Архитектуры и топологии многопроцессорных вычислительных систем

Требования к компонентам МВС

Разбить на страницы
Показывать лекцию целиком

Заголовок лекции нужно понимать в более широком смысле, чем просто набор требований к техническим характеристикам компонентов вычислительной системы: процессору, дисковым массивам, памяти, коммутаторам и тому подобным аппаратным средствам. В какой-то степени надежная работа компонентов систем подразумевается априори: компоненты должны работать настолько долго, насколько это необходимо и поддерживать при этом заданные значения параметров системы (ясно, что такое положение является идеализацией). Достигается такая надежность путем улучшения технологий создания компонентов, сборки систем и их эксплуатации и т.п. приемами. Большое значение имеют научно-технические исследования в области создания принципиально новых подходов в разработке и создании как известных компонентов, так и принципиально новых приборов. Но не меньшее, если не большее значение имеют требования, предъявляемые к вычислительной системе, которую планируется построить для реализации конкретных целей, как единому целому: для решения задач определенного круга (научных, экономических и т.п.), как базовой основы для обработки больших потоков данных (информационные системы), оптимальной реализации модели программирования и т.д. Отсюда, в результате проведенного анализа, вытекает выбор архитектуры МВС.

Разработчикам систем необходимо, прежде всего, проанализировать следующие связанные между собой вопросы:

  • отношение "стоимость/производительность" ;
  • надежность и отказоустойчивость системы;
  • масштабируемость системы;
  • совместимость программного обеспечения.
    •

    Требования к надежности и отказоустойчивости системы рассматриваются в другой лекции.

    Отношение "стоимость/производительность"

    Добиться дополнительного повышения производительности в МВС сложнее, чем произвести масштабирование внутри узла. Основным барьером является трудность организации эффективных межузловых связей. Коммуникации, которые существуют между узлами, должны быть устойчивы к задержкам программно поддерживаемой когерентности. Приложения с большим количеством взаимодействующих процессов работают лучше на основе SMP-узлов, в которых коммуникационные связи более быстрые. В кластерах, как и в МРР-системах, масштабирование приложений более эффективно при уменьшении объема коммуникаций между процессами, работающими в разных узлах. Это обычно достигается путем разбиения данных.

    Именно такой подход используется в наиболее известном приложении на основе кластеров OPS (Oracle Parallel Server).

    Появление любого нового направления в вычислительной технике определяется требованиями компьютерного рынка. Поэтому у разработчиков компьютеров нет единственной цели. Большая универсальная вычислительная машина (мейнфрейм) или суперкомпьютер стоят дорого. Для достижения поставленных целей при проектировании высокопроизводительных конструкций приходится игнорировать стоимостные характеристики.

    Суперкомпьютеры фирм Cray Inc., NEC и высокопроизводительные мэйнфреймы компании IBM, суперкластеры фирмы SGI относятся именно к этой категории компьютеров. Другим противоположным примером может служить сравнительно недорогая конструкция, где производительность принесена в жертву для достижения низкой стоимости. К этому направлению относятся персональные компьютеры IBM PC. Между этими двумя крайними направлениями находятся конструкции, основанные на отношении "стоимость/производительность", в которых разработчики находят баланс между стоимостью и производительностью. Типичными примерами такого рода компьютеров являются миникомпьютеры и рабочие станции.

    Для сравнения различных компьютеров между собой обычно используются стандартные методики измерения производительности. Эти методики позволяют разработчикам и пользователям задействовать полученные в результате испытаний количественные показатели для оценки тех или иных технических решений, и, в конце концов, именно производительность и стоимость дают пользователю рациональную основу для решения вопроса, какой компьютер выбрать.

    Например, в качестве критерия измерения производительности используется тест LINPACK. Данный тест был выбран из-за его доступности почти для всех рассматриваемых систем. Тест LINPACK был введен Джеком Донгаррой (Jack Dongarra) в 1976 г. Данный тест основан на решении плотной системы линейных уравнений. Как один из вариантов LINPACK используется версия теста, которая позволяет пользователю менять размерность задачи и оптимизировать программное обеспечение для достижения наилучшей производительности для данной машины. Такая производительность не отражает общую производительность этой системы. Однако она отражает ее производительность при решении плотной системы линейных уравнений.

    Для оценки производительности вычислительных систем используются также тесты SPECfp_rate_base2000: SPEC, SPECfp и SPECrate, которые являются зарегистрированными торговыми марками Standard Performance Evaluation Corporation. Для оценки скорости работы памяти системы используется тест STREAM Triad.

    Масштабируемость

    Масштабируемость представляет собой возможность наращивания числа и мощности процессоров, объемов оперативной и внешней памяти и других ресурсов вычислительной системы. Масштабируемость должна обеспечиваться архитектурой и конструкцией компьютера, а также соответствующими средствами программного обеспечения.

    Так, например, возможность масштабирования кластера ограничена значением отношения скорости процессора к скорости связи, которое не должно быть слишком большим (реально это отношение для больших систем не может быть более 3-4, в противном случае не удается даже реализовать режим единого образа операционной системы). С другой стороны, последние 10 лет истории развития процессоров и коммуникаторов показывают, что разрыв в скорости между ними все увеличивается. Добавление каждого нового процессора в действительно масштабируемой системе должно давать прогнозируемое увеличение производительности и пропускной способности при приемлемых затратах. Одной из основных задач при построении масштабируемых систем является минимизация стоимости расширения компьютера и упрощение планирования. В идеале добавление процессоров к системе должно приводить к линейному росту ее производительности. Однако это не всегда так. Потери производительности могут возникать, например, при недостаточной пропускной способности шин из-за возрастания трафика между процессорами и основной памятью, а также между памятью и устройствами ввода/вывода. В действительности реальное увеличение производительности трудно оценить заранее, поскольку оно в значительной степени зависит от динамики поведения прикладных задач.

    Возможность масштабирования системы определяется не только архитектурой аппаратных средств, но зависит от свойств программного обеспечения. Масштабируемость программного обеспечения затрагивает все его уровни, от простых механизмов передачи сообщений до работы с такими сложными объектами как мониторы транзакций и вся среда прикладной системы. В частности, программное обеспечение должно минимизировать трафик межпроцессорного обмена, который может препятствовать линейному росту производительности системы. Аппаратные средства (процессоры, шины и устройства ввода/вывода) являются только частью масштабируемой архитектуры, на которой программное обеспечение может обеспечить предсказуемый рост производительности. Важно понимать, что, например, простой переход на более мощный процессор может привести к перегрузке других компонентов системы. Это означает, что действительно масштабируемая система должна быть сбалансирована по всем параметрам.

    Совместимость и мобильность программного обеспечения

    Концепция программной совместимости впервые в широких масштабах была применена разработчиками системы IBM/360. Основная задача при проектировании всего ряда моделей этой системы заключалась в создании такой архитектуры, которая была бы одинаковой с точки зрения пользователя для всех моделей системы, независимо от цены и производительности каждой из них. Большие преимущества такого подхода, позволяющего сохранять существующий раздел программного обеспечения при переходе на новые (как правило, более производительные) модели, были быстро оценены как производителями компьютеров, так и пользователям, и начиная с этого времени практически все фирмы-поставщики компьютерного оборудования взяли на вооружение эти принципы, поставляя серии совместимых компьютеров. Следует заметить, однако, что со временем даже самая передовая архитектура неизбежно устаревает и возникает потребность внесения радикальных изменений и в архитектуру, и в способы организации вычислительных систем.

    В настоящее время одним из наиболее важных факторов, определяющих современные тенденции в развитии информационных технологий, является ориентация компаний-поставщиков компьютерного оборудования на рынок прикладных программных средств. Это объясняется, прежде всего, тем, что для конечного пользователя, в конце концов, важно программное обеспечение, позволяющее решить его задачи, а не выбор той или иной аппаратной платформы. Переход от однородных сетей программно совместимых компьютеров к построению неоднородных сетей, включающих компьютеры разных производителей, в корне изменил и точку зрения на саму сеть: из сравнительно простого средства обмена информацией она превратилась в средство интеграции отдельных ресурсов - мощную распределенную вычислительную систему, каждый элемент которой (сервер или рабочая станция) лучше всего соответствует требованиям конкретной прикладной задачи.

    Этот переход выдвинул ряд новых требований. Прежде всего, такая вычислительная среда должна позволять гибко менять количество и состав аппаратных средств и программного обеспечения в соответствии с меняющимися требованиями решаемых задач. Во-вторых, она должна обеспечивать возможность запуска одних и тех же программных систем на различных аппаратных платформах, т.е. обеспечивать мобильность программного обеспечения. В третьих, эта среда должна гарантировать возможность применения одних и тех же человеко-машинных интерфейсов на всех компьютерах, входящих в неоднородную сеть. В условиях жесткой конкуренции производителей аппаратных платформ и программного обеспечения сформировалась концепция открытых систем, представляющая собой совокупность стандартов на различные компоненты вычислительной среды, предназначенных для обеспечения мобильности программных средств в рамках неоднородной, распределенной вычислительной системы.

    Одним из вариантов моделей открытой среды является модель OSE (Open System Environment), предложенная комитетом IEEE POSIX. На основе этой модели национальный институт стандартов и технологии США выпустил документ "Application Portability Profile (APP). The U.S. Government's Open System Environment Profile OSE/1 Version 2.0", который определяет рекомендуемые для федеральных учреждений США спецификации в области информационных технологий, обеспечивающие мобильность системного и прикладного программного обеспечения. Все ведущие производители компьютеров и программного обеспечения в США в настоящее время придерживаются требований этого документа.

    Страницы:

    Заголовок лекции нужно понимать в более широком смысле, чем просто набор требований к техническим характеристикам компонентов вычислительной системы: процессору, дисковым массивам, памяти, коммутаторам и тому подобным аппаратным средствам. В какой-то степени надежная работа компонентов систем подразумевается априори: компоненты должны работать настолько долго, насколько это необходимо и поддерживать при этом заданные значения параметров системы (ясно, что такое положение является идеализацией). Достигается такая надежность путем улучшения технологий создания компонентов, сборки систем и их эксплуатации и т.п. приемами. Большое значение имеют научно-технические исследования в области создания принципиально новых подходов в разработке и создании как известных компонентов, так и принципиально новых приборов. Но не меньшее, если не большее значение имеют требования, предъявляемые к вычислительной системе, которую планируется построить для реализации конкретных целей, как единому целому: для решения задач определенного круга (научных, экономических и т.п.), как базовой основы для обработки больших потоков данных (информационные системы), оптимальной реализации модели программирования и т.д. Отсюда, в результате проведенного анализа, вытекает выбор архитектуры МВС.

    Разработчикам систем необходимо, прежде всего, проанализировать следующие связанные между собой вопросы:

  • отношение "стоимость/производительность" ;
  • надежность и отказоустойчивость системы;
  • масштабируемость системы;
  • совместимость программного обеспечения.
    •

    Требования к надежности и отказоустойчивости системы рассматриваются в другой лекции.

    Отношение "стоимость/производительность"

    Добиться дополнительного повышения производительности в МВС сложнее, чем произвести масштабирование внутри узла. Основным барьером является трудность организации эффективных межузловых связей. Коммуникации, которые существуют между узлами, должны быть устойчивы к задержкам программно поддерживаемой когерентности. Приложения с большим количеством взаимодействующих процессов работают лучше на основе SMP-узлов, в которых коммуникационные связи более быстрые. В кластерах, как и в МРР-системах, масштабирование приложений более эффективно при уменьшении объема коммуникаций между процессами, работающими в разных узлах. Это обычно достигается путем разбиения данных.

    Именно такой подход используется в наиболее известном приложении на основе кластеров OPS (Oracle Parallel Server).

    Появление любого нового направления в вычислительной технике определяется требованиями компьютерного рынка. Поэтому у разработчиков компьютеров нет единственной цели. Большая универсальная вычислительная машина (мейнфрейм) или суперкомпьютер стоят дорого. Для достижения поставленных целей при проектировании высокопроизводительных конструкций приходится игнорировать стоимостные характеристики.

    Суперкомпьютеры фирм Cray Inc., NEC и высокопроизводительные мэйнфреймы компании IBM, суперкластеры фирмы SGI относятся именно к этой категории компьютеров. Другим противоположным примером может служить сравнительно недорогая конструкция, где производительность принесена в жертву для достижения низкой стоимости. К этому направлению относятся персональные компьютеры IBM PC. Между этими двумя крайними направлениями находятся конструкции, основанные на отношении "стоимость/производительность", в которых разработчики находят баланс между стоимостью и производительностью. Типичными примерами такого рода компьютеров являются миникомпьютеры и рабочие станции.

    Для сравнения различных компьютеров между собой обычно используются стандартные методики измерения производительности. Эти методики позволяют разработчикам и пользователям задействовать полученные в результате испытаний количественные показатели для оценки тех или иных технических решений, и, в конце концов, именно производительность и стоимость дают пользователю рациональную основу для решения вопроса, какой компьютер выбрать.

    Например, в качестве критерия измерения производительности используется тест LINPACK. Данный тест был выбран из-за его доступности почти для всех рассматриваемых систем. Тест LINPACK был введен Джеком Донгаррой (Jack Dongarra) в 1976 г. Данный тест основан на решении плотной системы линейных уравнений. Как один из вариантов LINPACK используется версия теста, которая позволяет пользователю менять размерность задачи и оптимизировать программное обеспечение для достижения наилучшей производительности для данной машины. Такая производительность не отражает общую производительность этой системы. Однако она отражает ее производительность при решении плотной системы линейных уравнений.

    Для оценки производительности вычислительных систем используются также тесты SPECfp_rate_base2000: SPEC, SPECfp и SPECrate, которые являются зарегистрированными торговыми марками Standard Performance Evaluation Corporation. Для оценки скорости работы памяти системы используется тест STREAM Triad.

    Масштабируемость

    Масштабируемость представляет собой возможность наращивания числа и мощности процессоров, объемов оперативной и внешней памяти и других ресурсов вычислительной системы. Масштабируемость должна обеспечиваться архитектурой и конструкцией компьютера, а также соответствующими средствами программного обеспечения.

    Так, например, возможность масштабирования кластера ограничена значением отношения скорости процессора к скорости связи, которое не должно быть слишком большим (реально это отношение для больших систем не может быть более 3-4, в противном случае не удается даже реализовать режим единого образа операционной системы). С другой стороны, последние 10 лет истории развития процессоров и коммуникаторов показывают, что разрыв в скорости между ними все увеличивается. Добавление каждого нового процессора в действительно масштабируемой системе должно давать прогнозируемое увеличение производительности и пропускной способности при приемлемых затратах. Одной из основных задач при построении масштабируемых систем является минимизация стоимости расширения компьютера и упрощение планирования. В идеале добавление процессоров к системе должно приводить к линейному росту ее производительности. Однако это не всегда так. Потери производительности могут возникать, например, при недостаточной пропускной способности шин из-за возрастания трафика между процессорами и основной памятью, а также между памятью и устройствами ввода/вывода. В действительности реальное увеличение производительности трудно оценить заранее, поскольку оно в значительной степени зависит от динамики поведения прикладных задач.

    Возможность масштабирования системы определяется не только архитектурой аппаратных средств, но зависит от свойств программного обеспечения. Масштабируемость программного обеспечения затрагивает все его уровни, от простых механизмов передачи сообщений до работы с такими сложными объектами как мониторы транзакций и вся среда прикладной системы. В частности, программное обеспечение должно минимизировать трафик межпроцессорного обмена, который может препятствовать линейному росту производительности системы. Аппаратные средства (процессоры, шины и устройства ввода/вывода) являются только частью масштабируемой архитектуры, на которой программное обеспечение может обеспечить предсказуемый рост производительности. Важно понимать, что, например, простой переход на более мощный процессор может привести к перегрузке других компонентов системы. Это означает, что действительно масштабируемая система должна быть сбалансирована по всем параметрам.

    Совместимость и мобильность программного обеспечения

    Концепция программной совместимости впервые в широких масштабах была применена разработчиками системы IBM/360. Основная задача при проектировании всего ряда моделей этой системы заключалась в создании такой архитектуры, которая была бы одинаковой с точки зрения пользователя для всех моделей системы, независимо от цены и производительности каждой из них. Большие преимущества такого подхода, позволяющего сохранять существующий раздел программного обеспечения при переходе на новые (как правило, более производительные) модели, были быстро оценены как производителями компьютеров, так и пользователям, и начиная с этого времени практически все фирмы-поставщики компьютерного оборудования взяли на вооружение эти принципы, поставляя серии совместимых компьютеров. Следует заметить, однако, что со временем даже самая передовая архитектура неизбежно устаревает и возникает потребность внесения радикальных изменений и в архитектуру, и в способы организации вычислительных систем.

    В настоящее время одним из наиболее важных факторов, определяющих современные тенденции в развитии информационных технологий, является ориентация компаний-поставщиков компьютерного оборудования на рынок прикладных программных средств. Это объясняется, прежде всего, тем, что для конечного пользователя, в конце концов, важно программное обеспечение, позволяющее решить его задачи, а не выбор той или иной аппаратной платформы. Переход от однородных сетей программно совместимых компьютеров к построению неоднородных сетей, включающих компьютеры разных производителей, в корне изменил и точку зрения на саму сеть: из сравнительно простого средства обмена информацией она превратилась в средство интеграции отдельных ресурсов - мощную распределенную вычислительную систему, каждый элемент которой (сервер или рабочая станция) лучше всего соответствует требованиям конкретной прикладной задачи.

    Этот переход выдвинул ряд новых требований. Прежде всего, такая вычислительная среда должна позволять гибко менять количество и состав аппаратных средств и программного обеспечения в соответствии с меняющимися требованиями решаемых задач. Во-вторых, она должна обеспечивать возможность запуска одних и тех же программных систем на различных аппаратных платформах, т.е. обеспечивать мобильность программного обеспечения. В третьих, эта среда должна гарантировать возможность применения одних и тех же человеко-машинных интерфейсов на всех компьютерах, входящих в неоднородную сеть. В условиях жесткой конкуренции производителей аппаратных платформ и программного обеспечения сформировалась концепция открытых систем, представляющая собой совокупность стандартов на различные компоненты вычислительной среды, предназначенных для обеспечения мобильности программных средств в рамках неоднородной, распределенной вычислительной системы.

    Одним из вариантов моделей открытой среды является модель OSE (Open System Environment), предложенная комитетом IEEE POSIX. На основе этой модели национальный институт стандартов и технологии США выпустил документ "Application Portability Profile (APP). The U.S. Government's Open System Environment Profile OSE/1 Version 2.0", который определяет рекомендуемые для федеральных учреждений США спецификации в области информационных технологий, обеспечивающие мобильность системного и прикладного программного обеспечения. Все ведущие производители компьютеров и программного обеспечения в США в настоящее время придерживаются требований этого документа.

    Предыдущее занятие Следующее занятие
    Вернуться к учебному плану
    ^