李伯虎-基于云计算理念的网络化建模与仿真

2020/5/291“云仿真”——“基于云计算理念的网络化建模与仿真”李伯虎1.2，柴旭东2，侯宝存2，李潭1,张雅彬1,张智慧1,邸彦强1，黄继杰1，宋长峰1，唐震1,施国强1，余海燕3，韩军41，北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院2，北京仿真中心3，中科院计算所4，北京航空航天大学计算机学院2020/5/292目录一引言二一种基于云计算理念的网络化建模与仿真平台——“云仿真平台”三攻克的关键技术四应用示范五结论及下一步的工作2020/5/293一引言2020/5/294系统仿真技术是利用被研究系统的模型，在仿真系统上，对系统进行动态研究的一门多学科的综合性技术仿真实验与结果分析评估仿真建模系统建模系统系统模型仿真系统2020/5/295系统仿真技术正成为继理论研究和实验研究之后认识、改造客观世界的重要手段美国总统顾问委员会2006年给总统报告“计算科学确保美国赢得竞争”中指出：系统仿真是计算科学的重要组成部分2020/5/296一引言目前，系统仿真技术已成功地应用于工程、社会、环境、生命、教育等领域。随着被仿真系统的规模和结构日益扩大和复杂，迫切需要具有分布、异构、协同、互操作、重用等性能的新型的分布建模与仿真系统——以现代网络技术为支撑的“网络化建模与仿真系统”应远而生。工程系统社会系统环境系统生命系统2020/5/297例：建立异地、协同、多学科虚拟样机开发平台，支持飞机虚拟样机的异地设计和综合优化。•提升能力•拖拉能力•偏转能力•敏感度•推进性能•反向推进性能•灵敏度•燃料消耗•制动性能•舵动能力•牵引力•减震能力机组能力-精确度-洞察力引擎模型机身模型机翼模型起落架模型尾翼模型人力模型2020/5/298一引言(续)现代网络化建模仿真技术始于分布交互仿真技术。80年代初期，出现了分布仿真系统，它受当时网络技术的限制，在可扩展性，性能及其应用方面存在着许多局限性。80年代中期，美国国防部提出了先进分布仿真（ADS）技术的概念，其国防高级研究计划局（DARPA）和陆军率先共同制定了SIMNET（SIMulatorNETworking）计划。自此，开辟了ADS技术发展的新纪元，并经历了DIS（DistributiveInteractSimulation),ALSP(AggregativeLevelSimulationProtocol)和HLA（HighLevelArchitecture）等几个典型发展阶段。2020/5/299发展史:“SIMNET---DIS---ALSP---HLA”TechnicalprogressspursmanagementresponseDoDDir5000.59M&SManagement8889909192939495969798TechnicalManagementLimitedscopesimulations,littleinteroperabilitypriorto1988DISStandardsbegunALSP(aggregatelevelsimulationprotocol):linkingofServicewargamesDEPSECDEFMemo:EXCIMSformedandDMSOestablishedSIMNETHLApolicyestablishedHighLevelArchitecture(HLA)begunDARPA-SACEURDistributedWargamingSystemACE-89AllServices’M&SofficesinplaceDoD5000.59-PM&SMasterPlanEXCIMSFunctionalAreaCouncilsDoDM&SExecutiveAgentsArchitectureManagementGroupNoformalmanagementstructureManagementstructurestand-upManagementstructureinplaceDSB:ComputerApplicationstoTrainingandWargamingStudyforCJCSDoDSimulationPolicyStudyDoDVV&AInstructionNewprograms(JSIMS,JWARS)SBATaskForceHLATransitionPlanapproved2020/5/2910HLA(HighLevelArchitecture):网络化建模仿真发展的里程碑构建分布仿真系统（联邦）的国际标准（IEEEP1516）C++JavaAda-95CORBAIDLSimulationsLiveParticipantsRuntimeInfrastructure(RTI)——运行支撑系统（类分布操作系统）联邦管理服务联邦执行的创建、控制、修改、删除声明管理服务在类层次上表达联邦成员间信息公布与订购关系对象管理服务对象实例的注册、发现、属性更新、发接所有权管理服务联邦成员对实例属性所有权的转让、获取、删除时间管理服务联邦成员控制其逻辑时间推进数据分发管理服务在实例层次上联邦成员间信息公布与订购关系InterfaceSpecification接口规范FOMSOMSOMSOMSOMSOMSOMSOMSOMSOMSimulationSurrogatesDataCollectors,PassiveViewers,etc.FEDFederationExecutionData联邦规则5联邦成员规则5FOM:联邦对象模型SOM：成员对象模型MOM：管理对象模型核心：解决分布、异构仿真应用的互操作性（成员间提供或接受服务）与重用性，支持：构造仿真、虚拟仿真和实况仿真；（数学/半实物/实物模型），提供：多种时间管理机制（基于步长/事件/乐观机制的时间推进）。组成：规则(联邦、联邦成员）对象模型模板OMT（FOM/SOM/MOM)RTI接口规范（六大类服务函数）2020/5/2911HLA的应用:在军事上：得到成功的应用STOW（theSyntheticTheaterofWar）项目JADS(theJointAdvancedDistributedSimulation)项目JWARS(theJointWarfareSystem)项目在民用上：已引起广泛重视，正成为新一代分布仿真系统建立与应用的标准后勤仿真制造系统仿真工业系统与业务流程仿真等2020/5/2912一引言(续)但是,从应用角度看，目前的基于HLA/RTI的网络化建模仿真系统存在以下不足之处：缺乏使用方便性支持缺乏对网上仿真资源的动态调度与管理（目前是静态绑定的）能力——资源共享、利用率差；缺乏仿真联邦自组织与容错能力，可靠性差；缺乏仿真运行中安全机制2020/5/2913一引言(续)近年来，随着互联网Internet、Web/WebService、网格计算（Gridcomputing）等网络技术的发展，网络化建模与仿真的技术内涵和应用模式正得到不断的扩展和丰富。目前,“网络化建模与仿真研究与应用”新技术趋向：（1）融合Web技术/仿真技术的“可扩展建模仿真框架XMSF”及“基本对象模型BOM”技术；（2）融合网格计算技术/仿真技术的仿真网格技术；（3）基于云计算理念的云仿真技术2020/5/2914一引言(续)网络化建模与仿真技术的（新）发展历程“SIMNET==DIS==ALSP==HLA”==XMSF，SIMULATIONGRID,CLOUDSIMULATIONPLATFORM…………2020/5/2915我们的工作1.构建“仿真网格”COSIM－Grid1.0v将现代网格技术和现有的网络化建模与仿真技术（如HLA）相结合——构建“仿真网格”，以改善现有网络化建模与仿真系统中存在的不足。2020/5/2916仿真网格COSIM－Grid1.0v体系结构一种面向服务的层次化仿真网格体系结构其他协同仿真应用网格大规模体系级协同仿真应用网格多学科虚拟样机协同仿真应用网格应用层仿真网格应用门户层面向应用的仿真网格问题求解环境仿真网格协同可视化门户仿真网格通用门户协同建模/VV&A服务面向仿真应用核心服务层仿真结果分析/评估服务模型库/知识库管理服务网格资源管理中间件层异地数据访问服务资源监控服务作业管理服务资源目录服务资源管理网络资源、CPU资源管理资源管理存储设备资源管理科学仪器等资源管理知识资源资源管理可视化工具、M&S工具、CAX/DFX工具等数据访问优化数据库资源层资源管理各类模型、模拟器、物理效应设备、VR设备仿真网格安全体系项目管理服务数据复制管理服务资源部署与注册服务协同仿真运行支撑服务信息管理服务时间管理服务仿真资源服务资源调度服务2020/5/2917我们在仿真网格COSIM－Grid1.0v的研究中感到：“仿真网格”是一种新型的分布建模与仿真系统，它能克服传统网络化建模与仿真系统在以下方面的局限性：仿真资源动态共享能力自组织能力协同能力安全应用机制等。2020/5/2918一引言(续)但是，从应用、技术发展角度看，目前的仿真网格还需要加强如下方面：要加强网格节点内细粒度资源（包括网格节点内的多CPU核、存储器、软件等子资源）的共享与调度能力；要加强支持多用户的能力；要加强动态协同能力；要加强容错能力；要加强安全应用机制。2020/5/2919一引言(续)Google的所谓“云计算”模式，就是把软件放在远程的服务器上，就像天边的云，你在上网时才把它拿来用，平常就放在云上，有专人帮你管理。微软的“云计算”模式是Cloud（云）+Client（终端设备），翻译成中文就是“云端计算”。Client可以是PC、手机、家电、汽车等任何工具。“云计算”(CloudComputing)是分布式处理(DistributedComputing)、并行处理(ParallelComputing)和网格计算(GridComputing)的发展。“云计算”模式将要求解的庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序，再通过网络并经自动搜寻、交由网上若干部服务器（云）所组成的庞大系统（云群）计算之后将处理结果回传给用户。2020/5/292020如何构建更好的的网络化建模与仿真平台?我们的新想法——构建“云仿真平台”基于仿真网格的研究成果，进一步融合虚拟化技术、普适计算技术和高性能计算技术等，引入“云计算”理念，构建一种基于云计算理念的网络化建模与仿真平台——“云仿真平台”，以加强网络化建模与仿真平台的细粒度资源（包括节点内的CPU核、存储器、软件等子资源）按需共享与调度能力；充分支持多用户能力；动态协同能力；容错能力；安全应用机制。“云仿真”：将庞大的仿真任务自动分拆成无数个较小的子任务，再按需通过网络和云仿真平台自动搜寻、交由多部仿真器（云）所组成的仿真系统（云群）与用户进行交互建模与仿真。云仿真平台仿真云虚拟中间件虚拟中间件虚拟中间件2020/5/292121云仿真平台•支持云计算理念的的工作模式；•充分支持多用户•提供细粒度资源共享与调度能力；•较强的协同和容错能力•较强的安全应用机制•各类仿真资源的虚拟化技术需进一步改善•需统一标准•仿真运行高效性需进一步提高云仿真平台•细粒度资源（包括节点内CPU核、存储器、软件等子资源）的共享能力有待加强•支持多用户的能力有待加强•协同能力较弱•容错能力较弱•安全应用机制较弱仿真网格•提供仿真资源动态共享能力•提供自组织能力•提供协同能力•提供安全应用机制等•缺乏使用方便性支持•缺乏对仿真资源的动态调度•缺乏联邦自组织与容错能力•缺乏仿真运行中安全机制•缺乏支持仿真系统工程等解决分布、异构仿真应用的互操作性与重用性•提供多种时间管理机制HLA/RTI2020/5/2922二一种基于云计算理念的网络化建模与仿真平台——”云仿真平台”2020/5/29231.一种基于云计算理念的网络化建模与仿真平台——”云仿真平台”的内