XPort—X射线设备的科学门户

XPort—X射线设备的科学门户

	http://www.net130.com　　发布日期：2004-5-10	浏览次数:

背景

XPort项目由美国能源部DOE（Depart of Energy）下一代因特网NGI（Next Generation Internet）试验床计划[12]资助，由印第安那州大学、Argonne国家实验室ANL(Argonne National Laboratory)和劳伦斯市伯克利国家实验室LBL（Lawrence Berkeley National Laboratory）共同完成，其目标是用让远程使用科学仪器达到前所未有的方便程度，拿他们的话来说，就是“比到那儿用还方便”。

XPort使用的科学仪器是几个高亮度X射线结晶学设备，包括ANL的先进光子源APS[16]（Advanced Photon Source）和LBL的先进光源ALS[17]（Advanced Light Source），以及印第安那州大学的分子结构中心MSC[18]（Molecular Structure Center）[13]。晶体在X射线的照射下产生衍射，其图像可以用来确定晶体的结晶单元的尺寸和原子的位置。对于大型的分子，衍射图案非常紧密，图像需要极高的分辨率才能被辨识。为此，象先进光源ALS和先进光子源APS这样的高亮度X射线源是必不可少的[19]。

XPort平台基于NGI和Globus，能提供远程仪器使用规划、仪器操作、数据获取、筛选和分析等功能，它将大大简化巨型分子晶体结构的设计和实施。为此，XPort需要结合先进的网络技术、中间件服务和远程仪器操控技术。XPort所涉及的技术问题主要包括：高速数据的采集、筛选、存贮、可视化和实时仪器控制等。

虽然像APS、ALS和MSC这些设施非常昂贵，具有很大的科学价值，然而在没有Xort之前，使用这些设施是非常不方便的。通常，一个科技工作者要想用上这种设备，需要预约排队好几个月，然后千里迢迢赶过去，接着采集数据又得花上好些天（同时也造成仪器的利用率低下），最后分析这些数据还得花很长的时间。有了XPort之后，科技工作者们就可以远程提交任务，交互式控制任务的执行，接收和分析初步的运行结果以确定任务的正确性，存贮和管理产生的数据，而且还可以与其他科技工作者即时共享其研究结果，探讨新的解决方法。

可见，XPort带来的好处是明显的，一方面它大大缩短了研究时间，提高了设备的利用率，使普通的科技工作者能够用上先进设备；另一方面它提供了一个协同研究的平台，使研究能够以团队的方式开展，为交叉学科研究创造了条件。应该说，正是NGI、Globus、Cactus、XPort这样的研究项目，为未来的“大科学”研究奠定了坚实的基础。

XPort试验流程

图 3‑1 XPort处理流程

XPort的处理流程如图 3‑1所示[15]。电荷耦合组件CCD（Charge Coupled Device）每两秒采样一次，每帧数据大约9-32MB，平均一个实验过程大约需要12个小时。为了保证数据传输，XPort平台建立在DOE的NGI宽带网络试验平台上，专用128Mbit/s带宽[11]。采集的数据既在本地存贮，也使用宽带网远程传输给数据处理中心进行晶体的结构分析。分析的结果以可视化的形式呈现出来，提供给各地的研究人员协同分析。试验的流程如下：

1.用户把试验晶体样品用快递邮包发给LBL
2.通过远程可视会议，用户指导LBL技术人员在ALS设备上放置样品
3.用户指定初始的扫描参数
4.初步的扫描图像帧传回给用户
5.用户检查样品的正确性、放置的正确性以及样品是否形成了孪晶
6.如是，用户重新指定扫描参数、让技术人员重新放置样品或终止扫描过程
7.与异地研究人员协同处理采集到的大量数据

XPort的实现

XPort的体系结构如图 3‑2[13]所示。

图 3‑2 XPort体系结构

底层主要使用了Globus的身份验证和任务执行功能。CoG工具包(Commodity Grid Kits)[20]的功能是使应用程序可以通过COBRA、Java、Perl和Python等访问网格服务，包括MDS、GRAM、GridFTP和GASS等。

通常，运行一个分布式应用程序是很困难的，科学门户（Science Portals）[21]提供一个Web界面让用户运行应用程序。Active Notebook是印第安那州大学开发的科学门户软件，它基于Apache Tomcat提供一个便携式网格计算问题解决环境。这个门户是一个安装在用户桌面计算机或笔记本电脑上的Web服务程序，它提供像“笔记本”一样简单的界面，供用户编写应用程序脚本及管理数据等。有了科学门户，用户只需要在Web页面上填写应用程序的运行参数，并指定初始数据的路径，就可以运行之。因而，用户不必关心程序的运行是如何完成的，大大降低了网格应用的门槛。

XPort最关键的中间件是公共元件体系工具箱CCAT(Common Component Architecture Toolkit)。元件体系CA(Component Architecture)是一种软件工程方法，它采用构件的思想，所有的构件都是经过封装的软件模块，其行为和接口经过严格定义。这样，元件体系能够很好地支持软件复用，降低应用程序的复杂度。CCAT是美国能源部公共元件体系计划CCAP（Common Component Architecture Project）[22]中的一部分，也是由印第安那州大学完成。相对于已有的桌面构件体系（如微软的COM、Java Beans、Gnome CORBA构件）和分布式构件体系（如Enterprise Java Bean、DCOM,、CORBA Component Model），CCAP专门针对用于高性能计算的并行编程环境，它更强调性能的提高。目前，CCAT已经演化成XCAT[24]。

图 3‑1所示的XPort处理流程中的每一个处理框都是一个CCAT元件，它们用C++或Java书写，运行于不同的计算机上。采集CCD数据的CCAT元件是与仪器结合的关键，它的实现却非常简单：CCD器件本身就带有相应的驱动程序，它把图像帧存入指定的目录。而CCAT数据采集元件只需要监视该目录的变动情况，把最新产生的文件传输给存

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