Реферат: От последовательного моделирования в системе gpss\World к распределённому моделированию в Opengpss

УДК 004.94

Диденко Д.Г. , ассистент кафедры

От последовательного моделирования в системе GPSS\World к распределённому моделированию в OpenGPSS.

В статье рассмотрены различные аспекты проведения экспериментов в дискретно-событийных системах GPSS/PC, GPSS\World и OpenGPSS, сравниваются их качественные и количественные результаты работы. Предложен подход разделения эксперимента на независимые части для параллельного выполнения на узлах кластера с последующей сборкой результатов, который приводит к повышению производительности системы или уменьшению времени моделирования и при этом не влияет на правильность конечных результатов.

^ Didenko Dmitry Georgievitch

From serial simulation in system GPSS\World to distributed simulation in OpenGPSS.

The report deals with questions of computing experiment in distributed discrete-event simulation systems GPSS/PC, GPSS\World and OpenGPSS, their high-quality and quantitative job performances are compared. The problems of experiment distribution by independent part, deployment this part on cluster node, parallel execution and result assembles and here does not influence on the rightness of end-point also were labored in the report.

Введение

Имитационное моделирование – один из важных методов анализа различных сложных систем. Сегодня вместе с ростом производительности и стоимости современных компьютерных систем возникают новые требования к системам имитационного моделирования – увеличение скорости получения результатов моделирования, для чего можно использовать распределённые системы имитационного моделирования, которые рассмотрены в книгах [1, 2]. Существует много реализаций распределённых систем и систем тиражирования экспериментов (например, Triad.Net), но, к сожалению, они не охватывают разработчиков, которые работают с широко распространённым языком имитационного моделирования GPSS [3]. С другой стороны, система GPSS\World [4] использует язык GPSS и имеет большую функциональность, но не может работать в распределённом режиме. Поэтому, исходя из важности повышения скорости моделирования уже построенных GPSS-моделей, была разработана новая распределённая дискретно-событийная онлайн-система моделирования OpenGPSS (http://www.simulation.kiev.ua). В докладе рассмотрены проблемы перенесения и модификации GPSS-программ из системы GPSS\World в систему OpenGPSS для повышения производительности. Рассматриваемые вопросы начали обсуждаться в [5], но там сравнивалась работа только двух систем имитационного моделирования.

^ Последовательное имитационное моделирование

Рассмотрим типовой вычислительный эксперимент на языке GPSS, который моделирует работу одноканальной системы массового обслуживания (СМО) с очередью (табл. 1).

Таблица 1. Текст тестовой GPSS-программы

^ Команды GPSS

GENERATE 10,5

QUEUE QUE1

SEIZE PRIB1

DEPART QUE1

ADVANCE 15,5

RELEASE PRIB1

TERMINATE




GENERATE 5000

TERMINATE 1




START 1

Система OpenGPSS имеет агентную архитектуру [6, 7] и может работать как в простом последовательном режиме (используется только один узел моделирования), так и в распределённом режиме (используется два или больше узла моделирования), который детально формализован в роботе [8] и реализованный в [9, 10]. Проведем компьютерные прогоны тестовой GPSS-программы в трёх системах моделирования: GPSS\PC, GPSS\World и OpenGPSS (табл. 2). Система OpenGPSS в последовательном режиме работает только с одним узлом (табл. 2, 1 узел).

^ Таблица 2. Сравнение результатов моделирования

Показатель

Расшифровка

GPSS\PC

GPSS

World

OpenGPSS

(1 узел)

OpenGPSS

(2 узла)*

OpenGPSS

(3 узла)*

Модельное время

Модельное время

5000

5000

5000

5000

5000

FR$PRIB1

Коэффициент использования устройства

997

999

997

998

998

FC$PRIB1

Число входов в устройство

338

334

331

341

338

FT$PRIB1

Среднее время использования устройства

14

15

15

14

14

Q$QUE1

Длина очереди

168

167

161

162

158

QA$QUE1

Средняя длина очереди

80

81

79

82

77

QM$QUE1

Максимальная длина очереди

169

167

162

162

159

QC$QUE1

Общее число входов в очередь

506

502

492

503

506

QZ$QUE1

Число нулевых входов в очередь

2

1

1

1

1

* - работа системы моделирования в распределённом режиме, показаны среднеарифметические значения для всех узлов.

После сравнения результатов моделирования делаем вывод, что они немного различны, потому что в каждой системе моделирования используются разные датчики псевдослучайных чисел (ДПЧ).

^ Распределённое имитационное моделирование

Система OpenGPSS использует автоматическое распределение GPSS-программ.

Для того, чтобы система OpenGPSS начала почала работать в распределённом режиме тиражирования, изменим тестовую GPSS-программу – добавим команды управления имитационным экспериментом и получим модифицированную GPSS-программу (табл. 3). Полный текст используемых GPSS-программ можно найти в [11].

Таблица 3. Текст модифицированной GPSS-программы для GPSS\World

^ Команды GPSS

GENERATE 10,5

QUEUE QUE1

SEIZE PRIB1

DEPART QUE1

ADVANCE 15,5

RELEASE PRIB1

TERMINATE




GENERATE 5000

OPEN ("RES.TXT"),1,ERROR_BLOCK

WRITE FR$PRIB1,1,Done

WRITE FC$PRIB1,1,Done

WRITE FT$PRIB1,1,Done

WRITE Q$QUE1,1,Done

WRITE QA$QUE1,1,Done

WRITE QM$QUE1,1,Done

WRITE QC$QUE1,1,Done

WRITE QZ$QUE1,1,Done

WRITE QT$QUE1,1,Done

WRITE QX$QUE1,1,Done

CLOSE ,1,ERROR_BlOCK

TERMINATE 1

ERROR_BLOCK TERMINATE 1




CLEAR

RMULT 1,2,8,5,8,2,8

START 1,NP




CLEAR

RMULT 5,1,6,6,7,1,1

START 1,NP




CLEAR

RMULT 2,2,5,2,8,9,3

START 1

То есть вместо того чтобы запускать программу моделирования много раз как раньше, будем выполнять компьютерные прогоны с помощью команд управления START, CLEAR и RMULT. Промежуточные результаты статистики для устройства PRIB1 и очереди QUE1 будем сохранять в файле RES.TXT командой WRITE в GPSS\World (аналог команды RESULT в OpenGPSS и GPSS\PC).

С помощью команды RMULT устанавливаются начальные значения для всех ДПЧ. Команда START запускает вычислительный эксперимент. В GPSS-программе можно несколько раз использовать команду START, для получения промежуточных результатов моделирования. Команда CLEAR очищает всю статистику системы и удаляет все транзакты из модели. После выполнения команды CLEAR вся система, кроме ДПЧ, находится в начальном состоянии. Команда WRITE (RESULT) заносит результаты моделирования во временный буфер результатов, для сохранения значений и последующего анализа.

^ Увеличение скорости моделирования

Рассмотрим, как количество транзактов в модели влияет на скорость моделирования, для чего в нашей последней GPSS-программе в строке вместо блока «GENERATE 5000» будем использовать «GENERATE 100000», «GENERATE 200000»…«GENERATE 1000000». Все эксперименты будем проводить для разного количества узлов кластера. Результаты проведения экспериментов показаны на рис. 4. По оси абсцисс отложены значения модельного времени, а по оси ординат астрономическое время моделирования в секундах.

Системы моделирования GPSS\PC и GPSS\World последовательные и работают только на одном компьютере. Причем кривая для системы GPSS\PC обрывается из-за того, что рассматриваемая модель с большим количеством транзактов не запускается по причине выдачи ошибки о нехватке памяти (это связано с 16-битностью программы).

Скорость работы системы GPSS\World на начальных участках графика при небольшом количестве транзактов примерно одинаковая. Далее при увеличении транзактов, астрономическое время моделирования резко увеличивается.

Рис.4. Сравнение скорости моделирования

На работу системы OpenGPSS при последовательном моделировании (используется только один узел) в начале графика сильно влияет наличие накладных расходов для инициализации (начала работы) системы – разделение частей моделирования на узлы кластера. Астрономическое время моделирования для системы с двумя узлами «приблизительно» такое же как и для одного узла, потому что GPSS-программа содержит три независимых сегмента (три команды управления START), из-за чего один из узлов вынужден ждать другой узел пока тот последовательно моделирует два сегмента. Скорость увеличивается, но совсем не в два раза. Тренд, который отображает время для трёх узлов системы моделирования OpenGPSS на модельном времени 1 млн. ед. опережает систему GPSS\World, потому что все три сегмента вычисляются на отдельных узлах.

4. Заключение

Из доклада делаем вывод, что системы GPSS\PC, GPSS\World и OpenGPSS на одинаковых GPSS-программах выдают «приблизительно» одинаковые результаты в последовательном и распределённом режимах проведения эксперимента. Для того чтобы получить более точные результаты необходимо увеличение числа прогонов модели. Полученные результаты подтверждают возможность прозрачного автоматического разделения эксперимента на независимые части для ускорения процесса моделирования. Скорость моделирования растет с увеличением количества узлов кластера, что стаёт заметным при наличии уже трёх узлов. В случае независимых входных экспериментов система работает в режиме тиражирования: сегменты моделирования автоматически разделяются между вычислительными узлами, проводятся параллельные вычисления, а потом собираются результаты. Далее перспективным могут быть исследования оптимизации работы кластера и построения большого кластера из 16-32 вычислительных узлов.

Список ссылок

1. Замятина Е.Б. Современные теории имитационного моделирования: Специальный курс. – Пермь: ПГУ, 2007. – 119 с.

2. Richard M. Fujimoto. Parallel And Distributed Simulation Systems. Wiley, 2000.

3. Шрайбер Томас Дж. Моделирование с использованием GPSS. – М.: Машиностроение, 1980. – 593 с.

4. Бражник А.Н. Имитационное моделирование: возможности GPSS WORLD. - СПб.: Реноме, 2006. - 439 с.

5. Диденко Д.Г. Сравнение скорости проведения экспериментов в системах имитационного моделирования OpenGPSS и GPSS/PC // XI Мiжнародна науково-технічна конференція "Системний аналіз та iнформацiйнi технології" (САIТ-2009), м. Київ. - 2009. - С.485-486.

6. Томашевский В.Н., Диденко Д.Г. Агентная архитектура распределенной дискретно-событийной системы имитационного моделирования OpenGPSS. Системні дослідження та інформаційні технології. № 4, 2006. – К.: ВПК “Політехніка”, 2006. С.123–133.

7 Диденко Д.Г. Взаимодействие агентов в распределенной дискретно-событийной системе имитационного моделирования OpenGPSS // Третья всероссийская научно-практическая конференция «Имитационное моделирование. Теория и практика» (ИММОД-2007), г. Санкт-Петербург. - 2007. - т.1 - С.272-276.

8. Диденко Д.Г. Тиражирование независимых сегментов вычислительного эксперимента в распределенной дискретно-событийной системе имитационного моделирования OpenGPSS // Друга науково-практична конференція з міжнародною участю "Математичне та імітаційне моделювання систем МОДС'2007", м. Київ. - 2007. - С.157-160.

9. Діденко Д.Г. Реалізація тиражування обчислювального експерименту в розподіленій системі моделювання OpenGPSS. – Наукові вісті – К. 2007. – № 5. С. 49-53.

10. Дiденко Д.Г. Реплiкацiя в розподiленiй дискретно-подiйнiй системі iмiтацiйного моделювання OpenGPSS // X Мiжнародна наукова практична конференція "Iнформацiйнi технології в економiцi, менеджменті i бiзнесi. Проблеми науки, практики i освіти, м. Київ. - 2006. - С.135-139.

11. Дiденко Д.Г. Особливості переходу від послідовного моделювання у системі GPSS\World до розподіленого моделювання у системі OpenGPSS. // IV науково-практична конференція з міжнародною участю "Математичне та iмiтацiйне моделювання систем. МОДС'2009". - Київ. - 2009. - С.197-201.