6.3. Архітектура кластерів

Кластери тепер називають "вбивцями" традиційних суперкомп'ютерів. Можливість сконструювати із стандартних компонентів систему, за продуктивністю наближається до астрономічним за вартістю спеціалізованим суперкомпьютерам, однак обходящуюся у багато разів дешевше, визначило виняткову популярність кластерних рішень, і не тільки в обчислювальних та наукових програмах, але і в комерційних областях, там, де необхідні високі показники продуктивності.

Кластер визначається в [19] як різновид паралельного або розподіленої системи з об'єднаних в мережу комп'ютерів (званих вузлами кластера), що функціонують як єдиний обчислювальний ресурс. Вузлами кластера можуть бути як звичайні однопроцесорні ПК, так і багатопроцесорні SMP-системи, а також багатоядерні комп'ютери. Для об'єднання вузлів використовується широкий спектр мережевих рішень – від Ethernet (або навіть Internet, у цьому випадку прийнято говорити про метакомпьютерах, що містять іноді до декількох сотень тисяч вузлів) до спеціалізованих високопродуктивних технологій зразок SCI і Myrinet.

Кожен з вузлів кластера володіє власною системою вводу-виводу і пам'яттю, і така архітектура може бути віднесена до розряду масивно-паралельних. І вже точно — до розряду архітектурах з розподіленою пам'яттю. Кластери легко масштабуються і відрізняються високою надійністю (замінити що вийшов з ладу комп'ютер у вузлі кластера набагато легше, ніж лагодити суперкомп'ютер з ідентичною несправністю), причому вузли кластера необов'язково повинні бути ідентичними за своїми параметрами. Різні вузли можуть мати різні характеристики і навіть працювати під управлінням різних операційних систем (такі кластери називаються гетерогеними).

Рисунок 6.9. Різні види організацій кластерів:

а) і b) – гомогенний з однопроцесорними і двохпроцесорними вузлами,

з) – гетерогенний з одно - і двохпроцесорними вузлами.

Загальноприйнятою моделлю програмування на кластерах є модель обміну повідомленнями. Існують реалізації інтерфейсів PVM та MPI під основні операційні системи.

Серед недоліків кластерних організацій можна назвати неефективне використання пам'яті (у кожному з вузлів повинна бути завантажена копія операційної системи). І, звичайно ж, порівняно повільні (порівняно з використовуваними у суперкомп'ютерах) межпроцессорные з'єднання.

Є особливий різновид NUMА-кластерів, вузлами яких можуть бути SMP-системи. Прикладом може служити архітектура IBM NUMA-Q, базовими блоками якої служать чотирипроцесорні SMP-системи, об'єднані мережею SCI.

Тема 3. Загальна характеристика рс Лекція 6. Розподілені системи: особливості, характеристики

Система, відносини між елементами; предикати. Розподілені системи, неперервні та дискретні. Приклади РС: мережа газопроводів, електромережі, мережі зв'язку та інше. Зосереджені та розподілені системи. Тандеми РС.

Розглянемо спочатку поняття система. Під системою розуміється множина елементів і зв'язків між ними. Позначимо V – множина елементів системи. Тоді бінарне відношення R₂ V  V=V² задає наявність попарних зв'язків між її елементами. Якщо для деяких елементів xV і yV пара (x, y) R₂ , то в системі існує зв'язок від x до y. Якщо (x, y)R₂, то такого зв'язку немає. Порядок елементів у парі важливий, так як зв'язки можуть бути спрямованими, несиметричними.

У системі можуть бути не тільки попарні зв'язки, але й зв'язки трійок елементів. Такі зв'язки описуються тернарними відносинами R₃  V  V V = V³. Наприклад, зв'язок «дитина і його батьки» – зв'язок трьох елементів.

У загальному випадку в системі можуть бути також зв'язки, що задаються відносинами R₄ V⁴, R₅  V⁵.,..., R_n  Vⁿ. Тут n – кількість об'єднаних елементів системи.

З кожним відношенням пов'язаний певний сенс, який виражається висловом, наприклад, «x випливає y», «x посилає сигнал y», «x – дитина y і z» і т. д. Інакше кажучи, замість відносин (або разом з відносинами) зручно розглядати відповідні предикати P₂ , P₃ , P₄ ,..., P_n . На додаток до перерахованих розглядають і предикати P₁, які можна інтерпретувати як вираження властивостей елементів множини V.

Підкреслимо, що бінарних відносин у системі може бути декілька. Наприклад, в циліндрі двигуна автомобіля газ (бензино-повітряна суміш), спалахуючи, штовхає поршень і, одночасно, нагріває його. Тобто існує відношення «x штовхає y» та ставлення «x нагріває y». Ясно, що в залежності від цілей дослідження системи одні відносини розглядаються як істотні, а інші – як другорядні.

Множинність стосується не тільки двійковиих, але і тернарних та інших відносин. У загальному випадку систему можна описати як набір S = {V, {P_{i, j}}}, де індекс i означає арність відносини (чи кількість місць предиката), а індекс j дає можливість розрізняти відносини однієї і тієї ж арності.

Деякі з предикатів P_{1, j} можуть характеризувати місце розташування елемента системи. Наприклад, його географічні координати, просторові координати (супутник зв'язку), перебування в певному приміщенні (комп'ютер локальної мережі) і т. д. Підмножини елементів, що мають одне і те ж (в межах деякого допуску, наближення) місце розташування, ми будемо називати вузлами. Аналогічно, деякі з предикатів P_{2, j} можуть характеризувати взаємне розташування елементів, наприклад, відстань, час передачі сигналу, вартість перенесення інформації або речовини від одного елемента системи до іншого. Взаємне розташування може бути суттєвим і для трійок елементів, і для четвірок і т. д., і виражатися відповідними предикатами.

Розподіленими системами будемо називати такі системи, для яких предикати розташування елементів або груп елементів відіграють істотну роль з точки зору функціонування системи, а, отже, і з точки зору аналізу і синтезу системи.

Розподілені системи можуть бути безперервними і дискретними.

Безперервні розподілені системи характеризуються нескінченною кількістю елементів, а також тим, що в будь-якій малій околиці будь-якого елемента (в сенсі предикатів місцезнаходження) знаходиться, принаймні, ще один елемент.

Прикладом безперервної розподіленої системи є сталевий лист, який нагрівається в одній точці газовим пальником. Елементи системи – це «точки» листа з певними координатами. Кожна точка в деякий момент часу характеризується значенням температури, а весь лист описується деяким температурним полем. Температури близько розташованих точок мають значення, які мало відрізняються один від одного; значення температур залежать від віддаленості цих точок від джерела тепла. З плином часу значення температур збільшуються до певних меж, які залежать від температури пальника, координат точок, величини тепловіддачі листа в навколишній простір.

Дискретні розподілені системи характеризуються тим, що елементи системи чітко окреслені, відокремлені один від одного. Один із видів відносин – бінарне відношення «бути сусідніми елементами». Між двома сусідніми елементами інших елементів немає. Це не означає, що між ними не можна включити який-небудь третій елемент. Але тоді перші два перестають бути сусідніми.

В подальшому розглядаються в основному дискретні системи.

Розглянемо приклади розподілених систем