Смагин М.С. Вычислительные машины, системы и сети (1088253), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Однородные многомашинные вычислительные системы состоят из однотипных вычислительных машин, работающих под управлением одинаковых операционных систем. Неоднородныемногомашинные вычислительные системы состоят из вычислительных машин с разными аппаратными характеристиками. Причём это могут быть нетолько компьютеры, но и устройства хранения больших объёмов данных, например RAID-массивы. Кроме того, неоднородными называют многомашинные системы, узлы которых работают под управлением разных операционных систем.Вычислительные кластерыЕсли многомашинная вычислительная система функционирует подединым управлением и воспринимается пользователем, как единый вычислительный ресурс, то такая система называется вычислительным кластером.Объединение однопроцессорных или многопроцессорных компьютеров спомощью высокоскоростной сети передачи данных для организации работыв виде единой параллельной вычислительной системы называется кластеризацией.
Именно единство управления и представления возможностей системы пользователю и отличает кластеры от прочих многомашинных систем.Классическим примером кластерной системы являетсясистемаBeowulf, построенная в 1994 году в рамках проекта НАСА по земным и космическим наукам (Earth and Space Sciences). Кластер Beowulf может содержать до нескольких сотен узлов, каждый из которых функционирует подуправлением ОС Linux. Между собой они объединены с помощью вычислительной сети пропускной способностью до 100 Мбит/сек. Кластер имеетглавный узел (head node), выступающий в качестве сервера, распределяющего рабочую нагрузку и управляющего разделяемыми ресурсами.
Все остальные узлы являются подчинёнными.Всего существует четыре типа кластеров:1931. Кластеры с высокой производительностью (High-performance cluster).2. Кластеры с высоким коэффициентом готовности (High-availabitity cluster).3. Кластеры со сбалансированной нагрузкой (Load-balancing cluster)4. Кластеры распределённых вычислений (GRID-системы).В кластерах первого типа для выполнения вычислений используютсявсе машины, входящие в кластер.
Кластеры этого типа используются длясложных и объёмных расчётов, для которых требуется максимально высокаяскорость выполнения.В кластерах второго типа часть машин не используется для выполнения вычислений, а включается только при выходе из строя работающих машин. Кластеры второго типа применяются для решения критически важныхзадач, при выполнении которых недопустимы сбои оборудования.В кластерах третьего типа часть машин используются для решения задачи распределения выполняемых задач между остальными машинами кластера так, чтобы обеспечить максимальную эффективность использованияоборудования.Кластеры третьего типа используются в тех случаях, когда надо обрабатывать большие потоки однотипных запросов, для которых необходимообеспечить приблизительно одинаковое время выполнения.
Подобная задачавозникает, например, в больших базах данных, банковских системах, системах продажи электронных билетов и т.д.Четвертым типом кластерных систем являются так называемые системы распределённых вычислений (GRID-системы). Их особенностью являетсяотсутствие гарантий доступности каждого узла системы в каждый моментвремени. Иными словами, любая машина может в любой момент подключаться к системе и отключаться от неё. Устройство управления должно учитывать эту особенность, следить чтобы не было потерь данных, а также рас-194пределять критически важны задачи по нескольким узлам, так чтобы вероятность их совместного отключения от системы была минимальной.Взаимодействие вычислительных машин в таких условиях организуется не на уровне операционных систем, а на уровне пользовательских приложений.
На каждом компьютере, входящем в GRID-систему, запускается специальная программа, скачивающая вычислительные задания с центральногосервера и выполняющая их на том компьютере, где она запущена.Отрицательной стороной подобных систем является сравнительно низкая эффективность.
Дело в том, что с точки зрения операционных систем,стоящих на каждой из машин, такие приложения не имеют специальногоприоритета и могут использовать лишь часть вычислительной мощностикомпьютера. Положительной стороной GRID-систем является их открытость,т.е. возможность объединения произвольного количества разнородных машин в рамках единой системы.Чаще всего, GRID-технология используются для организации вычислительных систем из компьютеров, подключённых к сети Интернет.
Один изсамых известных подобных проектов, – SETI@Home. Название расшифровывается как «Search for Extraterrestrial Intelligence at Home» – поиск внеземных цивилизаций в домашних условиях. Этот проект проводится университетом Беркли в США. В его рамках всем желающим предлагается скачать ссайта проекта (setiathome.ssl.berkeley.edu) специальную программу, которая впериоды простоя компьютера загружает его выполнением вычислительнойработы, связанной с обработкой данных, поступающих от радиотелескопов.Коммутационные технологии кластерных системОдним из основных вопросов, который необходимо решить при создании кластерных систем является вопрос о выборе сетевой технологии, используемой для передачи данных между машинами, входящими в кластер.Под сетевой технологией здесь понимается согласованный набор стандарт-195ных протоколов и программно-аппаратных средств, достаточный для построения сети передачи данных.Самое простое решение, − связать компьютеры с помощью локальнойсети Ethernet, о которой мы будем говорить позже.
Однако, поскольку этатехнология разрабатывалась для других нужд, у неё ряд недостатков, ограничивающих её применение. Основным из них является большая задержка передачи данных перед отправкой их в сеть. Для наиболее массового современного стандарта Gigabit Ethernet она составляет порядка 160-180 микросекунд. У более высокоскоростных стандартов Ethernet-сетей стандартов этизначения гораздо ниже, но их использование всё ещё довольно дорого.В процессе развития вычислительных систем были разработаны стандарты сетей передачи данных, специально предназначенные для использования при построении многомашинных вычислительных систем.Наиболее популярными из них являются:1. SCI.2. Myrinet.3. QsNet.4.
Infiniband.Основными характеристиками любой из них является т.н. время задержки и пропускная способность. Напомним, что под временем задержки,называемым иногда ещё «латентностью», от английского Latency, понимаютвремя, затрачиваемое на передачу одно сообщения через сеть. А под пропускной способностью понимают объём данных, передаваемых по сети в единицу времени. Таким образом, при пересылке большого количества маленьких файлов, более важную роль играет время задержки, а при пересылке одного большого файла, − пропускная способность.Для всех указанных технологий данные характеристики, как правило,приводятся в двух вариантах: пиковом и среднем. Пиковое значение показывает максимально допустимое значение, исходя из возможностей аппарату196ры, а средние значения получены на основе опыта практического использования указанных технологий.SCI расшифровывается как Scalable Coherent Interface или «Масштабируемый когерентный интерфейс». Данная спецификация была разработанакомпанией Dolphin Interconnect Solutions и принята в качестве стандарта вСША и во всём мире в 1992 году (Стандарт ANSI/IEEE Std 1596-1992).SCI позволяет обеспечивать высокие скорости передачи данных с малым временем задержки, и, вместе с тем, поддерживает работу с масштабируемыми и динамически изменяемыми архитектурами.
Основной топологиейсистемы связей SCI является кольцо. Несколько колец можно объединятьмежду собой в двухмерный или даже трёхмерный тор.На сегодняшний день средняя скорость передачи составляет 667 мегабайт в секунду, а пиковая – 10 гигабит в секунду в полнодуплексном режиме.Задержка передачи данных составляет, по разным данным, от полутора дошести микросекунд для среднего значения и 0,2 микросекунды для пикового.Стандарт имеет очень широкую сферу применения и может быть использован для построения как многопроцессорных, так и многомашинныхсистем. Ещё одним важным достоинством данного стандарта является то, чтопрограммное обеспечение для работы с ним распространяется свободнымспособом по лицензии GNU GPL.Стандарт Myrinet разработан компанией Myricom в 1994 году.
В отличие от технологии SCI (которая первоначально была представлена в виде документального описания) устройства, соответствующие стандарту Myrinet,появились сразу в виде готовых и, при этом, сравнительно недорогих устройств. Это обеспечило большую популярность данного стандарта. Дальнейшим его развитием стал стандарт Myrinet 2000. В середине 2000-х годовпочти треть всех вычислительных систем мира были построены с использованием этого стандарта. Сейчас он сходит со сцены и фирма Myricom активно продвигает ему на замену стандарт Myri-10G.197Технология Myrinet построена на использовании многопортовых коммутаторов, имеющих, согласно спецификации, до 16 портов.
Пиковая пропускная способность составляет 10 гигабит (приблизительно 1,2 гигабайта) всекунду в полнодуплексном режиме для Myrinet 10G и 2 гигабита (245Мбайт) в секунду для Myrinet 2000. При практическом использовании данные, в среднем, передаются со скоростью до 400 Мбайт в секунду в полнодуплексном режиме. Пиковая задержка составляет порядка 2 микросекунд,средняя – 10 микросекунд.Положительными особенностями Myrinet являются простота и дешевизна аппаратуры и программного обеспечения при приемлемой стоимости.Кроме того, Myrinet, как и SCI, является открытым стандартом.Спецификация QsNet разработана фирмой Quadrics Supercomputer Clubспециально для кластеров типа Beowulf и появилась в 1998 году.
Спецификация предусматривала передачу данных со скоростью 350 Мегабайт в секундус задержкой порядка 5 микросекунд. В 2003 году была издана вторая версияданной спецификации, которая получила название QsNet II. Данная спецификация предусматривает пиковую скорость передачи данных равную 1064 мегабайта в секунду. В среднем удавалось добиться порядка 912 Мбайт в секунду. Пиковый номинал задержки равен 1,22 микросекунды.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
