基于局域网和MPI的PC集群计算环境

利用现成PC构建由几十乃至几百台PC组成的廉价、实用且性能优良的并行计算机。实验系统是在由40台PC组成的以太局域网内，建立一个基于TRUBO—LINUX和MPI的集群计算环境，并在此基础上进行并行计算实验和性能测试。实验表明，这种环境适合于那些进程之间通信不频繁的或者通信开销相对于计算开销小得多的中粒度或粗粒度的计算任务。     

基于PC集群的MPI并行环境的搭建

集群是充分利用计算资源的一个重要概念,PC集群是最易构建的分布式并行计算环境。MPI是应用最广的并行程序设计平台。本文通过实例阐述PC集群及PC集群上的MPI并行计算环境的搭建。     

基于Beowulf集群的可扩展性模型的研究

可扩展性是衡量并行算法与并行系统匹配程度的一项重要指标.分析了传统的等并行开销计算比评价准则,指出其优缺点.为了适用于基于Beowulf集群的分布式并行计算环境,对传统的等并行开销计算比评价准则进行改进,得到Beowulf环境下的新的可扩展函数.该可扩展函数能够直观地反映基于Beowulf集群的分布式并行系统在机器规模和问题规模扩展时,其性能的扩展特性.用该评价准则分析并论证了编制的并行算法与BeowuIf集群相结合的可扩展性.     

基于SMP集群的MPI+CUDA模型的研究与实现

为了研究GPU的通用计算能力和适合SMP集群的编程模型,首次提出MPI+CUDA多粒度混合并行编程的新方法,节点间采用MPI实现粗粒度并行,节点内采用CUDA实现细粒度并行的混合编程方式.利用此方法在搭建的3节点SMP集群环境中,测试了大规模矩阵乘问题的并行计算能力.实验结果表明,该方法能够显著提升并行效率,同时证明MPI+CUDA混合编程模型能够充分发挥SMP集群节点间分布式存储和节点内共享内存的优势,为装有CUDA-enabled GPU的SMP集群提供了一种有效的并行策略.     

并行文件系统与并行I/O研究

集群计算系统中并行文件系统的研究是当前计算机与网络技术中的一个热点问题,而并行I/O是缓解系统数据输入输出瓶颈的一个技术途径.论文对当前集群系统中的并行文件系统与并行I/O做了研究,阐述了研究发展的现状、关键问题等,指出了在集群计算系统中的文件组织、分布以及其在磁盘上的实现、数据的访问特性、高性能网络文件系统、系统的负载平衡与缓冲和预取策略.     

集群环境下的并行聚类算法

探讨在集群环境下，如何设计并行聚类算法。作为一种低成本、通用并行系统，集群系统的通信能力，相对于节点的计算能力，是一个瓶颈。所以在集群环境下，设计并行聚类算法时，应采用数据并行的思想。从理论上，对采用数据并行思想后，影响聚类算法的加速比和聚类质量的因素进行了分析，然后通过一个验证算法PCIT(Parallel clustering algorithm based on Index Tree)证实了理论分析的正确性。研究结果可以为以后设计更好的数据并行聚类算法提供理论依据。     

基于PC集群系统的MPICH大规模并行计算实现与应用研究

在Win2000 Server操作系统环境下采用MPICH并行技术，建立了基于PC局域网平台的并行集群系统，并通过VC 6．0调用消息传递库MPI函数完成了3个并行计算实例。符合MPICH规范的PC并行集群系统配置简便、系统稳定、界面友好、性价比高，能够持续利用计算机现有资源和大幅度提高计算效率。     

PC集群环境下大规模矩阵乘法算法的研究

开发适合集群系统的并行数值算法,可以解决更多的科学与工程计算问题.在PC集群环境下,提出对Cannon算法的改进方案,采用重叠技术,使数据的计算和通信在时间上重叠,达到时延隐藏的目的,克服了网络传输的通信瓶颈问题;还提出一种自适应负载反馈平衡策略,很好地解决了集群负载平衡.该算法在PC集群系统环境下测试,取得了较好的并行效率,在4个结点上和8个结点上,加速比分别达到3.77和7.93.     

多核集群系统下的混合并行遗传算法研究

为应对传统遗传算法在处理大规模组合优化问题面临的进化速度缓慢,难以达到实时要求的严峻挑战,提出了一种在多核PC集群系统上实现“粗粒度一主从式”混合并行遗传算法的模型:通过把“粗粒度一主从式”并行遗传算法映射到多核PC集群上,结合消息传递和共享存储两种并行编程模型,在节点间使用消息传递模型(MPI),对应的遗传算法为粗粒度并行遗传算法,在节点内使用共享存储模型(OpcnMP),对应的遗传算法为主从式并行遗传算法,用MPI和OpenMP混合编程的方式以进程和线程两级并行在多核集群上实现具体的混合并行遗传算法。理论分析和实验结果表明,提出的实现模型有较好的性能,可大大改进传统遗传算法的缺陷。为利用并行遗传算法在普通多核PC集群上处理大规模组合优化问题提出了一种有效、可行的解决方案。     

一种集群服务器并行网页预取模型

提出了集群服务器并行网页预取模型，模型采用了马尔科夫链分析访问路径并在Web集群服务器的各节点上并行预取页面，把集群技术的高性能和高可靠性与预取技术的快速响应能力结合起来。实验表明，将此模型应用于集群服务器的分发器上，服务器系统具有更高的请求命中率和更大的吞吐量。     

水声环境特征参数并行预报方法研究

随着水声装备的快速发展,其性能发挥与海洋环境的耦合越来越紧密,如何为水声传感器提供长时间、大范围、精细化水声环境参数信息,对优化水声传感器设计,充分发挥其探测性能,实现海洋环境与传感器性能发挥的最佳匹配具有重要意义。利用MPI并行编程环境开发了水声环境特征参数并行预报程序,实现了水声环境特征参数的快速预报,针对并行程序存在的任务负载不均衡问题,分析了造成负载分配不均衡的原因,给出了性能优化的策略和方法。测试结果表明,优化后的并行程序,负载均衡问题得到了有效改善,计算时间大幅缩短,大大提升了水声环境参数预报能力。     

Parallel optimization of three-dimensional wedge-shaped underwater acoustic propagation based on MPI+OpenMP hybrid programming model

The three-dimensional wedge-shaped underwater acoustic propagation model exists analytical solution, which provides verification for models like FOR3D propagation model under certain situation. However, the solving process of a three-dimensional complex underwater sound field problem is hindered by intensive computing and long calculation times. In this paper, we exploit a hybrid parallel programing model, such as MPI and OpenMP, to accelerate the computation, design various optimization methods to improve the overall performance, and then carry out the performance and optimization analysis on the Tianhe-2 platform. Experiments show that the optimized implementation of the three-dimensional wedge-shaped underwater acoustic propagation model achieves a 46.5 speedup compared to the original serial program, thereby illustrating a substantial performance improvement. We also carried out scalability tests and parallel optimization experiments for large-scale practical examples.

     

Investigation of the parallel efficiency of a PC cluster for the simulation of a CFD problem

Previously, large-scale fluid dynamics problem required supercomputers, such as the Cray, and took a long time to obtain a solution. Clustering technology has changed the world of the supercomputer and fluid dynamics. Affordable cluster computers have replaced the huge and expansive supercomputers in computational fluid dynamics (CFD) field in recent years. Even supercomputers are designed in the form of clusters based on high-performance servers. This paper describes the configuration of the affordable PC hardware cluster as well as the parallel computing performance using commercial CFD code in the developed cluster. A multi-core cluster using the Linux operating system was developed with affordable PC hardware and low-cost high-speed gigabit network switches instead of Myrinet or Infiniband. The PC cluster consisted of 52 cores and easily expandable up to 96 cores in the current configuration. For operating software, the Rock cluster package was installed in the master node to minimize the need for maintenance. This cluster was designed to solve large fluid dynamics and heat transfer problems in parallel. Using a commercial CFD package, the performance of the cluster was evaluated by changing the number of CPU cores involved in the computation. A forced convection problem around a linear cascade was solved using the CFX program, and the heat transfer coefficient along the surface of the turbine cascade was simulated. The mesh of the model CFD problem has 1.5 million nodes, and the steady computation was performed for 2,000 time-integrations. The computation results were compared with previously published heat transfer experimental results to check the reliability of the computation. A comparison of the simulation and experimental results showed good agreement. The performance of the designed PC cluster increased with increasing number of cores up to 16 cores The computation (elapsed) 16-core was approximately three times faster than that with a 4-core.     

WKBZ简正波模型混合并行计算方法研究

针对水声传播模型的计算量大,难以满足实时化、精细化水下声传播信息保障需求的难题,基于MPI+OpenMP混合并行编程方法,开展了WKBZ简正波模型混合并行计算方法研究,实现了水下声场2级混合并行计算。该方法通过节点间消息传递、节点内内存共享的方式,有效克服了MPI并行编程模型通信开销大和OpenMP并行编程环境可扩展性差的缺点,较好地解决了水下声传播快速计算的问题。测试结果表明,该方法能够较好地利用SMP集群节点间和节点内多级并行机制,充分发挥消息传递编程模型和共享内存编程模型各自的优势,大幅降低MPI进程间通信带来的时间开销,有效提升程序的可扩展性和并行效率。     

Simulation and modeling of hydro acoustic communication channels with wide band attenuation and ambient noise

Acoustic waves are the preferred medium for long-range underwater communications. Increasing number of innovative methods for underwater communication using acoustic waves appears. Performance of underwater communications for the new methods needs to be evaluated through simulation. Simulation of underwater acoustic communications is challenging due to many impediments, including attenuation, multipath propagation, noise and Doppler spread. In this paper, a baseline time domain simulation model is extended to several frequency-domain models. The proposed frequency models, including two incoherent models and a coherent model, take multipath attenuation and ambient noise into account. An incoherent linear fitting model and a coherent model are simulated and compared with a theoretical reference and the baseline time model. The proposed incoherent models are also compared with one another. Simulation shows that the incoherent linear fitting model produces results similar to the multi-frequency-merge-path model, but requires less computation time. In addition, the proposed coherent model is compared with field experimental data. The coherent model with color noise, in the frequency domain, can match closely the bit error rates of the field experimental data.     

谱方法求解水声传播问题的优化与并行

水声传播数值计算的效率是各类水声学应用关心的核心因素之一,谱方法作为求解微分方程的一种数值方法,具有精度高、收敛速度快等优点,因此,近年来利用简正波-谱方法求解水声传播方程引起了许多学者的关注;然而,谱方法计算量更大,计算时间更长,在求解大范围海域声传播问题时,难以满足实时性的需求.因此,需要借助现代高性能计算机系统,...     

水下传感器网络节点定位信号检测的设计

针对水下环境的特殊性和水声定位系统的要求,为降低检测水声定位信号的复杂度和硬件资源消耗,能够准确检测定位基站发射的水声定位信号,为目标基站的定位提供实时、快速的时延信息,根据水声定位信号的特点,采用码元匹配检波和编码定位信号相关的方法,确定水声定位信号的到达时间,并以FPGA为平台利用VHDL语言对水声定位信号的检测设...     

用于并行计算的PC机群

随着计算机技术的高速发展，使用机群进行并行计算也越来越流行，尤其是利用工作站机群进行并行计算已经十分普遍。但使用ＰＣ机群进行并行计算的系统还很少，这种ＰＣ机群由一组ＰＣ机（４８６，５８６）通过网络互连组成。本文介绍现有的几个ＰＣ机群和我们研制的一个ＰＣ机群计算环境     

基于多普勒测速的水下传感器时间同步算法

时间同步是水下传感器网络的关键技术,由于海洋中采用水声通信时传播时延高且存在多普勒频移,导致使用射频通信的陆上时间同步算法无法直接应用于水下环境。基于多普勒测速原理和节点在水下的移动性,提出一种新型的时间同步CD-Sync算法。利用具有聚类特性的分簇模型选择合理的簇首节点,并与水面信标节点进行簇内同步,且在同步过程中,同步节点利用多普勒原理估算节点间的相对移动速度,从而计算节点间的传播延迟。实验结果表明,与基于分簇时间同步MU-Sync算法和分布式时间同步NU-Sync算法相比,该算法可在缩短节点间距离并加快节点间同步收敛速度的同时,有效提高时间同步的精度。