云計算在電磁計算中應用研究

朱興國,馮 圓,2,龔曉燕（. 電子科學研究院,北京 0004; 2. 空軍預警學,武漢 4009; . 第二炮兵指揮學院,武漢 4002）

云計算在電磁計算中應用研究

朱興國1,馮 圓1,2,龔曉燕3
（1. 電子科學研究院,北京 100041; 2. 空軍預警學,武漢 430019; 3. 第二炮兵指揮學院,武漢 430012）

摘 要：針對電大尺寸目標精確電磁仿真計算的迫切需求，以及電磁計算面臨計算精度不高和計算規(guī)模不夠大等問題，本文借鑒云計算在資源共享和資源調度等方面的優(yōu)勢，開展云計算在電磁計算中應用研究，提出電磁云計算概念，描述了電磁云計算的應用模式，介紹了電磁云計算所涉及的關鍵技術，設計了電磁云計算服務平臺，并基于在IPv6網絡環(huán)境的電磁云計算服務平臺開展了異地小型陣列天線計算算例的試驗，驗證了電磁云計算服務平臺的正確性和可靠性。

關鍵詞：電磁云計算；資源共享；資源調度

0 引言

戰(zhàn)場環(huán)境下武器裝備效能的發(fā)揮、復雜電磁環(huán)境下的目標識別以及系統(tǒng)電磁環(huán)境的綜合保障均依賴于強大的設計研發(fā)能力。決定這種設計研發(fā)能力的關鍵在于電磁計算技術。然而，我國電磁計算技術長期以來面臨計算精度不夠高和計算規(guī)模不夠大等問題，從而嚴重制約了武器裝備的發(fā)展。資源廣域分布，缺乏資源共享和統(tǒng)一管理調度機制是制約我國電磁計算技術發(fā)展的主要問題。

近些年，隨著云計算技術的快速發(fā)展，帶來了工作方式和服務模式的重大轉變，云計算已經深入到能源、電信、醫(yī)療等各個行業(yè)。本文將基于云計算的理論和技術，利用云計算在資源彈性分配、資源管理、資源整合和資源調度等方面的優(yōu)勢，結合電磁計算遇到的問題，開展云計算在電磁計算中的應用研究。

1 電磁云計算

1.1 電磁云計算概念

電磁云計算是以資源為中心，利用虛擬化技術將物理上廣域分散的計算資源、軟件資源、數(shù)據(jù)資源和人員資源從邏輯上整合起來，形成虛擬化資源池，通過構建電磁云計算服務平臺實現(xiàn)資源共享、資源調度和任務管理等功能，形成電磁協(xié)同計算能力和資源共享能力，為電磁設計人員提供云計算服務。

1.2 電磁云計算應用模式

電磁云計算模式，以飛機模型為例，當用戶提交一個飛機模型的電磁計算任務時，中心管理節(jié)點首先將目標仿真模型提交到具備幾何建模功能的計算節(jié)點完成目標幾何建模，再將目標幾何模型提交到具備剖分功能的計算節(jié)點完成模型剖分，繼而根據(jù)目標特性和計算需求將計算任務切分為不同子任務，并逐個分配到滿足該子任務計算需求的計算節(jié)點中進行計算。當計算完畢后，由中心管理節(jié)點進行數(shù)據(jù)處理，形成計算結果。

電磁云計算對于用戶來說是透明的，用戶在整個計算過程中感覺不到所提交的計算任務采取哪種算法，在哪個計算節(jié)點完成建模、剖分和計算，所有與計算相關的處理都由中心管理節(jié)點統(tǒng)一調度和管理。

1.3 電磁云計算優(yōu)勢

將云計算應用到傳統(tǒng)電磁計算中將具有如下優(yōu)勢：

（1）硬件資源規(guī)模彈性擴展，滿足計算需求。（2）資源靈活調度，提升電磁計算能力。（3）屏蔽異構性，降低運維成本。

2 關鍵技術

電磁云計算關鍵技術包括：虛擬化技術、電磁計算資源描述和建模技術、廣域電磁計算任務及節(jié)點監(jiān)控技術和廣域電磁計算資源調度技術等。

2.1 虛擬化技術

虛擬化技術是將各種計算及存儲資源充分整合和高效利用的關鍵技術，實現(xiàn)了軟件應用和底層硬件的隔離，包括將各個資源劃分成多個虛擬資源的分裂模式和將多個資源整合成一個虛擬資源的聚合模式。本文借助于虛擬化技術，實現(xiàn)系統(tǒng)資源的邏輯抽象和統(tǒng)一標示，將計算機資源整合成一個操作環(huán)境，為上層的云計算應用提供基礎資源池，通過資源調度策略獲得與應用相關的負載平衡性能。

2.2 電磁計算資源描述和建模技術

電磁計算資源描述和建模技術首先依據(jù)描述完整性、互聯(lián)互操作性、平臺無關性、靈活性、可信性五大原則分析電磁計算資源，對資源進行分類和總結，建立各種資源的模型。采用元數(shù)據(jù)與XML相結合的方式，由元數(shù)據(jù)來描述資源的屬性信息，對資源的屬性進行事先定義，以便組織管理。

2.3 廣域電磁計算任務及節(jié)點監(jiān)控技術

廣域電磁計算任務及節(jié)點監(jiān)控技術主要解決計算任務及節(jié)點信息的采集和監(jiān)視，用于收集、呈現(xiàn)所有分布式節(jié)點上的計算資源（物理主機、虛擬機）、軟件資源和數(shù)據(jù)資源的各項資源信息，以便用戶和管理人員獲知系統(tǒng)的健康狀況和負載情況，為實現(xiàn)廣域分布式電磁計算資源調度提供準確信息。

針對分布式電磁計算資源的特點，廣域電磁計算任務及節(jié)點監(jiān)控采用三層架構，分別為監(jiān)控信息采集和操作實施層、監(jiān)控信息匯集層以及監(jiān)控信息處理層，監(jiān)控信息采集和操作實施層負責任務和節(jié)點信息的采集，系統(tǒng)的所有節(jié)點都部署用于收集機器監(jiān)控信息的監(jiān)管代理模塊，該模塊還負責實施上層節(jié)點的管理操作。

監(jiān)控信息匯集層負責監(jiān)控信息的匯集，在本地機群監(jiān)控管理服務器節(jié)點上運行，從本地機群被監(jiān)管節(jié)點上收集相應信息，并在本地機群執(zhí)行監(jiān)管子系統(tǒng)的操作命令。

監(jiān)控信息處理層負責向用戶提供所有分布式節(jié)點的計算資源的運行信息，接收用戶操作命令并將其向具體機群和具體節(jié)點傳遞執(zhí)行。

2.4 廣域電磁計算資源調度技術

廣域電磁計算資源調度技術采用虛擬化/非虛擬化混合模式，以滿足不同類型電磁計算任務的性能需求。計算密集是電磁計算的一個突出特點，計算任務量和計算規(guī)模巨大，對虛擬化/非虛擬化資源的有效調度能夠提升計算的效率，因此需要結合計算任務的具體要求，將作業(yè)分配到最優(yōu)的計算節(jié)點上進行計算。

通過分析電磁云計算服務的相互影響程度得出應用共存特征，隨后根據(jù)這些特征和不同應用組合條件下的異構資源規(guī)模及能耗的預測模型作為判定虛擬化/非虛擬化服務器規(guī)模比例的依據(jù)。

對于獨占應用，通過預測異構服務器應用相對性能作為應用部署的依據(jù)，設計相應的應用部署策略。而對于共享應用，則通過構建異構服務器應用間影響分析模型，基于多資源公平策略和公平-效率的分配評估模型等方法設計應用部署。

3 電磁云計算服務平臺

根據(jù)電磁云計算概念，采用虛擬化技術、資源管理技術、資源調度技術等關鍵技術構建電磁云計算服務平臺，將廣域網內的硬件資源、軟件資源和數(shù)據(jù)資源進行整合，提供電磁計算全生命周期的建模、剖分、計算、數(shù)據(jù)處理和結果顯示功能的電磁云計算服務，以及包括模型庫、像板庫和電磁計算結果的資源共享服務。

3.1 平臺架構

云計算架構分為IAAS（基礎設施即服務）、PAAS（平臺即服務）、SAAS（軟件即服務），電磁云計算服務平臺架構借鑒云計算架構，提出資源層、服務層和應用層三層結構，資源層通過虛擬化技術將硬件資源、數(shù)據(jù)資源和軟件資源進行虛擬化處理，構造虛擬化資源池，為上層應用提供虛擬化的資源服務。其中，計算設備包括服務器、工作站和PC機等，數(shù)據(jù)資源包括模型數(shù)據(jù)庫、特征數(shù)據(jù)庫和計算結果數(shù)據(jù)庫等，軟件資源包括PO算法、矩量法和FDTD算法等核心算法。

服務層利用WebService服務化技術，系統(tǒng)集成技術，將虛擬化資源池中的各類資源進行服務化封裝和服務化調用，為上層應用提供數(shù)據(jù)服務、計算服務和軟件服務。其中，數(shù)據(jù)服務包括元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，資源管理服務包括資源描述、資源建模等，集成服務包括封裝服務、注冊服務等。

應用層利用數(shù)據(jù)服務、計算服務和軟件服務實現(xiàn)與電磁計算相關的電磁計算應用和門戶應用，用戶通過訪問門戶可以開展電磁計算相關的建模、剖分、計算、結果處理、結果顯示等全生命周期的電磁計算應用。其中，電磁計算應用包括RCS計算、方向圖計算等，門戶應用包括登錄認證、任務生成、任務執(zhí)行等。

3.2 功能組成

電磁云計算服務平臺功能模塊組成，提供資源注冊、發(fā)布、申請、審批、搜索、調用等基礎管理功能；資源調度、負載均衡、監(jiān)控等資源管理功能；任務遷移、重載、監(jiān)控等任務管理功能；人員、機構管理功能；軟件資源服務化共享、軟件資源遠程桌面共享和模型、算法軟件和仿真數(shù)據(jù)資源庫共享等共享功能；建模、剖分、計算、數(shù)據(jù)處理和結果顯示等電磁設計全生命周期的計算功能；新聞、資訊、咨詢等信息門戶功能。

各功能模塊描述為：

3.2.1 基礎資源

基礎資源為平臺運行所需要的基本環(huán)境資源，包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、中間件、計算資源/虛擬化資源、存儲資源和網絡資源。3.2.2 基礎管理

基礎管理提供系統(tǒng)運行和管理的基礎功能，包括系統(tǒng)字典、用戶管理、權限管理、組織機構管理、角色管理等功能模塊。

3.2.3 工作流程

工作流程為系統(tǒng)提供流程的管理和配置功能，包括資源管理流程和計算任務流程。

3.2.4 任務調度

任務調度提供在分布式計算環(huán)境中與任務相關的生成、執(zhí)行、負載均衡、調度策略、遷移和重載等功能，支撐電磁協(xié)同計算的任務調度。

3.2.5 安全保密

安全保密提供密級管理、安全審計、數(shù)據(jù)加解密、系統(tǒng)日志等基礎應用功能，貫穿系統(tǒng)框架運行的各功能模塊，提高計算服務平臺軟件的安全保密性。

3.2.6 資源管理

資源管理是平臺管理框架的主要功能模塊，通過將系統(tǒng)底層的基礎資源抽象成軟件元資源、硬件元資源、數(shù)據(jù)元資源和人員元資源，并基于這些元資源進行組合，形成資源包，提供給用戶調用。同時，提供對廣域分布的各計算節(jié)點資源的監(jiān)控功能。

3.2.7 計算流程

計算流程將電磁協(xié)同計算抽象成統(tǒng)一的、流程化處理功能，包括工程創(chuàng)建、模型構建、模型剖分、參數(shù)設置、任務計算、結果處理、結果下載、任務記賬等功能模塊。

3.2.8 電磁算法服務化模塊

針對電磁計算中閉域、開域兩類計算問題，該平臺集成了閉域算法中粗糙導體的波導計算、電路板過孔計算、多層鍍膜波導計算、微帶線計算等自研算法軟件。

3.2.9 電磁云計算服務平臺門戶

電磁云計算服務平臺采用B/S模式向用戶提供服務，將系統(tǒng)功能組織成資源管理門戶、電磁云計算門戶、平臺新聞門戶三個主要的前端功能模塊，分別向用戶提供基礎資源管理，電磁計算以及平臺信息功能。

3.3 平臺能力

基于電磁云計算概念、應用模式、平臺架構和功能，電磁云計算服務平臺將具有如下能力：

3.3.1 各類典型電磁算法面向廣域網實現(xiàn)資源共享

電磁云計算服務平臺將廣域分布的各類電磁計算資源利用高速網絡進行聯(lián)通，對外提供各種典型的高頻、低頻和高低頻混合的電磁計算服務。用戶只需利用瀏覽器，通過高速網絡即可應用各種電磁計算資源，無需知道計算資源的提供方，打破了資源異構性、軟件專用定制特性和地域限制，實現(xiàn)了面向廣域網的資源共享。

3.3.2 廣域網電磁協(xié)同計算資源的合理配置

電磁云計算服務平臺內資源包括硬件資源、軟件資源、數(shù)據(jù)資源和人員資源，該平臺將廣域網內的各種資源進行統(tǒng)一的管理和調度，促進資源的合理配置和有效利用，提升了資源的利用率，降低了成本。計算任務可動態(tài)地選擇最優(yōu)計算節(jié)點進行高性能計算，提升計算速度。設計人員可合理地配置到相關的計算任務中，提供最優(yōu)秀的電磁設計服務。

3.3.3 支撐全生命周期電磁設計，提升工作效率

電磁云計算服務平臺通過設計與電磁計算工作相關的業(yè)務流程，構建了包括建模、剖分、計算、數(shù)據(jù)處理和結果顯示的電磁設計全生命周期功能，有效支撐電磁設計人員開展輻射計算和散射計算。用戶只需登錄該平臺就可以開展與電磁設計相關的工作，解決了需要在多軟件之間切換等問題，提升了電磁設計工作的效率。

4 算例分析

目前，電磁云計算服務平臺基于IPv6網絡環(huán)境，由3個集群組成，分別位于北京電子科學研究院、西安電子科技大學新科技樓2樓和新科技樓10樓。平臺拓撲，每個集群構成一個子計算中心，包括子中心控制節(jié)點以及若干計算節(jié)點、存儲節(jié)點和網絡節(jié)點等硬件資源。

在電子科學研究院和西安電子科技大學之間進行了基于FDTD算法的電磁云計算試驗工作，驗證了電磁云計算服務體系的協(xié)同計算能力。試驗環(huán)境包括西安電子科技大學兩臺虛擬機和北京電子科學研究院兩臺虛擬機，其中每臺虛擬機配置為12vcpus，20GB內存。電磁協(xié)同計算仿真模型，天線形式為多層介質偶極子貼片天線。經過計算得到計算結果，該計算結果與商用電磁仿真軟件CST計算，其結果非常吻合，驗證了電磁云計算服務平臺協(xié)同計算結果的正確性和可靠性。

5 結語

電磁云計算充分借鑒云計算在資源共享、資源管理、資源整合和異構性屏蔽等方面的優(yōu)勢，克服電磁計算在發(fā)展中遇到的問題，滿足用戶對電大尺寸目標精確仿真計算的需求。根據(jù)電磁云計算理念設計了電磁云計算服務平臺，對外提供電磁計算服務和資源共享服務，實現(xiàn)對廣域網內硬件資源、軟件資源和數(shù)據(jù)資源統(tǒng)一管理、監(jiān)控和調度，提升了資源利用率，降低了成本。

通過在基于IPv6網絡的電磁云計算服務平臺上開展北京和西安異地協(xié)同計算試驗，完成了算例分析，試驗結果驗證了電磁云計算服務平臺應用的正確性和可靠性。由于廣域網絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延性，利用電磁云計算服務平臺開展電磁協(xié)同計算相比傳統(tǒng)的電磁計算時間較長，未來將在算法優(yōu)化和資源調度方面開展相關技術研究，提高電磁云計算的計算速度。

參考文獻：

[1]陳康,鄭緯民.云計算:系統(tǒng)實例與研究現(xiàn)狀[J].軟件學報,2009(05).