离子传输模拟并行计算平台中动态负载均衡模型研究

发布时间：2020-08-15 08:36

【摘要】： 随着信息技术的迅猛发展,越来越多的领域需要在极短的时间内处理大量的数据。而传统的单机模式往往无能为力,并行计算被认为是解决此类问题的可行途径之一。其中集群有投资少、易实现、见效快等优点,是并行计算发展的趋势。本课题源自中科院近代物理研究所强流加速器中空间电荷效应及稳定性的理论与实验研究项目。本文通过并行集群技术,实现多个计算节点协同完成离子传输模拟的数值计算任务。本文针对异构集群平台,提出了一种基于负载状态反馈的动态负载均衡模型。本文主要工作包括: 首先,应用并行设计的PCAM方法和分治算法对加速器离子传输模拟问题建立并行求解模型,并通过MPI(Message Passing Interface)接口与C语言完成并行程序的设计和实现。其次,提出了一种基于状态反馈的动态负载均衡模型DLBMSF(Dynamic Load Balancing Model based on Status Feedback),该模型提出用可用资源综合权值作为作业调度的指标,用改进的加权轮询调度算法-IWRRS算法(Improved Weighted Round-Robin Scheduling)进行作业分配;提出了一种基于负载状态改变触发的作业迁移算法- TTALSC算法(Tasks Transfer Algorithm based on Load Status Changing),该算法大大提高了异构集群的并行效率;应用周期心跳检测机制保障集群系统的稳定性与可靠性。最后,通过对实验结果分析,验证了通过PC集群实现并行计算的优越性和有效性,验证了本文提出的DLBMSF模型相对于MPICH提供的轮转调度具有较高的负载均衡效率。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TP338.6
【图文】：

网络结构图,网络结构,集群系统,并行程序设计语言

PC6 PC7 PC8PC5图 2.1 PC 集群的网络结构系统具有以下优点：风险小：集群系统不存在资金浪费问题，在一个局域网或者单机器在大部分时间都处于低利用率的状态．据 Berkeley 实验显下午最忙的时间，也有 60% 的工作站处于空闲可利用状态，可来进行需要的计算[9][10]。编程开发：用户不需要学习新的并行程序设计语言，只要利用所设计环境加入并行库接口，就可使程序并行运行在集群上。结构灵活：用户将不同性能的 PC 机用不同的体系结构和各种互或异构的 PC 集群系统，从而弥补单一体系结构应用面狭窄的弱/价格比高：PC 集群系统可以用少量资金实现部分大型并行计算能充分利用分散的计算资源，PC 集群可以给空闲的 PC 机加载并

示意图,近似值,示意图,并行算法

x01 2 3划分小矩形数量（个）图 2.5 求π近似值示意图算 f(x)图象为图 2.5 所示，下面从 0 到 1 之间的面积即为π的值而该个小矩形面积的和来近似，矩形的高度取函数在矩形中间点的取值矩形来划分时该近似值就越接近于真实的π值。设将 0 到 1 的区间划，则 h=1/N，xi=ih(i=0，1，…，n)，则近似公式为公式(2.1)所示：N N1 12i-1 1 1 0.5× =2N N N Ni iiπf f= = ≈ ∑ ∑ 而治之方法在并行计算中起着举足轻重的作用，是设计并行算法的算法设计中经常使用。本文研究的离子加速器中大量离子运动模拟题就很近似于该类型的问题，所以在对串行算法并行化的过程中就分割进行并行化处理。并行算法的性能评价

节点,可靠性,并行程序,离子数

0 2 4 6 8 1 0- 3 0- 2 5- 2 0- 1 5- 1 0- 5051 01 5BL(E%)Node图 5.3 负载均衡效率稳定和可靠性在集群所有节点运行并行程序的过程中，利用两个节点非正常关机的故障测模拟现实中有可能出现的情形，通过程序的结果输出来进行检验集群系统的性与可靠性。图 5.4 为采用十个节点运行离子数(106)×圈数(100)的情况下的结果。

【参考文献】