膠州灣水質(zhì)預報系統(tǒng)負載均衡策略研究.pdf

1、通過研究海洋水體中各種物質(zhì)的變化過程，對海洋水體環(huán)境進行預測，能夠更好地治理海洋水質(zhì)環(huán)境、保障沿海地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。在研究過程中大多采用數(shù)值模擬的方式進行，為了研究結(jié)果的準確性，往往需要選擇廣闊的計算區(qū)域和豐富的水體元素，并提高研究區(qū)域的空間分辨率，但隨著海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的豐富及空間分辨率的提高，海洋水質(zhì)預報系統(tǒng)計算量也急劇增長，導致數(shù)值模擬過程耗費時間較長，計算效率低下，存在一定的局限性。
　　近幾年，隨著高性能計算相關(guān)技術(shù)的發(fā)展成

2、熟，通過MPI技術(shù)對數(shù)值模擬計算方法并行化處理得到了越來越廣泛的應用，在一定程度上節(jié)省了系統(tǒng)的運行時間，提高了系統(tǒng)的性能;由于各節(jié)點間計算任務(wù)的分布存在嚴重的不均衡現(xiàn)象，單純通過增加計算節(jié)點來減少運行時間的方案效果不明顯，節(jié)點過多導致消息傳遞增多，反而會增加運行時間，使系統(tǒng)運行效率降低。
　　針對以上問題，本文將負載均衡技術(shù)與MPI并行技術(shù)相結(jié)合，對膠州灣水質(zhì)預報系統(tǒng)進行性能優(yōu)化，主要研究成果如下:
　　(1)對膠州灣水質(zhì)預

3、報系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進行詳細分析，并繪制網(wǎng)格中計算任務(wù)的分布示意圖，確定導致負載不均衡的因素，從而找到負載均衡優(yōu)化的切入點。
　　(2)在對膠州灣水質(zhì)預報系統(tǒng)和負載均衡技術(shù)及相關(guān)理論研究的基礎(chǔ)上，將靜態(tài)負載均衡技術(shù)用于對預報系統(tǒng)的優(yōu)化處理，分別在2、4、8個節(jié)點情況下進行試驗;并對負載均衡效果進行量化分析，加速比和加速效率有明顯提高，在2節(jié)點情況下，并行效率最高可達91.098％;4節(jié)點情況下，并行效率最高可達77.979％。

4、　　(3)考慮到系統(tǒng)運行的硬件環(huán)境多樣且比較復雜，利用Linux系統(tǒng)的開源特性對各節(jié)點負載信息進行收集處理，并對額外開銷進行評估，從而對節(jié)點間的負載任務(wù)及時做出處理，動態(tài)調(diào)節(jié)節(jié)點間的負載使之達到均衡。對膠州灣水質(zhì)預報系統(tǒng)進行動態(tài)負載均衡優(yōu)化處理，使各節(jié)點間的負載量能夠得到及時調(diào)整，從而一直保持相對均衡的狀態(tài)。綜合靜態(tài)和動態(tài)負載均衡技術(shù)的優(yōu)點，將混合負載均衡技術(shù)應用于數(shù)值模擬計算方法，以提升預報系統(tǒng)的性能，分別用2、4、8個節(jié)點進行試驗;

5、以4節(jié)點為例，比靜態(tài)負載優(yōu)化運行時間最高可節(jié)省30.62s，運行效率有明顯的提升。
　　實驗結(jié)果表明，采用負載均衡技術(shù)對水質(zhì)預報并行系統(tǒng)進行優(yōu)化能夠有效減少預報時間、提升系統(tǒng)性能。以4節(jié)點為例，與負載均衡優(yōu)化前的系統(tǒng)相比，靜態(tài)負載均衡和混合負載均衡加速比最高可達3.1192和3.3070，并行效率最高為77.979％和82.675％，這兩種方式下，在一定程度上縮短了程序運行時間，使系統(tǒng)性能得到了顯著提高，但在混合負載均衡模式下具有