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[硕士论文] 焦增连
计算机科学与技术 河北工程大学 2018(学位年度)
摘要:通过研究海洋水体中各种物质的变化过程,对海洋水体环境进行预测,能够更好地治理海洋水质环境、保障沿海地区的可持续发展。在研究过程中大多采用数值模拟的方式进行,为了研究结果的准确性,往往需要选择广阔的计算区域和丰富的水体元素,并提高研究区域的空间分辨率,但随着海洋环境数据的丰富及空间分辨率的提高,海洋水质预报系统计算量也急剧增长,导致数值模拟过程耗费时间较长,计算效率低下,存在一定的局限性。
  近几年,随着高性能计算相关技术的发展成熟,通过MPI技术对数值模拟计算方法并行化处理得到了越来越广泛的应用,在一定程度上节省了系统的运行时间,提高了系统的性能;由于各节点间计算任务的分布存在严重的不均衡现象,单纯通过增加计算节点来减少运行时间的方案效果不明显,节点过多导致消息传递增多,反而会增加运行时间,使系统运行效率降低。
  针对以上问题,本文将负载均衡技术与MPI并行技术相结合,对胶州湾水质预报系统进行性能优化,主要研究成果如下:
  (1)对胶州湾水质预报系统的整体结构进行详细分析,并绘制网格中计算任务的分布示意图,确定导致负载不均衡的因素,从而找到负载均衡优化的切入点。
  (2)在对胶州湾水质预报系统和负载均衡技术及相关理论研究的基础上,将静态负载均衡技术用于对预报系统的优化处理,分别在2、4、8个节点情况下进行试验;并对负载均衡效果进行量化分析,加速比和加速效率有明显提高,在2节点情况下,并行效率最高可达91.098%;4节点情况下,并行效率最高可达77.979%。
  (3)考虑到系统运行的硬件环境多样且比较复杂,利用Linux系统的开源特性对各节点负载信息进行收集处理,并对额外开销进行评估,从而对节点间的负载任务及时做出处理,动态调节节点间的负载使之达到均衡。对胶州湾水质预报系统进行动态负载均衡优化处理,使各节点间的负载量能够得到及时调整,从而一直保持相对均衡的状态。综合静态和动态负载均衡技术的优点,将混合负载均衡技术应用于数值模拟计算方法,以提升预报系统的性能,分别用2、4、8个节点进行试验;以4节点为例,比静态负载优化运行时间最高可节省30.62s,运行效率有明显的提升。
  实验结果表明,采用负载均衡技术对水质预报并行系统进行优化能够有效减少预报时间、提升系统性能。以4节点为例,与负载均衡优化前的系统相比,静态负载均衡和混合负载均衡加速比最高可达3.1192和3.3070,并行效率最高为77.979%和82.675%,这两种方式下,在一定程度上缩短了程序运行时间,使系统性能得到了显著提高,但在混合负载均衡模式下具有更好的加速效果。因此本系统采用混合负载均衡模式对系统进行优化以提升水质预报系统性能。
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