分布式与云计算系统第2章

1、Computer School, NUDT. Spring, 2013,1,Chapter 2: Computer Clusters for Scalable parallel Computing可扩展并行计算集群,Computer School, NUDT. Spring, 2013,2,2.1大规模并行集群 计算机集群（computer cluster）由相互联系的个体计算机聚集组成，这些计算机之间相互联系并且共同工作 对于用户来说，计算机集群如同一个独立完整的计算资源池。 集群化实现作业级的大规模并行，并通过独立操作实现高可用性。 计算机集群和大规模并行处理器（MPP）的优点包括可扩展性

2、能、高可用性、容错、模块化增长和使用商用组件。,Computer School, NUDT. Spring, 2013,4,计算机集群的设计宗旨: 可扩展性：计算机集群化是基于模块化增长的概念. 将几百个单处理器节点的集群扩展为10 000个多核节点的超级集群。这一些因素限制: 如多核心芯片技术、集群拓扑结构、封装方式、电力消耗和冷控制技术应用。 封装：集群节点可以被封装成紧凑或者松散的形式。封装直接影响通信线路的长度，需要选择合适的互连技术。紧凑集群通常利用专有的高带宽、低延迟的通信网络，而松散集群节点一般由标准的局域网或广域网连接。,Computer School, NUDT. Sprin

3、g, 2013,5,控制：集群能够以集中或分散的形式被控制或管理。紧凑集群通常集中控制，而松散集群可以采取另一种方式。在集中式集群中，中心管理者拥有、控制、管理和操作所有节点。在分散式集群中，节点有各自的拥有者。它同样需要进程调度、负载迁移、检查点、记账和其他类似任务的特殊技术。 同构性：同构集群采用来自相同平台的节点，即节点具有相同处理器体系结构和相同操作系统。异构集群使用来自不同平台的节点。互操作性是异构集群的一个非常重要的问题。在同构集群中，二进制进程镜像可以迁移到另一个节点并能够继续执行。这在异构集群中是不允许的，因为当进程迁移到不同平台的节点上时，二进制代码不继续执行。,Comput

4、er School, NUDT. Spring, 2013,6,安全性：集群内通信可以是开放的或封闭的。开放集群外界机器可采用标准协议（如TCP/IP）访问通信路径，从而访问单独节点。有几个缺点：集群内通信变得不安全; 外界通信可能以不可预测的形式干扰集群内通信; 准通信协议往往具有巨大的开销。在封闭集群中，集群内通信与外界相隔离，目前还没有高效、封闭的集群内通信标准。 专用集群和企业集群：专用集群由相同类型的计算机节点同构配置，被用于代替传统的大型机或超级计算机，极大地提高了吞吐量，并且减少了响应时间。企业集群主要利用节点的闲置资源，每个节点通常是一个完整的SMP、工作站或PC及其所有必要的

5、外部设备。通常是由异构计算机节点配置的。,Computer School, NUDT. Spring, 2013,7,基础集群设计问题: 可扩展性能：资源扩展（集群节点、内存容量、I/O带宽等）使性能成比例增长 单系统镜像（SSI）：集群是一个单一独立的系统。 可用性支持：集群能够利用处理器、内存、磁盘、I/O设备、网络和操作系统镜像的大量冗余提供低成本、高可用性的性能。 集群作业管理：实现高系统利用率，作业管理软件需要提供批量、负载均衡和并行处理等功能。,Computer School, NUDT. Spring, 2013,8,节点间通信：集群由于具有更高的节点复杂度，故不能被封装得如MP

6、P节点一样的简洁。集群内节点之间的物理网线长度比MPP长。 容错和恢复：机器集群能够消除所有的单点失效。集群能在一定程度上容忍出错的情况。故障节点上运行的关键作业可以被转移到正常运行的节点上。回滚恢复机制通过周期性记录检查点来恢复计算结果。,Computer School, NUDT. Spring, 2013,9,集群分类: 计算集群:主要用于单一大规模作业的集体计算。当单一计算作业需要集群中节点间的频繁通信，该集群必须共享一个专用网络，因而这些节点大多是同构和紧耦合的。这种类型的集群也被称为贝奥武夫集群。当集群需要在少量重负载节点间通信时，其从本质上就是众所周知的计算网格。紧耦合计算集群用

7、于超级计算应用。 高可用性集群：用于容错和实现服务的高可用性。高可用性集群中有很多冗余节点以容忍故障或失效。 负载均衡集群:通过使集群中所有节点的负载均衡而达到更高的资源利用。可以在不同机器间平衡负载，从而达到更高的资源利用或性能。,Computer School, NUDT. Spring, 2013,10,Figure 2.1 Architectural share of the Top-500 systems (Courtesy of 25),Computer School, NUDT. Spring, 2013,11,图2-2 Top500超级

8、计算机的性能变化曲线（19932010）,Computer School, NUDT. Spring, 2013,12,Computer School, NUDT. Spring, 2013,13,Computer School, NUDT. Spring, 2013,14,图2-3 前5名超级计算机的能耗和性能（2010年11月）,Computer School, NUDT. Spring, 2013,15,2.2 计算机集群和MPP体系结构 基本集群体系结构,图2-4 由商用硬件、软件、中间件和网络组件构成的计算机体系结构，支持HA和SSI,Computer School, NUDT. S

9、pring, 2013,16,Resource Sharing in Cluster of Computers,图2-5 连接集群节点的三种方式（P/C：处理器和缓存；M：内存；D：磁盘；NIC：网卡；MIO：内存-I/O桥）,Computer School, NUDT. Spring, 2013,17,节点结构和MPP封装:IBM BlueGene/L Supercomputer: The World Fastest Message-Passing MPP built in 2005,Computer School, NUDT. Spring, 2013,18,集群系统互连,Computer

10、 School, NUDT. Spring, 2013,19,谷歌搜索引擎集群体系结构,Computer School, NUDT. Spring, 2013,20,图2-8 Top500系统高带宽互连的分布情况,Computer School, NUDT. Spring, 2013,21,图2-9 InfiniBand系统构造在典型高性能计算机集群中的应用,Computer School, NUDT. Spring, 2013,22,硬件、软件和中间件支持,Computer School, NUDT. Spring, 2013,23,大规模并行GPU集群,图2-11 实现Echelon系统的

11、20Tflops和1.6TB/s内存带宽的GPU芯片设计,Computer School, NUDT. Spring, 2013,24,图2-12 由GPU层次网络构成的NVIDIA Echelon系统的体系结构，其中每个机柜可以提供2.6Pflops的性能，至少需要N=400个机柜才能实现所需的Eflops性能,Computer School, NUDT. Spring, 2013,25,CUDA并行编程 CUDA（Compute Unified Device Architecture,计算统一设备体系结构）由NVIDIA开发，提供并行计算体系结构。CUDA是NVIDIA GPU中的计算引擎

12、，允许开发者通过标准程序语言访问。程序员可以使用NVIDIA扩展和受限的CUDA C。CUDA C通过PathScale Open64 C编译器编译，可以在大量GPU核上并行执行。例2.4体现了在并行处理中使用CUDA C的好处。,Computer School, NUDT. Spring, 2013,26,2.3 计算机集群的设计原则 单系统镜像特征: 单一系统 用户将整个集群作为一个多处理器系统。 单一控制 逻辑上，一个终端用户或系统用户在一个地方只能通过单一的接口使用服务。 对称性 用户可以从任意节点使用集群服务。除了受到访问权限保护的部分，所有集群服务和功能对于所有节点和所有用户是对称

13、的。 位置透明性 用户并不了解什么位置的物流设备最后提供了服务。,Computer School, NUDT. Spring, 2013,27,单系统镜像（SSI）包括单一入口、单文件层次、单一I/O空间、单一网络机制、单一控制点、单一作业管理系统、单一内存空间和单一进程空间。,图2-13 采用负载均衡的域名服务器（DNS）实现单一入口,Computer School, NUDT. Spring, 2013,28,图2-14单文件层次中存储的三种类型。实线表示进程P可以访问，虚线表示P可能被允许访问,Computer School, NUDT. Spring, 2013,29,图2-15具有单

14、一网络连接、单一I/O空间、单一内存和单点控制的集群,Computer School, NUDT. Spring, 2013,30,SSI的最终目标是使得集群如同台式计算机一样易于使用,SSI额外特征： 单一作业管理系统 所有集群作业能够由任意节点提交到单一作业管理系统。 单一用户接口 用户通过单一图形界面使用集群。 单一进程空间 各节点的所有用户进程形成单一进程空间，并且共享统一进程认证机制。 SSI集群化的中间件 在集群应用的三个层次上，中间件支持各种SSI特征。,Computer School, NUDT. Spring, 2013,31,管理级 该级处理用户应用程序，并且提供作业管理系

15、统。 编程级 该级提供单一文件层次（NFS、xFS、AFS、Proxy）和分布式共享内存 实现级 该级支持单一进程空间、检查点机制、进程迁移和单一I/O空间。,Computer School, NUDT. Spring, 2013,32,图2-16 在连接到集群中4个主机的12个分布式磁盘之上具有单一I/O空间的分布式RAID体系结构,Computer School, NUDT. Spring, 2013,33,图2-17 在作业管理、编程和实现级上集群化中间件的关系,Computer School, NUDT. Spring, 2013,34,冗余高可用性 可靠性根据系统不发生故障的运行时间

16、衡量。 可用性表示系统对用户可用的时间百分比，即系统正常运行的时间百分比。 可服务性与服务系统的容易程度相关，包括硬件和软件维护、修复、升级等。,Computer School, NUDT. Spring, 2013,35,Computer School, NUDT. Spring, 2013,36,图2-19 SMP和三个集群中的单点失效（SPF），由a到d，其中冗余越大，消除的单点失效也越多,Computer School, NUDT. Spring, 2013,37,容错集群配置 热备份服务器集群 只有主要节点积极完成所有有用的工作。备份节点启动（热）和运行一些监控程序来发送与接收心跳信

17、号以检测主要节点的状态，但并不积极运行其余有价值的工作。 主动接管集群 多个服务器节点的体系结构是对称的。两个服务器都是主要的，正常完成有价值的任务。两个服务器节点通常都支持故障切换和恢复。 故障切换集群 当一个组件失效时，该技术允许剩余系统接管之前由失效组件提供的服务。故障切换机制必须提供一些功能，如失效诊断、失效通知和失效恢复。,Computer School, NUDT. Spring, 2013,38,检查点和恢复技术 检查点和恢复这两种技术必须共同发展，才能提高集群系统的可用性。 某个进程周期性地保存执行程序的状态至稳定存储器，系统在失效后能够根据这些信息得以恢复。 每一个被保存的程

18、序状态称为检查点。包含被保存状态的磁盘文件称为检查点文件。虽然目前所有的检查点软件在磁盘中保存程序状态，但是使用节点内存替代稳定存储器来提高性能还处在研究阶段。,Computer School, NUDT. Spring, 2013,39,2.4 集群作业和资源管理 集群作业调度方法 集群作业可能在一个指定的时间（日历调度），或者在特定事件发生（事件调度）时被调度运行。 根据提交时间、资源节点、执行时间、内存、磁盘、作业类型及用户认证的优先级，作业被调度。 静态优先级指的是根据预定的方案，作业被分配的优先级。 为用户分配不同的优先级，而作业的动态优先级可能会随时间发生变化。,Computer

19、School, NUDT. Spring, 2013,40,Computer School, NUDT. Spring, 2013,41,图2-22 用于集群节点上作业调度的瓷砖式覆盖技术减少了整体时间，因此增加了作业吞吐量,Computer School, NUDT. Spring, 2013,42,集群作业管理系统 作业管理也称为负载管理或负载共享。作业管理系统（Job Management System，JMS）具有三部分： 用户服务器：提交用户作业至一个或多个队列，为每个作业指定资源需求，将作业从队列中删除，以及询问作业或队列的状态。 作业调度器：根据作业类型、资源需求、资源可用性和调

20、度策略，执行任务调度和排队。 资源管理器：分配和监控资源，执行调度策略，以及收集统计信息。,Computer School, NUDT. Spring, 2013,43,集群计算的负载共享设备（LSF） LSF是平台计算中的商用负载管理系统。 在并行作业和串行作业中，LSF强调作业管理和负载共享。 它还支持检查点、可用性、负载迁移和单系统镜像。 LSF具有高扩展性，并且能够支持上千个节点的集群。 LSF服务于各种UNIX和Windows/NT平台。目前，LSF不仅在集群中使用，也在网格和云中使用。,Computer School, NUDT. Spring, 2013,44,MOSIX: Li

21、nux集群和云的操作系统 MOSIX由希伯来大学在1977年开发，是一个分布式操作系统。在1999年，该系统被重新设计，运行在x86平台的Linux集群上 用户可以从任何节点登录 没有必要修改应用程序或链接应用程序至特殊库。 没有必要复制文件至远程节点 用户能够平衡负载，从较慢节点迁移至快速节点 关于迁移进程直接通信的套接字也是可迁移的。 该系统以客户进程的安全运行时环境为特征。 该系统能够运行批量作业，并可以通过检查点恢复,Computer School, NUDT. Spring, 2013,45,Computer School, NUDT. Spring, 2013,46,Figure

22、2.4 Country share of the Top-500 supercomputers over time 25,2.5 顶尖超级计算机系统的个案研究,Computer School, NUDT. Spring, 2013,47,Figure 2.5 Application-area share of Top-500 systems over time. (Courtesy of 25),Computer School, NUDT. Spring, 2013,48,Top- 500 Release in June 2010,Tianhe-1A：

23、2010年的世界最快超级计算机,Computer School, NUDT. Spring, 2013,55,The Cray XT-5 Jagaur Supercomputer,Computer School, NUDT. Spring, 2013,56,Computer School, NUDT. Spring, 2013,57,Computer School, NUDT. Spring, 2013,58,IBM Roadrunner System,Computer School, NUDT. Spring, 2013,59,Computer School, NUDT. Spring, 2

24、013,60,(Courtesy of Bill Dally, 2011),(Courtesy of Bill Dally, 2011),A proposed Nivdia GPU chip processor architecture with 128 cores (160 GFlpos each) plus 8 latency processors (LP) connected to 1024 SRAMs (L2 caches) by a NoC, where MS are the memory controllers connecting to off-chip DRAMS and NI is the net