3. Проведите сравнительный анализ классификаций компьютерных систем.

Имеется множество различных классификаций параллельных КС.

В качестве основных признаков классификаций, характеризующих структуру и функционирование ВС с точки зрения параллельности работы системы, чаще всего используют следующие характеристики:

• тип потока команд

• тип потока данных

• способ обработки данных

• тип коммуникационной среды

• степень однородности компонент системы

• степень согласованности режима работы устройств

По способу обработки данных ВС делятся на системы с пословной и поразрядной обработкой. В системах с пословной обработкой все разряды каждого слова обрабатываются процессором последовательно (слово за словом). В системах с поразрядной обработкой одноименные разряды большого числа слов обрабатываются одним процессором, но параллельно (Ассоциативные системы).

Примерами возможных классификаций являются классификации по Флину, Хокли, Шнайдеру, Скилликорну, Фенгу, Хендлеру и множество других. Нельзя выделить какую-то одну систему классификаций потому, что они подразделяют ВС, основываясь на разных принципах.

4. Мультикомпьютеры, кластеры и симметричные мультипроцессоры  общая характеристика, схемы построения, особенности каждой из систем, области применения.

Мультикомпьютеры.

Мультикомпьютеры – совокупность объединенных сетью отдельных вычислительных модулей, каждый из которых управляется своей ОС (например, серии SP1I6M). Узлы мультикомпьютеров обычно не имеют общих структур и связаны лишь сетью. Узлы обладают высокой степенью автономности и могут состоять из отдельных компонентов, в том числе и кластеров, SMP-, SPM-, DSM-, MPP–систем.

Для распределенной ОС мультикомпьютер выглядит как виртуальный однопроцессорный ресурс. Взаимодействие процессоров реализуется с помощью явно заданных операций связи между вычислителями. Обычно в мультикомпьютере реализуется согласованный сетевой протокол, и не существует единой очереди выполняющихся процессов, хотя известны и другие примеры.

Кластеры.

Кластер – набор компонентов, рассматриваемый операционной системой, системным ПО, приложениями и пользователями как единая система.

Кластеры получили широкое распространение из-за высокого уровня производительности при относительно низких затратах. Высокая производительность объясняется отсутствием совместно используемой оперативной памяти и наличием в каждом узле копии общей ОС или собственной ОС для неоднородных кластеров. Специализированное ПО производит контроль правильности работы узлов кластера. При отказе узла кластера его ресурсы (дисковое пространство, задание и т.д.) переназначаются другим узлам.

По сути, кластер образуется из отдельных полноценных узлов, включающих процессоры, память, подсистему ввода-вывода, ОС и т.д. При объединении компьютеров в кластер чаще всего поддерживается прямая связь между узлами посредством коммуникационной сети. Технология такой сети может варьироваться от простейшей (Ethernet) до сложных специализированных вариантов, обеспечивающих высокую скорость обмена. Возможно параллельное использование нескольких независимых сетей в рамках одного кластера.

На рисунке изображены 2 типичные структуры кластеров: архитектура с разделяемыми дисками (слева) и архитектура без разделения дисков.

В архитектуре с разделением дисков все узлы кластера имеют доступ ко всем дискам. В архитектуре без разделения дисков, несмотря на то, что поддерживается целостный образ ресурса, каждый узел имеет собственную оперативную память и диски; в таких системах общей является только коммуникационная сеть.

С точки зрения повышения производительности кластер является хорошо масштабируемой ВС. Однако отсутствие общей разделяемой памяти (а иногда и единого адресного пространства) обуславливает большие накладные расходы, связанные с обменом сообщениями между узлами.

Наибольший эффект кластеры дают при вычислениях в рамках хорошо структурированных научных приложениях. С точки зрения удобства масштабирования кластерные архитектуры допускают практически неограниченное наращивание числа узлов. Для управления кластером используются специальные инструменты для поддержания единого образа ресурса, в частности, система пакетной обработки.

Симметричные мультипроцессоры.

Симметричный мультипроцессор (относится к классу SMP-систем) состоит из нескольких десятков процессоров, причем все процессоры разделяют общую память и объединены коммуникационной системой.

Существуют варианты SMP-архитектур с одной или несколькими системными шинами (например, Cray 6400 имел 4 системные шины). Также существуют SMP-архитектуры со специальными коммутаторами для связи процессоров, памяти и подсистемы ввода-вывода. Пропускная способность коммуникационной системы достаточна для поддержания быстрого доступа к памяти. У отдельных процессоров имеются свои уровни кеш-памяти. Достаточный объем кеша и сравнительно небольшое количество процессоров позволяет удовлетворять обращения к основной памяти. Это легло в основу названия таких архитектур - UMA-архитектуры.

UMA (Uniform Memory Access, однородный доступ к памяти).

В UMA-архитектурах имеется единственная ОС, а ПО работает с единым адресным пространством. При этом возникает сложная проблема сохранения когерентности данных (согласованного извлечения содержимого кешей и основной памяти). Если модифицируется одна из копий данных, остальные копии должны либо также модифицироваться, било объявляться недостоверными. Отсюда – 2 альтернативных подхода к поддержанию когерентности разделяемых данных:

1) запись с обновлением данных

2) запись с аннулированием данных

В SMP-системах обычно реализуется шинный протокол наблюдения. Происходит прослушивание шины всеми процессорами с целью обнаружения операций записи в те ячейки памяти, копии содержимого которых содержатся в кеше данного процессора. Производительность систем с общей памятью, в т.ч. SMP, зависит от принятой модели согласованности памяти, определяющей, в каком порядке процессоры наблюдают последовательность операций записи-чтения.

Передача данных между кешами различных процессоров в SMP-системах выполняется значительно быстрее, чем обмен данными между узлами кластера или мультикомпьютера. Поэтому SMP-система хорошо масштабируется с ростом производительности при обработке большого числа коротких транзакций (например, банковские операции).

Сохранение когерентности требует специальных аппаратных средств быстрой модификации копий данных. Однако, если следовать строгой модели согласованности, когда каждая операция записи возвращает последнее записанное значение, то происходит неизбежное падение производительности. Главная сложность построения SMP-систем - сильная связанность процессоров и наличие единой ОС, разделяемой всеми процессорами.