（电路与系统专业论文）基于pvm的研究任务迁移c对象分布并行及capability实现.pdf

摘 要 3 .提 出 了 基 于p v m的 一 种c + + 对 象 分 布 并 行 新 机 制 。 其 要 点 是 丁 不丁 通过将面向对象应用主程序和并行类映射为 p v m任务， 请求并行对象一并 行类的实例映射为以 请求消息为参数并行类 p v m任务例程的一次执行， 请 求并行类对象消息映射为请求 p v m任务消息;( 创 在原 p v m系统结构 上， 通过对 p v m协议和 p v m l i b作向后兼容的协议函数扩充，使其成为 对象分布并行支撑; ( i i i ) 用基于 p v m的对象分布并行预处理任务分离并 行类代码， 转换它为 p v m任务 代码， 并派遣到远端， 进行异地编译运行。 预 处理任务最后执行应用主程序， 同 并行类任务通信， 完成用户作业。 4 .建 议了 一 种 新的 可用于 机 群系 统的 可 信o s 安 全 核 心的c a p a b il i ty 实 现 机制， 淇特点是:( i ) 可以对用户( 进程) 和 程序分别进行独立的 c a p a b i l i t y 权限控制， 具有极好的灵活性和可伸缩性。 ( i i ) 应用虚拟: o o t 用 户技术， 本机制可对系统功能、 r o o t 用户使用的s h e ll 命令分别进行控制， 可 分解r o o t 特权， 并禁止用户以r o o t 身份登录系统。 ( i i i ) 本机制与c 级操作 系统的 d a c机制呈叠加关系，完全不冲突，大大加强了系统的安全性。 ( i v ) 本机制的权限并不能由被授权的用户任意转让与它人，因此不具 d a c 特性; 相反， 一旦针对进程的 c a p a b ili ty机制开启后， 核心的 c a p a b i li ty权限检测是强制的， 因 此具有 “ m a c ” 特性。 本机制的主要特点 是: 开发工作量小， o s 核心增加代码少， 且能达到同 样的安全控制效果。 电 子 科技 大 学 博士 论文:基于p v m的 研究 一任 务 迁 移， c + + 对 象分 布 并 行 及c a p a b i l i t y 实 现 s o m e r e s e a r c h t o p i c s b a s e d o n p v m: t a s k mi g r a t i o n , c + + o b j e c t d i s t r i b u t e d - p a r a ll e l a n d c a p a b i li t y i m p l e m e n t a t i o n ( u n iv e rs i ty o f e l e c tr o n ic s c i e n c e a n d te c h n o lo g y o f c h in a 6 1 0 0 5 4 c h in a ) a u t h o r : yl i a d v is o r : p ro f . j u e b a n g y u ab s t r a c t t h e re s e a rc h o n c o m p = s y s te m s w h ic h c a l p ro c e s s 讥 p a r a lle l is o n e o f th e im p o r ta n t tre n d s f o r d e v d 咖 g c o m p u t e r te c h n o lo g ie s . c lu s te r i s a n u n p o lt a n t b r a n c h f o r th e m a i n s t re a m o f d is tri b u te d p a r a ll e l c o m p m n g , a n d p v m i s a n e x c e l le n t c a s e o f c l u st e r . h is o f tlme tic a l s ig nifi c a n c e a n d p r a c tic a l v a l u e to i m p r o v e th e d y n a m ic s i z e s c a l a b ili ty o f c l u s te r , d e c re a s e th e d if fi c u l t y i n d e v e lo p in g d i s t ri b u te d p a r a ll e l a p p li c a ti o n s o ft w ar e , a n d e n h a n c e s y s te m s e c u r it y c a p a b il ity a im e d a t p t o w ctu n g 此s y st e m f r o m m a li c io u s fr m rd u ler r c e a n d a n a rk . t h is d is s er t a t io n ta b s th a t a s u ft y a a n d m a k e s 血i o u g h r e s er u e h o n p v m . t h e c c x m rb tm o r ts o f th e d is s e i ta ti o n a re : 1 .b y th o r o u 助l y a n a l y z in g th e p v m s o u r c e c o d e , w e d e m o n s tr a te t h e k e rn e l i n te rn a l s o f p v m : th e s o f t a r c h it e c tu re , m e s s a g e p a s s in g , m e s s a g e d r iv in g a n d s y s te m c o n tro l p ri n c ip l e s . t h e c o n te n t is o f in te re s t 。d e v e lo p in g d is m b u te d -p a r a l le l s y s t e m a n d a p p l ic a t io n s o ft ftw a r o w ith m e s s a g e r i v in g b a s e d o n m u lti c o m p u te r 1 a n d d is tn b uu e d n e m to r y e n v irix n r a tt 2 . p v m ta s k m igr a tio n i s 此b a s ic is s u e o f th e p v m d y n a m ic s iz e s c a l a b il i t y . t h e d is s c v a t c v s u g , a n o v e l tas k m igr a ti o n pr o t o co l a n d im p le m e n ta ti o n o f a n a m e -c h a n g in g m e c h a n i s n , th e p r o t o c o l c o n s i s ts o f t h e f o ll o w i n g : t h e t a s k re l a t e d t o n d g r a ti o n b e i n g h a lte d te r rp a a ri b 气 c o n s ta n tly c h a n g in g 此s o u r ce m e st i t-z o n a d d re s s o f m id w a y p ac k a g e t o th e “ a d d re s谕t h e ta s k r m g r a ti o n ; r e b u ild in g c o tn _c tly c o m m un ic a ti o n c o n n e c ti o n h e tw e e n t a s k s ; a f te r s e n d in g it s o w n d a t a m a p t o th e p e e r d e s t in a t io n t a s k , th e s o u r c e ta s k t e r m in a ti n g i ts e l f , th e d e s ti n a ti r n ta s k g e tti n g th e d a t a m a p , s e tt in g a n d ru n n i n g o n it , i .e . t h e s o u rc e ta s k b e in g m ig r a te d t o ;l ie d e s ti n a t i o n h o s t a n d e mb n u o u s l i m p l e m e n t a ti o n m e t h o d s a re : y y t u u ; n g e x te n d i n g fr o m th e m igr a ti o n b re a k p o i n t o f p r o , r a n . t h e p v m ns s a l r a i i v i n gn 拟 如 疵 s mwo i t h e t 3 斌 m igr a ti o n p rot o c o l f u n c tio n s , a n d m a k in g ft s y st e m b e in g a b le to a u t o m a tic a ll y p r o c e s s 此 y wtn 摘 要 d a ta s a u .c u e r e la te d to d i s k m ig r a t o n f r t i a tis p a w ta s k m 必 a tio n . a d v 时 理 邵 o f th e p ro p o s e d ta s k tr a 6 a tir a p ro to cx i a re 忱uo w u tg : ( 1 ) th e ta s k m ig i a n o n i s i n d e p e n d e n t, th a t i m p li e s s o v e r a l ir it lcc p e n d e n : ta s k 而g r a tio n a c t iv it ie s c a n s im u lta n e o u s ly e x is t in 此s y s te m; ( 2 ) d i e 而g r a t io n is tr u hs p a o . r -, .d r a t m e a ts a n y ta s k m ig r a t io n d o e s n o t a f x t o t h er ta s k s o f th e p v m s y s te m ; ( 3 为 ti c : m i g ra ti o n is c o 卿le t 减此 s y s te m c o m m u n ic a t io n tr a ffi c d o e s n o t in c re a s e 际此 rr u cx r y halt th e m ig ra tio n h : s h a n p e t x x l b e f o r e ; (4 ,v r p m ta n l is ti n y s im p le . 3.11x d is s e rt a ti o n p r o p o s e s a n o v e l c 斗 十 由沁 d is tn b u re c l-p a a lle l m y h a n is m b a s e d o a p v n i t- m a in l z lirhrs a r e : ( 1 ) m a p p in g m a in a p p h #o n p tn g r a m a n d p a ra ll e l-c- l a s s e s t o p v m ta s k s , a n o ; 4 .p n ; a re q u e s t o b j e c t m e s s a g e t o a r x tu e st p v m t a s k m e s s a g e ; ( 2 ) m a lt i n g th e p v m s y s t em s u p p il i i f o r c + + o b j e c t d is u i b m e d - p a r a ll e l th ro u g h e x te n d in g its p ro to c x l a n d p v ; n li b w i t h o b jec t. d i t i b u te d - p a ra ll e l p r o t o c o l f u n c t io n s ; ( 3 ) u s i n g p r e h ro c e s s e r l o s e p a ra te th e p a r a lle l- c l a s s e s lr o m u s e r s j o b p r o g ra m th en c h a n g e th e m t o p v m ta s k s a r td d is p a tc h th e m to (iu r re te ) h o st c o n， -w s in p v m f o r com p il in g a n d n a m in g t he m o v e , th e me ; (4 ) fi n a lly , r u n n in g th e u s e r a p p li c a t io n m a in p ro g r a m th ru p r e p ro c e s s i n g ta s k ， a n d c o m m u n ic a t i n g w it h p a r a lle l- c l a s s ta s k to c o 动te 此u s e r s 协 4 . i b e d is s a k v io n p ro p o s e s a n e w la n d o f c a p a b ilit y im p k m e m r m m e d -a n is n f o r a te s te d o s s e c u re k e rn e l w h ic h c a n th u s b e u s e d i n c lu s te r s y s t e m s . f u n c t i o n s o f th e p r o p o s e d c a p a b i li t y m e c h a n i s m a re th e f o ll o w i n g : ( 1 ) s in c e u s e r ( p r o c e s s ) a n d p r o g r a m c a p a b i l i t y con tr o ls a re s e p a r a te ly m a d e , it is o f g o o d a g il ity a n d s c a la b ility . (2 ) i n te a m s o f v ir w a li z in g th e r o ot u s e r in o s k e rn e l , it is p o s s ib l e t o c o n t ro l li n g s y s te m -c a ll a n d th e c o r r rn ta n d u s e d b y ro o t u s e r o n e b y o re , d r u x r rp - o n d i e o t h e r h a rd , o n c e t he n - l ha n is m f o r it s is i n it ia l iz e d , 此c a p a b 岭 c o i =l w ill 比f a f r e d o n , in t h is c hs e , th e s y s te m w i ll h a v e th e ma c c h a n tl e n s tk - s , t h e mi n a d v a n ta g e s o f th is k in d o f c a p a b 卿 irr p le r n e n ta a c n m e d i a n is m r a n b e s iu n r i la u m d a s fo llo w s : e a s y to im p le trerx , a u g m e n ta ti o n to 此o 心 n a l lq =l co d e s is 恻to s m a l l, a n d n o s a cr ifi c e in s y s te m s e c u r i t y i s p t e s e n t 电子科技大学博士论文: 基于p v m的研究刊i 务迁移。 c + + 对象分布并行及c a p a b il i ty实现 第一章绪论 1 . 1 研究背景与课题来源 机群系统( c l u s t e r ) 是近年来计算机科技领域内最活跃的研究热点之一 1 ,2 ,3 1 。机群系统通过高性能网 络或局域网( l a n ) ， 依一定拓扑结构物理地将 位置上分布的、 同 构或异构的多个廉价p c机、 工作站或高档( s m p ) 服务器连 接在一起， 在各结点通用操作系统之上的消息传递机制， 单一系统映像设施 ( s s d 和并行编程环境( 接口 ) 支持下， 统一调度系统资源、 协调处理用户分布并 行任务， 形成高能用、高可用、 高性能价格比、可扩展的巨型工作站或超级 服务器。 对用户来说机群系统是具有虚拟的单一系统映像的分布并行系 统。 由于在理论、 技术、应用和市场等诸多方面的广阔前景， 机群系统在国 内 外受到高度重视并已 投人大量的 人、 物力。目 前， 市场上已 有许多由i b m, s u n , s g i ,惠普、 康柏和微软等公司推出的 通用或专用的商用机群产品。目 前机群系统的主要发展趋势是: . 从支持大尺寸、 高端计算机系统向 支持高容量、 小尺寸桌上系 统过渡， 开发基于i n t e l 微机和低价工作站的机群系统。 . 通过软硬件冗余， 尽量提高机群系统的高可用、 高性能和可扩展性。 a 发展精巧化的 机群系统。 从研发情况看， 机群技术是一个活跃的研究领域。当前，国 外著名的研 究项r 有: b e r k e l e y n o w 4 , p r i n c e t o n s h r i m p 5 ， w i s c o n s i n w i n d t u n n e l 6 等。 国内 项目 主要有国 家智能中 心( n c i c ) 的( “ 九五” 8 6 3 ” 项目) “ 曙 光系 列可扩展并行计算机系统” 7 , c / / 语言” 8 研究项目 等。与机群系统 相 关的主要研究方向 有: 单一系统映像， 并行编程环境， 快速通信， 作业调 度， 高可用， 可扩展， 体系 结构， 如 ， 文件系 统和共享存储器等。 基于低端计 算机系统的 机群系统由 计算机硬件平台、 通用高速网或局域 i 第-章绪论 网 ( l a n ) 软 硬 件、 通 用 操 作 系 统 ( o s ) 和 运 行 于o s 之 上 的 a 系 玩 初蔽晤研. 构成。机群系统软件起单一系统映像和分布并行支撑的作用， 使系统具能用 性、 可用性、和可扩展性。其具体功能是屏蔽机群多机特征和结点异构性， 进行全系 统的资源管理、 分布并行任务的 调度、 基于消息传递的分布并行任 务的交互和作业u o 。 这种结构的主要优点是实现简单、 便于使用、 且易于移 植。 并行虚拟机( p v m ) 是符合该结构的典型实例。 美国橡树岭国家实验室、田 纳西大学和亚特兰大大学合作开发的自 含式 非专利的p v m是基于 通用高速网 或局域网 互连异构廉价p c 机， 低档工作站 构uu4.系 坑的 优t s f u羊 系统软件 9 , 1 0 , 1 1 , 1 2 。 尽管p v m最初是面向低端计 算机系 统开发的， 现在已 被移植到各种u n i x平台 上( 包括商档s m p 服务器、 p v p 和m p p 等高端系统) 和wi n 9 5 , n t平台上。 p v i d支持c , f o r t r a n 和j a v a编程语言， 是目 前被使用最多、 最流行的分布并行处理软件平台， 荃 本上已 成为 基于消息传递并行编程的事实标准。 当 前， 许多人出于不同目 的， 从不同角度对p v m进行探索和研究。 我们 基 于自 己 的 条 件、 环 境 和 需 求， 也 对p v m作了 积 极 探 讨 和 尝 试， 并 获 得 一 些 可喜的进展。本文介绍我们基于p v m研究的有重要参考价值的成果和结论。 我们得到信息产 业部电 科院九五国防预研基金的资助， 研究作为p v m可 扩展性基础的p v m任务迁移技术。 使用p o s t 进程转发捎息来实现m a 任务 迁移 ( 包括m p v m 方法) 的方法效率低、 可扩展性差。 与其不同， 我们基于 p v m体系 结构和消息驭动机制， 对系 统作了少量向后兼容的 扩充 ( 增加了 部 分与任务迁移相关的协议操作函 数 ) ， 令同 迁移关联的任务在迁移期间 暂停 活动且适时修改与迁移任务地址 ( 任务号) 有关的 信息， 即 改名机制， 来实 现p v m任务迁移。 此外， 我们还得到四 川省科技基金的资助， 研究并首次提出了 基于p v m 的c 十 十 对 象 分 布 并 行 机 制。 该 机 制 不同 于d o c ( d i s t r ib u t e d o b j e c t c o m p u t i n g ) 的典型c o r b a ( c o m m o n o b j e c t r e q u e s t b r o k e r a r c h i t e c t u r e ) 的 本质上是远 过 程 调 用 的“ 被 动 式” 的 对 象 分 布 概 念。 本 机 制 是“ ,t动 式” 的 对 象 分 布 并 电 子 科 技大 学博 士 论文:基 于p v m的 研 究 . 任务 迁移。 c + + 对 象 分 布 并 行 及c a p a b i l ity实 现 行 ， 能 使 分 布 并 行 的 面 向 对 象 程 序 充 芬 4 11 角 系 丽骊蔽.藏巍薪茹薪百丽 用请求对象消息和对象分布并行， 对程序员完全屏蔽了p v m的消息传递和任 务管理，简化了p v m的分布并行应用编程。 我们同 信息产业部某所合作， 研究了 也可用于机群系统安全的可 信o s 安 全 核 心的实 现 技术， 并提出了 一种 新的c a p a b i l i t y 实现 机 制。 本机 制对用 户、 进程 和 程 序 分 别 进行 独 立的c a p a b ili t y 权限 控制( 控 制 系 统 功 能 调 用 和 用 户 命 令， 且分 解: c o t 权限) ， 具 极 好的 可扩 展 性和 “ m a c ( m a n d a t o ry a c c e s s c o n t r o l ) 特性。 1 . 2 课题的目 的和意义 作为机群系统优点的能用性、 可用性、 可扩展 性和高性能格比的这四 个 机群特征相互间并不是完全独立的，它们存在相互制约的关系。其中最重要 的特性是可扩展性， 它在相当的程度上影响其它特性。这也是为什么可扩展 性 是 机 群 技 术 追 求的 主 要目 标 的 原 因 。 p v m仅 具 备 好 的 静 态 规 模 可 扩 展 性 和 静态负载均衡分配机制， 当 运行多个长运行时间的大型分布并行程序时， 该 缺陷表现得尤为突出。 研究p v m任务透明 迁移的目 的 在于开发p v m的负载 均衡功能， 使p v m系统能具备动态规模可扩展性， 以 在原基础上进一步提高 系统的能用性、 可用性和高性能价格比。 p v m是最流行的 分布并行软件平台。由于p v m提供基于消息传递的 分 布并行编程接口， 程序员必须显式处理任务间的消息传递和任务管理， 编制 p v m分布并行应用程序存在一定难度。这对推广、 普及p v m系统不利。这 个问 题同 样是一般机群系统存在的问 题。对象是客观实体的 抽象， 本身具有 内在的并行性。以p v m系 统作为分布并行支撑、 开发基于p v m的透明的 对 象分 布并行 机制， 使 面向 对象分布并行程序能充分利用资源、 缩短作业运行 时间， 并 大大 降低分 布并行应用程序的 开发 难度。 这也是 d o c ( d i s t r ib u t e d o b j e c t c o m p u t i n g ) 的 最重 要的 动机。 随着网络及其它信息技术的 发展和普及， 信息安全 ( 已波 及到企业安全 3 第一音绪论 和国家安全) 受到了 严重威胁和挑战。 机群系统中的结点计算机同一般的联 网 计算机一样存在信息安全问题， 且由于其自 身结构的特点， 有受到来自 机 群内部和机群外部信息攻击的双重威胁。信息安全的重要组成部分之一， 是 可 信 操作系 统的 安 全核心。 开发c a p a b i l i t y 新实 现机制的目 的 就是 使作为 软件 平台的 o s( 包括 p v m 系统的支撑) 能做到:强化任意访问控制 d a c ( d is c r e t io n a ry a c c e s s c o n t r o l ) ， 强制 进 行系 统 命 令 及系 统调 用 权限 的 安全 检查; 具一定抗绕过、 渗透和欺骗系统安全机构的能力。并且该新机制开发 和运行的开销不大。 1 .3所 做的 工 作及 本 文内 容 安排 本文基于p v m系统和l i n u x操作系统核心做了 一些探索和研究。 . 分析p v m、 l i iv l i x , l d .s o 等源代码十 余万行。 . 基于原p v m体系结构和消息驱动机制、 增添了 新的向 后兼容的透明任 务迁移 协议函 数及相 关机构， 提出了 一 种新的、 不使 用p o s t 进程进行 消息转发的任务迁移新机制。 并对基于e l f 格式的进程迁移作了 研究和 探讨。 . 通过将并行类对象映射为p v m任务， 将对象消息请求回答映射为p v m 消息收发， 改造 p v m 系统为对象分布并行支撑， 在 ( 手工) 预处理 器的支持下， 派遣并异地编译运行并行类任务， 实现了基于p v m的对 象分布并行系统的原型。 . 本文 还给出了 一种 新c a p a b l i l t y 实 现机制。 核 心用部分原 理与 用户 进程 陷人核心获取系 统功能服务原理相似的 方法仿真r o o t 用户权限来完成 规定的操作，以实现取消r o o t 用户并分解r o o t 权限的目的; 对用户、 进程和程序的系统功能分别进行集中 式的权限控制。 本文内容及安排如下: 第二章首先介绍机群理论: 体系结构，机群系统特征 ( 可扩展性、 可 用 性、 s s i ) ， 低端机群实现及基于消息传递的 并行编程。 这一部分内 容作为 电子科 技大学博士论文:基于p v m的研究-任务迁移， c + + 对象分布并行及c a p a b il i t y 实现 机 群研究的 指导。 其次简单介绍p v m一般组成及其应用编程接口a p i 二 叙述 这一部分的目 的是为了能够更好地理解第三章的p v m系统原理。 第三章 介绍与本文相关的p v m系统核心原理， 为后续的章节作必要的技 术铺垫。 p v m核心体系结构、 消息传递、 消息驱动和系 统控制原理是本章重 点， 也是p v m源代码分析的主要成果。 第四 章 本章首 先讲 述p v m系 统 存在的 动 态可 扩 展问 题， 基于p o s t 进 程 转发消 息的 任务迁移方法和m p v m ( m i g r a t a b le p v m) 的 缺陷。 接着介绍我 们所提出 一种新的p v m任务迁移机制及动态规模可扩展问题的解决方案。 第五章 先论述基于消息传递并行编程问题， 分布对象 d o c ( d i s t r i b u t e d o b j e c t c o m p u t in g ) 研究现 状， 在 此 基 础 上 介 绍 我 们 在p v m对 象 分 布 并 行支 撑方面的 开发工作、 基于p v m的c + + 对象分布 并行机制和原型系 统的测试结 果。 第 六 章 主 要 讲 述机 群系 统 安全 问 题， 可 信o s 安 全 核 心 规 范、 c a p a b ilit y 模 型 及 软 件 体系 结 构， 并且给出.c a p a b il i ty 新的 实 现 机 制。 第七章 在结束语中对全文做了概括和总结， 同时简述了 作者在从事本文 工作过程中的体会和今后工作的展望。 第一章 绪论 参考文献 i .z h i w e i x u . c l u s t e r d e s i g n i s s u e s . t e c h n i c a l r e p o r t . n c i c o f c a s . j u l y ) 9 9 6 . 2 . k a i h w a n g , z h i w e i x u . s c a l a b l e p a r a l le l c o m p u t i n g t e c h n o l o g y , a r c h i te c t u r e , p r o g r a m m i n g . mc g r a w - h i l l . 1 9 9 8 3 . 王鼎新.可扩展机群系 统. f r o m h o t b b s s p o t . 1 9 9 7 4 .n o w p r o j e c t : e ff i c i e n t a n d p o r t a b l e i m p l e m e n t a t i o n o f mp i u s i n g a c t i v e m e s s a g e . u n iv e r s it y o f c a l i f o r n i a b e r k e l e y . 1 0 j u l y 1 9 9 6 ( h t t p :/ / n o w .c s .b e r k e l y e d u / f a r. t c o m tn . rn p i .h t m l ) 5 .e .w.f e lt e n , e t a l - e a r l y e x p e r i e n c e w it h m e s s a g e - p a s s i n g o n t h e s h r i mp m u l tic o m p u te r . p r o c . th e 2 3 0 -i n t 1 . c o n f . o n c o m p u t e r a r c h it e c t u r e , 1 9 9 6 6 . s . v a d v e , e t a l . . a u n i f i e d f o r m a l i z a t i o n o f f o u r s b a r e d - me m o r y m o d e l s . 正 e e t r a n s . o n p a r a l l e l a n d d i s t r i b u t e d s y s t e m s . v o 1 .4 , n o .6 .j u n e 1 9 9 3 . p p . 1 3 - 2 4 7 .林晓东. 机群系统中高可用文件服务的研究与实现. 博士论文. 成都: 电 子 科技大学. 1 9 9 9 8 ,z .x u , k .h w a n g . c o h e r e n t p a r a l l e l p r o g r a m m i n g i n c / / . p r o c . o f i n t 1 . c o n f . o n a d v a n c e s i n p a r a l l e l a n d d i s t r ib u t e d c o m p u t i n g . i e e e s o c i e t y p r e s s . ma r c h 1 9 9 7 . p p . 1 1 6 - 1 2 2 9 .v .s . s u n d e r a m ,e t a l . t h e p v m c o n c u r r e n t c o m p u t i n g s y s t e m : e v o l u t i o n , e x p e r i e n c e , a n d t r e n d s . p a r a l l e l c o m p u t i n g , v o l .2 0 . 1 9 9 4 .p p . 5 3 1 - 5 4 5 i o . v s . s u n d e r a m . p v m: a f r a m e w o r k f o r p a r a l l e l d i s t r i b u t e d c o m p u t i n g . j o u r n a l c o n c u r r e n c y : p r a c t i c e a n d e x p e r i e n c e , v o l .2 , n o .4 . d e c . 1 9 9 0 .p p . 3 1 5 - 3 3 9 i l g a .g c s t , e t a l . . n e t w o r l , b a s e d c o n c u r r e n t c o m p u t i n g o n t h e p v m s y s t e m . j o u r n a l c o n c u r r e n c y : p r a c t ic e a n d e x p e r i e n c e , v o 1 .4 , n o .4 .j u n e 1 9 9 2 . p p . 2 9 3 - 3 3 1 1 2 .a . b e g u e l i n , e t a l . . a u s e r g u i d e t o p v m p a r a l l e l v i rt u a l ma c h i n e . t e c h n i c a l r e p o rt o r n i j t m- i 8 2 6 .o a k r i d g e n a t i o n a l l a b o r a t o r y , j u l y 1 9 9 4 电 子 科技 大 学博 士论 文:基于p v m的 研 究 一 任 务 迁 移， c + + 对 象 分 布 并 行 及c a p a b i l i t y 实 现 第二章机群系统与p v m系统 p v m系 统是机群系 统开发领域中的 一个实例。它拥有自 身的 一些独有特 征， 但在更多的方面遵循机群系统的概念和理论。为了在本章后半部分介绍 p v m的 方便， 本章先对机群系统作一般性的简述。 2 . 1理想机群系统 本节介绍理想机群系统模型。在不同的实例中，由于 应用背景和追求的 目 标不同， 各种指标的取舍和折衷方案不同， 导致具体机群实例的软硬件体 系结构， 实现策略及方法， 机群特征和高层抽象等有很大差异川。 2 . l i 机群系 统概念 机群系统是通过高速网络或局域网络 ( l a n) ， 依一定拓扑结构物理地将 位置 上分布的同构或异构的p c 机、 工 作站或服务器连接在一起， 在各结点通 用 操 作系 统 之 上的 消 息 传递 机 制， 单 一 系 统 映 像 设 施 ( s s o 和 并 行 编 程 环 境( 接 口) 支持下， 统一调度资源、 协调处理用户分布并行任务， 形成的高能用、 高可用、 可扩展和高性能价格比 的分布并行系统 2 ,3 ,4 a o 机群的每个结点都是一个完整 “ 独立” 的 计算机系统。即每个结点有自 己的 处理器、 c a c h e 、 内 存、 磁盘及某些钧 接口 。 每 个结点都 驻有完整的操 作系 统。 结点可 拥有多个c p u ， 如s .m p 服务器。 机群结点的硬件和o s 可以 异构。此时， 它们采用x d r( 外部数据表示) 交互。 对用户来讲， 机群系统是一个单一的计算资源。机群使用单一系统映像 ( s s d 技术来实现单一资源概念。 s s i 使 得机群系 统变得容易使用和管理。 从用 户观点看， 机群系统是一个巨型工作站或超级服务器。 机群结点一般使用通用高速网络以松藕合方式互连。为了实现上的方便 第二章机群系统与p v m 系统 和 便于移 植， 通常使用标准协 议 如t c p / lp ) 进行结点间的 通信 一般而言， 机群系统增强了系统的可用性， 并充分利用了系统内的资源， 提高了系统吞吐量 ( 单位时间完成的任务数) 或缩短了大型作业的运行时间。 理想机群系统的体系结构如图2 - 1 0 图2 - 1 理想机群系统体系结构 2 . 1 .2 机群特征 机群主要特征有能用性、 可用性、 可扩展性和高性能价格比。其中可扩 展性尤为重要。 熊 用 性 是 指 机 群 系 统 易 为 用 户 使 用， 并 为 之 提 供 良 好 服 务 的 特 征 。 由 于 机群中的每个结点均是用户熟悉的 传统平台， 在s s l 和并行编程接口 支持下. 用户可容易地使用各种有力工具， 开发和运行分布并行程序。 原有应用程序 无需修改则可运行在机群系统上。机群系统为用户作业提供大的吞吐量或缩 短运行时间的服务。 可用性是指一个系统从事生产性使用的时间百分比。 通常由下式来描述: 可用性二 m t t f / ( m t t f 十 m t t r ) 其中， m t t f ( m e a n t i m e t o f a i l u r e ) 是平均无故障时间; m ttr ( m e a n t i m e t o r e p a i r ) 是 平均修复时间。 一个系统的原始可用性是系 统的固有性质。 要提高可用性， 系 统必须增 加相互独立的 冗余软硬件， 消除系 统内的单点故障。 使用 故障诊断技术发现 和定位故障部件， 触发容 错机构， 依一定策略使系统回 卷到故障前的某个位 电 子 科技大 学博士 论文:基于p v m的 研究 一任 务迁移， c 十 十 对象 分布并行及c a p a b i l i t y 实现 置， 进行故障恢复、 重新工作。 检查点技术目 前被广泛用于故障恢复。提高 系统的可用性常通过特殊硬件的支持， 用软件加以 实现。如m a r a t h o n m i a l 2 容 错机群。 若不使用硬件支持， 可用性效果和系统效率会很差。 对于可扩展计算机系 统， 可扩展性概念如下 5 ,6 : 资源可扩展性 规模可扩展性 资源可扩展性 系统中的 处理器数可增加或减少。 处理器个数不变情况下， 其它资源 ( 内 存) 可增减。 系统可使用更高版本， 功能更强， 地址 空间更大的软件。 性二 展. 扩! 可. 件. 软. 机暑 跳 对 芡 司 扩展 性当裂划瞻增仰寸 ， 应用可扩展性 1-0 11 傲 .t , 扩 展 性1 71 11增郊寸 ，系 细 泪有 赘 沙。 !lji.ee.，、1t 技术可扩展性 代可扩展性指系统在时间上的 适应延续能力。 空可j犷反 胜裂( 结点 ) 书 胜词到闹幼。 异构可扩展性 系统中部件 ( 结点) 间的开放能力。即异 构结点互连、 互操作的能力。 对机群系统而言， 可扩展性主要是指系统的 计算能 力随结点增多而增加， 即指机群系统的规模可扩展性。 由于机群系统是松藕合结构 +， 其可扩展性是很好的。机群系统的扩展性 根据扩展时机，又可进一步划分为: 静态规模可扩展: 在机群初启时， 或在系统中 无作业、 结点中无任务运 行时， 配置系统的规模。 动态规模可扩展: 系统规模可随 机扩展或收缩， 而不影响在系统中正运 行的分布并行任务。即系统规模的随机扩展性， 对系统中正在运行着的用户 作业是透明的。 作者认为: 1 在机群系统上开发动态规模可扩展性是可行的。 2 机群动态规模可扩展性更具实际意义。 9 第