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计算机集群技术概述

作者: 发布时间:2020-02-03 11:02:56 阅读: 33 次

摘要:集群(cluster)技术是一种较新的计算机技术,是构建高性能计算系统的主流方式,它具有低成本、高性能以及良好的可扩展性等优良性能。本文主要对计算机集群技术进行了探讨分析。

 

1 集群技术的定义

一般来说,计算机集群(Cluster)是指利用高速的通信网络将一组工作站或者PC机按某种连接结构连接起来,在并行程序设计以及可视化人机交互集成开发环境的支持下,统一调度,协调处理,达到高效并行处理的目的。

 

2 集群技术的分类

可以按照解决问题的不同而将计算机集群分为三类

1)科学集群(Scientific clusters):主要用于并行计算。

科学集群是计算机并行计算的基础,集群技术主要是利用一个主服务器来掌控运行相应的控制程序,从而把一个规模比较大的计算机集群分成很多的个小的子任务再分配到各个节点,由该节点分别计算得出结果再传送到主服务器。

2)负载均衡集群(Load Balance clusters):主要用于大规模计算。

它包括负载均衡调度器以及后台实际服务器两部分。负载均衡调度器用于接收来自用户的请求,并且根据后台的服务器负载的实际状况从而将任务分配到本节点来进行运算。

2)高可用性集群(High-availability clusters

本系统由两个以上或者两个以上的节点组成,用比较简单并且经济的方式确保重要的商务软件、计算机服务器以及数据的持续可用性和可靠性。通过系统监控、服务监控、以及IP自动迁移等相关技术实现在整个系统中无单节点故障。

这种计算机集群的分类是相对的,不是的。

 

3 集群系统结构

集群可以分为四个层次[5]:

(1)网络层:包括网络互联结构、信号技术、通信协议等。

(2)节点机和操作系统层:包括高性能客户机和分层以及基于微内核的操作系统等。

(3)集群系统管理层:资源管理、负载平衡、资源调度、安全问题以及并行IPO等。

(4)应用层:包括并行程序开发环境、并行应用以及串行应用等[5]

计算机集群技术是这四个部分的相互结合,各层次虽然侧重领域有所不同,但都是其不可缺少的部分,有一定的重要性。

 

4 集群技术的特点

1)系统开发周期短。

由于集群系统大多数是采用商用的工作站以及通用LAN网络,使结点个主机及系统的管理相对来说容易,且可以提高可靠性。开发的重心放在通信和并行编程的环境,既不需要重新研制计算的结点,又不需要重新来设计计算机操作系统以及编译系统,节省了很多研制时间。

2)用户投资风险小。

用户在购置传统计算机系统时会考虑使用效率不高的问题,系统的性能发挥差,因此会导致浪费很多资金。但是,集群系统不只是一个并行处理系统,这个系统的每个结点也是一台各自独立的工作站,即使整个系统对某些应用问题并行使用效率低,但是它的结点仍然可以作为单个工作站高效率的使用[2]

3)系统价格低。

由于生产批量较小,传统的巨型机或者MPP的价格都比较贵,一般要几百万甚至上千万美元。相比之下,构成集群的工作站或者的PC机都是批量生产的,因此售价相对较低。

4)节约系统资源 。

由于集群系统的组织结构相对灵活,可以将很多不同的体系结构以及不同性能的工作站连接在一起,从而,充分利用各个设备。从系统使用效率上看,集群系统的资源利用率相比于单机系统要高得多。

5)系统扩展性好 。

从使用规模上说,集群系统一般使用通用网络,因此系统扩展相对容易;从性能上来说,集群系统对于大多数中、粗粒度的并行应用都有较高的使用效率。

6)用户编程方便。

在集群系统中,程序的并行化只是在原来的CC++或者Fortran串行的程序中,插入相应的通信语句。用户使用的还是比较熟悉的编程环境,不需要适应新的环境,方便用户使用[2]

 

5 集群系统的应用及发展

集群系统主要用于解决粗粒度的应用问题[3]

1)石油地震数据处。

目前,三维地震勘探方法是油气勘探工作中非常有效的方法,同时也是解决地质勘探工作问题的有效手段。三维地震勘探相比于二维勘探能提供更的地下图像,从而更加接近实际地下的真实情况,从而有效地解决地质问题。但是,因为数据量大、计算量大以及处理周期长等问题,许多先进的三维地震资料处理手段在大型的计算机上很难实现。但是并行处理可以实现这些方法。

2)数值天气预报。

适用于我国的高原地区复杂地形的有限区域的YH数值天气预报模式以及美国大气科学研究中心研制的MM5中尺度数值预报模式都应用了集群技术,而且在8个结点的SCAPE集群系统上加速比达到6[3]

3CAD图像处理。

许多图像处理的并行化都可以采用二维分块法实现,这类算法并行度高,加速效果明显。

 

6 结束语

集群系统具有开发周期短、用户的投资风险小、节约系统资源、用户使用方便等优点,非常适合我国的现有国情,它出现给我国各行业提供了非常廉价高性能并行计算系统,所以对我国的高性能科学计算、商业领域数据处理、互联网应用以及教育事业发展等都将具有非常重要的应用价值[4]

 

[1]李敏,张宜生,李德群.用于并行计算的 PC 集群系统构建[J].计算机应用研究.20093

[2]胡章平.集群系统与分布式计算[J].电脑知识与技术.20065

[3]安立奎,钱伟懿,韩丽艳.集群系统中基于 MPI 的关联规则快速挖掘算法[J].三峡大学学报(自然科学版).20101

[4]贺喜玲.动态自适应集群系统[J].现代企业教育.200822

[5]张志友.计算机集群技术概述[J].实验室研究与探索.2006