基于云平臺(tái)的仿真軟件設(shè)計(jì)*

曾佑偉， 曹鳳才， 余紅英， 郭志強(qiáng)

(中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院， 山西 太原 030051)

0 引 言

SiROS仿真軟件只支持C/S架構(gòu)， 相較B/S架構(gòu)， C/S架構(gòu)安全性更高， 且部分特殊功能只能在C/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)， 但在不同操作系統(tǒng)中SiROS軟件版本不一樣， 開(kāi)發(fā)維護(hù)成本較高， 需在客戶(hù)端安裝配置SiROS仿真軟件運(yùn)行環(huán)境， 分布性較差. 仿真時(shí)會(huì)一次性加載所有內(nèi)置功能包， 存在資源耗費(fèi)較高、 仿真效率較低等缺點(diǎn). 基于云平臺(tái)的SiROS仿真軟件可支持多用戶(hù)并行仿真[1]， 分布性、 共享性強(qiáng)， 與操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)， 可實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)運(yùn)行， 維護(hù)簡(jiǎn)單方便. SiROS仿真軟件利用Docker虛擬化、 容器化[2]技術(shù)， 可以根據(jù)用戶(hù)數(shù)量虛擬多個(gè)Docker容器， 按需給Docker容器分配云端資源， 用戶(hù)通過(guò)B/S架構(gòu)連接Docker容器完成仿真任務(wù)[3]， 仿真時(shí)根據(jù)仿真需求分級(jí)啟動(dòng)相應(yīng)功能包， 實(shí)現(xiàn)按需分配功能， 解決資源耗費(fèi)高、 仿真效率低等問(wèn)題. 仿真軟件SiROS是對(duì)Scilab進(jìn)行的二次開(kāi)發(fā)， 主要進(jìn)行了界面優(yōu)化、 增加了圖像處理模塊、 擴(kuò)充了航天系統(tǒng)仿真模塊， SiROS仿真軟件是模塊化架構(gòu)， 每一類(lèi)功能封裝成獨(dú)立的功能包， 功能包間內(nèi)聚性高， 耦合度低， 可以實(shí)現(xiàn)面向服務(wù)、 面向?qū)ο骩4]的仿真功能.

為支持用戶(hù)采用B/S架構(gòu)進(jìn)行SiROS仿真， 本文設(shè)計(jì)三類(lèi)應(yīng)用服務(wù)鏡像將SiROS軟件部署在云平臺(tái)上， 在云平臺(tái)硬件架構(gòu)與軟件架構(gòu)基礎(chǔ)上， 利用Docker虛擬化、 容器化技術(shù)將仿真資源封裝到容器中， 實(shí)現(xiàn)基于Docker的B/S架構(gòu)仿真功能. 為解決C/S架構(gòu)下資源耗費(fèi)高、 仿真效率低等問(wèn)題， 提出分級(jí)啟動(dòng)功能包控制系統(tǒng)方案， 以最少資源實(shí)現(xiàn)仿真需求. 最后， 基于SiROS仿真編譯與運(yùn)行功能實(shí)現(xiàn)， 對(duì)Secular_J2軌道外推仿真展開(kāi)研究， 通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)， 計(jì)算相對(duì)誤差， 以驗(yàn)證B/S架構(gòu)下SiROS仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性.

1 云平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 硬件架構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

云提供端包括數(shù)據(jù)集群和計(jì)算集群， 用戶(hù)通過(guò)B/S架構(gòu)與云平臺(tái)交互， 無(wú)需下載SiROS軟件， 應(yīng)用本地瀏覽器連接Docker容器就可訪(fǎng)問(wèn)云平臺(tái)資源， 進(jìn)而完成建模仿真任務(wù)[5]， 將仿真結(jié)果圖形化后輸出到瀏覽器， 在此過(guò)程中， 數(shù)據(jù)集群負(fù)責(zé)存儲(chǔ)計(jì)算結(jié)果與資源調(diào)用、 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能， 而計(jì)算集群負(fù)責(zé)解析模型、 編譯源碼、 執(zhí)行指令、 完成科學(xué)計(jì)算.

計(jì)算集群以平臺(tái)即服務(wù)(Platform as a service, PaaS)模式為用戶(hù)建模、 編譯、 執(zhí)行、 計(jì)算提供服務(wù)[6]. 數(shù)據(jù)集群利用分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)Hadoop來(lái)配置在云平臺(tái)上， 為用戶(hù)仿真提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理服務(wù)， 事務(wù)類(lèi)數(shù)據(jù)由關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL來(lái)管理， 仿真時(shí)程序及模型解析結(jié)果由HDFS來(lái)存儲(chǔ)和管理， 計(jì)算結(jié)果和中間數(shù)據(jù)由分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)HBase來(lái)管理. 云平臺(tái)的硬件架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)計(jì)如圖1 所示.

圖1 云平臺(tái)硬件架構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境示意圖

1.2 軟件架構(gòu)及環(huán)境配置

云平臺(tái)軟件基礎(chǔ)是“Xenserver+Docker+Hadoop”等各種開(kāi)源軟件的高效組合， 該架構(gòu)有高內(nèi)聚、 低耦合特點(diǎn)， 可按需擴(kuò)展和更新硬件資源. 為合理分配軟硬件資源， 提高仿真速度， 可根據(jù)不同仿真環(huán)節(jié)進(jìn)行不同程度的資源池化與虛擬化， 軟件體系更根據(jù)自身特點(diǎn)綜合IaaS[7](Infrastructure as a Service， 基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù))、 PaaS[8]、 SaaS[9](Software as a Service， 軟件即服務(wù))架構(gòu)， 并創(chuàng)新性地將DSaaS(Date Store as a Service， 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)即服務(wù))框架嵌入軟件架構(gòu)中. 云平臺(tái)軟件架構(gòu)圖如圖2 所示.

圖2 云平臺(tái)軟件架構(gòu)圖

云平臺(tái)中資源池是使用XenServer虛擬化、 Docker容器化技術(shù)管理的. XenServer負(fù)責(zé)將計(jì)算資源、 儲(chǔ)存資源、 網(wǎng)絡(luò)資源提取整合成資源池， IaaS框架把云平臺(tái)的硬件基礎(chǔ)設(shè)施通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接至各類(lèi)虛擬容器或集群中， 根據(jù)容器或集群中仿真任務(wù)所需的硬件資源動(dòng)態(tài)調(diào)整和管理硬件基礎(chǔ)設(shè)施. PaaS框架給用戶(hù)提供完整或部分軟件服務(wù)， 生成調(diào)度器和計(jì)算集群調(diào)度管理器[10]， 進(jìn)行仿真功能調(diào)度和計(jì)算. SaaS框架給用戶(hù)提供可直接使用的應(yīng)用軟件， SiROS就是由SaaS搭建的可視化軟件， SaaS框架可以生成可視化演示調(diào)度器、 仿真推演調(diào)度器和仿真推演集群調(diào)度管理器等. DSaaS架構(gòu)從多維度保障云安全管理， 消除數(shù)據(jù)泄漏、 濫用、 冗余等問(wèn)題， 是云平臺(tái)仿真軟件核心框架. 這些框架的功能是基于Docker技術(shù)實(shí)現(xiàn)的， Docker容器化技術(shù)將硬件設(shè)施進(jìn)行整合， 基于云平臺(tái)搭建的仿真實(shí)例可并行使用硬件資源， 按照當(dāng)前服務(wù)器狀態(tài)和平臺(tái)承載能力， 動(dòng)態(tài)調(diào)整Docker虛擬終端數(shù)量、 計(jì)算和數(shù)據(jù)資源， 根據(jù)多用戶(hù)多任務(wù)的優(yōu)先級(jí)， 合理分配各類(lèi)資源， 達(dá)到整體的最優(yōu)解[11]. 實(shí)時(shí)性、 交互性、 并行性和可視化是云平臺(tái)仿真軟件的外部特性， SaaS利用Docker容器來(lái)管理多用戶(hù)并行使用仿真軟件SiROS來(lái)進(jìn)行交互性可視化仿真[12]. 為保證仿真軟件向上或向下的兼容性， 數(shù)據(jù)管理集群設(shè)計(jì)了大量標(biāo)準(zhǔn)化接口， 降低模塊間耦合度， 提高軟件可移植性， 實(shí)現(xiàn)即插即用效果， 方便軟件更新和擴(kuò)展.

2 SiROS仿真軟件研究

2.1 SiROS仿真軟件的總架構(gòu)

SiROS仿真軟件總架構(gòu)如圖3 所示. SiROS仿真軟件將仿真模塊以功能包形式封裝到XCOS組件盤(pán)中， 這些功能包耦合度低； 根據(jù)功能包在仿真不同階段所起作用和底層核心算法調(diào)度深度， 功能包可分為基礎(chǔ)計(jì)算功能包、 核心功能包和可選功能包. 這些功能包具有分級(jí)啟動(dòng)控制系統(tǒng)方案， 當(dāng)新仿真需求提交到云平臺(tái)上時(shí)， SiROS根據(jù)服務(wù)器反饋信息， 實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件資源調(diào)度的情況， 為新任務(wù)加載新功能包， 用最小資源滿(mǎn)足仿真需求， 不會(huì)因啟用過(guò)多功能包而影響仿真速度.

圖3 SiROS仿真軟件總架構(gòu)圖

SiROS核心功能包是各類(lèi)仿真功能的基礎(chǔ)， 它在SiROS仿真時(shí)相當(dāng)于操作系統(tǒng)， 在IO調(diào)度和協(xié)調(diào)硬件資源、 處理中斷事件、 進(jìn)程管理、 存儲(chǔ)器管理、 文件管理中起到重要作用. 基礎(chǔ)計(jì)算功能包主要實(shí)現(xiàn)仿真任務(wù)計(jì)算功能， 所有計(jì)算集群都為高效計(jì)算服務(wù)， SiROS最主要的計(jì)算能力是矩陣運(yùn)算和數(shù)據(jù)兼容運(yùn)算. 可選功能包是用戶(hù)自主開(kāi)發(fā)的功能包， 它在前兩種功能包的支持下， 按需擴(kuò)展， 合理應(yīng)用， 完成復(fù)雜任務(wù)仿真功能.

2.2 SiROS仿真編譯和運(yùn)行功能的實(shí)現(xiàn)

編譯功能實(shí)現(xiàn)： SiROS編譯是整合仿真模型、 檢查編譯和運(yùn)行環(huán)境、 初始化編譯器的過(guò)程. SiROS軟件編譯時(shí)整合的仿真模型所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包括模塊輸入輸出個(gè)數(shù)、 模塊大小和外觀、 模塊屬性數(shù)據(jù)、 接口數(shù)據(jù)、 端口位置數(shù)據(jù)、 塊位置數(shù)據(jù)等. 模型編譯功能是用SiROS語(yǔ)言編寫(xiě)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的. 編譯函數(shù)工作流程是先將編譯器、 編譯信息、 編譯所需數(shù)據(jù)初始化， 然后獲取仿真框架中的全局仿真設(shè)置數(shù)據(jù)， 最后生成仿真調(diào)度表與狀態(tài)表. SiROS軟件編譯過(guò)程流程如圖4 所示.

圖4 SiROS軟件編譯過(guò)程流程圖

運(yùn)行功能實(shí)現(xiàn)： SiROS運(yùn)行階段是根據(jù)編譯結(jié)果進(jìn)行仿真計(jì)算， 并將計(jì)算結(jié)果以可視化效果呈現(xiàn)給用戶(hù). SiROS仿真運(yùn)行階段完成仿真初始化、 仿真數(shù)值積分、 仿真狀態(tài)更新、 仿真數(shù)值輸出計(jì)算、 仿真時(shí)間輸出計(jì)算等工作. 運(yùn)行流程是先接收SiROS宏腳本傳輸?shù)姆抡婢幾g數(shù)據(jù)， 然后調(diào)用仿真運(yùn)行函數(shù)執(zhí)行計(jì)算功能， 選定仿真求解器、 設(shè)定仿真器各項(xiàng)參數(shù)， 將仿真器初始化， 并根據(jù)當(dāng)前仿真時(shí)間、 仿真狀態(tài)表信息設(shè)定調(diào)用模塊與計(jì)算函數(shù)階段狀態(tài)， 最后根據(jù)仿真階段執(zhí)行模塊對(duì)應(yīng)計(jì)算函數(shù). SiROS軟件運(yùn)行過(guò)程流程如圖5 所示.

圖5 SiROS軟件運(yùn)行過(guò)程流程圖

3 基于云平臺(tái)仿真軟件底層實(shí)現(xiàn)

3.1 云平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

云仿真平臺(tái)由Xenserver， Docker， Hadoop等構(gòu)成. 仿真過(guò)程中， 云平臺(tái)為每個(gè)用戶(hù)虛擬一個(gè)Docker容器， 每個(gè)容器相當(dāng)于一臺(tái)虛擬計(jì)算機(jī)， 容器包含建模仿真需要用到的所有資源， 數(shù)據(jù)集群和計(jì)算集群會(huì)實(shí)時(shí)調(diào)整、 管理各項(xiàng)資源， 用戶(hù)無(wú)需下載SiROS， 直接通過(guò)本地瀏覽器連接Docker容器就可完成仿真任務(wù)， 實(shí)現(xiàn)基于Docker的B/S架構(gòu). Docker為仿真軟件功能和資源服務(wù)進(jìn)行部署， 將所需要用到的資源和應(yīng)用封裝到Docker容器中， 然后將容器移植到支持Docker的計(jì)算機(jī)中， 實(shí)現(xiàn)“一次封裝， 到處運(yùn)行”的功能.

容器中資源調(diào)度和管理是Docker操縱云平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)的. Docker鏡像為Docker容器提供底層資源、 庫(kù)等靜態(tài)參數(shù)， 鏡像之間可以有繼承關(guān)系， 基類(lèi)鏡像根據(jù)需求向下派生出子鏡像. 生成Docker容器是將Docker鏡像進(jìn)行復(fù)制并添加一個(gè)可寫(xiě)層的過(guò)程， 以后各項(xiàng)操作就在容器中進(jìn)行， 產(chǎn)生的運(yùn)行結(jié)果及狀態(tài)通過(guò)可寫(xiě)層記錄到容器中.

云平臺(tái)提供三類(lèi)鏡像來(lái)支持SiROS仿真正常運(yùn)行， 支持視頻流的Web應(yīng)用服務(wù)鏡像方便用戶(hù)與仿真軟件的交互， 以可視化效果展現(xiàn)給用戶(hù)； SiROS基礎(chǔ)計(jì)算應(yīng)用服務(wù)鏡像支持仿真計(jì)算和推演， 仿真模型搭建成功以后， 提交仿真命令就可使該類(lèi)鏡像生成的Docker容器工作； SiROS數(shù)據(jù)支持應(yīng)用服務(wù)鏡像綜合管理云平臺(tái)， 計(jì)算集群和數(shù)據(jù)集群中的資源和數(shù)據(jù)都由該類(lèi)鏡像分配管理， 相當(dāng)于云平臺(tái)的操作系統(tǒng).

3.2 SiROS仿真軟件底層功能的實(shí)現(xiàn)

SiROS底層采用解釋型語(yǔ)言， 依賴(lài)解釋器， 效率較低， 但跨平臺(tái)性好. SiROS解釋型語(yǔ)言的語(yǔ)法分析器由Bison開(kāi)源工具構(gòu)建， 詞法分析器由Flex開(kāi)源工具構(gòu)建. 語(yǔ)法分析器采用Bison的LALR(1)語(yǔ)法分析方法， 它比GLR分析方法更容易使用、 速度更快. LALR(1)分析方法按特定語(yǔ)法規(guī)則解析成C程序. 在詞法構(gòu)建中， Flex采用正則表達(dá)式生成匹配對(duì)應(yīng)字符串的C代碼. Bison和Flex共同構(gòu)建SiROS解釋器.

在功能包開(kāi)發(fā)時(shí)， SiROS制定了完整的功能包接口規(guī)范. 在加載并運(yùn)行功能包時(shí)， SiROS設(shè)計(jì)了兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)： 一是暴露C/C++接口擴(kuò)充新功能包， 二是采用SiROS代碼擴(kuò)充新功能包. 在進(jìn)行矩陣計(jì)算等數(shù)值運(yùn)算時(shí)， 使用SiROS代碼實(shí)現(xiàn). 在要求執(zhí)行速度快， 或有大量循環(huán)體和指針操作時(shí)， 使用C/C++編寫(xiě)的接口來(lái)完成.

仿真軟件內(nèi)部設(shè)有SiROS函數(shù)池， 第一次運(yùn)行SiROS函數(shù)后， 會(huì)將函數(shù)名、 函數(shù)形參、 返回值等信息保存到SiROS函數(shù)池中， 使下一次調(diào)用該函數(shù)速度加快， 提高仿真速度. 運(yùn)行C/C++函數(shù)時(shí)要先將它們編譯成對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)， 然后調(diào)用Clink加載動(dòng)態(tài)庫(kù)文件至SiROS進(jìn)程中， SiROS函數(shù)池也會(huì)保存C/C++函數(shù)和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件相關(guān)信息.

4 云平臺(tái)仿真功能測(cè)試

4.1 仿真模型的搭建

用戶(hù)通過(guò)B/S架構(gòu)連接云提供端中SiROS基礎(chǔ)計(jì)算應(yīng)用服務(wù)鏡像所生成的Docker容器， 利用容器資源在本地瀏覽器中搭建Secular_J2軌道外推模型， 該模型的功能是對(duì)在軌服務(wù)對(duì)象遠(yuǎn)期軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行推演計(jì)算. Secular_J2軌道外推仿真模型如圖6 所示.

圖6 Secular_J2軌道外推仿真模型

在Secular_J2軌道外推仿真模型中， Orbital number Input模塊定義軌道平近點(diǎn)角、 近地點(diǎn)幅角、 偏心率、 升交點(diǎn)赤經(jīng)、 軌道傾角及軌道半長(zhǎng)軸六要素， 六要素中長(zhǎng)度單位是米(m)， 角度單位是弧度(rad). CJD_set模塊設(shè)置軌道衛(wèi)星外推開(kāi)始時(shí)間， J2 extrap模塊設(shè)置仿真步長(zhǎng)， 步長(zhǎng)設(shè)置為1 min， 3D track plot模塊用于輸出軌道外推仿真輸出結(jié)果， 3D track plot模塊第一個(gè)輸入用于設(shè)置軌道外推天數(shù)， 天數(shù)設(shè)置為7.

4.2 仿真輸出與結(jié)果分析

建立Secular_J2軌道外推仿真模型后， 點(diǎn)擊仿真推演系統(tǒng)界面的啟動(dòng)按鈕， 仿真模型會(huì)進(jìn)行參數(shù)檢查、 模型數(shù)據(jù)編譯、 運(yùn)行等操作， Secular_J2軌道外推模型仿真各階段時(shí)間輸出如圖7 所示.

圖7 Secular_J2軌道外推模型仿真各階段時(shí)間輸出

軌道外推仿真模型推演結(jié)果由3D track plot模塊輸出， Secular_J2軌道外推仿真模型輸出結(jié)果如圖8 所示.

圖8 Secular_J2軌道外推仿真模型輸出結(jié)果

在Secular_J2軌道外推仿真模型中， 軌道外推天數(shù)設(shè)置為7， 仿真步長(zhǎng)設(shè)置為1 min， 所以一共有10081(7*24*60+1)條記錄.

為驗(yàn)證SiROS軟件仿真結(jié)果準(zhǔn)確性， 可利用衛(wèi)星工具包(Satellite Tool Kit， STK)分析軟件對(duì)Secular_J2軌道外推仿真模型進(jìn)行推演計(jì)算， 取SiROS軟件輸出結(jié)果最后一條記錄與STK分析軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較， 并計(jì)算相對(duì)誤差， 計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表1 所示.

表1 Secular_J2軌道外推仿真模型在SiROS與STK軟件中的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由表1 可知， SiROS仿真軟件計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確， 從位置與速度兩方面進(jìn)行比較， 相對(duì)誤差較小， SiROS與STK軟件對(duì)位置與速度的平均相對(duì)誤差在0.0005925%左右.

5 結(jié) 論

1) 基于云平臺(tái)的仿真軟件設(shè)計(jì)中， 提供三類(lèi)應(yīng)用服務(wù)鏡像將SiROS仿真軟件部署在云平臺(tái)上， 利用Docker虛擬化、 容器化技術(shù)將仿真所需資源封裝在容器中， 立足于計(jì)算集群與數(shù)據(jù)集群， 通過(guò)B/S架構(gòu)對(duì)仿真任務(wù)進(jìn)行仿真計(jì)算與數(shù)據(jù)管理.

2) SiROS仿真軟件是模塊化核心架構(gòu)， 不同功能包在底層負(fù)責(zé)的功能不同， 相互調(diào)用與通信共同完成仿真任務(wù)， 仿真時(shí)采用分級(jí)啟動(dòng)方案加載對(duì)應(yīng)功能包， 用最少資源滿(mǎn)足仿真需求， 達(dá)到節(jié)約資源與提高仿真效率的目的.

3) 云平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)基于“Xenserver+Docker+Hadoop”實(shí)現(xiàn)， 三類(lèi)應(yīng)用服務(wù)鏡像支撐云平臺(tái)正常運(yùn)行與服務(wù)， 基于云平臺(tái)的SiROS仿真是在三類(lèi)應(yīng)用服務(wù)鏡像和Docker實(shí)現(xiàn)的B/S架構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行的， 通過(guò)Secular_J2軌道外推仿真模型驗(yàn)證了B/S架構(gòu)下SiROS軟件仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性.