Реферат: Реферат по курсу «Микропроцессорные системы» на тему «Распределенные вычислительные системы»
Московский Государственный Технический Университет
имени Н. Э. Баумана
Аэрокосмический Факультет
Реферат по курсу
«Микропроцессорные системы»
на тему
«Распределенные вычислительные системы»
выполнили:
студентки группы АК5-71
Долголенко Е.В.
Нехорошева И.В.
принял:
асс. Степнев В.А.
2006г.
Содержание:
Понятие о вычислительных системах……………………………………………………...3
Классификация архитектур ВС……………………………………………………………..3
Вычислительные системы с программируемой структурой……………………………...7
Понятие о вычислительных системах с программируемой структурой…………………7
Определение ВС……………………………………………………………………………..8
Сосредоточенные и распределенные ВС…………………………………………………..9
Архитектурные особенности вычислительных систем с программируемой структурой
Структура ВС………………………………………………………………………………..12
Требования, предъявляемые к структуре ВС……………………………………………..12
Режимы функционирования ВС и способы обработки информации……………………13
Архитектурные аспекты при создании операционных систем ВС………………………16
Анализ вычислительных систем с программируемой структурой……………………….19
Список использованной литературы……………………………………………………….20
^ Понятие о вычислительных системах
В энциклопедическое понятие системы (от греч. systema – целое, составленное из частей; соединение) вкладывается множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определенную целостность, единство. При определении понятия системы необходимо учитывать теснейшую взаимосвязь его с понятиями целостности, структуры, связи, элемента, подсистемы и др. Понятие системы имеет чрезвычайно широкую область применения: практически каждый объект может рассматриваться как система, исключением не являются и средства вычислительной техники, в частности, ЭВМ и микропроцессорные БИС. Конкретизируем понятие вычислительной системы, считая его частным по отношению к приведенным.
Предварительно заметим, что коллектив вычислителей обладает свойствами системы и является средством, которое наиболее удобно и перспективно для решения сложных (системных) задач. В дальнейшем под вычислительной системой будем понимать средство обработки информации, базирующееся на модели коллектива вычислителей. Следовательно, ВС – это композиция аппаратурно-программных средств, предназначенная для параллельной обработки данных.
При достаточно общей трактовке под вычислительной системой понимается совокупность взаимосвязанных и одновременно функционирующих аппаратурно-программных вычислителей, которая способна не только реализовать (параллельный) процесс решения сложной задачи, но и априори и в процессе работы автоматически настраиваться и перестраиваться с целью достижения адекватности между своей структурно-функциональной организацией и структурой и характеристиками решаемой задачи.
^ Классификация архитектур ВС
Модель коллектива вычислителей есть диалектическое обобщение модели вычислителя, следовательно, вычислительные системы в сравнении с ЭВМ Дж. фон Неймана являются принципиально новыми средствами техники обработки информации, средствами с качественно новыми архитектурными возможностями. В самом деле, в архитектурном плане выделяют четыре класса архитектур вычислительных средств: SISD, MISD, SIMD, MIMD или, при использовании русской аббревиатуры,
ОКОД, МКОД, ОКМД, МКМД. Только первый класс, а именно SISD (Single Instruction stream / Single Data stream) или ОКОД (Одиночный поток Команд и Одиночный поток Данных) относится к ЭВМ. Под потоком команд понимается любая их последовательность, поступающая для исполнения вычислительным средством (ЭВМ или процессором, в случае SISD-архитектуры). При выполнении команд потока требуются операнды (данные), следовательно, поток команд “порождает” поток данных. Итак, SISD-архитектура предопределяет такое функционирование ЭВМ, при котором один поток команд управляет обработкой одного потока данных.
Архитектуры MISD, SIMD, MIMD относятся к вычислительным системам. В этих архитектурах имеет место “множественность” потоков или (и) команд, или (и) данных. Множественность характеризуется количеством одновременно реализуемых потоков команд или (и) данных. Архитектура MISD (Multiple Instruction stream / Single Data stream) или МКОД (Множественный поток Команд и Одиночный поток Данных) позволяет нескольким потокам команд обрабатывать один поток данных. Архитектура SIMD (Single Instruction stream / Multiple Data stream) или ОКМД (Одиночный поток Команд и Множественный поток Данных) предоставляет возможность одному потоку команд обрабатывать несколько потоков данных. Архитектура MIMD (Multiple Instruction stream / Multiple Data stream) или МКМД (Множественный поток Команд и Множественный поток Данных) допускает обработку несколькими потоками команд нескольких потоков данных.
Приведенная классификация архитектур средств обработки информации была предложена профессором Стенфордского университета США М. Дж. Флинном (M.J. Flynn) в 1966 г. и получила широкое распространение.
В архитектурах классов MISD, SIMD, MIMD (рис.1) допустимо построение нескольких типов вычислительных систем, среди которых наибольший интерес представляют: 1) конвейерные ВС, 2) матричные ВС, 3) мульти-процессорные ВС, 4) распределенные ВС, 5) ВС с программируемой структурой.
Конвейерные ВС – это системы, архитектура которых является предельным вариантом эволюционного развития последовательной ЭВМ и простейшей версией модели коллектива вычислителей. В основе таких систем лежит конвейерный (или цепочечный) способ обработки информации, а их функциональная структура представляется в виде “последовательности” связанных элементарных блоков обработки (ЭБО) информации. Все блоки работают параллельно, но каждый из них реализует лишь свою операцию над данными одного и того же потока. Сказанное позволяет относить конвейерные ВС к MISD-системам (рис. 1). Реальные промышленные высокопроизводительные ВС являются, как правило, мультиконвейерными. В них единое управляющее устройство (управляющая ЭВМ или подсистема, контроллер и т.п.) формирует один поток команд и несколько параллельных потоков данных на подсистемы–конвейеры. Последнее обстоятельство позволяет относить такие мультиконвейерные ВС к системам с архитектурой SIMD.
Матричные ВС основываются на принципе массового параллелизма, в них обеспечивается возможность одновременной реализации большого числа операций на элементарных процессорах (ЭП), “объединенных” в матрицу. Каждый ЭП – композиция из арифметико-логического устройства (АЛУ) и локальной памяти (ЛП); последняя предназначается для хранения части данных (но не части программы или параллельной ветви!). Поток команд на матрицу ЭП формируется устройством управления (следовательно, оно имеет в своём составе память для хранения программ обработки данных). Такие ВС рассчитаны, в частности, на решение задач матричной алгебры. Они имеют SIMD-архитектуру в классическом виде.
^ Мультипроцессорные ВС – обширная группа систем, в которую, в частности, могут быть включены конвейерные и матричные ВС (а также многомашинные ВС). Однако принято к мультипроцессорным ВС относить системы с MIMD-архитектурой, которые состоят из множества (не связанных друг с другом) процессоров и общей (возможно и секционированной, модульной) памяти; взаимодействие между процессорами и памятью осуществляется через коммутатор (общую шину и т.п.), а между процессорами – через память.
Распределенные ВС – мультипроцессорные ВС с MIMD-архитектурой, в которых нет единого ресурса (общей памяти). Распределенная ВС основывается на принципах модульности и близкодействия. Основные компоненты распределенной ВС (такие, как коммутатор, устройство управления, арифметико-логическое устройство или процессор, память) допускают представление в виде композиции из одинаковых элементов (локальных коммутаторов и устройств управления, локальных процессоров и модулей памяти).
Примером промышленной реализации распределенных ВС являются транспьютерные системы. Транспьютерная ВС – это композиция из одинаковых взаимосвязанных микропроцессорных кристаллов, называемых транспьютерами. В состав транспьютера входят локальные процессор и память, а также локальные средства коммутации и линки (Link – связь), позволяющие организовать взаимодействия с другими транспьютерами.
^ Вычислительные системы с программируемой структурой полностью основываются на модели коллектива вычислителей и являются композицией взаимосвязанных элементарных машин (ЭМ). Каждая ЭМ в своем составе обязательно имеет локальный коммутатор (ЛК), процессор и память; может иметь также внешние устройства. Локальная память ЭМ предназначается для хранения и части данных , и, главное, ветви параллельной программы. Архитектура ВС с программируемой структурой относится к типу MIMD. Такие ВС по своим потенциальным архитектурным возможностям не уступают ни одному из перечисленных выше классов систем. Они прежде всего ориентированы на распределенную обработку информации; эффективны и при конвейерной, и при матричной обработке. При распределенном способе обработки данных на ВС полностью используются возможности MIMD-архитектуры. При конвейерном и матричном способах обработки данных архитектура MIMD виртуально трансформируется соответственно в архитектуру MISD и SIMD. Системы с программируемой структурой рассчитываются на работу во всех основных режимах: решения сложной задачи, обработки наборов задач, обслуживания потоков задач, реализации функций вычислительной сети.
Концепция вычислительных систем с программируемой структурой была сформулирована в Сибирском отделении АН СССР, первая система (“Минск-222”) была построена в 1965 – 1966 гг.
В 90-х годах 20 столетия получают широкое распространение кластерные вычислительные системы. По-видимому, термин вычислительный “кластер” (Cluster) был впервые введен компанией DEC (Digital Equipment Corporation). По определению DEC, кластер – это группа компьютеров, которые связаны между собой и функционируют как единое средство обработки информации.
Из приведенного определения видно, что корпорация DEC по сути ввела синоним термину “вычислительная система”, а не особый тип средств обработки информации. Для создания кластерных ВС используются и MISD-, и SIMD- и MIMD-архитектуры, различные функциональные структуры и конструктивные решения.
В наиболее общей трактовке, кластерная ВС или кластер – это композиция множества вычислителей, сети связей между ними и программного обеспечения, предназначенная для параллельной обработки информации (реализации параллельных алгоритмов решения сложных задач). При формировании кластерной ВС могут быть использованы как стандартные промышленные компоненты, так и специально созданные средства. Однако в кластерных ВС, как правило, превалируют массовые аппаратурно-программные средства. Последнее, по существу, является принципом конструирования кластерных ВС, обеспечивающим их высокую технико-экономическую эффективность.
Архитектура современных высокопроизводительных ВС, как правило, отличается от своих изначальных канонов. Архитектура одних и тех же систем, в зависимости от уровня рассмотрения их функциональных структур, может выглядеть и как MISD, и как SIMD, и как MIMD.
SISD-архитектура; ЭВМ MISD-архитектура;
Конвейерные ВС
Процессор
Устройствоуправления
^ Конвейер элементарных блоков обработки
АЛУ
…
…
Поток данных
Поток результатов
. . .
. . .
Память
Память
SIMD-архитектура;
Матричные ВС
MIMD-архитектура;
Распределенные ВС,
ВС с программируемой структурой
Устройство управления
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
ЭП – элементарный процессор
ЭМ – элементарная машина
^ АЛУ – арифметико-логическое устройство, ЛП – локальная память, ЛК – локальный коммутатор,
поток команд,
поток данных
Рис. 1. Развитие архитектуры вычислительных средств
^ Вычислительные системы с программируемой структурой
Вычислительные системы (ВС) с программируемой структурой – это распределенные средства обработки информации. В таких ВС нет единого функционально и конструктивно реализованного устройства: все компоненты (устройство управления, процессор и память) являются распределенными. Тип архитектуры ВС – MIMD; в системах заложена возможность программной перенастройки архитектуры MIMD в архитектуры MISD или SIMD.
Основная функционально-структурная единица вычислительных ресурсов в системах рассматриваемого класса – это элементарная машина (ЭМ). Допускается конфигурирование ВС с произвольным числом ЭМ. Следовательно, ВС с программируемой структурой относятся к масштабируемым средствам обработки информации и допускают формирование конфигураций с массовым параллелизмом (Scalable Massively Parallel Architecture Computing Systems).
Вычислительные системы с программируемой структурой диалектически сочетают в себе достоинства универсальных и специализированных средств обработки информации, в них допускается автоматическое формирование виртуальных проблемно-ориентированных конфигураций. В таких ВС с достаточной полнотой воплощены перспективные архитектурные принципы, системы основаны на модели коллектива вычислителей, обладают большими потенциальными возможностями по обеспечению высоких значений показателей эффективности функционирования.
Ниже будут даны основные понятия ВС с программируемой структурой и описаны архитектуры реализаций систем (ВС “Минск-222”, МИНИМАКС, СУММА, МИКРОС, МВС). Каждая из реализаций по сути является семейством распределенных моделей или средств обработки информации. Модели формируются на единой аппаратно-программной базе и отличаются друг от друга структурой сети межмашинных связей и/или составом (числом ЭМ и их конфигурацией). Архитектура каждой реализации ВС характеризуется предельной гибкостью, отвечающей текущему уровню развития элементной базы и технологии производства средств вычислительной техники.
^ Понятие о вычислительных системах с программируемой структурой
В конвейерных, матричных и мультипроцессорных ВС принципы модели коллектива вычислителей воплощены не достаточно полно. Пожалуй самым главным недостатком архитектуры таких ВС является наличие единого ресурса (устройства управления, управляющей ЭВМ, коммутатора и т.п.). Отказ единого ресурса приводит к отказу ВС в целом, что не приемлемо даже с позиций надежности и живучести. Единый ресурс не позволяет организовать мультипрограммную работу, при которой на различных подсистемах – связных подмножествах технических ресурсов (элементарных процессорах) – будут выполняться одновременно различные программы.
Значительный прогресс в практической реализации принципов модели коллектива вычислителей обеспечивается вычислительными системами с распределенными средствами управления. В отечественных научно-технических работах к названным системам относят ВС с программируемой структурой.
В вычислительных системах с программируемой структурой диалектически сочетаются архитектурные свойства универсальных и специализированных средств обработки информации. Рассматриваемые ВС – это универсальные параллельные компьютеры, которые способны программно настраиваться под структуру и параметры решаемых задач.
Ниже будут даны описания сосредоточенных и распределенных ВС, составляющих класс систем с программируемой структурой.
Определение ВС
При построении ВС с программируемой структурой доминирующими являются следующие три принципа:
массовый параллелизм (параллельность выполнения большого числа операций);
программируемость (автоматическая перестраиваемость или реконфигурируемость) структуры;
конструктивная однородность.
Следует подчеркнуть, что принцип программируемости структуры вычислительной системы является таким же важным, каким в свое время было предложение Дж. фон Неймана относительно организации в ЭВМ автоматической модификации программ. (Он предложил хранить программу в памяти машины вместе с данными, что позволило модифицировать программу с помощью самой ЭВМ.) Принцип программируемости структуры требует, чтобы в ВС была реализована возможность “хранения” программного описания функциональной структуры и программной ее модификации (перенастройки) с целью достижения адекватности структурам и параметрам решаемых задач.
Под ВС с программируемой структурой понимается совокупность элементарных машин, функциональное взаимодействие между которыми осуществляется через программно настраиваемую сеть связи. Элементарная машина (ЭМ) – это композиция из вычислительного модуля и системного устройства. Вычислительный модуль (ВМ) служит как для переработки и хранения информации, так и для выполнения функций по управлению системой в целом. Системное устройство (СУ) – это та аппаратурная часть ЭМ, которая предназначается только для обеспечения взаимодействия данной ЭМ с ближайшими соседними машинами (точнее, с системными устройствами, с которыми имеется непосредственная связь).
Под ВМ в общем случае понимается аппаратурно-программный комплекс, структура и состав которого допускают варьирование в широких пределах. Здесь под ВМ будем понимать лишь аппаратурную часть этого комплекса. Минимальный состав ВМ представляется (элементарным или локальным) процессором с (локальной) оперативной памятью; промежуточный – ЭВМ с каналами (например, прямого доступа к памяти, селекторными, мультиплексными), внешними запоминающими устройствами, устройствами ввода-вывода информации, терминалами и т.п.; максимальный – вычислительной системой (или средством, основанным на модели коллектива вычислителей). Вычислительные модули могут быть произвольного состава, но для компоновки каждого из них в пределах одной ВС, как правило, используется один и тот же тип процессора. При более широкой трактовке класса ВС с программируемой структурой можно ограничиться лишь требованием программной совместимости вычислительных модулей.
Простейшие и развитые конфигурации СУ – это локальный коммутатор и коммуникационный процессор. Простейшая конфигурация – это элементарный процессор, т.е. композиция локального процессора (арифметико-логического устройства и локальной памяти) и предельно простого локального коммутатора (рис. 1).
Системы с программируемой структурой предназначаются для решения задач произвольной сложности (с произвольным объемом вычислений) как в моно-, так и в мультипрограммным режимах, они могут использоваться как вычислительные средства общего назначения либо как проблемно-ориентированные, могут эксплуатироваться автономно либо в составе сложной системы.
^ Сосредоточенные и распределенные ВС
Вычислительные системы с программируемой структурой являются распределенными средствами и в архитектурном, и в функциональном планах. В самом деле, в них любые ресурсы (процессоры, память и устройства управления и системные) представляются множествами соответствующих модулей. Тем не менее в классе вычислительных систем с программируемой структурой выделяют (пространственно) сосредоточенные и распределенные ВС. Характерной особенностью сосредоточенных ВС является компактное пространственное размещение средств обработки и хранения информации, при котором нет необходимости использовать телекоммуникационные сети (существующие абонентские или специально разработанные сети передач данных). В сосредоточенных системах нет линий связи, вносящих существенную задержку в работу ВС, нет жестких ограничений на топологию сети связи, на возможность параллельной передачи информации между функциональными модулями (процессорами, модулями памяти, ЭВМ и др.). В таких ВС среднее время передачи слова между функциональными модулями соизмеримо со средним временем выполнения одной операции в процессоре.
К распределенным ВС относят макросистемы – системы сложной конфигурации, в которых в качестве функциональных элементов выступают пространственно- рассредоточенные вычислительные средства, основанные на моделях вычислителя и коллектива вычислителей, и сети связи, обеспечивающие взаимный теледоступ между средствами обработки информации. Распределенная ВС – это объединение пространственно удаленных друг от друга сосредоточенных ВС, основанное на принципах:
1) параллельности функционирования сосредоточенных ВС (т.е. способности нескольких или всех сосредоточенных систем совместно и одновременно решать одну сложную задачу, представленную параллельной программой);
2) программируемости структуры (т.е. возможности автоматически настраивать сеть связи между сосредоточенными ВС);
3) гомогенности состава (т.е. программной совместимости различных сосредоточенных ВС и однотипности элементарных машин в каждой из них).
Распределенные ВС в общем случае предназначаются для реализации параллельных программ решения задач (произвольной сложности или с произвольным объемом вычислений, в монопрограммном и мультипрограммном режимах) на рассредоточенных в пространстве вычислительных ресурсах. Они должны быть приспособленными и для выполнения функций, присущих вычислительным сетям, и для реализации последовательных программ. В распределенных ВС допустимо централизованное и децентрализованное управление вычислительными процессами. Использование “длинных” каналов связи приводит в общем случае к необходимости учета запаздывания сигналов при передаче по ним информации.
Любое функциональное взаимодействие между сосредоточенными ВС, составляющими распределенную систему, производится через сеть связи. В сеть связи включаются каналы и системные устройства, распределенные по сосредоточенным ВС. В распределенных ВС нет принципиальных ограничений на физическую природу каналов; в них могут быть использованы двухпроводные, коаксиальные и радиорелейные линии связи, средства коммуникации на основе волоконной оптики, микроволновой и спутниковой связи и др. На СУ возлагается выполнение функций, свойственных системным устройствам для сосредоточенных ВС и устройствам связи для вычислительных сетей. Среди элементарных функций любого СУ есть осуществление обмена информацией между сосредоточенной ВС и каналом, а также может быть обеспечение транзитной передачи информации. Для мощных распределенных ВС системное устройство может быть реализовано как параллельный сервер.
Предельным по простоте вариантом сосредоточенной ВС является ЭМ, следовательно, простейшим вариантом распределенной ВС будет совокупность однотипных и регулярно соединенных ЭМ, использующая “длинные” программно-коммутируемые каналы межмашинной связи. В этом случае в состав ЭМ входят однотипные СУ.
Более развитым вариантом распределенных ВС являются системы, структура сети связи которых в целом является нерегулярной и которые компонуются из программно-совместимых ЭВМ. В данном случае сеть связи организуется посредством программно-совместимых системных устройств. В топологическом плане такие ВС классифицируются как централизованные, децентрализованные, кольцевые и радиально-кольцевые системы. Топологическое изображение названных систем аналогично схемам, общепринятым для вычислительных сетей.
^ Распределенные системы, в которых выполняется условие программной совместимости ЭВМ, будем относить к гомогенным ВС. В теоретическом плане можно рассматривать и гетерогенные распределенные ВС, состоящие из программно-несовместимых ЭВМ и сосредоточенных ВС и имеющие сеть связи с нерегулярной структурой. Однако реализация гетерогенных систем наталкивается на большие трудности, связанные прежде всего с организацией их эффективного функционирования.
В подкласс распределенных ВС входят вычислительные сети. Несмотря на внешнюю схожесть распределенных систем и сетей, имеется принципиальное отличие в их функционировании. Вычислительные сети производят обработку потоков задач, как правило, представленных последовательными программами. Параллельные программы могут иметь место, если в сети имеются сосредоточенные ВС (например, в сети ARPA такой системой была ILLIAC-IV; в глобальной сети Internet функционирует большое разнообразие конвейерных, матричных, кластерных и мультипроцессорных ВС). Далее, решение каждой задачи выполняется на отдельной ЭВМ или сосредоточенной ВС, совместное использование нескольких ЭВМ и (или) ВС для решения одной задачи не допускается. При обслуживании потоков задач в вычислительных сетях осуществляются распределение нагрузки на ресурсы, передача информации, распределение программ и данных, дистанционная обработка и т.п. В сетях основным режимом является диалоговый, при котором взаимодействие происходит между двумя абонентами (пользователь – ЭВМ или ВС, пользователь – пользователь). Естественно, в сетях одновременно может происходить большое число диалогов. Работа вычислительной сети в этом отношении напоминает функционирование телефонной (проводной или сотовой) сети.
В распределенных ВС наряду с режимом работы, характерным для вычислительных сетей, реализуется также режим решения общей сложной задачи. Задача представляется параллельной программой, каждая макроветвь (или ветвь), которой реализуется на своей сосредоточенной ВС (или ЭВМ). Для распределенных ВС при решении одной сложной задачи характерен режим группового обмена информацией между абонентами (машины–машины, машины–пользователь).
Таким образом, распределенные системы относятся к более общему классу средств обработки информации по сравнению с вычислительными сетями и качественно от них отличаются возможностью решения одной сложной задачи на распределенных вычислительных ресурсах.
На производительность распределенных ВС (при реализации параллельных программ сложных задач) сильно влияют скорость передачи информации в каналах и запаздывание сигналов при передаче информации из одной сосредоточенной ВС (в простейшем варианте системы из одной ЭМ) в другую. В качестве мер снижения этого влияния могут служить совмещение счета с обменом информацией и применение в полной мере методики крупноблочного распараллеливания сложных задач.
При распараллеливании процесса вычислений (разбиении задачи на параллельные ветви – информационно связанные подзадачи – и размещении их в элементарных машинах системы) нужно стремиться к укрупнению частей задачи, решаемых автономно каждой ЭМ, и к уменьшению количества информации, передаваемой по каналам между машинами. Практика распараллеливания сложных задач показывает, что по мере укрупнения “автономных” частей задачи имеет место уменьшение количества информации, передаваемой при межмашинных взаимодействиях. Поэтому даже при относительно малой скорости передачи информации по межмашинным каналам имеется реальная возможность эффективно решать задачу не только на сосредоточенных, но и на распределенных ВС (если эта задача может быть разбита на такие крупные подзадачи, время параллельного счета, для которых будет больше времени, расходуемого на обмен информацией между машинами, реализующими подзадачи).
При построении распределённых ВС большое значение приобретают экономические факторы. Так, стоимость распределённой ВС (в сравнении с сосредоточенной системой) в существенной мере определяется стоимостью достаточно дорогих физических каналов связи между рассредоточенными в пространстве вычислительными ресурсами (сосредоточенными системами или в простейшем случае – элементарными машинами). Следовательно, для снижения стоимости системы в целом приходится при построении ВС использовать минимальное число каналов связи между ЭМ. В простейших приложениях достаточно ограничиться топологией сети межмашинных связей, обеспечивающей непосредственную связь любой ЭМ с двумя ЭМ (достаточно использовать одномерные или кольцевые структуры), а также применить способ межмашинной передачи информации в последовательной форме.
Появившиеся в конце 20 столетия так называемые кластерные ВС или вычислительные кластеры суть варианты сосредоточенных и распределенных систем. Кластеры подразделяются на физические и логические. Первые кластеры являются специально сконфигурированными вычислительными системами из серийных аппаратурно-программных средств ЭВМ. Логические (или виртуальные) кластеры организуются в аппаратурно-программной среде вычислительных сетей. Для такой организации используются дополнительные системные средства, (как правило, программные), которые превращают вычислительную сеть в средство для реализации параллельных вычислений.
Целесообразно подчеркнуть, что современное информационное пространство – это локальные и распределённые корпоративные вычислительные сети и глобальная сеть Internet. Дальнейшим шагом в развитии архитектуры сетей должны стать распределенные вычислительные системы, способные реализовать параллельные алгоритм решения сложной задачи на рассредоточенных ЭВМ и ВС. По-видимому, наиболее перспективны распределённые ВС, основанные на принципах программируемости межмашинных связей и конструктивной однородности.
Опыт 70-х годов 20 столетия в создании и эксплуатации распределённых ВС убеждает в том, что такие системы суть эффективный инструментарий решения сложных задач. Установлено, что при реализации параллельных программ сложных задач на машинах распределённой ВС достигается производительность , где коэффициент – быстродействие одной ЭВМ. В распределённых вычислительных системах эффективно реализуются все режимы работы, характерные для вычислительных сетей.
Создание распределённых ВС из серийно выпускаемых ЭВМ и ВС не вызывает существенных инженерных и математических трудностей. Как правило, требуются незначительные доработки базового программного обеспечения, связанные с реализацией системных операций в виде подпрограмм и с введением системного диспетчера в операционную систему. Это же самое можно сказать и относительно организации (логических) вычислительных кластеров на базе существующих вычислительных систем.
^ Таким образом, распределённые вычислительные системы в сравнении с сетями являются более общим классом средств переработки информации.
В конце 20 столетия в индустрии обработки информации получили развитие так называемые Grid-технологии. На основе этих технологий создаются большемасштабные пространственно-распределённые системы обработки информации, способные реализовать параллельные алгоритмы решения суперсложных задач на своих рассредоточенных ресурсах. Такая Grid-система суть композиция множества ЭВМ и вычислительных систем, пространственно-распределённой коммуникационной сети и программных компонентов для осуществления параллельных вычислений. В Grid-системе могут использоваться гетерогенные и несовместимые вычислительные средства, однако для их совместной работы над параллельными алгоритмами должны быть применены специальные механизмы (например, протоколы) поддержки. Очевидно, что введение в Internet программных компонентов для реализации параллельных алгоритмов на её распределённых вычислительных ресурсах превращает сеть в Grid-систему. Из сказанного следует, что Grid-система – это ничто иное как распределённая ВС в том понимании, которое представлено в данном разделе.
^ Архитектурные особенности вычислительных систем с прграммируемой структурой
В архитектурном плане вычислительные системы с программируемой структурой – это аппаратурно-программные объекты, основанные на модели коллектива вычислителей. В этом разделе будет дана детализация структуры ВС, точнее будут изложены элементы теории структур.
Структура ВС
Структура ВС описывается графом , множеству вершин которого сопоставлены элементарные машины (или системные устройства, или локальные коммутаторы), а множеству рёбер – линии межмашинных связей.
Какие же структуры следует использовать в ВС, особенно, в масштабируемых и большемасштабных ВС? Это достаточно сложный вопрос, однако аксиоматически ясно, что полносвязные структуры (когда любая ЭМ непосредственно связана с каждой ЭМ) практически не приемлемы (хотя бы из-за ограничений существующих технологий БИС). Нужны структуры, которые были бы существенно проще “полных графов” и которые бы позволяли достичь “эффективного” решения задач (с учётом ненадёжности компонентов ВС). Здесь внимательнее рассмотрим структурные аспекты, прежде всего связанные с производительностью и живучестью ВС.
^ Требования, предъявляемые к структуре ВС
Остановимся на требованиях, которые предъявляются к структурам современных вычислительных систем.
1. Простота вложения параллельного алгоритма решения сложной задачи в структуру ВС
Структура ВС должна быть адекватна достаточно широкому классу решаемых задач; настройка проблемно-ориентированных виртуальных конфигураций и реализация основных схем обмена информацией между ЭМ не должны быть связаны со значительными накладными расходами (например, с большим временем работы операционной системы по вложению параллельного алгоритма).
^ 2. Удобство адресации элементарных машин и “переноса” подсистем в пределах вычислительной системы
Вычислительная система должна предоставлять возможность пользователям создавать параллельные программы с виртуальными адресами ЭМ. Следовательно, структура ВС должна позволять реализовать простейший “механизм” преобразования виртуальных адресов ЭМ в реальные (физические) адреса машин ВС. Необходимость организации одновременного решения нескольких задач на ВС (т.е необходимость разделения пространства элементарных машин между задачами) обосновывает требование простоты перемещения подсистем в пределах системы (при сохранении их топологических свойств). Итак, при выполнении данных требований будет достигнута эффективность ВС как при работе в моно-, так и мультипрограммных режимах. Кроме того следует отметить, что данные требования – это необходимые условия для создания отказоустойчивых параллельных программ.
^ 3. Осуществимость принципа близкодействия и минимума задержек при межмашинных передачах информации в ВС
Принцип близкодействия предопределяет реализацию обменов информацией между “удалёнными” друг от друга ЭМ через промежуточные машины системы. Следовательно, в условиях ограниченности числа связей у каждой ЭМ структура должна обеспечивать минимум задержек при “транзитных” передачах информации.
^ 4. Масштабируемость и большемасштабность структуры ВС
Для формирования конфигураций ВС с заданной эффективностью требуется, чтобы структура обладала способностью к наращиванию и сокращению числа вершин (машин). Изменение числа ЭМ в ВС не должно приводить к коренным перекоммутациям между машинами и (или) к необходимости изменения числа связей для любых ЭМ.
Для достижения высокой производительности ВС при существующих возможностях микропроцессорной техники требуется число ЭМ порядка . Для поддержки большемасштабности (такого массового параллелизма) необходимо, чтобы структура ВС обладала способностью эффек