Моделирование сложных динамических систем (СДС) является решающим фактором качества и конкурентоспособности СДС-проектов. Современные требования СДС и средств моделирования достигли уже такого уровня, что обычные однопоточные компьютеры не могут справиться с ограничениями задач моделирования. В связи с этим, необходимо внедрение новых методов моделирования и построения моделирующих сред. Одной из разработок, удовлетворяющих требованиям СДС, является — распределенная параллельная моделирующая среда (РПМС).
Цели и задачи
Основной целью данной магистерской работы является разработка подсистемы обмена информацией для распределенной параллельной моделирующей среды.
Основными этапами или пунктами будут:
1. Что такое РПМС?
2. Актуальность данных исследований
3. Анализ РПМС и декомпозиция
4. Исследование разработок по подсистеме обмена информацией
5. Определение функций ПОИ (подсистемы обмена информацией)
6. Интеграция ПОИ с другими подсистемами
7. Результаты
Что такое РПМС?
РПМС - это комплекс аппаратных, программных и информационных средств, который обеспечивает поддержку всех этапов разработки, отладки и исследования параллельных моделей динамических систем реальной сложности, формирования и визуализации результатов моделирования. Так же РПМС предназначена для решения широкого класса задач моделирования ДС с сосредоточенными (ДССП) и распределенными (ДСРП) параметрами [1]. Главными особенностями РПМС являются гетерогенность ресурсов и территориальная распределенность среды. В РПМС выделяют аппаратные и программные ресурсы [1, 2, 4]. К аппаратным ресурсам относятся вычислительные системы SIMD-, MIMD-архитектур, персональные ЭВМ, которые объединяются в параллельно функционирующие группы (кластеры), рабочие места пользователей (ПЭВМ) и аппаратура модельно ориентированных периферийных систем. Доступ к аппаратным ресурсам происходит с рабочих мест с помощью средств организации удаленного доступа. Программные ресурсы разделяют на системное программное обеспечение (СПО) и моделирующее программное обеспечение (МПО). СПО РПМС состоит из параллельных операционных систем SIMD- и MIMD-ориентации, параллельных систем программирования, распределленных операционных систем и системных средств обеспечения работы периферийного оборудования. МПО состоит из трех основных частей – для моделирования ДССП, ДСРП и обеспечения визуализации.
Актуальность
Так как современные технологии требуют очень высокого уровня вычисления или же требуется большой объем вычислений, необходимо использовать параллельные вычисления потому, что использование последовательных методов вычислений может привести к огромным затратам времени, что недопустимо в современных системах. Разработки и исследования в области распределенных параллельных моделирующих сред являются актуальными в данный момент. Большое количество специалистов занимается данной разработкой. Различные методы декомпозиции РПМС на подсистемы, различные методы связи подсистем между собой. Все это разрабатывается и изучается в данный момент. И все это преследует одну цель – создание совершенной РПМС.
Анализ РПМС и декомпозиция
Концепцией РПМС предусматривается подсистема диалога, призванная обеспечить интерактивный доступ пользователей и разработчиков моделей к ресурсам РПМС на всех этапах построения и исследования моделей и прозрачность ресурсов РПМС для пользователей независимо от удаленности. В основном в РПМС выделяют три основных структурных элемента:
1) Вычислительные ресурсы – ВР (SISD – ЭВМ высокой производительности, современные SIMD-, MIMD- ЭВМ и кластерные вычислительные системы);
2) Пользователи РПМС– группы разработчиков ДССП и ДСРП, которые могут находиться на значительном территориальном удалении от ВР;
3) Коммуникационная среда - КС, которая обеспечивает доступ к ВР РПМС для пользователей независимо от их местоположения
Обычно РПМС разделяют на 10 основных подсистем:
1. Подсистема генерирования уравнений — осуществляет коммуникацию с подсистемой топологического анализа, преобразование результатов ее работы в векторно-матричный вид.
2. Подсистема диалога — используется для отображения и презентации РПМС. Она осуществляет диалог и обучение разработчика и пользователя.
3. Подсистема топологического анализа — выполняет вербальное и графическое описание кодировки для первичных топологий. Затем происходит обработка данных.
4. Подсистема виртуальных параллельных симуляционных моделей — предоставляет средства для интерактивного отображения иерархии виртуальных параллельных симуляционных моделей в зависимости от возможных вариантов распараллеливания.
5. Подсистема параллельного решения уравнений — именно здесь производится решение систем уравнений с помощью параллельных библиотек, определение сходимости, стабильности, точности, оптимизация варьируемых параметров, а также преобразование результатов решения для наглядного представления.
6. Система балансировки нагрузки — определение и управление уровнем нагрузки между виртуальными процессами и процессорами.
7. Подсистема обмена данными — включает список компонент и ресурсов РПМС. Выполняет обмен данными по запросу от компонент, отображение потоков данных по инициативе пользователя. Возможность оптимизации параллельной программы с помощью операций обмена.
8. Подсистема визуализации — выполняется подготовка результатов симуляции для визуализации, интерактивное отображение графиков во время и после проведения симуляции.
9. Подсистема баз данных — взаимодействует со всеми подсистемами и хранит всю возможную информацию о среде.
10. Подсистема IT-поддержки — удаленное WEB-базированное приложение для моделирования.
Важнейшей проблемой эффективного функционирования РПМС является организация обмена информацией между всеми ее компонентами и внутри них. Рассмотрим состояние разработок в этом направлении.
На данный момент можно сделать следующие общие выводы о состоянии разработок в области исследования и создания РПМС. Выделим основные, которые будут использованы.
• РПМС структурно разделена на три типа элементов: вычислительные ресурсы (ВР), пользователи и соединяющая их коммуникационная среда.
• Доступ пользователей к ВР осуществляется одинаково независимо от территориального расположения, как самих пользователей, так и ВР;
• Допускается существование как РПМС универсального назначения, так и проблемно ориентированных РПМС.
Нерассмотренными остаются следующие вопросы:
• Построение математической модели РПМС в целом и ПОИ в частности;
• Организация доступа пользователей к РПМС в целом, а не к отдельным ее ресурсам;
• Организация обмена информацией между аппаратными элементами РПМС и внутри самих элементов;
• Создание единого программного обеспечения для работы с РПМС;
• Организация обмена информацией между различными уровнями программного обеспечения;
Поскольку в данной работе раскрываеся только основы разработки данной системы, то к нерассмотренным вопросам мы также добавим основные функции ПОИ:
• Содержание полнофункционального списка зарегистрированных пользователей РПМС и имеющихся РПМС ресурсов, которые должны обмениваться информацией по взаимной инициативе.
• Иерархическое представление потоков данных в выбранных целевых ВР.
• Тестовая система для получения реальных параметров операций обмена в сетях связей целевых ВР
• Сопоставление результатов априорного анализа и реальных данных по влиянию операций обмена на эффективность подходов к распараллеливанию.
Необходимо провести разработку математической модели РПМС в целом и ПОИ в частности, провести разработку структур аппаратного и программного обеспечения (ПО) РПМС, разработать ПО ПОИ РПМС, провести анализ возникающих в РПМС процессов передачи информации, исследовать зависимость процессов передачи информации от характера решаемых задач, исследовать экспериментально средства подсистемы.
Анимация. Кадров: 5. Циклов повторения: 6. Размер: 34 Кб.
1. График времени обмена данными между процессорами
2. График зависимости времени от количества процессов
Аппаратная база ПОИ (АБ ПОИ) – это совокупность всех вычислительных ресурсов, обеспечивающих передачу информации.
Существует всего два типа элементов ПОИ РПМС:
Источники информации (узлы сети), включающие в себя РМ и различные вычислительные ресурсы – ВР, и - коммуникационная система (КС)
Таким образом. АБ ПОИ включает в себя:
1. (КС), обеспечивающую связь пользователя с ВР;
2. (КС), обеспечивающую связь между пользователями;
3. (КС), обеспечивающую связь между ВР;
4. (КС), обеспечивающую связь внутри вычислительного ресурса между процессорами или процессорными элементами;
5. Источники передачи информации: отдельные компьютеры, ВР, элементы внутри ВР
То есть существует всего два типа КС с аппаратной точки зрения:
• КС удаленного доступа (Internet и/или локальная сеть) (КС1)
• (КС), обеспечивающую связь внутри ресурса между процессорами или процессорными элементами (КС2)
и три типа источников:
• отдельные компьютеры (РМ);
• вычислительные ресурсы (ВР);
• элементы внутри ВР.
Программное обеспечение ПОИ включает в себя:
• Операционные системы ВР и пользователей(UNIX (Linux), Win2000/NT/95/98 и пр);
• Прикладное ПО для обеспечения связи;
• Языки программирования (Visual C++, C++ и пр.) со встроенными средствами параллельного программирования и специальными коммуникационными библиотеками (MPI).
Результаты
Подсистема обмена информацией играет важную роль в РПМС, так как она управляет процессом обмена информацией, а также содержит необходимые данные для верного регулирования и настройки РПМС. Таким образом, исследование и разработка этой подсистемы — это еще один шаг постоянного развития РПМС и систем моделирования в целом.
Работа находится в стадии разработки. С окончательными результатами можно будет ознакомиться в начале 2012 года.
Литература
Святний В.А. Проблемы паралельного моделювання складних динамiчних систем.- Науковi працi ДонДТУ, серiя IКОТ, вип. 6, Донецьк, 1999, С. 6-14.
Аноприенко А.Я., Святный В.А. Высокопроизводительные информационно-моделирующие среды для исследования, разработки и сопровождения сложных динамических систем.- Наукові праці ДонДТУ. Серія “Проблеми моделювання та автоматизації проектування динамічних систем”. Випуск 29:-Донецьк, ДонДТУ, 2001. – С.346 – 367.
Feldmann L.P., Svjatnyj V.A., Lapko V.V., Gilles E.-D., Zeitz M., Reuter A., Rothermel K.: Parallele Simulationstechnik. Problems of Simulation and Computer Aided Design of Dynamic Systems. Collected Volume of Scientific Papers. Donetsk State Technical University. Donetsk, 1999, p. 9-19.
Anoprienko A.J., Svjatnyj V.A., Braunl T., Reuter A., Zeitz M.: Massiv parallele Simulationsumgebung fur dynamische Systeme mit konzentrierten und verteilten Parametern. 9. Simposium ASIM’94, Tagungsband, Vieweg, 1994, S. 183-188.
Святний В.А., Солонін О.М., Надєєв Д.В., Степанов І., Ротермель К., Цайтц М. Розподілене паралельне моделююче середовище.- Наукові праці ДонДТУ. Серія “Проблеми моделювання та автоматизації проектування динамічних систем”. Випуск 29:-Донецьк, ДонДТУ, 2001. – С.229 – 234.
Корнеев В.В.Параллельные вычислительные системы.М.–Нолидж.1999 312 с.
Чеботарев Н.Ю. К разработке подсистемы диалога MIMD – компоненты массивно параллельной моделирующей среды.- Наукові праці ДонДТУ. Серія “Інформатіка, кібернетика та обчислювальна техніка”. Випуск 6:-Донецьк, ДонДТУ, 1999. – С.62 – 66.
Святный В.А., Баженов Л.А. Принципы построения подсистемы диалога массивно параллельной моделирующей среды, Сборник трудов факультета вычислительной техники -Донецьк, ДонДТУ, 1996. – С.24 – 31.
Корнеев В.В.Параллельные вычислительные системы.М.–Нолидж.1999 312 с.
