多虛擬機(jī)協(xié)同計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)及其在CAE中的應(yīng)用.pdf

1、多虛擬機(jī)協(xié)同計(jì)算(CCMVM)指在一臺(tái)物理計(jì)算機(jī)上運(yùn)行多臺(tái)虛擬機(jī)，計(jì)算任務(wù)被封裝在虛擬機(jī)中，虛擬機(jī)之間并行協(xié)同工作，共同高效地完成計(jì)算任務(wù)。CCMVM利用多虛擬機(jī)的任務(wù)并行協(xié)同性，通過(guò)資源分配和虛擬機(jī)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)以任務(wù)為中心、可伸縮的計(jì)算環(huán)境，支持需要高效能計(jì)算的計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)等復(fù)雜工程應(yīng)用的高效完成。
　　為了探索大型復(fù)雜CAE問(wèn)題求解新方法，構(gòu)建低成本高效率的現(xiàn)代CAE高效能計(jì)算環(huán)境，提高CAE問(wèn)題求解系統(tǒng)的運(yùn)行性能，

2、節(jié)省運(yùn)行成本，支持工業(yè)制造領(lǐng)域產(chǎn)品創(chuàng)新和設(shè)計(jì)水平的提升，作者深入研究了多虛擬機(jī)協(xié)同計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)，包括:基于虛擬機(jī)的任務(wù)分配與調(diào)度方法、容器支持的透明化任務(wù)協(xié)同方法、對(duì)虛擬化資源的按需分配方法、面向并行計(jì)算的虛擬機(jī)調(diào)度方法。在此基礎(chǔ)上探索了面向CAE關(guān)鍵應(yīng)用的多虛擬機(jī)協(xié)同計(jì)算系統(tǒng)(CCSMVM)的基本原理、體系結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了CCSMVM原型系統(tǒng)。
　　本文課題的主要研究工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　(1)提出并實(shí)現(xiàn)了任務(wù)特征

3、模型及基于虛擬機(jī)的任務(wù)分配與調(diào)度方法。通過(guò)任務(wù)分解、識(shí)別并行關(guān)系，建立任務(wù)的粒度劃分和判斷規(guī)則，確定耦合度，實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)的描述?；谔卣髂Ｐ停瑢?yīng)用程序開(kāi)發(fā)與部署時(shí)的個(gè)人偏好隸屬度作為約束條件，將任務(wù)與體系結(jié)構(gòu)匹配度作為目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)啟發(fā)式算法來(lái)求解與目標(biāo)函數(shù)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)方案。方案解決了從特征單元到線程分配，從線程到虛擬機(jī)映射，從虛擬機(jī)到物理機(jī)調(diào)度的問(wèn)題，并使任務(wù)按時(shí)序關(guān)系啟動(dòng)執(zhí)行。研究結(jié)果表明，該方法可使應(yīng)用程序保持較強(qiáng)的適應(yīng)性，確保系統(tǒng)

4、的性能最優(yōu)，滿足可開(kāi)發(fā)性、可部署性需求。
　　(2)提出并實(shí)現(xiàn)了任務(wù)通信反轉(zhuǎn)模型及容器支持的透明化任務(wù)協(xié)同方法。任務(wù)通信反轉(zhuǎn)模型是隱式的通信方式，即由容器支持的間接任務(wù)通信。為實(shí)現(xiàn)任務(wù)協(xié)同過(guò)程的透明化，通過(guò)提供新的可靠性消息通信原語(yǔ)和容錯(cuò)模式:任務(wù)間的交互通過(guò)數(shù)據(jù)流、控制流、特征單元等特征模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述，數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)底層容器來(lái)完成，使任務(wù)關(guān)系被解耦合，并便于數(shù)據(jù)優(yōu)化批量傳輸處理。該方法提供了可執(zhí)行文件包描述及其提交、文件自動(dòng)化分

5、發(fā)部署、任務(wù)的啟動(dòng)與加載、特征單元狀態(tài)變遷的流程步驟等。研究結(jié)果表明，該方法簡(jiǎn)化了任務(wù)的分發(fā)部署及協(xié)同交互過(guò)程，提高了系統(tǒng)的吞吐量和任務(wù)的加速比。
　　(3)提出并實(shí)現(xiàn)了資源虛擬化模型及對(duì)虛擬化資源的多種按需分配方法。在建立物理資源到邏輯資源的映射關(guān)系的基礎(chǔ)上，構(gòu)造了邏輯資源視圖，解除了物理資源和資源使用者之間的緊耦合關(guān)系。在對(duì)資源進(jìn)行粒度劃分，以及提出物理資源建模元素的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了啟發(fā)式資源組合算法，構(gòu)建了虛擬計(jì)算資源池，以便

6、全局資源分配。基于虛擬計(jì)算資源池，提出了多種邏輯資源分配算法，包括以資源利用率為目標(biāo)的資源一次匹配算法、以資源使用滿意度為目標(biāo)的多次匹配算法及資源重構(gòu)算法。資源虛擬化模型解決了資源緊耦合特性與多粒度使用需求之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)了以資源使用者為中心的資源虛擬化。多種資源分配算法實(shí)現(xiàn)了資源的按需分配，解決了虛擬計(jì)算環(huán)境中的資源管理問(wèn)題。
　　(4)提出并實(shí)現(xiàn)了負(fù)載監(jiān)測(cè)模型及面向并行計(jì)算任務(wù)的虛擬機(jī)調(diào)度方法。負(fù)載監(jiān)測(cè)模型針對(duì)某一任務(wù)的CPU

7、資源利用率進(jìn)行計(jì)算，對(duì)所捕獲虛擬機(jī)負(fù)載進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)基于預(yù)控圖的負(fù)載評(píng)估。根據(jù)評(píng)估結(jié)果調(diào)整CPU權(quán)重來(lái)改變多虛擬機(jī)時(shí)間片，進(jìn)行動(dòng)態(tài)資源調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了多虛擬機(jī)在物理機(jī)上的負(fù)載均衡。面向并行計(jì)算任務(wù)的虛擬機(jī)調(diào)度按照多虛擬機(jī)內(nèi)部任務(wù)的運(yùn)行進(jìn)度，來(lái)確定虛擬機(jī)調(diào)度策略。通過(guò)下層向上層的資源狀態(tài)報(bào)告和上層任務(wù)向下層的運(yùn)行進(jìn)度傳遞，實(shí)現(xiàn)了在下層以資源換取上層任務(wù)運(yùn)行時(shí)間的虛擬機(jī)調(diào)度。研究結(jié)果表明，與同類調(diào)度器相比，作者所設(shè)計(jì)的調(diào)度器實(shí)現(xiàn)了對(duì)虛擬機(jī)內(nèi)部任

8、務(wù)進(jìn)度的感知，可以較高的CPU資源利用率在更短時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)。
　　在理論研究的基礎(chǔ)上，作者基于開(kāi)源虛擬化軟件Xen技術(shù)，開(kāi)發(fā)了CCSMVM原型系統(tǒng)。該原型系統(tǒng)由6個(gè)子系統(tǒng)組成，分別是虛擬機(jī)調(diào)度器、任務(wù)管理器、任務(wù)執(zhí)行器、資源管理器、資源監(jiān)控器和客戶端。這些子系統(tǒng)運(yùn)行在虛擬化內(nèi)核、客戶操作系統(tǒng)內(nèi)核、服務(wù)進(jìn)程和用戶界面四個(gè)層面。其中，虛擬機(jī)調(diào)度器用于實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬機(jī)的動(dòng)態(tài)資源調(diào)度;任務(wù)管理器負(fù)責(zé)CCSMVM中的任務(wù)描述和任務(wù)管理;任務(wù)執(zhí)

9、行器負(fù)責(zé)加載執(zhí)行任務(wù)的線程，完成計(jì)算任務(wù);資源管理器用于管理虛擬計(jì)算資源管理池;資源監(jiān)控器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)搜集資源狀態(tài)信息;客戶端通過(guò)用戶界面來(lái)實(shí)現(xiàn)，與任務(wù)管理器和資源管理器進(jìn)行交互。
　　在研究開(kāi)發(fā)工作基礎(chǔ)上，作者將CCSMVM應(yīng)用于CAE的路徑搜索和結(jié)構(gòu)有限元分析中，取得了以下成果:
　　(1)針對(duì)CAE的路徑搜索優(yōu)化需求，提出了啟發(fā)式探測(cè)性任務(wù)分解和解空間優(yōu)化算法，用于避免重復(fù)路徑執(zhí)行，減少運(yùn)行時(shí)間。接著以一個(gè)板材切割路徑搜索

10、問(wèn)題為例，對(duì)CCSMVM原型系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與對(duì)比研究表明，CCSMVM通過(guò)提高CPU平均資源利用率加速了路徑搜索應(yīng)用的運(yùn)行。與其它系統(tǒng)比較，CCSMVM能提供更為平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)，更充分發(fā)揮并行計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，有效剔除狀態(tài)重復(fù)的任務(wù)，控制運(yùn)行任務(wù)的數(shù)量在最低水平，減少資源浪費(fèi)。
　　(2)針對(duì)基于Ansys的有限元分析需求，提出了模塊任務(wù)構(gòu)造和任務(wù)調(diào)度策略，實(shí)現(xiàn)了單機(jī)版Ansys軟件在支持并行計(jì)算的CCSMVM環(huán)境中運(yùn)行，并以