پایگاه علمی سعید سان دانلود رایگان مقالات علمی کنفرانس و ژورنال
دانلود پردازش خوشه‌ای
چکیده
امروزه برای فراهم سازی توان محاسباتی مورد نیاز جهت حل مسایل پیچیده ,فناوری های متنوعی وجود دارد. سیستم پردازش موازی گسترده یا سیستم های خوشه ای, از بارز ترین نمونه های این فناوری محسوب می شوند. در حال حاضر موسسات بزرگ علمی و تحقیقاتی دنیا به صورت گسترده ای از این فناوری, جهت حل مسایل پیچیده ای که تا قبل از این, غیر قابل حل بوده اند, استفاده می کنند. در این پایان نامه, ابتدا به تعریف و تقسیم بندی سیستم های پردازش موازی, مخصوصا سیستمهای خوشه ای می پردازیم. سپس مزایای این سیستمها و روش های برپاسازی آنها را بررسی می کنیم و با بیان قانون امدهل به بیان محدودیتهایی می پردازیم که در افزایش تعداد پروسسورها, مواجه می شویم. در نهایت اصول کار سیستمهای موازی را شرح داده و به بررسی کامل پیاده سازی یک سیستم خوشه ای با سخت افزارهای تجاری و در دسترس و سیستم عامل لینوکس می پردازیم.
فصل 1
مفاهیم مقدماتی
دانشمندان موفق شده‌اند با الهام گرفتن از یک روایت کهن ، شیوه کارآمد و در عین حال ارزانی را برای دستیابی به توان‌های محاسباتی بسیار بالا ، تکمیل کنند. به نوشته ماهنامه علمی
” ساینتیفیک آمریکن ” این شیوه هم‌اکنون در بسیاری از مراکز علمی و آزمایشگاه‌های تحقیقاتی ، مورد استفاده قرار گرفته است.
در افسانه‌های قدیمی آمده است که روزی گذار کهنه سربازی گرسنه و بی‌پول به دهی فقرزده افتاد و برای رفع گرسنگی ابتکاری به خرج داد. او به مردم دهکده گفت که می‌تواند با استفاده از یک دیگ بزرگ آب جوش و یک تکه سنگ آش خوشمزه‌ای بپزد. مردم ده ابتدا با ناباوری به او که دیگ را بار گزارده بود نگریستند ، اما بعد هر یک برای آنکه سهمی از آش داشته باشند ، با اهدا یک تکه کوچک گوشت یا یک دسته سبزی ، یا یکی دو تا هویج ، یا مشتی برنج ، در کار پختن و تهیه آش مشارکت کردند. دست آخر درون دیگ آنقدر ماده خوردنی جای گرفته بود که محصول نهایی را به اندازه کافی خوشمزه و مغذی می‌کرد. به نوشته این ماهنامه ، محققان آزمایشگاه ملی
” اوک ریج ” با استفاده از همین تمثیل ابر کامپیوتر تازه‌ای موسوم به ” سنگ ” را تکمیل کرده‌اند که متشکل از 130 کامپیوتر معمولی است که به صورت کلاستری عمل می‌کنند. یکی از این 130 دستگاه به عنوان ورودی کل سیستم عمل می‌کند که از یک سو با شبکه‌ها و سیستمهای دیگر در تماس است و از سویی دیگر با بقیه اعضا شبکه خود ارتباط برقرار می‌کند. این شبکه مسائلی را که بدان محول می‌شود، با استفاده از شیوه محاسبه موازی و با تقسیم کار میان اعضاء شبکه به انجام می‌رساند.
یکی از بزرگترین طرح‌هایی که این ابر کامپیوتر مونتاژ شده از عهده آن برآمده ، تهیه نقشه جامعی از ایالات متحده است که در آن کل مساحت امریکا به 8/7 میلیون قطعه ، هر یک به مساحت یک کیلومتر مربع ، تقسیم شده و 25 مولفه آب و هوایی مختلف برای نقاط گوناگون آن در نظر گرفته شده و در مجموع 1000 ناحیه آب و هوایی متفاوت در آن منظور شده است.
هرچند اندیشه به هم پیوستن کامپیوترهای معمولی و یا قدیمی برای دستیابی به توان عملیاتی بالاتر ، اندیشه تازه‌ای نیست و سابقه آن به دهه 1950 باز می‌گردد ، اما تنها در چند سال اخیر است که ظهور نرم‌افزارهای جدید امکان بهره‌گیری کلاستری از کامپیوترهای دیجیتالی را فراهم آورده است. به عنوان نمونه ، هم‌اکنون در موزه تاریخ طبیعی آمریکا ، 560 کامپیوتر پنتیوم 3 موجود است که محققان با به هم پیوستن آنها ، ابر کامپیوتر قدرتمندی را بوجود آورده‌اند که از آن برای بررسی در نحوه تطور اختران و ستارگان بهره گرفته می‌شود. نکته حائز اهمیت در رهیافت تازه آن است که می‌توان از کامپیوترهای موجود در اوقاتی که کاربران اصلی آنها از آنها استفاده نمی‌کنند ، بهره گرفت. به عنوان مثال ، پروژه ” ستی ” که به وسیله دانشگاه کالیفرنیا و برای بررسی امکان وجود موجودات هوشمند در کیهان در حال اجراست ، فعالیت خود را از طریق اینترنت و به کمک 3 میلیون کامپیوتر شخصی متعلق به شهروندان ، و در ساعات آخر شب که کامپیوترها مورد استفاده صاحبان آنها نیستند ، دنبال می‌کند.
شکل شماره 1 : تهیه نقشه جامع از آب و هوای ایالات متحده آمریکا با استفاده از ایجاد کلاستر
1.1 تعریف پردازش خوشه‌ای
پردازش خوشه‌ای یا پردازش خوشه‌ای نوعی از سیستمهای پردازش موازی و توزیع شده است، که متشکل از مجموعه‌ای از کامپیوترهای مستقل می‌باشد که تمام این گره‌ها در ارتباط تنگاتنگ با کل سیستم هستند و به عنوان یک منبع یکپارچه کار می‌کنند.[۱]
2.1 تاریخچه
اولین جرقه و الهام برای پردازش خوشه‌ای در دههٔ ۶۰ میلادی در آی بی ام زده شد. در آن زمان مهندسان در حال بررسی یک طرح پیشنهادی جهت برقراری ارتباط مابین کامپیوترهای مرکزی بودند، تا به زیر ساخت پردازش‌موازی که از لحاظ هزینه به صرفه باشد برسند. در آن زمان دو سیستم کارآمد HASPو JES و موفقیت‌های حاصل از آنها اجازهٔ توزیع کارها مابین خوشه‌ای از کامپیوترهای مرکزی را به مهندسان می‌داد. با این حال پردازش پردازش خوشه‌ای شتاب لازم را تا زمان توسعهٔ ۳ تکنولوژی اساسی بکار رفته در پردازش خوشه‌ای در دههٔ ۸۰ را بخود نگرفت. این ۳ تکنولوژی اساسی عبارتند از:
پردازنده‌هایی با کارائی بالا
شبکه‌هایی با سرعت بالا
توسعهٔ ابزارهای مناسب برای ایجاد پردازش توزیع شده
احتمالاً می‌توان همزمانی ۲ مولفهٔ نیاز بر قدرت پردازش و بالا بودن هزینه‌های ایجاد ابر کامپیوترهای سنتی را دلیل ۴ برای بروز این شتاب دانست.[۲] پیشرفت‌های قابل توجه و توسعهٔ این تکنولوژی‌ها همراه با کاهش هزینه‌ها و در دسترس قرار گرفتن قطعات و تجهیزات مورد نیاز باعث شد تا پردازش خوشه‌ایها و شبکه‌ای از کامپیوترهای شخصی و ایستگاه‌های کاری به یک راه حل معقول و اساسی برای ایجاد زیرساخت پردازش موازی تبدیل شوند. در نتیجه پردازش خوشه‌ایها تبدیل به نقشه راه اصلی برای زیر ساخت موازی و توزیع شده برای پردازشهای با کارائی بالا و پردازشهای با دسترسی بالا و پردازشهای با عملکرد بالا شدند. مسیر پردازش موازی در حال دور شدن از زیر ساخت‌های سنتی و تخصیص یافته مانند دستگاه Cray/SGI T3E و نزدیک شدن به سیستمهای ارزان و چند منظوره که از کامپیوترهای چند پردازنده‌ای که بصورت منظم ومتقارن ویا نامنظم ونامتقارن بهم متصل شده‌اند می‌باشد. ظهور و شتاب ناگهانی پردازش خوشه‌ایها با چند پروژه آکادمیک و دانشگاهی مانند Beowulf و Berkeley NOW و HPVM رانده شد، که باعث اثبات برتری پردازش خوشه‌ایها به زیر ساخت‌های سنتی شد.
3.1 انواع پردازش خوشه‌ای
عموما پردازش خوشه‌ایها به ۲ بخش اساسی تقسیم می‌شوند: پردازش خوشه‌ایهای با کارائی بالا و پردازش خوشه‌ایهای با دسترسی بالا. پردازش خوشه‌ای با دسترسی بالا جهت ایجاد سرویسهایی با قابلیت اطمینان بالا و پردازش خوشه‌ایهای با کارائی بالا جهت رسیدن به قدرت پردازشی بهتر نسبت به یک کامپیوتر تنها طراحی شده‌اند.
1.3.1 پردازش خوشه‌ایهای با کارائی بالا
پردازش با کارائی بالا شاخه‌ای از علوم کامپیوتر است که در آن بر توسعهٔ ابر کامپیوترها و الگوریتم‌های موازی و نرم‌افزارهای مرتبط تمرکز شده است. پردازش با کارائی بالا بخاطر هزینهٔ کمتر و اهمیت بخشهای مورد نیاز در آنها مهم و حائز اهمیت است:
۱. حل مسائل مهم محاسباتی: طراحی پیشرفته محصولات – بررسی و شبیه‌سازی محیط – تحقیقات
۲. ذخیره‌سازی و پردازش داده‌ها: جستوجوی اطلاعات – پردازش تصویر
2.3.1 پردازش خوشه‌ایهای بئوولف
بئوولف را می‌توان ماشینی مخصوص برای پردازشهای موازی نامید، که برای اینکار طراحی و بهینه‌سازی شده است. در تاریخ ۱۹۹۴ توماس استرلینگ و دان بکر پردازش خوشه‌ایی با ۱۶ گره ساختند و آن را بئوولف نامگذاری کردند. در آن زمان این سیستم اولین نمونه از ایدهٔ ساخت پردازش خوشه‌ای با استفاده از COTS به معنی دستگاههای معمولی و رایج در بازار بود که توانایی برآورده سازی انتظار برای منابع پردازشی را داشت، که از ناسا به مرکز تحقیقاتی و علمی توسعه یافت. ۲ کلاس متفاوت برای بئوولف موجود است:
کلاس اول بئوولف‌هایی که از قطعات و ابزار معمول و استانداردهای رایج استفاده شده باشند.
کلاس دوم بئوولف‌هایی که لزوما از ابزار رایج استفاده نشده و برای استفادهٔ خاص تغییر داده شده باشند.
فهرست مطالب
1.3.1 پردازش خوشه‌ایهای با کارائی بالا. 4
2.3.1 پردازش خوشه‌ایهای بئوولف.. 4
3.3.1 پردازش خوشه‌ایهای با دسترسی بالا. 4
4.1 شمای طبقه‌بندی پردازش خوشه‌ای.. 5
1.5.1 فناوریهای اتصالات داخلی و نرم‌افزارهای ارتباطاتی.. 5
3.5.1 میان افزار سیستم مدیریت منابع.. 5
6.2 اتصالات درونی در یک کلاستر. 17
اترنت ، اترنت سریع و گیگابیت اترنت.. 17
مد انتقال غیرهمزمان ( ATM ) 18
رابط ارتباطی مقیاس‌پذیر ( SCI ) 18
8.2 سرویس‌های شبکه / نرم‌افزارهای ارتباطی.. 22
11.2 لایه‌ها / سطوح تصویر سیستم واحد. 24
14.2 اهداف طراحی میان‌افزار. 26
15.2 خدمات کلیدی SSI و زیرساختار قابلیت دسترسی.. 27
16.2 مدیریت منابع و زمان‌بندی ( RMS ) 28
18.2 سیستمهای انتقال پیام ( MPI و PVM ) 30
19.2 سیستمهای حافظه اشتراکی توزیعی ( DSM ) 31
21.2 ابزارهای بررسی کارآیی.. 33
22.2 ابزارهای اداره کردن کلاستر. 33
2.23 موارد کاربردی پردازش خوشه‌ای.. 34
24.2 سیستمهای کلاستری نمونه. 34
25.2 پروژه شبکه ایستگاه‌های کاری برکلی ( Berkeley NOW ) 35
26.2 پروژه ماشین مجازی با کارآیی بالا ( HPVM ) 36
2-28 Solaris MC : یک سیستم عامل با توانایی اجرایی سطح بالا برای کلاستر. 38
29.2 مقایسه چهار محیط کلاستری.. 40
30.2 کلاستری از SMP ها ( CLUMPS ) 41
1.3 روندهای رشد نرم‌افزار و سخت‌افزار. 42
2.3 روندهای رشد تکنولوژی کلاستر. 43
3.3 تکنولوژی‌های آینده پردازش خوشه‌ای.. 44
4.4 خدمات Clustering (رایانش خوشه ای) 45
| فرمت فایل: Word (قابل ویرایش) |
| تعداد صفحات: 56 |
| حجم: 1.45 مگابایت |