2.3. Побудова розподілених паралельних обчислювальних систем.
Під паралельними обчисленнями розуміють процеси обробки даних, в яких комп’ютерна система одночасно здійснює декілька операцій.
Розрізняють такі режими виконання незалежних частин програми:
багатозадачний режим (режим розділення часу), коли для виконання декількох процесів використовується єдиний процесор.
паралельне виконання, коли в один і той же момент часу може виконуватися декілька команд обробки даних. Такий режим обчислень може бути забезпечений не тільки за наявності декількох процесорів, але й з використанням конвеєрних та векторних пристроїв оброблення;
розподілені обчислення; цей термін використовують для вказівки паралельної обробки даних, коли використовуються декілька пристроїв оброблення, достатньо віддалених один від одного, коли передача даних за лініями зв’язку призводить до істотних часових затримок. Як результат, ефективне оброблення даних за умови такого способу організації обчислень можливе тільки для паралельних алгоритмів з низькою інтенсивністю потоків між процесорних передач даних. Ці умови характерні, наприклад, за умови обчислень в багатомашинних обчислювальних комплексах, утворених об’єднанням декількох окремих ЕОМ з використанням каналів зв’язку локальних чи глобальних інформаційних мереж.
Кластерні технології
Характеристикою сучасних обчислювальних систем кластерного типу є надзвичайно швидкий розвиток мікропроцесорних обчислювальних систем. Під кластером розуміють множину окремих комп’ютерів, об’єднаних в мережу, для яких за допомогою апаратно-програмних засобів забезпечується можливість уніфікованого управління (single system image), надійного функціонування (availability) та ефективного використання (performance). Кластери можуть бути утворені на основі вже наявних у споживачів окремих комп’ютерів або ж сконструйовані з типових комп’ютерних елементів, що не потребує істотних фінансових витрат. Застосування кластерів може певною мірою усунути проблеми, пов’язані з розробкою паралельних алгоритмів та програм, оскільки підвищення обчислювальної потужності окремих процесорів дає змогу будувати кластери з порівняно невеликої кількості (декілька десятків) окремих комп’ютерів (lowly parallel processing). Тобто для паралельного виконання в алгоритмах розв’язку обчислювальних задач достатньо виділити тільки крупні незалежні частини розрахунків (coarse granularity), що в свою чергу, знижує складність побудови паралельних методів обчислень і зменшує потоки даних, що передаються, між комп’ютерами кластера.
GRID-системи
Розподілена інформаційно-обчислювальна середовище складається, як правило, з різних апаратно-програмних платформ, містить комп'ютери різних класів, у тому числі персональні комп'ютери, робочі станції, мейн-фрейми, тобто представляє собою гетерогенну середу. Серед основних проблем, які необхідно вирішити в такому середовищі, зазвичай називають управління ресурсами, забезпечення захисту інформації та забезпечення "прозорості" середовища. Прозорість слід розуміти в тому сенсі, що повинна забезпечуватися міжплатформна переносимість прикладних програм, обмін даними, взаємодія віддалених систем через узгоджені протоколи. Для досягнення цих якостей середовище має будуватися на основі принципів відкритих систем. Від декларації необхідності реалізації принципів відкритих систем середовище ще не набуває властивостей відкритості. Необхідно застосувати цілий набір методів і засобів, виконати ряд етапів, щоб система стала відкритою, тобто необхідно використовувати певну технологію, яка називається технологією відкритих систем. Одним з необхідних розумів застосування ТОС являється вибір об'єктів стандартизації, в даному випадку сервісів.
У дану годину розподілене інформаційно-обчислювальне середовище прийнято називати GRID (обчислювальна решітка).
Найбільш характерними властивостями цього інформаційно-обчислювального середовища є:
Масштаби обчислювального ресурсу (обсяг пам'яті, кількість процесорів), які багаторазово перевершують ресурси окремого комп'ютера або одного обчислювального комплексу;
Гетерогенність середовища; до її складу можуть входити комп'ютери різної потужності, що працюють під управлінням різних операційних систем і зібрані на різній елементній базі;
Просторовий (географічний) розподіл інформаційно-обчислювального ресурсу;
Об'єднання ресурсів, які не можуть управлятися централізовано;
Використання стандартних, відкритих, загальнодоступних протоколів та інтерфейсів.
Забезпечення інформаційної безпеки.
Надалі під терміном «GRID-система» будемо мати на увазі розподілену обчислювальну систему, яка має перераховані вище властивості. За своїм призначенням GRID прийнято ділити на обчислювальні системи (computational GRID) та системи, орієнтовані на зберігання великих масивів інформації (data GRID).
До прикладних завдань, які можуть використовувати GRID, зокрема, відносяться:
Складенні моделювання;
Спільна візуалізація дуже великих наборів наукових даних;
Розподілена обробка з метою аналізу даних;
Зв'язування наукового інструментарію з віддаленими комп'ютерами і архівами даних.
Найбільш ефективним є застосування РІС, для вирішення наступних завдань:
Розподілені високопродуктивні обчислення, рішення дуже великих завдань, що вимагають максимальних процесорних ресурсів;
«Високопоточні» обчислення, що дозволяють організувати ефективне використання ресурсів для невеликих завдань, утилізуючи тимчасово простоюють комп'ютерні ресурси;
Проведення великих разових розрахунків;
Обчислення із залученням великих обсягів розподілених даних, наприклад, у метеорології, астрономії, фізики високих енергій;
Колективні обчислення: одночасна робота декількох взаємодіючих завдань різних користувачів.
Аналіз світового досвіду побудови GRID-систем показує, що в їх основі лежати рішення наступних проблем:
Об'єднання різнорідних систем;
Спільне використання даних;
Дінамічне виділення ресурсів;
Переносимість додатків в гетерогенному середовищі;
Забезпечення інформаційної безпеки.
Сервіси GRID
Розподілена обчислювальна середовище має володіти набором сервісів, що забезпечують контрольоване виконання прикладних програм авторизованих користувачів. Специфіка сервісів GRID визначається, перш за все, характером самого обчислювального середовища: GRID являє собою динамічне утворення. Із плином часу можуть бути змінені як кількість об'єднаних обчислювальних вузлів, так і їх якісні характеристики.
Для нормального функціонування розподіленої системи необхідно забезпечити:
Ідентифікацію виконуваної програми
Для забезпечення контролю виконання прикладної програми вона повинна бути забезпечена унікальним номером (ідентифікатором). Присвоєння такого ідентифікатора і контроль його унікальності повинні виконуватися спеціальним сервісом GRID;
Авторизацію користувача
У GRID завдання авторизації користувача являє собою складну проблему. Сервіс авторизації користувача повинен забезпечити унікальність ідентифікатора користувача на всіх обчислювальних вузлах, що утворюють розподілену середу, а також визначати відносний приорітет користувача, необхідний для нормальної роботи служби розподілу обчислювальних ресурсів між прикладними програмами;
Пошук ресурсів
Результаті роботи цього сервісу визначають розміри доступного в даний момент часу обчислювального ресурсу і можуть бути використані для контролю потокового стану системи;
Опис ресурсів
Сервіс здійснює єдине опис різнорідних ресурсів, що знаходяться в поточний момент годині в складі GRID;
Резервування ресурсів
Даний сервіс має забезпечити «захоплення» вільних ресурсів для розміщення на ньому прикладної програми. Його робота тісно пов'язана з роботою сервісу пошуку ресурсів і сервісу опису ресурсів:
Виконання розподілених алгоритмів.
Доступ до віддалених даних.
Розподіл ресурсів.
Рис. 2.10. Структура GRID-системи.