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

云計(jì)算在電磁計(jì)算中應(yīng)用研究

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

摘 要：針對(duì)電大尺寸目標(biāo)精確電磁仿真計(jì)算的迫切需求，以及電磁計(jì)算面臨計(jì)算精度不高和計(jì)算規(guī)模不夠大等問(wèn)題，本文借鑒云計(jì)算在資源共享和資源調(diào)度等方面的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展云計(jì)算在電磁計(jì)算中應(yīng)用研究，提出電磁云計(jì)算概念，描述了電磁云計(jì)算的應(yīng)用模式，介紹了電磁云計(jì)算所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了電磁云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)，并基于在IPv6網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的電磁云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)開(kāi)展了異地小型陣列天線計(jì)算算例的試驗(yàn)，驗(yàn)證了電磁云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)的正確性和可靠性。

關(guān)鍵詞：電磁云計(jì)算；資源共享；資源調(diào)度

0 引言

戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下武器裝備效能的發(fā)揮、復(fù)雜電磁環(huán)境下的目標(biāo)識(shí)別以及系統(tǒng)電磁環(huán)境的綜合保障均依賴(lài)于強(qiáng)大的設(shè)計(jì)研發(fā)能力。決定這種設(shè)計(jì)研發(fā)能力的關(guān)鍵在于電磁計(jì)算技術(shù)。然而，我國(guó)電磁計(jì)算技術(shù)長(zhǎng)期以來(lái)面臨計(jì)算精度不夠高和計(jì)算規(guī)模不夠大等問(wèn)題，從而嚴(yán)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(diào)度機(jī)制是制約我國(guó)電磁計(jì)算技術(shù)發(fā)展的主要問(wèn)題。

近些年，隨著云計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，帶來(lái)了工作方式和服務(wù)模式的重大轉(zhuǎn)變，云計(jì)算已經(jīng)深入到能源、電信、醫(yī)療等各個(gè)行業(yè)。本文將基于云計(jì)算的理論和技術(shù)，利用云計(jì)算在資源彈性分配、資源管理、資源整合和資源調(diào)度等方面的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合電磁計(jì)算遇到的問(wèn)題，開(kāi)展云計(jì)算在電磁計(jì)算中的應(yīng)用研究。

1 電磁云計(jì)算

1.1 電磁云計(jì)算概念

電磁云計(jì)算是以資源為中心，利用虛擬化技術(shù)將物理上廣域分散的計(jì)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(lái)，形成虛擬化資源池，通過(guò)構(gòu)建電磁云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)資源共享、資源調(diào)度和任務(wù)管理等功能，形成電磁協(xié)同計(jì)算能力和資源共享能力，為電磁設(shè)計(jì)人員提供云計(jì)算服務(wù)。

1.2 電磁云計(jì)算應(yīng)用模式

電磁云計(jì)算模式，以飛機(jī)模型為例，當(dāng)用戶提交一個(gè)飛機(jī)模型的電磁計(jì)算任務(wù)時(shí)，中心管理節(jié)點(diǎn)首先將目標(biāo)仿真模型提交到具備幾何建模功能的計(jì)算節(jié)點(diǎn)完成目標(biāo)幾何建模，再將目標(biāo)幾何模型提交到具備剖分功能的計(jì)算節(jié)點(diǎn)完成模型剖分，繼而根據(jù)目標(biāo)特性和計(jì)算需求將計(jì)算任務(wù)切分為不同子任務(wù)，并逐個(gè)分配到滿足該子任務(wù)計(jì)算需求的計(jì)算節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)計(jì)算完畢后，由中心管理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，形成計(jì)算結(jié)果。

電磁云計(jì)算對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)是透明的，用戶在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中感覺(jué)不到所提交的計(jì)算任務(wù)采取哪種算法，在哪個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)完成建模、剖分和計(jì)算，所有與計(jì)算相關(guān)的處理都由中心管理節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一調(diào)度和管理。

1.3 電磁云計(jì)算優(yōu)勢(shì)

將云計(jì)算應(yīng)用到傳統(tǒng)電磁計(jì)算中將具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）硬件資源規(guī)模彈性擴(kuò)展，滿足計(jì)算需求。（2）資源靈活調(diào)度，提升電磁計(jì)算能力。（3）屏蔽異構(gòu)性，降低運(yùn)維成本。

2 關(guān)鍵技術(shù)

電磁云計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)包括：虛擬化技術(shù)、電磁計(jì)算資源描述和建模技術(shù)、廣域電磁計(jì)算任務(wù)及節(jié)點(diǎn)監(jiān)控技術(shù)和廣域電磁計(jì)算資源調(diào)度技術(shù)等。

2.1 虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)是將各種計(jì)算及存儲(chǔ)資源充分整合和高效利用的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了軟件應(yīng)用和底層硬件的隔離，包括將各個(gè)資源劃分成多個(gè)虛擬資源的分裂模式和將多個(gè)資源整合成一個(gè)虛擬資源的聚合模式。本文借助于虛擬化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的邏輯抽象和統(tǒng)一標(biāo)示，將計(jì)算機(jī)資源整合成一個(gè)操作環(huán)境，為上層的云計(jì)算應(yīng)用提供基礎(chǔ)資源池，通過(guò)資源調(diào)度策略獲得與應(yīng)用相關(guān)的負(fù)載平衡性能。

2.2 電磁計(jì)算資源描述和建模技術(shù)

電磁計(jì)算資源描述和建模技術(shù)首先依據(jù)描述完整性、互聯(lián)互操作性、平臺(tái)無(wú)關(guān)性、靈活性、可信性五大原則分析電磁計(jì)算資源，對(duì)資源進(jìn)行分類(lèi)和總結(jié)，建立各種資源的模型。采用元數(shù)據(jù)與XML相結(jié)合的方式，由元數(shù)據(jù)來(lái)描述資源的屬性信息，對(duì)資源的屬性進(jìn)行事先定義，以便組織管理。

2.3 廣域電磁計(jì)算任務(wù)及節(jié)點(diǎn)監(jiān)控技術(shù)

廣域電磁計(jì)算任務(wù)及節(jié)點(diǎn)監(jiān)控技術(shù)主要解決計(jì)算任務(wù)及節(jié)點(diǎn)信息的采集和監(jiān)視，用于收集、呈現(xiàn)所有分布式節(jié)點(diǎn)上的計(jì)算資源（物理主機(jī)、虛擬機(jī)）、軟件資源和數(shù)據(jù)資源的各項(xiàng)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(fù)載情況，為實(shí)現(xiàn)廣域分布式電磁計(jì)算資源調(diào)度提供準(zhǔn)確信息。

針對(duì)分布式電磁計(jì)算資源的特點(diǎn)，廣域電磁計(jì)算任務(wù)及節(jié)點(diǎn)監(jiān)控采用三層架構(gòu)，分別為監(jiān)控信息采集和操作實(shí)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(shí)施層負(fù)責(zé)任務(wù)和節(jié)點(diǎn)信息的采集，系統(tǒng)的所有節(jié)點(diǎn)都部署用于收集機(jī)器監(jiān)控信息的監(jiān)管代理模塊，該模塊還負(fù)責(zé)實(shí)施上層節(jié)點(diǎn)的管理操作。

監(jiān)控信息匯集層負(fù)責(zé)監(jiān)控信息的匯集，在本地機(jī)群監(jiān)控管理服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行，從本地機(jī)群被監(jiān)管節(jié)點(diǎn)上收集相應(yīng)信息，并在本地機(jī)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(fù)責(zé)向用戶提供所有分布式節(jié)點(diǎn)的計(jì)算資源的運(yùn)行信息，接收用戶操作命令并將其向具體機(jī)群和具體節(jié)點(diǎn)傳遞執(zhí)行。

2.4 廣域電磁計(jì)算資源調(diào)度技術(shù)

廣域電磁計(jì)算資源調(diào)度技術(shù)采用虛擬化/非虛擬化混合模式，以滿足不同類(lèi)型電磁計(jì)算任務(wù)的性能需求。計(jì)算密集是電磁計(jì)算的一個(gè)突出特點(diǎn)，計(jì)算任務(wù)量和計(jì)算規(guī)模巨大，對(duì)虛擬化/非虛擬化資源的有效調(diào)度能夠提升計(jì)算的效率，因此需要結(jié)合計(jì)算任務(wù)的具體要求，將作業(yè)分配到最優(yōu)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行計(jì)算。

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

對(duì)于獨(dú)占應(yīng)用，通過(guò)預(yù)測(cè)異構(gòu)服務(wù)器應(yīng)用相對(duì)性能作為應(yīng)用部署的依據(jù)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的應(yīng)用部署策略。而對(duì)于共享應(yīng)用，則通過(guò)構(gòu)建異構(gòu)服務(wù)器應(yīng)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(píng)估模型等方法設(shè)計(jì)應(yīng)用部署。

3 電磁云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)

根據(jù)電磁云計(jì)算概念，采用虛擬化技術(shù)、資源管理技術(shù)、資源調(diào)度技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建電磁云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)，將廣域網(wǎng)內(nèi)的硬件資源、軟件資源和數(shù)據(jù)資源進(jìn)行整合，提供電磁計(jì)算全生命周期的建模、剖分、計(jì)算、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示功能的電磁云計(jì)算服務(wù)，以及包括模型庫(kù)、像板庫(kù)和電磁計(jì)算結(jié)果的資源共享服務(wù)。

3.1 平臺(tái)架構(gòu)

云計(jì)算架構(gòu)分為IAAS（基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）、PAAS（平臺(tái)即服務(wù)）、SAAS（軟件即服務(wù)），電磁云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)借鑒云計(jì)算架構(gòu)，提出資源層、服務(wù)層和應(yīng)用層三層結(jié)構(gòu)，資源層通過(guò)虛擬化技術(shù)將硬件資源、數(shù)據(jù)資源和軟件資源進(jìn)行虛擬化處理，構(gòu)造虛擬化資源池，為上層應(yīng)用提供虛擬化的資源服務(wù)。其中，計(jì)算設(shè)備包括服務(wù)器、工作站和PC機(jī)等，數(shù)據(jù)資源包括模型數(shù)據(jù)庫(kù)、特征數(shù)據(jù)庫(kù)和計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)等，軟件資源包括PO算法、矩量法和FDTD算法等核心算法。

服務(wù)層利用WebService服務(wù)化技術(shù)，系統(tǒng)集成技術(shù)，將虛擬化資源池中的各類(lèi)資源進(jìn)行服務(wù)化封裝和服務(wù)化調(diào)用，為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)、計(jì)算服務(wù)和軟件服務(wù)。其中，數(shù)據(jù)服務(wù)包括元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，資源管理服務(wù)包括資源描述、資源建模等，集成服務(wù)包括封裝服務(wù)、注冊(cè)服務(wù)等。

應(yīng)用層利用數(shù)據(jù)服務(wù)、計(jì)算服務(wù)和軟件服務(wù)實(shí)現(xiàn)與電磁計(jì)算相關(guān)的電磁計(jì)算應(yīng)用和門(mén)戶應(yīng)用，用戶通過(guò)訪問(wèn)門(mén)戶可以開(kāi)展電磁計(jì)算相關(guān)的建模、剖分、計(jì)算、結(jié)果處理、結(jié)果顯示等全生命周期的電磁計(jì)算應(yīng)用。其中，電磁計(jì)算應(yīng)用包括RCS計(jì)算、方向圖計(jì)算等，門(mén)戶應(yīng)用包括登錄認(rèn)證、任務(wù)生成、任務(wù)執(zhí)行等。

3.2 功能組成

電磁云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)功能模塊組成，提供資源注冊(cè)、發(fā)布、申請(qǐng)、審批、搜索、調(diào)用等基礎(chǔ)管理功能；資源調(diào)度、負(fù)載均衡、監(jiān)控等資源管理功能；任務(wù)遷移、重載、監(jiān)控等任務(wù)管理功能；人員、機(jī)構(gòu)管理功能；軟件資源服務(wù)化共享、軟件資源遠(yuǎn)程桌面共享和模型、算法軟件和仿真數(shù)據(jù)資源庫(kù)共享等共享功能；建模、剖分、計(jì)算、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示等電磁設(shè)計(jì)全生命周期的計(jì)算功能；新聞、資訊、咨詢等信息門(mén)戶功能。

各功能模塊描述為：

3.2.1 基礎(chǔ)資源

基礎(chǔ)資源為平臺(tái)運(yùn)行所需要的基本環(huán)境資源，包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、中間件、計(jì)算資源/虛擬化資源、存儲(chǔ)資源和網(wǎng)絡(luò)資源。3.2.2 基礎(chǔ)管理

基礎(chǔ)管理提供系統(tǒng)運(yùn)行和管理的基礎(chǔ)功能，包括系統(tǒng)字典、用戶管理、權(quán)限管理、組織機(jī)構(gòu)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(jì)算任務(wù)流程。

3.2.4 任務(wù)調(diào)度

任務(wù)調(diào)度提供在分布式計(jì)算環(huán)境中與任務(wù)相關(guān)的生成、執(zhí)行、負(fù)載均衡、調(diào)度策略、遷移和重載等功能，支撐電磁協(xié)同計(jì)算的任務(wù)調(diào)度。

3.2.5 安全保密

安全保密提供密級(jí)管理、安全審計(jì)、數(shù)據(jù)加解密、系統(tǒng)日志等基礎(chǔ)應(yīng)用功能，貫穿系統(tǒng)框架運(yùn)行的各功能模塊，提高計(jì)算服務(wù)平臺(tái)軟件的安全保密性。

3.2.6 資源管理

資源管理是平臺(tái)管理框架的主要功能模塊，通過(guò)將系統(tǒng)底層的基礎(chǔ)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(jìn)行組合，形成資源包，提供給用戶調(diào)用。同時(shí)，提供對(duì)廣域分布的各計(jì)算節(jié)點(diǎn)資源的監(jiān)控功能。

3.2.7 計(jì)算流程

計(jì)算流程將電磁協(xié)同計(jì)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(gòu)建、模型剖分、參數(shù)設(shè)置、任務(wù)計(jì)算、結(jié)果處理、結(jié)果下載、任務(wù)記賬等功能模塊。

3.2.8 電磁算法服務(wù)化模塊

針對(duì)電磁計(jì)算中閉域、開(kāi)域兩類(lèi)計(jì)算問(wèn)題，該平臺(tái)集成了閉域算法中粗糙導(dǎo)體的波導(dǎo)計(jì)算、電路板過(guò)孔計(jì)算、多層鍍膜波導(dǎo)計(jì)算、微帶線計(jì)算等自研算法軟件。

3.2.9 電磁云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)門(mén)戶

電磁云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)采用B/S模式向用戶提供服務(wù)，將系統(tǒng)功能組織成資源管理門(mén)戶、電磁云計(jì)算門(mén)戶、平臺(tái)新聞門(mén)戶三個(gè)主要的前端功能模塊，分別向用戶提供基礎(chǔ)資源管理，電磁計(jì)算以及平臺(tái)信息功能。

3.3 平臺(tái)能力

基于電磁云計(jì)算概念、應(yīng)用模式、平臺(tái)架構(gòu)和功能，電磁云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)將具有如下能力：

3.3.1 各類(lèi)典型電磁算法面向廣域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)資源共享

電磁云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)將廣域分布的各類(lèi)電磁計(jì)算資源利用高速網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)通，對(duì)外提供各種典型的高頻、低頻和高低頻混合的電磁計(jì)算服務(wù)。用戶只需利用瀏覽器，通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)即可應(yīng)用各種電磁計(jì)算資源，無(wú)需知道計(jì)算資源的提供方，打破了資源異構(gòu)性、軟件專(zhuān)用定制特性和地域限制，實(shí)現(xiàn)了面向廣域網(wǎng)的資源共享。

3.3.2 廣域網(wǎng)電磁協(xié)同計(jì)算資源的合理配置

電磁云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)內(nèi)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(tái)將廣域網(wǎng)內(nèi)的各種資源進(jìn)行統(tǒng)一的管理和調(diào)度，促進(jìn)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(jì)算任務(wù)可動(dòng)態(tài)地選擇最優(yōu)計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行高性能計(jì)算，提升計(jì)算速度。設(shè)計(jì)人員可合理地配置到相關(guān)的計(jì)算任務(wù)中，提供最優(yōu)秀的電磁設(shè)計(jì)服務(wù)。

3.3.3 支撐全生命周期電磁設(shè)計(jì)，提升工作效率

電磁云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)通過(guò)設(shè)計(jì)與電磁計(jì)算工作相關(guān)的業(yè)務(wù)流程，構(gòu)建了包括建模、剖分、計(jì)算、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示的電磁設(shè)計(jì)全生命周期功能，有效支撐電磁設(shè)計(jì)人員開(kāi)展輻射計(jì)算和散射計(jì)算。用戶只需登錄該平臺(tái)就可以開(kāi)展與電磁設(shè)計(jì)相關(guān)的工作，解決了需要在多軟件之間切換等問(wèn)題，提升了電磁設(shè)計(jì)工作的效率。

4 算例分析

目前，電磁云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)基于IPv6網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，由3個(gè)集群組成，分別位于北京電子科學(xué)研究院、西安電子科技大學(xué)新科技樓2樓和新科技樓10樓。平臺(tái)拓?fù)?，每個(gè)集群構(gòu)成一個(gè)子計(jì)算中心，包括子中心控制節(jié)點(diǎn)以及若干計(jì)算節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等硬件資源。

在電子科學(xué)研究院和西安電子科技大學(xué)之間進(jìn)行了基于FDTD算法的電磁云計(jì)算試驗(yàn)工作，驗(yàn)證了電磁云計(jì)算服務(wù)體系的協(xié)同計(jì)算能力。試驗(yàn)環(huán)境包括西安電子科技大學(xué)兩臺(tái)虛擬機(jī)和北京電子科學(xué)研究院兩臺(tái)虛擬機(jī)，其中每臺(tái)虛擬機(jī)配置為12vcpus，20GB內(nèi)存。電磁協(xié)同計(jì)算仿真模型，天線形式為多層介質(zhì)偶極子貼片天線。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到計(jì)算結(jié)果，該計(jì)算結(jié)果與商用電磁仿真軟件CST計(jì)算，其結(jié)果非常吻合，驗(yàn)證了電磁云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)協(xié)同計(jì)算結(jié)果的正確性和可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

電磁云計(jì)算充分借鑒云計(jì)算在資源共享、資源管理、資源整合和異構(gòu)性屏蔽等方面的優(yōu)勢(shì)，克服電磁計(jì)算在發(fā)展中遇到的問(wèn)題，滿足用戶對(duì)電大尺寸目標(biāo)精確仿真計(jì)算的需求。根據(jù)電磁云計(jì)算理念設(shè)計(jì)了電磁云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)，對(duì)外提供電磁計(jì)算服務(wù)和資源共享服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)廣域網(wǎng)內(nèi)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(diào)度，提升了資源利用率，降低了成本。

通過(guò)在基于IPv6網(wǎng)絡(luò)的電磁云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)上開(kāi)展北京和西安異地協(xié)同計(jì)算試驗(yàn)，完成了算例分析，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了電磁云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)應(yīng)用的正確性和可靠性。由于廣域網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延性，利用電磁云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)開(kāi)展電磁協(xié)同計(jì)算相比傳統(tǒng)的電磁計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，未來(lái)將在算法優(yōu)化和資源調(diào)度方面開(kāi)展相關(guān)技術(shù)研究，提高電磁云計(jì)算的計(jì)算速度。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳康,鄭緯民.云計(jì)算:系統(tǒng)實(shí)例與研究現(xiàn)狀[J].軟件學(xué)報(bào),2009(05).