Гибкая архитектура для параллельного анализа и визуализации физических полей

• Автор: Чусов, Андрей Александрович
• Шифр специальности: 05.13.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Владивосток
• Количество страниц: 211 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ И ПРОБЛЕМЫ КОМПЬЮТЕРНОГО АНАЛИЗА И МОДЕЛИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ, СПОСОБЫ ОРГАНИЗАЦИИ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ И РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.И
1.1 Обзор существующих проблем компьютерного моделирования и анализа физических процессов.

1.2 Основные проблемы организации параллельных и распределенных вычислений.

1.3 Основные выводы из обзора и постановка задачи исследований

ГЛАВА 2. ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ ГИБКИХ АРХИТЕКТУР РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И АНАЛИЗА
2.1 Формулировка принципов создания архитектур распределенных систем параллельного анализа
2.2 Разработка верхнеуровневой архитектуры комплекса средств компьютерного анализа физических полей на основе представленных принципов
2.3 Математическое описание пространства и подсистемы визуализации. Геометрическое моделирование.

2.4 Подсистема безопасности узлов распределенной системы.

2.5 Подсистемы предметной области, распределение и распараллеливание имитационного анализа, проверка адекватности результатов.
2.6 Результаты разработки общей архитектуры систем анализа физических полей
ГЛАВА 3. МЕТОД РЕАЛИЗАЦИИ ГИБКИХ АРХИТЕКТУР РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И АНАЛИЗА
3.1 Метод реализации графической подсистемы и геометрического моделирования среды проведения имитационных экспериментов
3.2 Метод реализации системы управления банком данных САА
3.3 Метод реализации сервера безопасности и управления узлами распределенной САА.
3.4 Основные результаты, полученные в ходе разработки метода реализации архитектур систем компьютерного анализа физических полей.
ГЛАВА 4. МЕХАНИЗМ СИНХРОНИЗАЦИИ ЕДИНИЦ ВЫПОЛНЕНИЯ В РАССМАТРИВАЕМЫХ СИСТЕМАХ АНАЛИЗА ПРИ ДОСТУПЕ ИХ ПОДСИСТЕМ К РАЗДЕЛЯЕМЫМ РЕСУРСАМ И АНАЛИТИЧЕСКАЯ
ОЦЕНКА ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СЛОЖНОСТИ АЛГОРИТМОВ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ СИНХРОНИЗАЦИЮ ВЫЧИСЛЕНИЙ.
4.1 Протоколы и реализующие их алгоритмы
4.2 Оценка сложности параллельных алгоритмов, синхронизированных с помощью механизмов синхронизации, реализующих модель читающийпишущий оценка эффективности и ее сравнение с аналогами
4.3 Основные результаты, полученные в ходе разработки методов синхронизации вычислений и оценки параллельной сложности алгоритмов, использующих синхронизацию
ГЛАВА5. ЗАКОНЧЕННАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОМПЬЮТЕРНОГО АНАЛИЗА АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ I
5.1 Обзор системы анализа и реализация ее анализирующих подсистем
5.2 Обзор существующих систем компьютерного анализа физических полей и их сравнение с построенной САА
5.3 Основные выводы и результаты работы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА


В связи с близостью скорости выполнения последовательных вычислений к теоретическому максимуму, к таким типам относятся параллельные вычислительные среды, а также среды, представляющие собой распределенные вычислительные системы. Использование таких вычислительных сред требует выделения компонентов моделирования, которые могут быть распределены на множество параллельных единиц выполнения, направленных на отдельные процессоры и узлы распределенной системы. В связи с этим требуется описание протоколов взаимодействия и управления параллельными процессами в распределенной САА. В настоящее время ведется ряд исследований, направленных на разработку способов распределения САА и процесса имитационного моделирования в предметной области на независимые во времени компоненты. Однако не существует подробного описания архитектур САА, решающих задачи моделирования и анализа в параллельных и распределенных средах. Такой подход позволяет обеспечить гибкость САА в плане решения задач моделирования и анализа различных физических полей, путем включения в общую систему анализирующих подсистем различных предметных областей с использованием заданных архитектурой протоколов и интерфейсов. Это, при условии поддержки САА многопользовательской работы над моделями, дает возможность обеспечить пользователя теми же функциями, которыми он бы обладал при использовании более сложных системфедераций. Кроме того данный подход позволяет снизить стоимость и сложность создания распределенных систем САА за счет описания общих подсистем, обеспечить расширяемость на множество анализирующих и обслуживающих подсистем в зависимости от требований конечного пользователя к информационной нагрузке на САА, на этапе проектирования архитектуры описать и решить соответствующие проблемы, требующие детализации. К таким проблемам относится использование параллелизма при доступе к компонентам САА, что создает необходимость разработки практически применимых, легких для использования аналитических методов оценки вычислительной эффективности и, соответственно, целесообразности применения тех или иных методов распараллеливания алгоритмов. Данный вопрос является актуальным, поскольку существующие на данный момент методы таких оценок основаны на относительно трудоемком анализе структур распараллеливаемых алгоритмов как в исходной, последовательной, форме, так и в параллельной. При этом делается ряд существенных допущений и ограничений. Не учитываются издержки на создание, обслуживание и завершение потоков которые, по отношению к последовательной сложности исходного алгоритма могут быть весьма велики, не рассматриваются издержки, связанные с используемой моделью синхронизации потоков выполнения. На практике эффективность параллельной формы алгоритма по отношению к последовательной вычисляется эмпирически для множества конкретных целевых платформ, на основании чего и делается вывод о целесообразности применения той или иной параллельной формы алгоритма. Таким образом, цель работы заключается в разработке и реализации комплексного подхода к созданию архитектур систем компьютерного анализа, моделирования и визуализации физических полей различного типа с ориентацией на работу в параллельных и распределенных средах с тем, чтобы повысить допустимую сложность анализа и, таким образом, обеспечить высокую точность и скорость работы. Основные задачи диссертационной работы. Разработка принципов создания гибких архитектур систем САА, предназначенных для решения задач моделирования произвольных физических полей в пространстве неограниченной сложности и расширяемых на произвольное множество вычислительных узлов. Разработка эффективных в плане производительности и функциональности механизмов синхронизации параллельного доступа компонентов системы к разделяемым ресурсам. Разработка метода оценки параллельной сложности, быстродействия алгоритмов, использующих блокирующую синхронизацию, с учетом издержек, связанных с состязательностью потоков. Разработка законченной системы САА, использующей предлагаемые решения на примере моделирования звукового поля.