CN100498833C - 科学计算网格的远程可视化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种科学计算网格环境下的可视化系统，它主要由分别位于portal/web服务器和可视化服务器上的可视化应用管理器和框架服务器及可视化组件组成。用户可通过web浏览器访问该远程可视化系统，实现交互式远程可视化处理。该技术属于网格计算和可视化领域。其特征是无需更改现有的网格环境和可视化软件源代码，就可实现远程可视化。

Description

科学计算网格的远程可视化方法

技术领域

本发明涉及网格计算领域，特别涉及科学计算网格的可视化领域，通过为网格计算用户提供科学计算网格环境下的远程可视化Web服务，帮助网格计算人员分析、理解科学计算的计算结果数据。

技术背景

网格技术被誉为是第三代互联网技术，科学计算网格是网格技术目前最重要的应用领域。科学计算网格中，强大的计算能力促使科研人员研究问题的规模越来越大，从而数值模拟的结果数据也成几何指数增长，面对浩如烟海的数据，人们必须借助科学计算可视化来分析、理解数据的内涵。然而计算数据、可视化软件、科研人员空间位置的物理分离，使得远程可视化成为制约科学计算网格得以推广应用的关键技术。对于一般的计算作业，用户提交之后，由超级计算机完成即可，用户不再干预，即使有交互，也只是少量的文本信息交互。远程可视化作业不同于一般的计算作业，在可视化作业过程中，用户根据需要来调整参数，而可视化服务器要及时返回图形或图像结果。由于目前通用的网格中间件Globus不支持交互式作业，因此交互式作业一直是网格计算的难点。后来通过GSISSH实现了一定程度的交互，但这种交互仅局限于脚本形式，无法应用于可视化这样复杂的作业之中。现在国内各大学和科研院所纷纷建立自己的科学计算网格，并提供基于web的科学计算服务，然而由于可视化作业的复杂性，科学计算网格环境下的远程可视化web服务却一直没有得到解决。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种新的适用于网格环境的远程可视化解决方案，无需更改现有的网格计算环境，实现基于web的可视化服务。本发明提供的远程可视化系统主要由可视化应用管理器、框架服务器和可视化组件三部分组成。可视化应用管理器位于计算网格的portal/web服务器，专门处理用户的web可视化请求。可视化组件位于可视化服务器，是最终执行可视化处理任务的部分，其较佳实现方式是对可视化软件常用命令封装而得。

框架服务器位于可视化服务器，它又由数据管理器、组件管理器、数据库和图像处理/分析工具等组成，其中，数据管理器负责管理远程数据的获取；组件管理器负责按照框架服务器的要求激活可视化组件；图像处理/分析工具是非必要的，它可以视系统和/或用户的需求设置，也可以不设置。框架服务器较佳为通过组件的形式实现，各组件由组件管理器统一调用和管理。

根据本发明的目的，远程可视化系统的工作流程如下：

可视化应用管理器获取、分析用户的web可视化请求，并根据可视化服务器注册表将请求发送给位于相应的可视化服务器上的框架服务器。框架服务器监听到请求后，判断如果所需处理的数据在本机，则呼唤组件管理器激活用户所需要的可视化组件，由可视化组件执行可视化处理，并将处理结果即时返回给可视化应用管理器，再由可视化应用管理器返回给用户；如果框架服务器判断出所需数据不在本机而在远程超级计算机时，则先由数据管理器从超级计算机上获取数据到可视化服务器，然后再呼唤组件管理器激活可视化组件。当用户的可视化请求中包含图像处理或图像分析的要求时，框架服务器就把可视化阶段结果放入数据库，然后调用图像处理工具或图像分析处理，最后将处理结果返回给可视化应用管理器。

本发明的有益效果在于：(1)投入少，不需更改现有可视化软件的源代码，对现有的网格环境也无特殊要求；(2)保障了安全可视化服务提供者的安全性，可视化服务器只需私网IP，开放一个端口，即可为网格上的用户提供服务；(3)借助于网格中间件，屏蔽了复杂的网格环境，为用户提供透明的访问模式，简化了软件使用；(4)用户客户端无需安装可视化软件。

附图说明

图1是本发明的系统结构图；

图2是框架服务器的内部流程图。

具体实施方式

以下通过较佳实施例进一步说明本发明，但本实施例中的具体实现方式并不构成对本发明的限制。

本实施例的远程可视化系统包括三个模块：可视化应用管理器、框架服务器、可视化组件，其中，可视化应用管理器位于Portal/Web服务器，框架服务器和可视化组件位于可视化服务器上。其中，框架服务器还包括组件管理器、数据管理器、数据库和图像处理/分析工具。框架服务器采用调用子程序的形式，由一个主程序来调用所有的子程序。由于本发明提供的远程可视化系统是基已有计算网格环境的，因此可视化服务器要求配置与计算网格环境一样的网格中间件，本实施例采用目前应用较广的如Globus Toolkits。

可视化应用管理器以守护进程的方式运行在Web/portal服务器上，随时响应用户的可视化请求，管理用户会话的整个过程，并根据内部的可视化服务器映射表把请求转发给相应可视化服务器上的框架服务器，表一是它们之间的通信协议：

表一 可视化应用管理器向框架服务器发送请求命令表

 

命令	功能
		quit，exit	注销并断开连接
module	指定服务类型
		parameter	指定服务参数
start，stop	启动/停止服务
		snap	截屏
command	发送组件命令
		status	获得组件状态
download，upload	上传/下载文件
		port	指定数据传输端口
help	得到即时帮助

框架服务器监听到服务请求后，启用组件管理器来激活可视化组件。在这个过程中，如有数据传输的需求，则由数据管理器采用Globus提供gftp服务从远程取回数据。

如图2所示，为框架服务器的详细工作流程图：

框架服务器接收到可视化应用管理器的服务请求后，首先要识别服务类型，然后判断所需的数据是否在本机，如果所需的数据不在本机，则先调用数据管理器从超级计算机取数据；如果所需的数据在本机，则直接执行可视化任务。执行可视化任务的具体过程为：由组件管理器激活可视化组件来执行可视化任务。可视化任务执行完毕后，框架服务器进一步判断用户的服务请求中是否包含图像处理或图像分析请求，如果需要进行图像处理或图像分析，则调用图像处理/分析工具执行图像处理户或图像分析程序，然后将处理结果通过可视化应用管理器返回给用户；如果不需要进行图像处理或图像分析，则直接将执行可视化任务的结果通过可视化管理器返回给用户。

在本实施例中，框架服务器采用组件的形式实现，所有组件由组件管理器统一管理和调用，因此，组件管理器与组件之间的工作是整个框架服务器实现可视化的关键部分。当组件被用户选择并调用时，组件管理器根据其组件数据库中相应的组件位置信息以子进程方式调用组件程序，直到该会话终止。在这一过程中，组件将通过消息的方式与组件管理器通信，例如：组件程序启动时，组件管理器发送启动参数及环境参数；组件启动完成后，给组件管理器发送启动成功或失败信息；组件运行时，组件管理器发送即时命令并从组件所返回消息中获得结果或状态信息，具体过程为：

对组件管理器而言：

1)组件管理器以指定参数启动组件，比如：fork然后exec，得到子进程pid。若组件管理器向组件发送消息，则消息将存放在文件DAEMON_MSG_PATH/pid.msg.f2m中，相应的组件向组件管理器所发送的消息将存放在文件DAEMON_MSG_PATH/pid.msg.m2f中，消息一经读取，相应文件立刻被删除；

2)组件管理器等待子进程返回消息信号(SIGUSR1)，若等待超时则向WEB端发送启动失败消息并回到初始状态，否则继续到下一步；

3)等待并接收可视化应用管理器命令，参数设置类命令到4)，参数查询类命令到5)，组件停止命令到6)，snap命令到7)，down命令到8)；

4)将命令直接以消息形式发送给组件，并等待组件返回状态消息，返回状态消息可以是i)设置成功，管理器将从消息文件中获得以”OK”开头的字串；ii)命令无效，管理器将获得以“Unrecognized command”开头的字串；iii)命令失败，管理器将获得以“Error”开头的字串。在得到相应的返回状态消息后，管理器将向WEB端返回相应状态号及状态信息，并回到3)；

5)将命令直接以消息形式发送给组件，并等待组件返回状态消息。若状态status命令不含参数，组件管理器将向WEB端返回组件管理器状态消息，并在消息结尾加上组件所返回的组件总体状态消息；若状态命令含其它参数，组件管理器不返回管理器状态消息，只将组件所返回的消息加上消息开始行和消息结束行，并在每一行消息前加上避免歧义的三个字符，返回给WEB端，管理器状态回到3)；

6)向组件发送quit消息，并返回成功消息给可视化应用管理器，返回3)状态，组件将退出；

7)向组件发送snap消息，并等待组件返回结果消息，返回消息可以是i)截图成功，管理器将从消息文件中获得以单个数字加空格开头的字串，数字为数据文件类型，字串为截取所得数据文件的路径；ii)截图命令无效，管理器将获得以字符”U”加空格开头的字串；iii)截图命令失败，管理器将获得以”E”加单个数字加空格开头的字串，数字为组件定义的错误号，字串为相应注释。在得到相应返回后管理器将向可视化应用管理器以特定格式返回相应状态号及状态信息或错误号及错误信息，并回到3)；

8)按照指定的文件号查询数据文件名表，若文件存在则按特定格式将文件以二进制流的形式发给可视化应用管理器，为安全起见，发送文件名时只发送数据文件路径中的文件名部分，并不发送全路径；若文件不存在或文件丢失返回相应出错信息到可视化应用管理器。Download命令可以不指定文件号，默认情况下为最近一次成功截图所得到的数据文件，完成后返回3)。

对组件而言：

1)组件启动后，向管理器返回空消息信号(SIGUSR1)；

2)等待并接收管理器发出的消息(SIGUSR1)确认消息到达，消息内容存放在文件DAEMON_MSG_PATH/pid.msg.f2m中；

3)参考上述组件管理器所要求的消息返回格式返回消息，在接到quit消息后释放资源并退出。

除要求的消息格式以及消息通信机制的实现，组件的其它实现形式相对灵活，由此可以用不同的封装方式对各种不同种类的可视化软件进行封装，以符合组件管理器的要求。

为了保证系统的可移植性和运行性能，本实施例中远程可视化系统软件采用标准C语言实现，涉及的通信采用socket实现，包括了可视化应用管理器、框架服务器及其子程序，可视化软件封装等。但在本发明其他的较佳实施例中，本系统也可以用其他语言如Java、c++实现，同样能够达到相同的发明效果。

以上通过具体实施例详细揭示了本发明的技术方案，本领域的技术人员应当理解，在不超出本发明范围的情况下，可以对本发明做适当的修改和变形，包括用本领域所公知但本发明没有提及的其他种类的计算机语言实现本发明的远程可视化系统，仍然能够实现本发明的目的。

Claims (7)

1.一种科学计算网格的远程可视化方法，其步骤包括：

1)可视化应用管理器将可视化请求发送给框架服务器；

2)框架服务器接收可视化服务请求，并识别服务类型；

3)框架服务器判断所需的数据是否在本机，若是则转入下一步骤，若不是则先从超级计算机获取数据后转入下一步骤；

4)组件管理器激活可视化组件，执行可视化任务；

5)框架服务器判断是否需要进一步的图像处理，若是则转入下一步骤，若不是则转入步骤7)；

6)调用图像处理工具执行图像处理；

7)将处理结果返回给可视化应用管理器。

2.如权利要求1所述的科学计算网格的远程可视化方法，其特征在于，所述的框架服务器还包括：

数据管理器，负责管理远程数据的获取；

组件管理器，根据要求激活相应的可视化组件；

数据库，用于存放可视化处理过程的中间和结果数据。

3.如权利要求1所述的科学计算网格的远程可视化方法，其特征在于，所述的可视化应用管理器位于计算网格的portal/web服务器，所述的框架服务器和可视化组件位于可视化服务器。

4.如权利要求1所述的科学计算网格的远程可视化方法，其特征在于，所述的可视化组件是对可视化软件常用命令封装而得。

5.如权利要求1所述的科学计算网格的远程可视化方法，其特征在于，所述的系统采用C语言、Java或者C++实现。

6.如权利要求1所述的科学计算网格的远程可视化方法，其特征在于，所述的可视化应用管理器以守护进程的方式实现。

7.如权利要求2所述的科学计算网格的远程可视化方法，其特征在于，所述的框架服务器采用组件形式实现，由所述的组件管理器调用和管理。

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