1.4. Кластерная архитектура

Кластерная архитектура является одним из способов создания аппаратно объединенного массива параллельно функционирующих ЭВМ. Данный способ организации ЭВМ позволяет создавать отказоустойчивые системы высокой готовности. Кластер представляет собой блок из N машин, соединенных средствами локальной сети и специальными шинами, N копий используемой операционной системы и общую внешнюю память. Кластер для ОС и прикладных программ представляется единым целым.

Первая модель кластера, признанная образцовой, была реализована в 1983 году компанией DEC (Digital Equipment Corporation) на основе VAX компьютеров. Кластер на основе VAX компьютеров представляет собой многомашинную систему, имеющую общую внешнюю память. Для объединения ЭВМ используются коммутатор, два типа шин и средства локальной сети Ethernet. Шина первого типа служит для связи компьютеров на расстоянии до 45 метров и обеспечивает скорость передачи данных 70 Мбит/с. Шина второго типа позволяет подсоединять до 8 внешних устройств. Максимальная длина связи составляет 25 метров, а скорость передачи данных составляет 4 Мбайта/с. Управляемый коммутатор позволяет устанавливать шинную связь между компонентами кластера. При организации внешней памяти кластера используется уровень RAID 1.

При проектировании современных кластеров используется набор конструктивно воплощенных компонентов, поставляемых промышленностью по известной фиксированной цене. Компоненты поставляются в модульном исполнении с соблюдением требований стандарта VME к размерам каркаса, который служит для размещения компонента. В стандартной стойке (шкаф), имеющей размеры по высоте – 6 футов¹, по ширине – 19 дюймов и по глубине – 30 дюймов, может поместиться 44 модуля, размер каждого из которых соответствует стандарту VME.

Пусть требуется создать кластер на основе компьютеров фирмы IBM, состоящий из 32 процессоров, имеющий 32 Гбайта основной динамической памяти, обеспечивающей контроль и восстановление данных, и не менее 2,3 Тбайт внешней памяти. Рассматриваются три варианта решения сформулированной задачи. Используются 1-процессорная, 2-процессорная и 8-процессорная ЭВМ.

При использовании 1-процессорной ЭВМ (модель 300) получим логическую организацию кластера, представленную ниже. ЭВМ содержит 2 дисковых накопителя, обозначаемых D, процессор – P и память M.

Рис. 3. Логическая организация кластера

ЭВМ модели 300 имеет основную память объемом 1,5 Мбайта и два дисковых накопителя, каждый из которых объемом 36,4 Гбайт. Поэтому кластер, содержащий 32 ЭВМ, обеспечивает требуемый объем основной динамической памяти и объем внешней памяти 36,42322330 Гбайт. Для каждой ЭВМ кластера требуется сетевой адаптер, обеспечивающий скорость передачи данных 1 Гбайт/с. Следовательно, потребуется 32 кабеля для подсоединения к коммутатору. Однако коммутатор, например, фирмы Emulex cLAN5300 имеет 30 портов, поэтому потребуется 2 коммутатора, соединяемых между собой кабелями.

Для размещения каждой ЭВМ потребуется одна единица модульного пространства. Для размещения каждого коммутатора потребуется две единицы модульного пространства. Таким образом для размещения компонентов кластера необходимо 36 единиц модульного пространства, а следовательно, достаточно одной стандартной стойки (шкаф).

При проектировании кластера с заданными характеристиками на базе 2-процессорных ЭВМ (модель 330) потребуется вдвое меньшее количество компьютеров. Максимальный объем основной памяти этих ЭВМ составляет 4 Гбайта. Для создания кластера, имеющего 32 Гбайта основной памяти, достаточно использовать часть основной памяти 2-процессорных ЭВМ объемом 2 Гбайта. В модели 330 имеются 2 дисковых накопителя, каждый объемом 73,4 Гбайт. Использование 16 компьютеров позволит достичь требуемого объема внешней памяти 73,42162,3 Тбайт. Для объединения ЭВМ потребуется 1 коммутатор. Для размещения компонентов кластера потребуется 18 единиц модульного пространства, т. е. 1 стойка.

Если используется 8-процессорная ЭВМ (модель 370), то для организации кластера достаточно 4 ЭВМ. Максимальный объем основной памяти 8-процессорных ЭВМ составляет 32 Гбайта. При конструировании кластера с заданными параметрами достаточно использовать 8 Гбайт основной памяти в каждой ЭВМ. Каждая ЭВМ имеет 2 дисковых накопителя, каждый объемом 73,4 Гбайт. Поэтому потребуется добавление внешнего блока из 6 дисковых накопителей, например, EXP300 Storage Enclosure (до 14) и соответствующий контроллер, например, Extra PCI Ultra 160 SCSI Adapter для каждой ЭВМ. Для размещения 6 дополнительных дисковых накопителей потребуется 3 единицы модульного пространства. Каждой 8-процессорной ЭВМ для размещения требуется 8 единиц модульного пространства. Для объединения ЭВМ достаточно 1 коммутатора. Для размещения всех компонентов кластера потребуется 45 единиц модульного пространства, т. е. 2 стандартных стойки.

Далее, используя стоимость компонентов, необходимо вычислить цену кластера для каждого из трех вариантов и выбрать подходящий вариант аппаратной части кластера. Кроме того необходимо рассчитать затраты на сопровождение и эксплуатацию кластера и стоимость программного обеспечения кластера.

Кластеры, выполненные в специализированном компактном конструктиве (или кластеры выделенных рабочих станций). Малые физические размеры кластера позволяют применить коммуникационные сети с очень высоким быстродействием. Эти факторы позволяют получить от специализированных кластеров (по отношению к Beowulf-кластерам) быстродействие в терафлопсовом диапазоне. Примером такого кластера является кластер СКИФ, разработанный по программе Союзного государства Россия – Беларусь. СКИФ имеет двухуровневую архитектуру.

Кластерный уровень, который состоит из множества SMP процессоров, соединенных системной коммуникационной сетью. Вспомогательная сеть обеспечивает доступ к кластеру от множества удаленных пользователей.

Потоковый уровень, или уровень однородной вычислительной среды (ОВС). После заданной настройки ОВС работает аппаратном режиме, и при поступлении на вход непрерывного потока данных (например, от радиолокационных антенн) может обеспечивать очень высокое быстродействие.

Каждое приложение может быть для реализации разбито на фрагменты. Фрагменты со сложной логикой вычислений, требующей крупных блоков для паралле-

льного выполнения могут быть эффективно реализованы на кластерном уровне. Фрагменты с простой логикой вычислений, требующие для выполнения конвейерных методов, могут быть эффективно реализованы на ОВС. Фрагменты с простой логикой вычислений, но с большим числом потоков информации, требующей обработки в реальном режиме времени, также могут быть реализованы на ОВС.

Сетевая операционная система, используемая в кластере, обеспечивает выполнение следующих функций. Обеспечение запуска процессов. Осуществление передачи данных между процессами. Осуществление доступа к удаленной файловой системе и устройствам вывода.

2007-09-07 Добавление

При решении задач на ЭВМ можно выделить шесть этапов.

1. Разработка математической модели решаемой задачи.

2. Разработка методики решения и определение ограничений на решаемую задачу.

3. Разработка алгоритма и запись его на некотором языке.

4. Проектирование для созданного алгоритма программы, представляемой на языке программирования.

5. Тестирование и отладка программы.

6. Решение задачи на ЭВМ.

После создания исходного описания программы его необходимо преобразовать в двоичные коды, осуществить загрузку кодов в основную память ЭВМ и запустить процесс выполнения программы. Использование двоичных кодов необходимо для представления следующих объектов: машинных команд (инструкций), задающих действия процессору, числовых типов данных, логических типов данных, символьных (текстовых) типов данных (алфавитно-цифровых).