣使用并行編程,要進(jìn)行并行計(jì)算那么就需要并行

35、設(shè)備——并行計(jì)算機(jī)。如果沒有，也可以通過軟件（如PVM）使多個(gè)工作站連起來形成虛擬并行計(jì)算機(jī)，當(dāng)然它沒有真正的并行計(jì)算機(jī)快，但比較便宜，并且可以給你足夠的時(shí)間來完善和發(fā)展你的并行軟件。,2.2.6 并行計(jì)算的體系結(jié)構(gòu),并行體系結(jié)構(gòu)是并行計(jì)算的基礎(chǔ)，各種并行程序設(shè)計(jì)機(jī)智也都是針對(duì)不同的并行體系結(jié)構(gòu)的。并行體系結(jié)構(gòu)大致可分為多處理共享內(nèi)存存儲(chǔ)并行機(jī)（SMP）、多處理分布共享存儲(chǔ)并行機(jī)（DSM）、大規(guī)模并行機(jī)（MPP）和機(jī)群，他們都屬于多指令

36、多數(shù)據(jù)流（MIMD）機(jī)器。并行計(jì)算體系結(jié)構(gòu)有許多種，其中最具代表性的四種體系結(jié)構(gòu)是：SMP、MPP、DSM以及COW 這四種體系結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征 系統(tǒng)特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域都存在較大的差異。,SMP 系統(tǒng) （Symmetic Multi-processor）,多處理系統(tǒng)是一種多處理機(jī)系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)上它一般是用總線將多個(gè)處理機(jī)連接而成的。在這種系統(tǒng)中硬件和軟件都是對(duì)稱的，在硬件方面每一個(gè)CPU的能力完全相等，它們共享主存，對(duì)存儲(chǔ)器的操作是對(duì)稱的，I/

37、O操作也是對(duì)稱的；在系統(tǒng)軟件方面（主要是操作系統(tǒng)），各處理機(jī)沒有主次之分，共享存儲(chǔ)器中只有一份操作系統(tǒng)代碼，每個(gè)處理器可以同時(shí)執(zhí)行操作系統(tǒng)的核心代碼。SMP（對(duì)稱多處理機(jī)）系統(tǒng)采用商品化微處理器，帶有片內(nèi)和片外高速緩存，這些處理器通過高速監(jiān)聽總線連接到共享存儲(chǔ)器，在某些SMP中，除了總線外還使用了縱橫交叉開關(guān)，下圖是SMP的體系結(jié)構(gòu)。,SMP,SMP系統(tǒng)相對(duì)于非對(duì)稱對(duì)處理機(jī)系統(tǒng)有更高的并行性。但是SMP系統(tǒng)的最大局限就是它的擴(kuò)展性，

38、使用集中式共享存儲(chǔ)器和總線或縱橫交叉開關(guān)會(huì)限制處理器數(shù)量上的擴(kuò)充，SMP 系統(tǒng)一旦建成就再難予以擴(kuò)展。,SMP,這里需要特別指出的是SMP本身并不意味著并行處理，許多SMP的應(yīng)用并不采用并行處理技術(shù)，其上也不運(yùn)行任何并行程序，而只是利用其所具有的對(duì)稱多處理方式獲得系統(tǒng)對(duì)用戶作業(yè)的大吞吐量和I/O的大吞吐量，很多將SMP系統(tǒng)作為服務(wù)器的應(yīng)用都屬于這種情況。,MPP 系統(tǒng) （Massively Parallel Processor）,大規(guī)模

39、并行機(jī)(MPP)是一種由大量處理機(jī)構(gòu)成的并行處理系統(tǒng)，一般認(rèn)為MPP系統(tǒng)中處理單元的數(shù)目應(yīng)當(dāng)在100以上，或能支持100個(gè)以上的結(jié)點(diǎn)并行。所有的MPP系統(tǒng)都使用物理分布的主存，并且越來越多的MPP 正使用分布式I/O。每個(gè)結(jié)點(diǎn)有一個(gè)或多個(gè)處理器和高速緩存（P/C）、一個(gè)本地主存、以及數(shù)量不等的磁盤。結(jié)點(diǎn)內(nèi)使用總線或是更高帶寬的交叉網(wǎng)絡(luò)開關(guān)、連接處理器、主存和I/O設(shè)備。每個(gè)結(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)接口電路與網(wǎng)絡(luò)相連，結(jié)點(diǎn)間是緊密耦合的。,MPP

40、,MPP主要有三部分組成： 1）結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。 2）高速互連網(wǎng)絡(luò)。 3）并行程序開發(fā)環(huán)境。,DSM系統(tǒng),分布式共享存儲(chǔ)器系統(tǒng)（Distributed Share Memory，DSM）主要有兩種設(shè)計(jì)方法。第一種設(shè)計(jì)方法是采用高速緩存目錄用來支持分布式一致高速緩存。另外一種設(shè)計(jì)方法是利用特殊的硬件和軟件擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)DSM的。在DSM中存儲(chǔ)器是物理分布在不同結(jié)點(diǎn)中的，但是系統(tǒng)的硬件和軟件為用戶建立了一個(gè)單地址空間的幻覺。,D

41、SM,,機(jī)群Cluster of workstation, COW,對(duì)機(jī)群（Cluster）有許多稱呼，如計(jì)算機(jī)群、工作站群（COW）、個(gè)人工作站網(wǎng)絡(luò)（NOW）等。群機(jī)系統(tǒng)是將一組工作站、服務(wù)器、小型機(jī)甚至巨型機(jī)或MPP系統(tǒng)用互連網(wǎng)絡(luò)（目前一般用局域網(wǎng)）連在一起，構(gòu)成并行處理系統(tǒng)。因?yàn)橥ǔＳ霉ぷ髡緦?shí)現(xiàn)，因此也稱為工作站群機(jī)系統(tǒng)。COW是全體計(jì)算機(jī)（結(jié)點(diǎn)）的集合，這些計(jì)算機(jī)由高性能網(wǎng)絡(luò)或局域網(wǎng)（LAN）物理互連。一般情況下，每個(gè)結(jié)點(diǎn)

42、是一臺(tái)SMP服務(wù)器、一臺(tái)工作站或是一臺(tái)PC計(jì)算機(jī)。除了滿足用戶單獨(dú)使用某個(gè)結(jié)點(diǎn)完成協(xié)定的任務(wù)之外，所有COW的結(jié)點(diǎn)必須能夠一起集體工作，如同一個(gè)單一集成的計(jì)算資源。,機(jī)群COW,COW的每個(gè)結(jié)點(diǎn)是一臺(tái)完整的計(jì)算機(jī)，有自己的處理器、存儲(chǔ)器、磁盤、高速緩存、I/O適配器。每個(gè)結(jié)點(diǎn)上駐留有完整、標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)。每個(gè)結(jié)點(diǎn)可以有多個(gè)處理器，但是只有一份操作系統(tǒng)的映像。網(wǎng)絡(luò)接口與結(jié)點(diǎn)中的I/O總線是松藕合相連的。結(jié)點(diǎn)之間通常使用商品化網(wǎng)絡(luò)互連，并且

43、可以使用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議（如TCP/IP）。整個(gè)COW體現(xiàn)的是一個(gè)單一的系統(tǒng)映像，這可以通過單一系統(tǒng)映像基礎(chǔ)設(shè)施來完成。機(jī)群系統(tǒng)主要由以下一些重要部件組成：多個(gè)高性能計(jì)算機(jī)（工作站、PC或SMP）；優(yōu)秀的操作系統(tǒng)（分層或基于微內(nèi)核）；高性能網(wǎng)絡(luò)/開關(guān)（如千兆位以太網(wǎng)）；網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）；快速通信協(xié)議和服務(wù)（如活動(dòng)消息和快速消息）；機(jī)群中間件（單一映象系統(tǒng)和系統(tǒng)可用性基礎(chǔ)）；并行編程環(huán)境和工具（如編譯器、PVM、MPI）；應(yīng)用程序。

44、,機(jī)群COW,注：OS-操作系統(tǒng)；P/C-處理器和高速緩存；M-存儲(chǔ)器；Bridge-橋關(guān)；LD-本地磁盤；IOB-I/O總線；NIC-網(wǎng)絡(luò)接口電路；MB-存儲(chǔ)器總線,§2.2.7網(wǎng)絡(luò)并行系統(tǒng) （Network Computing，NC）,繼傳統(tǒng)Internet與萬維網(wǎng)之后，網(wǎng)絡(luò)計(jì)算被視作Internet的第三次浪潮。 對(duì)某些并行計(jì)算和高性能計(jì)算問題，網(wǎng)絡(luò)計(jì)算完全可以取代巨型并行機(jī)，并在下面三個(gè)方面具有優(yōu)勢：1）在保證性能

45、與并行機(jī)相當(dāng)?shù)那闆r下，費(fèi)用較?。?）工作站可升級(jí)，便于提高系統(tǒng)性能；3）允許部分工作站失敗，可靠性上更高。,§2.2.7網(wǎng)絡(luò)并行系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算需要網(wǎng)絡(luò)并行化環(huán)境，在這個(gè)環(huán)境下構(gòu)建一種并行虛擬機(jī)，虛擬機(jī)的成員可以是網(wǎng)絡(luò)連接的所有機(jī)器資源，也可以只使用其中的單機(jī)。依據(jù)用戶不同的要求，以及不同的并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，決定使用不同的并行編程環(huán)境。在不同的編程環(huán)境下，應(yīng)用程序會(huì)有不同。而可移植性好的并行編程環(huán)境會(huì)做到，用戶在該環(huán)境下寫的程

46、序不必作大的修改，就能夠在其他可移植的編程環(huán)境下運(yùn)行。目前，國內(nèi)外在網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算的編程環(huán)境方面己經(jīng)做了大量研究，并行程序開發(fā)環(huán)境主要包括并行語言及其編譯系統(tǒng)、程序優(yōu)化重構(gòu)工具、圖形可視化工具、編輯工具及智能性工具等，較流行的并行程序開發(fā)環(huán)境有PVM、MPI、Express、Linda 等。,§2.2.7網(wǎng)絡(luò)并行系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算則是以網(wǎng)絡(luò)連接工作節(jié)點(diǎn)，即通過網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸完成CPU的耦合?？梢哉f這個(gè)分支在某種意義上說是繼承

47、了大型機(jī)中央處理方式卓越的性能以及穩(wěn)定性等優(yōu)越性的同時(shí)又吸收了分布式處理技術(shù)中網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)的組合優(yōu)勢。換句話說，網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算技術(shù)是用廉價(jià)的高速網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)取代了昂貴的多CPU技術(shù)并具有高性能的同時(shí)又獲得了良好的可擴(kuò)展性和靈活性，這些因素都使得網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算技術(shù)在高性能計(jì)算領(lǐng)域倍受關(guān)注。,§2.2.7網(wǎng)絡(luò)并行系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算環(huán)境指的是由底層結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算系統(tǒng)兩大模塊構(gòu)成的一個(gè)計(jì)算環(huán)境。首先，整個(gè)計(jì)算環(huán)境的基礎(chǔ)是由局域網(wǎng)絡(luò)和操

48、作系統(tǒng)構(gòu)成的底層結(jié)構(gòu)。操作系統(tǒng)可以是任何一種多任務(wù)的操作系統(tǒng)。其次，在底層結(jié)構(gòu)的上一層是網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算系統(tǒng)，這一層是整個(gè)計(jì)算環(huán)境的核心，它賦予該環(huán)境并行計(jì)算能力，該系統(tǒng)的功能是屏蔽底層平臺(tái)相關(guān)細(xì)節(jié)并向上一層的用戶并行程序提供并行計(jì)算服務(wù)。,PVM,PVM（Parallel Virtual Machine）的開發(fā)最早開始于1989年夏天，目前它的開發(fā)隊(duì)伍包括美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室，Tennessee大學(xué)等單位，并得到美國能源部、國家科學(xué)基金以

49、及田納西州的資助。PVM是一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的并行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，具有適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠在多種流行的工作站機(jī)群及MPP機(jī)上運(yùn)行。PVM 系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將計(jì)算機(jī)連接成一個(gè)邏輯上虛擬的并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，PVM可視為一個(gè)工作站機(jī)群上的并行程序工作環(huán)境，提供支持并行計(jì)算機(jī)的并行程序函數(shù)庫。PVM的主要目標(biāo)是：提供一個(gè)異構(gòu)型應(yīng)用開發(fā)模型和相聯(lián)編程框架，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序子任務(wù)向機(jī)器的最佳映射，并提供充分的異構(gòu)型跟蹤調(diào)試、可視化、監(jiān)控手段。,MP

50、I （Message Passing Interface）,消息傳遞并行編程環(huán)境 （MPI）是目前國際上最流行、可移植性和可擴(kuò)展性很好的并行程序設(shè)計(jì)平臺(tái)，并被當(dāng)前流行的所有高性能并行機(jī)所支持。MPI由MPI論壇開發(fā)，該論壇是一個(gè)有廣泛基礎(chǔ)的由并行計(jì)算機(jī)供應(yīng)商、庫編寫者以及應(yīng)用專家組成的聯(lián)盟。1992年在美國成立了MPI 委員會(huì)，由歐美的40個(gè)主要機(jī)構(gòu)60名代表組成。MPI是一個(gè)功能強(qiáng)大且較為完整的MPI并行庫規(guī)范。通過提供一個(gè)消息傳

51、遞庫的標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)它的可移植性。MPI用與具體編程語言無關(guān)的形式來說明庫。并提供了與Fortran和C語言的捆綁，并提供一套工具用于測試和改善并行程序的性能。MPI的目標(biāo)是要開發(fā)一個(gè)廣泛用于編寫消息傳遞程序的標(biāo)準(zhǔn)，要求用戶界面實(shí)用、可移植、高效、靈活，同時(shí)它具有完備的異步通信功能和對(duì)COW工作站群并行機(jī)的內(nèi)在適用性。能用于各類并行機(jī)，尤其適用于分布式存儲(chǔ)的并行機(jī)。用MPI編寫的應(yīng)用程序經(jīng)過重新編譯，可以在任何供應(yīng)商提供的PC機(jī)、工作站、

52、MPP上相互移植。MPI已經(jīng)在IBM PC機(jī)、UNIX工作站和主要并行計(jì)算機(jī)上得到實(shí)現(xiàn)。尤其是它可以應(yīng)用于Windows NT，并與C語言和Fortran77有著上百個(gè)函數(shù)調(diào)用接口，使得借助于普通網(wǎng)絡(luò)就能組建“個(gè)人超級(jí)并行計(jì)算機(jī)”。,PVM與MPI的比較,PVM和MPI的設(shè)計(jì)目的與側(cè)重點(diǎn)是不同的，PVM的研制工作是圍繞“虛擬機(jī)”的中心思想展開的，可移植性比速度得到了更多的重視，可伸縮性、容錯(cuò)能力和異構(gòu)性也是研究的重點(diǎn)。而MPI旨在創(chuàng)建

53、一種標(biāo)準(zhǔn)的消息傳遞界面，速度是MPI設(shè)計(jì)中的焦點(diǎn)問題，因此在大型并行機(jī)系統(tǒng)MPP上，MPI被認(rèn)為要比PVM速度快?？傮w上MPI程序可以在任何單機(jī)上運(yùn)行，并在此意義上滿足可移植性，而PVM 程序可以在不同組成的一群機(jī)器之間進(jìn)行移植（互協(xié)性）。MPI缺少較大的靈活性的原因是設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮了速度。PVM則犧牲了一些速度而換取了靈活性的增加。PVM 在資源與任務(wù)管理方面有一個(gè)較豐富的資源控制函數(shù)集可供使用。PVM可根據(jù)用戶的需要，隨時(shí)增加刪

54、除節(jié)點(diǎn)機(jī)，既可從虛擬機(jī)命令行也可從用戶的應(yīng)用程序中進(jìn)行。MPI就缺少這樣的動(dòng)態(tài)特征，MPI標(biāo)準(zhǔn)不提供資源抽象，它是由每個(gè)MPI的具體實(shí)現(xiàn)和用戶自己去制定資源管理的方案。,§2.2.8 并行算法和并行效率評(píng)測,并行算法是適合于在各種并行機(jī)上求解問題和處理數(shù)據(jù)的算法。其嚴(yán)格定義為：一些可同時(shí)執(zhí)行的進(jìn)程集合，這些進(jìn)程互相作用、協(xié)調(diào)動(dòng)作，從而達(dá)到對(duì)給定問題的求解。高效的并行算法是設(shè)計(jì)高質(zhì)量并行程序的基礎(chǔ)。并行算法主要來源于兩個(gè)方面：一

55、是將串行算法改寫成并行算法，二是從數(shù)學(xué)模型出發(fā)直接構(gòu)造并行算法。前者較容易實(shí)現(xiàn)，但由于受串行構(gòu)架的限制，難以取得較高并行度的算法。后者實(shí)現(xiàn)有一定難度，但深入研究將會(huì)使并行算法的設(shè)計(jì)有所突破，現(xiàn)已形成了一些理論和技術(shù)：NC 理淪、并行復(fù)雜度理論、下界技術(shù)、平衡樹法、倍增技術(shù)、分治策略、切分原理、流水線技術(shù)及對(duì)稱技術(shù)等。,§2.2.9 地理學(xué)中的超級(jí)計(jì)算：巨大的挑戰(zhàn),地理的多樣性給高性能計(jì)算帶來了發(fā)揮的空間。 高性能計(jì)算和并行計(jì)

56、算可為GIS提供多種服務(wù)，主要體現(xiàn)兩個(gè)方面：1）地理空間信息的存儲(chǔ)和獲取服務(wù)，指存儲(chǔ)空間信息到并行數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或格式的轉(zhuǎn)換等。2）地理分析和計(jì)算。3）實(shí)時(shí)可視化。現(xiàn)在的可視化應(yīng)用（如飛行模擬、分布式交互模擬DIS、虛擬現(xiàn)實(shí)）都需要計(jì)算機(jī)提供高性能的數(shù)據(jù)處理能力，這些應(yīng)用都有性能和反應(yīng)時(shí)間限制，而GIS的并行化能有效地解決這些問題，其中最合適的是SMP。,§2.2.9 地理學(xué)中的超級(jí)計(jì)算：巨大的挑戰(zhàn),并行技術(shù)給地理計(jì)算帶來兩

57、個(gè)好處：為我們表達(dá)、處理、分析和揭示地理空間及空間關(guān)系提供了新的方法和技術(shù)手段；同時(shí)大大提高地理計(jì)算的速度。目前來說，主要有兩個(gè)方面阻礙并行GIS的發(fā)展，一是基于internet的服務(wù)導(dǎo)向和基礎(chǔ)設(shè)施還不夠，HPC還不可接近，GIS和數(shù)據(jù)缺少互操作，OGC的開發(fā)網(wǎng)格服務(wù)體系（OGSA）正將WEB服務(wù)和網(wǎng)格服務(wù)聚集在一起，希望不久的將來能為HPC提出新的機(jī)遇。二是基礎(chǔ)性的問題，也就是創(chuàng)建并行GIS不是件容易的事情，還缺乏有效的算法、應(yīng)用庫和

58、工具。,§2.2.10 并行可視計(jì)算,在實(shí)際應(yīng)用時(shí)采用并行LOS可視算法來確定目標(biāo)的可視度，這些目標(biāo)可以是地形上的高程點(diǎn)、建筑物、道路線等。這也是有關(guān)站點(diǎn)選址規(guī)劃時(shí)在進(jìn)行可視影響和分析時(shí)要考慮的。由于越來越多的海量空間數(shù)據(jù)可用，特別是高精度的DEM數(shù)據(jù)，對(duì)并行處理的要求逐漸增加。,可視分析,并行可視計(jì)算,并行可視處理的關(guān)鍵是定義應(yīng)用問題和每個(gè)處理機(jī)/器的工作量，這樣系統(tǒng)才能在較優(yōu)化的性能下運(yùn)行。對(duì)實(shí)行可視分析并行群的構(gòu)建，可采

59、用100Mhz Pentium的PC機(jī)，NT系統(tǒng)，10M網(wǎng)絡(luò)，采用PVM和C編程。PVM提供了任務(wù)管理。并行方法上采用管理員/工人的策略，主結(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)創(chuàng)建其他結(jié)點(diǎn)和通信，包括初始化、分配任務(wù)和收集結(jié)果。這種模型比較簡單，但其有個(gè)固有的缺點(diǎn)，就是和主結(jié)點(diǎn)的通信會(huì)存在瓶頸，但可以通過增加次主結(jié)點(diǎn)來改善此問題。,并行可視計(jì)算,在數(shù)據(jù)管理上，最簡單的形式是所有的結(jié)點(diǎn)都獲取整個(gè)DEM或其拷貝，或者通過等級(jí)結(jié)構(gòu)或虛擬共享內(nèi)存來處理。對(duì)可視分析來說，需

60、要所有的結(jié)點(diǎn)都獲得整個(gè)DEM，其他的管理還包括發(fā)送、配置參數(shù)和收集結(jié)果。,§2.3網(wǎng)絡(luò)計(jì)算,§2.3.1 網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的含義§2.3.2 網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)§2.3.3網(wǎng)絡(luò)計(jì)算結(jié)構(gòu)模式：集中式和分布式§2.3.4網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)§2.3.5網(wǎng)格計(jì)算§2.3.6網(wǎng)絡(luò)計(jì)算與GIS,§2.3.1網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的含義,“網(wǎng)絡(luò)計(jì)算”實(shí)際上是指以網(wǎng)絡(luò)為中心的計(jì)算，或是基于網(wǎng)

61、絡(luò)的計(jì)算，它將是21世紀(jì)初科學(xué)計(jì)算和開發(fā)信息應(yīng)用系統(tǒng)的主要趨勢。我們也可以把現(xiàn)階段的“網(wǎng)絡(luò)計(jì)算”在技術(shù)層次上作這樣的定義：把計(jì)算功能和負(fù)荷合理地分配到聯(lián)網(wǎng)的客戶機(jī)和服務(wù)器上，這些開放的聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)應(yīng)具有的功能是其用戶界面應(yīng)該是web/browser 型的，應(yīng)用軟件的內(nèi)容應(yīng)該是用HTML或XML編寫的，在運(yùn)行系統(tǒng)中具有Java和CORBA的功能。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算最必需的支撐技術(shù)就是建立與平臺(tái)無關(guān)的、以網(wǎng)絡(luò)為中心的計(jì)算環(huán)境。,§2.3.

62、2 網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī),1995年，ORACLE公司提出網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)（network computer）的概念，引起了極大反向。NC沒有硬盤、光驅(qū)、軟驅(qū)，所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)運(yùn)算都通過網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)，并且有人預(yù)言“NC將無處不在”，但事實(shí)的發(fā)展卻大出他們意外，主要由于標(biāo)準(zhǔn)未成熟、網(wǎng)絡(luò)速度的問題。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)概念也在不斷變化，網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)技術(shù)也逐步成熟，NC再次受到人們的高度重視。主要原因有：網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的發(fā)展；Linux操作系統(tǒng)流行并為人們所接

63、受；網(wǎng)絡(luò)安全重視度增加。網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)主要有三個(gè)類型：真NC，完全符合NC規(guī)范，非wintel結(jié)構(gòu)；類NC，客戶端采用windows終端；反NC，也稱NETPC，是Microsoft和Intel對(duì)抗NC的產(chǎn)品，該計(jì)算機(jī)有硬盤，但整機(jī)是密封的。,§2.3.3結(jié)構(gòu)模式：集中式和分布式,集中式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算環(huán)境和資源都集中于同一部機(jī)器內(nèi)，在程序開發(fā)和使用管理上很簡單，但它的購置、安裝和維護(hù)費(fèi)用高；多用戶分享同一資源時(shí)服務(wù)質(zhì)量受影響

64、；風(fēng)險(xiǎn)大，服務(wù)器死機(jī)整體癱瘓；擴(kuò)展性差。主要有主機(jī)/終端、工作站/文件服務(wù)器兩種類型。分布性主要指數(shù)據(jù)分布和計(jì)算分布，數(shù)據(jù)分布是指數(shù)據(jù)可分散存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)上的不同計(jì)算機(jī)中；計(jì)算分布則是把操作計(jì)算分散給不同的機(jī)器進(jìn)行處理。在物理上，分布式數(shù)據(jù)庫的資源結(jié)構(gòu)與分布式的組織結(jié)構(gòu)相吻合；而邏輯上的相關(guān)性，又使它們可以利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)集成為功能強(qiáng)大的系統(tǒng)。,§2.3.4 網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的主要優(yōu)點(diǎn)：,1）充分利用資源。計(jì)算機(jī)可自由地、主動(dòng)地訪問各種

65、資源。避免了資源的重復(fù)和浪費(fèi)，提高了資源的利用效率。2）網(wǎng)絡(luò)計(jì)算具有獨(dú)特的優(yōu)勢：計(jì)算資源可方便地任意擴(kuò)展；采用備份、冗余和任務(wù)轉(zhuǎn)移等技術(shù)使系統(tǒng)具有更高的可靠性。3）較強(qiáng)的計(jì)算能力。當(dāng)連接到網(wǎng)絡(luò)里的計(jì)算機(jī)達(dá)到一定數(shù)量，其協(xié)同計(jì)算的能力則會(huì)呈級(jí)數(shù)方式增強(qiáng)，使更迅速開發(fā)和部署新的計(jì)算應(yīng)用成為可能。4）管理和控制的集中化和簡化。網(wǎng)絡(luò)計(jì)算環(huán)境是一個(gè)有機(jī)的整體，更容易管理和控制。同時(shí)大大簡化了管理的方法、減少了管理所需的人員。5）降低計(jì)算的

66、成本。由于網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的能力較強(qiáng)、能充分利用資源、可擴(kuò)展性強(qiáng)、管理和控制的簡化、不用拋棄原有的計(jì)算設(shè)備購置新的設(shè)備，就能獲得更強(qiáng)的計(jì)算功能等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了計(jì)算的性能價(jià)格比，降低了大型科學(xué)計(jì)算和企業(yè)計(jì)算的成本。,§2.3.5 網(wǎng)格計(jì)算,高性能計(jì)算的應(yīng)用需求使計(jì)算能力不可能在單一計(jì)算機(jī)上獲得，因此，必須通過構(gòu)建“網(wǎng)絡(luò)虛擬超級(jí)計(jì)算機(jī)”或“元計(jì)算機(jī)”來獲得超強(qiáng)的計(jì)算能力。元計(jì)算被定義為“通過網(wǎng)絡(luò)連接強(qiáng)力計(jì)算資源，形成對(duì)用戶透明的超級(jí)

67、計(jì)算環(huán)境”，而“網(wǎng)格計(jì)算”更系統(tǒng)化地發(fā)展了最初元計(jì)算機(jī)的概念，它通過網(wǎng)絡(luò)連接地理上分布的各類計(jì)算機(jī)（包括機(jī)群）、數(shù)據(jù)庫、各類設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備等，形成對(duì)用戶相對(duì)透明的虛擬的高性能計(jì)算環(huán)境，應(yīng)用包括了分布式計(jì)算、高吞吐量計(jì)算、協(xié)同工程和數(shù)據(jù)查詢等諸多功能。網(wǎng)格計(jì)算被定義為一個(gè)廣域范圍的“無縫的集成和協(xié)同計(jì)算環(huán)境”，它已經(jīng)發(fā)展為連接和統(tǒng)一各類不同遠(yuǎn)程資源的一種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。,網(wǎng)格計(jì)算,網(wǎng)格技術(shù)采用新型技術(shù)通過高速網(wǎng)絡(luò)連接并集成地理上分布的、異構(gòu)

68、的各種高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、大型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、數(shù)字化儀器設(shè)備和控制系統(tǒng)等各種資源聯(lián)為一體，實(shí)現(xiàn)跨地域的、分布式的高性能聯(lián)合、協(xié)同計(jì)算，為用戶提供一體化的高性能計(jì)算服務(wù)、信息處理服務(wù)和決策支持服務(wù)，充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)資源的綜合效能。網(wǎng)格計(jì)算的構(gòu)想來源于電力供應(yīng)網(wǎng)，所以其基本思想也常被表述為：“就像人們?nèi)粘Ｉ钪袕碾娋W(wǎng)中獲取電能一樣獲取高性能的計(jì)算能力”。作為一個(gè)長期的設(shè)想，網(wǎng)格計(jì)算被劃分為四個(gè)階段，分別解決容量、數(shù)據(jù)、高對(duì)用性和安全公

69、用等問題。,網(wǎng)格計(jì)算,對(duì)網(wǎng)格技術(shù)的研究可按層次劃分為網(wǎng)格應(yīng)用技術(shù)、網(wǎng)格編程技術(shù)、網(wǎng)格核心管理技術(shù)和網(wǎng)格底層支撐技術(shù)，其中對(duì)網(wǎng)格核心管理技術(shù)的研究又分為高性能調(diào)度技術(shù)、高吞吐率資源管理技術(shù)、性能數(shù)據(jù)收集分析技術(shù)和安全技術(shù)等幾個(gè)方面。,§2.3.6 網(wǎng)絡(luò)計(jì)算與GIS,目前處于試驗(yàn)階段，網(wǎng)格GIS 還有一定的特殊性：1）元數(shù)據(jù)管理和信息服務(wù)：良好地表示、存儲(chǔ)、訪問和使用大量資源信息是數(shù)據(jù)網(wǎng)格運(yùn)行的基本前提。元數(shù)據(jù)用于管理、描述、收

70、集、組織網(wǎng)格中的資源信息，用于描述資源、方法、數(shù)據(jù)集和用戶等信息。信息服務(wù)是元數(shù)據(jù)管理對(duì)外提供的基本服務(wù)，它實(shí)現(xiàn)資源實(shí)體的注冊和發(fā)布，支持資源相關(guān)性的發(fā)布，可以注冊與已注冊實(shí)體間的相互約束和相互聯(lián)系信息。網(wǎng)格GIS 中，需建立靈活的、可擴(kuò)展的信息服務(wù)體系結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)保證資源信息提供者的廣泛分布性和信息服務(wù)的分布特性，還應(yīng)保證其安全性。2）數(shù)據(jù)訪問服務(wù)：網(wǎng)格中的所有元數(shù)據(jù)構(gòu)成元數(shù)據(jù)目錄，它采用統(tǒng)一的方式來描述元數(shù)據(jù)。元數(shù)據(jù)目錄應(yīng)