Файл: Реферат по дисциплине Архитектура эвм по теме Построение вычислительных кластеров.docx

МИНОБРНАУКИ РОСССИИ

Нижнекамский химико-технологический институт (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования

«Казанский национальный исследовательский технологический университет»

(НХТИ ФГБОУ ВО «КНИТУ»)

Кафедра информационных систем и технологий НХТИ ФГБОУ ВО «КНИТУ»

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Архитектура ЭВМ»

по теме «Построение вычислительных кластеров»

Работу выполнил:

студент группы 3924

Закиров Рамиль Зуфарович

Проверил:

Старший преподаватель

Сарсадских Александр Николаевич

Нижнекамск 2023

Содержани

---

Введение. 3

Классификация архитектур кластерных систем. 5

Топология кластеров 9

Топология кластерных пар 9

Топология N+1 10

Топология NN 11

Топология с полностью раздельным доступом 12

VAX/VMS кластеры фирмы DEC 13

UNIX-кластеры компании IBM 15

Список литературы. 17

Введение.

Одно из самых современных направлений в области создания вычислительных систем — это кластеризация. По производительности и коэффициенту готовности кластеризация представляет собой альтернативу симметричным мультипроцессорным системам. Понятие «кластер» можно определить как группу взаимно соединенных вычислительных систем (узлов), работающих совместно как единый вычислительный ресурс и создающих иллюзию наличия единственной ВМ. В качестве узла кластера может выступать как однопроцессорная ВМ, так и ВС типа SMP или MPP. Важно лишь то, что каждый узел может использоваться самостоятельно и отдельно от кластера. В плане архитектуры суть кластерных вычислений сводится к объединению нескольких узлов высокоскоростной сетью. Для описания такого подхода, помимо термина кластерные вычисления, достаточно часто применяют такие термины, как: «кластер рабочих станций» (workstation cluster), «гипервычисления» (hypercomputing), «параллельные вычисления на базе сети» (network-based concurrent computing), «ультравычисления» (ultracomputing).

Изначально перед кластерами ставились две задачи: достичь большой вычислительной мощности и обеспечить повышенную надежность ВС. Пионером в области кластерных архитектур считается корпорация DEC, создавшая первый коммерческий кластер в начале 80-х годов прошлого века.

В качестве узлов кластеров могут использоваться как одинаковые ВС (гомогенные кластеры), так и разные (гетерогенные кластеры). По своей архитектуре кластерная ВС является слабосвязанной системой.

В работе [BREW97] перечисляются четыре преимущества, достигаемые с помощью кластеризации:

• 
  абсолютная масштабируемость. Возможно создание больших кластеров, превосходящих по вычислительной мощности даже самые производительные одиночные ВМ. Кластер может содержать десятки узлов, каждый из которых представляет собой мультипроцессор;
  
• 
  наращиваемая масштабируемость. Кластер строится так, что его можно наращивать, добавляя новые узлы небольшими порциями. Таким образом, пользователь может начать с умеренной системы, расширяя ее по мере необходимости;
  
• 
  высокий коэффициент готовности. Поскольку каждый узел кластера — самостоятельная ВМ или ВС, отказ одного из узлов не приводит к потере работоспособности кластера. Во многих системах отказоустойчивость автоматически поддерживается программным обеспечением;
  
• 
  Превосходное соотношение цена/производительность. Кластеры любой производительности можно создать, используя стандартные «строительные блоки», при этом стоимость кластера будет ниже, чем у одиночной ВМ с эквивалентной вычислительной мощностью.
  

---

На уровне аппаратного обеспечения кластер — это просто совокупность независимых вычислительных систем, объединенных сетью. При соединении машин в кластер почти всегда поддерживаются прямые межмашинные связи. Решения могут быть простыми, основывающимися на аппаратуре Ethernet, или сложными с высокоскоростными сетями с пропускной способностью в сотни мегабайт в секунду. К последней категории относятся RS/6000 SP фирмы IBM, системы фирмы Digital на основе Memory Channel, ServerNet фирмы Compac Computer Corp.

Узлы кластера контролируют работоспособность друг друга и обмениваются специфической кластерной информацией. Контроль работоспособности осуществляется с помощью специального сигнала, часто называемого heartbeat, что можно перевести как сердцебиение. Этот сигнал передается узлами кластера друг другу чтобы подтвердить их нормальное функционирование.

Неотъемлемая часть кластера — специализированное программное (ПО) обеспечение, на которое возлагается задача поддержания вычислений при отказе одного или нескольких узлов. Такое ПО производит перераспределение вычислительной нагрузки при отказе одного или нескольких узлов кластера, а также восстановление вычислений при сбое в узле. Кроме того, при наличии в кластере совместно используемых дисков, кластерное ПО поддерживает единую файловую систему.

Классификация архитектур кластерных систем.

В литературе приводятся различные способы классификации кластеров. Так, простейшая классификация ориентируется на то, являются ли диски в кластере совместно используемыми всеми узлами. На рис. 1, а показан кластер из двух узлов, координация работы которых обеспечивается за счет высокоскоростной линии, используемой для обмена сообщениями. Такой линией может быть локальная сеть, используемая также и не входящими в кластер компьютерами, либо выделенная линия. В последнем случае один или несколько узлов кластера будут иметь выход на локальную или глобальную сеть, благодаря чему обеспечивается связь между серверным кластером и удаленными клиентскими системами.



Рис. 1. Конфигурации кластеров: а — без совместно используемых дисков; б — с совместно используемыми дисками

Более ясную картину дает классификация кластеров по их функциональным особенностям. Такая классификация приведена в таблице 1

---

Пассивное резервирование	Вторичный сервер при отказе первичного берет управление на себя
Резервирование с активным вторичным сервером	Вторичный сервер, как и первичный используется при решении задач
Самостоятельные серверы	Самостоятельные серверы имеют собственные диски, а данные постоянно копируются с первичного сервера на вторичный
Серверы с подключением ко всем дискам	Серверы подключены к одним и тем же дискам, но каждый сервер владеет своими дисками. Если один из серверов отказывает, то управление его дисками берет на себя другой сервер
Серверы с совместно используемыми дисками	Множество серверов совместно используют доступ к дискам

Таблица 1. Методы кластеризации

Кластеризация с резервированием — наиболее старый и универсальный метод. Один из серверов берет на себя всю вычислительную нагрузку, в то время как второй остается неактивным, но готовым перенять вычисления при отказе основного сервера. Активный или первичный сервер периодически посылает резервному тактирующее сообщение. При отсутствии тактирующих сообщений (это рассматривается как отказ первичного сервера) вторичный сервер берет управление на себя. Такой подход повышает коэффициент готовности, но не улучшает производительности. Более того, если единственный вид общения между узлами — обмен сообщениями, и если оба сервера кластера не используют диски совместно, то резервный сервер не имеет доступа к базам данных, управляемым первичным сервером.

Пассивное резервирование для кластеров не характерно. Термин «кластер» относят к множеству взаимосвязанных узлов активно участвующих в вычислительном процессе и совместно создающих иллюзию одного мощной вычислительной машины. К такой конфигурации обычно применяют понятие системы «с активным вторичным сервером», и здесь выделяют три метода кластеризации: самостоятельные серверы, серверы без совместного использования дисков и серверы с совместным использованием дисков.

В первом подходе каждый узел кластера рассматривается как

---

самостоятельный сервер с собственными дисками, причем ни один из дисков в системе не является совместно используемым (рис. 1, а). Схема обеспечивает высокую производительность и высокий коэффициент готовности, однако требует специального программного обеспечения для планирования распределения запросов клиентов по серверам так, чтобы добиться сбалансированного и эффективного использования всех серверов. Необходимо также обеспечить, чтобы при отказе одного из узлов в процессе выполнения какого-либо приложения, другой узел кластера мог перехватить и завершить данное приложение. Для этого данные в системе должны постоянно копироваться, чтобы каждый сервер имел доступ ко всем наиболее свежим данным в системе. Из-за этих издержек высокий коэффициент готовности обеспечивается лишь за счет потери производительности.

Для сокращения коммуникационных издержек, большинство кластеров в настоящее время состоят из серверов, подключенных к общим дискам, обычно представленным дисковым массивом RAID (рис. 1, б).

Один из вариантов такого подхода предполагает, что совместно использование дисков не применяется. Общие диски разбиваются на разделы, и каждому узлу кластера выделяется свой раздел. Если один из узлов отказывает, кластер может быть реконфигурирован так, что права доступа к его разделу общего диска передаются другому узлу.

При втором варианте множество серверов разделяют во времени доступ к общим дискам, так что любой узел имеет доступ ко всем разделам всех общих дисков. Такой подход требует наличия каких-либо средств блокировки, гарантирующих, что в любой момент времени доступ к данным будет иметь только один из серверов.

Вычислительные машины (системы) в кластере взаимодействуют в соответствии с одним их двух транспортных протоколов. Первый из них — протокол TCP (Transmission Control Protocol) оперирует потоками байтов, гарантируя надежность доставки сообщения. Второй — UDP (User Datagram Protocol) «пытается» посылать пакеты данных без гарантии их доставки. В последнее время применяют специальные протоколы, которые работают намного лучше. Так, возглавляемый компанией Intel консорциум предложил новый протокол для внутрикластерных коммуникаций, который называется Virtual Interface Architecture и претендует на роль стандарта.

При обмене информацией используются два программных метода:

---