（计算机应用技术专业论文）面向水泥仿真的网格体系结构及服务实现.pdf

济南大学顽士学位论文 摘要 随着计算机在各行各业的广泛应用，其高速运算的特点为其他学科的研究开辟了 新的领域，计算材料学就是其中之一。早在9 0 年代初期，就有国外的相关研究人员 在对水泥扫描电镜图像和x 射线图像进行处理后，用计算机重构水泥样本的三维微 观结构，进而对水泥材料的水化过程进行仿真。这一技术的出现使材料科学的研究跳 出了传统的“炒菜法”( 仃i a l e 盯o r ) ，而发展为基于原理的方法，缩短了新材料研制的时 间，降低了人力物力。然而，随着材料结构及反应环境的复杂化，原来的单机计算模 式已经难以满足更复杂的计算要求，这就需要一种更强大的计算资源平台的出现。 本文结合目前信息科学领域最前沿的网格计算技术，在现有硬件及软件实验环境 下，搭建了面向水泥仿真的网格计算平台，并在该网格平台上部署了安全体系、提供 了水泥水化模拟服务，为水泥仿真计算提供了一个性能更强大的计算平台。主要研究 内容包括以下四个方面： 首先，构建水泥数字图像数据库。集合前期采样、实验得到的大量水泥数字图像 及其采样点对应的能谱图，构建水泥数字图像库，为绿色建材数据库的开发和后期的 研究提供了充足的实验数据。 然后，规划并实现网格体系结构。在济南大学现有的曙光t c 一3 0 0 0 、t c 1 7 0 0 高 性能计算节点和l i n l l ) 【机群系统的实验环境下，安装g l o b u s 相关工具包，构建基于 开放网格服务的体系结构。我们参考了美国军方的s fe x p r e s s 项目，构建了由模拟器、 路由器、网关和数据服务器四层设备组成的树形结构，并在每个模拟器节点上部署 g l o b l l s t 0 0 u 【i t 4 0 ，为网格应用提供了开发和实现平台。 随后，在此平台上部署g l o b u s 安全体系，为网格环境的运行提供安全保障。包 括部署面向证书颁发、证书签名的身份认证服务：开发组件程序提供客户代理凭证管 理，以实现用户的单点登录；利用) 洲l 安全技术开发组件程序，提供文档分层加密 与签名管理等。 最后，定制实现水泥仿真的网格服务。将网格信息发现、网格资源定制和网格文 件传输技术与单机环境下模拟水化过程的程序相结合，针对网格环境下并行计算的特 点对水泥仿真的过程进行任务的划分，并向网格上各计算节点提交计算任务，实现网 格环境下的水泥仿真。 该项目建成了国内首个面向水泥材料设计的网格实验平台，并为今后在网格环境 下实现其他计算密集型任务提供了有效的解决方案。 关键词：网格计算，安全体系，三维重构，水泥水化 面向水泥仿真的网格体系结构及服务实现 a b s t r a c t t 1 1t l l e 、v i d e 印p l i c a t i o r i so fc o m p u t e r 也el l i g hs p e c dc b a h i c t e rh a sd e v e l o p c dm a n y n e wr c s e a r c hf i e l d sf o rm ea t l l e fs u b i e c 乜，f o re x 锄p l et 1 1 ec o m p u t a t i o n a lm a t e r i a l ss c i e n c e a so f 也eb e g i i 幽go f9 0 m ，s o m es c i e n d s t sh a de m u l a t e dt h ep r o c e s so fc e m e mh y d f a t i o n b a s e do nt h es c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ya n dd i g i t a ii m a g ep r o c e s s i n g t h i s t e c h n o l o g yr e p l a c e dt h e “tr i a l - e r r o r ”m e t h o d ，c u tt h ep r o c e s ss h o r ta n de c o n o m i z e d t h er e s 6 u r c e s b u tt h i se m u l a t i o nm o d ec a n tf o l l o wt h es t e pw h e nt h es t r u c t u r eo f m a t e r i a la n de n v i r o n m e n to fh y d r a t i o nc a m et om o r ec o m p l e x 。s ow en e e dam o r e p o w e r f u lc o m p u t i n gp l a t f o r m t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h eg r i dc o m p u t i n gt e c h n o l o g y w ed e s i g n e dt h eg r i d c o m p u t i n gp l a t f 0 肌f o rt h ec e m e n te m u l a t i o na n dm a d ei tw o r k a b l eb a s e do nt h e h a r d w a r e 、张h a da n dt h es e c u r i t yi n f r a s t r u c t u r ew ei m p l e m e n t e d t h e r ea r ef o u r f h c e t sp r i m a f yc o n t e n t sa r er e s e a r c h e di nt h i sp a p e r ： 1 b u i l dt 1 1 ed a 诅b a s eo fc e m e n td i g i t a li m a g e s w ea g g r e g a t e dt h ec e m e n td i g i t a l i m a g e sa n d 也ep o w e rd a t a 弘w e uw h i c hw eg o ti n 也ee x p e r i m e n t sw er m l d e e a r l i e lt u sd a t a b a s ei sp a no ft 1 1 eg r e e nb u i l d i n gm a t e r i a ld a 诅b a s e ，s oi tw i l l o 丘he n o u g hd a t af o rm ee x p e 曲e n t sl a t e l 2 d e s i g nt l l e 面da r c h i t e c t u r ea n dm a ：k e i ti i r l p i e m e n t e d b a s e do nm e l l i 曲- p o w e r e dc o m p u t i n gn o d e sd a 、v i lt c - 3 0 0 0 ，t c 1 7 0 0a 1 1 dl i n u xc o m p u t i n g g m u “w es e n l pm e g l o b l l st o o l 虹t sa 1 1 db u i l tt 1 1 e o p e ng r i d s e r v i c e a r c l l i t e c t u r e w bc 0 i l s u i t e d 1 es fe x p r e s si t e mw l l i c hb e l o n g st ot 1 1 ed e f e n s e a d v a n c e dr e s e a r c h p r o j e c t sa g e n c y a n di n l p l e m e d t e do u ro w ng r i d e n “r o 蛳e n t 、i t l lf o u r l a ”f s s i m u l a t i o n s ，r o u t e r s ，g a t e w a y s a n d d a 协一s e r v e r s w ea l s 0d e p l o y e dg 1 0 b u st o o l k i t s 4 oo ne v e r yc o m p u 曲gn o d e s o n t i l eg r i d 3 d e p l o yt 1 1 e 鲥ds e c 耐t ) rm f 觞m j c t i l r eo nt h e 酣dp l a t f o r i l la n d 鲫p p o r ts e c u r i t y s e r v i c e s i tc o n s i s t e do f c r e a 血g c e r t i f i c a t e s ， s i g 匝n g o nc e r t i f i c a t e ， a u m e n t i c a t i o ns e r v i c e sf o rm ec e n i f i c a t e s w ed e v e l o p e dg r o u p w a r ec o d e st o o 疗苛p r o x yc r e d e n t i a lm a l l a g e m e n ll a y e r e ds i 曲a t u r e 锄di a y e r e de n c r y p t i o n 4 p e v e l o p 鲥ds e n ，i c e so fc e m e me m u l a t i o n w br e s c 删l e d 鲥di i l f o m l a t i o n d e t e c t i o n ，m a n a g e m e n to f 鲥dr e s o u r c e s 锄d9 a i l s m i s s i o i l so ff i l e so i it h e 鲥d w bd i “d e dt l l ee n l u l a t j o n 、v o r ka n ds c p a r a i e dt l l e mo nm ec o m p u t i n gn o d e s ， t h e nw ei m p i e m e n t e dt h ec e m e n te m u i a t i o no nm e 鲥de n v i r o m e n t sp r o j e c td e v e l o p c dt l l ef l r s tg i i dp l a t f o mf o rc c m e n tm a t e r i a ld e s i g l li no u r c o u n 廿ya n di t 、“l ls u p p o r tm eo 山e rc o m p u t i n gd e l l s ep r o j e c t so nt h er e s o l v e n t k e y w o r d s ： g 咖c o m p u t 抽吕s e c 谢t yi n 丘a s t n j c t u r e ，3 一dr e c o n s 咖c 曲n ，c e m e n th y d r a 舶n i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：日期：塑! 墨丝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) ：扭聊躲肄鼢型。 巨 济南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景与目的 1 1 1 计算材料学的发展 随着计算机及计算技术的飞速发展，计算实验科学与许多学科领域交叉并兴起新 的分支。如象物理科学中除理论物理、实验物理外，正在发展的计算物理、材料领域 也在材料科学与材料工程基础上，发展出计算材料学。计算材料学的主体是材料性能 的预测与模拟、材料设计和工艺仿真。计算材料学的兴起有其深刻的经济、科学与社 会方面的原因。首先微电子、光电子器件的制造水平已迫近亚微米，而在原子、分 子层次计算与模拟材料的尺度也快速地上升到亚微米尺度。其次，电子显微镜和近场 扫描显微镜已有能力提供在原子、分子层次的物质或材料的直观图像，这与计算模拟 的水平完全匹配：第三，兼有丰富材料研制经验和强大计算能力的美国国家实验室率 先在计算材料学的几个方面取得突破【”。 在计算材料学领域，除了日益增多的流程参数的计算机控制外，通过计算机摸拟， 深入研究材料的结构、组成及其在各物理、化学过程中微观变化机制以达到材料成份、 结构及制备参数的最佳组合，即以材料设计为目的己成为材料科学发展的前沿热点。 这是由于，计算机不但可以模拟现实中不能或很难实现的实验，而且可以模拟目前实 验条件下无法进行的原子及以下尺度的研究等等；另外，计算机模拟可以验证已有理 论，并且可以根据模拟结果修正或完善已有理论，进而可以从模拟研究结果出发来指 导、改善实验室实验。因此，计算机模拟已成为除实验和理论外解决材料科学中实际 问题的又一个重要组成部分，使材料科学的研究跳出了传统的“炒菜法”( m a l - e h d r ) 而 发展为基于原理的方法。 1 1 2 水泥水化微观结构模型的研究现状 用计算机模拟水泥水化过程及其微观结构是计算材料学的一个重要组成部分。水 泥的水化是一个非常复杂的物理化学变化过程，由于颗粒大小不均( 差别较大) 、形 面向水泥仿真的用格体系结构及服务实现 状复杂以及多物相等特性，使得水泥颗粒的数字表示变得十分复杂。而研究水泥的水 化硬化过程、水化产物以及硬化水泥浆体的组成和结构又对水泥的生产和使用具有重 要现实的意义。总结前期的研究成果，我们已经可以实现在得到二维扫描电镜图像、 x r 丑y 图像的基础上重构三维微观结构并利用细胞自动机理论结合水泥水化的物理 化学规则对水泥水化的微观过程进行三维动态模拟，揭示微观结构与性能之间的关 系，为我们提供了一种能够对水泥材料进行分析与设计的方法和工具。然而，水化过 程中颗粒反应的局部性、环境因素对反应整体影响的复杂性，决定了该模拟过程必将 是一个高计算强度的过程，需要多计算结点的并行协同工作才能更真实地再现水化反 应过程。 本课题以曙光t c 3 0 0 0 、t c 1 7 0 0 高性能计算机为核心，经适当扩充后同基于i a 架构的l i n u x 机群系统以及s u n 、h p 的小型机朋务器相结合，基于开放网格服务体 系结构o g s a ( o p e n0 r i ds e r v i c ea r c l l i t e c t i l r e ) 构造面向水泥仿真的分布式计算网格 结点，并在该分布式结点上开发具有行业特色的网格应用和服务，为计算材料学的大 规模计算需求提供了一个安全高效的计算平台。 1 2 课题技术方案及创新之处 本课题将基于g l o b u st o o l l 【i t4 o 工具集搭建网格计算平台，并配置开发安全体系、 信息服务机制、资源管理机制和数据移动机制，在此基础上将三维重建得到的水泥微 观结构进行水化模拟，完成水泥仿真服务在网格计算平台上的实现。 首先，集合前期工作中采集到的大量水泥数字图像及其能谱图，建立水泥数字图 库。 然后，在高性能计算结点上布置o g s a 体系，安装g l o b u st o o l l d t4 o ；通过 o g s a d a j 客户端工具包开发安全网格服务，包括c a 的配置、证书的申请和用户代 理技术；应用x m l 安全技术，开发负责文件分层加密与签名的组件程序；配置信息 服务m d s ( m 呦c o m p u t i n gd i r e c t o r ys e r v i c e ) 处理网格环境中信息的发现、注册、查 询、修改等工作；配置网格资源分配管理者g r a m ( g r i dr e s o u r c ea l l o c a t i o n m a i l a g e r ) 处理资源请求、资源分配；配置g 耐f 1 甲，处理网格计算环境下的数据移动。 最后，将三维重建得到的水泥微观结构在空间上进行划分，并修改原有水化模拟 程序，使之成为适合于网格环境并行运算的网格服务，继而进行水泥水化仿真。 2 并南大学硕士学位论文 本课题的特点在于研究的对象是水泥的水化过程，由于水泥的微观结构、水化反 应过程都相当复杂。需要考虑的环境因素很多，这就要求我们采用不同于以往的计算 方法来解决这一问题。 本课题的创新之处在于，首先，创建了包括5 2 5 0 张水泥切面扫描电镜图像及部 分采样点能谱图的水泥数字图库，并且提供了按型号、按水化时段、按名称等多种查 询途径同时提供数据修改及维护的接口，向着“创建绿色建材数据库”的目标迈进了 一大步； 其次，构建了适合于该项目环境的网格安全体系，开发了代理凭证管理模块、文 件分层加密及签名模块等，为网格项目的实施提供了一个安全平台： 最后，通过在空间上划分水泥微观结构并修改原有水化模拟程序，将原有仿真过 程的计算平台由单机计算移植到网格平台上实现并行计算，提高了计算效率和仿真的 准确性，同时也为今后在网格环境下实现其他计算密集型任务提供了有效的解决方 案。 1 3 论文组织结构 本文从介绍水泥仿真的理论基础展开，介绍了前期工作中通过处理二维扫描电镜 图像和x r a y 图像得到水泥微观结构描述文件的技术路线。对该技术原始的单机计算 模式提出了修改意见，并结合网格技术发展现状，提出将计算平台移植到网格体系结 构上的方案。随后，描述了架构网格及其安全体系的技术路线。再后，详细论述了定 制水化仿真网格服务的过程及其间用到的技术。最后，对仿真结果进行分析。 文章第一章为绪论，对本课题的研究背景、主要研究内容以及创新点进行总结叙 述：第二章是对水泥仿真技术的概述，论述了水泥仿真技术的发展现状及相关研究进 展，并结合本课题，提出了对已有技术方案的改进意见；第三章对网格技术的发展历 程、发展现状及本课题中用到的关键技术进行了论述；第四章介绍了开展本课题的相 关硬件及软件环境，介绍了水泥数字图库的建设；第五章详细介绍了水泥仿真网格体 系结构的规划以及安全体系的设计与实现，包括实现身份认证、代理凭证管理、文件 的分层加密与签名。第六章详细描述了在网格环境下定制并实现水泥仿真网格服务的 过程，包括描述仿真服务、发现网格资源、移动所需数据文件、提交实验数据等；最 后一章为本文的总结。 3 面向水泥仿真的网格体系结构及服务实现 第二章水泥仿真的理论基础 2 1 水泥仿真技术概述 2 1 1 水泥的水化过程 水泥是多矿物的聚集体，与水的相互作用也比较复杂。我们在前人研究的基础上， 可将硅酸盐水泥的水化过程概括如下：水泥加水后，c 3 a 立即发生反应，c 3 s 和c 4 a f 也很快水化，而c 2 s 则较慢。普通硅酸盐水泥中硅酸三钙和硅酸二钙占水泥熟料矿物 含量的7 6 左右，因此，混凝土的性质很大程度上取决于硅酸钙的水化及其生成物的 性质。其水化反应化学式表示如下： 2 ( 3 c a o - s i 0 2 ) + 6 h 2 0 一3 c a o 2 s j 0 2 3 h 2 0 + 3 c “o h ) 2 “( 武2 1 ) 2 ( c 2 s h h 2 0 斗c 3 s 2 h 3 + c a ( o h ) 2 ( 式2 2 ) 2 ( c 2 s ) + 6 h 2 0 c 3 s 2 h 3 + 3 c a ( o h ) 2 ( 式2 3 ) 水泥中的铝酸三钙和铁铝酸四钙等物质也具有类似的水化反应。由上述化学式可 以看出，所有水泥矿物成分的水化反应均生成凝胶和碱性物质c “0 h ) 2 ，并将自由水 分子变为结晶水。 随着水化反应的继续，水泥浆中的c o h ) 2 溶液浓度越来越大，而自由水分子越 来越少。当自由水分子少到一定程度，包有凝胶体的颗粒逐渐接近并黏结在一起，水 泥浆开始失去塑性，开始凝结。在电镜下观察，几分钟后可见在水泥颗粒表面生成钙 矾石针状晶体、无定形的水化硅酸钙以及c o h ) 2 或水化铝酸钙等六方板状晶体。 由于钙矾石的不断生成，使液相中的s 0 4 2 。离子逐渐减少并在耗尽之后，就会有单硫 型水化硫铝酸钙出现。如石膏不足，还有c 3 a 或c 4 a f 剩留，则会生成单硫型水化 物和c 4 ( a 、f ) h 1 3 的固液体，甚至单独的c 4 ( a 、f ) h 1 3 ，而后者再逐渐转变成稳 定的等轴晶体c 4 ( a 、f ) h 6 。 综上所述水泥的水化过程可简单的划分为如下的三个阶段，即： 1 钙矾石形成期：c n 率先水化，在石膏存在条件下，迅速形成钙矾石。 2 c 3 s 开始迅速水化，大量放热。当然c 2 s 与铁相也以不同的程度参与了这两 个阶段的反应，生成相应的水化产物。 济南大学硕士学位论文 3 结构形成和发展期：放热速率很低，趋于稳定。随着各种水化产物的增多， 填入原先由水所占据的空间，再逐渐连接，相互交织，发展成硬化的浆体结构。 水泥加水拌成的浆体起初具有可塑性和流动性。随着水化反应的不断进行，浆 体逐渐失去流动能力转变为具有一定强度的固体，称为水泥的凝结和硬化。水化是 水泥产生凝结硬化的前提，而凝结硬化则是水泥水化的结果。从整体上看，凝结与硬 化是同一过程中的不同阶段，凝结标志着水泥浆失去流动性而具有一定的塑性强度。 硬化则表示水泥浆固化后所建立的结构具有一定的机械强度【2 】。 要对水泥水化和硬化的颗粒进行三维重构，则必须了解水泥浆体的组成和结构。 硬化水泥浆体是一非均质的多相体系，由各种水化产物和残存熟料所构成的固相以及 存于孔隙中的水和空气所组成，所以是固- 液气三相多孔体。水化产物本身的化学组 成和结构虽然深刻影响硬化浆体的性能，但各种水化产物的形貌及其相对含量在很大 程度上决定着相互结合的坚固程度，与浆体结构的强弱密切相关。硬化水泥浆体中既 有固相的水化产物和未水化的残存熟料，又有水或空气充填在各类孔隙中，所以是非 均质的三相体系。其中作为最主要的水化产物，不但化学组成各异，而且有不同的形 貌：纤维状、棱柱状或棒状、管状、粒状、板、片或鳞片状，以及无定型等多种基本 型式。因此硬化水泥浆体的结构远非均匀，相当复杂，但必须从组成、形貌、构造等 各个方面、从不同层次进行理解【3 1 。要研究和预测硬化水泥浆体的性能，就应该对浆 体结构有更为全面的认识，所以重构水泥水化过程的三维结构对研究水泥性能具有一 定的意义。 2 1 2 二维图像的获取 最近几年，扫描电镜( s e m ) 和x 射线( x r a y ) 图像应用于水泥材料的特性描 述上已取得了长足的发展，它已成功的应用于水泥渣、水泥粉末和水泥浆体的水化过 程中。s e m 和x - r a y 微观分析技术已用于识别波特兰水泥熟料的四种主要物相。首 先要得到二维s e m 图像，为此要准备刨光的样本，为观察二维扫描电镜图像做准备。 将水泥样品放入电镜中进行观察，同时收集x - r a y 和背散射电子的信号，如钙、硅、 铁、硫、钾、镁等物质的信号。因为x - m y 和背散射( b e ) 可阻进行同一点的观察， 所以可以决定二维图像中的每一像素点的矿物组成。在背散射图像中，亮度与物相所 面向水泥仿真的网格体系结构及服务买现 含的原子数成正比，图像中物相从亮到暗依次为c 4 a f 、c 3 s 、c 3 a 、c 2 s 、g y p 圈皿、 环氧树脂。由于背散射图像很微弱，所以图像中含有很多噪声，我们将同一区域的多 幅背散射图像求平均，以减少噪声。物相的识别可以通过分析灰度直方图( 每一灰度 级别内像素的数目) 对背散射图像进行分类而得到，但是正确的物相分析不能只依赖 于对背散射图像的分析，许多物相如c 3 a 和c 2 s 具有几乎相似的原子数，而它们的 化学组成却相差很大。所以我们要将背散射和x r a y 图像结台起来【4 ”。图2 1 ，2 2 为 背散射图像和四种物相的x 射线图像。 图2 1 水泥样本的背散射图像 图2 2 对应的关于钙、硫、铝、铁的州线图像 6 济南大学项士学位论文 将背散射图像和x 射线图像相结合，确定每一像素所对应的物象并加以颜色来区 分。得到如下的二维数字图像h 】【蛔。 图2 3 经过分类后得到的水泥颗粒样本图像 2 1 3 三维图像的重构 重构对象的三维图像有两种主要的技术手段：表面透视和体积透视。表面透视显 示了物体表面的三维图像，内部为中空的，图像内部的数据都丢失了，而且通过各种 数学的插值方法重构出的物体表面与实际物体表面有相当大的差距。而体积透视则使 用了先进的软件技术显示物体结构的内部和表面，可以理解对象的结构，也是便于自 动操作和分析。三维重构主要针对的是表面重构，如最典型的例子是通过几幅断层图 像重构出给定器官的三维外部形状嘲。目前，三维重构主要用于医学诊断和人面造型 中，用于水泥水化过程的三维重构还很少。 2 2 相关研究进展 2 2 1 利用细胞自动机理论对水泥水化微观结构进行三维模拟 该模拟算法从经过分类后得到的水泥颗粒样本图像入手，认为二维图像是三维结 构中厚度为一个像素的抽样切片，而且水泥颗粒是各向同性的，所以可以利用这个抽 样的特征来恢复水泥样本的三维结构。在二维分类数字图像中可提取的参数有：颗粒 7 面向水泥仿翼的同格体系结构及服务实现 数目、颗粒的尺度分布、水灰比( 黑色和非黑色像素之比) 、边界像素比( 与黑色像 素相邻的非黑色像素和所有非黑像素之比) 、各种物相的含量比、各种物相的边界像 素比等。这些参数是重建三维图像的依据。然后，选定二维图像中的一个像素点，判 断其物相后，按照细胞自动机理论在三维空间中循环生长这个像素点，直至颗粒的尺 度分布、水灰比、物相含量比、物相边界像素比等各项参数满足之前的计算结果【6 】。 2 2 2 利用颗粒结构分布描述文件对水泥微观结构进行三维模拟 2 0 0 0 年4 月，美国“虚拟水泥与混凝土测试实验室”( v c c t l r n l a lc e m e n ta n d c o n c r e t et e s t i i l gl a b o 咖) 的d “ep b e n t z 完成了对其前期发布程序的升级，正式 推出名为c e m h y d 3 d ：a1 1 l r e e d i m e 璐i o n a 】c 锄c n th y d r a t i o na 1 1 dm i c r o s t m c t u r e d e v e l o p m e n tm o d e l l i n gp a c k a g e v e r s i o n2 o 的程序开发包，为水泥水化模拟提供了 套可执行程序。该程序包所能实现的功能包括了“水泥相位微观结构开发( c e m e n t p 褐把r n i c r o 咖c t i l r ed e v e l o p m e m ) ”和“模拟水泥水化( s h u l a t i n gc e m e mh y d r a t i o n ) ”。 而完成这两项工作的前提条件都是水泥三维微观结构模型的构建m 。这一构建过程的 实现步骤体现在下面几个程序上： 图2 4c e m h y d 3 d 程序关系图 8 并南丈学硕士学位论文 程序g e n p a 咖e w 的功能是，在初始化水泥微观结构图像的过程中，对于每种颗粒 成分按照其相对应的“颗粒尺度分布( p s d ) ”文档( 该文档可以由用户自定义，也可 以调用预存储在系统中的现成文档) ，将数字化后的球形颗粒排布在一个数字化的三 维空间当中，通常每边1 0 0 个像素。这其中可以考虑进去的颗粒种类包括水泥及f 随 机) 硫酸钙( c e m e n t ) 、石膏( d i h y d m t e ) 、半水合物( h e m i h y d r a t e ) 、无水石膏( a l l i l y d r i t e ) 、 火山灰( p o z z o i a n ) 、惰性成分( i n c nf i l i e r ) 和飞灰( f l y a s h ) 七种。 程序m d 3 d 的功能是，将已经在空间中分布好的硅酸盐颗粒按其硅含量分为c 3 s 和c 2 s 两种，铝酸盐颗粒按其铝含量分为c 3 a 柚dc 4 a f 两种。每次程序运行，用户 需要指定是要将哪种相位细分以及分解时的具体值为多少。为实现这一过程，b e n t z 在系统中引入了s i l ，c 3 s ，c 4 f 三种文件，其中代表一种水泥型号，也就是说， 对于每种水泥，都存在这样三个文件，用于对相位成分的分解。 程序s t a t 3 d 的功能是，在每个处理阶段都可以对当前的三维微观结构图像文件进 行相关数据的统计。并将统计结果返回给用户。 程序s i n t e r 3 d 的功能是，读取用户输入的目标水化半径后，将交换两个指定相位 的像素以使第一个相位获得指定的水化半径。 以上程序的作用都是通过对二维扫描电镜图像的分析，重构一个水泥三维模型的 过程。而通过模型进行水化模拟，则是由程序d i s r e a l 3 d 来完成的。该程序读取一个 重构好的三维模型文件( i i i l g ) ，在该三维模型中加入单像素颗粒，然后由用户指定 水化模型执行的循环次数、反应条件、循环频率、反应温度等水化参数，然后完成水 化模拟，得到最终水化后的三维模型( i n l g ) 【8 1 。 本课题即参考了c e m h y d 3 d 程序包的实现思想，将其对水泥水化模拟的过程经 过适当修改，定制成网格服务，实现了水泥仿真在网格结构上的并行计算。 9 面向水泥仿真的网格体系结构及服务实现 第三章网格计算概述 3 1 网格计算的发展历程 网格( 嘶d ) 是近年来国际上兴起的一种重要信息技术，是继互联网的前两个浪潮 i n t c m e t 和w 曲之后，国际科技界正在酝酿的第三次浪潮。从美国、欧洲、日本等 发达国家到中国、印度等发展中国家，都在启动大型网格研究计划，并得到了产业界 的大力支持。其主要特点是把分布在不同地理位置的计算资源、存储资源、信息资源、 知识资源、专家资源及各种信息获取设备等都连接成一个整体，整个网格如同一台巨 大无比的计算机，实现互联网上所有资源的全面联通，实现网络虚拟环境上的资源共 享和协同工作，向每个用户提供一体化的服务。 网格的概念最早是由i a i if o s t e r 于1 9 9 8 年出版的“t h eg r i d ：b l u e p r i mf o ra c o m p u t i l l gi 心a 咖c t u r e ”中给出的：计算网格就是可以提供可靠、一致、普遍性以及 较为低廉的的访问高端计算资源的软件与硬件的基础结构f 9 】。 2 0 0 0 年i a l lf o s t e r 总结了网格所要着重解决的问题：实现对等资源共享和解决动 态的，分布式的虚拟组织所遇到的问题。2 0 0 2 年，i a l l f o s t e r 又给出了关于网格的三 个准则：1 ) 资源是非集中管理的：2 ) 使用标准、开放、通用的协议接口；3 ) 提供 远大于网格组件总和的、非同一般的服务质量。虽然i a n f o s t e r 给出了关于网格的三 个准则，但正如他所指出的现在关于网格的概念还比较混乱。但无论如何，网格计算 旌脱胎于分布式计算，同时分布式计算也是开展网格计算应用研究的最好的实验床。 i b m 在2 0 0 1 年将网格计算的概念推入市场。i b m 当时对用户描绘了下面的远景： 网格是诸多节点的动态连接体，在每个节点上，都是现存的一个或多个企业或其他机 构的i t 资源，比如硬件、软件和数据库等。网格技术可以通过一定的方式整合这些 资源，在已有的连接体中，实现c p u 、存储和数据库等计算资源的动态麸享。 m m 提出网格概念后，国外许多政府部门、研究机构、跨国公司和著名大学的许 多科研人员纷纷做出响应从事网格计算系统的研究，已经开展了许多论坛、实验环境 和研究项目。较有代表性的网格计算项目包括：实验床、g l o b u s 项目、l e g i o n 项目、 1 0 并南丈学硕士学位论文 g l o b e 项目、n e t s o l v e 项目、j a v a l i i l 项目等。 由全美1 2 所大学和研究机构参与的g l o b l l s 项目在网格计算研究中做出重大贡 献。0 l o b u s 是美国a 唱o n n c 国家实验室的研发项目，g l o b u s 对信息安全、资源管理、 信息服务、数据管理以及应用开发环境等网格计算的关键理论和技术进行了广泛的研 究，开发出能在多种平台上运行的网格计算工具包软件( g i o b u st o o i k i t ) ，能够用来 帮助规划和组建大型的网格试验和应用平台，开发适合大型网格系统运行的大型应用 程序。g l o b l i s 的技术已经在n a s a 网格、欧洲数据网格、美国国家技术网格等多个 项目中得到应用。 在我国，已经完成的网格研究项目主要有清华大学的先进计算基础设施a c i ( a d v a n c e dc o m p u t a t i o n 址i n f 订u c t u r c ) 和以中科院计算为主的国家高性能计算环境 n h p c e ( n a t i o n a lh i 曲p e r f b 肌a n c e c o m p u t i i l ge n “r o i l 【i l e m ) 。 在清华a c i 系统中，清华大学研制的高性能计算机t h n p s c 2 ”与上海大学研制 的高性能计算机“自强2 0 0 0 ”通过高速网络连接在一起，此外还连接了4 个应用结点。 这6 个地理位置不同的网格节点可以同时召开网络会议。除此之外，还开发了相应 的中间件，可以构成跨地区、跨学科的“虚拟实验室”研究环境。清华a c i 系统于2 0 0 1 年6 月通过了鉴定。 从1 9 9 9 年底到2 0 0 1 年初，中科院计算所联合十几家科研单位，承担了8 6 3 重 点项目“国家高性能计算环境”的研发任务。该项目的目标是建立一个分布式环境下支 持异构平台的计算网格示范系统，它把我国的8 个高性能计算中心通过i i l t e m e t 连接 起来，进行统一的资源管理、信息管理和用户管理，并在此基础上开发了多个计算型 的网格应用系统，取得了一系列研究成果。 2 0 0 2 年4 月5 日至6 日，科技部召开了“网格战略研讨会”，确认将网格的研究 和应用列为“8 6 3 计划”的一个专项，随即成立了专项专家组。8 6 3 网格专项投资高 达3 个亿，主要任务是研制面向网格的万亿次级高性能计算机、具有数万亿次聚合 ， 计算能力的高性能计算环境：开发具有自主知识产权的网格软件；建设科学研究、经 济建设、社会发展和国防建设急需的重要应用网格；制定若干与网格相关的国家标准， 参与制定国际标准，使一批发明专利和软件获得受理和登记，形成自主知识产权。 我国目前正在进行的网格研究项目有m ： 1 1 面向水泥仿真的两格体系结构及服务实现 8 6 3 中国网格( c h i l l ag 耐)多家单位参加 上海教育科研网格多所上海的大学参加 仿真网格航天二院和清华大学共同开展 女星网格( v e g a )中科院计算所领衔开发 3 2 网格计算的现状 标准化趋势2 0 0 2 年2 月，在加拿大多伦多市召开的全球网格论坛g g f 会 议上，g 1 0 b u s 项目组和i b m 共同倡议了一个全新的网格标准o g s a 。，它把g l o b i l s 标准与以商用为主的w e bs e r v i c e s 的标准结合起来，网格服务统一以s e r v i c e s 的方 式对外界提供。2 0 0 3 年1 月1 3 日，符合o g s a 规范的g i o b u st o o i 虹t3 0 ( a l p h a 版) 已经在第一届g l o b u s w o r l d 会议上发布，这标志着o g s a 已经从一种理念、一种体 系结构，走到付诸实践的阶段了。 技术融合趋势w 曲s e i c e 技术在各种异构平台之上构筑了一层通用的、与平台 无关的信息和服务交换设施，从而屏蔽了互联网中千差万别的差异，使信息和服务畅 通无阻她在计算机之间流动。g k b u s 项目组看到了w 曲s e r v i c e s 的巨大潜力，在2 0 0 2 年迅速将g l o b u st b o l i d t 的开发转向了w 曲s e r v i c e s 平台，试图用0 g s a 在网格世界 一统天下。基于o g s a 之后，网格的一切对外功能都以网格服务( g ms e r v i c e ) 来体 现，并借助一些现成的、与平台无关的技术，如“l 、s o a p 等，来实现这些服务 的描述、查找、访问和信息传输等功能。这样，一切平台及所使用技术的异构性都被 屏蔽。 大型化趋势美国、英国、日本甚至包括印度都已经投入大量人力物力来实施 本国的网格计划。用超高速网络连接超级计算节点。我国仅2 0 0 2 年公布的8 6 3 网格 专项，就拨出了上亿元的资金用于c h i n ag 柏相关的研究”1 】【4 5 1 。 3 3 网格计算的关键技术 网格问题是以分布为基础的，广泛、方便、灵活，可以支持大规模、大粒度、大 范围的资源共享问题。网格概念是由实际应用中的、具体的网格问题驱动的，为解决 这些网格问题而出现的技术就是网格技术。 3 3 1 网格安全技术 薪南大学碗士学位论文 从本质上讲，i n t 阳l e t 的安全保障一般提供下面两方面的安全服务：( 1 ) 访问控制 服务，用来保护各种资源不被非授权使用：( 2 ) 通信安全服务，用来提供认证、数据 保密性与完整性和通信端的不可否认性。但这两方面的安全服务不能完全解决网格计 算环境下的安全问题。网格计算环境必须能够满足用户安全、高效地使用其提供的各 种资源的要求。同时，网格计算环境必须连接在i r i t e n l e t 上，并提供易用的服务供用 户使用。为此，网格计算环境必须将这种计算资源和数据资源的共享建立在安全访问 的基础上。g l o b u s 项目通过提出网格安全基础设施g s i ，来提供在网格计算环境中的 安全认证和安全通信等能力。g s l 基于公钥加密体系，采用x 5 0 9 认证和s c c u r e s o c k e t sl a ”r ( s s l ) 通信协议，并对它们进行了一定的扩展，使得g s i 可以支持单 点登剥1 3 l 【埘。 3 3 2 信息服务技术 在网格环境中存在各种动态资源，它们在地理上分散，又可以动态地加入或离开 不同的虚拟组织( v j m l a lor g ；“z a t i o n s ) 。如何使网格应用程序方便地使用各种资源 是g i o b l l s 项目必须解决的问题。为此，g l o b u s 项目组提出了“元计算目录服务m d s ( m e t a c o m p u t i l l gd h c t o d ，s e r v i c e ) ，它主要是一种基于网格计算环境的信息服务框 架，面向网格计算环境中数目巨大、地理上分布且有动态性的各种资源和服务。m d s 的内容主要包括资源( 服务) 发现、资源( 服务) 描述和资源( 服务) 监视与更新【1 4 】【1 5 】。 3 3 3 资源分配管理技术 g l o b u s 的资源分配管理由资源分配管理者g r a m ( g l o b u sr e s o u r c ea l l o c a t i o n m 撇g e r ) 担当，位于g l o b u s 资源管理体系结构的底层，主要处理资源请求、执行远 程应用、分配资源和管理活动等任务，并根据计算资源的情况把资源更新信息发送给 m d s 。g r a m 的组成部分主要包括g a t e k e e p e r 、任务管理者、资源管理者等”6 】。 3 3 4 数据管理技术 g l o b u s 的数据管理主要与远程数据传输、远程文件i ，o 相关。主要组成部分有： 全局二级存储服务g a s s ( g l o b a ia c c e s st os e c o n d a r ys t o r a g e ) 、网格f t p 服务( g 咖 f t p ) 和g l o b u s 复制管理( g 】o b i l sr e p l i c am a i 】a g e m e n t ) 等。通过g a s s 可简化在 】3 面向水泥仿真的阿格体系结构及服务实现 g l o b u s 环境中应用程序对远程文件i ，o 的操作，使得使用u n 和标准c 语言库的 应用程序基本上不用改动就可在g l o b u s 环境中执行。g r i d f t p 支持第三方传输、断 点续传、并行传输、与g s i 结合的安全认证、缓存等特性，是网格计算环境中的数据 传输工具。g l o b t l s 复制管理通过把部分相关数据智能地放置在离应用程序最