５．中心节点接收各计算节点返回的任务结果，按 要求作必要的后期处理，通过Ｗｅｂ接口（Ｐｏｒｔａｌ）返 回给用户。
３ ＣＦＤ网格计算软件运行
我们采用Ｊａｖａ平台编制了ＣＦＤ网格计算管理 软件具体实现了上述功能，ＣＦＤ计算软件采用中国 空气动力研究与发展中心开发的高超平台软件。图 ４给出了网络计算资源的Ｗｅｂ界面。界面给出了网 络资源的节点地址、可运行程序的列表、运行状态等 等。节点状态分为开放、关闭和运行状态。当状态为 绿色时候，表示该节点上面正在运行任务，后面给出 运行的任务名称。
摘要：针对大规模数值计算规模化管理的难题。采用网格计算技术将网络环境下分散的计算资源组建了ＣＦＤ网
格计算环境．采用主动接入方式，以中心服务器为核心的网格计算管理和服务模式。构建ＣＦＤ网格计算环境·实
现了ＣＦＤ计算在网格环境内的自动化计算管理，提高了计算资源的利用效率，降低了设计人员的劳动强度．
关键词：网格计算；ＣＦＤＩ大规模计算
中圈分类号：Ｖ２１１．３
文献标识码：Ａ
０引 言
随着ＣＦＤ技术的日益成熟，计算能力的高速增 长，计算资源的成本快速降低，ＣＦＤ计算技术在现代 飞行器的气动设计中能够发挥越来越大和越来越深 刻的作用［１】。目前，所面临的最大问题不再是计算资 源的不足，而是如何利用好、管理好庞大的计算资源， 发挥出高性能计算资源应有的作用。两个突出的瓶 颈问题是网格生成技术和计算过程的管理和调度仍 然处于手工状态，已经不适应ＣＦＤ大规模化的需求， 阻碍了ＣＦＤ技术在工程设计上的应用ｃ２］。如果不重 视和解决这些问题，计算资源的高速增长并不会必然 带来ＣＦＤ计算质量和计算效率的双重提高。
美国是世界上信息资源最发达的国家，ＮＡＳＡ 很早就面临大规模计算引入工业设计系统的障碍。 为此，ＮＡＳＡ在２００１年开展了ＣＩＣＴ计划，其目的就 是确保ＮＡＳＡ在融合数字技术方面继续保持领先地 位。其中的ＣＮＩＳ（Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ ａｎｄ Ｉｎ－ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ）子计划的核心就是试图将地面、 空中和太空中的各种分布式信息资源整合在一起， ＣＦＤ计算人员能够方便地进入和利用这些信息资 源，同时资源对工程科研人员又是透明的。这样将利 用计算资源和管理计算资源分开，在提高保密性的同 时降低了普通用户利用资源的难度，使其可以将精力 放在他们需要勰决的问题上。该计划当时提出的里 程碑式目标是：借助新技术的应用，在７天时间内，能
．．．高效。网格通过集中管理和调度，提高现有计 算设备的使用率，可以有效降低用户平均等待时间， 实现总体计算成本的降低。
下面将介绍我们如何利用网格计算技术，构建 ＣＦＤ网格计算环境的技术路线。
２ ＣＦＤ网格计算结构框架
图１给出了所用网格结构框架图。一台独立服 务器作为中心管理器，其作用为：①掌握各种计算资 源的状态，②接受来自用户端提交的各种计算任务和 指令，③向各个可用资源调配计算任务，④监控计算 任务的进程状态。中心服务器上还需要建立一个数 据库，存储各种信息。数据库由５个关联数据库表组 成，表１给出了数据库采用的关系数表和相对应的功 能。数据库包含５个表格，分别存储和管理用户基本 信息、计算资源信息、用户提交任务信息、不可分割的 最小计算任务信息和计算资源上所能提供的计算服 务信息。上述５个数据库构成了进行计算任务管理 和调度的基础信息。
图５用户工作界面 Ｆｉ＆５ Ｕｓｅｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ
图７答错机碉 Ｆｉｇ．７ Ｆａｕｈ－ｔｏｌｅｒａｎｔ ｍｅｃｈｎａｉｓｍ
第２７卷
行计算任务管理和调度的基础信息。 图２给出了网格计算基本功能的模块结构图。
网格计算的任务流程如下：
一一一
～｜ 湖息中心
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ｈ■日口■ ■●■
图２冈格计算基本功能模块 Ｆｉｇ．２ Ｅｌｅｍｅｎｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ ｆｏｒ ｇｒｉｄ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ
１．Ｐｏｒｔａｌ为用户提供了浏览器方式的操作界面， 选择工作的处理软件，并通过Ｗｅｂ网页接口提交工 作模版和任务列表。整个Ｐｏｒｔａｌ采用静态ｈｔｍｌ和 Ｊａｖａ Ｓｅｒｖｌｅｔ相结合的技术，实现前端与后端的跨平 台无缝结合。考虑到这是一个实验性网格系统，所管 理的计算资源不会超过１００个节点。服务器的负载 测量不大，直接用ａｐａｃｈｅ－ｔｏｍｃａｔ作为Ｗｅｂ Ｓｅｒｖｅｒ及
第Ｚ７卷第６期 ２００９年１ ２月
文章编号ｌ ０２５８－１８２５１２００９）０６－０６９６—０５
空气动力学学报ＶｏＩ．２７．Ｎｏ．６
ＡＣＴＡ ＡＥＲｏＤＹＮＡＭｌＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｄｅｃ．，２００９
网格计算技术在大规模ＣＦＤ计算上的应用
蔡巧言１，杜 涛２
（１．西北工业大学航空学院，西安７１００７２１２．中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京１０００７６）
图４网络计算资源界面
Ｆｉｇ．４ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ｆｅ翻孤ｌ凇ｉｎｔｅｒ／ａｃｅ ｏｆ ｇｒｉｄ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ 计算资源并非ＣＦＤ专用机器，只在空闲时间做 为ＣＦＤ计算资源接入网格系统。因此在计算资源上 加装了一个触发器软件，打开前端触发器，该计算资源 才被接入ＣＦＤ网格计算系统，供ＣＦＤ计算调度使用。 图５给出了用户工作界面。界面上列出了保存 在数据库中的，用户已经完成的任务和正在运行的任 务。每个工作任务的ＩＤ必须唯一指定，绝对不能重 复，这里采用了ｌＤ名中含有任务上载时刻距离１９７０ 年１月１日的秒数，保证ＩＤ的唯一性。界面上同样 给出了工作的状态。可以手工对任务进行操作：删 除、暂停和下载任务。每个ＩＤ任务可以指定任务的 级别，级别越高的任务将优先计算，最高级别的任务 可以强行抢占所有可用资源，随着任务级别的降低， 任务获取计算资源的机会逐渐降低。 ＩＤ并不是可执行任务的最小单位，ＩＤ只是提交
Ｆｉｇ．１
圈１ 网格计算框架结构图 Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｃｈａｒｔ ｆｏｒ ｇｒｉｄ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ
裘ｌ数据库衰 ＴａｂＩｅ ｌ Ｔａｂｌｅ ｏｆ ｄａｔａｂｍｅ
编号数据库表格
功能
不可分割的最小计算任务信息和计算资源上所 能提供的计算服务信息。上述５个数据库构成了进
万方数据
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空气动力学学报
日本是世界上最重视ＣＦＤ技术在航天工程领域 应用的国家。从２０世纪９０年代起，ＪＡＸＡ用于ＣＦＤ 计算的专用计算机的计算能力一直排名全球高性能 计算机的前几名，甚至一度排名世界第一［５］。ＪＡＸＡ 认为计算任务的调度和管理是高效率高运行巨型计 算资源的关键性问题［１］。为此，他们在十万亿次量级 的第三代的Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ（ＮＳ－－ＩＩＩ）开发了智 能化的任务调度系统ＮｓＪＳ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ Ｊｏｂ Ｓｃｈｅｄｕｌｅｒ）系统，采用统一的方式有效地降低了 管理队列和资源方面的浪费［１］。
Ｓｅｒｖｌｅｔ Ｃｏｎｔａｉｎｅｒ；
２．中心节点收到用户请求，对任务进行前期处 理，生成一个任务事件Ｔａｓｋｌｎｆｏ，将其交给Ｒｏｏｔ－ Ｎｏｄｅ的任务管理模块处理。任务管理模块将Ｔａｓｋ 按照优先级插入到任务队列ＴａｓｋＱｕｅｕｅ中，
３．系统循环地每次从队列当前指针位置取下一 个任务进行处理，处理失败后将该任务移至对尾；处 理成功则将该任务的分配信息添加到Ｒｏｏｔ节点维 护的已分配任务向量数组中，然后更新数据库中的 Ｔａｓｋｓ表，设置分配时间，最后将分配的原子任务发 送到相应的计算节点，同时启动对该ｔａｓｋ的监控线 程，管理过程见图３Ｉ
从队列取任务
＜愈 Ｉ 坌墼壁釜 圭！曼墨
．
分配信息加入 ＴａｓｋｓＤｉｓｐａｔｃｈｃｄｊ
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Ｉ 更新数据库
发送任务到计算节点
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图３任务调度流程示意图
随３ Ｓｋｅｔｃｈ ｍａｐ ｏｆ ｕｍｋ嘲ｉｇｎｍｅｎｔ ｆｌｏｗ
４．底层网格计算节点接收到中心节点分配的原子
任务，分解任务然后调度软件执行计算处理，计算过程 中响应中心节点的一些任务监测请求，返回相关信息 并定期返回计算中间结果，计算结束后返回结果；
首先我们从计算的专业角度来分析工程型号设 计所需要的大规模ＣＦＤ计算任务的特点：
．．．属于计算密集型应用，ＣＰＵ资源消耗量高， 单次作业计算时间长，任务可分割、且没有频繁通信；
．．．传统的单机作业排队运算会造成负载不均衡， 一台机器为很多作业提供服务时，其他机器却空闲， 系统的整体效率不高，
．：◆普通的计算环境缺乏整体管理和统一协调，不 能很好地在不同任务和用户之间协调，资源无法充分 利用，用户平均等待时间较长Ｉ
万方数据
第６期
蔡巧言等：网格计算技术在大规模ＣＦＤ计算上的应用
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１ ＣＦＤ应用问题分析
在大气层内飞行的飞行器的研制过程中，气动布 局设计需要提供飞行器在各种飞行条件下（高度、马 赫数、攻角、舵偏等等多种因素）的气动特性数据库供 控制系统设计使用。这样得到的气动状态矩阵将是 非常庞大的。随着高性能计算机的出现，大规模 ＣＦＤ计算成为可能，国外提出了完全采用ＣＦＤ计算 建立飞行器气动数据库的概念［‘】。在工程研制上实 现这一概念，面临的最大瓶颈问题是海量ＣＦＤ计算 任务在大规模计算资源上的调度和管理问题。同时 最终用户不可能都是计算专家，直接面对和使用巨型 机，存在很大的技术困难。ＣＦＤ计算任务传统的手 工管理方式必须向计算任务的自动管理和自动调度 方式转变。否则大规模计算资源不一定必然带来高 效率的计算。这里，我们考虑引进网格计算技术来解 决上述问题。
在本文中，将介绍我们采用网格计算技术，将办 公用计算机资源整合，实现自动管理ＣＦＤ的计算过 程。通过采用网格计算技术后，降低了人工劳动强 度，提高了机器资源的利用效率。
·收稿日期：２００８－０８－０１ ｌ 修订日期：２００９－０９—２３ 作者简介：蔡巧肓（１９６８－）。女．河北人．研究员，在读博士生．主要从事大气层飞行器气动设计和热环境研究工作．