(张晨曦)计算机体系结构

1、1/35计算机体系结构第9章 机群计算机张晨曦 刘依www.GotoS2/359.1 机群的基本概念和结构9.2 机群的特点9.3 机群的分类9.4 典型机群系统简介3/35目前流行的高性能并行计算机系统结构通常可以分成5类：并行向量处理机（PVP）对称多处理机（SMP）大规模并行处理机（MPP）分布共享存储多处理机（DSM）机群（Cluster）q优势：低廉的价格、极强的灵活性和可扩缩性q成为近年来发展势头最为强劲的系统结构4/35全球Top500中机群计算机的数量和比例时间 1997.6 1997.11 1998.6 1998.11 1999.6 1999.11 2000.6 2000.11 数量 1112671128比例 0.2% 0.2% 0.2% 0.4% 1.2% 1.4% 2.2% 5.6% 时间2001.6 2001.11 2002.6 2002.11 2003.6 2003.11 2004.6 2004.11 数量32438193149208289294比例6.4% 8.6% 16.2% 18.6% 29.8% 41.6% 57.8% 58.8% 时间2005.6 2

2、005.11 2006.6 2006.11 数量304361364361比例60.8% 72.2% 72.8% 72.2% 5/35机群一种价格低廉、易于构建、可扩缩性极强的并行 计算机系统。由多台同构或异构的独立计算机通过高性能网络 或局域网互连在一起，协同完成特定的并行计算 任务。从用户的角度来看，机群就是一个单一、集中的 计算资源。9.1.1 机群的基本概念和结构9.1 机群的基本概念和结构6/359.1 机群的基本概念和结构一个简单PC机群的逻辑结构q4台PC机通过交换机连接在一起。qNIC表示网络接口，PCI表示I/O总线。q这是一种无共享的结构，大多数机群都采用这种结构。q如果将下图中的交换机换为共享磁盘，则可以得到共享磁盘的机群系统结构。 7/359.1 机群的基本概念和结构一个包含4个结点的简单PC机群8/359.1 机群的基本概念和结构2. 构成机群的每台计算机都被称为一个结点。每个结点都是一个完整的系统，拥有本地磁盘和 操作系统，可以作为一个单独的计算资源供用户 使用。除了PC机外，机群的结点还可以是工作站，甚至 是规模较大的对称多处理机。3. 机群的各个结点一般通

3、过商品化网络连接在一起。4. 网络接口与结点的I/O总线以松散耦合的方式相连。 9/359.1 机群的基本概念和结构机群操作系统：在各结点的操作系统之上建立一层操 作系统来管理整个机群。机群操作系统的功能 提供硬件管理、资源共享以及网络通信 实现单一系统映象qSingle System Image，SSIq一项重要功能q机群的一个重要特征9.1.2 机群的软件模型10/359.1 机群的基本概念和结构3. SSI包含四重含义单一系统单一控制q逻辑上，最终用户或系统用户使用的服务都来自机群 中唯一的位置。q系统管理员通过一个唯一的控制点配置机群的所有软 、硬件组件。对称性：用户可以从任一个结点上获得机群服务。位置透明：用户不必了解真正提供服务的物理设备 的具体位置。 11/359.1 机群的基本概念和结构4. 简单机群系统中的SSI至少应该提供以下三种服务 ：单一登录q即用户可以通过机群中的任何一个结点登录，而且 在整个作业执行过程中只需登录一次，不必因作业 被分派到其他结点上执行而重新登录。单一文件系统q在机群系统中，有一些对整个机群所有结点而言都 相同的软件，它们没有必要在每一个结点

4、上重复安 装。另外执行并行作业时要求每个结点都可以访问 到可执行文件，即这些软件和可执行文件在整个机 群系统中应该只有一个唯一的副本。12/359.1 机群的基本概念和结构单一作业管理系统q用户可以透明地从任一结点提交作业，作业可以以 批处理、交互或并行的方式被调度执行。qPBS、LSF、Condor和JOSS都是目前比较具有代表性 的作业管理系统。 5. 并行编程模型以及相关的并行编程环境 比较流行的并行编程工具：MPI、PVM、OpenMP、HPF 6. 机群系统的软件框架 13/359.1 机群的基本概念和结构机群系统的软件框架14/35机群系统的优点系统开发周期短 q结点采用商品化的PC机、工作站，通过商用网络连接。q系统开发的重点：通信子系统和并行编程环境可靠性高 每个结点都是独立的PC机或工作站 可扩缩性强 q机群的计算能力随着结点数量的增加而增大q机群结构灵活（结点之间以松耦合方式连接）q机群系统的硬件容易扩充和替换，可以灵活配置。 9.2 机群的特点15/359.2 机群的特点性能价格比高 用户编程方便2. 机群的迅猛发展还得益于微处理器技术、网络技术 和并行程序设计技

5、术的进步。微处理器技术的进步使得微处理器的性能不断提 高，价格不断下降 。机群系统更容易融和到已有的网络系统中，而且 随着网络技术的进步和高性能通信协议的引入， 机群结点间的通信带宽进一步提高，通信延迟进 一步缩短，逐步缓解了由于结点松散耦合引起的 机群系统通信瓶颈问题。 16/359.2 机群的特点随着PVM、MPI、HPF、OpenMP等并行编程模型的 应用与成熟，使得在机群系统上开发并行应用更 加方便。 3. 机群的不足之处由于机群由多台完整的计算机组成，它的维 护相当于要同时去管理多个计算机系统，因此维 护工作量较大，维护费用也较高。 17/35根据组成机群的各个结点和网络是否相同，分为：同构、异构根据结点是PC还是工作站，分为：PC机群、工作站机群 以机群系统的使用目的为依据，分为：高可用性机群、负载均衡机群以及高性能机群 （最常用的分类方法 ）9.3 机群的分类18/359.3 机群的分类4. 高可用性机群 主要目的：当系统中某些结点出现故障的情况下 ，仍能继续对外提供服务。 采用冗余机制q当系统中某个结点由于软、硬件故障而失效时，该结 点上的任务将在最短的时间内被迁移到机

6、群内另一个 具有相同功能与结构的结点上继续执行。q对于用户而言，系统可以一直为其提供服务。适用于Web服务器、医学监测仪、银行POS系统等 要求持续提供服务的应用。 19/359.3 机群的分类5. 负载均衡机群主要目的：提供与结点个数成正比的负载能力要求：机群能够根据系统中各个结点的负载情况 实时地进行任务分配。专门设置了一个重要的监控结点，负责监控其余 每个工作结点的负载和状态，并根据监控结果将 任务分派到不同的结点上。适合大规模网络应用如Web服务器或FTP服务器、大工作量的串行或 批处理作业（如数据分析）20/359.3 机群的分类负载均衡机群适用于提供静态数据的服务；而高 可用性机群既适用于提供静态数据的服务，又适 用于提供动态数据的服务。 6. 高性能计算机群主要目的：降低高性能计算的成本它通过高速的商用互连网络，将数十台乃至上千 台PC机或工作站连接在一起，可以提供接近甚至 超过传统并行计算机系统的计算能力，但其价格 却仅是具有相同计算能力的传统并行计算机系统 的几十分之一。 21/359.3 机群的分类7. 按照构建方式将机群分为：（一种比较常用的分类方法）专用机群q吞

7、吐率较高，响应时间较短。q专用机群的结点往往是同构的，一般采用集中控制， 由一个（或一组）管理员统一管理，而且用户一般需 要通过一台终端机来访问它。 企业机群q各结点之间一般通过标准的LAN或WAN互连q通信开销较大、延迟较长q企业机群的各个结点一般是异构的 22/35美国加州大学Berkeley分校开发 具有很多优点：采用商用千兆以太网和主动消息通信协议支持有 效的通信。通过用户级整合机群软件GLUNIX提供单一系统映 象、资源管理和可用性，开发了一种新的无服务 器网络文件系统xFS，以支持可扩缩性和单一文 件层次的高可用性。 9.4 典型机群系统简介9.4.1 Berkeley NOW23/359.4 典型机群系统简介主动消息 实现低开销通信的一种异步通信机制基本思想q在消息头部控制信息中携带一个用户级子例程（称作 消息处理程序）的地址。q当消息头到达目的结点时，调用消息处理程序通过网 络获取剩下的数据，并把它们集成到正在进行的计算 中。q主动消息相当高效和灵活，以至于各种系统都逐渐地 用它作为基本的通信机制。 24/359.4 典型机群系统简介2. GLUNIX 运行在工作站标准

8、UNIX上的一个软件层，属于自 包含软件。主要思想q机群操作系统应由底层和高层组成。q其中底层是执行在核模式下的结点商用操作系统，高 层是能提供机群所需的一些功能的用户级操作系统。q特别地，这一软件层能够提供机群内结点的单一系统 映象，使得所有的处理器、存储器、网络容量和磁盘 带宽均可以被分配给串行和并行应用。 25/359.4 典型机群系统简介3. 无服务器文件系统xFS一个无服务器的分布式文件系统。将文件服务的功能分布到机群的所有结点上，以 提供低延迟高带宽的文件系统服务功能。主要采用廉价冗余磁盘阵列、协同文件缓存和分 布式管理等技术。 26/359.4 典型机群系统简介目标 1G Flops的计算处理能力和10 GB的存储容量价格不能过高一个具有16个结点的机群（Thomas Sterling与Don Becker二人构建）硬件：Intel的DX4处理器以及10 Mbps的以太网软件：基于Linux系统以及其他一些GNU软件 9.4.2 Beowulf27/359.4 典型机群系统简介将这个系统命名为Beowulfq这种基于COTS（Commodity Off The Shelf

9、）思想的 技术也迅速由NASA传播到其他科研机构。q这类机群被称为Beowulf机群。（Beowulf Class Cluster Computers）3. Beowulf并不是一套具体的软件包或是一种新的网络 拓扑结构，它只是一种思想。在达到既定目标的前提下，把注意力集中在 获取更高的性能价格比上。 28/359.4 典型机群系统简介使用低成本、小配置（28个处理器）的SMP来构建 机群系统逐渐成为主流。这种结构的系统被统称为CLUMPs（CLUster of MultiProcessors）由于SMP结点内部与SMP结点之间通信能力往往不 一致，CLUMPs一般使用专门的通信协议和通信算 法。 9.4.3 LAMP29/359.4 典型机群系统简介2. LAMP（Local Area MultiProcessor）由NEC实验室构建，基于Pentium Pro PC机、SMP 机群共有16个结点每个结点包含两个Pentium Pro 200 MHz的CPU以 及256 MB内存。操作系统使用了支持SMP的Linux 2.0.34内核版 本，提供MPICH 1.1.0并行程序开发环境。同一个SMP结点内的两个CPU之间采用基于共享存 储器的消息传递机制进行通信，而结点间通信则 通过Myrinet完成。30/359.4 典型机群系统简介深蓝：采用30个RS/6000工作站（带有专门设计的480 片国际象棋芯片）的IBM SP2机群 异步的MIMD，具有分布式存储器系统结构。9.4.4 IBM SP231/359.4 典型机群系统简介结点：一台RS/6000工作站，带有自己的存储器和 本地磁盘。结点中采用的处理器：一台6流出的超标量处理机每个时钟周期可以执行6条指令，包括2条读数写数 指令，2条浮点乘或加指令，1条变址增量指令和1条分 支指令。每个结点配有一套完整的AIX操作系统（IBM的 UNIX）。结点间的互连网络接口是松散耦合的，通过结点 本身的I/O微通道（MCC）接到网络上，而不是通

《(张晨曦)计算机体系结构》由会员宝路分享，可在线阅读，更多相关《(张晨曦)计算机体系结构》请在金锄头文库上搜索。