47965 (Основы параллельного программирования на кластере и разработка элективного курса «Администрирование в информационных системах и администрирование виртуальных машин»)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Красноярский государственный педагогический университет им. В.П. Астафьева

Институт математики, физики и информатики

Факультет информатики

Кафедра информатики и вычислительной техники

Выпускная квалификационная работа

Основы параллельного программирования на кластере и разработка элективного курса "Администрирование в информационных системах и администрирование виртуальных машин"

Работу выполнил:

Гончаров Иван Викторович

(роспись)

Научный руководитель:

Шикунов Сергей Анатольевич

к.ф.-м.н., доцент _____________(роспись)

Рецензент:

Прохоров Алексей Анатольевич

ст.преподаватель _____________(роспись)

Допущена к защите:

Пак Н.И.

д.п.н., профессор, зав. каф.ИВТ

Оценка:

Дата защиты (число, месяц, год)

Красноярск 2008

Содержание

Введение

Глава 1. Кластерные системы

1.1 Структура Beowulf и параметры

1.2 Виртуальный скоростной канал, интерфейс

1.3 Устройство кластера

1.4 Операционная система

1.5 Организация кластерной системы

1.6 Параллельная виртуальная машина(PVM)

1.6.1 Взаимодействие задач в PVM

1.6.2 Управление задачами

1.6.3 Передача сообщений

1.6.4 Упаковка данных

1.6.5 Распаковка полученных данных

1.6.6 Отладка в PVM

1.6.7 Установка PVM

Глава 2 Обучение будущих учителей сетевому администрированию

2.1 Анализ целесообразности обучения будущих учителей сетевому

администрированию

2.2. Виртуальная машина для обучения

2.2.1. Анализ и выбор виртуальной машины для обучения

2.2.2. Инструкции по работе с рекомендуемым программным

обеспечением

1. Разработка и содержание курса

2. Тематическое планирование и рабочая программа курса

3. Дидактические материалы

   1. Учебно-методические материалы

   2. Учебные задачи, задания, лабораторные работы

   3. Контрольно-измерительные материалы

Заключение

Список литературы

Введение

Сейчас в наших научных организациях и университетах, как правило, имеются энтузиасты бесплатного распространяемого ПО и специалисты по ОС Linux. В то же время парк более-менее современных персональных компьютеров в этих организациях имеется. Закономерно появилась идея создавния параллельных вычислительных систем из общедоступных компьютеров на базе процессоров Intel и недорогих Ethernet-сетей, установив на эти компьютеры Linux и, объединив с помощью одной из бесплатно распространяемых коммуникационных библиотек (PVM, а затем MPI) эти компьютеры в кластер. Оказалось, что на многих классах задач и при достаточном числе узлов такие системы дают производительность, сравнимую с той, что можно получить, используя дорогие суперкомпьютеры.

При отсутствии высококвалифицированных параллельных программистов кластеры Beowulf создаются и используются людьми с минимальным опытом параллельного программирования.

В самом деле, кластеры Beowulf обеспечивают университеты с ограниченными ресурсами хорошей платформой для изучения параллельного программирования и недорогой производительной вычислительной системой для ученых. Затраты на установку в университетах минмиальны: многие студенты заинтересованы в таких проектах и используют Linux на собственных компьютерах, установка кластера и написание параллельных программ является частью процесса обучения.

Школьный учитель информатики проводит занятия в учебном компьютерном классе, в котором компьютеры объединены в локальную сеть, в подавляющем большинстве случаев, находящуюся под управлением операционной системы Windows. Такая ситуация требует, чтобы школьный учитель хотя бы на базовом уровне разбирался в администрировании таких сетей. Тем более, что и любознательность современных школьников, сталкивающихся с сетями разного уровня повсеместно, должна быть удовлетворена.

Поэтому представляется полезным обеспечить будущим школьным учителям информатики возможность познакомиться с основами построения, функционирования и управления компьютерными сетями во время специальной подготовке в период прохождения базового обучения своей профессии.

Существующие курсы подготовки студентов различных специальностей в этой области достаточно сложны и для получения первоначального представления нет необходимости их копировать. К тому же, курс для будущих школьных учителей информатики должен иметь более практическую направленность – чтобы будущие учителя могли попробовать управлять сетью и почувствовать, что это не является чрезмерно сложно, таинственно и непостижимо. Поэтому в таком курсе необходимо большое внимание уделить обеспечению возможности каждому учащемуся в достаточной степени попробовать себя в создании, настройке и администрировании компьютерной сетью.

Единственной реальной возможностью в достаточной степени получить практические навыки такого сорта является организация для каждого учащегося на отдельном компьютере виртуальной сети из нескольких виртуальных компьютеров. Современное программное обеспечение позволяет применить виртуальные машины, что дает различным категориям пользователей - от начинающих до IT-специалистов - множество преимуществ. Это и повышенная безопасность работы, и простота развертывания новых платформ, и снижение стоимости владения. И потому не случайно сегодня виртуальные машины переживают второе рождение. На сегодняшний день существуют три наиболее популярных инструмента, предназначенных для создания виртуальных машин и управления ими: Virtual PC 2004 компании Microsoft, VMware Workstation от компании VMware и относительно "свежий" продукт - Parallels Workstation, созданный в компании Parallels.

Поэтому в данной работе предлагается использовать одну из этих виртуальных машин для создания на отдельном компьютере виртуальной сети такой, чтобы учащийся мог персонально поработать со своей собственной сетью во время занятия в компьютерном классе. При этом в работе так же предлагается адаптировать существующие курсы обучения системному администрированию будущих "реальных" специалистов для нужд базового обучения будущих учителей информатики с учётом ограниченности возможностей виртуальных сетей реализуемых на виртуальной машине.

В связи с вышесказанным в данной работе была поставлена следующая цель: исследовать возможность построения курса обучения основам системного администрирования для будущих учителей информатики на основе виртуальной локальной сети.

При этом была выдвинута следующая гипотеза: возможно адаптировать существующие курсы обучения системному администрированию так, чтобы они были посильны и интересны студентам, обучающимся по специальности 030100 и могли быть проведены на виртуальных сетях, построенных на виртуальных машинах.

Объектом исследования в данной работе являлся процесс базовой подготовки по информационным дисциплинам студентов, обучающихся по специальности 030100. Предметом исследования – возможность построения курса обучения основам системного администрирования удовлетворяющего цели и гипотезе исследования.

Для выполнения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

- изучить кластерные системы, организацию кластерной системы, устройство кластера, сетевое обеспечение кластера;

- изучить параллельную виртуальную машину(PVM), взаимодействие её задач, администрирование PVM.

- Ознакомиться с возможностями виртуальных машин для построения

виртуальных локальных сетей.

- Выбрать одну из таких машин для реализации на ней предлагаемого курса и проанализировать ограничения на содержание курса, накладываемые ограничениями виртуальной сети.

- Ознакомиться с типичными содержаниями курсов по системному администрированию и определить содержание курса.

- Собрать материалы по теме "системное администрирование" и "построение сетей виртуальных машин", имеющие ценность для построения учебного курса и обучения.

- Разработать инструкции по установке и использованию сетей виртуальных машин.

- Разработать тематическое планирование и рабочую программу курса, позволяющие при проведении занятий по ним достичь заявленную цель и доказать заявленную гипотезу.

- Разработать лабораторные работы, упражнения и контрольные вопросы по темам курса.

В случае успешного выполнения задач и реализации цели данной работы ожидается получение следующих результатов: подтверждение положения о возможности построения курса обучения основам системного администрирования для студентов, обучающихся по специальности 030100, на основе виртуальной локальной сети, путём адаптации существующих курсов обучения системному администрированию так, чтобы они могли быть проведены на виртуальных сетях, построенных на виртуальных машинах.

1. Кластерные системы

Параллельный кластер - это то, что вам не хватало для вашей работы. Возникает вопрос, из чего его делать и сколько компьютеров необходимо связать в кластер, чтобы затраченные усилия дали ощутимый результат. Кроме того хотелось бы понять какие компьютеры необходимы для кластера.

1.1 Структура Beowulf и параметры

Сразу скажу, что кластер Beowulf - гетерогенная структура. В него могут входить самые разнообазные по параметрам компьютеры, построенные на различных аппаратных платформах, например Intel Pentium различных версий, Alpha, RISC-процессоры, Transmeta, 32-х и 64-х битовые процессоры. Более того, на компьютерах в кластере могут быть установлены самые различные системы: Linux, Windows, OS/2 WARP. Нашей целью будет построение кластера с минимальными усилиями. Поэтому, если вы хотите заниматься делом (сиречь научной работой), а не повышать свой профессионализм в области информационных технологий, о возможной гетерогенности кластера я предлагаю забыть. Будем считать, что аппаратная платформа комьютеров нашего будущего кластера однообразна.

Что касается различия в параметрах (быстродействие, память, ...) у компьютеров, входящих в кластер, то это допустимо. Но в этом случае, вам придется учитывать эти различия при написании параллельных программ, распределяя объем счета в зависимости от возможности каждого отдельного компьютера. В противном случае кластер будет работать как система, состоящая из машин с минимальными рабочими параметрами.

Как я уже говорил, построение кластера - не самоцель, а средство. Поэтому для минимизации усилий будем считать, что все компьютеры кластера одинаковы по своим рабочим характеристикам и управляются одной и той же операционной системой. За одним исключением, главный компьютер кластера, консоль кластера, может (но не должен) быть более мощной машиной.

Начнем с самого простого, с выбора размера кластера. Поскольку кластер Beowulf - масштабируемая система, то вопрос количества узлов не является жизненно важным. По мере роста ваших аппетитов вы можете произвольно добавлять количество узлов в любое время. Если же вы для узлов будете использовать удаленную загрузку операционной системы по сети (о чем мы еще поговорим позже), то работы по добавлению узла кластера не выйдут за рамки технического подключения новой машины в сеть. Естественно вам придется еще немного изменить ваши программы, разбив их на большее количество параллельных подзадач, с тем чтобы иметь возможность использовать в процессе счета большее количество процессоров.

Однако увлекаться количеством узлов не стоит. Самое узкое место в вашем кластере - это среда передачи данных между узлами, то есть пропускная способность используемой сети.

Как видно эффективность нашего кластера зависит от числа узлов нелинейно. Собственно вид этой функции зависит от вида задачи, которая решается с помощью кластера. Приведенный рисунок более-менее корректно отображает положение дел с задачами типа решения уравнений газодинамики на больших сетках (но не только). В этом случае эффективность кластера растет до того момента, когда время передачи между узлами информации, необходимой для проведения одной итерации становится сравнимым со временем счета одной итерации.

В других случаях, например для решения системы уравнений методом Монте-Карло или методом перебора, функция эффективности принимает линейный вид. То есть, чем больше машин в кластере, тем быстрее работает программа. Если же говорить о методе прогонки, то функция эффективности имеет максимум при количестве узлов равном единице и спадает до нуля обратно пропорционально росту количества узлов.

Таким образом, можно порекомендовать при начальном построении кластера ограничится четырьмя узлами (одна консоль и три slave-ноды). С одной стороны, вы всегда при необходимости можете нарастить кластер, с другой стороны, меньшее количество узлов может дать не столь ощутимый результат, как ожидалось. Тем не менее, при пробемах с финансированием можно ограничится и двумя узлами. А если вы просто хотите попробовать, что такое есть кластер, можете обойтись вообще одним компьютером, с установленным на нем VMWare.

1.2 Виртуальный скоростной канал, интерфейс

Рассмотрим более подробно каким образом из нескольких сетевых интерфейсов можно создать один виртуальный скоростной канал.