并行可视化软件的简介与部署
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《高性能计算发展与应用》 ２０１４年第四期 总第四十九期
并行可视化软件的简介与部署
徐 莹 上海超级计算中心 上海 ２０１２０３
计算科学的发展使得人类记录，产生和存储数 据的规模呈爆炸式增长。在诸多大规模数据的处理 技术中，可视化通过视觉表现形式将信息提炼并呈 现给用户，并提供交互分析，数据量化分析手段， 帮助人们有效的分析，理解和探索复杂的数据。高 性能计算的迅速发展为科学计算提供了动力，随着 计算规模的日益增大，科学计算产生数据的可视化 与分析有了迅猛发展。 科学数据可视化利用计算机图形学来创建视觉 图像，帮助人们直观形象的理解以规模庞大的数字 形式呈现的科学概念或结果。可视化研究者为计算 科学提供了一系列可视化系统共工具。对不同科学 计算领域产生的大规模数据，国内外已经开发了一 系列可视化系统和工具 ［１］ 。第一代可视化系统的诞 生是１９８９年推出的ＡＶＳ （Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｖｉｓｕａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）［２］系 统开始，此外还包括ＤａｔａＥｘｐｌｏｒｅｒ、ＯｐｅｎＤＸ等。第 二代系统最具代表性的是ＶＴＫ，还包括ＰａｒａＶｉｅｗ［３］、 ＶｉｓＩｔ［４］等，以及针对专门应用的ＥｎＳｉｇｈｔ等。国内近年 开发的科学可视化系统包括ＴｅｒａＶＡＰ［５］等。 从国内外可视化系统的发展，系统支持的数据 类型和可视化方法越来越全面丰富。科学数据类型 包括标量场，矢量场，张量场数据等，这些数据定 义在各种网格上，包括规则网格、不规则网格、曲 边线性网格、ＡＭＲ网格等。随着计算规模的不断增 长，可视化系统逐渐从单机扩展到并行分布式远程 平台，支持海量数据的可视化。开源可视化软件成 为业界标准，开放式的平台可以鼓励更多人参与和 开发新的功能等。 本文将主要结合ＶｉｓＩｔ和ＰａｒａＶｉｅｗ这两个基于 ＶＴＫ的并行可视化系统，介绍其主要架构以及在集群 系统上的部署。
图１ ＰａｒａＶｉｅｗ的基本架构
在这个架构顶层是 ＰａｒａＶｉｅｗ的客户端应用程 序，第二层是用户界面 ＵＩ，包含 Ｑｔ 部件，Ｐｙｔｈｏｎ 脚 本等，第三层是 ＰａｒａＶｉｅｗ 服务器，管理着用户界 面与可视化功能函数库之间的数据通信，第四层是 可视化核心算法库 ＶＴＫ，最底层包含了基础的图形 库 ＯｐｅｎＧＬ，用于并行计算的 ＭＰＩ，用于图像合成 的 ＩｃｅＴ 等等。 ＰａｒａＶｉｅｗ有三个逻辑部件：客户端（ｃｌｉｅｎｔ）、 数据服务器（ｄａｔａ ｓｅｒｖｅｒ）和渲染服务器（ｒｅｎｄｅｒ ｓｅｒｖｅｒ）。ＰａｒａＶｉｅｗ可以作为单独的可视化软件，这 种情况下，三个部件在同一个硬件服务器上。用客 户／服务器模式，ＰａｒａＶｉｅｗ启动时链接ｐｖｓｅｒｖｅｒ，而 ｐｖｓｅｒｖｅｒ可以通过ｓｓｈ通道在远程高性能计算资源上运 行，且并行使用多个处理器进行计算和内存资源。 ＰａｒａＶｉｅｗ服务器可以将数据服务器ｄａｔａｓｅｒｖｅｒ、渲染服 务器ｒｅｎｄｅｒｓｅｒｖｅｒ分在不同的处理器上，使用独立的
户界面和按钮，让用户选择可视化内容；可视化窗 口显示图形结果，并负责跟踪ＶｉｓＩｔ的状态，与ＶｉｓＩｔ的 其他组件通话等。图形界面和可视化窗口都是本地 运行的，可以充分利用客户端上的高速图形硬件。 余下的两个部件可以在客户端计算机上运行，但它 们通常在已经生成了数据文件的远程并行计算机或 集群上运行。数据服务器（Ｄａｔａｓｅｒｖｅｒ） 负责读取远程文 件系统。并行计算引擎将读取数据文件，对其进行 处理，并将图形或几何形状发回至可视化窗口。 ＶｉｓＩｔ支持的文件类型多元，常用的有ＨＤＦ５， ＮＥＴＣＤＦ，Ｅｘｏｄｕｓ，ＰＤＢ，ｖｔｋ，ｓｉｌｏ等。其中ｓｉｌｏ基于 Ｃ的语言库，面向大部分数值模拟中使用数据结构（
１． 并行可视化软件ＰａｒａＶｉｅｗ和ＶｉｓＩｔ的介绍
１．１ ＰａｒａＶｉｅｗ的介绍与主要构架 ＰａｒａＶｉｅｗ是２０００年由Ｋｉｔｗａｒｅ公司和美国ＬＡＮＬ国 家实验室合作启动的项目，该项目最初由美国能 源部ＡＳＣＩ ＶＩＥＷ项目支持，并于２００２年１０月发布。
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渲染硬件。这种运行方式对海量数据的处理较为有 效，若数据量较小，数据服务器与渲染服务器之间 频繁传输小量数据会极大增加通讯开销。 ＰａｒａＶｉｅｗ支持的数据文件类型多样，涵盖了 ＶＴＫ，Ｅｎｓｉｇｈｔ，ＰＬＯＴ３Ｄ等不同的可视化软件。由于 ＰａｒａＶｉｅｗ的数据操作基于ＶＴＫ，因此ＶＴＫ传统格式和 基于ＸＭＬ标签的ＶＴＫ数据得到ＰａｒａＶｉｅｗ的全部支持。 １．２ ＶｉｓＩｔ的介绍与主要构架 ＶｉｓＩｔ是一个开源的并行可视化与图形分析工 具。最初是由美国能源部（ＤＯＥ）的ＡＳＣＩ计划推 进的，主要针对万亿次模拟结果的可视化和分析。 ２０００年进行原型设计之后，最初的ＶｉｓＩｔ版本在２００２年 发布。虽然ＶｉｓＩｔ的设计目标是为超大规模的科学计算 模拟和实验数据集的后处理提供并行通用的基础设 施，但ＶｉｓＩｔ也适合于对桌面系统仿真的较小规模数据 进行可视化。 ＶｉｓＩｔ充分利用了很多第三方软件库。Ｑｔ ｗｉｄｇｅｔ进 行了用户界面开发；Ｐｙｔｈｏｎ用于命令行解释器；ＶＴＫ （Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ＴｏｏｌＫｉｔ）库提供了数据模型以及可视 化基本算法。ＶｉｓＩｔ的开发主要集中在大规模数据的 并行化，用户界面、实现自定义的数据分析程序以 及处理不标准的数据模型，例如自适应细化网格（ ＡＭＲ）和混合材料区域等。 ＶｉｓＩｔ主要支持客户端服务器模式，其中服务器 是并行运行的。这种模式能够在远端进行高效的可 视化，大规模数据的并行处理为用户的交互处理提 供了性能基础。ＶｉｓＩｔ已经能够处理２６０亿规则网格， １０亿粒子模拟结果，以及几亿至十几亿不规则， ＡＭＲ和曲线网格。另一种ＶｉｓＩｔ的应用方式是在数值 模拟软件中调用“ｌｉｂ－ＶｉｓＩｔ”，这样可以在代码运行 时进行原位分析Ｉｎ Ｓｉｔｕ ａｎａｌｙｓｉｓ。 ＶｉｓＩｔ由图形用户界面、可视化窗口、数据服务 器，并行计算引擎四个部分组成，其架构如图２所 示 。四个部分的主要功能有：图形用户界面提供用
ＶｉｓＩｔ提供了客户端／服务器的运行模式，并 且为用户常用的环境提供了标准配置模板。和 ＰａｒａＶｉｅｗ类似，ＶｉｓＩｔ的服务器配置文件以ｘｍｌ格 式，并存于．ｖｉｓｉｔ隐藏文件夹中。简单的远程调 用ＶｉｓＩｔ服务使用的ｘｍｌ文件主要分为两部分： ＜Ｏｂｊｅｃｔ ｎａｍｅ＝“ＭａｃｈｉｎｅＰｒｏｆｉｌｅ”＞和＜Ｏｂｊｅｃｔ ｎａｍｅ＝ “ＬａｕｎｃｈＰｒｏｆｉｌｅ”＞，一个ＭａｃｈｉｎｅＰｒｏｆｉｌｅ可以有若干 个ＬａｕｎｃｈＰｒｏｆｉｌｅ，例如串行调用，并行调用等。 ＭａｃｈｉｎｅＰｒｏｆｉｌｅ中重要的字段包括：ｈｏｓｔ， ｕｓｅｒＮａｍｅ，ｈｏｓｔＡｌｉａｓｅｓ，ｄｉｒｅｃｔｏｒｙ。ｈｏｓｔＡｌｉａｓｅｓ是 主机名的别名，这是为并行调用时ＶｉｓＩｔ能够自 动解析主机的名字。ｄｉｒｅｃｔｏｒｙ字段设置ＶｉｓＩｔ的路 径。ＬａｕｎｃｈＰｒｏｆｉｌｅ的重要字段包括：ｐａｒａｌｌｅｌ： 为ｂｏｏｌ值，设为ｔｒｕｅ时，用ＭＰＩ启动ｅｎｇｉｎｅ＿ｐａｒ； ｎｕｍＰｒｏｃｅｓｓｏｒｓ：为ｉｎｔ值，设置并行启动ＭＰＩ进程数； ｌａｕｎｃｈＭｅｔｈｏｄＳｅｔ，ｌａｕｎｃｈＭｅｔｈｏｄ：可以用于设置提 交ｂａｔｃｈ作业的命令；ｔｉｍｅＬｉｍｉｔ：ｂａｔｃｈ作业的时间上 限。
图２ ＶｉｓＩｔ基本架构
２． 并行可视化软件ＰａｒａＶｉｅｗ和ＶｉｓＩｔ的部署
２．１ ＰａｒａＶｉｅｗ和Ｖｉｓｉｔ的安装 ＰａｒａＶｉｅｗ和ＶｉｓＩｔ都是开源的可视化软件，基于 Ｑｔ，ＶＴＫ，Ｃｍａｋｅ等第三方开源软件库，因此在安装 ＰａｒａＶｉｅｗ前需要安装一系列辅助软件。ＰａｒａＶｉｅｗ的最 新版本４．２必需的第三方库包括： Ｃｍａｋｅ ｖ２．８．８或者更高版本，用于ＰａｒａＶｉｅｗ的 配置和编译； Ｑｔ ｖ４．８．＊，用于用户界面的生产，如果只需 要ｐｖｓｅｒｖｅｒ，则可略去； Ｍｅｓａ ３Ｄ：当在没有硬件支持ＯｐｅｎＧＬ的平台 上运行ＰａｒａＶｉｅｗ服务器时，ＭＥＳＡ ３Ｄ可以用来模拟这 种硬件支持。 用于输出ａｖｉ动画的ｆｆｍｐｅｇ库。 编译并行版本需要ＭＰＩ库，支持命令行脚本需要 Ｐｙｔｈｏｎ（版本２．７以上），安装ＰａｒａＶｉｅｗ前，需要安装 上面提到的第三方库。 ＶｉｓＩｔ的最新版本２．８．１需要的第三方库包括： Ｃｍａｋｅ，Ｑｔ，ＶＴＫ，Ｓｉｌｏ。ＶｉｓＩｔ提供了第三方库的 集合以供下载。ＶｉｓＩｔ的下载、编译安装通过ｂｕｉｌｄ＿ ｖｉｓｉｔ［ｖｅｒｓｉｏｎ］．ｓｈ进行，其中方括号内是相对应的 ＶｉｓＩｔ版本号。所需的第三方库与该ｓｈｅｌｌ脚本在同一 个目录里，运行”ｂｕｉｌｄ＿ｖｉｓｉｔ［ｖｅｒｓｉｏｎ］．ｓｈ －ｐｒｅｆｉｘ ｐａｔｈ／ ｉｎｓｔａｌｌ／ｖｉｓｉｔ －ｒｅｑｕｉｒｅｄ －－ｐａｒａｌｌｅｌ”，这里ｓｉｌｏ选项打开 能够是ＶｉｓＩｔ支持ｓｉｌｏ数据库格式，如果需要支持其他
目前ＰａｒａＶｉｅｗ的最新版本为４．２。ＰａｒａＶｉｅｗ推出了对 浏览器的支持ＰａｒａＶｉｅｗＷｅｂ以及对掌上设备的支持 ＫｉｗｉＶｉｅｗｅｒ。Ｓａｎｄｉａ国家实验室针对ＰａｒａＶｉｅｗ做了如 下性能测试：六十亿结构化网格，２．５亿非规则网格 （２００５）；１０亿ＡＭＲ网格（２００８）；一兆网格进行 了可扩展性测试（２０１０）。 ＰａｒａＶｉｅｗ可视化包含三个基本的步骤：数据读 取，数据过滤和数据渲染。首先，可视化应用程序 ＰａｒａＶｉｅｗ读取数据；接着，根据分析需要选择若干 种过滤器ｆｉｌｔｅｒ来处理这些数据以获得具有某种特定 形式的子数据集数据特征；最后，在用户窗口界面 中，将这些数据特征以图形图像的方式渲染出来。 ＰａｒａＶｉｅｗ的基本架构见图１所示［６］。
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格式也可以打开，－－ｐｒｅｆｉｘ后是ＶｉｓＩｔ可执行文件安装 的路径。在安装过程中，推荐使用ＶｉｓＩｔ的ＳＶＮ提供的 第三方软件。 ２．２ ＰａｒａＶｉｅｗ服务的配置 通过客户端／服务端方式，链接ＰａｒａＶｉｅｗ数 据和渲染服务，需要进行ＰａｒａＶｉｅｗ服务的配置。 ＰａｒａＶｉｅｗ服务的配置有很多种方法，以下将做简单介 绍。 通过ｓｓｈ链接远程服务器并启动ＰａｒａＶｉｅｗ服 务ｐｖｓｅｒｖｅｒ。链接ＰａｒａＶｉｅｗ服务时，需要手 工 启 动 ｐ ｖ ｓ ｅ ｒ ｖ ｅ ｒ 进 程 。 通 过 设 置 ｐ ｖ ｓ ｃ 文 件 的 ＜ ＣｏｍｍａｎｄＳｔａｒｔｕｐ／＞标签，设置ｓｓｈ的用户名，远程服务 器的可执行文件的路径和名称。这里通过ｍｐｉｒｕｎ启动 ４个ＭＰＩ进程运行ｐｖｓｅｒｖｅｒ。 ＜Ｓｅｒｖｅｒｓ＞ ＜Ｓｅｒｖｅｒ ｎａｍｅ＝＂ｃａｓｅ６＂ ｒｅｓｏｕｒｃｅ＝＂ｃｓ：／／ ｌｏｃａｌｈｏｓｔ：１１１１１＂＞ ＜ＣｏｍｍａｎｄＳｔａｒｔｕｐ＞ ＜Ｏｐｔｉｏｎｓ＞ ＜Ｏｐｔｉｏｎ ｎａｍｅ＝＂ＳＳＨ＿ＵＳＥＲ＂ ｌａｂｅｌ＝＂ＳＳＨ Ｕｓｅｒｎａｍｅ＂ ｓａｖｅ＝＂ｔｒｕｅ＂＞ ＜Ｓｔｒｉｎｇ ｄｅｆａｕｌｔ＝＂ｓｏｍｅｏｎｅ＂ ／＞ ＜／Ｏｐｔｉｏｎ＞ ＜／Ｏｐｔｉｏｎｓ＞ ＜Ｃｏｍｍａｎｄ ｅｘｅｃ＝ｓｓｈ ｄｅｌａｙ＝＂５＂＞ ＜Ａｒｇｕｍｅｎｔｓ＞ ＜Ａｒｇｕｍｅｎｔ ｖａｌｕｅ＝＂－Ｌ１１１１１：１９２．１６８．１２０．７：１ １１１１＂ ／＞ ＜Ａｒｇｕｍｅｎｔ ｖａｌｕｅ＝＂１９２．１６８．１２０．７＂ ／＞ ＜Ａｒｇｕｍｅｎｔ ｖａｌｕｅ＝＂－ｌ＂ ／＞ ＜Ａｒｇｕｍｅｎｔ ｖａｌｕｅ＝＂$ＳＳＨ＿ＵＳＥＲ$＂ ／＞ ＜Ａｒｇｕｍｅｎｔ ｖａｌｕｅ＝＂ｍｐｉｒｕｎ －ｎｐ ４ ／ｏｐｔ／ＰａｒａＶｉｅｗ－ｂｉｎ ／ｂｉｎ／ｐｖｓｅｒｖｅｒ＂ ／＞ ＜／Ａｒｇｕｍｅｎｔｓ＞ ＜／Ｃｏｍｍａｎｄ＞ ＜／ＣｏｍｍａｎｄＳｔａｒｔｕｐ＞ ＜／Ｓｅｒｖｅｒ＞ ＜／Ｓｅｒｖｅｒｓ＞ 如果所需处理的文件规模较大，则在远程环 境中进行可视化处理能极大减少文件传输带来的 开销。获取大规模计算资源经常会用ＰＢＳ，ＬＳＦ， ＳＬＵＲＭ等作业调度系统。用户通常在本地台式机运 行ＰａｒａＶｉｅｗ客户端，并将得到的图形进行在本地进行 渲染和显示。 ２．３ ＶｉｓＩｔ服务的配置
［７］
例如网格等）定义应用程序编程接口（ＡＰＩ）。ｓｉｌｏ将 数据写入两种不同的底层文件结构：ＨＤＦ５和ＰＤＢ。 ＶｉｓＩｔ的模块化原型可以插入不同的数据库读入 组件（ｄａｔａｂａｓｅ ｒｅａｄｅｒ），已经支持的数据格式有Ｓｔａｒ－ ＣＤ的ｃｃｍ输出文件，Ｃｏｓｍｏｓ＋＋的ｃｏｓｍｏｓ格式输出文 件，天体模拟软件Ｇａｄｇｅｔ的输出文件，Ｆｌｕｅｎｔ的ｃａｓ文 件等，详细列表见［８］。
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徐 莹 上海超级计算中心 上海 ２０１２０３
计算科学的发展使得人类记录，产生和存储数 据的规模呈爆炸式增长。在诸多大规模数据的处理 技术中，可视化通过视觉表现形式将信息提炼并呈 现给用户，并提供交互分析，数据量化分析手段， 帮助人们有效的分析，理解和探索复杂的数据。高 性能计算的迅速发展为科学计算提供了动力，随着 计算规模的日益增大，科学计算产生数据的可视化 与分析有了迅猛发展。 科学数据可视化利用计算机图形学来创建视觉 图像，帮助人们直观形象的理解以规模庞大的数字 形式呈现的科学概念或结果。可视化研究者为计算 科学提供了一系列可视化系统共工具。对不同科学 计算领域产生的大规模数据，国内外已经开发了一 系列可视化系统和工具 ［１］ 。第一代可视化系统的诞 生是１９８９年推出的ＡＶＳ （Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｖｉｓｕａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）［２］系 统开始，此外还包括ＤａｔａＥｘｐｌｏｒｅｒ、ＯｐｅｎＤＸ等。第 二代系统最具代表性的是ＶＴＫ，还包括ＰａｒａＶｉｅｗ［３］、 ＶｉｓＩｔ［４］等，以及针对专门应用的ＥｎＳｉｇｈｔ等。国内近年 开发的科学可视化系统包括ＴｅｒａＶＡＰ［５］等。 从国内外可视化系统的发展，系统支持的数据 类型和可视化方法越来越全面丰富。科学数据类型 包括标量场，矢量场，张量场数据等，这些数据定 义在各种网格上，包括规则网格、不规则网格、曲 边线性网格、ＡＭＲ网格等。随着计算规模的不断增 长，可视化系统逐渐从单机扩展到并行分布式远程 平台，支持海量数据的可视化。开源可视化软件成 为业界标准，开放式的平台可以鼓励更多人参与和 开发新的功能等。 本文将主要结合ＶｉｓＩｔ和ＰａｒａＶｉｅｗ这两个基于 ＶＴＫ的并行可视化系统，介绍其主要架构以及在集群 系统上的部署。
图１ ＰａｒａＶｉｅｗ的基本架构
在这个架构顶层是 ＰａｒａＶｉｅｗ的客户端应用程 序，第二层是用户界面 ＵＩ，包含 Ｑｔ 部件，Ｐｙｔｈｏｎ 脚 本等，第三层是 ＰａｒａＶｉｅｗ 服务器，管理着用户界 面与可视化功能函数库之间的数据通信，第四层是 可视化核心算法库 ＶＴＫ，最底层包含了基础的图形 库 ＯｐｅｎＧＬ，用于并行计算的 ＭＰＩ，用于图像合成 的 ＩｃｅＴ 等等。 ＰａｒａＶｉｅｗ有三个逻辑部件：客户端（ｃｌｉｅｎｔ）、 数据服务器（ｄａｔａ ｓｅｒｖｅｒ）和渲染服务器（ｒｅｎｄｅｒ ｓｅｒｖｅｒ）。ＰａｒａＶｉｅｗ可以作为单独的可视化软件，这 种情况下，三个部件在同一个硬件服务器上。用客 户／服务器模式，ＰａｒａＶｉｅｗ启动时链接ｐｖｓｅｒｖｅｒ，而 ｐｖｓｅｒｖｅｒ可以通过ｓｓｈ通道在远程高性能计算资源上运 行，且并行使用多个处理器进行计算和内存资源。 ＰａｒａＶｉｅｗ服务器可以将数据服务器ｄａｔａｓｅｒｖｅｒ、渲染服 务器ｒｅｎｄｅｒｓｅｒｖｅｒ分在不同的处理器上，使用独立的
户界面和按钮，让用户选择可视化内容；可视化窗 口显示图形结果，并负责跟踪ＶｉｓＩｔ的状态，与ＶｉｓＩｔ的 其他组件通话等。图形界面和可视化窗口都是本地 运行的，可以充分利用客户端上的高速图形硬件。 余下的两个部件可以在客户端计算机上运行，但它 们通常在已经生成了数据文件的远程并行计算机或 集群上运行。数据服务器（Ｄａｔａｓｅｒｖｅｒ） 负责读取远程文 件系统。并行计算引擎将读取数据文件，对其进行 处理，并将图形或几何形状发回至可视化窗口。 ＶｉｓＩｔ支持的文件类型多元，常用的有ＨＤＦ５， ＮＥＴＣＤＦ，Ｅｘｏｄｕｓ，ＰＤＢ，ｖｔｋ，ｓｉｌｏ等。其中ｓｉｌｏ基于 Ｃ的语言库，面向大部分数值模拟中使用数据结构（
１． 并行可视化软件ＰａｒａＶｉｅｗ和ＶｉｓＩｔ的介绍
１．１ ＰａｒａＶｉｅｗ的介绍与主要构架 ＰａｒａＶｉｅｗ是２０００年由Ｋｉｔｗａｒｅ公司和美国ＬＡＮＬ国 家实验室合作启动的项目，该项目最初由美国能 源部ＡＳＣＩ ＶＩＥＷ项目支持，并于２００２年１０月发布。
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渲染硬件。这种运行方式对海量数据的处理较为有 效，若数据量较小，数据服务器与渲染服务器之间 频繁传输小量数据会极大增加通讯开销。 ＰａｒａＶｉｅｗ支持的数据文件类型多样，涵盖了 ＶＴＫ，Ｅｎｓｉｇｈｔ，ＰＬＯＴ３Ｄ等不同的可视化软件。由于 ＰａｒａＶｉｅｗ的数据操作基于ＶＴＫ，因此ＶＴＫ传统格式和 基于ＸＭＬ标签的ＶＴＫ数据得到ＰａｒａＶｉｅｗ的全部支持。 １．２ ＶｉｓＩｔ的介绍与主要构架 ＶｉｓＩｔ是一个开源的并行可视化与图形分析工 具。最初是由美国能源部（ＤＯＥ）的ＡＳＣＩ计划推 进的，主要针对万亿次模拟结果的可视化和分析。 ２０００年进行原型设计之后，最初的ＶｉｓＩｔ版本在２００２年 发布。虽然ＶｉｓＩｔ的设计目标是为超大规模的科学计算 模拟和实验数据集的后处理提供并行通用的基础设 施，但ＶｉｓＩｔ也适合于对桌面系统仿真的较小规模数据 进行可视化。 ＶｉｓＩｔ充分利用了很多第三方软件库。Ｑｔ ｗｉｄｇｅｔ进 行了用户界面开发；Ｐｙｔｈｏｎ用于命令行解释器；ＶＴＫ （Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ＴｏｏｌＫｉｔ）库提供了数据模型以及可视 化基本算法。ＶｉｓＩｔ的开发主要集中在大规模数据的 并行化，用户界面、实现自定义的数据分析程序以 及处理不标准的数据模型，例如自适应细化网格（ ＡＭＲ）和混合材料区域等。 ＶｉｓＩｔ主要支持客户端服务器模式，其中服务器 是并行运行的。这种模式能够在远端进行高效的可 视化，大规模数据的并行处理为用户的交互处理提 供了性能基础。ＶｉｓＩｔ已经能够处理２６０亿规则网格， １０亿粒子模拟结果，以及几亿至十几亿不规则， ＡＭＲ和曲线网格。另一种ＶｉｓＩｔ的应用方式是在数值 模拟软件中调用“ｌｉｂ－ＶｉｓＩｔ”，这样可以在代码运行 时进行原位分析Ｉｎ Ｓｉｔｕ ａｎａｌｙｓｉｓ。 ＶｉｓＩｔ由图形用户界面、可视化窗口、数据服务 器，并行计算引擎四个部分组成，其架构如图２所 示 。四个部分的主要功能有：图形用户界面提供用
ＶｉｓＩｔ提供了客户端／服务器的运行模式，并 且为用户常用的环境提供了标准配置模板。和 ＰａｒａＶｉｅｗ类似，ＶｉｓＩｔ的服务器配置文件以ｘｍｌ格 式，并存于．ｖｉｓｉｔ隐藏文件夹中。简单的远程调 用ＶｉｓＩｔ服务使用的ｘｍｌ文件主要分为两部分： ＜Ｏｂｊｅｃｔ ｎａｍｅ＝“ＭａｃｈｉｎｅＰｒｏｆｉｌｅ”＞和＜Ｏｂｊｅｃｔ ｎａｍｅ＝ “ＬａｕｎｃｈＰｒｏｆｉｌｅ”＞，一个ＭａｃｈｉｎｅＰｒｏｆｉｌｅ可以有若干 个ＬａｕｎｃｈＰｒｏｆｉｌｅ，例如串行调用，并行调用等。 ＭａｃｈｉｎｅＰｒｏｆｉｌｅ中重要的字段包括：ｈｏｓｔ， ｕｓｅｒＮａｍｅ，ｈｏｓｔＡｌｉａｓｅｓ，ｄｉｒｅｃｔｏｒｙ。ｈｏｓｔＡｌｉａｓｅｓ是 主机名的别名，这是为并行调用时ＶｉｓＩｔ能够自 动解析主机的名字。ｄｉｒｅｃｔｏｒｙ字段设置ＶｉｓＩｔ的路 径。ＬａｕｎｃｈＰｒｏｆｉｌｅ的重要字段包括：ｐａｒａｌｌｅｌ： 为ｂｏｏｌ值，设为ｔｒｕｅ时，用ＭＰＩ启动ｅｎｇｉｎｅ＿ｐａｒ； ｎｕｍＰｒｏｃｅｓｓｏｒｓ：为ｉｎｔ值，设置并行启动ＭＰＩ进程数； ｌａｕｎｃｈＭｅｔｈｏｄＳｅｔ，ｌａｕｎｃｈＭｅｔｈｏｄ：可以用于设置提 交ｂａｔｃｈ作业的命令；ｔｉｍｅＬｉｍｉｔ：ｂａｔｃｈ作业的时间上 限。
图２ ＶｉｓＩｔ基本架构
２． 并行可视化软件ＰａｒａＶｉｅｗ和ＶｉｓＩｔ的部署
２．１ ＰａｒａＶｉｅｗ和Ｖｉｓｉｔ的安装 ＰａｒａＶｉｅｗ和ＶｉｓＩｔ都是开源的可视化软件，基于 Ｑｔ，ＶＴＫ，Ｃｍａｋｅ等第三方开源软件库，因此在安装 ＰａｒａＶｉｅｗ前需要安装一系列辅助软件。ＰａｒａＶｉｅｗ的最 新版本４．２必需的第三方库包括： Ｃｍａｋｅ ｖ２．８．８或者更高版本，用于ＰａｒａＶｉｅｗ的 配置和编译； Ｑｔ ｖ４．８．＊，用于用户界面的生产，如果只需 要ｐｖｓｅｒｖｅｒ，则可略去； Ｍｅｓａ ３Ｄ：当在没有硬件支持ＯｐｅｎＧＬ的平台 上运行ＰａｒａＶｉｅｗ服务器时，ＭＥＳＡ ３Ｄ可以用来模拟这 种硬件支持。 用于输出ａｖｉ动画的ｆｆｍｐｅｇ库。 编译并行版本需要ＭＰＩ库，支持命令行脚本需要 Ｐｙｔｈｏｎ（版本２．７以上），安装ＰａｒａＶｉｅｗ前，需要安装 上面提到的第三方库。 ＶｉｓＩｔ的最新版本２．８．１需要的第三方库包括： Ｃｍａｋｅ，Ｑｔ，ＶＴＫ，Ｓｉｌｏ。ＶｉｓＩｔ提供了第三方库的 集合以供下载。ＶｉｓＩｔ的下载、编译安装通过ｂｕｉｌｄ＿ ｖｉｓｉｔ［ｖｅｒｓｉｏｎ］．ｓｈ进行，其中方括号内是相对应的 ＶｉｓＩｔ版本号。所需的第三方库与该ｓｈｅｌｌ脚本在同一 个目录里，运行”ｂｕｉｌｄ＿ｖｉｓｉｔ［ｖｅｒｓｉｏｎ］．ｓｈ －ｐｒｅｆｉｘ ｐａｔｈ／ ｉｎｓｔａｌｌ／ｖｉｓｉｔ －ｒｅｑｕｉｒｅｄ －－ｐａｒａｌｌｅｌ”，这里ｓｉｌｏ选项打开 能够是ＶｉｓＩｔ支持ｓｉｌｏ数据库格式，如果需要支持其他
目前ＰａｒａＶｉｅｗ的最新版本为４．２。ＰａｒａＶｉｅｗ推出了对 浏览器的支持ＰａｒａＶｉｅｗＷｅｂ以及对掌上设备的支持 ＫｉｗｉＶｉｅｗｅｒ。Ｓａｎｄｉａ国家实验室针对ＰａｒａＶｉｅｗ做了如 下性能测试：六十亿结构化网格，２．５亿非规则网格 （２００５）；１０亿ＡＭＲ网格（２００８）；一兆网格进行 了可扩展性测试（２０１０）。 ＰａｒａＶｉｅｗ可视化包含三个基本的步骤：数据读 取，数据过滤和数据渲染。首先，可视化应用程序 ＰａｒａＶｉｅｗ读取数据；接着，根据分析需要选择若干 种过滤器ｆｉｌｔｅｒ来处理这些数据以获得具有某种特定 形式的子数据集数据特征；最后，在用户窗口界面 中，将这些数据特征以图形图像的方式渲染出来。 ＰａｒａＶｉｅｗ的基本架构见图１所示［６］。
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《高性能计算发展与应用》 ２０１４年第四期 总第四十九期
格式也可以打开，－－ｐｒｅｆｉｘ后是ＶｉｓＩｔ可执行文件安装 的路径。在安装过程中，推荐使用ＶｉｓＩｔ的ＳＶＮ提供的 第三方软件。 ２．２ ＰａｒａＶｉｅｗ服务的配置 通过客户端／服务端方式，链接ＰａｒａＶｉｅｗ数 据和渲染服务，需要进行ＰａｒａＶｉｅｗ服务的配置。 ＰａｒａＶｉｅｗ服务的配置有很多种方法，以下将做简单介 绍。 通过ｓｓｈ链接远程服务器并启动ＰａｒａＶｉｅｗ服 务ｐｖｓｅｒｖｅｒ。链接ＰａｒａＶｉｅｗ服务时，需要手 工 启 动 ｐ ｖ ｓ ｅ ｒ ｖ ｅ ｒ 进 程 。 通 过 设 置 ｐ ｖ ｓ ｃ 文 件 的 ＜ ＣｏｍｍａｎｄＳｔａｒｔｕｐ／＞标签，设置ｓｓｈ的用户名，远程服务 器的可执行文件的路径和名称。这里通过ｍｐｉｒｕｎ启动 ４个ＭＰＩ进程运行ｐｖｓｅｒｖｅｒ。 ＜Ｓｅｒｖｅｒｓ＞ ＜Ｓｅｒｖｅｒ ｎａｍｅ＝＂ｃａｓｅ６＂ ｒｅｓｏｕｒｃｅ＝＂ｃｓ：／／ ｌｏｃａｌｈｏｓｔ：１１１１１＂＞ ＜ＣｏｍｍａｎｄＳｔａｒｔｕｐ＞ ＜Ｏｐｔｉｏｎｓ＞ ＜Ｏｐｔｉｏｎ ｎａｍｅ＝＂ＳＳＨ＿ＵＳＥＲ＂ ｌａｂｅｌ＝＂ＳＳＨ Ｕｓｅｒｎａｍｅ＂ ｓａｖｅ＝＂ｔｒｕｅ＂＞ ＜Ｓｔｒｉｎｇ ｄｅｆａｕｌｔ＝＂ｓｏｍｅｏｎｅ＂ ／＞ ＜／Ｏｐｔｉｏｎ＞ ＜／Ｏｐｔｉｏｎｓ＞ ＜Ｃｏｍｍａｎｄ ｅｘｅｃ＝ｓｓｈ ｄｅｌａｙ＝＂５＂＞ ＜Ａｒｇｕｍｅｎｔｓ＞ ＜Ａｒｇｕｍｅｎｔ ｖａｌｕｅ＝＂－Ｌ１１１１１：１９２．１６８．１２０．７：１ １１１１＂ ／＞ ＜Ａｒｇｕｍｅｎｔ ｖａｌｕｅ＝＂１９２．１６８．１２０．７＂ ／＞ ＜Ａｒｇｕｍｅｎｔ ｖａｌｕｅ＝＂－ｌ＂ ／＞ ＜Ａｒｇｕｍｅｎｔ ｖａｌｕｅ＝＂$ＳＳＨ＿ＵＳＥＲ$＂ ／＞ ＜Ａｒｇｕｍｅｎｔ ｖａｌｕｅ＝＂ｍｐｉｒｕｎ －ｎｐ ４ ／ｏｐｔ／ＰａｒａＶｉｅｗ－ｂｉｎ ／ｂｉｎ／ｐｖｓｅｒｖｅｒ＂ ／＞ ＜／Ａｒｇｕｍｅｎｔｓ＞ ＜／Ｃｏｍｍａｎｄ＞ ＜／ＣｏｍｍａｎｄＳｔａｒｔｕｐ＞ ＜／Ｓｅｒｖｅｒ＞ ＜／Ｓｅｒｖｅｒｓ＞ 如果所需处理的文件规模较大，则在远程环 境中进行可视化处理能极大减少文件传输带来的 开销。获取大规模计算资源经常会用ＰＢＳ，ＬＳＦ， ＳＬＵＲＭ等作业调度系统。用户通常在本地台式机运 行ＰａｒａＶｉｅｗ客户端，并将得到的图形进行在本地进行 渲染和显示。 ２．３ ＶｉｓＩｔ服务的配置
［７］
例如网格等）定义应用程序编程接口（ＡＰＩ）。ｓｉｌｏ将 数据写入两种不同的底层文件结构：ＨＤＦ５和ＰＤＢ。 ＶｉｓＩｔ的模块化原型可以插入不同的数据库读入 组件（ｄａｔａｂａｓｅ ｒｅａｄｅｒ），已经支持的数据格式有Ｓｔａｒ－ ＣＤ的ｃｃｍ输出文件，Ｃｏｓｍｏｓ＋＋的ｃｏｓｍｏｓ格式输出文 件，天体模拟软件Ｇａｄｇｅｔ的输出文件，Ｆｌｕｅｎｔ的ｃａｓ文 件等，详细列表见［８］。