Многомашинные комплексы, многопроцессорные системы и кластерные структуры.

Многомашинные комплексы.

Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко.

Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.

Структура такой машины представлена на рис. 1.26. схемой двухмашинного комплекса на основе моделей IBM-360.

Рис. 1.26. Структура многомашинного комплекса

 

Каждая модель комплекса содержит процессор, модули памяти, систему ввода/вывода (каналы в/в). Обмен данными производится через систему устройств ввода/вывода. Для связи между моделями комплекса использовалось специальное устройство адаптер «канал-канал». Это однобайтный регистр передаваемых данных и два контроллера со стороны интерфейса ввода-вывода соединяемых моделей комплекса.

Передача данных через канал-канал начинается по команде программы ввода-вывода со стороны одного из процессоров. Этой командой может быть команда "записать". Контроллер адаптера по этой команде посылает сигнал прерывания в процессор, смежной ЭВМ. В программе прерывания предусмотрена команда обращения к этому же адаптеру, но уже по чтению. Адаптер, получив задания от процессоров отвечает положительными квитанциями. Так организуется передача данных. Конец передачи данных определен счетчиками данных в командах канала.

По окончании передачи данных контроллеры адаптеров канал-канал посылают каналам байты состояния. Этим заканчивается выполнение команды каналов. Передача данных прекращается по окончанию всех команд программы ввода-вывода. Программа канала может завершиться штатно или по сбою. В любом случае контроллеры адаптеров канал-канал посылают процессорам сигналы прерывания для анализа условий окончания программы ввода-вывода.

Интерфейс прямого управления предназначен для обмена процессоров управляющими сигналами.

Для увеличения производительности и более эффективного использования большого парка периферийных устройств использовались и многопроцессорные системы, например – двухпроцессорные.

Многомашинные комплексы в настоящее время определяются как асимметричные, слабосвязанные многопроцессорные системы, системы с неоднородным доступом к памяти (NUMA – Non-Uniform Memory Access).

Многопроцессорные системы.

В настоящее время многопроцессорные системы определяются как симметричные мультипроцессорные системы (SMP системы – Summetrie Multiprocessor). Все процессоры системы работают в едином виртуальном и физическом пространстве оперативной памяти. Любой из процессоров может обслуживать внешние прерывания. Это сильно связанные системы. Схема двухпроцессорной системы моделей IBM-360 представлена на рис. 1.27.

Рис. 1.27. Структура многопроцессорной системы

 

Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.

Кластерные системы.

Это наиболее перспективные структуры эксплуатации современных ЭВМ. Кластер – это совокупность объединенных компьютеров (узлов), управляемых и используемых, как единое целое.

Один из первых архитекторов кластерной технологии Грегори Пфистер дал кластеру следующее определение: «Кластер — это разновидность параллельной или распределенной системы, которая:

1. состоит из нескольких связанных между собой компьютеров;

2. используется как единый, унифицированный компьютерный ресурс».

Каждый узел кластера может быть однопроцессорным или многопроцессорным. В классической схеме при работе с приложениями все узлы разделяют внешнюю память на массиве жестких дисков. Кроме этого, в узлах кластера собственные жесткие диски используются индивидуально для реализации внутренних нужд узла.

Территориально узлы кластера могут располагаться не компактно, а быть рассредоточены по разным этажам и зданиям одной организации. Для связи узлов кластера в единый вычислительный ресурс используются высокоскоростные линии связи.

Основными целями кластера являются обеспечение:

· высокой доступности и отказоустойчивости,

· распределения нагрузки,

· повышения производительности.

Высокая доступность и отказоустойчивость обеспечивается избыточными процессорами, гарантирующими доступность при отказе отдельных серверов.

В кластерах предусматриваются системы контроля и возможность быстрой конфигурации системы с заменой неисправных узлов.

Распределение нагрузкистроится на обработке отдельных запросов и выделении для них свободных процессоров. Для этого один или несколько узлов выделяется для приема запросов, которые динамически перенаправляют эти запросы на обработку в остальные узлы.

Повышение производительности производится за счет разбиения задач на параллельно выполняемые потоки на разных узлах. Для этого используются специальные программные системы.

Начало разработки кластеров относится к 1970-м годам. Основой реализации и дальнейшего развития кластеров являются совершенствование способов быстрой связи между узлами (реально используются протоколы TCP/IP) и стандарты методов распараллеливания программ.

Периодом становления кластеров считается годы с 1970г. по 1984г., когда корпорация DEC построила свой VAX-кластер на основе ОС VAX/VMS.

В кластерах этой фирмы используются одни из самых современных процессоров, таких как Alpha и Itanium.

Grid системы. Название системы Grid трактуется как решетка (сеть). Имеется в виду объединение вычислительных кластеров разных фирм в сеть, с использованием интернет-технологий. Первоначально целью такого объединения ставилась задача повышения эффективности использования кластеров за счет их "сдачи в наем" в вечернее и ночное время фирмам, расположенных в других временных поясах (т.е. предоставлять вычислительные услуги кластерных систем другим фирмам, для сокращения простоев оборудования в ночное и вечернее время). В качестве средств связи уже изначально предполагалось использование технологии HTML, что в корне меняет дело.

С внедрением Grid систем Интернет приобретает новое качество услуг, а именно вычислительные услуги большой производительности, что в корне меняет технологию и средства расчетов.

Вопросы для самопроверки:

1. Многомашинные комплексы.

2. Многопроцессорные вычислительные системы.

3. Определение кластера.

4. Основные цели использования кластеров,

5. Стратегия распределения нагрузки в кластере.

6. Определение Grid-системы

 

Эволюция режимов работы ЭВМ

На формировании структур ЭВМ, кроме особенностей развития элементной базы и смены областей использования, значительный след оставила эволюция их режимов работы. Основными режимами были следующие:

· непосредственного доступа,

· однопрограммной пакетной обработки,

· мультипрограммной пакетной обработки,

· коллективного доступа,

· клиент-сервер.