Міністерство інфраструктури України
ДЗ «Київський коледж зв’язку»
Лабораторна робота №3 з дисципліни «Паралельні та розподілені обчислення»
Тема: Оптимізація кластерних структур
Мета роботи: ознайомитися з принципами побудови кластерних структур; визначити основні чинники, які впливають на продуктивність кластерів; провести оптимізацію кластерної структури по заданим параметрам.
Обладнання та матеріали: ПК, математичний пакет MathCad.
Короткі теоретичні відомості
Під кластерною системою розуміють набір робочих станцій (або навіть персональних комп'ютерів) загального призначення, з'єднаних за допомогою стандартних мережевих технологій (Fast / Gigabit Ethernet, Myrinet) на базі шинної архітектури чи комутатора. Такі суперкомп'ютерні системи є найдешевшими, оскільки збираються на базі стандартних комплектуючих елементів ("off the shelf"), процесорів, комутаторів, дисків і зовнішніх пристроїв.
Кластер функціонує як єдина система, тобто для користувача або прикладної задачі вся сукупність обчислювальної техніки виглядає як один комп'ютер. Саме це і є найважливішим при побудові кластерної системи.
До загальних вимог, що пред'являються до кластерних систем, відносяться:
1. Висока готовність
2. Висока швидкодія
3. Масштабування
4. Загальний доступ до ресурсів
5. Комфортність обслуговування
У загальному випадку кластер функціонує як мультипроцесорна система, тому, важливо розуміти класифікацію таких систем в рамках розподілу програмно-апаратних ресурсів.
Поділ на High Avalibility і High Performance системи
У функціональної класифікації кластери можна розділити на "Високошвидкісні" (High Performance, HP), "Системи високої готовності" (High Availability, HA), а також "Змішані Системи".
Високошвидкісні кластери використовуються для завдань, які вимагають значної обчислювальної потужності. Класичними областями, в яких використовуються подібні системи, є:
• обробка зображень: рендеринг, розпізнавання образів
• наукові дослідження: фізика, біоінформатика, біохімія, біофізика
• промисловість (геоінформаційні завдання, математичне моделювання) і багато інших.
Кластери, які відносяться до систем високої готовності, використовуються скрізь, де вартість можливого простою перевищує вартість витрат, необхідних для побудови кластерної системи, наприклад:
• білінгові системи
• банківські операції
• електронна комерція
• управління підприємством, і т.п.
Змішані системи поєднують в собі особливості як перших, так і других.Позиціонуючи їх, слід зазначити, що кластер, який володіє параметрами як High Performance, так і High Availability, обов'язково програє у швидкодії системи, орієнтованої на високошвидкісні обчислення, і в можливому часу простій системі, орієнтованої на роботу в режимі високої готовності.
Проблематика High Performance кластерів
Рисунок 1. Високошвидкісний кластер
Майже в будь-орієнтованої на паралельне обчислення завданню неможливо уникнути необхідності передавати дані від однієї під задачі до іншої.
Таким чином, швидкодія High Performance кластерної системи визначається швидкодією вузлів і зв'язків між ними. Причому вплив швидкісних параметрів цих зв'язків на загальну продуктивність системи залежить від характеру виконуваної завдачі. Якщо завдання вимагає частого обміну даними з подзадачами, тоді швидкодії комунікаційного інтерфейсу слід приділяти максимум уваги. Природно, чим менше взаємодіють частини паралельної завдачі між собою, тим менше часу буде потрібно для їх виконання. Це диктує певні вимоги також і на програмування паралельних завдань.
Основні проблеми при необхідності обміну даними між підзадачами виникають у зв'язку з тим, що швидкодія передачі даних між центральним процесором і оперативною пам'яттю вузла значно перевищує швидкісні характеристики систем міжкомпьютерної взаємодії. Крім того, сильно позначається на зміні функціонування системи, у порівнянні зі звичними нам SMP системами, різниця у швидкодії кеш пам'яті процесорів і міжвузлових комунікацій.
Швидкодія інтерфейсів характеризується двома параметрами: пропускною здатністю безперервного потоку даних і максимальною кількістю самих маленьких пакетів, які можна передати за одиницю часу.