基于云计算的海洋环境信息可视化平台技术研究

发布时间：2020-05-08 15:19

【摘要】：21世纪，海洋将是人类的第二生存空间，也是解决人类目前面临的能源、粮食和水资源危机等问题的希望所在，然而目前我国海洋经济的发展仍处于薄弱阶段，海洋经济占全国GDP的比重只有10%左右，因此大力开发海洋经济对于我国有着重要的经济意义和战略意义。为了给我国海洋事业的发展提供有力的信息保障和技术支撑，国家海洋局实施了“数字海洋”项目，建成了大量的海洋业务应用系统。这些系统在促进我国海洋事业发展的同时也越来越多的显现出资源占用多、运行成本高、缺乏系统规划和系统维护困难等问题。国家海洋局拟采用新兴的云计算与云服务技术整合现有海洋环境信息系统建立一个为最终用户按需提供服务、绿色节能高效的海洋环境信息云计算平台。 海洋环境信息可视化云计算与云服务研究是国家海洋局海洋公益项目“海洋环境信息云计算与云服务体系框架应用研究”(No.201105033)的重要组成部分。海洋环境信息可视化指采用高性能计算和计算机图形学和图形图像的理论方法，用直观形象的方法模拟重现或预现海洋各种变化，这对于挖掘海量海洋环境信息数据中的规律，推动我国海洋科学发展和服务海洋经济生产具有重要的意义。 本文针对海洋环境信息远程交互可视化的需求和任务特点，首先对Hadoop云计算平台中不适合处理海洋环境信息远程交互可视化问题的机制进行了优化和改造，将GPU和MPI引入Hadoop中构造了一个混合多层次多粒度的并行运算体系，大大提高了Hadoop的并行运算速度；然后在Hadoop的各个处理过程中增加一种称为管道的机制减小了Hadoop本身数据处理的延迟性；通过以上对Hadoop优化的措施实现了Hadoop在海洋环境信息可视化应用中能够提供低延迟的云服务的目标。另外，探讨了我们构造的三层可视化云计算平台中的资源层和应用层的各种服务的机制和实现方法，包括对矢量场和标量场的部分算法的研究分析以及虚拟化和XCP平台的研究，最终构造了一个完整的海洋环境信息可视化云计算平台体系架构及其实现方案。 为了验证构造的海洋环境信息可视化云计算平台的效率及其可用性，我们搭建了一个示范系统，该系统初步实现了海洋环境信息远程交互可视化相关云服务。我们对该示范系统的测试结果表明：通过将GPU和MPI引入Hadoop并行运算体系，我们的海洋环境信息可视化云计算解决方案的云服务效率能得到了较大的提高，并且能够为不同的海洋环境信息可视化云服务用户提供海洋环境信息远程交互可视化浏览、漫游和缩放等云服务，证明我们设计实现的海洋环境信息可视化云计算平台是一个切实可行的解决方案。
【图文】：

家标准与技术研究院 NIST(National Institute of Standards and Technology)算的定义为：云计算是一个能够随时随地通过网络按需访问固定配置的计资源池(如网络、服务器、存储、应用程序和服务)的模型，它可以通过最理工作配置和释放共享资源[9]。云计算实现了对计算资源的按需快速申请，付费方式也实现了按使用计算资源的量的多少付费，犹如我们日常使用、煤气一样，计量付费，不使用不付费。这种通过互联网传递计算、存储的方式能够为用户提供一种按需取用的服务模式，改变了过去每个用户都量软硬件的浪费现象，更重要的是这能保证用户在需要更高的计算资源时要更新软硬件配置就能迅速部署自己的应用。在云计算服务的理念里，终不需要自己去做复杂的服务器的维护更新工作，如图 1-1 所示，终端用户端，只从整个云中取得服务，云内部细节对用户来说是透明的，云内部的的维护工作由云服务提供商完成。由于云计算的这些优点和创新的概念模计算技术一出现就获得了迅猛的发展，并获得了广泛的商业应用。

Earth、Google AdSense、Goolge Reader 等)的存储、信息检索和计算的快速响应。Google 关于云计算的三大论文[10-12]详细描述了 Google 的云计算平台 GoogleApp Engine 平台的底层构成和原理。目前 Google 对外公布的云计算技术主要有分布式文件系统 GFS (Google File System)、大规模分布式数据库 BigTable、程序设计模式 MapReduce、分布式锁机制 Chubby 等。GFS[10]是一个可扩展的用于大规模数据应用的分布式文件系统，它提供在廉价的普通服务器上 PB 级数据存储的自动容错和负载均衡。如图 1-2 是 GoogleFile System 存储机制示意图，GFS 包含一个 Master 节点和大量的 Chunk 节点。Master 节点只存储所有文件系统的元数据，如数据文件的名字、访问控制信息以及 chunk 的映射关系，并不存储具体的数据，GFS 这种只用一个 Master 节点集中管理文件元数据的方式，简化了数据一致性控制的问题。当然 GFS 只是逻辑上只有一个 Master 节点，为了防止 Master 节点崩溃导致整个系统不可用，GFS会保持若干备份 Master 节点，，通过 Master 节点与备份节点之间的相互复制保证
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P74;TP391.41

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本文编号：2654855