淺析MCR框架的Web熱力學數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模式及其優(yōu)勢

　　隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，Web熱力學數(shù)據(jù)庫已成為當前熱力學數(shù)據(jù)庫技術(shù)發(fā)展的主流并得到廣泛應(yīng)用,目的在于建立解決特定熱力學問題的正確、高效的數(shù)學模型。.

　　1引言

　　隨著Internet技術(shù)的不斷發(fā)展?；跒g覽器/Web服務(wù)器結(jié)構(gòu)模型（即B/S結(jié)構(gòu)模型）的熱力學數(shù)據(jù)庫得到了廣泛的應(yīng)用。在這種結(jié)構(gòu)模型下，一部分事務(wù)邏輯在客戶端瀏覽器實現(xiàn)，大部分事務(wù)邏輯在熱力學數(shù)據(jù)庫服務(wù)器端實現(xiàn)。然而，由于在熱力學數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用中涉及到大量的數(shù)值計算，會大量消耗服務(wù)器CPU和內(nèi)存資源，從而導致熱力學數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的負載加重，增大響應(yīng)時間，因此，如不能很好地解決數(shù)值計算的速度問題，系統(tǒng)整體性能將受到較大的影響。

　　同時，在熱力學數(shù)據(jù)庫的開發(fā)過程中，開發(fā)人員不僅要集中精力將熱力學數(shù)據(jù)庫中的數(shù)學模型轉(zhuǎn)換為計算機控制代碼，而且還需要花費大量精力去實現(xiàn)、驗證、優(yōu)化數(shù)學模型中所涉及的數(shù)值計算方法。從而加大了熱力學數(shù)據(jù)庫的開發(fā)周期和難度。

　　本文針對Web熱力學數(shù)據(jù)庫數(shù)值計算的特點和對性能的要求。使用面向服務(wù)的架構(gòu)思想，提出了基于MCR框架的Web熱力學數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模式，實現(xiàn)了Web熱力學數(shù)據(jù)庫計算模型控制與數(shù)值計算過程的分離，大大提高了系統(tǒng)數(shù)值計算能力和速度，同時簡化了熱力學數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)值計算方法的過程。

　　2Web熱力學數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模式研究

　　隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，Web熱力學數(shù)據(jù)庫已成為當前熱力學數(shù)據(jù)庫技術(shù)發(fā)展的主流并得到廣泛應(yīng)用。但是圍繞著提高Web熱力學數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)性能的研究依然沒有停止。這些研究主要集中在兩個方面，一方面是對熱力學數(shù)學模型的理論研究數(shù)值計算，目的在于建立解決特定熱力學問題的正確、高效的數(shù)學模型。另一方面是對Web熱力學數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模式的研究，目的在于降低系統(tǒng)開發(fā)難度和縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)計算性能，提高應(yīng)用系統(tǒng)的效率和共享能力，在這類研究中，普遍采用了多層架構(gòu)模式思想，將系統(tǒng)不同類型的工作任務(wù)分配到不同的層中執(zhí)行，這樣不僅便于網(wǎng)絡(luò)用戶使用熱力學數(shù)據(jù)庫，同時也便于系統(tǒng)的協(xié)同開發(fā)，提高了系統(tǒng)代碼的復用性，便于業(yè)務(wù)邏輯的共享、重組和系統(tǒng)的維護。

　　2.1 三層架構(gòu)模式的Web熱力學數(shù)據(jù)庫

　　圖1. Architecture ofthree-tiers

　　在圖1所示的三層架構(gòu)模式中，客戶端采用瀏覽器作為的系統(tǒng)界面訪問工具。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提供高效、安全的數(shù)據(jù)存儲操作。WebServer則實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制核心期刊。

　　三層架構(gòu)模式主要解決了熱力學數(shù)據(jù)庫業(yè)務(wù)邏輯控制與數(shù)據(jù)存儲控制的分離，實現(xiàn)了“瘦客戶端”訪問，便于用戶使用，系統(tǒng)部署簡單，維護成本低。從圖1可以看出，熱力學數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的工作負載主要集中在Web Server，從而導致WebServer負載過重，成為影響系統(tǒng)性能的瓶頸。

　　2.2 n層架構(gòu)模式的Web熱力學數(shù)據(jù)庫

　　圖2. Architecture of n-tiers

　　為了減輕三層架構(gòu)模式下Web熱力學數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)Web Server的工作負載，系統(tǒng)架構(gòu)師們提出了如圖2所示的n層架構(gòu)模式。其中，業(yè)務(wù)邏輯層負責熱力學數(shù)據(jù)庫的核心功能----計算模型控制和數(shù)值計算。表示層負責用戶界面控制，數(shù)據(jù)訪問層負責熱力學數(shù)據(jù)庫的訪問并屏蔽使用數(shù)據(jù)庫的細節(jié)信息。

　　采用n層架構(gòu)模式使整個系統(tǒng)的工作負載分布到不同的服務(wù)器中，避免因某臺服務(wù)器負載過重而成為影響系統(tǒng)性能的瓶頸，也便于系統(tǒng)的協(xié)同開發(fā)和維護，增加了系統(tǒng)部署的靈活性。例如，能夠在業(yè)務(wù)邏輯層利用負載均衡技術(shù)構(gòu)建應(yīng)用服務(wù)器集群，解決復雜業(yè)務(wù)邏輯控制和大量用戶并發(fā)訪問的性能問題，在數(shù)據(jù)訪問層引入中間件技術(shù)，解決高效訪問數(shù)據(jù)庫的問題。

　　3基于MCR框架的Web熱力學數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模式

　　雖然n層架構(gòu)模式的Web熱力學數(shù)據(jù)庫具有很多優(yōu)勢，但是在具體實現(xiàn)架構(gòu)模式中的核心層----業(yè)務(wù)邏輯層時，面臨兩個比較棘手的問題。

　　一是如何實現(xiàn)熱力學數(shù)據(jù)庫數(shù)學模型中的數(shù)值計算，例如積分、方程組求解等，這需要熱力學數(shù)據(jù)庫開發(fā)人員耗費大量的時間和精力去編程實現(xiàn)各種相關(guān)數(shù)值計算求解程序。如果能夠在系統(tǒng)中直接引用目前成熟的科學計算軟件來解決數(shù)值計算求解問題，將大大簡化數(shù)值計算實現(xiàn)過程。

　　二是如何提高數(shù)值計算的效率。數(shù)值計算往往會消耗計算機大量的內(nèi)存和CPU資源，加重應(yīng)用服務(wù)器的負載，從而導致系統(tǒng)的響應(yīng)時間增長，成為影響系統(tǒng)性能的瓶頸。如果能夠?qū)?shù)值計算過程從業(yè)務(wù)邏輯層中分離出來，將其轉(zhuǎn)移到專用的數(shù)值計算服務(wù)器中數(shù)值計算，不僅能夠減輕應(yīng)用服務(wù)器的負載，而且專用的數(shù)值計算服務(wù)器能提供更好的執(zhí)行效率，從而改善系統(tǒng)的性能。

　　本文提出的基于MCR框架的Web熱力學數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模式能夠很好的解決以上兩個問題。該架構(gòu)模式的核心思想是利用MCR框架構(gòu)建高性能的、易于使用的熱力學數(shù)據(jù)庫數(shù)值計算引擎，避免了在熱力學數(shù)據(jù)庫的開發(fā)過程中直接編程實現(xiàn)數(shù)值計算算法，同時使熱力學數(shù)據(jù)庫計算模型控制與熱力學數(shù)據(jù)庫數(shù)值計算過程分離，從而達到簡化熱力學數(shù)據(jù)庫的開發(fā)過程和提高系統(tǒng)性能的目的。

　　MCR（MATLAB CompilerRuntime）是建立在MATLAB基礎(chǔ)上的一個獨立的應(yīng)用框架，能夠執(zhí)行MATLAB文件和函數(shù)。而MATLAB是世界上公認的功能強大、應(yīng)用廣泛的科學計算軟件，具有豐富的數(shù)值計算工具和高效的數(shù)值計算效率，占據(jù)世界上數(shù)值計算軟件的主導地位。利用MATLAB提供的MATLAB Builder NE編譯工具，能夠?qū)ATLAB數(shù)值計算函數(shù)轉(zhuǎn)換成MCR組件（.net類）。因此，在.net框架中安裝MCR就能夠?qū)崿F(xiàn).net應(yīng)用調(diào)用MCR組件（.net類），進而可以在程序中直接使用MATLAB強大的數(shù)值計算功能。為此，本文擴展了n層架構(gòu)模式，構(gòu)建了如圖3所示的基于MCR框架的Web熱力學數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模式。

　　圖3. Architecture of Basedon MCR

　　從圖3可以看出，數(shù)值計算引擎將數(shù)值計算功能從業(yè)務(wù)邏輯層中獨立出來，數(shù)值計算引擎的構(gòu)建采用了Service-OrientedArchitecture（面向服務(wù)體系架構(gòu)）的思想，利用Web Service技術(shù)實現(xiàn)SOA。SOA 是一種IT體系結(jié)構(gòu)樣式，支持將業(yè)務(wù)作為鏈接服務(wù)或可重復業(yè)務(wù)任務(wù)進行集成，可在需要時通過網(wǎng)絡(luò)訪問這些服務(wù)和任務(wù)。SOA將應(yīng)用程序的不同功能單元（稱為服務(wù)）通過這些服務(wù)之間定義良好的接口和契約聯(lián)系起來。接口是采用中立的基于XML的語言（也稱為Web服務(wù)描述語言，Web Services Definition Language，WSDL）定義的，它獨立于實現(xiàn)服務(wù)的硬件平臺、操作系統(tǒng)和編程語言。這使得不同類型的業(yè)務(wù)邏輯層可以以一種統(tǒng)一和通用的方式與數(shù)值計算引擎進行交互，便于各種異構(gòu)熱力學數(shù)據(jù)庫業(yè)務(wù)邏輯層與數(shù)值計算引擎的集成和復用，同時也能夠利用服務(wù)群集技術(shù)構(gòu)建數(shù)值計算引擎集群，動態(tài)均衡數(shù)值計算負載，滿足網(wǎng)絡(luò)高并發(fā)、高密集的數(shù)值計算需求，優(yōu)化了系統(tǒng)性能，大大提高了Web熱力學數(shù)據(jù)庫數(shù)值計算引擎的計算能力和速度。

　　1）數(shù)值計算引擎接口

　　對外提供統(tǒng)一的熱力學數(shù)值服務(wù)接口，例如焓、熵計算等。只要通信雙方定義好服務(wù)契約，數(shù)值計算引擎可以為各種同構(gòu)或者異構(gòu)系統(tǒng)提供熱力學數(shù)值計算服務(wù)，從而使數(shù)值計算引擎能夠?qū)崿F(xiàn)跨系統(tǒng)的業(yè)務(wù)集成和復用。

　　2）數(shù)值計算類

　　實現(xiàn)數(shù)值計算引擎接口定義的具體的熱力學數(shù)值計算方法，這些方法封裝了各種熱力學基本計算公式的求解過程，例如求解焓、熵的基本積分公式等。并在方法中調(diào)用MCR組件（.net類）利用MATLAB完成具體的數(shù)值計算過程。例如定積分運算或矩陣運算等核心期刊。此外，數(shù)值計算類還要負責本地調(diào)用語言數(shù)據(jù)類型與MATLAB數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，以及錯誤處理等輔助工作。

　　3）MCR

　　根據(jù)數(shù)值計算類的調(diào)用請求，執(zhí)行相應(yīng)的MATLAB函數(shù)。

　　4基于MCR框架的Web熱力學數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模式的優(yōu)點

　　在基于MCR框架的Web熱力學數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模式中，建立數(shù)值計算引擎將數(shù)值計算功能從熱力學數(shù)據(jù)庫業(yè)務(wù)邏輯層中分離出來，具有以下優(yōu)點。

　　1）采用SOA思想，實現(xiàn)了業(yè)務(wù)邏輯層與數(shù)值計算引擎之間的松耦合數(shù)值計算，便于各種異構(gòu)熱力學數(shù)據(jù)庫共享數(shù)值計算引擎服務(wù)。

　　2）采用SOA思想，能夠使用服務(wù)器集群技術(shù)建立數(shù)值計算服務(wù)器群，通過負載均衡技術(shù)分擔各個數(shù)值計算引擎的工作負荷，支持高密集數(shù)值計算，可靈活的增減系統(tǒng)數(shù)值計算能力。

　　3）減輕了熱力學數(shù)據(jù)庫應(yīng)用服務(wù)器的負載，有利于提高系統(tǒng)的整體性能。

　　4）熱力學數(shù)據(jù)庫的業(yè)務(wù)邏輯層只關(guān)注如何使用數(shù)值計算服務(wù)，而不關(guān)心如何實現(xiàn)數(shù)值計算，簡化了業(yè)務(wù)邏輯層的實現(xiàn)過程，提高了熱力學數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)效率。

　　5）能夠充分利用MATLAB豐富的數(shù)值計算工具，屏蔽了使用MATLAB的復雜的過程。同時借助于MATLAB卓越的數(shù)值計算性能提高了數(shù)值計算效率。

　　6）可對數(shù)值計算引擎做進一步的優(yōu)化。如直接利用MATLAB并行計算功能構(gòu)建多核、多處理器并行計算服務(wù)器?；蚶肕ATLAB分布式并行計算功能構(gòu)建MATLAB分布式計算計算機集群。進一步提高數(shù)值計算引擎的數(shù)值計算速度。

　　5結(jié)束語

　　在冶金、化工領(lǐng)域的生產(chǎn)和研究中，熱力學數(shù)據(jù)庫作為基本工具得到了越來越廣泛的應(yīng)用，對熱力學數(shù)據(jù)庫的計算性能要求也越來越高，而系統(tǒng)的架構(gòu)模式是影響熱力學數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一，是熱力學數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件開發(fā)的基礎(chǔ)。本文分析了三層和n層架構(gòu)模式的Web熱力學數(shù)據(jù)庫所存在的問題，根據(jù)熱力學數(shù)據(jù)庫數(shù)值計算的特點，在n層架構(gòu)模式的基礎(chǔ)上，提出了基于MCR框架的、多層、分布式計算的Web熱力學數(shù)據(jù)庫架構(gòu)模式，可以方便的實現(xiàn)對MATLAB計算功能的調(diào)用而無需了解具體的技術(shù)細節(jié)，從而大大簡化了Web熱力學數(shù)據(jù)庫開發(fā)過程中實現(xiàn)數(shù)值計算功能過程，同時也為Web熱力學數(shù)據(jù)庫在重負載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的應(yīng)用和異構(gòu)熱力學數(shù)據(jù)庫共享熱力學數(shù)值計算服務(wù)提供了一種可行方案。