Программный инструментарий для организации распределенного имитационного моделирования систем

Существующие методы организации вычислительного процесса на многопроцессорных системах как в теории параллельных вычислений, так и в теории распределенных вычислений невозможно применить к имитационному моделированию систем без соответствующей модификации, учитывающей специфику построения моделирующих алгоритмов сложных систем. Организация распределенного имитационного моделирования систем должна быть поддержана специальными инструментами, автоматизирующими распараллеливание существующих имитационных программ. Разработанный программный инструментарий решает пробле- му автоматизации задачи распараллеливания имитационной модели и эффективной организации вычислительного процесса.

• 1.    Основные этапы организации распределенного моделирования

В результате исследования методов теории распределенных вычислений и теории параллельных вычислений применительно к имитационному моделированию систем выделены основные этапы организации вычислительного процесса распределенного имитационного моделирования (РИМ) и задачи, стоящие на этих этапах. Эти задачи определяют функциональное содержание автоматизированного средства организации распределенного имитационного моделирования (АСОРИМ). Основное назначение этого программного инструментария состоит в отделении аспектов, связанных с разработкой программного обеспечения (ПО) имитационной модели (ИМ) конкретной сложной системы, от вопросов организации распределенных (параллельных) вычислений. АСОРИМ предназначено для автоматизации работ по распараллеливанию имитационных программ, выдачи оценок качества получаемых вариантов параллельной ИМ, прогнозируемого ускорения вычислительного процесса.

Технологическими этапами функционирования АСОРИМ являются:

• 1.    Декомпозиция ПО ИМ.

• 2.    Оценка качества вариантов проектов декомпозиции. Расчет прогнозируемого ускорения вычислений для вариантов распределенной имитационной модели.

• 3.    Выбор алгоритма синхронизации распределенных процессов.

• 4.    Формирование децентрализованной управляющей программы РИМ и распределенной базы данных моделирования.

• 5.    Оптимальное распределение программных блоков ИМ по процессорам вычислительной системы.

Алгоритмическим наполнением технологических этапов являются:

• -    Метод декомпозиции имитационной модели РИСУ, основанный на алгоритме автоматической классификации. Декомпозиция осуществляется по критерию минимизации связей между классами виртуальных действий имитационной модели. Иерархический агломеративный алгоритм позволяет решить задачу декомпозиции с учетом не только структурной связности, но и с учетом характеристик динамической связности объектов моделируемой системы. По результатам декомпозиции формируется состав блоков РИМ и распределенная база данных модели.

• -    Метод оценки возможных временных факторов РИМ, по результатам которой производится выбор окончательного проекта РИМ .

• -    Метод анализа и выбора алгоритма синхронизации (АС) распределенных процессов, который применяется к сформированному составу РИМ, позволяет сравнить эффективность различных АС для конкретного РИМ с заданными параметрами. Выбор наиболее подходящего алгоритма синхронизации для формируемой распределенной имитационной модели

позволяет сформировать окончательную структуру децентрализованной управляющей программы.

• -    Метод оптимального распределения программных блоков РИМ по процессорам вычислительной системы. Здесь решается задача планирования распределенного вычислительного процесса.

• 2. Структура системы распределенного моделирования

Выходные результаты АСОРИМ используются для организации вычислительного процесса РИМ на неоднородных параллельных вычислительных системах - локальных сетях и кластерных системах. Предлагается следующая структура построения системы распределенного моделирования.

Система распределенного моделирования систем включает в себя три подсистемы: подсистему подготовки вычислительного процесса РИМ, подсистему распределенного моделирования и подсистему анализа результатов моделирования (рис. 1).

Рис. 1

Подсистема подготовки РИМ выполняет преобразование программы последовательной имитационной модели в параллельную конструкцию в соответствии с алгоритмами технологических этапов АСОРИМ.

Подсистема распределенного моделирования выполняет программные модули (ПМ) блоков имитационной модели, размещенных на разных процессорах, в едином модельном времени в соответствии с выбранным алгоритмом синхронизации (консервативным или оптимистическим). Программный модуль (ПМ) блока ИМ представляет собой последовательную ИМ. Взаимодействие процессов ПМ реализуется с помощью механизма межпроцессорных коммуникаций: ТСР-сокетов, стандартной библиотеки Winsock 2.0, специализированных библиотек межпроцессных взаимодействий.

Подсистема анализа результатов моделирования представляет собой стандартные алгоритмы методов статистической обработки и интерпретации результатов моделирования.

В соответствии со структурой системы распределенного моделирования РИСУ программное обеспечение делится на слои:

• -    ПО организации вычислительного процесса РИМ, включающее программы алгоритмов технологических этапов АСОРИМ;

• -    ПО межпроцессорных взаимодействий, включающее стандартную библиотеку Winsock 2.0, библиотеки функций обмена сообщениями протоколов IPX или ТСР/IP, специализированная библиотека MPI. Использование того или иного вида программных средств обмена сообщениями зависит от того, какие транспортные протоколы использует вычислительная система, на которой реализуется моделирование.

• -    ПО распределенной имитационной модели включает в качестве ядра программное обеспечение последовательной ИМ, дополненное внесенными конструкциями алгоритмов синхронизации взаимодействий и обмена сообщениями между блоками ИМ;

• -    ПО последовательной имитационной модели, представляющей собой проблемно-ориентированную дискретно-событийную имитационную модель.

Заключение

Такая структура программного обеспечения системы распределенного моделирования обеспечивает эффективность, переносимость и расширяемость распределенной имитационной модели. Эффективность достигается использованием нескольких компьютеров сети, работающих параллельно, что позволяет ускорить процесс имитационного моделирования сложной системы.

Переносимость РИМ обеспечивается использованием механизма сокетов - унифицированного интерфейса взаимодействия с телекоммуникационными протоколами, реализованными в современных вычислительных сетях. Интерфейс сокетов не зависит от вычислительной платформы.

Расширяемость РИМ обеспечивается структуризацией программ, об- рабатывающих особые состояния, стандартизацией базы данных моделирования, модульным принципом построения модели. Это позволяет вводить новые обрабатывающие модули, что может быть связано с изменением целей имитационного моделирования, а также вводить в обрабатывающие модули более подробные алгоритмы имитации в соответствии с требуемым уровнем детализации.

Автономность функционирования АСОРИМ вкупе с пользовательским интерфейсом делают его удобным средством для решения задачи распараллеливания ИМ исследуемой системы и перенесения имитационной программы на имеющийся в распоряжении пользователя парк компьютеров: локальную или кластерную сеть.