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集群是以网络技术连接起来的工作站或 PC 机的组合 , 这些工作站或 PC 机就像一个单独集 成的计算资源一样协同工作 , 这些单个的计算机 就是集群的节点 ( node) 。
111 集群计算机系统是并行处理的主流
集群计算机提速的前提基础是微处理器和网 络技术的进步。集群计算机是利用高速通信网络 将一组高性能工作站或高档 PC 网络结构连接起 来 , 在并行程序设计及可视化人机交互集成开发 环境支持下 , 统一调度 , 协调处理 , 实现高效并 行处理的系统。从结构和结点间的通信方式来看 , 它属于分布存储系统 , 主要利用消息传递方式实 现各结点之间的通信。目前己实现和正在研究中的集群系统大多采用现有商用工作站 1 代和通用 LA N 网络 , 这样既可以缩短开发周期 , 又可以利 用最新的微处理器技术。
112 集群系统的分类
按照应用目的可以分成高性能计算集群和高 可用集群。高性能计算 ( High Perfermance Comput2
ing) 集群 , 简称 HPC 集群 , 这类集群通过将多台
机器连接起来同时处理复杂的计算问题 , 提供单 个计算机不能提供的强大的计算能力。高可用 (High Acailability) 集群 , 简称 HA 集群 , 这类集 群的主要功能就是提供不间断高可靠度的服务。
按照结点的归属可分为专用集群和非专用集 群。在专用集群中所有的资源是共享的 , 并行应 用可以在整个集群上运行 , 而在非专用集群中 , 全局应用通过窃取 CPU 时间获得运行。非专用机 群中由于存在本地用户和远地用户对处理器的竞争 , 带来了进程迁移和负载平衡等问题。
按照结点的操作系统可分为 Linux 集群、So2
laris 集群、NT 集群等 ; 按照各结点是否相同可分 为同构集群和异构集群。同构机群中各节点有相 似的体系并且使用相同的操作系统 , 而异构机群 中节点可以有不同的体系 , 运行的操作系统也可 以不尽相同。
按照结点的机型可分为 PC 集群、工作站集 群和 SMP 集群等。
113 集群系统的特点
11311 高可扩展性
提高 CPU 主频和总线宽带是最初提供计算机 性能的主要手段。但是这一手段对系统性能的提 供是有限的。接着人们通过增加 CPU 个数和内存 容量来提高性能 , 于是出现了向量机 , 对称多处 理机 ( SMP) 等。但是当 CPU 的个数超过某一阈 值 , 象 SMP 这些多处理机系统的可扩展性就变得 极差。主要瓶颈在于 CPU 访问内存的宽带并不能 随着 CPU 个数的增加而有效增长。与 SMP 相反 , 集群系统的性能随着 CPU 个数的增加几乎是线性
的。
11312 高可用性
集群中的一个节点失效 , 它的任务可以传递 给其他节点。可以有效防止单点失效。
11313 高性能 负载平衡集群允许系统同时接入更多的用户。
11314 高性价比
集群 ( Cluster) 技术是使用特定的连接方式 , 将价格相对较低符合工业标准的硬件设备结合起来 , 同时也能提供高性能相当的任务处理能力。
2 影响集群系统并行运算的因素
211 网络性能因素
快速消息通信系统集群计算机是基于高速通 信网络互连而构成的系统。网络性能的好坏对集
群计算机并行计算效率的提高、处理问题的适应 范围以及系统的可扩展性都有很大影响。通信延 迟时间是衡量网络性能的重要因素 , 它包括协议 软件处理开销和网络硬件处理时间。高速网络硬 件虽然降低了网络的传输延迟 , 但并没有减少通 信软件的处理开销 , 由于软件处理开销所占比重 过大 , 在很大程度上阻碍了高速网实际性能的提 高 , 因此 , 在使用高速网络的集群系统中 , 影响
通信系统性能的瓶颈己不再是网络硬件的性能 ,
而是通信软件的处理开销。 传统 TCP/ IP 协议是为广域网设计的网际互连 协议 , 它提供了复杂而强大的诸多功能 , 这些复 杂的功能必然带来很大的软件开销 , 因此这种协 议并不适合集群计算机进行并行处理。另外 , 传 统协议往往是在操作系统核心中实现的 , 由操作 系统引入的开销也是不容忽视的重要因素。对集 群计算机系统而言 , 其网络系统分布范围小 , 通 信链路可靠性高 , 系统结构相对简单 论文网。为了降低 通信软件处理开销 , 需要通过对高效通信协议的 研究 , 设计一种适用于集群计算机系统的快速消 息传递机制 , 为用户提供一个低延迟、高带宽、 高可靠的通信模式 , 达到改善系统性能的目的。
212 可视化并行程序开发与调试环境因素
影响并行机推广使用的一个最重要的障碍是 在并行机上编写、编译、链接和调试程序比较困 难。目前虽然有了许多功能强大的并行环境 , 但 是编制高效的并行程序仍然是一件比较困难的事 情。主要是因为这些并行环境的重点都在运行环
境上 , 对编程环境的方便性和实用性注意不够 ,
缺少实用的工具。 一个友好、实用、方便的可视化人机交互集
成开发环境 , 应为应用程序员和最终用户提供编 辑 , 多种语言的编译、链接、装配 , 并行环境配 置 , 各节点资源使用情况显示 , 并行任务的加载、
运行、状态监视和控制 , 性能评测和并行调试以 及联机帮助等功能 , 使用户在此环境中即可方便 地完成并行程序的编写、编译链接 , 并且通过性 能监测分析比较并行算法 , 找出性能瓶颈 , 优化 并行算法设计 , 并最终编写出高效的并行程序。
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