機(jī)群系統(tǒng)

　　基本體系結(jié)構(gòu)
　　1．機(jī)群系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)
　　機(jī)群（cluster）系統(tǒng)是互相連接的多個(gè)獨(dú)立計(jì)算機(jī)的集合，這些計(jì)算機(jī)可以是單機(jī)或多處理器系統(tǒng)（PC、工作站或SMP），每個(gè)結(jié)點(diǎn)都有自己的存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備和操作系統(tǒng)。機(jī)群對(duì)用戶和應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一個(gè)單一的系統(tǒng)，它可以提供低價(jià)高效的高性能環(huán)境和快速可靠的服務(wù)。
　　機(jī)群系統(tǒng)包括下列組件：
　　·高性能的計(jì)算結(jié)點(diǎn)機(jī)（PC、工作站或SMP）。
　　·具有較強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)功能的微內(nèi)核操作系統(tǒng)。
　　·高效的網(wǎng)絡(luò)/交換機(jī)（如千兆位以太網(wǎng)和Myrinet）。
　　·網(wǎng)卡（NICs）。
　　·快速傳輸協(xié)議和服務(wù)。
　　·中間件層，其中包括某些支持硬件，如數(shù)字存儲(chǔ)通道、硬件分布共享存儲(chǔ)器及SMP技術(shù)；應(yīng)用，如系統(tǒng)管理工具和電子表格；運(yùn)行系統(tǒng)，如軟件分布共享存儲(chǔ)器和并行文件系統(tǒng)；資源管理和調(diào)度軟件等。
　　·并行程序設(shè)計(jì)環(huán)境與工具，如編譯器、語(yǔ)言環(huán)境、并行虛擬機(jī)（PVM）和消息傳遞接口（MPI）等。
　　·應(yīng)用，包括串行和并行應(yīng)用程序。
　　2．組建機(jī)群系統(tǒng)的需求和功能
　　機(jī)群組建時(shí)應(yīng)考慮下面的需求和功能：
　　·較高帶寬的網(wǎng)絡(luò)，以支持通信需求；
　　·低延遲的通信機(jī)制；
　　·支持高帶寬的多點(diǎn)傳送通信方式；
　　·自動(dòng)恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)和結(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤的能力；
　　·標(biāo)準(zhǔn)的低級(jí)原語(yǔ)，支持通信、同步和時(shí)序；
　　·異構(gòu)的遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用，以隱藏體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議和系統(tǒng)的不同性；
　　·實(shí)時(shí)性能監(jiān)視器；
　　·可靠的批處理工作調(diào)度程序；
　　·分布應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)工具；
　　·支持傳統(tǒng)的高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行異構(gòu)計(jì)算；
　　·能夠開(kāi)發(fā)工作站機(jī)群的應(yīng)用程序；
　　·新的系統(tǒng)管理工具；
　　·發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化，以保護(hù)軟件投資。
　　3．機(jī)群系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的比較
　　一個(gè)典型機(jī)群系統(tǒng)和其他類(lèi)型系統(tǒng)的對(duì)比可參看下表。
　　基本類(lèi)型
　　機(jī)群系統(tǒng)可以按照應(yīng)用或結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi)。
　　1．按應(yīng)用目標(biāo)
　　可分為面向科學(xué)計(jì)算型或面向關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用型：
　　·高性能機(jī)群（high performance cluster）；
　　·高可用性機(jī)群（high availability cluster）。
　　2．按組成機(jī)群的處理機(jī)類(lèi)型
　　·PC機(jī)群；
　　·工作站機(jī)群；
　　·SMP（對(duì)稱(chēng)多處理器）機(jī)群。
　　3．按處理機(jī)操作系統(tǒng)
　　·Linux機(jī)群，如Beowulf；
　　·Solaris機(jī)群，如Berkeley NOW；
　　·NT機(jī)群，如HPVM；
　　·AIX機(jī)群，如IBM SP2；
　　·數(shù)字VMS（虛擬存儲(chǔ)機(jī)）機(jī)群；
　　·HP-UX機(jī)群；
　　·微軟Wolfpack機(jī)群。
　　4．按處理機(jī)的配置
　　·同構(gòu)型機(jī)群：所有結(jié)點(diǎn)擁有近似的構(gòu)造和相同的操作系統(tǒng)；
　　·非同構(gòu)型機(jī)群：所有結(jié)點(diǎn)擁有不同的構(gòu)造和不同的操作系統(tǒng)。
　　5．按處理機(jī)的位置和數(shù)量
　　·組機(jī)群，結(jié)點(diǎn)數(shù)量為2～99，通過(guò)SANs（系統(tǒng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)），如Myrinet，機(jī)群實(shí)際上裝入一個(gè)機(jī)箱中或存在一個(gè)范圍之內(nèi)；
　　·部門(mén)機(jī)群，結(jié)點(diǎn)數(shù)量為幾十或幾百；
　　·企業(yè)機(jī)群，結(jié)點(diǎn)數(shù)量為幾百。
　　6．按構(gòu)筑機(jī)群的方式
　　·專(zhuān)用機(jī)群；
　　·非專(zhuān)用機(jī)群。
　　極高的性能價(jià)格比使專(zhuān)用機(jī)群深受歡迎。
　　專(zhuān)用機(jī)群
　　專(zhuān)用機(jī)群一般由一組同構(gòu)的處理機(jī)組成（有時(shí)也有異構(gòu)情況），通常安裝在一個(gè)機(jī)房?jī)?nèi)，或者將主板等安裝在一個(gè)機(jī)柜的各機(jī)箱中（商業(yè)機(jī)群常用這種方式），或像圖中那樣簡(jiǎn)單地把PC機(jī)堆砌在機(jī)架上（Piles of PC）。在這種機(jī)群中，每個(gè)處理機(jī)都是專(zhuān)用的、無(wú)屬主的，由系統(tǒng)管理員統(tǒng)一管理，用戶可通過(guò)前端機(jī)進(jìn)行訪問(wèn)，用戶無(wú)需知道機(jī)群的詳情，就像使用MPP機(jī)一樣，易于配置和管理，不受外界干擾，通信可靠且延遲小，適合于面向加速比的并行任務(wù)和面向吞吐量批處理作業(yè)。專(zhuān)用機(jī)群具有相對(duì)結(jié)構(gòu)和管理簡(jiǎn)單、易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，用途極廣。
　　專(zhuān)用機(jī)群的互聯(lián)結(jié)構(gòu)通常有以下兩種方式：
　　·I/O方式 包括普通用LAN、FDDI、ATM等網(wǎng)絡(luò)連接和共享磁盤(pán)連接兩種方式。
　　·共享存儲(chǔ)器方式 包括全局共享存儲(chǔ)器方式和分布式共享存儲(chǔ)器方式。分布式存儲(chǔ)器指沒(méi)有一個(gè)集中的存儲(chǔ)器，由各處理機(jī)內(nèi)一部分存儲(chǔ)器通過(guò)軟件機(jī)制形成。
　　1994年夏，美國(guó)的研究人員建成了第一個(gè)Beowulf機(jī)群，它由16個(gè)DX4處理機(jī)組成。1997年，又推出了16個(gè)基于PⅡ的機(jī)群，只需花費(fèi)5萬(wàn)美元卻具有每秒10億次的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，而購(gòu)買(mǎi)具有相同能力并行機(jī)的投資數(shù)卻是它的10倍。 Berkeley的NOW系統(tǒng)也是較早的工作站機(jī)群，由上百個(gè)Sun Ultra工作站組成，集成到19 英寸機(jī)箱中，可使用Myrinet、ATM和終端集中器等多種互聯(lián)手段，每個(gè)結(jié)點(diǎn)自帶512K緩存、128M內(nèi)存及2個(gè)2.3G硬盤(pán)。
　　此外，各大公司推出的商業(yè)專(zhuān)用機(jī)群還有很多，如DEC 的VMS機(jī)群和TruCluster、惠普的Apollo 9000機(jī)群、IBM的Sysplex、Sun的Solaris MC 等。
　　在國(guó)內(nèi)，曙光公司最新推出了基于NT的天潮系列機(jī)群產(chǎn)品，是采用分布式存儲(chǔ)的可擴(kuò)展機(jī)群體系。其結(jié)點(diǎn)處理器為Intel PⅡ和PⅢ，通過(guò)千兆位以太網(wǎng)互聯(lián)，擴(kuò)展性好，結(jié)點(diǎn)可根據(jù)不同的應(yīng)用，動(dòng)態(tài)地分為多個(gè)結(jié)點(diǎn)池，如可用兩個(gè)結(jié)點(diǎn)作為服務(wù)器、四個(gè)結(jié)點(diǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)、其他結(jié)點(diǎn)用于計(jì)算等，結(jié)點(diǎn)數(shù)量可靈活配置。應(yīng)用范圍包括：
　　科學(xué)計(jì)算 支持PVM和MPI，使用優(yōu)化的BLAS庫(kù)；事務(wù)處理 在線事務(wù)處理（OLTP），如電子商務(wù)、證券交易和在線分析處理（OLAP）；并行數(shù)據(jù)庫(kù) 支持Oracle、DB2等分布式數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用；
　　網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器 運(yùn)行各種Internet服務(wù)。
　　非專(zhuān)用機(jī)群
　　非專(zhuān)用機(jī)群是由分散互聯(lián)的處理機(jī)或在網(wǎng)上尋找到的空閑處理機(jī)組成的機(jī)群，這些處理機(jī)可能分屬于不同的個(gè)人、組織或單位。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平均使用率僅為30%左右，有的空閑率竟達(dá)91%，而許多桌面網(wǎng)絡(luò)工作站和微機(jī)的CPU利用率都小于10％，因此，人們自然想到要利用這些閑散的CPU處理能力，這被稱(chēng)為CPU周期竊取。
　　通常，網(wǎng)絡(luò)上計(jì)算單元都是擁有者各自孤立地使用其擁有的計(jì)算單元，一般處于下列狀態(tài)：
　　·處于空閑或等待狀態(tài)，如夜間；
　　·文檔編輯工作，包括收發(fā)E-mail、閱讀文檔和信息等；
　　·開(kāi)發(fā)工作，包括編輯、編程、編譯、調(diào)試等；
　　·完成某種定時(shí)、守候服務(wù)和功能；
　　·運(yùn)行計(jì)算型的程序。
　　所謂竊取CPU周期就是要竊取上述前四類(lèi)處理機(jī)的CPU 周期給最后一類(lèi)工作用。顯然，被竊取CPU周期的處理機(jī)包括空閑的處理機(jī)和CPU負(fù)載較輕的處理機(jī)兩類(lèi)。
　　非專(zhuān)用機(jī)群地理上分布于不同的所有者，由異構(gòu)系統(tǒng)組成，大部分通過(guò)以太網(wǎng)連接，適用于企業(yè)級(jí)局域網(wǎng)范圍，技術(shù)難度要高于專(zhuān)用機(jī)群。工作站的主人與需占用工作站資源運(yùn)行程序的遠(yuǎn)程用戶之間存在著矛盾，前者希望與工作站快速交互，而后者只關(guān)心能否利用所有的共享CPU來(lái)快速運(yùn)行程序。機(jī)器的所有者必須具有參加機(jī)群的動(dòng)機(jī)，這意味著他們相信貢獻(xiàn)他們的資源是有意義的。但是，這些所有者不希望在他們工作時(shí)或他們的系統(tǒng)過(guò)于飽和時(shí)，受到其他干擾，一個(gè)解決的策略是允許所有者退出機(jī)群。目前，國(guó)際上正在形成一種計(jì)算資源的買(mǎi)賣(mài)市場(chǎng)，以刺激資源擁有者加入網(wǎng)上機(jī)群。此外，由于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)通信速度和質(zhì)量的瓶頸所限及由通信競(jìng)爭(zhēng)造成的網(wǎng)絡(luò)不確定性的存在，對(duì)非專(zhuān)用機(jī)群技術(shù)提出了更高的要求，如對(duì)進(jìn)程遷移、負(fù)載平衡等技術(shù)的需求。但此類(lèi)系統(tǒng)最為貼近普通用戶，可以充分利用網(wǎng)上無(wú)窮無(wú)盡的資源，而組建投資幾乎可忽略不計(jì)�？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著網(wǎng)絡(luò)瓶頸問(wèn)題的緩解，非專(zhuān)用機(jī)群必然是極有發(fā)展前途的一種計(jì)算形式。

• 通信詞典解釋