构建高性能集群计算机系统的关键技术

高性能计算机 可扩展性

管控一体化

中文核心期刊《微计算机信息》（管控一体化）２００６年第２２卷第１－３期

文章编号：１００８—０５７０（２００６）０１—３—００８６－０３

构建高性能集群计算机系统的关键技术

ＫｅｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＵｓｅｄＦｏｒＣｏｎｓｔｒｕｃｔＨｉｇｈ－ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＣｏｍｐｕｔｅｒＣｌｕｓｔｅｒＳｙｓｔｅｍ

（武汉理工大学）熊盛武王鲁杨婕

Ｘｉｏｎｇ，Ｓｈｅｎｇｗｕ

Ｗａｎｇ，Ｌｕ

摘要：高性能计算机技术是衡量一个国家科技水平及综合国力的重要标志之一，目前世界上一些发达国家都在争相投入巨额资金对它进行开发和研究．ＰＣ集群计算机就是最廉价的高性能计算机．着重讨论了集群计算机系统构建中的一些关键技术，如可扩展性、可用性、资源管理、负载平衡和并行程序设计环境等，同时，也根据集群系统的特点提出了它在不同领域中的实用意义．关键词：集群计算机系统；并行计算；可用性；可扩展性中图分类号：ＴＰ３１１文献标识码：Ａ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｉｇｈ－ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｍｐｕｔｅｒｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｓ

ｏｎｅｏｆｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｓｉｇｎｓｏｆｗｅｉｇｈｉｎｇ

ａ

ｃｏｕｎｔｒｙ’Ｓ

ｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｔｅｃｈｎｉｃａｌｌｅｖｅｌ

ａｎｄｓｙｎｔｈｅｔｉｃａｌｎａｔｉｏｎａｌ

ｐｏｗｅｒ．Ｎｏｗ，ｓｏｍｅ

ｄｅｖｅｌｏｐｅｄｃｏｕｎｔｒｉｅｓｉｎｗｏｒｌｄ

ａｒｅ

ｐｏｓｉｔｉｖｅｌｙｉｎｖｅｓｔｉｎｇ

ｈｕｇｅｆｕｎｄｓｆｏｒｉｔｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄ

ｓｔｕｄｙ．ＰＣｃｌｕｓｔｅｒｓｙｓｔｅｍｉｓ

ｔｈｅｃｈｅａｐｅｓｔ

ｏｎｅ，Ｔｈｅｐａｐｅｒｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｓｓｏｍｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｕｓｅｄ

ｆｏｒｄｅｐｌｏｙｉｎｇａ．ｃｌｕｓｔｅｒ

ｓｙｓｔｅｍ，ｓｕｃｈ

ａｓ

ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ，ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ，ｒｅｓｏｕｒｃｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ｌｏａｄ

ｂａｌａｎｃｉｎｇａｎｄ

ｐａｒｄｌｅｌｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｅｔｃ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅ

ｔｉｍｅ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ

ｔｏ

ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ

ａ

ｃｌｕｓｔｅｒｓｙｓｔｅｍ，ｉｔｐｒｅｓｅｎｔｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｏｆｓｕｃｈａ

ｓｙｓｔｅｍｉｎ

ｄｉｖｅｒｓｅｆｉｅｌｄｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｌｕｓｔｅｒｃｏｍｐｕｔｅｒｓｙｓｔｅｍ；ｐａｒａＨｅｌｃｏｍｐｕｔｉｎｇ；ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ；ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ

１集群计算机系统

容量为（１００ＭＢ／ｓｘｌ６）／２＝８００ＭＢ／ｓ，其中除以２是因为

通信端口总是成对工作的。对于一个理想集群系统的集群计算机是指利用高速通信网络将一组高档体系结构，可用的结点有工作站、ＰＣ机、ＳＭＰ服务器，工作站或ＰＣ按某种结构连接起来，在并行程序设计及甚至超级计算机。结点的操作系统是多用户、多任务

可视化人机交互集成开发环境支持下，统一调度，协调和多线程的系统，如Ｌｉｎｕｘ等。结点可以是同构的，也

处理，实现高效并行处理的系统．由于集群计算机具有可以是异构的。其中可用性基础设施层提供高可用性投资风险小，可扩展性好，可继承现有软硬件资源和开服务，单一系统映像基础设施层提供单一系统映像服

发周期短、容易编程等突出特点，目前已很快成为并行务，最上层的３类子系统则用来支持该集群系统的可处理的热点和主流，据专家预测：“未来的高性能计算用性。

机和超级服务器都将基于集群结构”。集群系统中的结点可以按３种方式实现连接：

２构建集群系统的关键技术

（１）无共享方式。指结点之间通过Ｉ／Ｏ总线连接，在不同集群系统构建的难易程度也不同。对于廉价大多数集群中都采用这种方式。

的集群系统，仅需将一定数量的高档ＰＣ机通过快速以（２）共享磁盘方式。较小规模的商用性集群常常采太网进行互连，并辅之以某些相关的免费自由软件，如用这种连接方式，其优点是当某个结点出现故障时，其

Ｌｉｎｕｘ，ＰＶＭ，ＭＰＩ等，即可得到一个性价比很不错的并行它结点可以代替其工作。

计算环境。而对于精心设计的高性能集群系统，则还需（３）共享存储器方式。这是一种新型的连接方式。要着重考虑其它一些问题。

在其结构中，互连系统与每个结点中的存储总线相连，２．１可扩展性及其设计原理

而在其它两种结构中，互连系统则是与结点的Ｉ／Ｏ总如果能够通过增加系统资源以满足不断增长的

线相连。集群中的结点数越多，则系统的整体处理能力对性能和功能的要求，或者能够通过减少系统资源以

也就越强，但结点数的增多受限于消息传递的通信速降低成本，则称这样的计算机系统是可扩展的。一个

度和容量。如果采用１６端口的１００ＭＢ／ｓ的快速以太系统的可扩展性包含性能和功能、成本伸缩、可兼容

网交换机作为网络互连，由于集群的结点连接是独占性等几个方面系统的可扩展性一般是指：

端口，所以独享１００ＭＢ／ｓ带宽，对该集群系统，它的通信

（１）资源可扩展性。是指通过增加系统规模（即处理

器数）、投入更多存储部件（高速缓存、主存、磁盘）以及熊盛武：教授

增加软件等方法，使系统具有更高性能或更多功能。

基金项目：国家８６３计划（２００２ＡＡｌＺｌ４９０）；湖北省自（２）应用可扩展性。要充分开发可扩展并行计算机

然科学基金项目（２００２ＡＢ０４０）资助

一８６—３６０．，Ｌ，年邮局订阅号：８２—９４６

万　

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