云计算在电磁计算中应用研究

朱兴国,冯 圆,2,龚晓燕（. 电子科学研究院,北京 0004; 2. 空军预警学,武汉 4009; . 第二炮兵指挥学院,武汉 4002）

云计算在电磁计算中应用研究

朱兴国1,冯 圆1,2,龚晓燕3
（1. 电子科学研究院,北京 100041; 2. 空军预警学,武汉 430019; 3. 第二炮兵指挥学院,武汉 430012）

摘 要：针对电大尺寸目标精确电磁仿真计算的迫切需求，以及电磁计算面临计算精度不高和计算规模不够大等问题，本文借鉴云计算在资源共享和资源调度等方面的优势，开展云计算在电磁计算中应用研究，提出电磁云计算概念，描述了电磁云计算的应用模式，介绍了电磁云计算所涉及的关键技术，设计了电磁云计算服务平台，并基于在IPv6网络环境的电磁云计算服务平台开展了异地小型阵列天线计算算例的试验，验证了电磁云计算服务平台的正确性和可靠性。

关键词：电磁云计算；资源共享；资源调度

0 引言

战场环境下武器装备效能的发挥、复杂电磁环境下的目标识别以及系统电磁环境的综合保障均依赖于强大的设计研发能力。决定这种设计研发能力的关键在于电磁计算技术。然而，我国电磁计算技术长期以来面临计算精度不够高和计算规模不够大等问题，从而严重制约了武器装备的发展。资源广域分布，缺乏资源共享和统一管理调度机制是制约我国电磁计算技术发展的主要问题。

近些年，随着云计算技术的快速发展，带来了工作方式和服务模式的重大转变，云计算已经深入到能源、电信、医疗等各个行业。本文将基于云计算的理论和技术，利用云计算在资源弹性分配、资源管理、资源整合和资源调度等方面的优势，结合电磁计算遇到的问题，开展云计算在电磁计算中的应用研究。

1 电磁云计算

1.1 电磁云计算概念

电磁云计算是以资源为中心，利用虚拟化技术将物理上广域分散的计算资源、软件资源、数据资源和人员资源从逻辑上整合起来，形成虚拟化资源池，通过构建电磁云计算服务平台实现资源共享、资源调度和任务管理等功能，形成电磁协同计算能力和资源共享能力，为电磁设计人员提供云计算服务。

1.2 电磁云计算应用模式

电磁云计算模式，以飞机模型为例，当用户提交一个飞机模型的电磁计算任务时，中心管理节点首先将目标仿真模型提交到具备几何建模功能的计算节点完成目标几何建模，再将目标几何模型提交到具备剖分功能的计算节点完成模型剖分，继而根据目标特性和计算需求将计算任务切分为不同子任务，并逐个分配到满足该子任务计算需求的计算节点中进行计算。当计算完毕后，由中心管理节点进行数据处理，形成计算结果。

电磁云计算对于用户来说是透明的，用户在整个计算过程中感觉不到所提交的计算任务采取哪种算法，在哪个计算节点完成建模、剖分和计算，所有与计算相关的处理都由中心管理节点统一调度和管理。

1.3 电磁云计算优势

将云计算应用到传统电磁计算中将具有如下优势：

（1）硬件资源规模弹性扩展，满足计算需求。（2）资源灵活调度，提升电磁计算能力。（3）屏蔽异构性，降低运维成本。

2 关键技术

电磁云计算关键技术包括：虚拟化技术、电磁计算资源描述和建模技术、广域电磁计算任务及节点监控技术和广域电磁计算资源调度技术等。

2.1 虚拟化技术

虚拟化技术是将各种计算及存储资源充分整合和高效利用的关键技术，实现了软件应用和底层硬件的隔离，包括将各个资源划分成多个虚拟资源的分裂模式和将多个资源整合成一个虚拟资源的聚合模式。本文借助于虚拟化技术，实现系统资源的逻辑抽象和统一标示，将计算机资源整合成一个操作环境，为上层的云计算应用提供基础资源池，通过资源调度策略获得与应用相关的负载平衡性能。

2.2 电磁计算资源描述和建模技术

电磁计算资源描述和建模技术首先依据描述完整性、互联互操作性、平台无关性、灵活性、可信性五大原则分析电磁计算资源，对资源进行分类和总结，建立各种资源的模型。采用元数据与XML相结合的方式，由元数据来描述资源的属性信息，对资源的属性进行事先定义，以便组织管理。

2.3 广域电磁计算任务及节点监控技术

广域电磁计算任务及节点监控技术主要解决计算任务及节点信息的采集和监视，用于收集、呈现所有分布式节点上的计算资源（物理主机、虚拟机）、软件资源和数据资源的各项资源信息，以便用户和管理人员获知系统的健康状况和负载情况，为实现广域分布式电磁计算资源调度提供准确信息。

针对分布式电磁计算资源的特点，广域电磁计算任务及节点监控采用三层架构，分别为监控信息采集和操作实施层、监控信息汇集层以及监控信息处理层，监控信息采集和操作实施层负责任务和节点信息的采集，系统的所有节点都部署用于收集机器监控信息的监管代理模块，该模块还负责实施上层节点的管理操作。

监控信息汇集层负责监控信息的汇集，在本地机群监控管理服务器节点上运行，从本地机群被监管节点上收集相应信息，并在本地机群执行监管子系统的操作命令。

监控信息处理层负责向用户提供所有分布式节点的计算资源的运行信息，接收用户操作命令并将其向具体机群和具体节点传递执行。

2.4 广域电磁计算资源调度技术

广域电磁计算资源调度技术采用虚拟化/非虚拟化混合模式，以满足不同类型电磁计算任务的性能需求。计算密集是电磁计算的一个突出特点，计算任务量和计算规模巨大，对虚拟化/非虚拟化资源的有效调度能够提升计算的效率，因此需要结合计算任务的具体要求，将作业分配到最优的计算节点上进行计算。

通过分析电磁云计算服务的相互影响程度得出应用共存特征，随后根据这些特征和不同应用组合条件下的异构资源规模及能耗的预测模型作为判定虚拟化/非虚拟化服务器规模比例的依据。

对于独占应用，通过预测异构服务器应用相对性能作为应用部署的依据，设计相应的应用部署策略。而对于共享应用，则通过构建异构服务器应用间影响分析模型，基于多资源公平策略和公平-效率的分配评估模型等方法设计应用部署。

3 电磁云计算服务平台

根据电磁云计算概念，采用虚拟化技术、资源管理技术、资源调度技术等关键技术构建电磁云计算服务平台，将广域网内的硬件资源、软件资源和数据资源进行整合，提供电磁计算全生命周期的建模、剖分、计算、数据处理和结果显示功能的电磁云计算服务，以及包括模型库、像板库和电磁计算结果的资源共享服务。

3.1 平台架构

云计算架构分为IAAS（基础设施即服务）、PAAS（平台即服务）、SAAS（软件即服务），电磁云计算服务平台架构借鉴云计算架构，提出资源层、服务层和应用层三层结构，资源层通过虚拟化技术将硬件资源、数据资源和软件资源进行虚拟化处理，构造虚拟化资源池，为上层应用提供虚拟化的资源服务。其中，计算设备包括服务器、工作站和PC机等，数据资源包括模型数据库、特征数据库和计算结果数据库等，软件资源包括PO算法、矩量法和FDTD算法等核心算法。

服务层利用WebService服务化技术，系统集成技术，将虚拟化资源池中的各类资源进行服务化封装和服务化调用，为上层应用提供数据服务、计算服务和软件服务。其中，数据服务包括元数据、数据传输等，资源管理服务包括资源描述、资源建模等，集成服务包括封装服务、注册服务等。

应用层利用数据服务、计算服务和软件服务实现与电磁计算相关的电磁计算应用和门户应用，用户通过访问门户可以开展电磁计算相关的建模、剖分、计算、结果处理、结果显示等全生命周期的电磁计算应用。其中，电磁计算应用包括RCS计算、方向图计算等，门户应用包括登录认证、任务生成、任务执行等。

3.2 功能组成

电磁云计算服务平台功能模块组成，提供资源注册、发布、申请、审批、搜索、调用等基础管理功能；资源调度、负载均衡、监控等资源管理功能；任务迁移、重载、监控等任务管理功能；人员、机构管理功能；软件资源服务化共享、软件资源远程桌面共享和模型、算法软件和仿真数据资源库共享等共享功能；建模、剖分、计算、数据处理和结果显示等电磁设计全生命周期的计算功能；新闻、资讯、咨询等信息门户功能。

各功能模块描述为：

3.2.1 基础资源

基础资源为平台运行所需要的基本环境资源，包括操作系统、数据库、中间件、计算资源/虚拟化资源、存储资源和网络资源。3.2.2 基础管理

基础管理提供系统运行和管理的基础功能，包括系统字典、用户管理、权限管理、组织机构管理、角色管理等功能模块。

3.2.3 工作流程

工作流程为系统提供流程的管理和配置功能，包括资源管理流程和计算任务流程。

3.2.4 任务调度

任务调度提供在分布式计算环境中与任务相关的生成、执行、负载均衡、调度策略、迁移和重载等功能，支撑电磁协同计算的任务调度。

3.2.5 安全保密

安全保密提供密级管理、安全审计、数据加解密、系统日志等基础应用功能，贯穿系统框架运行的各功能模块，提高计算服务平台软件的安全保密性。

3.2.6 资源管理

资源管理是平台管理框架的主要功能模块，通过将系统底层的基础资源抽象成软件元资源、硬件元资源、数据元资源和人员元资源，并基于这些元资源进行组合，形成资源包，提供给用户调用。同时，提供对广域分布的各计算节点资源的监控功能。

3.2.7 计算流程

计算流程将电磁协同计算抽象成统一的、流程化处理功能，包括工程创建、模型构建、模型剖分、参数设置、任务计算、结果处理、结果下载、任务记账等功能模块。

3.2.8 电磁算法服务化模块

针对电磁计算中闭域、开域两类计算问题，该平台集成了闭域算法中粗糙导体的波导计算、电路板过孔计算、多层镀膜波导计算、微带线计算等自研算法软件。

3.2.9 电磁云计算服务平台门户

电磁云计算服务平台采用B/S模式向用户提供服务，将系统功能组织成资源管理门户、电磁云计算门户、平台新闻门户三个主要的前端功能模块，分别向用户提供基础资源管理，电磁计算以及平台信息功能。

3.3 平台能力

基于电磁云计算概念、应用模式、平台架构和功能，电磁云计算服务平台将具有如下能力：

3.3.1 各类典型电磁算法面向广域网实现资源共享

电磁云计算服务平台将广域分布的各类电磁计算资源利用高速网络进行联通，对外提供各种典型的高频、低频和高低频混合的电磁计算服务。用户只需利用浏览器，通过高速网络即可应用各种电磁计算资源，无需知道计算资源的提供方，打破了资源异构性、软件专用定制特性和地域限制，实现了面向广域网的资源共享。

3.3.2 广域网电磁协同计算资源的合理配置

电磁云计算服务平台内资源包括硬件资源、软件资源、数据资源和人员资源，该平台将广域网内的各种资源进行统一的管理和调度，促进资源的合理配置和有效利用，提升了资源的利用率，降低了成本。计算任务可动态地选择最优计算节点进行高性能计算，提升计算速度。设计人员可合理地配置到相关的计算任务中，提供最优秀的电磁设计服务。

3.3.3 支撑全生命周期电磁设计，提升工作效率

电磁云计算服务平台通过设计与电磁计算工作相关的业务流程，构建了包括建模、剖分、计算、数据处理和结果显示的电磁设计全生命周期功能，有效支撑电磁设计人员开展辐射计算和散射计算。用户只需登录该平台就可以开展与电磁设计相关的工作，解决了需要在多软件之间切换等问题，提升了电磁设计工作的效率。

4 算例分析

目前，电磁云计算服务平台基于IPv6网络环境，由3个集群组成，分别位于北京电子科学研究院、西安电子科技大学新科技楼2楼和新科技楼10楼。平台拓扑，每个集群构成一个子计算中心，包括子中心控制节点以及若干计算节点、存储节点和网络节点等硬件资源。

在电子科学研究院和西安电子科技大学之间进行了基于FDTD算法的电磁云计算试验工作，验证了电磁云计算服务体系的协同计算能力。试验环境包括西安电子科技大学两台虚拟机和北京电子科学研究院两台虚拟机，其中每台虚拟机配置为12vcpus，20GB内存。电磁协同计算仿真模型，天线形式为多层介质偶极子贴片天线。经过计算得到计算结果，该计算结果与商用电磁仿真软件CST计算，其结果非常吻合，验证了电磁云计算服务平台协同计算结果的正确性和可靠性。

5 结语

电磁云计算充分借鉴云计算在资源共享、资源管理、资源整合和异构性屏蔽等方面的优势，克服电磁计算在发展中遇到的问题，满足用户对电大尺寸目标精确仿真计算的需求。根据电磁云计算理念设计了电磁云计算服务平台，对外提供电磁计算服务和资源共享服务，实现对广域网内硬件资源、软件资源和数据资源统一管理、监控和调度，提升了资源利用率，降低了成本。

通过在基于IPv6网络的电磁云计算服务平台上开展北京和西安异地协同计算试验，完成了算例分析，试验结果验证了电磁云计算服务平台应用的正确性和可靠性。由于广域网络数据传输的时延性，利用电磁云计算服务平台开展电磁协同计算相比传统的电磁计算时间较长，未来将在算法优化和资源调度方面开展相关技术研究，提高电磁云计算的计算速度。

参考文献：

[1]陈康,郑纬民.云计算:系统实例与研究现状[J].软件学报,2009(05).