Сосредоточенные и распределённые вычислительные системы

ЛЕКЦИЯ 1 1.1 Сосредоточенные и распределённые вычислительные системы Используемые в настоящий момент в мире вычислительные системы можно разделить на два класса: сосредоточенные и распределённые. При этом вычислительной система может быть распределённой как в структурном понимании, так и территориальном. Чаще, под распределёнными вычислительными системами подразумевают территориально (географически) распределённые системы. Вычислительные системы Сосредоточенные Структурно распределённые (гипотетич.) Территориально Территориально распределённые Структурнотерриториально Структурно Модульные Модульные С монолитной базой и модульными расширениями Монолитные Монолитные Распределённые Рис.1.1. Сосредоточенные и распределённые вычислительные системы На рис. 1.1. представлена упрощенная классификация вычислительных систем по двум критериям: распределённость, структурная монолитность. Сосредоточенными вычислительными системами, назовём системы с единым аппаратным и программным управлением, и внутренним информационным взаимодействием. Распределёнными вычислительными системами назовём системы, не имеющие единого аппаратного управления, но имеющими внутреннее информационное взаимодействие. К структурно сосредоточенным монолитным вычислительным системам можно отнести системы, которые представляют собой единый автономный вычислительный модуль. К таким системам можно отнести большинство персональных компьютеров, ноутбуков, моноблоков, серверов начального уровня. В этих системах существует единая аппаратная и программная система управления и внутреннее информационное взаимодействие. Схематически такая система представлена слева на рис. 1.2. Каждый процессор с основными устройствами, в том числе с памятью или без, можно представить как вычислительный узел Node. Дополнительные устройства можно отнести к периферии Perf. Все устройства вычислительной системы объединены совокупностью аппаратных и информационных межсоединений ICOM. Модульные ВС SYSTEM Node Node Perf ICOM Монолитные ВС SYSTEM Node Node ICOM Perf Perf Perf Node - вычислительный узел Perf – дополнительные устройства ICOM – совокупность межсоединений Рис. 1.2. Монолитные и модульные сосредоточенные ВС К структурно сосредоточенным модульным вычислительным системам можно отнести системы, которые собираются из отдельных модулей. При этом в этих системах сохраняется единая аппаратная и программная система управления и внутреннее информационное взаимодействие. Схематически такая система представлена справа на рис. 1.2. На рис. 1.3 показаны примеры сосредоточенный систем. Слева-направо показаны: монолитная, с монолитной базой и модульная вычислительная системы. Монолитные вычислительные системы представлены примером многопроцессорной рабочей станции или многопроцессорного сервера. Вычислительные системы с монолитной базой и модульными расширениями представлены (см. рис. 1.3. в центре) примером сервера, в котором имеется базовая материнская плата с процессором, памятью, периферией и слотами PCI. В эти слоты вставлены расширительные модули, которые содержат свои процессоры и память. Такие расширительные модули используются в качестве сопроцессоров-ускорителей к базовому модулю. Прочитать про конкретные примеры таких систем и ускорительных модулей можно здесь: http://forsite-company.ru/configurator/69152/, http://forsitecompany.ru/services_and_solutions/supercomputers/soprotsessory-nvidia-tesla/, http://forsite-company.ru/services_and_solutions/supercomputers/servery-dlyagpu-vychisleniy/, http://www.amd.com/ru-ru/solutions/professional/hpc . SYSTEM SYSTEM Perf (HDD) Node RAM CPU Node RAM (RAID controll-s) Node CPU CPU RAM CPU RAM Perf CPU Perf (Ethernet) ExtNode Node RAM Perf (Video) RAM Perf (RAM) ExtNode CPU Perf (RAM) ExtNode RAM Perf (HDD) HostNode (CPU) CPU Perf (Video) Node (CPU) Perf (RAM) Perf (RAM) Perf (Conrollers) Node (CPU) FirePlane Conrollers ICOM SYSTEM ICOM Модульные ВС (Пример сервера SUN Fire с UPA архитектурой ) Perf (Conrollers) ВС с монолитной базой (Сервер, расширенный ускорителями вычислений в слотах PCI ) ICOM Монолитные ВС (Мультипроцессорный сервер или рабочая станция) Perf (Ethernet controll-s) Рис. 1.3. Примеры сосредоточенных вычислительных систем Модульные вычислительные системы (см. рис. 1.3. слева) собираются из отдельных процессорных и периферийных модулей, которые устанавливаются в слоты базового коммуникационного устройства. Это устройство обеспечивает единую адресную, информационную и управляющую аппаратную среду в вычислительной системе. С примером такой модульной сосредоточенной вычислительной системы можно познакомиться по адресу: http://www.ixbt.com/cpu/sun-solutions.shtml в разделах SUN Fire x6400, x800 и SUN Fire 15K. Да и весь материал по данной ссылке может быть Вам полезен для знакомства с системами такого типа. Ещё можно получить информацию здесь: https://www.bytemag.ru/articles/detail.php?ID=8499. Сосред. модульные ВС Структурно-распр. ВС SYSTEM MetaSYSTEM Единое аппаратное и системное программное управление Единое программное управление SYSTEM SYSTEM (системное или Аппар. и Аппар. и прикладное) прогр. прогр. управл. управл. Node Node Node Node control data data ICOM ICOM Рис. 1.4. Различия между сосредоточенными и распределёнными вычислительными системами. Хотя это и упоминалось ранее, но, наглядно разницу между сосредоточенной модульной и структурно распределённой системами можно увидеть на рис. 1.4.. В сосредоточенных модульных системах присутствует единое аппаратное и единое программное управление для всех частей системы. В распределённых системах аппаратное и единое системное программное управление имеется только в отдельных узлах. Узлы такой системы соединены между собой только информационно. То есть, всё передаваемое между узлами рассматривается как данные, но не как сигналы и пакеты управления. Фактически, изначально распределённая вычислительная система, это просто набор самостоятельных вычислительных устройств. Чтобы эти устройства стали единой системой, необходимо на её узлы поставить компоненты единого программного обеспечения, которое свяжет эти узлы (отдельные сосредоточенные вычислительные системы) в единую мета-систему. Тогда часть передаваемых данных на программном уровне будет восприниматься как управляющая информация и вся разрозненная совокупность узлов превратиться в единую распределённую вычислительную систему. Возвращаясь к нашей классификации (см. рис. 1.1) отметим, что говоря о существующих на данных момент распределённых вычислительных системах, можно говорить только структурно распределённых. К ним относятся просто структурно-распределённые системы и территориально (географически) структурно распределённые. Различие в этих типах систем одно – расположение отдельных устройств. В первом случае все устройства территориально расположены близко друг к другу, а во втором достаточно далеко. Расстояние, на котором расположены части распределённой вычислительной системы, а также их конкретное расположение и подчинение играют большую роль, как в организации самой системы, так и в организации вычислительного процесса. Какую роль – это будет далее видно в нашем курсе. Гипотетически, может существовать территориально-распределённая вычислительная система, которая по своей структуре и управлению больше отвечает сосредоточенным системам. Такую систему нельзя отнести к структурно-распределённым. Однако существующие технологии и технические решения пока не позволяют создать такую систему. Поэтому распределённые вычислительные системы данного класса в нашем курсе мы рассматривать не будем. Под конец предлагаем познакомиться со сравнительной таблицей (см. таблицу 1.1) территориально распределённых и территориально не распределённых вычислительных систем. Территориально распределённые ВС Владелец узлов (Node-ов) Как правило все узлы принадлежат одному владельцу Узлы принадлежат разным владельцам или управляются разными подразделениями одного корпоративного владельца Как правило единообразное программное обеспечение Как правило не единообразное программное обеспечение Каналы связи с малым количеством сетевых посредников или без них Каналы связи с большим количеством сетевых посредников (повторителей, маршрутиз. и т.п.) Каналы связи являются частью вычислительной системы Каналы связи как правило не являются частью ВС Каналы связи выделенные в монопольном пользовании Каналы связи как правило общего пользования с разделяемой пропускной способностью Структура и параметры каналов неизменны в течением времени Структура и параметры каналов изменяются в течением времени Каналы связи между узлами Территориал. не распределённые ВС ПО Таблица 1.1. Сравнение вычислительных систем