Реферат по темі випускної роботи

Підсистема обміну даними в паралельному моделюючому середовищі

Вступ

Актуальність теми

Складними динамічними системами (СДС) називаються такі технологічні об'єкти, параметри яких цілеспрямовано змінюються з часом і математично можуть бути описані системою звичайних диференціальних рівнянь та нелінійних алгебраїчних рівнянь.

В сучасних інженерних програмах дуже часто з'являється необхідність швидкого моделювання складних динамічних систем. Однак це завдання є однією з найбільш ресурсоємних з усіх обчислювальних операцій. У багатьох галузях науки і техніки збільшення швидкості моделювання при помірних витратах на обладнання має дуже важливе значення. Це може бути досягнуто при введенні в експлуатацію багатопроцесорних комп'ютерних систем з паралельною технологією обробки даних. Головною проблемою паралельного моделювання в такому випадку стає розробка і побудова розподіленого паралельного моделюючого середовища (РПМС).

Ефективна робота паралельного моделюючого середовища передбачає передачу великих обсягів інформації між компонентами системи, а також всередині самих компонентів. Це вимагає розробки швидкої і надійної підсистеми обміну даними (ПОД) в РПМС.

Цілі і задачі роботи

Метою даної магістерської роботи є розробка і дослідження підсистеми обміну даними в розподіленому паралельному моделюючому середовищі (РПМС).

Для реалізації зазначеної підсистеми необхідно виконати наступні завдання:

  1. Проаналізувати роботи, які ведуться в напрямку розподілених паралельних моделюючих середовищ (РПМС) і підсистеми обміну даними зокрема.
  2. Дати визначення і визначити функції ПОД в РПМС.
  3. Розробити математичну модель, а також структури апаратного та програмного забезпечення ПОД в РПМС.
  4. Розробити оптимальні структури даних, за допомогою яких реалізувати передачу інформації.
  5. Визначити принципи взаємодії з іншими підсистемами та функціонування в якості складової частини РПМС.
  6. Дослідити залежність процесів передачі інформації від характеру вирішуваних завдань, а також експериментально перевірити результати роботи розробленої ПОД в РПМС.

Передбачувана наукова новизна

  1. Розробка підсистеми обміну даними як новітньої складової РПМС.
  2. Інтеграція підсистеми обміну даними в РПМС в якості незалежного програмного модуля із забезпеченням взаємодії з іншими підсистемами.
  3. Розробка математичних моделей і алгоритмів для визначення параметрів обміну інформацією між компонентами РПМС і всередині самих компонентів.
  4. Розробка і реалізація ефективного та оптимального алгоритму обміну даними в РПМС.
  5. Розробка структур даних для передачі.
  6. Реалізація повної сумісності підсистеми обміну даними з іншими підсистемами РПМС.

Практична цінність роботи

Розробка ПОД в РПМС здійснюється для досягнення важливої мети - знаходження оптимальних алгоритмів обміну даними для максимального скорочення часу передачі інформації між компонентами в складі РПМС. Якщо розроблені алгоритми будуть успішно реалізовані на практиці і це призведе до мінімізації часу, що витрачається на обмін інформацією в РПМС, то практична цінність даної підсистеми, безумовно, існує. Дослідження розробленої підсистеми, а також результати її роботи та взаємодії з іншими підсистемами будуть проведені на кластері ДонНТУ - MIMD-системі з розподіленою пам'яттю.

Огляд досліджень і розробок по темі

Локальний рівень (за матеріалами викладачів, аспірантів і магістрантів ДонНТУ). Розглядом проблем, пов'язаних з реалізацією розподілених паралельних моделюючих середовищ і віртуальних паралельних моделей в їх складі, займалися:

Наукові співробітники ДонНТУ: Фельдман Л.П., Святний В.А., Анопрієнко О.Я., Молдованова О.В., Солонін О.М., Надеев Д.В. та інші.

Магістри ДонНТУ: Хамилов А.А., Кушнаренко В.Г, Мірошниченко К.В., Волков В.П., Войтов А.В., Войтенко А.В., Меренков А.В., Ковтун Н. О., Терентьєв В.Ю., Габрова О.В., Пронькін В.Г., Стародубцев Д.М., та ін

Національний рівень досліджень в області паралельних обчислень представлений в переважній більшості роботами співробітників і студентів ДонНТУ. ДонНТУ займає лідируючу позицію в області наукових досліджень і розробок, пов'язаних з паралельними моделюючими середовищами, а також є одним з першопрохідців на світовому рівні.

Світовий рівень розробок і досліджень паралельних моделюючих середовищ і складних динамічних об'єктів представлений великою кількістю робіт вчених з таких країн, як США, Німеччина і Росія. Особливо хотілося б відзначити роботи Віктора Малишкіна - завідувача лабораторією синтезу паралельних програм (Новосибірськ, Росія). Під його керівництвом уже тривалий час ведуться розробки в області паралельних комп'ютерних технологій, паралельного програмного синтезу, а також архітектури паралельних систем. Розробляються програми для роботи на кластерах. Між інститутом високопродуктивних обчислень HLRS в Штуттгарті (Німеччина) та факультетом комп'ютерних наук і технологій ДонНТУ ведеться довгострокове і плідне співробітництво.

Незважаючи на велику кількість робіт в області паралельного моделювання, дослідження підсистеми обміну даними представлені слабо або не представлені взагалі.

Концепція РПМС та її декомпозиція на підсистеми

Розподілена паралельна моделююча середа (РПМС) - це така системна організація спільного функціонування паралельних апаратних ресурсів, системного та моделюючого програмного забезпечення, яка підтримує всі етапи розробки, реалізації та застосування паралельних моделей СДС відповідно до певних вимог [1,2].

Характерною особливістю РПМС є здатність виконувати обчислення окремих частин об'єкта одночасно і незалежно один від одного, тобто паралельно. Розпаралелювання дозволяє значно прискорити процес моделювання. Апаратними засобами для цього виступають розподілені системи: комп'ютерні кластери, Grid, паралельні структури з використанням GPU. [3]

Основну концепцію розподіленого паралельного моделюючого середовища для складних динамічних систем з зосередженими та розподіленими параметрами сформували і запропонували в 1992 році співробітники факультету КНТ (тоді ОТІ) та інституту паралельних і розподілених систем (IPVS) Штуттгартського університету. Викладена вона в 1994 році в доповіді на ASIM-симпозіумі [5] і розвинена пізніше в роботах [6, 7].

Наукові співробітники та студенти факультету КНТ (ОТІ), використовуючи теледоступ до паралельних обчислювальних систем Штуттгартського університету, змогли придбати цінний практичний досвід роботи з паралельними моделями на системах MasPar (16000 процесорних елементів), CRAY T3E і Intel Paragon. З січня 2005 РПМС підключена до високопродуктивної системі NEC SX8 (576 вузлів).

Головним положенням РПМС-концепції є необхідність повнофункціональної розробки паралельних методів і алгоритмів функціонування моделюючого програмного забезпечення (Modeling and Simulation Software) для ДССП, ДСРП. Аналіз показує, що паралельні системи SIMD-та MIMD-структур 90-х років мали фірмові мови паралельного програмування, засновані на мовах Fortran, C, C + +, Modula-2 та ін. Інтенсивний розвиток паралельних обчислювальних систем MIMD-архітектури, об'єктно-орієнтованих підходів сприяв стандартизації засобів паралельного та розподіленого програмування. Так, ANSI і ISO визначили С + +-стандарти з бібліотеками MPI, PVM та Pthreads [8].

Концепція передбачає забезпечення користувачів і розробників паралельних моделей мовними та системно-організаційними засобами, які за рівнем сервісу будуть перевершувати системи та мови моделювання п'ятого покоління. [4]

У статті [7] висвітлювалася структура РПМС, яка розглядалася як складна hardware / software-система. Поділ РПМС на відносно незалежні паралельно працюючі підсистеми відповідно до функцій і завдань, які вони виконують, представляє декомпозицію системи. [10]

Вчені пропонують розглядати РПМС як систему, що складається з наступних десяти підсистем:

  • Підсистема діалогу (ПД) призначена для взаємодії із зовнішнім світом. Вона забезпечує діалог системи та розробника, а також забезпечує узгодження завдань симулювання, планування і управління.
  • Підсистема топологічного аналізу (ПТА) забезпечує введення заданої топології динамічної системи, її уявлення у внутрішньому форматі, перетворення топологічної інформації в вигляд, зручний для генерації системи рівнянь, виведення результатів аналізу заданої топології.
  • Підсистема генерування рівнянь (ПГР) взаємодіє з підсистемою топологічного аналізу, перетворюючи результати її роботи в векторно-матричний вигляд, а також генерує дискретні моделі симулювання для вирішення поставлених перед системою завдань.
  • Підсистема паралельних віртуальних симуляційних моделей (ППВСМ) відповідає за інтерактивне представлення ієрархії віртуальних паралельних моделей в залежності від можливих підходів до розпаралелювання. Складання топологій ВПМ за допомогою засобів підсистеми топологічного аналізу. Формування рівнянь по ВПМ рівнями за допомогою підсистеми генерування рівнянь. Апріорний аналіз дискретних ВПМ всіх рівнів. Інтерактивне подання до розпорядження інших підсистем дискретних ВПМ, готових до імплементації. [10]
  • Підсистема паралельного решателя рівнянь (ППРР) здійснює взаємодію з підсистемами топологічного аналізу та підсистемою віртуальних паралельних моделей. В цій системі виробляється рішення систем рівнянь за допомогою паралельних бібліотек, визначення збіжності, стабільності, точності та оптимізації параметрів, а також формування результатів рішення для подання у вигляді, зручному для користувача.
  • Підсистема обміну даними (ПОД) включає повний список компонент і ресурсів РПМС. Визначає структуру даних для обміну, а також здійснює обмін інформацією між підсистемами. За запитом користувача може виводити вміст потоків даних усередині системи.
  • Підсистема балансування навантаження (ПБН) визначає та оцінює завантаження процесорів. Здійснюється порівняльний аналіз підходів розпаралелювання за критеріями розподілу навантаження.
  • Підсистема візуалізації (ПВ) надає можливість підсистемі діалогу виводити результати роботи РПМС в зручному для користувача вигляді (топологія і графіки моделювання у вигляді графічних об'єктів).
  • Підсистема бази даних (ПБД) здійснює взаємодію з усіма підсистемами РПМС і зберігає дані кожного етапу моделювання, а також інформацію про користувачів, їх запити і задачі. З певним інтервалом здійснює резервне копіювання даних.
  • Підсистема інформаційних технологій (ПІТ) надає веб-орієнтований підхід до паралельного моделювання. Надає можливість використання «зовнішніх» обчислювальних ресурсів.

Тільки ПД і ПОД взаємодіють із зовнішнім по відношенню до РПМС середовищем (користувачем і кластерами) і реалізують інтерфейс для роботи з РПМС.

Структура взаємодії підсистем зображена на рисунку 1.

Рисунок 1 - Декомпозиція РПМС на підсистеми

Рисунок 1 - Декомпозиція РПМС на підсистеми

Розробка підсистеми обміну даними в РПМС

Підсистема обміну даними являє собою централізовану структуру, на яку покладається завдання забезпечення обміну даними між компонентами РПМС. Одними з головних вимог, що пред'являються до даної системи є висока швидкість роботи і коректна синхронізація обміну.

ПОД буде складатися з головної програми, що здійснює взаємодію з іншими підсистемами і внутрішніх підпрограм, що відповідають за певне коло задач. Коли відбувається виклик підсистеми - виклик приймає головна програма, передаючи потім управління потрібній підпрограмі. Після завершення роботи підпрограми головна програма отримує і аналізує результати і видає їх назовні. ПОД взаємодіє з іншими підсистемами в складі РПМС. Взаємодія ПОД з іншими підсистемами зображена на малюнку 2.

Рисунок 2 - Взаємодія ПОД з іншими підсистемами РПМС

Рисунок 2 - Взаємодія ПОД з іншими підсистемами РПМС

Анімація: обсяг - 17,3 Кб, розмір - 640х278, кількість кадрів - 13, циклів повторення - 6.

При проектуванні ПОД необхідно реалізувати синхронізацію обміну даними, так як за умови паралельного виконання завдань виникають дві проблеми:

  • два вузли хочуть обмінятися даними в один момент часу;
  • якщо є загальна колективна пам'ять, то необхідно передбачити варіант, при якому 2 процеси намагаються отримати доступ до однієї ділянки пам'яті в один момент часу.

Перша проблема вирішується при додаванні синхронізації кожному вузлу. Перед початком обміну вузли повинні послати один одному сигнали синхронізації і почати обмін тільки тоді, коли вони обидва будуть в стані готовності.

Другу проблему можна вирішити із застосуванням блокувань на певні ділянки пам'яті. В момент, коли один процес ставить блокування на запис / читання ділянки - інший процес не може отримати до нього доступ. Функція синхронізації ПОД повинна забезпечувати синхронізацію, виявляти помилки і рекомендувати варіанти виправлення цих помилок.

При виборі програмної платформи для реалізації ПОД до неї ставляться такі вимоги:

  • висока швидкість виконання коду;
  • простота і висока надійність;
  • модульність;
  • розвинений інструментарій.

Висновки

Підсистема обміну даними, як новітня частина розподіленого паралельного моделюючого середовища, являє собою дуже велику задачу для подальшого вивчення, дослідження та розробки. Дана магістерська робота визначає основні функції, структуру та алгоритми функціонування підсистеми і надає можливості для подальшого розвитку ПОД окремо і РПМС в цілому. Ця робота має практичну цінність для подальших дослідженні і напрацювань, пов'язаних з РПМС.

Література

  1. Абрамов Ф.А., Фельдман Л.П., Святный В.А. Моделирование динамических процессов рудничное Аэрология.- К.: Наук. Мысль, 1981.-284с.
  2. Святный В.А. Моделирование аэрогазодинамических процессов и разработка систем управления проветривание систем шахт. Докт. дисс, Донецк, ДПИ, 1986
  3. Мирошниченко К.В. Разработка и исследование подсистемы топологического анализа сетевых динамических систем как объектов моделирования [Электронный ресурс] / Портал магистров ДонНТУ, 2011 - http://masters.donntu.ru/2011/fknt/myroshnychenko/diss/index.htm
  4. Schmidt B. Simulationssyteme der 5. Generation – SiP, Heft 1, 1994, S. 5–6.
  5. Anoprienko A.J., Svjatnyj V.A., Braunl T., Reuter A., Zeitz M.: Massiv parallele Simulationsumgebung fur dynamische Systeme mit konzentrierten und verteilten Parametern. 9. Symposium ASIM’94, Tagungsband, Vieweg, 1994, S. 183-188.
  6. Святний В.А. Паралельне моделювання складних динамічних систем // Моделирование – 2006: Международная конференция. Киев, 2006г. – Киев, 2006. – С. 83–90.
  7. L. P. Feldmann, V. A. Svjatnyj (FRTI DonNTU, Ukraine); M. Resch, M. Zeitz (Universitat Stuttgart, Deutschland) Forschungsgebiet: parallele Simulationstechnik [Электронный ресурс] / Национальная библиотека Украины имени В.И. Вернадского, - http://www.nbuv.gov.ua/portal/natural/Npdntu/Pm/2008/08flpfps.pdf
  8. Svjatnyj V., Moldovanova O., Smagin A., Resch M., Keller R.: Rabenseifner R. Virtuelle Simulationsmodelle und ein Devirtualisierungsvorgang fur die Entwicklung der parallelen Simulatoren von komplexen dynamischen Systemen / 9. Symposium ASIM 2006, Tagungsband, 2006, S. 416 - 421.
  9. Хамылов А.А. Разработка и исследование подсистемы виртуальных параллельных моделей РПМС [Электронный ресурс] / Портал магистров ДонНТУ, 2011 - http://masters.donntu.ru/2011/fknt/khamylov/diss/index.htm
  10. Кушнаренко В.Г. Разработка и исследование подсистемы параллельных решателей уравнений распределенной параллельной моделирующей среды (РПМС) [Электронный ресурс] / Портал магистров ДонНТУ, 2011 - http://masters.donntu.ru/2011/fknt/kushnarenko/diss/index.htm

Примітка

При написанні даного реферату магістерську роботу ще не завершено. Остаточне завершення: грудень 2012. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.