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时间:2018-07-07
《多集群环境之mpi群集通信计算研究》由会员上传分享,免费在线阅读,更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、多集群环境之MPI群集通信计算研究第1章绪论1.1相关技术现状近年来,随着互联网产业的高速发展,IT技术在各个领域都得到广泛的应用,由此产生的数据也呈现爆炸式的增长,尤其在科学探索方面,地下石油资源探测、全球气候预报、基因的奥秘等21世纪人类所面临的重大科技难题,无一不需要采集海量数据进行分析处理。传统单机计算模式已远远不能胜任此类数据密集型作业,迫切需要海量存储、高性能计算机以及高速互联网络等基础设施的支持。目前,以高性能计算平台为基础的大规模并行计算已成为一门新的学科,受到了国内外学者的高度关注。如何有效地编写并行程序、提高并行软件的执行效率成为计算机产业界和
2、学术界研究的热点。1.1.1并行计算概述目前,高性能计算机在世界各国都取得了巨大的发展,计算能力在数万亿以上的高端计算机都已研制成功。当今几乎全部学科都走向精确化和定量化,进而产生了一系列的计算科学,如计算化学、计算物理学、计算生物学和计算力学等,逐步形成了新的计算性学科分支计算机科学与工程(CSE)。计算科学,已经与传统的实验科学和理论科学并列成为第三门学科,相辅相成地推动着科学的发展和人类社会的进步。在多数情况下,不论是复杂的理论模型没有建立,又或者是实验费用较高,导致实验无法进行,都可以通过计算来解决。计算大大的增强了人们进行科学研究的能力。面对如此大规模、
3、高精度的计算,传统的一般计算机往往是无能为力的。为了适应当前互联网产业的发展趋势,更需要对并行计算进行深入的研究。大规模并行计算主要有三类应用需求:以数值模拟和大型科学计算为代表的计算密集型应用;以数据挖掘、数字图书馆、数据仓库等为代表的数据密集型应用;以远程医疗诊断、协同工作为基础的网络密集型应用。正是这些具有挑战性的应用需求推动了计算机科学的飞速发展。并行计算机的体系结构:并行计算机根据其访存特点、网络互连以及多处理器间的组织方式可以归纳为六种系统结构模型:单指令多数据流(SIMD);属于多指令多数据流的并行向量处理机模型(PVP)、对称多处理机模型(SMP)
4、、大规模并行处理机模型(MPP)、分布式共享存储多处理机模型(DSM)及工作站集群模型(COP[1]与向量处理机不同,其使用具有高速缓存的商用处理器。这些处理器通过高速总线与共享存储器互连,这类系统是对称的,每个处理器可平等的访问操作系统、I/O设备以及共享存储器,因而可以获得较高的并行度。但是处理器与共享存储的互连方式限制了其扩展性,如果系统中处理器个数过多,则可能加剧对共享内存的竞争,所以处理器个数一般少于64个。大规模并行处理机MPP[1]是一种异步的MIMD机器,同样采用商用处理器。这些处理器通过高带宽低延迟的网络互连,具有良好的扩展性。程序由多个进程组成
5、,每个进程具有独立的地址空间,进程间通过消息传递协调多个进程的执行。MPP多用于科学计算、信号模拟等领域。分布式共享存储多处理机模型DSM[1]由多个物理上分布的计算节点组成,由高速缓存目录DIR维持高速缓存的一致性,各个节点的局部存储器组成了全局共享存储器,系统的软硬件向用户提供了一个单地址的编程空间,相对于MPP而言,DSM拥有更简易的编程方式。工作站集群模型COPP不同,MPP中节点通常只有一个微核,而COPP之间已经没有清晰的划分界限,相对于MPP,集群系统拥有更高的性能/价格比和更优秀的扩展能力,随着集群计算(Clusterputing)的广泛流行,工作
6、站集群模型COPICH2相关技术2.1MPI-2标准2.1.1MPI-2标准概述MPI是迄今为止最重要的并行编程环境,由众多并行应用单位、并行计算机厂商、软件开发组织共同维护,几乎所有并行计算机都对它提供支持,这是诸如PVM、P4等并行编程环境所无法比拟的[3]。MPI自发布以来,不断的吸取多种并行编程环境的优良特性,经过多次的版本更新之后,已经成为事实上的标准和规范。MPI1.0于1993年2月推出,MPI论坛的成立推动了MPI标准的快速发展,1996年推出的1.1版本对原始版本进行了修改完善,但仍然存在很多缺陷,忽略了某些复杂的、难于实现的功能。MPI-2在现
7、有功能的基础上进行扩充,增加了并行I/O、动态进程管理、远端存储访问等特性。按照MPI标准编写的消息传递程序实用、灵活、高效,移植性好,可以不加修改的在所有并行计算机上执行,MPI函数库支持Fortran语言和C语言,调用过程与一般函数相同。MPI以提高通信效率、功能丰富、增强可移植性为主要目标。阻塞通信要求数据发送方的Send函数要与接收方的Recv函数相配合,即只有在安全的将发送的消息保存之后,Send函数才可以返回。保存是指当Send函数再次被调用时不会对前一次发送的消息带来破坏。不同阻塞通信模式有不同的配合程度,更需要结合运行时环境综合考虑。在阻塞通信模式
8、下,不仅要
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