Классификация по стандартности комплектующих: стандартные или эксклюзивные [7].
Вычислительные кластеры из стандартных комплектующих имеют низкие цены и простое обслуживание. Широкое распространение кластерные технологии получили как средство создания именно относительно дешевых систем суперкомпьютерного класса из составных частей массового производства.
Кластеры из эксклюзивных (нестандартных) комплектующих, позволяют получить очень высокую производительность, но являются более дорогими. Примером таких кластеров могут служить систолические структуры (систолы).
Систолическая архитектура вычислительного устройства представляет собой SIMD-систему, т.е. конвейер, на каждой ступени которого происходит обработка данных и промежуточный результат без записи в память передается на следующую ступень конвейера для обработки. Систолы являются эффективным решением для выполнения узкоспециализированных задач, и, как правило, проектируются индивидуально под каждую задачу [16].
Классификация по функциональной направленности: высокоскоростные (High Performance, HP-кластер) и высокой готовности (High Availability, HA-кластер) [7].
Высокоскоростные кластеры. Производительность узлов и скорость связи между ними определяют быстродействие High Performance кластерной системы. Причем влияние скоростных параметров как узлов, так и связей между ними на общую производительность системы зависит от характера выполняемых кластером задач. Требуется соблюдать баланс между скоростью межпроцессорного обмена и их вычислительной мощностью. Чем меньше взаимодействуют части параллельной задачи между собою, тем большие требования предъявляются к производительности вычислительных узлов, и, соответственно, чем больше взаимодействие, тем выше должна быть скорость межпроцессорного обмена. Также характер выполняемых задач накладывает определенные требования и на их параллельное программирование [6].
Кластеры высокой готовности (высокой надежности). Кластеры High Availability предоставляют высокую отказоустойчивость при достаточно низкой стоимости. Вычислительная система будет обладать высокими показателями готовности, когда она будет удовлетворять следующим условиям:
- вычислительные узлы и другие компоненты такой системы были максимально надежными;
- система должна быть отказоустойчивой, как правило это реализуется за счет аппаратной избыточности;
- система должна поддерживать технологию Hot Swap, то есть возможность «горячей» замены.
Соблюдение вышеперечисленных условий позволит операционной системе кластера при отказе одного из вычислительных узлов автоматически перераспределить задачи между другими исправными узлами вычислительного кластера.
Выделяется отдельный класс вычислительных кластеров - вычислительные сети GRID. GRID-вычислители (от англ. grid - решетка) представляют собой совокупность разного вида вычислителей: целых кластеров, отдельных ЭВМ (как многопроцессорных, так и однопроцессорных), которые могут иметь любую территориальную удаленность [7].
К основным свойствам GRID можно отнести [17]:
- координированное использования общих ресурсов;
- отсутствие централизованного управления этими ресурсами;
- использование стандартных, открытых, универсальных протоколов и интерфейсов;
- высокое качество обслуживания (низкая латентность, надежность, аппаратная избыточность и т.д.).
3. Систематизация известных подходов к классификации КС
В приведенных выше признаках классификации кластерных систем отсутствуют признаки, которые позволяли бы разделять кластеры по коммутационным системам. Косвенно разделение по коммутационным структурам упоминается в литературе [7] при определении высокопроизводительного кластера. Но в этом случае производительность кластера рассматривается с комплексной точки зрения, включающей скорость взаимодействия между подзадачами, производительность вычислительных узлов и специфику параллельного программирования конкретной выполняемой задачи.
На основании вышеизложенного предлагается расширить существующие классификации кластеров дополнительным признаком - «по типу коммутационных систем»
Таким образом, с точки зрения классификации по типу используемых коммутационных системможно выделить кластер со специализированной (высокопроизводительной) КС или с КС общего назначения.
Производительность кластера, как и всякой системы с распределенной памятью, сильно зависит от производительности коммуникационной среды. Влияние производительности коммуникационной среды на общую производительность кластерной системы зависит от характера выполняемой задачи. Если задача требует частого обмена данными между подзадачами, которые решаются на разных узлах вычислительного кластера, то быстродействию коммуникационной среды следует уделить максимум внимания и использовать специализированные (высокопроизводительные) протоколы обмена данными, такие как InfiniBand, PCI Express, Fibre Channel и другие.
Соответственно, чем меньше взаимодействуют части задачи между собой, тем меньше требований предъявляется к быстродействию коммуникационной среды. В этом случае для межпроцессорного обмена могут быть использованы протоколы общего назначения, такие как Fast Ethernet, Gigabit Ethernet или другие.
Если при построении вычислительных кластеров используют достаточно дешевые коммуникационные среды, то такие кластеры обеспечивают производительность на один-два порядка более низкую, чем производительность коммуникационных сред суперкомпьютеров [7].
В большинстве современных кластеров используются несколько типов коммутационных сетей, несущих разную функциональную нагрузку. Для низколатентного обмена сообщениями или быстрой доставки большого массива данных применяются высокопроизводительные протоколы, в то время как для управления и мониторинга кластера целесообразно использовать более дешевые протоколы, основанные на технологии Ethernet.
Рис. 4. Обобщенная многокритериальная классификация кластерных систем
В результате исследования известных классификаций кластеров и обобщения всех приведенных критериев, с выделением особо значимых и с учетом введения нового, в работе предложена общая схема, отражающая как положение кластеров среди всех вычислительных систем вообще, так и подробную классификацию внутри самих кластерных систем (рис. 4).
Библиография
1. Лацис, А.О. Как построить и использовать суперкомпьютер / А.О. Лацис-М.:Бестселлер, 2003.-240 с
2. С. Яценко. Шина PCI-опыт разработки встраиваемых устройств / Chip News, № 3B4, 1998, с. 17-22.
3. R. Buyya High Performance Cluster Computing / R. Buyya - Prentice Hall PTR. NJ, USA, 1999, 128 р.
4. Васильков А. Новый рейтинг ТОП500 суперкомпьютеров [Электронный ресурс] http://www.computerra.ru/110512/sc-2014-top500_nov/
5. База знаний электронного журнала PC Mag [Электронный ресурс] http://ru.pcmag.com/upgrade-42005/13443/issue/klasternye-sistemy?p=3
6. Савяк В. Эффективные кластерные решения [Электронный ресурс] http://www.ixbt.com/cpu/clustering.shtml
7. Карпенко А.П. Многопроцессорные системы (MIMD-системы). Вычислительные кластеры. МГТУ им. Н.Э.Баумана [Электронный ресурс] http://bigor.bmstu.ru/?cnt/?doc=Parallel/ch010104.mod/?cou=Parallel/base.cou
8. Flynn M. Very high-speed computing system // M. Flynn, Proc. IEEE. 1966. N 54. P.1901-1909.
9. Flynn M. Some Computer Organisations and Their Effectiveness // M. Flynn, IEEE Trans. Computers. 1972. V.21. N 9. P.948-960
10. Воеводин В.В. Параллельные вычисления. / Воеводин В.В., Воеводин Вл. В - Спб.: БХВ-Петербург, 2002. -- 608 с.
11. Hockney R. Parallel Computers: Architecture and Performance // Proc. of Int. Conf. Parallel Computing'85. 1986. P.33-69.
12. Hockney R. Classification and Evaluation of Parallel Computer Systems // R. Hockney, Lecture Notes in Computer Science. 1987. N 295. P.13-25.
13. Во Минь Тунг. Исследование кластерных вычислительных систем и разработка моделей назначения фрагментов параллельных программ: 05.13.15-Вычислительные машины, комплексы и компьютерные сети: диссертация кандидата технических наук / Во Минь Тунг, Моск. энерг. ин-т (МЭИ ТУ). - М., 2010. - 218 с.
14. Орлов С. А. Организация ЭВМ и систем / Орлов С.А. - Издательский дом "Питер", 2011 - 686с.
15. Официальный сайт проекта «TOP500» [Электронный ресурс] http://www.top500.org/lists/2015/11/
16. База знаний компании Alterozoom [Электронный ресурс] https://alterozoom.com/documents/8289.html
17. Ian Foster “WHAT IS THE GRID? A THREE POINT CHECKLIST” / Ian Foster - Department of Computer Science, University of Chicago, Chicago [Электронный ресурс] http://www.mcs.anl.gov/~itf/Articles/WhatIsTheGrid.pd
18. Бородин А.В. Технико-экономическое обоснование варианта резервирования сетевой компоненты отказоустойчивой масштабируемой вычислительной системы специального назначения // Кибернетика и программирование. - 2015. - 6. - C. 55 - 70. DOI: 10.7256/2306-4196.2015.6.17523. URL: http://www.e-notabene.ru/kp/article_17523.html