1.3 Устройство кластера
Кластер Beowulf состоит из отдельных машин (узлов) и объединяющей их сети (коммутатора). Кроме ОС, необходимо установить и настроить сетевые драйверы, компиляторы, ПО поддержки параллельного программирования и распределения вычислительной нагрузки.
Узлы кластера. Подходящим выбором в данный момент являются системы на базе процессоров Intel Pentium 4. Стоит установить на каждый узел не менее 64-128MB оперативной памяти. Одну из машин следует выделить в качестве центральной (консоль кластера) куда можно (но не обязательно) установить достаточно большой жесткий диск, возможно более мощный процессор и больше памяти, чем на остальные (рабочие) узлы. Делать консоль кластера более мощной машиной имеет смысл, если вы захотите иметь на этом компьютере кроме интерфеса командной строки более удобное операционной окружение, например оконый менеджер (KDE, Gnome), оффисные программы, программы визуализации данных и т.п..
Имеет смысл обеспечить (защищенную) связь этой машины с внешним миром. Другими словами, сеть кластера (сеть состоящая их консоли кластера и рабочих узлов) топологически не должна находится внутри корпоративной сети. Если необходимо обеспечить доступ к консоли кластера из корпоративной сети и/или Интернет, то в этом случае, связь должна идти через отдельную сетевую карту, установленную в главном компьютере, и отдельный коммутатор.
При комплектации рабочих узлов вполне возможно отказаться от жестких дисков - эти узлы будут загружать ОС через сеть с центральной машины, что, кроме экономии средств, позволяет сконфигурировать ОС и все необходимое ПО только один раз (на центральной машине). Если эти узлы не будут одновременно использоваться в качестве пользовательских рабочих мест, нет необходимости устанавливать на них видеокарты и мониторы. Возможна установка узлов в стойки (rackmounting), что позволит уменьшить место, занимаемое узлами, но будет стоить несколько дороже.
Возможна организация кластеров на базе уже существующих сетей рабочих станций, то есть рабочие станции пользователей могут использоваться в качестве узлов кластера ночью и в нерабочие дни. Системы такого типа называют COW (Cluster of Workstations). В этом случае реальным представляется вариант, когда кластер строится на основе существующего компьютерного класса. Подобные классы уже имеются в большинстве учебных или научных учреждениях и обычно скомплектованы однотипными машинами, что и необходимо для кластера. Однако обычно такие компьютерные классы работают под операционной системой Windows и, вероятно, для замены ее на Unix придется решить вопросы административного плана и вопросы связанные с построением учебного процесса. Принципиальных препятствий для решения этих вопросов по-видимому нет, поскольку Unix (конкретно Linux) имеет все необходимое программное обеспечение для проведения учебного процесса или научной деятельности (компиляторы, средства разработки, офисные программы, программы работы с изображениями и визуализации данных, средства публикации (TeX)). Эта книга, например, большую часть времени писалась на консоли кластера в OpenOffice под управлением операционной системы Linux. Нельзя сказать, чтобы я испытывал при этом какую-либо ностальгию по старому доброму MS Word.
По большому счету отказываться от Windows не обязательно. Коммуникационные библиотеки PVM, MPI имеются не только для UNIX, но и для Windows. Если установка в компьютерном классе UNIX-сети вызывает непреодолимую аллергическую реакцию у админов или преподавателей, можно оставить ту операционную систему, к которой вы привыкли.
В принципе, для кластерных систем типа COW нет насущной необходимости останавливать кластер (и задачи на нем считаемые) на дневное (рабочее) время, когда за узловыми машинами работают пользователи. Работа параллельных программ конечно будет замедляться, но это не летально. Другое дело, если работа кластера будет заметно тормозить и затруднять работу пользователей.
Сеть. В простейшем случае для связи между узлами кластера используется один сегмент Ethernet (10Mbit/sec на витой паре). Однако дешевизна такой сети, вследствие коллизий оборачивается большими накладными расходами на межпроцессорные обмены, а хорошую производительность такого кластера можно ожидать только на задачах с очень простой параллельной структурой и при очень редких взаимодействиях между процессами (например, перебор вариантов).
Для получения хорошей производительности межпроцессорных обменов используют полнодуплексный Fast Ethernet на 100Mbit/sec или Gigabit Ethernet. При этом для уменьшения числа коллизий или устанавливают несколько "параллельных" сегментов Ethernet, или соединяют узлы кластера через коммутатор (switch). Под "параллельными" сегментами подразумевается такая структура сети, когда каждый узел кластера имеет более одной сетевой карты, которые с помощью специальных драйверов объединяются в один виртуальный сетевой интерфейс, имеющий суммарную пропускную способность. Для того, чтобы избежать проблем с конфигурированием такого виртуального интерфеса, следует использовать одинаковые сетевые карты на всех машинах кластера. Кроме того, каждая параллельная линия такого интерфеса должна представлять из себя Ethernet-сеть построенную на отдельном (от других параллельных ей линий) комутаторе.
1.4 ОПЕРАЦИОНАЯ СИСТЕМА
При выборе операционной системы следует основываться прежде всего на рекомендациях разработчиков программного обеспечения. Однако, если есть выбор, то при прочих равных условиях следует отдать предпочтение Linux.
Под Linux доступно огромное количество серверного ПО, компиляторов, библиотек, средств отладки и пр. Большое количество программного обеспечения имеется в свободном доступе, для многих программ есть исходные коды и обширная документация.
Плюсом Linux является "прозрачность" для пользователя и системного администратора, что позволяет быстрее и проще разрешать все возникающие проблемы.
Однако зацикливаться на выборе операционной системы не надо. Поскольку вы являетесь не системным администратором, а научным работником, операционная система для вас значит не больше, чем офис для бизнесмена. Основными вашими инструментами являются карандаш, бумага и транслятор с вашего любимого языка программирования. Кластерный суперкомпьютер есть не цель, но всего лишь средство для усовершенствования и оптимизации вашей основной работы.
Основой кластера является не операционная система, а коммуникационная среда (PVM, MPI), обеспечивающая возможность частям параллельной программы, выполняющимся на разных компьютерах, эффективно взаимодействовать между собой.
Рассмотренные ранее средства для построения кластера (PVM, MPI) имеют реализации как для операционных систем семейства UNIX (Linux, FreeBSD и т.п.), так и для систем фирмы Майкрософт. Поэтому, если вы испытываете непреодолимые трудности в отказе от Windows, то расстраиваться по этому поводу не надо. Кластер можно поднять и под Windows, причем трудозатраты на установку коммуникационной среды будут такими же как и в варианте с UNIX, то есть небольшими. Основная ваша трудность будет заключаться в том, чтобы научиться писать параллельные программы.
Однако, следует заметить, что подавляющее большинство более-меннее серьезных кластеров в мире работает все же в среде UNIX. Разбор преимуществ и недостатков того или иного семейства операционных систем выходит за рамки рассматриваемой нами темы. Поэтому я предлагаю просто поверить мне на слово, что лучшим выбором для вас будет Unix (Linux в частности).
Хочется отметить одни немаловажный аспект, проявляющийся при попытке перенести свою работу из Windows в Linux. Имеются в виду психологический и административный факторы. Человек, приходящий в мир Linux, испытывает чувство растерянности и неуверенности в том, что он сможет найти в новой системе привычные для него инструменты. Это, как если бы, человек с детства говорящий только на русском языке, выехал за границу. Кроме того, если вы примите решение о строительстве кластера на базе имеющегося у вас компьютерного класса, который используется в обучении студентов, вам неизбежно придется в той или иной степени менять учебный процесс.
Что касается психологии, то давно прошли те времена, когда работа в UNIX была уделом компьютерных гуру, разговаривающих на непонятном языке и пишущих программы в машинных кодах. Современный уровень развития Linux позволяет чувствовать себя пользователю не менее комфортно, чем в Windows. Более подробно об этом можно прочитать в этой статье. Статья посвящена несколько другой теме, но представление о том, что вас ждет в мире Linux, вы получить сможете.
В настоящее время основной операционной системой, используемой при проведении учебных занятий в вузах, является операционная система Windows. При всех достоинствах системы ей присущи некоторые недостатки, существенно затрудняющие ее использование. К таким недостаткам можно отнести:
малую защищенность системы от неквалифицированных действий пользователей (студентов);
подверженность системы различного рода "взломам" при сетевом использовании и подверженность вирусам;
неустойчивость работы системы, проявляющаяся в зависаниях и потере информации;
большая стоимость лицензий на использование систем;
закрытость операционной системы, затрудняющая написание учебных программ в ее среде и обучение;
большие требования к возможностям компьютера (память, быстродействие);
частая смена версий ОС (примерно каждые два года).
По поводу ломки учебных планов можно сказать следующее. Решение построить кластер на базе вычислительных мощностей имеющегося в наличии компьютерного класса может быть принято скорее всего на физических или математических факультетах ВУЗов. Целью обучения студентов на этих факультетах не ставится подготовка квалифицированных секретарей-референтов со знанием компьютера. Все же остальные цели компьютерной практики вполне могут быть достигнуты и при использовании операционной системы Linux. Жесткая ориентация на продукты фирмы Майкрософт в действительности не обоснована нуждами учебного процесса. Кроме того, ОС Linux вполне может сосуществовать с Windows на одном и том же компьютере и загружаться только по мере необходимости. Другое дело, что проблемой может встать наличие лаборантов, имеющих достаточный уровень квалификации в Linux.
Использование Linux в качестве базовой операционной системы в учебных классах кроме возможности построения кластера из имеющихся в классе компьютерах позволит:
более эффективно использовать имеющиеся вычислительные средства
снизить затраты на обслуживание всей системы (благодаря возможностям к гибкой настройки и четкого отслеживания прав доступа различных пользователей) решить проблемы с необходимостью приобретения лицензий на используемое ПО сделать работу компьютеров в сети и работу всего класса более надежной и устойчивой
0 комментариев