Общие сведения о кластерах

Для начала нужно разобраться что же такое кластер в общем случае. Как правило, кластер состоит из узлов (отдельных компьютеров) и объединяющей их сети. Для построения сети обычно используется технология Fast Ethernet (100Mbit/sec), но в простейшем случае (например, создание кластера в домашних условиях или в демонстративных целях) подойдет и один сегмент Ethernet на 10Mbit/sec.

Обычно кластеры используются научно-исследовательскими организациями для моделирования различного рода задач или проведения сложных расчетов. Цена суперкомпьютеров является недоступной для большинства организаций, поэтому появилась идея собрать свой 'суперкомпьютер' из 'подручного материала' - рабочих станций на базе процессоров Intel. Производительность процессоров производства Intel сейчас практически достигла уровня процессоров архитектуры RISC (процессоры Intel включая Pentium III используют архитектуру CISC, а P4 - VLIW).

Собираем свой кластер

Конфигурация узлов кластера зависит от задач, которые они будут выполнять. Если ваша цель - само создание кластера без решения каких-нибудь важных задач, подойдут и старенькие машины с 486-ым процессором (желательно DX2 или DX4). Для решения относительно важных задач подойдут компьютеры с процессорами Pentium II от 400Mhz или Pentium III (от 600Mhz).

Обратите внимание на объем оперативной памяти. В первом случае (486/демонстрация работы кластера) достаточным будет 16-32MB (желательно). Во втором - минимум 64Мб, рекомендуется 128Мб ОЗУ.
При использовании многопроцессорных машин объем ОЗУ желательно увеличить до уровня Nx64Mb, где N - это количество процессоров, то есть по 64Мб на каждый процессор. Обычно используются двухпроцессорные машины - в этом случае минимальный объем ОЗУ будет равен 128Мб, а рекомендуемый - 256Мб.

Один компьютер (узел) будет центральным. Желательно, чтобы он был более мощным, чем остальные узлы кластера. На нем нужно установить более мощный процессор, в два раза большим объем оперативной памяти, чем на остальных узлах (минимум 128Мб). Желательно на центральном компьютере использовать SCSI-диск, но подойдет и ATA133 / 7200 rpm. Лучше поставить быстрый SCSI, а на узлах вообще отказаться от жесткого диска - так будет дешевле. Все эти требования - желательные, но не обязательные.

Если вы откажетесь от использования жестких дисков на узлах кластера, операционная система будет загружаться по сети, но об этом мы поговорим немного позже. В этом случае вы получите лишь выигрыш во времени: операционную систему и программное обеспечение нужно будет настраивать только один раз.
Вполне возможен отказ и от видеоплат при сборке узлов кластера (на центральном узле видеоплата все-таки будет нужна).

Теперь поговорим о сети. Как я уже писал, желательно использовать Fast Ethernet. Если количество узлов довольно велико (от 20), для уменьшения коллизий необходимо разбить на отдельные сегменты или использовать для их соединения коммутатор (swith), а не повторитель (hub).
В некоторых случаях имеет смысл разбить сеть на сегменты даже при небольшом числе узлов (от 8), например, если вы используете Ethernet (10Mbit/sec).

При использовании Ethernet отказываться от жестких дисков не рекомендуется: кластер будет работать ужасно медленно, будет возникать огромное число коллизий.
Одним из самых эффективных решений для связи узлов кластера является использование 1.28GBit-ных коммутаторов Myrinet. Также можно использовать технологию Gigabit Ethernet.

Программное обеспечение

В качестве операционных систем можно использовать:

1. Linux
2. FreeBSD
3. Windows NT

Предпочтительнее использовать любую Unix-систему, так как именно эти операционные системы наиболее эффективнее используют сетевые ресурсы. Оптимальным решением является операционная система Linux - она бесплатна и довольно проста в настройке.

Можно использовать любую Linux-систему с версией ядра 2.2.* и выше. Я бы порекомендовал использовать шестую версию Linux RedHat, так как она нетребовательна к системным ресурсам (минимальная конфигурация - 486 33Mhz/8MB RAM/120MB HDD) и в состав дистрибутива входит относительно новое программное обеспечение по сравнению с версией 5.2, которую также можно использовать для построения кластера. Версия ядра, используемая этим дистрибутивом (RH 6), 2.2.5-15.

После установки и настройки (настройки сети) операционной системы нужно установить специальные компиляторы. Дело в том, что бесплатно распространяемые компиляторы gcc/g77/egcs не обеспечивают необходимого уровня оптимизации программ для процессоров Intel (PII, PIII). Рекомендуется использовать коммерческие компиляторы, например, входящие в проект PGI Workstation.
При использовании Windows NT как операционной системы кластера можно также выбрать компилятор компании Intel, оптимизированный для платформы Intel.

В первом и во втором случае доступны тестовые версии компиляторов. Shareware-версию пакета PGI вы можете скачать на сайте PGI Group. А тестовую (14 дней) версию компилятора Intel можно скачать на сайте Intel.

После установки компиляторов нужно установить среду распределения задач. В этой статье я опишу работу со средой PVM, хотя доступны и другие средства MPI, Condor.

MPI CHameleon представляет собой реализацию промышленного стандарта MPI 1.1. MPI CHameleon позволяет программам выполнятся внутри локальной системы или на сетевом кластере с использованием TCP-соединений.
Среда Condor обеспечивает равномерную нагрузку на кластер путем миграции процессов между несколькими машинами.

Я выбрал более простой вариант - PVM (Parallel Virtual Machine). PVM обеспечивает условия для выполнения одной (или нескольких - в большинстве случаем) задач на нескольких машинах. Другими словами PVM просто распределяет процессы на узлах кластера также как планировщик заданий операционной системы распределяет процессорное время для выполнения нескольких задач.
PVM может работать на следующих архитектурах:

Alliant FX/8
ALPHA DEC Alpha/OSF-1
DEC Alpha/OSF-1 / using shared memory
AIX46 IBM/RS6000 / AIX 4.x
ATT AT&T/NCR 3600 под управлением SysVR4
BSD386 80[345]86 под управлением BSDI или BSD386/FreeBSD
CM5 Thinking Machines CM-5
CNVXN Convex using native f.p.
CRAY Cray
I860 Intel RX Hypercube
IPSC2 Intel IPSC/2
LINUX 80[3456]86 под управлением Linux
MASPAR
MIPS
SUN4 Sun 4, 4c, sparc, etc.
SUN4SOL2 Sun 4 под управлением Solaris 2.x
SUNMP Sun 4 / Solaris 2.x
WIN32 PC's под управлением Windows95 bkb NT (Intel, Alpha)

Это далеко не все архитектуры, которые поддерживает PVM. Список всех доступных архитектур вы найдете в документации pvm. Интересующие нас (точнее, доступные нам) архитектуры выделены жирным шрифтом.

Работа с 'параллельной машиной' довольно проста. Нужно установить ее на всех машинах кластера. Мой 'кластер' состоял из двух машин класса Pentium (100 и 150Mhz) с объемом ОЗУ по 32Мб и одной (центральной) Celeron 433 (128Mb). От сетевой загрузки я отказался из-за использование 10Mbit-го Ethernet'a. К тому же на всех узлах уже были установлены жесткие диски. На центральном была установлена ОС Linux Mandrake 7, а на вспомогательных машинах Linux RedHat 6.0 Hedwig. Я не устанавливал каких-нибудь коммерческих комплиляторов, а использовал те, которые входят в состав дистрибутива.
Кстати, PVM может работать и на платформе Windows 9x, но вот этого не рекомендую делать. Ради интереса я установил PVM для Windows 98. Скорость работы даже тестовых приложений (не говоря уже о реальных расчетах) была значительно ниже!!! То, что кластер работает медленнее было видно даже 'невооруженным глазом'. Скорее всего, это объясняется неэффективной работой Windows с сетью. К тому же, довольно часто весь кластер 'зависал' даже при выполнении тестовых задач, которые входят в состав пакета PVM.

Использование PVM

PVM компилируется с помощью привычной тройки команды:
configure; make; make install

Перед запуском make установите переменную окружения PVM_ROOT. В этой переменной окружения нужно указать каталог, в котором находятся каталоги PVM (например, $HOME/pvm, если вы распаковали архив в свой домашний каталог). Еще одной важной переменной окружения является PVM_ARCH. В ней содержится название архитектуры операционной системы. Данная переменная должна устанавливаться автоматически, но если этого не произошло (как в моем случае), нужно установить архитектуру самостоятельно. При использовании Linux эта переменная должна содержать значение LINUX.

Как я уже писал, нужно установить PVM на всех узлах кластера. Вся параллельная машина состоит из демона pvmd и консоли pvm. Назначение опций запуска демона можно узнать, выполнив команду man pvmd. На центральной машине нужно запустить демон pvmd и выполнить команду:
pvm
Этим мы запустим консоль, с помощью которой мы будем управлять всем кластером.

После запуска консоли вы должны увидеть приглашение, которое свидетельствует о том, что кластер готов к работе:
pvm >
Введите команду conf для печати конфигурации кластера. Вы должны увидеть примерно это:
Листинг 1.

pvm> conf
conf
1 host, 1 data format
 HOST DTID ARCH SPEED DSIG
 dhsilabs 40000 LINUX 1000 0x00408841

Из листинга 1 видно, что сейчас наш кластер состоит из одной машины - центрального узла, который работает под управлением Linux. Теперь самое время добавить в наш кластер еще два узла. Добавление узлов осуществляется с помощью команды:
add hostname
После успешного добавления узла в кластер он должен быть отображен в списке узлов кластера. Теперь уже можно запускать программы, которые поддерживают PVM. Примеры таких программ вы можете найти в каталоге $PVM_ROOT/bin/$PVM_ARCH/.В нашем случае это будет каталог /root/pvm/bin/LINUX (я установил pvm в каталог /root). Для начала запустим самую простую программу - hello. Прежде чем запустить ее, нужно сделать несколько замечаний:

1. Вы не можете запускать процессы прямо из консоли pvm. Консоль служит лишь для управления кластером.
2. Запуск задачи осуществляется обычным способом - из консоли операционной системы. Но 'распараллеливаться' будут лишь те процессы, которые поддерживают pvm. С помощью команды spawn также можно породить задачу (см. ниже)

Более интересной является программа gexample. После запуска нужно ввести два аргумента: n и число процессоров. Не вдаваясь в математические подробности, она рассчитывает сумму от 1 до n и факториал числа n. Второй аргумент определяет количество процессоров, которые будут задействованы в вычислении. В нашем случае второй аргумент равен трем. Просмотреть список всех задач можно с помощью команды ps -a. Эту команду нужно вводить в консоли pvm, а не в консоли операционной системы! Породить задачу можно также с помощью команды spawn, которая подробно рассмотрена ниже. Назначение всех команд консоли pvm представлено в таблице 1.

Таблица 1.

В таблице 1 я описал не все команды консоли pvm, обо всех остальных мы можете прочитать, введя команду man pvm.
Теперь рассмотрим некоторые команды подробнее. Начнем с самой простой - alias. С ее помощью можно определить псевдонимы для часто используемых команд, например
alias ? help
Теперь вместо команды help вы можете просто вводить ?

Команда id выводит идентификатор консоли pvm:

id
t40001

Команда mstat отображает состояние узла, например:

pvm > mstat dhsilabs
 dhsilabs ok

Подобно привычной нам команде ps, команда консоли pvm ps -a также используется для отображения всех выполняемых параллельной машиной задач:

pvm > ps -a
ps -a

 HOST TID FLAG 0x COMMAND
 dhsilabs 40002 4/c hoster
 dhsilabs 40009 2/f hello

Команда pstat выводит состояние задачи:

pstat 40002
t 40002 run

Вот теперь мы подошли к одной из самых интересных команд - spawn. Данная команда порождает задачу. С ее помощью можно указать некоторые параметры задачи, например, узел, на котором она должна выполняться.
spawn [opt] a.out
a.out - любой исполнимый бинарный файл - программа, которая даже не поддерживает библиотеку libpvm. Для таких программ также можно указать, на какой машине она будет выполняться. В среде Windows параметр a.out - это exe или com - файл.
Можно указать такие параметры команды spawn:

Таблица 2.

На этом я завершаю эту небольшую статью о Linux-кластерах. В следующих статьях мы поговорим о других кластерных проектах, в которых используется операционная система Linux. Список дополнительной литературы вы найдете ниже. Если что-нибудь непонятно, пишите - с удовольствием выслушаю ваши вопросы и комментарии, да и команду man тоже никто не отменял.