Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Архитектура высокопроизводительных вычислительных систем. Лабораторный практикум
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
К аф едра «Вычислительная техника»
С.П. ОРЛОВ, Н.В. ЕФИМУШКИНА
АРХИТЕКТУРА
ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Лабораторный практикум
Самара
Самарский государственный технический университет
2020
1
2
Печатается по решению методического совета ИАиИТ СамГТУ (протокол
№ 1 от 01.09.2020 г.).
УДК 004(076.5)
ББК 32.972я73
О-66
Орлов С.П.
Архитектура высокопроизводительных вычислительных систем: ла-
бораторный практикум / С.П. Орлов, Н.В. Ефимушкина. – 2-е изд., перераб.
и доп. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2020. – 66 с.
Представлен лабораторный практикум к семи лабораторным работам по
одному из основных курсов – «Архитектура высокопроизводительных вычислительных систем». Дисциплина изучается студентами бакалавриата направлений 09.03.01 – «Информатика и вычислительная техника», 09.03.04 – «Программная инженерия», а также магистрантами направлений 09.04.01 и 09.04.04.
Для каждой работы приведена краткая теория и описана моделирующая программа, пользуясь которой студенты могут изучить различные топологии, режимы и характеристики вычислительных систем, особенности работы их основных элементов. Определен порядок выполнения работы, содержание отчета и
дан список контрольных вопросов, позволяющих закрепить изучаемый материал.
Имитационные модели лабораторного практикума могут быть использованы при исследовании реальных вычислительных систем соответствующих
классов.
Р ец ензент: д-р техн. наук, профессор О.В. Прохорова
УДК 004(076.5)
ББК 32.972я73
О-66
© С.П. Орлов, Н.В. Ефимушкина, 2020
© Самарский государственный
технический университет, 2020
3
ВВЕДЕНИЕ
Практикум предназначен для изучения на лабораторных работах
материалов дисциплины «Архитектура высокопроизводительных вычислительных систем по направлениям подготовки «Информатика
и вычислительная техника» и «Программная инженерия». Первые пять
лабораторных работ посвящены организации многопроцессорных
и многомашинных вычислительных систем и сетей, их топологии, изучению вопросов передачи сообщений в распределенных вычислительных системах. Шестая лабораторная работа описывает принципы работы сетевого коммутатора. В седьмой лабораторной работе исследуется
вычислительная система с телекоммуникационным доступом ВСТД.
Теоретический материал базируется на содержании учебных пособий С.П. Орлова и Н.В. Ефимушкиной [1–3].
4
Лабораторная работа № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СИСТЕМЫ
С ЛИНЕЙНОЙ АРХИТЕКТУРОЙ
Краткая теория
Цель работы. Изучение принципов работы локальных вычисли-
тельных сетей на примере простейшей имитационной модели, а также
оценка времени обслуживания и конфликтов в этих сетях.
В настоящее время широкое применение получили локальные вычислительные сети (ЛВС), которые строятся на компьютерах, соединенных линией связи и аппаратурой, поддерживающей соответствующие интерфейс и протокол передачи данных. Информация в таких сетях передается в виде пакетов стандартной длины и формата. Структура пакета и методы его обработки регламентируются специальными
протоколами. В большинстве протоколов, например IPv4 и IPv6, длина
пакета составляет от 20 байт до 65535 байт. Такое большое число практически не используется. В частности, пакеты в сети Ethernet имеют
максимальную длину 1500 байт.
Если передаваемое сообщение или файл имеют большую длину, то
они представляются как последовательность пакетов. Такая операция
выполняется с использованием сетевого оборудования и его программного обеспечения.
В настоящее время в качестве канала передачи данных используются:
– высокочастотные сетевые кабели с «витой парой»;
– оптоволоконные линии связи;
– радиоканалы, в том числе и WiFi.
Главная характеристика канала связи – пропускная способность C.
Она определяется максимальным числом байтов, которое можно пе-
редать через этот канал в единицу времени. Пропускная способность
измеряется в единицах: Байт/с; Кбайт/с; Мбайт/с; Гбайт/с. Следует понимать, что пропускная способность определяется только физическими
5
свойствами канала связи, постоянна и не зависит от скорости передачи
.
p
СV
.
p
СL
данных от передатчика. Отсюда следует, что для корректной передачи
информации скорость передачи Vp должна быть меньше или равна пропускной способности:
Длина пакета Lp связана с пропускной способностью C и временем
передачи пакета τ соотношением:
Если неравенство не выполняется и длина пакета больше, чем
обеспечивает пропускная способность, то происходит искажение информации в пакете. В этом случае необходимо повторить попытку передачи. При большом числе неудачных передач следует уменьшить
скорость передачи пакета, что достигается увеличением времени τ.
Наиболее распространенными структурами сети являются:
− моноканал, или шина (рис. 1.1), типичным примером которого
служит Ethernet;
− звезда (рис. 1.2), например Fast Ethernet;
− петля (кольцо) – рис. 1.3, классическим примером которой явля-
ется сеть Token Ring.
В линейных сетях используется случайный метод доступа (захват
канала в любой момент – CSMA/CD) [1] . При этом возможно наложение пакетов, передаваемых с разных станций, т.е. искажение информации. Оно обнаруживается оборудованием сетевых адаптеров (СА).
Случайный доступ реализуется двумя основными способами: с проверкой столкновений и несущей.
Первый способ (с проверкой столкновений) только обнаруживает
наложение передаваемого пакета на тот, который движется по каналу.
При обнаружении столкновения передача прекращается, и следующая
попытка предпринимается через случайный интервал времени . Этот
способ применяется в слабо загруженных сетях. При проверке несущей
адаптер прослушивает канал и начинает передачу только в том случае,
6
если в нем отсутствует пакет (нет несущей частоты). Такой способ
компьютер компьютер компьютер
компьютер
Терминатор
Терминатор
компьютер
компьютеркомпьютер
компьютер
Сервер
обеспечивает меньшую вероятность столкновения пакетов и лучшую
загрузку линии связи.
Рис. 1.1. Типовая структура линейной ЛВС
В настоящее время всё большее распространение получает звездообразная структура сети (см. рис. 1.2) [4]. Она наилучшим образом
обеспечивает реализацию режима обработки задач «Клиент – сервер».
В такой сети имеется мощная центральная ЭВМ, выполняющая функции файлового сервера и управляющая работой всей сети. Эта структура носит название «активная звезда». Более простые сети вместо центральной ЭВМ используют концентраторы или коммутаторы. Их архитектура называется пассивной звездой.
В кольцевых сетях используется детерминированный (маркерный,
эстафетный) метод доступа [4]. При этом сетевой адаптер получает разрешение на передачу пакета в момент поступления специального маркера. Обычно его роль играет пустой пакет. После получения заполненного пакета адаптер адресата освобождает его от информации и передает дальше по каналу.
7
компьютер
компьютер
компьютер
компьютер
компьютер
Сервер
компьютер
компьютер
компьютер
компьютер
компьютер
Сервер
Рис. 1.2. Типовая структура звездообразной ЛВС:
Ц – Центральная ЭВМ, С1-С5 – локальные станции
Рис. 1.3. Типовая структура кольцевой ЛВС
8
Описание лабораторной установки
Лабораторная работа выполняется на персональном компьютере,
работающем в среде ОС Windows. В ней используется программа
имитационного моделирования наиболее распространенной сети,
имеющей архитектуру типа моноканала (аналога Ethernet) [5]. Программа составлена на языке Delphi 4.0. Она позволяет выполнить следующие операции:
1. Варьировать количество и типы программ, обрабатываемых ка-
ждой станцией (от 1 до 20).
2. Изменять для всех программ одновременно или для каждой
в отдельности:
– количество и длину передаваемых пакетов,
– максимальное значение интервала времени между отправле-
ниями двух соседних пакетов.
3. Варьировать пропускную способность линии связи от 1000
до 200000 Кбайт/с.
4. Задать один из двух методов доступа к линии: с проверкой
столкновений или с проверкой несущей.
5. Установить один из двух режимов моделирования: непрерывно
или по тактам. По умолчанию моделирование осуществляется
в непрерывном режиме.
Моделируемая сеть может содержать до 10 станций, соединенных
между собой каналом связи. Работа каждой станции представляется закраской ее на схеме соответствующим цветом. Станция может находиться в состоянии обслуживания программы или передачи пакета. Пакеты передаются в канал в случайные моменты времени, которые определяются с помощью генератора случайных чисел. Максимальное значение интервала времени между отправлениями двух соседних пакетов,
как отмечалось выше, является характеристикой соответствующей программы. Передача пакета в модели представляется закраской канала
цветом ее станции [5].
9
Как отмечалось выше, важной особенностью и недостатком случайного метода доступа к каналу являются наложения (столкновения)
пакетов. В модели предусмотрено обнаружение этой ситуации, прекращение передачи и возобновление ее через случайный промежуток
времени. Количество столкновений подсчитывается программой и является одной из характеристик сети.
Исходными данными для моделирования являются:
– количество станций (компьютеров);
– число задач, выполняемых на одной станции;
– длина и число пакетов передаваемых задачей в линию связи;
– интервал между пакетами;
– пропускная способность канала связи.
Результатом моделирования являются следующие данные:
– среднее время выполнения задачи;
– количество конфликтов в сети при передаче пакетов.
Исполняемый модуль программы моделирования имеет имя
Lan.exe и находится в папке Lab 1. Запуск программы осуществляется
традиционным способом. После запуска на экране появляется первое
окно, позволяющее задать параметры модели и режим моделирования.
В левой части окна находится панель управления приложением.
На ней размещено несколько кнопок, каждая из которых снабжена
всплывающей подсказкой. Кнопка с изображением раскрытой книги
переводит приложение в режим ввода характеристик или моделирования. После запуска установлен первый режим.
Все поле для ввода параметров разделено на четыре основных
блока.
1. «Типы задач», обеспечивающий задание до двадцати различ-
ных типов задач, каждый из которых характеризуется числом
пакетов, их размером и максимальным интервалом времени между двумя соседними пакетами.
2. «Линия связи», позволяющий ввести пропускную способность
линии, которая может изменяться в пределах от 1000 до 200000
Кбайт/с.
10
3. В блоке «Характеристики станции» задаются количество,
типы задач и порядок их обслуживания для каждой станции
в отдельности или для всех одновременно. Последняя операция обеспечивается выбором поля «Принять для всех стан-
ций». При этом необходимо выбрать тип задачи из соответствующего блока, а затем нажать кнопку пересылки. Указанная
кнопка находится между блоками. На ней изображена стрелка,
направленная вправо. Задачи, которые приписаны станции,
изображаются в ее списке в том порядке, в котором они будут
впоследствии обрабатываться. Этот список можно очистить
или удалить из него какую-либо запись с помощью соответствующих кнопок (название кнопки можно увидеть на всплывающей подсказке).
4. В блоке «Дисциплина доступа станций к линии связи» за-
даются методы доступа станций к каналу: с проверкой столкновений или несущей.
После того как ввод всех параметров закончен, нужно переключиться на режим моделирования. Запуск модели осуществляется нажатием на кнопку с изображением зеленой лампочки. При этом будет поддерживаться непрерывный режим, а кнопка утоплена.
В любой момент можно остановить моделирование повторным нажатием на ту же кнопку, а затем снова продолжить. Имеется возможность исследовать работу сети в каждом такте, определяемом ее новым состоянием (началом или окончанием передачи очередного пакета). Выполнение такта начинается после нажатия мышью кнопки
с изображением красной лампочки.
Во время моделирования появляется окно приложения, в верхней
части которого изображена структура сети (станции и линия связи), а
в нижней – представлена трасса загрузки канала и станций. Каждой
станции, как отмечалось выше, соответствует свой цвет. В нижней
части экрана выводится столько трасс (временных диаграмм), сколько рабочих станций считались активными в моделируемой сети. При
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]