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

1、多虛擬機協(xié)同計算(CCMVM)指在一臺物理計算機上運行多臺虛擬機，計算任務(wù)被封裝在虛擬機中，虛擬機之間并行協(xié)同工作，共同高效地完成計算任務(wù)。CCMVM利用多虛擬機的任務(wù)并行協(xié)同性，通過資源分配和虛擬機調(diào)度，實現(xiàn)以任務(wù)為中心、可伸縮的計算環(huán)境，支持需要高效能計算的計算機輔助工程(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問題求解新方法，構(gòu)建低成本高效率的現(xiàn)代CAE高效能計算環(huán)境，提高CAE問題求解系統(tǒng)的運行性能，

2、節(jié)省運行成本，支持工業(yè)制造領(lǐng)域產(chǎn)品創(chuàng)新和設(shè)計水平的提升，作者深入研究了多虛擬機協(xié)同計算關(guān)鍵技術(shù)，包括:基于虛擬機的任務(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、對虛擬化資源的按需分配方法、面向并行計算的虛擬機調(diào)度方法。在此基礎(chǔ)上探索了面向CAE關(guān)鍵應(yīng)用的多虛擬機協(xié)同計算系統(tǒng)(CCSMVM)的基本原理、體系結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)技術(shù)，開發(fā)了CCSMVM原型系統(tǒng)。
　　本文課題的主要研究工作及創(chuàng)新點如下:
　　(1)提出并實現(xiàn)了任務(wù)特征

3、模型及基于虛擬機的任務(wù)分配與調(diào)度方法。通過任務(wù)分解、識別并行關(guān)系，建立任務(wù)的粒度劃分和判斷規(guī)則，確定耦合度，實現(xiàn)對任務(wù)的描述。基于特征模型，將應(yīng)用程序開發(fā)與部署時的個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)，通過啟發(fā)式算法來求解與目標(biāo)函數(shù)對應(yīng)的最優(yōu)方案。方案解決了從特征單元到線程分配，從線程到虛擬機映射，從虛擬機到物理機調(diào)度的問題，并使任務(wù)按時序關(guān)系啟動執(zhí)行。研究結(jié)果表明，該方法可使應(yīng)用程序保持較強的適應(yīng)性，確保系統(tǒng)

4、的性能最優(yōu)，滿足可開發(fā)性、可部署性需求。
　　(2)提出并實現(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。為實現(xiàn)任務(wù)協(xié)同過程的透明化，通過提供新的可靠性消息通信原語和容錯模式:任務(wù)間的交互通過數(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)傳輸通過底層容器來完成，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、文件自動化分

5、發(fā)部署、任務(wù)的啟動與加載、特征單元狀態(tài)變遷的流程步驟等。研究結(jié)果表明，該方法簡化了任務(wù)的分發(fā)部署及協(xié)同交互過程，提高了系統(tǒng)的吞吐量和任務(wù)的加速比。
　　(3)提出并實現(xiàn)了資源虛擬化模型及對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。在對資源進行粒度劃分，以及提出物理資源建模元素的基礎(chǔ)上，設(shè)計了啟發(fā)式資源組合算法，構(gòu)建了虛擬計算資源池，以便

6、全局資源分配?；谔摂M計算資源池，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現(xiàn)了資源的按需分配，解決了虛擬計算環(huán)境中的資源管理問題。
　　(4)提出并實現(xiàn)了負載監(jiān)測模型及面向并行計算任務(wù)的虛擬機調(diào)度方法。負載監(jiān)測模型針對某一任務(wù)的CPU

7、資源利用率進行計算，對所捕獲虛擬機負載進行監(jiān)測，實現(xiàn)基于預(yù)控圖的負載評估。根據(jù)評估結(jié)果調(diào)整CPU權(quán)重來改變多虛擬機時間片，進行動態(tài)資源調(diào)度，實現(xiàn)了多虛擬機在物理機上的負載均衡。面向并行計算任務(wù)的虛擬機調(diào)度按照多虛擬機內(nèi)部任務(wù)的運行進度，來確定虛擬機調(diào)度策略。通過下層向上層的資源狀態(tài)報告和上層任務(wù)向下層的運行進度傳遞，實現(xiàn)了在下層以資源換取上層任務(wù)運行時間的虛擬機調(diào)度。研究結(jié)果表明，與同類調(diào)度器相比，作者所設(shè)計的調(diào)度器實現(xiàn)了對虛擬機內(nèi)部任

8、務(wù)進度的感知，可以較高的CPU資源利用率在更短時間內(nèi)完成任務(wù)。
　　在理論研究的基礎(chǔ)上，作者基于開源虛擬化軟件Xen技術(shù)，開發(fā)了CCSMVM原型系統(tǒng)。該原型系統(tǒng)由6個子系統(tǒng)組成，分別是虛擬機調(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)運行在虛擬化內(nèi)核、客戶操作系統(tǒng)內(nèi)核、服務(wù)進程和用戶界面四個層面。其中，虛擬機調(diào)度器用于實現(xiàn)對虛擬機的動態(tài)資源調(diào)度;任務(wù)管理器負責(zé)CCSMVM中的任務(wù)描述和任務(wù)管理;任務(wù)執(zhí)

9、行器負責(zé)加載執(zhí)行任務(wù)的線程，完成計算任務(wù);資源管理器用于管理虛擬計算資源管理池;資源監(jiān)控器負責(zé)實時搜集資源狀態(tài)信息;客戶端通過用戶界面來實現(xiàn)，與任務(wù)管理器和資源管理器進行交互。
　　在研究開發(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CAE的路徑搜索優(yōu)化需求，提出了啟發(fā)式探測性任務(wù)分解和解空間優(yōu)化算法，用于避免重復(fù)路徑執(zhí)行，減少運行時間。接著以一個板材切割路徑搜索

10、問題為例，對CCSMVM原型系統(tǒng)進行了評估。實驗結(jié)果與對比研究表明，CCSMVM通過提高CPU平均資源利用率加速了路徑搜索應(yīng)用的運行。與其它系統(tǒng)比較，CCSMVM能提供更為平穩(wěn)的運行狀態(tài)，更充分發(fā)揮并行計算的優(yōu)勢，有效剔除狀態(tài)重復(fù)的任務(wù)，控制運行任務(wù)的數(shù)量在最低水平，減少資源浪費。
　　(2)針對基于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，實現(xiàn)了單機版Ansys軟件在支持并行計算的CCSMVM環(huán)境中運行，并以