《多计算机系统 》ppt课件

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1、第八章多计算机系统8.1集群计算机系统结构8.2典型集群系统实例8.3MPP系统8.4网格技术8.5网格实例第一节集群计算机系统结构集群系统就是多个独立计算机的集合。本节将从集群系统的基本概念开始，对集群系统的结构、集群系统的特点、集群间通信、集群间资源管理和任务调度以及集群间并行程序设计环境等问题分别进行介绍1.集群系统的基本概念和结构集群系统由将多个高性能的工作站或高档微型计算机，使用高性能网络互连在一起，协同完成特定的并行任务.它是一种造价低廉、易于构建且具有较好可扩放性的体系结构。集群系统中的主机和网络可以是同构的，也可以是异构的。下图为一个包含四节点的集群系统构成集群的每

2、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，拥有本地磁盘和自己的完整的操作系统。除了PC外，集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。集群的每个结点一般通过商品化网络连接在一起，如以太网、FDDI、Myrinet等，部分商用集群也采用专用网络连接，如SPSwitch，Crossbar等。网络接口与结点I/O总线以松散耦合的方式相连，如图中的NIC与PCI。从结构上看，集群系统属于分布存储系统，由建立在通用操作系统之上的并行编程环境完成系统的资源管理及相互协作，同时也屏蔽工作站和网络的异构性。对程序员和用户来说，集群系统是一个整体的并行系统。集群系统中的结点机

3、间采用消息传递方式通信。2.集群系统的特点与传统并行计算机系统相比，集群系统具有许多优点：系统开发周期短可靠性高可扩缩性强性价比高用户编程方便集群不足之处：由于集群由多台完整的计算机组成，它的维护相当于要同时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。对称多处理机则相对较好，因为管理员只要维护一个计算机系统即可。正因为如此，现在很多集群采用对称多处理机作为结点，这样可以减少结点数量，从而减少维护工作量和降低开支。3.集群系统的通信技术(1)现有集群一般是使用商用以太网连接，通信协议使用的TCP/IP.集群通信具有以下缺点：网络通信频宽低多层结构的TCP/ICP协议处理开

4、销大协议复杂的缓冲管理增加了网络延迟操作系统的额外开销(2)提高集群通信效率的方法采用新型高速网络以提高网络通信频宽目前出现了多种新型的高速网络，如共享介质型的快速以太网和基于开关型的ATM和Myrinet，极大地提高了通信频宽。设计新的通信协议以降低通信延迟①在用户空间实现通信协议:直接对网络硬件设备进行必要的操作，减少通信数据的拷贝次数，提高通信效率；二是减少对操作系统调用的额外时间开销；三是用户态协议可根据用户的实际应用需求来设计，减少协议不必要的冗余。②精简通信协议。第一方面是功能的精简，删除不必要的功能呢，第二方面是协议层次的精简，合并协议各层的功能呢，使得通信协议变为一

5、层，以达到减少数据传输次数的目的。③ActiveMessage通信机制ActiveMessage是消息驱动的异步通信方式。ActiveMessage的通信原理如下：消息除包含通常的数据项外，还增加了两项：消息处理程序指针Handler和参数。当消息达到目的结点时，结点处理机立即产生中断调用，由该消息的Handler启动相应的消息处理程序。消息处理程序的功能是从网卡上取出该消息并给发送方发送一个应答消息，然后返回原来被中断的程序。ActiveMessage通信机制有两个突出特点：一是消息驱动的异步通信方式，二是简化了对通信数据的缓冲管理。4.集群系统资源管理和调度集群操作系统是在各结

6、点的操作系统之上再构建一层操作系统来管理整个集群，即建立一个全局UNIX，用来解决集群系统中所有资源管理，包括组调度、资源分配和并行文件系统等。这就是集群操作系统。集群操作系统须具有以下特性：单一系统映像（SingleSystemImage，SSI）1.单一入口点：用户连接到集群而不是某个具体结点；2.单一文件系统：用户看到单个目录和文件层次；3.单一作业管理系统：用户可以透明地从任一结点提交作业，作业能在整个集群系统中透明地竞争资源。4.单控制点：用户可以从控制工作站单点控制管理整个系统，实现系统的安装、监督和配置、系统操作、用户管理等功能。负载均衡负载平衡就是将各个任务均衡得分

7、布到集群系统的各处理结点，以充分利用系统资源，提高各结点的利用率和整个系统的吞吐率。衡量负载平衡的指标①吞吐率:系统上运行的应用程序的响应时间或平均完成时间。②可扩展性¬:系统规模增大或总负载大小变化时系统负载平衡的适应能力。③容错性:处理机发生故障后任务恢复运行的能力。实现负载均衡的任务调度算法①静态调度：在编译时根据用户程序中的各种信息（如各个任务的计算量大小、依赖关系和通信关系等）和并行系统的状况（如网络结构、各处理结点计算能力等）对用户程序中的并行任务作出静态