基于容器技術的水文水動力模型軟硬件適配方法

張海嘉 劉家宏 梅超 王佳 高希超

摘 要：隨著國產化軟硬件系統的發展和普及，將現行的計算程序適配到國產硬件和操作系統上是科學研究和業務化應用的關鍵，亟待探索提出專業計算模型的軟硬件適配方法。現有關于專業計算模型的軟硬件適配方法存在缺乏通用性、硬件依賴性強等問題。鑒于此，系統解析了國產化適配需要解決的關鍵問題，并對比了現行的軟件適配技術，篩選出容器技術作為水文水動力模型的國產適配技術。容器技術可將應用程序打包成獨立的運行環境，擺脫對底層架構和操作系統的依賴。以水文水動力模型TELEMAC為例，詳細說明了Docker鏡像構成原理，并通過Dockerfile文件構建了TELEMAC鏡像環境，開展了計算案例的驗證。結果表明TELEMAC鏡像能夠安全運行在以鯤鵬920處理器為核心的openEuler和麒麟V10等國產軟硬件平臺上，且案例計算結果與標準結果相一致，模型計算效率高，實現了專業科學計算模型的國產化軟硬件適配，該研究可為其他軟件國產化適配提供參考借鑒。

關鍵詞：水文水動力模型；國產化適配；TELEMAC軟件；鏡像環境；Docker技術

中圖分類號：TV122?? 文獻標志碼：A?? 文章編號：1001-3695（2024）01-028-0188-05

doi：10.19734/j.issn.1001-3695.2023.05.0200

Software and hardware adaptation method of hydrodynamic model based on container technologies

Abstract：With the development and popularity of advanced RISC machines（ARM），adapting the X86-based scientific computing software to ARM-based computing platforms is one of the key issues for scientific research and operational applications.It is urgent to explore the software-hardware-adaptation methods of advanced RISC machines for professional computational models.This paper systematically analysed the key points for software hardware adaptation of ARM.By comparing the existing software adaptation technologies，it selected container technology to enable the hydrodynamic model to run on ARM-based computing platforms.Container technology could package the application software and its dependencies into a portable container，which made the suggested software run freely without any dependency on the underlying architecture and operating system.Taking the hydrological hydrodynamic model，TELEMAC，as an example，it explained the principle of Docker image composition in detail，and built the TELEMAC image environment through Dockerfile.The method was verified by carrying out the computational cases.The results show that the TELEMAC image can run safely on the Kunpeng 920 processor-based openEuler and Kirin V10.The case calculation results are consistent with the standard results，and the model calculation efficiency is high.The proposed method realizes the adaptation from an X86-based platform to ARM-based computing platforms for professional scientific computing models.This study can also provide a reference for the localization adaptation of other software.

Key words：hydrodynamic model；local adaptation；TELEMAC software；mirror environment；Docker technology

隨著國家的大力支持，國產操作系統的研發取得了巨大的進步。國產操作系統是基于安全穩定且源碼公開的Linux內核上進行研發的，增強了自主可控性，是我國的信息安全的重要保障。然而，國產操作系統的軟件生態是當前重點關注的問題，盡管常用的生活與辦公軟件已能夠在國產硬件和操作系統上適配，但用戶群體存在局限性。幾乎所有的專業性科學計算軟件均無法完全適配，繼續擴大軟件生態圈是加快國產操作系統推廣、擴展用戶群體的重要途徑［1］。舍棄原有的軟件成果，在新環境下重新開發新產品，將極大增加人力、時間和資金的投入。因此，擴展國產操作系統的軟件資源庫，完善其軟件生態，行之有效的途徑之一就是將現有的開源計算軟件進行國產化適配，使其能夠運行在國產操作系統上。

1 國產化適配

1.1 軟硬件適配

1.1.1 ARM架構處理器

幾十年來，Intel和AMD支持的X86架構處理器市場占有率高達90%，導致現行的專業計算軟件均是基于X86架構進行開發的。X86指令集采用的是復雜指令集計算機（CISC）體系結構，這使得X86處理器設計和制造成本較高，而且容易出現設計缺陷和漏洞。指令集復雜也導致執行指令的效率較低、功耗較高、不夠靈活，在嵌入式系統、移動設備、物聯網設備等應用場景中會受到一定的限制［2］。與之相比，ARM架構處理器采用精簡指令集計算機（RISC）處理器，指令數量相對較少，但可以通過組合實現復雜的計算和操作。這一做法不僅提高了指令運行速度，也最大限度地減少了功耗。ARM架構展示的高性能、低功耗的優勢，使其正在迅速成為與X86競爭的強勁對手［3，4］。高效高性能的RISC是“將來時”，過于復雜的CISC即將成為是“過去時”，過去幾十年時間內，蘋果公司曾在CISC和RISC之間反復輾轉，最終在2020年放棄了X86架構而改用基于ARM架構的芯片就是一個強有力的證明。高通也與惠普、聯想和華碩等電腦廠商合作推出了基于ARM架構的電腦。國內飛騰、鯤鵬等廠商也已經能夠實現ARM架構處理器的自主生產，并適配國產操作系統，在可預見的未來，將大量的軟件遷移到ARM架構上是軟硬件國產化的主要途徑。當前常用的國產化適配方法包括代碼重構、中間層代碼移植和容器技術等，國產化軟硬件包括自主研發的芯片和操作系統，因此在與現有開源計算軟件進行適配時，解決的主要問題是軟硬件兼容性問題。這既要保證國產化硬件能夠正確地識別和運行開源計算軟件，又要使國產化操作系統能夠正確地支持開源計算軟件的功能。

1.1.2 硬件適配

專業計算軟件國產化適配主要解決的就是硬件（底層架構）和操作系統不適配的問題，硬件適配是實現國產化適配的第一步，也是實現高性能計算的有效途徑，但ARM架構處理器精簡指令集與X86復雜指令集并不兼容，眾多專業性科學計算軟件如何向ARM架構平臺遷移成為當前研究者們面臨的關鍵難題［5］。主要困難包括：a）不同底層架構的處理器采用不同的指令集，在應用程序跨架構適配時，需要將應用程序中使用的指令集進行相應的轉換，確保應用程序能夠在新的底層架構上正常運行；b）不同底層架構的處理器采用不同的數據類型，例如，X86底層架構的處理器使用的是little-endian字節序，而ARM底層架構的處理器使用的是big-endian字節序，在應用程序跨架構適配時，需要對數據類型進行轉換，確保應用程序能夠正確地讀取和處理數據；c）不同底層架構的處理器使用不同的庫文件，例如，X86架構的處理器使用的是Windows DLL文件，而ARM底層架構的處理器使用的是Linux SO文件，在應用程序跨架構適配時，需將應用程序中使用的庫文件進行轉換，確保應用程序能夠在新的底層架構上正常運行。

1.1.3 操作系統適配

國產硬件是支持國產操作系統運行的基礎，如openEuler、銀河麒麟和中標麒麟等都基于國產ARM架構處理器。國產化適配不僅限于硬件適配，操作系統適配才是國產化最終目的，也是保障國家信息安全和實現關鍵軟件自主可控的重要前提。

操作系統國產化適配過程亦存在許多問題，例如，不同操作系統使用的應用程序格式不同，Windows使用的是.exe格式，而國產操作系統是基于Linux內核進行研發的，使用的是rpm格式。因此，需要將應用程序從一種格式轉換為另一種格式，才能在另一種操作系統上運行。其他不兼容問題還包括：a）不同操作系統的內核使用不同的系統調用，Windows操作系統的內核使用的是WinAPI，而Linux操作系統的內核使用的是POSIX API，在應用程序跨系統適配時，需要將應用程序中使用的系統調用進行轉換，才能保證應用程序能夠在國產操作系統上正常運行；b）不同操作系統的文件系統具有不同的特性，例如，Windows操作系統的文件系統使用的是NTFS或FAT32，而Linux操作系統的文件系統使用的是ext4或XFS，在應用程序跨系統適配時，需要對文件系統進行轉換，確保應用程序能夠正確地讀取和處理文件；c）不同操作系統的設備驅動程序不同，例如，Windows操作系統的設備驅動程序使用的是WDM，而Linux操作系統的設備驅動程序使用的是內核模塊，在應用程序跨系統適配時，需要對設備驅動程序進行轉換，確保應用程序能夠正確地訪問硬件設備。

1.2 軟件適配方法

實現應用程序的國產化軟硬件適配是一個復雜的過程，采用的關鍵技術主要是硬件兼容適配技術和軟件功能適配技術等手段，確保應用程序能夠適配國產化軟硬件和操作系統，同時保證計算模型功能能夠滿足專業計算需求。主要的技術方法包括代碼重構、中間層代碼移植和容器技術等。

1.2.1 代碼重構

代碼重構技術需要對應用程序源碼進行深入剖析，識別出需要進行重構的部分，然后對其進行修改和擴展，使其適配于新的底層架構和操作系統。常用方法包括：a）基于源碼修改是將待適配應用程序的源代碼進行重構，使之適應新的平臺。例如，以C、C++、Go等編譯型語言開發的應用程序，從X86架構處理器遷移到ARM架構處理器時無法直接適配，則需要進行重新編譯；b）基于語言轉換是將一種語言的源碼轉換成另一種與平臺無關的語言（如Java、C#語言等），使軟件具有可適配性；c）逆向重構是針對無法獲取源代碼的應用程序，通過逆向分析工具，對應用程序進行分析、提取相應的編譯文件，然后在目標平臺上采用特定編譯技術對應用程序進行重構。

1.2.2 中間層代碼移植

中間層是指應用程序與操作系統之間的接口層，其作用是將應用程序的請求轉換成操作系統可以理解的指令。中間層代碼移植技術是將現有的應用程序中的某些功能代碼獨立出來，形成一個中間層，實現方法包括虛擬機技術、API模擬技術和模塊技術等。a）虛擬機技術是在國產操作系統上搭建一個虛擬機來運行不同操作系統的應用程序（如Windows），但是這一技術從本質上來講，就是在虛擬機上運行另一種操作系統，不能使應用程序擺脫對操作系統的依賴，本質上不屬于國產化適配。b）API模擬技術是在國產操作系統上構建一層類似Windows程序運行所需要的應用程序接口（API），模擬應用程序源代碼調用Windows API 的方式，使得國產系統獲得Windows API相同或相似的功能。c）模塊重構的是將應用程序與運行環境相關的部分從軟件中分離出來，將軟件分為兩部分：一是與目標環境無關的實現自身功能的部分，二是目標環境和軟件主體接口的適配層。

1.2.3 容器技術

容器技術又稱為容器虛擬化，利用容器技術把第三方GUI應用程序及其運行環境打包成獨立的容器鏡像，使其能夠在不同的硬件平臺和操作系統上運行?？梢院唵蔚貙⑵淅斫鉃橐粋€沙盒，它不依賴于任何語言、框架、系統，每個容器是獨立的［6］。相較于其他主流虛擬化技術，如KVM和WMware，容器內的應用程序直接運行在宿主機的內核上，容器內沒有自己的內核，也沒有對硬件進行虛擬化，因此容器比起虛擬機啟動速度更快、占用體積更?。?］。其中，Docker是最受關注容器技術，通過Docker技術可以將應用程序的代碼、依賴庫、環境變量和配置文件等打包成鏡像組件。圖1是Docker容器的運行原理，Docker引擎可以運行多個容器，每個容器都是一個獨立的、隔離的應用環境。每個容器都運行著自己的應用程序，并且可以訪問自己的文件系統、系統庫等［8］，從而擺脫對底層架構和操作系統的依賴，實現應用程序的適配。

1.2.4 適配方法對比

對比上述應用程序適配技術，代碼重構方法具有較高的難度，不同應用程序的源代碼使用的編程語言各不相同，代碼重構技術不僅需要熟悉各種編程語言，還要充分了解應用程序的功能，才能對應用程序源代碼進行拆分和重構，在實現國產化適配的同時獲得滿足功能要求的應用程序。對于中間層代碼移植方法，由于Windows是非開源的，應用程序調用無法完全實現和Windows一樣的功能，另外Windows中存在一些未被文檔化的函數，這些函數目前也沒有實現的方法。

容器技術是一種方法，對編程開發能力要求較低，但是容器技術可以將應用程序所需要的運行環境進行打包，實現應用程序的跨平臺遷移。容器技術還具有以下優點：基礎設施可以是個人電腦或遠程服務器；開發平臺容易搭建，操作系統可以是適配Docker引擎的Windows或Linux，方便開發人員上手操作；容器之間可以共享主機的資源，如CPU、內存、網絡等，也可以通過卷（volume）來共享數據，占用宿主機資源少。

2 軟件適配技術方案

實現軟件適配需要解決的主要問題包括操作系統、硬件設備等方面的兼容性問題，使計算軟件能夠滿足專業計算的功能需求；還需要考慮國產化硬件的性能特點和優勢，充分利用硬件的性能問題；最后，保證適配后的應用軟件不能影響宿主機和其他應用。針對上述問題，Docker 利用操作系統級別的虛擬化技術，將應用程序和其依賴項包裝在一個容器中，可以在不同的環境中運行，保證計算模型功能在國產化適配后不發生改變。還可以共享宿主機內核的資源，發揮國產硬件高性能的優勢。Docker 容器還提供了良好的隔離性和安全性，可以保護應用程序和其依賴項的安全性，同時也可以將容器作為安全性的邊界來保護宿主機和其他軟件。

因此，本文采用Docker跨平臺構建鏡像技術，以水文水動力學計算軟件TELEMAC為例，構建Docker容器鏡像，進行軟件適配研究。在Dockerfile中對TELEMAC源代碼進行編譯和運行環境設置，構建包含TELEMAC軟件和相關運行環境的容器鏡像，使其能夠獨立運行在國產硬件和操作系統上。

2.1 TELEMAC軟件

隨著快速城鎮化進程和全球氣候變化，我國城市區域極端降水特征發生顯著改變，城市極端暴雨頻繁發生，造成了巨大的社會經濟和生命財產損失［9］。數值模擬是研究城市內澇形成機理和演進規律的一種重要方法，通過模擬可以還原極端暴雨事件的雨情、水情和受災過程，為構建城市防洪減災體系提供理論和技術參考［10～12］。

TELEMAC軟件可以構建1D、2D和3D水動力學模型以解決波浪傳播、水質污染、地表水文、泥沙遷移等問題。二維水動力模塊（TELEMAC-2D）被廣泛應用于河流、河口、海岸、洪泛區的水動力過程模擬，并取得了較好的效果［13，14］。近年來，國內學者使用TELEMAC軟件對城市內澇進行了大量研究，劉家宏等人［15］基于TELEMAC-2D模型，模擬了廈門島不同重現期和不同雨峰系數內澇積水情況，初步揭示廈門島城市內澇的基本規律。邵蕊等人［16］基于TELEMAC-2D模型對城市暴雨洪澇的應急響應能力進行評估，為城市精細化應急管理提供科學支撐。都利亞等人［17］采用TELEMAC-2D模型，開展了龍洞水庫的二維潰壩洪水演進模擬，為相關防洪減災工作提供科學依據。

文獻綜述表明TELEMAC軟件在城市內澇模擬和城市防災減災規劃中應用廣泛，但TELEMAC軟件僅適配于基于X86架構的Windows和大部分Linux發行版系統，無法在ARM架構的國產操作系統上運行，因此采用Docker容器技術對TELEMAC軟件進行跨架構鏡像構建，使其能夠適配于國產軟硬件系統。

2.2 Docker引擎適配情況

在進行鏡像構建之前，分析了Docker引擎國產化適配情況，結果表明幾乎所有的國產系統均能夠適配Docker引擎，并在官方文檔提供了關于Docker引擎適配情況的詳細信息，供用戶參考。國產深度操作系統（Deepin）和統信操作系統（UOS）系統默認支持Docker，可以通過“apt-get”命令安裝Docker引擎；銀河麒麟操作系統（Kylin）和中標麒麟操作系統（NeoKylin）可以通過添加第三方軟件源或手動安裝Docker引擎。華為鯤鵬通過虛擬化套件實現了基于鯤鵬920處理器和openEuler操作系統的Docker引擎適配，也是本文使用的軟硬件測試環境，適配條件如表1所示。

2.3 軟件適配方案

本文依托表1中的軟硬件環境，構建能夠適配于鯤鵬920處理器（ARM架構）的鏡像，實現底層架構適配。在鏡像中對TELEMAC軟件進行編譯，并進行環境變量配置，使其能夠順利運行在openEuler操作系統上，同時保證軟件功能不發生改變，實現操作系統適配。

2.3.1 底層架構適配

底層架構的區別也使得國產操作系統和Windows等操作系統在體系結構、核心機制等方面存在較大的差異，基于不同底層架構的應用程序的內部機制也不同。因此，要使得軟件能夠實現國產化適配，就要解決軟件底層與底層架構不適配的問題。Docker鏡像雖然能直接運行在Docker引擎上，但是卻不能忽視底層架構的區別。因此，TELEMAC軟件要實現國產硬件適配，需要編譯能運行在ARM架構的鏡像文件。本文通過Docker構建工具包擴展構建功能解決底層架構差異問題，在鏡像內部采用類似虛擬化的機制，將應用程序和依賴打包在一個獨立的容器環境中，使TELEMAC軟件的運行環境與底層架構隔離。在Dockerfile文件構建鏡像的過程，使用TARGETARCH命令表示目標平臺的底層架構，并設置包含目標平臺底層架構信息的環境變量TARGETPLATFORM。最后使用“buildx”命令構建鏡像，該命令將自動檢測當前系統底層架構并生成對應架構的鏡像，實現Docker鏡像跨底層架構的適配。

2.3.2 操作系統適配

為了解決異構運行環境不兼容的問題，Docker采用Linux命名空間和聯合文件系統兩項技術。利用Linux命名空間技術將每個容器的進程、網絡、文件系統、用戶等資源隔離開來，形成一個獨立的虛擬環境，使應用程序在一個獨立的操作系統環境中運行，使待適配軟件TELEMAC擺脫了對操作系統的依賴，運行在openEuler操作系統上。這一技術還可以解決國產操作系統軟件依賴庫不足，無法運行其他操作系統應用程序的難題，同時還可以將所構建的鏡像一鍵運行在所有支持Docker容器技術的國產操作系統上［18］，使所構建的Docker鏡像具有快速遷移和部署的特點［19］。通過聯合文件系統技術，將TELEMAC源代碼、數據庫、依賴項的下載指令和環境變量的設置指令寫入Dockerfile文件，運行Dockerfile文件構建鏡像。鏡像分為多個層次，每個層次都是一個只讀文件系統，每個文件系統層都是基于前一個層次構建而來，最后這些不同的層次被聯合在一起形成完整的容器鏡像。這一技術使得Docker鏡像的構建和管理更加高效靈活，在不同操作系統之間進行遷移也更加容易。

3 TELEMAC鏡像構建

3.1 鏡像構建原理

Dockerfile是用來構建Docker鏡像的文本文件，是由一條條構建鏡像所需的指令和參數構成。Docker鏡像的構建是一個自上而下過程，如圖2所示，每一條命令的執行都是分層構建的過程。鏡像的構建過程如下：首先選擇一個基礎鏡像作為基礎進行新鏡像構建，執行第一個Dockerfile指令對基礎鏡像所生成的容器進行修改，添加環境變量和軟件運行的必要庫；然后執行類似“docker commit”的操作，將更改后的容器提交為一個新的鏡像層；最后以所構建的新鏡像為基礎鏡像，運行一個新容器繼續執行下一條命令。以此方式依次執行Dockerfile中的每一條指令直至所有指令執行完畢。

3.2 TELEMAC鏡像構建

TELEMAC鏡像的構建通過Dockerfile文件完成，Dockerfile文件將整個鏡像進行了概括，其中包含了所構建鏡像軟件的環境變量配置、軟件依賴安裝、軟件下載安裝的操作指令等［20］。本文采用的Docker版本為23.0.1，圖3為telemac：v8p4版本鏡像的分層構建步驟。

3.3 案例測試

為了驗證生成的TELEMAC鏡像的功能，運行鏡像生成容器，選擇TELEMAC官方給出的計算案例進行測試，測試過程如圖4所示。案例測試選擇TELEMAC-2D模塊中提供的二維淹沒模型（t2d_pluie_cn_geo_hyetograph）進行地表淹沒模擬測試。案例所用模型是一個邊長為100 m的正方形，整個區域高程為0 m，由5 412個三角形網格組成，如圖5所示。TELEMAC-2D中的徑流模塊基于簡單的曲線數（CN）方法，其中CN值定義了土壤的滲透性。將計算區域分為Z1，Z2，Z3和Z4四個部分。CN值分別為85、95、80和90，如圖6所示。模型為閉合邊界，徑流將不會離開且在研究區域內累積，計算區域的初始水深均為零。

降雨使用關鍵字定義為100 mm/d，持續6 h，因此總降雨深度為25 mm。模擬時長為8 h，時間步長為60 s，流場和水深變化如圖7所示。從降雨開始到模擬結束，從水深變化可以看出，在第3 h時刻，Z2區域最先出現積水，隨著模擬時間的增加，Z4和Z3區域分別出現不同程度的積水現象，但積水深度均比Z2區域小，這與不同區域CN值的分布情況相一致。流場變化呈現從Z2區域流向Z3區域的趨勢，這是由于試算區域高程均為0 m，Z2區域CN值最大，產流量最大，地面出現積水最深，而Z3區域恰好相反，所以流場出現圖7中的變化趨勢，表明流場和水深的變化與CN值的分布相符合。同時，將計算結果與TELEMAC官網結果進行對比，本案例最終的結果與Ligier［21］相一致。上述分析表明本研究實現了TELEMAC軟件的國產化適配且計算功能沒有發生改變。

為了驗證本研究的通用性，進一步將所構建的TELEMAC鏡像在麒麟V10國產操作系統上進行了移植實驗，運行鏡像計算相同測試案例，結果與上述分析相同。這意味著本研究不僅實現了國產化適配目標，且在適配Docker引擎的國產系統上均能實現TELEMAC軟件適配，且所構建的TELEMAC鏡像不會因操作系統的改變而發生變化，具有很強的穩定性和跨系統遷移性。

4 結束語

為了完善國產操作系統的軟件生態環境，本文采用Docker容器技術對水文水動力學計算軟件TELEMAC進行鏡像構建，使其能適配于國產硬件和操作系統，并進行了相關測試，主要結論如下：

a）采用Docker跨平臺鏡像技術構建了TELEMAC鏡像文件，經測試所構建的TELEMAC鏡像能夠在以鯤鵬920處理器為核心的openEuler和麒麟V10等國產操作系統上運行。這實現了TELEMAC軟件跨架構和系統的遷移，做到了水文水動力學科學計算軟件的國產化適配，且計算功能沒有發生改變。

b）Docker鏡像中包含了軟件的代碼、依賴庫、環境變量和配置文件，避免了軟件之間相互沖突問題，能夠實現TELEMAC軟件的快速遷移和部署。在麒麟V10操作系統上的測試表明，構建的TELEMAC鏡像功能不會因操作系統的改變而發生變化，具有穩定性和可移植性，在所有適配Docker引擎的國產系統上均能實現TELEMAC軟件適配，相較于代碼重構、中間層代碼移植技術，本文研究技術具有普適性的優點。

c）TELEMAC鏡像是以源代碼為基礎進行的鏡像構建，做到了關鍵代碼自主可控，有利于軟件的二次開發和版本更新。同時，由于鏡像具有可加性，可以將telemac：v8p4鏡像作為基礎鏡像進行二次鏡像構建，在現有鏡像的基礎上添加其他計算功能，實現耦合計算，完成TELEMAC軟件基于國產系統的深度開發。

本研究對TELEMAC軟件進行了完整代碼的鏡像構建，鏡像量級較大，后續研究將對TELEMAC軟件的源代碼進行拆解，構建滿足不同計算需求的模塊鏡像，以降低鏡像量級。適配TELEMAC軟件到ARM架構可以提高其計算性能，但具體的性能提升數值需要進一步研究和評估。

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