Г. И. Шпаковский, А. Е. Верхотуров, Н. В. Серикова
Руководство по работе на вычислительном кластере
Пособие для студентов естественнонаучных специальностей Минск БГУ 2004
В пособии рассматривается организация вычислительного кластера на базе локальной сети. Изложены способы инсталляции системного программного обеспечения, методы запуска параллельных задач, описаны средства оценки эффективности вычислений, представлено описание библиотеки для параллельных вычислений PETSc.
Предназначено студентам специальностей «Радиофизика» и «Физическая электроника». Издание может быть полезно студентам естественнонаучных специальностей и научным работникам для создания вычислительного кластера и изучения работы на нем.
Предисловие
Под кластером понимают совокупность процессоров, объединенных компьютерной сетью и предназначенных для решения одной задачи, как правило, большой вычислительной сложности. Типы кластеров, их организация, возможности, математическое обеспечение,
характеристики определенных кластеров представлены на сайтах
[1–3]. Кластеры можно разделить на два класса:
1. Кластеры специальной разработки с быстродействием 1011–1012 плавающих операций в секунду (терафлопсовый диапазон). К таким кластерам относится СКИФ (СуперКомпьютерная Инициатива Фе никс), созданный по программе Союза Беларусь–Россия. Появление этого кластера и сам процесс разработки подготовили основу для развития параллельных вычислений в республике, вследствие чего возникла проблема широкой подготовки программистов для решения параллельных задач.
2. Кластеры, которые строятся на базе уже имеющихся локальных сетей из персональных компьютеров. Для создания кластеров в этом случае требуется только дополнительное программное обеспечение
(ПО), поэтому их можно организовать в вузах и небольших организациях. Такие кластеры имеют относительно небольшое быстродействие, но их удобно использовать для обучения основам параллельного программирования и подготовки параллельных программ, которые затем могут выполняться на больших кластерах.
В Белгосуниверситете на факультете радиофизики и электроники (РФЭ) создан кластер, на котором несколько лет ведется обучение параллельным вычислениям. За это время коллективом преподавателей созданы методические руководства и издано пособие Г. И. Шпаковского, Н. В. Сериковой «Программирование для многопроцессорных систем в стандарте MPI» (Мн.: БГУ, 2002. 323 с.). Оно является пособием по написанию параллельных программ и широко используется в учебном процессе, обеспечивая также контролируемую самостоятельную работу (КСР).
Кластер – довольно сложный объект, и для работы на нем нужно иметь знания по сетям, устройству компьютеров, операционным системам, специальному программному обеспечению.
Настоящее учебное пособие предназначено для студентов старших курсов, магистрантов, аспирантов и научных работников. Оно позволяет научиться работать на кластере, как в процессе плановой учебной работы, так и в режиме КСР. Руководство предназначено в основном для кластеров, работающих под управлением операционной системы (ОС) Windows NT, хотя в нем имеются сведения и для кластеров с ОС Linux. Базовым языком является С.
Пособие состоит из трех основных разделов. В первом разделе представлена организация сетей и кластеров на их основе, рассмотрены принципы параллельного программирования, состав системного пакета MPICH, принципы инсталляции и настройки системных средств кластера. Во втором разделе рассмотрены варианты запуска параллельных программ в одно- и многопроцессорном режимах, возможности отладки, профилирования программ, оценки их эффективности. В третьем разделе достаточно подробно представлено еще одно системное средство – библиотека параллельных программ PETSc, предназначенная для решения систем линейных алгебраических уравнений. Использование библиотеки позволяет достаточно быстро создавать сложные параллельные приложения.
Многие главы пособия заканчиваются контрольными вопросами, много информации размещено на сайте http://www.cluster.bsu.by, который создан на факультете РФЭ Белгосуниверситета.
I. ОРГАНИЗАЦИЯ КЛАСТЕРОВ