黑盒子的分布式計算框架研究

張曦

摘 要：本文針對電子工程領域中黑盒子優化分析問題，提出一個基于River技術的動態面向服務優化計算框架（DSOCF），旨在分布式并行計算黑盒子，加快優化速度。首先分析優化算法中黑盒子的執行模式，然后遵循動態面向服務架構并圍繞著River的服務發布和查找功能設計所需的核心服務并利用它們構建DSOCF，最后根據黑盒子在DSOCF中優化的實驗數據證明該框架的有效性。

關鍵詞：連續盒子；分析任務；代碼基

1 引言

求解一次黑盒子問題[1]就要調用仿真度高的優化計算軟件來進行非常耗時的計算，本文設計和實現了一個基于River[2]的動態面向服務的優化計算框架（Dynamic Service-oriented Optimization Computing Framework， DSOCF），該框架作為一個高效分布式并行計算框架在動態的網絡環境中評價黑盒子，具有良好的可擴展性、可靠性和高效性。

2 DSOCF體系結構

DSOCF的物理網絡結構如圖1，門戶（Portal）、HTTP、查詢（LookUp）服務器以及計算服務器（Server i）組成了DSOCF的硬件基礎設施。

門戶服務作為DSCOF的門戶驗證用戶身份，還利用一個隊列保存所有的分析任務（AT）（AT代表黑盒子）。在接收用戶優化算法發送來的一組AT后，門戶服務將請求調度服務根據均衡負載算法派遣AT到合適的計算服務-殼服務，如圖2所示。

殼服務能夠被注冊到底層中的查找服務中，以便請求者發現他們，并幫助AT調用安裝在計算資源中所需的計算軟件，如ANSYS、3DCS和ABACUS[3]。殼服務、信息收集服務和重注冊服務都部署在異構的計算資源上。

殼服務作為服務供應方，創建服務代理并注冊到查找服務中的注冊列表中，信息收集服務收集本資源實時的硬件指標和軟件配置信息，將其作為服務代理的屬性，并在其注冊成功后周期性地更新查找服務注冊表中該服務代理的屬性，重注冊服務周期性的監視查找服務的狀態。

調度服務負責調度AT和均衡負載，在AT集合與注冊列表中的服務代理集合上完成最優映射，生成一個最佳調度策略，并將選中的所有服務代理傳送回門戶服務。門戶服務執行服務代理完成與其對應殼服務通信鏈路的動態搭建，傳遞AT到殼服務進行本次計算。執行服務代理期間所需的類文件從Http服務下載。

3 實驗分析

實驗對象是一個在單個計算節點上運行一次大概0.82分鐘的AT。調用優化算法分別在單個計算節點和DSOCF上迭代執行10次、30次、50次和70次，所需的執行時間如表1所示。最終在單個計算節點和DSOCF上的6次平均執行時間的平均值分別為52.71分鐘和22.62分鐘。這表明在DSOCF中執行的時間比單個計算節點少了大約57%。理論上來講，這個值應該是66%，我們分析偏差的原因是由于框架內通信開銷而造成的。

4 結語

本文提出的動態面向服務優化計算框架是一個新型分布式計算框架， 適應異構的計算機網絡，這個框架易于部署在小型計算機網絡上。它提供了對于多用戶和不同任務優先級的可伸縮性支持，實驗結果也證實了這個系統有效的加速了黑盒子優化過程。

參考文獻

[1] SHAN， S， WANG， et al. Turning Black Box Into White Function [J]. ASME Transactions on Journal

of Mechanical Design， 2011.

[2] The Apache Software Foundation. Apache River News[EB/OL].[2013-05-18]. http：//river.apache.org/

[3] Dimensional Control Systems， "DCS，" 2014. [Online]. Available： http：//3dcs.com/.