Сравнительный анализ технологий реализации распределённой системы сопряжения секторных моделей

Сравнительный анализ технологий реализации распределённой системы сопряжения секторных моделей

С.С. Самборецкий1, Н.Д. Гибаев1, М.О. Кашинцев1, А.Р. Ромазанов1

Тюменский государственный университет1

Целью работы является экспериментальная проверка эффективности различных технологий реализации распределённой вычислительной системы сопряжения секторных моделей. С учетом особенностей разных программных платформ (C++ и MPI, Elixir) были спроектированы архитектуры и разработаны два приложения. Балансировка нагрузки в Elixir-приложении обеспечивалась средствами языка, в MPI-реализации были использованы оригинальные алгоритмы. Эксперименты проводились на вычислительном кластере. Результаты экспериментов показали допустимость обоих подходов для реализации системы сопряжения секторных моделей. Однако, выбор конкретной технологии определяется комплексными требованиями к системе: время разработки, отладки и развёртывания с одной стороны; производительность с другой.

Ключевые слова: секторное моделирование, распределённые вычисления, MPI, Elixir, балансировка нагрузки, отказоустойчивость, кластер.

1. Введение

В настоящее время существует несколько конкурирующих подходов в гидродинамическом моделировании пласта. Наиболее острая конкуренция представляется между двумя из них: посекционное моделирование [1] и моделирование посредством сопряжения секторных моделей [2]. Подходы существенно различаются, особенно это заметно при распараллеливании, где главным фактором становится операция сопряжения. В работе [3] было показано, что сопряжение секторных моделей в гидродинамических расчётах несёт существенно меньшие издержки за счет наиболее легковесной операции сопряжения, нежели подобная ей в посекционном моделировании. Однако, в данный момент продукты, реализующие посекционное моделирование (например, tNavigator или Eclipse), более распространены на рынке. В тоже время, у секторного моделирования имеется хороший потенциал, поскольку данный подход нивелирует существующие практические недостатки посекционного моделирования: секторное моделирование позволяет использовать модели, разработанные для разных симуляторов; секторное моделирование позволяет более гибко использовать вычислительные мощности за счет балансировки нагрузки.

Коллектив авторов продолжил работу, начатую в [4], где был представлен параллельный алгоритм сопряжения секторных моделей, предложена архитектура распределённой системы, рассмотрены различные технологии реализации распределённых вычислений (в конечном итоге был выбран MPI), проведено исследование алгоритмов балансировки нагрузки (оригинальный алгоритм в сравнении с эвристическим алгоритмом Ефимкина[5]), предложен и реализован подход к отказоустойчивости, основанный на интеркоммуникаторах. В данной работе проводится исследование на реальных данных распределенной системы, реализующей параллельный алгоритм сопряжения, а также оригинальный алгоритм балансировки нагрузки.

В то же время, помимо тестирования на реальных данных, решается задача сравнения самих технологий разработки распределённой системы на базе MPI и аналогичной системы на базе языка программирования Elixir [6].

Другое важное решение касалось предметной области исследования. Изначально система проектировалась под нужды выполнения гидродинамического моделирования. Однако, уже в работе [4] был сделан шаг к разработке более общей системы, которая легко настраивается для проведения моделирования для других предметных областей. Поскольку для поставленной задачи не принципиальной является исходная физическая модель, в качестве базовой исследовалось решение задачи Дирихле.

2. Решение сопутствующих проблем

Проблема сопряжения секторных моделей имеет несколько отдельных подпроблем, решение которых необходимо найти для разработки распределённой вычислительной системы.

Во-первых, необходим механизм сопряжения смежных областей. Универсальный программный модуль для сопряжения разработать невозможно, поскольку данная операция зависит от предметной области, определяющей формат секторной модели и допустимые возможности для сопряжения. В случае с гидродинамическим моделированием, определено [3], что сопряжение допустимо производить на границах смежных областей по заданным правилам. Само сопряжение на практике представимо в виде следующего алгоритма: