实时集群计算机系统与应用

摘 要：本文以当今集群计算机研究现状为背景,展开对实时集群计算机系统的研究讨论.文中首先对系统进行了一个整体上的描述,对系统性能要求、软件、硬件都有介绍.随后对系统的研究展开讨论,从系统构建、关键技术方面入手研究.最后通过实际应用对系统的应用情况进行概述.

关 键 词：实时；集群；拓扑结构；并行处理

中图分类号：TP338文献标识码：A文章编号：1674-7712（2013）16-0000-01

20世纪八十年代,并行处理概念的提出极大的冲击了计算机性能取决于CPU处理效率的观点.随着计算机技术和网络技术的发展,利用并行处理概念,将互联网中的PC机或是工作站连接起来就构成了集群计算机系统.如何利用并行处理来实现高计算能力实时集群计算系统的开发,同时推动系统的普及化、商品化,诸多研究已经针对这一课题展开.

一、实时集群计算机系统概述

集群计算机是在系统软件的基础之上,统一处理网络内的各个PC机、工作站、计算节点等,从而实现系统的高效性.实时集群计算机又区别于一般的集群系统,除了通常所要求的计算能力,还强调对系统的实时反应性能.

为实现系统的高效性和实时性,系统在功能、硬件、软件方面都有一定的要求.

系统通信将信息预处理成一定的格式,随后向系统中的每个节点通过广播的形式发送.同时,控制中心实时监测各个节点的动态负载、运行情况,并以此为基础信息制定各个节点的任务.计算机进程通过对任务分配的分析,分配各个节点的任务.节点在完成对任务数据的检验后进行任务,随后将结果汇至数据库.这一过程,通过平衡软件来协调控制各个节点.

系统的基本硬件由控制节点、计算机、通信节点、数据库、等组成,这些基本硬件通过高速的网络连接而成,以保证信息传递和数据互换.要实现系统的实时性,通过计算可知,要求系统通过千兆光纤以太网交换机连接.同时,平衡软件的设计,合理的分配各个单元的任务进程、先进的网络拓扑结构对于性能的提高都是必不可少的.当然,系统内外的防火墙、性能良好的硬件设备等也是必不可缺的.

系统的软件包括软件平台中的操作系统、软件开发工具,通信协议、系统映像、并行技术应用软件等,系统的高效性都依赖于软件的设计与开发.

二、实时集群计算机系统研究

(一)系统的网络结构

系统采用以太网网络结构,有着成本低、可扩展性好、性能好的特点.但是由于以太网网络自身的局限性,不能为数据的实时传输提供保障.所以合理的设计网络拓扑结构显得举足轻重.随着网络的扩展,规模的扩大,非用户数据在传输链路上所占的比重会不断的增大,传输的时间和带宽都相应提升,这就对网络的结构提出了要求.本系统采用VLAN技术,整个系统被划分为四个VLAN段：VLAN-A集群计算机A和管理员终端、VLAN-B集群计算机B和管理员终端、VLAN-C控制台显示终端、VLAN-D程序员终端.VLAN-D可以维护和管理系统中的任何一个节点.

(二)系统关键技术

实时集群计算机系统的开发的核心就在于关键技术的应用,从而实现并行概念的融入,实现系统的高效性和实时性.包括系统的可用设计、可扩展设计、并行模型设计、负载均衡技术实现、系统可靠性设计等,本文就几个核心技术做出介绍.

其中,最为重要的是并行计算模式的设计,在实时集群计算机系统中采用BSP模型,如图1所示,BSP模型相交其他模型而言能够适应更多的并行计算机构.

负载平衡也是实现系统实时性的一个至关重要的问题.如何将任务合理分配到各个计算节点,实现并行处理,达到计算资源的最高实时利用,这就是负载均衡技术需要解决的问题.为实现此目的,采用全局集中控制、实时动态调整的机制,通过任务分配表的形式来实现.以调度算法为核心,实现任务分配和任务调度.

三、实时集群计算机系统应用

实时集群计算机系统以其高效的计算能力和实时的反应能够解决一些容量较大,计算量巨大的问题.系统的应用对于解决社会经济等诸多领域的问题,提高效率、节约工作时间、减少不必要的成本支出等方面都有着重要的意义.近年来,集群计算机的出现取代了一直以来传统巨型机的应用限制,越来越呈现网络化的趋势,提供了一种并行处理系统可扩展的途径,使得社会中众多的重大问题能够通过此种方式解决.

系统应用已经在多个领域得到了应用,并有了良好的反馈.系统在大型的科学工程计算方面大有作为,同时,在非计算机的领域中,凭借其优良的可靠性、可用性、可操作性、可扩展性等,依然得到了很好的应用.以是石油地震数据处理为例来说明.在石油或是地震的实地探测中,生产的三维勘测数据要比一直以来的二维信息包含更多的信息,也能够更精确的、更全面的、更符合的反映低下情况.但是由于三维数据的计算量巨大,处理时间耗费过多而难以实现.实时集群计算机系统的出现就为这一问题提供了解决的方法.利用系统可以大大提高计算效率,很好的处理三维信息,圆满的解决这一问题.

总之,高计算性能的集群系统是当前研究的重要和热点课题,随着系统设备的商业化,实时集群计算机系统摆脱了以前的巨型化和高投入,一起高性能、高性价比、良好的扩展性等优点成为众多领域的新的高效的解决途径.同时系统的构建周期短、成本低、易于实现非常适合我国的实际,其研究与开发对于我国科学计算领域、商业数据处理领域等都有着深远的意义.