高性能集群计算系统的结构与设计探讨

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Ｄｅｐａ衄ｅｎｔ （ＡｎＨｕｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｖ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎ０１０９ｙ
ｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒ，Ｈｕａｉｎａｎ ２３２００１，Ｃｌｌｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｕｓａｇｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｃｌｕｓｔｅｒ ｏｆ ｍｅ ｓｙｓｔｅｍ ｐｒｏｃｅｅｄｓ ｐｒｏｃｅｅｄ ｔｏｇｅｔｈｅｒ ｔｈｅ ｃａｌｃＩｌｌａｄｏｎ ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ虹ｎｃｅ ｅｃｏｎ— ｏｍｙ ａｎｄ ｅｍｃｉｅｎｔｌｖ ｏｆ ｓ０１ｕ廿ｏｎ，ｔｈｅ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｍ ｉｓ ａｂｕｎｄａｎｔ，ｔｈｅ ｃｏｓｔ ｉｓ ｃｈｅａｐ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｃｌｕｓｔｅｒ ｏｆ ｔ１１ｅ ｓｖｓｔｅｍ ｍａｋｅｓ出ｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒ ｃａｌｃｕｌａｔｏｒ ｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ：Ｔｈｊｓ ｔｅｘｃ ｗａｓ ｍｏｒｅ ｄｅｔａｎｅｄ ｔｏ ｄｉｓｃｕｓｓ ｔｈｅ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｍｃｄｏｎ ｏｆ血ｅ ｃｏｍｐｕｃｅｒ ｃｌｕｓｔｅｒ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍｓ ａ１１ｄ ｔｈｅ ｆｕｎｃｄｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｌｌ ｐａ出ｅｓ， ｃａｕｓｉ“ｇ ｔｈｅ ｃｏｍｍｅｒｃｅ ｗｌｔｈ ｔｈｅ ｐｅｒｉｏｄ ｍｅ ｒｅ～
电脑知识与技术
······研究开发
高性能集群计算系统的结构与设计探讨
王国明 （安徽理工大学计算机科学与技术系，安徽淮南２３２００１）
摘要：使用计算机集群系统进行并行计算是一种既经济叉高效的解决方案。开发资源丰富，成本低廉。计算机
集群系统是超级计算机发展的方向；本文较详细地论述了计算机集群系统的结构及主要部件的功能，以期引起业界
Ｂｅｒｋｅｌｅｖ Ｎ０ｗ是基于Ｓｏｌａｒｉｓ（分布式操作系统）、 Ｇｌｉｎｕｘ和ｘＦｓ（无服务器网络文件系统）之上的工作站集 群，节点间利用ＭｙｒｉＮＥＴ网络和活动消息进行信息传
递，其主要特点是用大量生产的商品化工作站和最先进 的基于开关网络部件构造大型并行计算系统。Ｂｅｏｗｕｌｆ 是基于Ｌｉｎｕｘ和Ｇｒｅｎｄｅｌ（系统软件工具包）之上的ＰＣ 机集群．采用ＴＣＰ／ＩＰ多个以太网完成节点间信息交换， 主要特点是能够构造“最佳”性能价格比的集群系统。 ＨＰＶＭ（高性能虚拟机）是基于ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴ、Ｌｉｎｕｘ和 ＬｓＦ（负责分配器一负责资源管理）之上的Ｐｃ机集群，采 用快速消息的ＭｖｒｉＮＥＴ网络进行节点间数据交换，主要 特点是采用高带宽低延时的通信协议ＦＭ（快速消息）。 Ｓｏｌａｒｉｓ ＭＣ是基于ｓｏｌａｒｉｓ和全局层操作系统之上的ＰＣ 机或Ｔ作站集群，用高速网络将计算节点连接起来，使 用面向对象的框架在节点间进行通信．支持多个或多样 网络相互连接。
１概述
早在２０世纪６０年代，ＩＢＭ公司就提出了集群计算 系统．其基本思想是将大型计算机连接起来，提供成本 合理的商业化并行计算系统．以满足各个领域并行计算 的需要。但是，由于当时各种技术的限制（主要是软硬件 成本较高），这种思想很难商业化。直到２０世纪８０年 代．随着高性能低价位微处理器、高速网络和高性能分 布式计算标准工具的出现与普及，集群计算系统获得了 快速发展的物质基础。起初，人们为了获得高性能的计 算系统．一方面不断增加处理器的运算速度、内存和磁 盘的存储容量．另一方面将多个处理起连接起来，使用 它们合在一起的计算能力．这就是并行超级计算机。这 种技术受到成本和制造工艺的限制。其系统的灵活性及 可发展空间很小．从而导致了并行计算从传统的专用超 级计算机平台向着廉价而通用、松藕合、由单一或多个 处理器的ＰＣ机或工作站构成的集群系统的方向发展， 这是集群计算系统得以快速发展的社会背景。在２０世 纪９０年代以后。相继产生了Ｂｅｏｗｕｌｆ、Ｂｅｒｋｅｌｅｖ Ｎ０ｗ、 ＨＰｖＭ、Ｓｏｌａｒｉｓ ＭＣ四大集群环境。集群计算机在科学计 算、工程计算、图象分析与处理、生命科学、金融服务、制 造业以及商业界等领域得到了广泛的应用。
２集群计算机系统体系结构
集群是一种并行或分布式处理系统，该系统是有两 个或多个计算机（简称为节点）通过网络连接而成。节点 可以是一台ＰＣ机、工作站或ＳＭＰ（共享存储的多处理 机），分别构成ＰＣ集群（ｃ０Ｐ）、工作站集群和ｓＭＰ集群。 每个节点都由独立的处理器、主存储器、辅助存储器、“Ｏ 接口及操作系统。可以单独工作执行串行应用程序，也 可以作为集群中的一个节点执行并行应用程序，栅同完 成并行任务。计算机集群对于用户和应用程序而言就像 是一个单一的系统，独立地拥有系统中的所有资源（处 理器、内外存储器、Ｉ，Ｏ接口和外围设备等等），而不需要
收稿日期：２００５一０９—２１ 作者简介：王国明（１９６５一），男，安徽淮南人，计算机系讲师，告肥工业大学在读硕士，主要从事计算机网络安奎噩集群计算研究。
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万方数据
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考虑这些资源是在本地还是远程。该系统能够提供一种 价格合理、具有高性能和高可用性的并行计算方案。其 系统结构如下图所示。
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统中．这种解决方案占用资源太多．性能价格比不高。采 用上述方案，在极小的开销下解决了实际问题，能够完 全满足现实的需要。
参考文献
［１］李维言，郭强．液晶显示应用技术［Ｍ】．北京：电子工 业出版社，１９９９．
【２］李维言，郭强，周云仙．液晶显示应用手册［Ｍ】一Ｅ京： 电子工业出版社．２００２．
ｉ“ｄａｔａｌＵ］［ｉ】＆Ｏｘ０１）ｐｕｔｐｊｘｅｌ（ｘ＿ｚｂ＋７，ｙ＿出，ＲＥＤ）’ ｙ一出＝ｙ—ｚｂ＋１； ｘ＿出＝ｘ—ｚｂ一２４；１ ｒｅｔｕｍ；１
４结束语
目前，关于解决人机界面中的汉字显示有着诸多的 方法，例如采用汉字字符模块及汉字字符集库等方案。 但这些方式对使用大量汉字信息的系统有优势．在小系
ｓｅａｒｃｈｅｒ ｖａｌｕｅ，ｗｅ ｃａｎ ｄｅｖｅｌｏｐ ａ ｄｕｓｔｅ‘ｐｒｏｄｕｃｔ ｏｗｒⅡｙ ｉｎ出ｅ ｎｅａｒ ｆｕｔｕｒｅ． Ｋｅｙ ｗＯｒｄｓ：ａｕｓｔｅｒ Ｃｏｍｐｕｄ“ｇ；Ｔｏｇａｎｌｅｒ Ｃｏｍｐｕｂ“ｇ；Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ；Ｃｏｎｌｎｌｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｎｅｔ、Ⅳｏｒｋ
３集群硬件平台
３．１集群中间件 集群中间件处于节点操作系统与用户环境之间．它 与操作系统一起为所有节点提供访问系统资源的各种 途径。集群系统的设计目标集中体现在支持应用程序时 对资源管理、系统可扩展性和可用性的完全透明。中间 件必须允许用户对系统结构不了接的前提下，能够容易 且有效地使用集群系统中的资源．不需要考虑这些资源 是在本地还是在远程。巾间件应提供一下主要服务。 （１）唯一地址空间：将属于集群的各节点内存作为共 享内存，进行统一编址（包括Ｉ，Ｏ接口，也要统一编址）。 ｆ２）唯一用户界面：用户可以通过唯一ＧｕＩ（图形用 户界面）使用集群。 （３１唯一进程空间：每个进程可以在同一个节点或不同 节点生成子进程或与任意远程节点的其他进程交换信息。 （４）唯一作业管理：用户可以用透明的作业提交机制 在任一个节点上提交作业，作业可以批处理、交互式或 并行模式被调度执行。 （５）检查点设置：检查点机制使进程状态和中间结果 得以定期保存，当节点失效时故障节点的进程可以在另 一正在工作的节点上重新开始．而不会丢失计算结果。 （６）进程迁移：使集群间的节点负载达到动态平衡。 除此之外还包括单点管理和控制、唯一虚拟网络、 唯一文件层次等功能。 ３．２集群中的通信网络 通信网络是集群中摄关键的部分之一，是集群的主 要瓶颈，它的速度、容量和性能直接影响着整个集群系 统。在集群系统中常使用的网络平台有快速以太网、
ＡＴＭ——异步传输模式、ｓｅｖｅｒＮＥＴ＿一系统网、
Ｍ蜘ＮＥＴ、ｓｃＩ——可扩展并发接口以及内存通道网络等
万方数据
电脑知识与技术
等（详见计算机网络等资料）。在此详细介绍ｘｐｒｅｓｓ传 输协议。
在集群系统中，应用程序数据流可能需要从一个处 理器复制到一组处理器上，在这种复制（传输）过程中，传 输控制协议ＴＣＰ在复制数据流时会给每个接受者建立 一个连接，单独处理每个数据流；而ｕＤＰ协议可以利用 组播完成数据流的复制，虽然提高了传输效率，但它提供 的是不可靠的传输服务。这些都不能满足集群计算要求 低延迟和快速通信的需要。ＸｐｒｅｓｓⅨＴＰ）传输协议支持可 靠和不可靠传输组播服务、组播组管理、快速建立与拆除 连接、支持高吞吐量、低延迟通信服务、具有优先级管理 机制、速率与突发控制以及选择性重发等功能。ｘＴＰ传输 协议可以单独或与其他传输协议一起运行在ＩＰ协议、 ｃＬＮＰ协议、ＬＬｃ与ＭＡｃ协议、异步传输协议ＡＴＭ之
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电脑知识与技术பைடு நூலகம்
ｉ“ｄａＩａｌＤⅡ司＆０ｘｌ ０）ｐｕｔｐｉｘｅｌｏｒ＿ｚｂ＋３，ｙ』ｂ，ＲＥＤ）； ｉ《ｄａｔａｌＤ】【ｉ】＆０ｘ０８）ｐｕ’ＰｉｘｅＩ（ｘ—ｚｂ＋４，ｙ』ｂ，ＲＥＤ）； ｉ取ｄ砒ａ１嘲【ｉ】＆ｏｘ０４）ｐｕｔｐｉｘｅｌ（ｘ—ｚｂ＋５，ｙ—ｊｂ，ＲＥＤ）；
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图１某群计算机体系结构图
主要包括多个低价格高性能计算机及运行在其上 的操作系统、高性能网络／开关、网络接口卡（ＮＩＣ）、快速 通信协泌与网络服务、集群中间件、并行编程环境与工 具、消息传递接口、高速通信网络和应用程序（串行应用 程序或并行应用程序）等软硬件组成。这些部件共同协 调地完成并行任务，实现高性能集群计算。
４集群中的软件平台
４．１操作系统 操作系统能够为每个进程分配要执行的任务、内 存、微处理器以及其它系统资源。在集群系统中常用的 操作系统如下。 （１）Ｌｉｎｕｘ操作系统 Ｈｎｕｘ是一个类似于ｕｎｉｘ的操作系统。它可以方便 地运行在Ｉｎｔｅｌ８０Ｘ８６平台上，提供ｕｎｉｘ的强大功能．易 于修复错误、改善系统性能，其典型的功能有抢占式多 任务、请求页面虚拟内存．同时支持多用户，因此，在集 群系统中非常受欢迎。 （下转第１６８页）
ｆ３１陆爱明．单片机和图形液晶显示器接口应用技术 ［Ｍ］．北京：电子产品世界，２００１．