Кластерные вычислительные системы

Кластер - группа взаимно соединенных вычислительных систем (узлов), работающих совместно и составляющих единый вычислительный ресурс, создавая иллюзию наличия единственной ВМ. Для связи узлов используется одна из стандартных сетевых технологий (Fast/Gigabit Ethernet, Myrinet) на базе шинной архитектуры или коммутатора. Примеры кластерных вычислительных систем: NT-кластер в NCSA, Beowulf-кластеры.

Одно из самых современных направлений в области создания вычислительных систем - кластеризация. Помимо термина «кластерные вычисления», достаточно часто применяют такие названия: кластер рабочих станций (workstation cluster), гипервычисления (hypercomputing), параллельные вычисления на базе сети (network-based concurrent computing), ультравычисления(ultracomputing).

Изначально перед кластерами ставились две задачи: достичь большой вычислительной мощности и обеспечить повышенную надежность ВС. Пионером в области кластерных архитектур считается корпорация DEC, разработавшая первый коммерческий кластер в начале 80-х годов прошлого века.

Архитектура кластерных систем во многом похожа на архитектуру МРР-систем.
Тот же принцип распределенной памяти, использование в качестве вычислительных узлов законченных вычислительных машин, большой потенциал для масштабирования системы и целый ряд других особенностей. В первом приближении кластерную технологию можно рассматривать как развитие идей массовых параллельных вычислений. С другой стороны, многие черты кластерной архитектуры дают основание считать ее самостоятельным направлением в области MIMD-систем.

В качестве узла кластера может выступать как однопроцессорная ВМ, так и ВС типа SMP (логически SMP-система представляется как единственная ВМ). Как правило, это не специализированные устройства, приспособленные под использование в вычислительной системе, как в МРР, а серийно выпускаемые вычислительные машины и системы. Еще одна особенность кластерной архитектуры состоит в том, что в единую систему объединяются узлы разного типа, от персональных компьютеров до мощных ВС. Кластерные системы с одинаковыми узлами называют гомогенными кластерами, а с разнотипными узлами - гетерогенными кластерами.

Использование машин массового производства существенно снижает стоимость ВС, а возможность варьирования различных по типу узлов позволяет получить необходимую производительность за приемлемую цену. Важно и то, что узлы могут функционировать самостоятельно и отдельно от кластера. Для этого каждый узел работает под управлением своей операционной системы. Чаще всего используются стандартные ОС: Linux, FreeBSD, Solaris и версии Windows, продолжающие на-правление Windows NT.

Узлы в кластерной системе объединены высокоскоростной сетью. Решения могут быть простыми, основанными на аппаратуре Ethernet, или сложными с высокоскоростными сетями пропускной способности в сотни мегабайтов в секунду (Мбит/с). К последней категории относятся сети SCI компании Scali Computer (≈100 Мбит/с) и Mirynet (≈120 Мбит/с). В принципе, за основу кластерной системы может быть взята стандартная локальная сеть (или сеть большего масштаба), с сохранением принятых в ней протоколов (правил взаимодействия). Аппаратурные изменения могут не потребоваться или, в худшем случае, сводятся к замене коммуникационного оборудования на более производительное. При соединении машин в кластер почти всегда поддерживаются прямые межмашинные связи.

Вычислительные машины (системы) в кластере взаимодействуют в соответствии с одним из двух транспортных протоколов. Первый из них, протокол TCP (Transmission Control Protocol), оперирует потоками байтов, гарантируя надежность доставки сообщения. Второй - UDP (User Datagram Protocol) пытается посылать пакеты данных без гарантии их доставки. В последнее время применяют специальные протоколы, которые работают намного лучше, например Virtual Interface Architecture (VIA).

При обмене информацией используются два программных метода: передачи сообщений и распределенной, совместно используемой памяти. Первый опирается на явную передачу информационных сообщений между узлами кластера. В альтернативном варианте также происходит пересылка сообщений, но движение данных между узлами кластера скрыто от программиста.