CN111797497A - 一种用于电磁暂态并行仿真的通讯方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电磁暂态并行仿真的通讯方法及系统，属于电力系统仿真技术领域。本发明方法，包括：针对大规模电磁暂态并行仿真的子网共享L3级缓存，在子网共享L3级缓存中创建无锁结构的共享内存；创建共享内存的读写接口和读取接口；通过读写接口接收待发送的数据，并将待发送的数据进行封装生成报文，并根据报文生成报文头列表；通过读取接口接收待查询的数据及数据缓存地址，对待查询的数据与报头列表进行匹配，将匹配的待发送的数据缓存至缓存地址上。本发明避免了原有通信方法由于操作系统、MPI进程管理引起的资源竞争，大幅提升了通信性能。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统仿真技术领域，并且更具体地，涉及一种用于电磁暂态并行仿真的通讯方法及系统。
背景技术
电磁暂态实时仿真采用子网并行成为当前的主流趋势。子网并行就是把整个需要进行电磁暂态实时仿真的网络分为多个不同的子网，子网与子网间通过输电线路连接。不同的子网将分配到多核计算机的不同的CPU核心上进行仿真计算，从而实现不同子网的并行加速，同时，子网与子网需要在仿真计算过程中通信，即交互子网与子网连接处的输电线路上的电压、电流及其他需要的信息，从而实现全局仿真的迭代前进。
从电磁暂态实时仿真应用看，子网与子网的地位完全对等，执行也是并行运行的。因此，子网与子网之间的通信也有如下特征：从一个子网到另一个子网(点对点)的完全对等和并行。
由于电磁暂态实时仿真应用中的子网并行实现的方式可以分为进程并行和线程并行两种实现方式，(其中PSCAD和RTDS采用了进程并行的实现方式，而HYPERSIM采用了线程并行的实现方式)。子网间的通信方式也有进程间通信和线程间通信两种，但不论那种通信方式，都利用了点对点的跨CPU的直接消息传递机制，例如MPI通信和操作系统的管道、队列或者Socket通信。直接消息传递机制的特点是采用了封装好的通信接口，简单易用，但是需要负担进程管理的计算资源(MPI通信需要MPI管理进程负责消息传递，而管道和队列等需要操作系统负责消息传递)参与完成通信任务。
但是，随着电磁暂态实时仿真的规模越来越大，而单CPU的计算能力有限，子网的数量从原有的几个快速提升到几十个，上百个。子网数量的上升带来了子网间的通信量的快速增加，而密集的点对点的通信，直接导致了原有的直接消息传递机制的拥塞，通信性能大幅下降。经过测试，30个CPU的场景下，每一个子网的相同通信量花费的通信时间是双CPU场景下的4-5倍。
因此，亟需提出一种适用于大规模电磁暂态实时仿真的密集点对点通信方法，代替原有的直接消息传递方法，解决大规模电磁暂态实时仿真的通信瓶颈。
发明内容
针对上述问题本发明提出了一种用于电磁暂态并行仿真的通讯方法，包括：
针对大规模电磁暂态并行仿真的子网共享L3级缓存，在子网共享L3级缓存中创建无锁结构的共享内存；
创建共享内存的读写接口和读取接口；
通过读写接口接收待发送的数据，并将待发送的数据进行封装生成报文，并根据报文生成报文头列表；
通过读取接口接收待查询的数据及数据缓存地址，对待查询的数据与报头列表进行匹配，将匹配的待发送的数据缓存至缓存地址上。
可选的，待查询的数据，包括：消息的源子网、消息的标签和消息的类型。
可选的，待发送的数据，包括：待发送的消息、待发送的消息的目标子网和待发送的消息的长度及标签。
可选的，共享内存扫描报文的报文头，并将报文头信息存储至共享内存，生成报文头列表。
可选的，无锁结构为共享内存具备读写和读取预设结构的权限，所述读写权限通过子网的运程进行维护。
可选的，共享内存中预留根信息区间，所述根信息区间，记录共享内存的存储的消息长度，并对存储的消息进行管理。
可选的，报文，包括：报文头和消息正文，所述报文头内存对齐，且报文头包括：报文帧头、消息的源进程、消息的目标进程、消息的长度、消息类型、消息的标签和消息属于的通信组。
本发明还提出了一种用于电磁暂态并行仿真的通讯系统，包括：
内存创建模块，针对大规模电磁暂态并行仿真的子网共享L3级缓存，在子网共享L3级缓存中创建无锁结构的共享内存；
接口创建模块，创建共享内存的读写接口和读取接口；
第一通讯模块，通过读写接口接收待发送的数据，并将待发送的数据进行封装生成报文，并根据报文生成报文头列表；
第二通讯模块，通过读取接口接收待查询的数据及数据缓存地址，对待查询的数据与报头列表进行匹配，将匹配的待发送的数据缓存至缓存地址上。
可选的，待查询的数据，包括：消息的源子网、消息的标签和消息的类型。
可选的，待发送的数据，包括：待发送的消息、待发送的消息的目标子网和待发送的消息的长度及标签。
可选的，共享内存扫描报文的报文头，并将报文头信息存储至共享内存，生成报文头列表。
可选的，无锁结构为共享内存具备读写和读取预设结构的权限，所述读写权限通过子网的运程进行维护。
可选的，共享内存中预留根信息区间，所述根信息区间，记录共享内存的存储的消息长度，并对存储的消息进行管理。
可选的，报文，包括：报文头和消息正文，所述报文头内存对齐，且报文头包括：报文帧头、消息的源进程、消息的目标进程、消息的长度、消息类型、消息的标签和消息属于的通信组。
本发明避免了原有通信方法由于操作系统、MPI进程管理引起的资源竞争，大幅提升了通信性能。
本发明共享内存的同步机制相互配合，避免了同步信号量和锁的引入，实现了高效的共享内存的无锁读写和同步，大幅提升了大规模电磁暂态实时并行仿真的通信性能。
附图说明
图1为本发明一种用于电磁暂态并行仿真的通讯方法流程图；
图2为本发明一种用于电磁暂态并行仿真的通讯方法实施例报文格式图；
图3为本发明一种用于电磁暂态并行仿真的通讯系统结构图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
本发明提出了一种用于电磁暂态并行仿真的通讯方法，如图1所示，包括：
针对大规模电磁暂态并行仿真的子网共享L3级缓存，在子网共享L3级缓存中创建无锁结构的共享内存；
创建共享内存的读写接口和读取接口；
通过读写接口接收待发送的数据，并将待发送的数据进行封装生成报文，并根据报文生成报文头列表；
通过读取接口接收待查询的数据及数据缓存地址，对待查询的数据与报头列表进行匹配，将匹配的待发送的数据缓存至缓存地址上。
其中，待查询的数据，包括：消息的源子网、消息的标签和消息的类型。
待发送的数据，包括：待发送的消息、待发送的消息的目标子网和待发送的消息的长度及标签。
共享内存扫描报文的报文头，并将报文头信息存储至共享内存，生成报文头列表。
无锁结构为共享内存具备读写和读取预设结构的权限，所述读写权限通过子网的运程进行维护。
共享内存中预留根信息区间，所述根信息区间，记录共享内存的存储的消息长度，并对存储的消息进行管理。
报文，包括：报文头和消息正文，所述报文头内存对齐，且报文头包括：报文帧头、消息的源进程、消息的目标进程、消息的长度、消息类型、消息的标签和消息属于的通信组。
下面结合实施例对本发明进行进一步说明：
以有一个由n个子网且子网号为0到n-1，组成的大规模电磁暂态实时并行仿真案例为例；
建立共享内存：0号子网进程通过共享内存申请函数申请一块共享内存0x00000000-0x003FFFFF，其他子网通过共享内存查询函数，映射到这块共享内存上，获得共享内存访问的起始地址，各个子网根据自己的子网号(i)计算出在这块共享内存上的维护的“本段”内存的偏移地址(i*0x0001FFFF)。
对“本段”的共享内存进行两个队列的划分，队列1为相对地址00000000～0000FFFF的内存区域，而队列2为相对地址00010000～0001FFFF，从而建立写共享内存的地址列表MPISendAddressMem；
内存单个队列内部创建根信息区，通过一个结构体进行映射。根信息区包含了length有效长度、mode内存模式、iNum报文数量、MaxLength“本段”的最大长度、currentaddress数据的结尾地址和startaddress数据的起始地址。
0子网分析其他子网的可访问的内存地址，并建立一个内存地址的访问向量MPIRecvAddressMem。
第一步仿真计算开始；
0子网进程i需要向子网进程j中传递1KB的消息，调用“写”消息接口。
接口内部，对消息进行封装。
跨子网间通信的消息报文帧的格式如图2所示，其中：Header是帧头0xFFFF0000、Source是帧的源进程号、Dest是帧的目标进程号、Length是帧的有效长度、Typ是帧的类型、Tag是帧的标签、Comm是帧的通信子网组和Data是消息内容
接口内部，进行共享内存拷贝操作，指从共享内存的上一帧结尾开始存放本消息，尾部位置标签是currentaddress。存放完成以后刷新共享内存的根信息区。
0子网进程i完成所有需要发送的消息的撰写，并调用原子操作保证共享内存的内存一致性。
0子网进程i进入进程内部的非通信任务计算。
0子网进程i调用进程同步接口，通过原子操作写“同步准备状态标志位”，并查询等待“同步结束标志位”置1，子网进程0号，进入同步模式，累加所有子网的“同步准备状态标志位”，统计个数，如果个数等于总子网个数，就置位“同步结束标志位“并退出同步，如果没有达到则继续等待其他子网置位“同步准备状态标志位”。
0子网进程i从进程同步接口返回，并调用原子操作保证共享内存的内存一致性。
0子网i切换内存读写的所有队列。
0子网i进行“全局”内存的扫描操作，马上扫描所有子网的共享内存可“读”队列中的报文信息，分离报文头，按照不同子网形成列表，存储在多维向量容器中，vector<vector<MPICOMM_PACKAGE>>>MPIMessage_Mem，第一维是子网号，第二维是报文数。
0子网i调用消息读取的接口，进行消息读取，输入需要查询的消息的缓存地址、消息的源子网、消息的标签和消息的类型，接口内部将自动根据输入的信息对目标子网消息报文头列表进行匹配，匹配到就根据报文头的地址信息直接从共享内存中把有效数据转存到接口提供的消息缓存地址上。
0结束所有消息读取。
本发明还提出了一种用于电磁暂态并行仿真的通讯系统200，如图3所示，包括：
内存创建模块201，针对大规模电磁暂态并行仿真的子网共享L3级缓存，在子网共享L3级缓存中创建无锁结构的共享内存；
接口创建模块202，创建共享内存的读写接口和读取接口；
第一通讯模块203，通过读写接口接收待发送的数据，并将待发送的数据进行封装生成报文，并根据报文生成报文头列表；
第二通讯模块204，通过读取接口接收待查询的数据及数据缓存地址，对待查询的数据与报头列表进行匹配，将匹配的待发送的数据缓存至缓存地址上。
其中，待查询的数据，包括：消息的源子网、消息的标签和消息的类型。
待发送的数据，包括：待发送的消息、待发送的消息的目标子网和待发送的消息的长度及标签。
共享内存扫描报文的报文头，并将报文头信息存储至共享内存，生成报文头列表。
无锁结构为共享内存具备读写和读取预设结构的权限，所述读写权限通过子网的运程进行维护。
共享内存中预留根信息区间，所述根信息区间，记录共享内存的存储的消息长度，并对存储的消息进行管理。
报文，包括：报文头和消息正文，所述报文头内存对齐，且报文头包括：报文帧头、消息的源进程、消息的目标进程、消息的长度、消息类型、消息的标签和消息属于的通信组。
本发明避免了原有通信方法由于操作系统、MPI进程管理引起的资源竞争，大幅提升了通信性能。
本发明共享内存的同步机制相互配合，避免了同步信号量和锁的引入，实现了高效的共享内存的无锁读写和同步，大幅提升了大规模电磁暂态实时并行仿真的通信性能。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (14)
1.一种用于电磁暂态并行仿真的通讯方法，所述方法包括：
针对大规模电磁暂态并行仿真的子网共享L3级缓存，在子网共享L3级缓存中创建无锁结构的共享内存；
创建共享内存的读写接口和读取接口；
通过读写接口接收待发送的数据，并将待发送的数据进行封装生成报文，并根据报文生成报文头列表；
通过读取接口接收待查询的数据及数据缓存地址，对待查询的数据与报头列表进行匹配，将匹配的待发送的数据缓存至缓存地址上。
2.根据权利要求1所述的方法，所述待查询的数据，包括：消息的源子网、消息的标签和消息的类型。
3.根据权利要求1所述的方法，所述待发送的数据，包括：待发送的消息、待发送的消息的目标子网和待发送的消息的长度及标签。
4.根据权利要求1所述的方法，所述共享内存扫描报文的报文头，并将报文头信息存储至共享内存，生成报文头列表。
5.根据权利要求1所述的方法，所述无锁结构为共享内存具备读写和读取预设结构的权限，所述读写权限通过子网的运程进行维护。
6.根据权利要求1所述的方法，所述共享内存中预留根信息区间，所述根信息区间，记录共享内存的存储的消息长度，并对存储的消息进行管理。
7.根据权利要求1所述的方法，所述报文，包括：报文头和消息正文，所述报文头内存对齐，且报文头包括：报文帧头、消息的源进程、消息的目标进程、消息的长度、消息类型、消息的标签和消息属于的通信组。
8.一种用于电磁暂态并行仿真的通讯系统，所述系统包括：
内存创建模块，针对大规模电磁暂态并行仿真的子网共享L3级缓存，在子网共享L3级缓存中创建无锁结构的共享内存；
接口创建模块，创建共享内存的读写接口和读取接口；
第一通讯模块，通过读写接口接收待发送的数据，并将待发送的数据进行封装生成报文，并根据报文生成报文头列表；
第二通讯模块，通过读取接口接收待查询的数据及数据缓存地址，对待查询的数据与报头列表进行匹配，将匹配的待发送的数据缓存至缓存地址上。
9.根据权利要求8所述的系统，所述待查询的数据，包括：消息的源子网、消息的标签和消息的类型。
10.根据权利要求8所述的系统，所述待发送的数据，包括：待发送的消息、待发送的消息的目标子网和待发送的消息的长度及标签。
11.根据权利要求8所述的系统，所述共享内存扫描报文的报文头，并将报文头信息存储至共享内存，生成报文头列表。
12.根据权利要求8所述的系统，所述无锁结构为共享内存具备读写和读取预设结构的权限，所述读写权限通过子网的运程进行维护。
13.根据权利要求8所述的系统，所述共享内存中预留根信息区间，所述根信息区间，记录共享内存的存储的消息长度，并对存储的消息进行管理。
14.根据权利要求8所述的系统，所述报文，包括：报文头和消息正文，所述报文头内存对齐，且报文头包括：报文帧头、消息的源进程、消息的目标进程、消息的长度、消息类型、消息的标签和消息属于的通信组。
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