Đánh giá hiệu năng hệ thống song song phân cụm

Bé Gi¸o dôc vµ §µo t¹o Tr−êng §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc Ngµnh: Xö lý th«ng tin vµ truyÒn th«ng ®¸nh gi¸ hiÖu n¨ng hÖ thèng song song ph©n côm Ph¹m Thanh Liªm Hµ Néi 2006 1 MỤC LỤC MỞ ĐẦU…………………………………………………………………... 6 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG 8 1.1 Định nghĩa về đánh giá hiệu năng……………………………………... 8 1.2 Mục đích của việc đánh giá hiệu năng…………………………………. 8 1.3 Phân loại các phần mềm đo hiệu năng……………………………......... 9 1.3.1 Phân loại dựa trên độ phức tạp của chương trình đo hiệu năng…… 10 1.3.2 Phân loại dựa trên mục đích của chương trình……………………. 11 1.4 Sự phát triển của các phần mềm đo hiệu năng……………………....... 15 CHƯƠNG 2 KIẾN TRÚC HỆ THỐNG TÍNH TOÁN SONG SONG….… 18 2.1 Giới thiệu chung……………………………………………………...... 18 2.2 Phân loại các kiểu kiến trúc song song………………………………… 19 2.2.1 Kiến trúc máy tính Von Newmann……………………………....... 19 2.2.2 Phân loại kiến trúc máy tính của Flynn………………………..….. 20 2.3 Các mô hình lập trình song song……………………………………..... 25 2.3.1 Mô hình đa luồng………………………………………………...... 25 2.3.2 Mô hình truyền thông điệp…………………………………............ 25 2.3.3 Mô hình song song dữ liệu………………………………………... 26 2.4 Các vấn đề của một hệ thống tính toán song song phân cụm................. 26 2.4.1 Các khái niệm cơ bản.......................................................................... 26 2.4.2 Cấu trúc phần cứng hệ thống tính toán song song phân cụm………. 27 2.4.3 Các phần mềm sử dụng trong hệ thống song song phân cụm………. 28 2.5 Kiến trúc hệ thống tính toán song song BKCluster……………………. 32 2.5.1 Kiến trúc phần cứng của hệ thống BK Cluster……………………... 32 2.5.2 Kiến trúc phần mềm cài đặt trong hệ thống BK Cluster…………… 34 2.6 Quy trình đánh giá hiệu năng của hệ thống BK Cluser………….......... 36 2.6.1 Đo hiệu năng tính toán (năng lực của CPU)………………….......... 38 2 2.6.2 Đo hiệu năng truy cập bộ nhớ trong……………………………...... 41 2.6.3 Đo hiệu năng truyền thông………………………………………..... 42 2.6.4 Đo hiệu năng của thư viện MPICH…………………………………. 42 CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO HIỆU NĂNG…………………. 44 3.1 Đo hiệu năng tính toán…………………………………………………. 44 3.2 Đo hiệu năng truy cập bộ nhớ trong………………………………….... 47 3.3 Đo hiệu năng truyền thông……………………………………………... 47 3.4 Đo hiệu năng của thư viện phần mềm…………………………………. 48 CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG CÁC CHƯƠNG TRÌNH THỰC HIỆN QUI TRÌNH ĐO HIỆU NĂNG…………………………………………………. 50 4.1 Xây dựng chương trình thực hiện quy trình đo hiệu năng…………….. 50 4.2 Chương trình thực hiện các công việc đo hiệu năng………………….... 51 4.2.1 Chương trình thực hiện việc đo hiệu năng tính toán……………..... 51 4.2.2 Chương trình thực hiện đo hiệu năng truy cập bộ nhớ trong……… 53 4.2.3 Chương trình thực hiện đo hiệu năng truyền thông……………....... 54 4.2.4 Chương trình thực hiện đo hiệu năng thư viện MPICH……………. 55 CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ ĐO HIỆU NĂNG……………………………… 56 5.1 Kết quả đo hiệu năng tính toán………………………………………… 56 5.1.1 Kết quả đo hiệu năng tính toán của CPU đơn…………………….... 56 5.1.2 Kết quả đo hiệu năng tính toán của toàn bộ hệ thống……………… 57 5.2 Kết quả đo hiệu năng truy cập bộ nhớ trong…………………………... 64 5.3 Kết quả đo hiệu năng truyền thông……………………………………. 64 5.4 Kết quả đo hiệu năng của thư viện truyền thông điệp MPICH……….. 65 5.5 Đánh giá tổng hợp về hiệu năng của hệ thống BK Cluster……………. 68 CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN…………………………………………………. 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………. 73 3 CÁC THUẬT NGỮ Synthetic Code Mã lệnh đơn Kernel Hạt nhân Simulation Application Mô phỏng ứng dụng Mega Instruction Per Second MIPS Triệu lệnh trên giây Message Passing Interface MPI Thư viện truyền thông điệp Open Passing Interface Open MP. Thư viện lập trình đa luồng NASA Parallel Benchmark NPB Phần mềm đo hiệu năng song song Single Intruction Single Data SISD Đơn dòng lệnh, đơn dòng dữ liệu Single Instruction Multiple Data SIMD Đơn dòng lệnh, đa dòng dữ liệu Multiple Instruction Multip Data MIMD Đa dòng lệnh, đa dòng dữ liệu Nonumiform Memory Access NUMA Truy cập bộ nhớ không đồng nhất Uniform Memory Access UMA Truy cập bộ nhớ đồng nhất Symmetric Multi Processor SMP Đa bộ xử lý đối xứng Portable Batch System PBS Hệ thống phân tải 4 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1 Nguyên lý kiến trúc máy tính Von Newmann…………………… 20 Hình 2.2 Kiến trúc SISD…………………………………………………… 20 Hình 2.3 Kiến trúc SIMD………………………………………………….. 21 Hình 2.4 Kiến trúc MIMD Share Memory………………………………… 22 Hình 2.5 Kiến trúc MIMD Distributed Memory…………………………... 23 Hình 2.6 Kiến trúc Core Duo Intel………………………………………… 24 Hình 2.7 Cấu hình kết nối Cluster…………………………………………. 24 Hình 2.8 Kiến trúc phần cứng hệ thống BK Cluster……………………….. 34 Hình 2.9 Hai phần mềm PBS và MPICH………………………………….. 36 Hình 2.10 Qui trình đo hiệu năng BK Cluster……………………………... 38 Hình 5.1 Biểu đồ tương quan giữa hiệu năng và số trạm………………….. 63 Hình 5.2 Biểu đồ tương quan tốc độ truy cập bộ nhớ ……………………... 64 Hình 5.3 Biểu đồ tương quan dung lượng gói tin - tốc độ truyền thông…... 65 Hình 5.4 Biểu đồ tương quan dung lượng gói tin- tốc độ truyền thông điệp. 66 Hình 5.5 Biểu đồ tương quan tốc độ và thời gian truyền thông mạng……. 67 Hình 5.6 Biểu đồ tương quan dung lượng gói tin- thời gian truyền thông… 68 5 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Kiến trúc phần mềm hệ thông……………………………………. 34 Bảng 2.2 Các phần mềm sử dụng đo hiệu năng……………………………. 37 Bảng 2.3 Độ lớn của các lớp dữ liệu gói phần mềm NPB…………………. 40 Bảng 3.1 Sự tương ứng các phép toán số thực và đơn vị flop……………... 46 Bảng 5.1 Kết quả đo hiệu năng CPU đơn…………………………………. 57 Bảng 5.2 Kết quả đo hiệu năng tính toán bằng hạt nhân EP………………. 58 Bảng 5.3 Kết quả đo hiệu năng tính toán bằng hạt nhân IS………………... 59 Bảng 5.4 Kết quả đo hiệu năng tính toán bằng hạt nhân CG……………… 60 Bảng 5.5 Kết quả đo hiệu năng tính toán bằng hạt nhân MG……………… 60 Bảng 5.6 Kết quả đo hiệu năng tính toán bằng hạt nhân LU………………. 61 Bảng 5.7 Kết quả đo hiệu năng tính toán bằng mô phỏng chương trình SP.. 62 Bảng 5.8 Kết quả đo hiệu năng tính toán bằng mô phỏng chương trình BT. 62 6 MỞ ĐẦU Hiện nay trên thế giới nhờ các tiến bộ công nghệ cao, đã xây dựng được những hệ thống máy tính có khả năng tính toán rất lớn như siêu máy tính, tính toán lưới phục vụ cho việc nghiên cứu khoa học và các ứng dụng thực tế. Bên cạnh đó các nhà sản xuất máy tính cũng luôn thay đổi công nghệ, cho ra những thế hệ máy tính có khả năng tính toán với tốc độ nhanh. Tuy nhiên ở Việt Nam, với hiện tại các trung tâm nghiên cứu chưa đủ tiền để mua những máy tính lớn, trong khi đó nhu cầu có hệ thống tính toán lớn lại rất cần thiết. Một giải pháp là xây dựng hệ thống tính toán song song từ các máy tính hiện có và liên kết các trung tâm lại tạo ra hệ thống tính toán lớn. Trung tâm tính toán hiệu năng cao, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội đang triển khai nghiên cứu làm chủ công nghệ lưới và ứng dụng vào thực tiễn. Hệ thống BKGrid 2006 là sản phẩm của công trình đó. Hệ thống BKGrid 2006 được xây dựng với phần cứng là các máy tính hiện có như máy chủ HP NetServer và các máy trạm là các máy tính cá nhân, cấu hình mạng Ethernet và sử dụng các phần mềm mã nguồn mở: Hệ điều hành Linux, các thư viện tính toán chuyên dụng, phần mềm quản lý tài nguyên, thư viện truyền thông điệp Đánh giá hiệu năng của hệ thống là một trong những nhiệm vụ cần thiết để đưa ra những nhận xét, kết luận về tốc độ tính toán, tính hiệu quả của toàn bộ hệ thống. Đối với hệ thống tính toán song song phân cụm, việc đánh giá hiệu năng sẽ được tiến hành dưới hai mức độ. Đánh giá hiệu năng từng thành phần trong hệ thống : Gồm phần cứng và phần mềm. - Đánh giá hiệu năng phần cứng được thực hiện dựa trên các số đo : tốc độ tính toán của CPU, tốc độ truy cập vào bộ nhớ trong trên từng máy trạm, tốc độ truyền tin trong mạng. 7 Đánh giá hiệu năng phần mềm được thực hiện dựa trên việc khảo sát quá trình hoạt động của các thư viện được cài đặt trong hệ thống như các thư viện tính toán, các thư viện truyền thông điệp. - Đánh giá hiệu năng tổng hợp của toàn bộ hệ thống: toàn bộ hệ thống được coi như một máy tính song song duy nhất. Dựa trên quá trình khảo sát tốc độ, kết thu được khi thực hiện một số bài toán song song mà người quản trị có thể đánh giá được hiệu năng tính toán của toàn bộ hệ thống, cũng như sự tương thích của hệ thống đối với những dạng bài toán cụ thể. Luận văn này sẽ trình bày về quy trình áp dụng các phần mềm đo hiệu năng mã nguồn mở chuyên dụng để đánh giá hiệu năng của hệ thống tính toán song song phân cụm BKCLUSTER. Cấu trúc của luận văn gồm 6 chương với nội dung cụ thể như sau : Chương 1 Tổng quan về đánh giá hiệu năng hệ thống máy tính. Chương 2 Kiến trúc của hệ thống tính toán BKCLUSTER. Chương 3 Các phương pháp đo hiệu năng. Chương 4 Xây dựng chương trình thực hiện quy trình đo hiệu năng. Chương 5 Các kết quả đo hiệu năng. Chương 6 Kết luận. Luận văn cao học này được hoàn thành tại Trung tâm tính toán hiệu năng cao và Trung tâm máy tính thuộc Trường đại học Bách Khoa Hà Nội. Tôi xin cảm ơn chân thành nhất đến thầy PGS.TS Nguyễn Thanh Thủy và Ths Đinh Hùng đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô đã tham gia giảng dạy tại Trung tâm đào tạo sau đại học, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã truyền những kiến thức quý báu của chương trình cao học. Hà Nội, Ngày 30 tháng 10 năm 2006 8 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG 1.1 Định nghĩa về đánh giá hiệu năng. Đánh giá hiệu năng là sử dụng phần mềm chuyên dụng trên một máy tính đơn hay cả một hệ thống máy tính, từ việc phân tích thời gian chạy chương trình hoặc những kết quả thu được, từ đó người quản trị rút ra những kết luận về tốc độ tính toán, tốc độ truyền thông và khả năng truy cập bộ nhớ. Sau đó đưa ra kết luận về hiệu năng thực của hệ thống. 1. 2 Mục đích của việc đánh giá hiệu năng. Khi triển khai một hệ thống tính toán, một yêu cầu đặt ra đối với người quản trị là phải đánh giá được khả năng của hệ thống về các mặt tính toán, truyền thông. Sự đánh giá này có được dựa trên các kết quả cụ thể phản ánh tốc độ thực hiện các thao tác trên các kiểu dữ liệu, tốc độ gửi và nhận gói tin, tốc độ truy cập bộ nhớ ngoài và bộ nhớ trong. Các kết quả này khi được tổng hợp lại cho phép dự đoán một phần về hiệu năng của những ứng dụng đang được triển khai. Đối với từng máy tính đóng vai trò là nút tính toán, việc đánh giá hiệu năng được thực hiện với mục đích đưa ra những thông số cụ thể phản ánh tốc độ tính toán, tốc độ truy cập bộ nhớ trong khi thực hiện bài toán trên CPU đơn của máy tính. Từ những thông số cụ thể trên người quản trị có thể đưa những đánh giá về năng lực tính toán cũng như kích thước của bài toán là bao nhiêu thì sẽ phù hợp với nút mạng. Khả năng truyền thông giữa các nút trong mạng đóng vai trò rất quan trọng khi triển khai một hệ thống tính toán. Tốc độ truyền thông chịu ảnh hưởng một cách trực tiếp bởi các cấu hình phần cứng cũng như dung lượng gói tin và 9 tần số gửi gói tin. Từ những thông số đo được khi thực hiện các chương trình đo hiệu năng truyền thông, người quản trị có thể đưa ra những thông số tối ưu về dung lượng gói tin và tần số gửi tin của từng giao thức cụ thể đối với hệ thống tính toán đang triển khai. Quá trình đo hiệu năng còn được sử dụng để đánh giá sự tương thích của hệ thống đối với các thư viện lập trình. Trong trường hợp này, phần mềm đo hiệu năng sẽ gọi một số hàm tiêu biểu của thư viện, đo thời gian thực hiện các hàm này đối với các kích thước đầu vào cụ thể. Một trong những mục đích của việc xây dựng hệ thống máy tính là để thực hiện các bài toán đòi hỏi số lượng tính toán rất lớn. Lúc này cả hệ thống sẽ được xem như một máy tính duy nhất thực hiện quá trình chạy chương trình. Các phần mềm đo hiệu năng tính toán song song cho phép người quản trị có được những thông số về tốc độ tính toán đối với những kiểu bài toán, ứng dụng khác nhau. Có những chương trình thiên về truyền thông, có những chương trình cho phép giảm thiểu quá trình truyền thông để tập trung đánh giá năng lực tính toán. Để đánh giá sự tương thích của hệ thống đối với những ứng dụng đang dự định triển khai, các phần mềm đo hiệu năng có dạng mô phỏng ứng dụng được viết ra và sử dụng. Các phần mềm này sẽ mô phỏng ứng dụng trong tương lai ở mức độ nhỏ hơn và đo đạc các thông số về tính toán, truyền thông khi chạy với những giá trị đầu vào thích hợp. Qua các thông số thu được, người quản trị hệ thống sẽ có thể đưa ra những đánh giá đúng đắn, những chỉnh sửa để có thể triển khai hệ thống trong tương lai một cách tối ưu nhất về cả cấu trúc phần cứng cũng như các phần mềm cài đặt. 1.3 Phân loại các phần mềm đo hiệu năng. Những phần mềm đo hiệu năng ra đời vào đầu những năm 80 với mục đích ban đầu là đo hiệu năng tính toán của những máy tính tuần tự. Những chương trình đo hiệu năng này sử dụng một tập các câu lệnh được gọi trong nhiều 10 vòng lặp thực hiện một số lượng lớn các phép toán số học với dữ liệu là số nguyên hoặc số thực. Sau này, các phần mềm đo hiệu năng đã được sử dụng trong việc đo đạc, đánh giá các máy tính đơn hoặc cả hệ thống tính toán dưới nhiều khía cạnh như tính toán, truyền thông, truy cập bộ nhớ... Với mỗi mục đích khác nhau sẽ có những phần mềm tương ứng để đánh giá, không có một phần mềm đo hiệu năng nào được viết một cách tổng hợp để đánh giá tất cả các khía cạnh trên. Có hai cách phổ biến khi phân loại các phần mềm đo hiệu năng đó là phân loại theo độ phức tạp của chương trình đo hiệu năng và phân loại dựa trên mục đích đo hiệu năng của chương trình. 1.3.1 Phân loại dựa trên độ phức tạp của chương trình đo hiệu năng Phân loại dựa trên độ phức tạp của chương trình gắn liền với quá trình phát triển của các loại phần mềm đo hiệu năng. Từ những chương trình đơn giản ban đầu viết để đo khả năng tính toán của một máy tính cá nhân, đến những chương trình phức tạp mô phỏng một hệ thống cụ thể triển khai trên toàn bộ hệ thống tính toán. Dựa trên tiêu chí này, các phần mềm đo hiệu năng có thể được phân chia theo mức độ tăng dần thành 3 loại chính : Mã lệnh đơn giản (Synthetic Code), Hạt nhân (Kernel) Mô phỏng ứng dụng (Simulation Application). Mã lệnh đơn giản : là chương trình thực hiện một tập các phép toán như cộng, trừ, nhân, chia trên tập số thực, các thao tác truy cập bộ nhớ như đọc, ghi dữ liệu từ bộ nhớ ngoài hoặc các thao tác truyền dữ liệu như gửi gói tin và chờ tín hiệu phản hồi từ máy đích. Những chương trình đo hiệu năng tính toán đầu tiên trên thế giới thường được xếp vào loại này. Ngày nay những chương trình này thường được cải tiến rất nhiều hoặc trở thành một phần của những chương trình đo hiệu năng phức tạp hơn. Tuy nhiên các chương trình đo hiệu 11 năng truyền thông hoặc truy cập bộ nhớ trong hiện nay vẫn được xếp vào dạng mã lệnh đơn giản. Hạt nhân : là chương trình thực hiện một phần của một ứng dụng cụ thể, hạt nhân thường được sử dụng trong các gói phần mềm đo hiệu năng tính toán. Chức năng của hạt nhân có thể chỉ đơn giản là thực hiện việc chuyển vị ma trận hay phức tạp hơn như thực hiện biến đổi fourier, nhân ma trận. Đa số các chương trình đo hiệu năng tính toán ngày nay được coi là các hạt nhân. Mô phỏng ứng dụng : là những chương trình được viết ra để đánh giá sự tương thích của hệ thống đối với một loại ứng dụng cụ thể. Các chương trình loại này thường là một tập hợp của các hạt nhân, giữa các hạt nhân đã có sự tương tác với nhau về truyền thông cũng như kết quả tính toán. Hiện nay các chương trình mô phỏng ứng dụng thường được cung cấp dưới dạng một phần của các gói phần mềm đo hiệu năng của các cơ quan, viện nghiên cứu có uy tín trên thế giới. Để chạy được các chương trình loại này thì cần phải triển khai toàn bộ hệ thống một cách tương đối hoàn chỉnh về cấu hình phần cứng và phần mềm. 1.3.2 Phân loại dựa trên mục đích của chương trình. Các chương trình đo hiệu năng thường chỉ thực hiện việc đánh giá tốc độ thực hiện của một loại công việc cụ thể, cho nên việc phân loại theo mục đích ngày nay rất hay được sử dụng trong các tài liệu tổng quan về đánh giá hiệu năng. Có thể nói rằng, bất cứ khía cạnh nào của một máy tính đơn hay một hệ thống tính toán phức tạp đều tồn tại những chương trình đo hiệu năng chuyên dụng để đánh giá hiệu năng. Có thể chia ra thành các phần mềm đo hiệu năng với những mục đích sau : đo hiệu năng tính toán, đo hiệu năng truyền thông, đo hiệu năng truy cập bộ nhớ trong, đo hiệu năng của thư viện lập trình, đo hiệu năng truy cập bộ nhớ ngoài. 12 Phần mềm đo hiệu năng tính toán. Những chương trình chuyên dụng đo hiệu năng tính toán được ra đời vào đầu thập kỷ 80. Chương trình WhetStone được coi là chương trình đo hiệu năng tính toán đầu tiên trên thế giới. Đây là một tập các module con, mỗi module thực hiện một thao tác riêng như các phép toán số nguyên, các phép toán số thực. Kiểu dữ liệu sử dụng trong WhetStone có thể có độ chính xác đơn hoặc chính xác kép. Sau WhetStone, xuất hiện các chương trình đo hiệu năng tính toán khác như : DhryStone, Digital Review. Đặc điểm chung của các chương trình này là đều thao tác chủ yếu trên các kiểu dữ liệu số thực, giá trị trả về có thứ nguyên được quy ước riêng, ví dụ WhetStone trả về giá trị có thứ nguyên KWIPS (Kilo WhetStone Instrution Per Second), DhryStone trả về giá trị có thứ nguyên DhryStone Per Second, Digital Review trả về giá trị có thứ nguyên MVUPS (MicroVAX units of processing). Các giá trị này là số nghìn hay triệu vòng lặp dùng trong chương trình tương ứng, rõ ràng là các giá trị này chỉ có thể được sử dụng để so sánh hiệu năng tính toán của hai máy khi cùng chạy một chương trình đo hiệu năng. Bên cạnh những chương trình đo hiệu năng hoạt động chủ yếu trên kiểu dữ liệu số thực, đã xuất hiện các chương trình đo hiệu năng thao tác trên kiểu dữ liệu số nguyên. Các chương trình này thường được cài đặt theo một số giải thuật cụ thể như HeapSort. Giá trị trả về của các chương trình này có dạng MIPS (Mega Instruction Per Second) là số triệu lần các câu lệnh được thực hiện trong 1 giây. Các chương trình đo hiệu năng tính toán được phát triển trong những năm gần đây đều sử dụng chủ yếu các phép toán trên kiểu dữ liệu số thực dấu phẩy động (floating point). Kết quả trả về có thứ nguyên là MFLOPS (hàng triệu phép tính dấu phẩy động trong 1 giây). Một trong những chương trình tiêu biểu đầu tiên có sử dụng kiểu thứ nguyên này là Linpack của tác giả Jack 13 Dongarra trường đại học Tennesse. Linpack là một tập các chương trình con nằm trong thư viện lập trình Lapack. Đây là chương trình đo hiệu năng có số lượng phép tính dấu phẩy động rất lớn tuy nhiên cũng có một nhược điểm là không thực hiện phép chia. Phần mềm đo hiệu năng này còn được sử dụng rất phổ biến và đã được phát triển thêm các phiên bản viết bằng ngôn ngữ C và Java từ phiên bản ban đầu viết bằng ngôn ngữ Fortran. Các chương trình đo hiệu năng sử dụng phép toán dấu phẩy động sau này đa số đều được xếp vào dạng hạt nhân, ngoài Linpack ra còn có thêm một số phần mềm đo hiệu năng tính toán nổi tiếng khác như : Livermore, Nasa Parallel Benchmark (NPB). Đặc biệt gói phần mềm NPB đã cung cấp 5 hạt nhân, 3 mô phỏng ứng dụng được sử dụng rất rộng rãi trong việc đánh giá hiệu năng của các hệ thống tính toán song song. Phần mềm đo hiệu năng truyền thông. Các chương trình đo hiệu năng truyền thông được sử dụng để đánh giá hiệu năng truyền gói tin giữa hai máy, đóng vai trò nút mạng trong một hệ thống tính toán. Các chương trình này đều có cấu trúc client – server với module client được cài trên máy nguồn, module server được cài trên máy đích. Máy nguồn sẽ gửi gói tin đến máy đích, tùy theo từng chương trình mà máy đích có gửi lại tín hiệu hay không. Người sử dụng có thể tùy chọn nhiều giao thức truyền thông như : TCP, UDP hoặc thay đổi giá trị của các gói tin gửi đi, thay đổi độ lớn của bộ đệm socket máy gửi và máy nhận, để có thể khảo sát tốc độ truyền thông giữa hai máy trong hệ thống dưới nhiều góc độ. Dưới đây là một số phần mềm đo hiệu năng truyền thông mạng phổ biến : - NetPerf của hãng Hewllet - Packard, phần mềm này được viết vào năm 1996, đến nay đã có phiên bản 3.0 - Iperf của nhóm tác giả tại đại học bang Illinois, phần mềm này được công bố lần đầu vào năm 1999, đến nay đã có phiên bản 1.7.0 14 - UDPMoN của tác giả Richard Hughes-Jones, phần mềm này được viết vào năm 2000, đến nay đã có phiên bản 3.2. Các chương trình trên đều được viết bằng ngôn ngữ C, trong các phần mềm trên, phần mềm Netperf hay được dùng nhất khi đánh giá hiệu năng truyền thông trong mạng LAN. Phần mềm đo hiệu năng truy cập bộ nhớ trong. Các chương trình đo hiệu năng truy cập bộ nhớ trong không có nhiều như những chương trình đo hiệu năng tính toán hay đo hiệu năng truyền thông mạng, nhưng đóng vai trò quan trọng khi phân tích sự tương quan của dung lượng của bộ nhớ trong với tốc độ của CPU với hiệu năng tính toán. Các chương trình này sẽ tiến hành đo thời gian, tần suất truy cập bộ nhớ trong khi thực hiện các phép toán đối với các bộ giá trị đầu vào có kích thước khác nhau. Các chương trình đo hiệu năng truy cập bộ nhớ trong sẽ cho người quản trị biết được kích thước của bài toán như thế nào là tối ưu nhất đối với từng máy tính của hệ thống. Phần mềm đo hiệu năng của thư viện chương trình. Khi xây dựng các thư viện chương trình, một trong những yêu cầu đặt ra là phải kiểm tra các hàm trong thư viện có hoạt động tốt không, tương thích với hệ thống không.Tuy nhiên số chương trình đo hiệu năng của thư viện lập trình là không nhiều, một số đại diện cho những phần mềm thuộc loại này là : ATLAS đo hiệu năng của thư viện tính toán BLAS Linpack đo hiệu năng của thư viện tính toán Lapack NetPIPE đo hiệu năng của thư viện truyền thông điệp MPI. Về bản chất NetPIPE là chương trình dùng để so sánh hiệu năng truyền thông giữa một số giao thức, tuy nhiên NetPIPE thường được cấu hình khi biên dịch để đánh giá hiệu năng của môi trường truyền thông thiết lập bởi thư viện MPI trong các hệ thống tính toán song song phân cụm. 15 Phần mềm đo hiệu năng truy cập bộ nhớ ngoài Quá trình đo hiệu năng của bộ nhớ ngoài có thể xem là việc đánh giá sự đáp ứng của hệ thống đối với các lệnh đọc, ghi, khởi tạo hay xoá. Đối tượng tác động của các câu lệnh này là data hoặc meta-data. Data là các file chứa dữ liệu thông thường, còn meta-data là các file chứa dữ liệu về cấu trúc của hệ thống. Trong các hệ thống máy tính, bộ nhớ ngoài tồn tại chủ yếu dưới hai dạng sau : bộ nhớ trên máy trạm và hệ thống file mạng (Network File System – NFS). Ứng với mỗi loại bộ nhớ ngoài trên sẽ có các phần mềm đo hiệu năng tương ứng. Dưới đây là một số các phần mềm đo hiệu năng truy cập bộ nhớ ngoài thông dụng : Các phần mềm đo hiệu năng của bộ nhớ trên máy trạm : IOStone, Bonnie++, IOZone trong đó IOStone được coi là chương trình đo hiệu năng truy cập bộ nhớ ngoài đầu tiên trên thế giới. Các phần mềm đo hiệu năng truy cập hệ thống file mạng: NFSStone, NHFStone. Hầu hết các chương trình đo hiệu năng thuộc loại này được viết bằng ngôn ngữ C hoặc C++. 1.4 Sự phát triển của các phần mềm đo hiệu năng Các chương trình đánh giá hiệu năng đầu tiên xuất hiện vào những năm 1980 và được áp dụng cho những kiến trúc máy tính, hệ thống tính toán cụ thể, sau đó một số chương trình được phát triển để có thể đo hiệu năng của những hệ thống máy tính khác. Hiện nay các chương trình đo hiệu năng đã phát triển rất phong phú, về số lượng và được áp dụng để đánh giá máy tính đơn hoặc cả hệ thống về nhiều mặt. Quá trình phát triển của các phần mềm đo hiệu năng có thể được chia ra thành hai khía cạnh chính sau : sự phát triển các chương trình để có thể đo hiệu năng của nhiều hệ thống và sự thống nhất thứ nguyên của các chương trình đo hiệu năng. 16 Sự phát triển về khả năng tương thích hệ thống của các chương trình đo hiệu năng : ban đầu các chương trình đo hiệu năng thường được viết để đánh giá hiệu năng của những hệ thống cụ thể. Điều này được thể hiện qua một số ví dụ như sau : - Gói phần mềm NASA Parallel Benchmark được viết để đánh giá hiệu năng tính toán của hệ thống tính toán song song phân cụm của cơ quan nghiên cứu vũ trụ Mỹ với các chương trình hạt nhân và phần mềm mô phỏng dựa trên những yêu cầu nghiên cứu thực tế. Sau này các chương trình đo hiệu năng trong gói phần mềm NPB đã được hoàn thiện với các module viết bằng ngôn ngữ C, Fortran và High Performance Fortran với các tải đầu vào có kích thước khác nhau. Thực tế cho thấy NPB tương thích với hầu hết các hệ thống tính toán song song trên thế giới. Phần mềm Linpack ban đầu được tác giả Jack Dogarra viết để đo tốc độ thực hiện hai hàm DGEFA và DGESL trong thư viện tính toán Lapack viết bằng ngôn ngữ Fortran. Sau này Linpack đã được sử dụng rộng rãi để đánh giá hiệu năng tính toán của CPU đơn và được phát triển thêm phiên bản viết bằng ngôn ngữ C. Hiện nay đã xuất hiện các công cụ đánh giá hiệu năng được cung cấp dưới dạng các gói. Trong gói bao gồm nhiều chương trình đo hiệu năng với những mục tiêu đo khác nhau. Những gói chương trình đo hiệu năng phổ biến là : NPB - Nasa Parallel Benchmark), ParkBench - Parallel Kernel Benchmark, SPEC - Standard Performance Evaluation Cooporation, LMBench của hãng Hewllet Packard … Sự thống nhất thứ nguyên của các chương trình đo hiệu năng : Các chương trình đo hiệu năng ban đầu sử dụng các thứ nguyên được định nghĩa riêng. Sau này hầu hết các chương trình đo hiệu năng gần đây đều sử dụng hai thứ nguyên sau : MFLOPS (số triệu lần phép tính số thực trên một giây) đối 17 với kết quả đo hiệu năng tính toán và Mbps (số triệu bit truyền thông trên một giây) đối với các kết quả đo hiệu năng truyền thông. Sự thống nhất này cho phép xây dựng lên các cơ sở dữ liệu về hiệu năng và khả năng so sánh hiệu năng của các hệ thống máy tính khác nhau trên thế giới. 18 CHƯƠNG 2 KIẾN TRÚC CỦA HỆ THỐNG TÍNH TOÁN SONG SONG PHÂN CỤM 2.1 Giới thiệu chung. Trong công cuộc công nghiệp hoá, nhu cầu ứng dụng công nghệ thông tin vào các hoạt động nghiên cứu khoa học và tin học hoá xã hội. Đòi hỏi giải quyết nhiều bài toán xử lý lớn với khối lượng khổng lồ mà các máy tính tuần tự không thể thực hiện được. Trong thời gian gần đây công nghệ sử dụng các máy tính đơn, ghép nối với nhau thành cụm (cluster) và cài đặt các phần mềm đặc biệt để có thể tính toán như một máy tính song song. Hệ thống như vậy được gọi là hệ thống tính toán song song phân cụm, hệ thống này tạo ra những sức mạnh tính toán cực lớn với tính sẵn sàng cao, dần thay thế vai trò những siêu máy tính với nhiều CPU chia sẻ bộ nhớ trong một thể thống nhất đắt tiền. Công nghệ tính toán song song phân cụm đã mở ra cơ hội cho cả các nước không có nền công nghiệp phần cứng mạnh và kinh tế chưa phát triển để chế tạo ra những siêu máy tính cho riêng mình với giá thành rẻ. Ở Việt Nam trong điều kiện kinh tế còn nghèo, chưa đủ kinh phí để đầu tư những máy tính lớn đắt tiền, trong khi đó nhu cầu tính toán lớn phục vụ cho việc nghiên khoa học, cũng như các ứng dụng thực tiễn là rất lớn. Giải pháp xây dựng hệ thống tính toán song song phân tán dựa trên liên kết các máy tính riêng lẻ đang được triển khai. Tuy nhiên, một nhược điểm là khi phát triển ứng dụng các chuyên gia công nghệ và người sử dụng đầu cuối không chuyên phải biết về hệ thống (hệ điều hành, cơ chế phân công giữa các tiến trình, cân bằng tải và lập trình song song với MPI/PVM). Trong khi đó các hệ thống siêu máy tính đa xử lý, vấn đề này đã được nghiên cứu và giải quyết trong các cơ chế tự động của chương trình dịch. Để giải quyết vấn đề này Trung tâm tính toán hiệu năng cao trường Đại học Bách Khoa tiến hành nghiên cứu, triển 19 khai xây dựng hệ thống tính toán song song. Mục tiêu xây dựng một môi trường tính toán song song ổn định tiến tới hội nhập vào hệ thống tính toán lưới Việt Nam và quốc tế.(Grid Computing). Các yêu cầu đặt ra cho hệ thống: - Cung cấp một môi trường tính toán ổn định, hiệu năng cao. - Cung cấp một môi trường lập trình cho những người lập trình chuyên nghiệp, cũng như không hiểu sâu về lập trình song song. Hỗ trợ và chạy chương trình từ xa. - Hệ thống được triển khai trên hệ thống máy tính hiện có của trung tâm hiệu năng và khả năng mở rộng cao. Đang được triển khai mở rộng ở các trung tâm khác: Trung tâm máy tính trường Đại học bách khoa Hà Nội. Giải pháp cho các yêu cầu trên là một hệ thông tính toán song song dựa trên kiến trúc máy tính cluster. 2.2 Phân loại các kiểu kiến trúc song song 2.2.1 Kiến trúc máy tính Von Newmann Các máy tính hiện nay đều xây dựng theo mô hình Von Newmann (tên nhà bác học John Von Newmann). Máy tính Von Newmann sử dụng khái niệm chương trình đã được lưu trữ sẵn. CPU chạy một chương trình đã được lưu trữ sẵn, trong đó chỉ rõ các chuỗi thao tác đọc và ghi trên bộ nhớ. 20 Hình 2.1 Nguyên lý kiến trúc máy tính Von Newmann Bộ nhớ chính (Main Memory) được sử dụng để lưu giữ các chương trình và dữ liệu. Những lệnh của chương trình đã được mã hoá nhằm chỉ dẫn cho máy tính thực hiện công việc nào đó. Dữ liệu là thông tin được sử dụng trong chương trình. Bộ xử lý trung tâm (Central Processor Unit) lấy lệnh và dữ liệu từ bộ nhớ, giải mã và sau đó thực hiện. 2.2.2 Phân loại kiến trúc máy tính của Flynn a) Kiến trúc đơn lệnh- đơn dữ liệu (Single Intruction- Single Data) Hình 2.2 Kiến trúc SISD 21 Có một dòng chảy lệnh (nghĩa là có một chương trình) được CPU thực thi và một bộ nhớ chứa dữ liệu của nó. Lệnh đầu tiên được nhận từ bộ nhớ về rồi được thực hiện, sau đó lệnh thứ hai sẽ được nhận về rồi thực hiện. Trong mô hình tuần tự này, cũng có thể thực hiện cơ chế song song ở một chừng mực nhất định nào đó. Bằng cách trong khi đang thực hiện một lệnh vẫn nhận về lệnh tiếp theo để thực hiện. b) Kiến trúc đơn lệnh- đa dữ liệu (Single Instruction-Multiple Data) Hình 2.3 Kiến trúc SIMD Đây là kiểu máy tính song song. Đơn lệnh là tất cả các đơn vị xử lý chạy cùng một lệnh tại bất kỳ chu kỳ đồng hồ nào. Đa dữ liệu là một đơn vị xử lý có thể hoạt động trên một phần tử dữ liệu khác nha._.u. Kiểu máy này có một bộ chuyển lệnh dựa trên mạng kết nối băng thông cao, loại máy này phù hợp cho những vấn đề chuyên dụng như xử lý ảnh, dự báo thời tiết. c) Kiến trúc đa lệnh- đa dữ liệu (Multiple Instruction- Multiple Data) - Kiến trúc MIMD kiểu chia sẻ bộ nhớ 22 Hình 2.4 Kiến trúc MIMD share memory Máy tính loại này có nhiều CPU, mỗi CPU thực hiện một chương trình khác nhau, các CPU có thể chia sẻ một vùng nhớ chung (share memory) như một không gian toàn cục. Tất cả những sự thay đổi của nội dung của bộ nhớ do một bộ xử lý tạo ra được tất cả các bộ xử lý khác biết đến. Các máy tính chia sẻ bộ nhớ được chia thành 2 lớp chính dựa trên thời gian truy cập bộ nhớ là UMA và NUMA. Truy cập bộ nhớ đồng nhất (Uniform Memory Access): phổ biến trong loại máy này là các máy đa bộ xử lý đối xứng (Symmetric Multi Processor: SMP) Các bộ xử lý đông nhất, độ ưu tiên và thời gian truy cập tới bộ nhớ là như nhau. Truy cập bộ nhớ không đồng nhất (Nonumiform Memory Access: NUMA) Một máy tính loại NUMA thường được tạo ra bằng cách liên kết về mặt vật lý hai hoặc nhiều máy SMP. - Kiến trúc MIMD kiểu bộ nhớ phân tán 23 Hình 2.5 Kiến trúc MIMD Distributed Memory Những hệ thống có kiến trúc bộ nhớ phân tán yêu cầu một mạng truyền thông để kết nối các bộ nhớ của các bộ xử lý. Mỗi bộ xử lý đều có bộ nhớ trong cục bộ của mình. Không gian địa chỉ nhớ của một bộ xử lý không chia sẻ với bộ xử lý khác, vì vậy không có khái niệm vùng địa chỉ toàn cục của tất cả các bộ xử lý. Vì mỗi bộ xử lý có bộ nhớ trong của chính mình, nên nó hoạt động độc lập. Những sự thay đổi mà một vi xử lý thực hiện trên bộ nhớ trong không có hiệu ứng gì trên vùng nhớ của những bộ xử lý khác. Khi một bộ xử lý cần truy cập tới dữ liệu của bộ xử lý khác, người lập trình phải có nhiệm vụ định nghĩa rõ ràng khi nào dữ liệu được truyền đi. Sự đồng bộ hóa giữa những luồng xử lý là trách nhiệm của người lập trình, kết cấu mạng sử dụng cho sự di chuyển dữ liệu trong hệ thống này có thể có nhiều loại. 24 - Kiến trúc lõi đôi (Core Duo) Hình 2.6 Kiến trúc Core Duo của Intel Là kiến trúc mới của hãng Intel, được thiết kế để tạo sức mạnh đột phá và tối ưu hiệu năng của hệ thống. Với hai lõi biệt lập trong cùng một bộ xử lý hoạt động cùng tần số, bộ xử lý cho phép các cấp độ đáp ứng của hệ thống và lý tưởng cho môi trường đa nhiệm. Hiệu năng của hệ thống tăng, điện năng tiêu thụ giảm. d) Cấu hình kết nối song song (cluster) Hình 2.7 Cấu hình kết nối cluster 25 Từ các kiến trúc trên, người ta xây dựng hệ thống kết nối song song (cluster). Thành phần có bộ nhớ dùng chung (kiểu SMP), những bộ xử lý trên một SMP có thể sử dụng bộ nhớ toàn cục của SMP đó. Thành phần phân tán là sự kết nối của mạng nhiều SMP, bởi vậy truyền thông mạng là cần thiết để di chuyển dữ liệu từ SMP này đến SMP khác. 2.3 Các mô hình lập trình song song. Có rất nhiều mô hình lập trình song song được phổ biến như chia sẻ bộ nhớ, đa luồng, truyền thông điệp, song song dữ liệu... Các mô hình này tồn tại như một sự trừu tượng dựa trên các kiến trúc phần cứng. Mọi mô hình lập trình song song đều có thể được thực hiện trên bất kỳ một kiến trúc phần cứng nào. 2.3.1 Mô hình đa luồng Trong mô hình lập trình song song đa luồng, một tiến trình có thể có rất nhiều luồng xử lý. Mỗi luồng có thể được coi là một thủ tục con của chương trình chính và được thực hiện song song cùng các luồng khác, các luồng giao tiếp với nhau thông qua vùng nhớ toàn cục. Điều này đòi hỏi có một cơ chế đồng bộ giữa các luồng nhằm tránh xung đột trong truy cập bộ nhớ, các luồng có thể sinh ra hay kết thúc nhưng chương trình chính thì vẫn tồn tại cho đến khi hoàn thành công việc. Mô hình này thường gắn với các kiến trúc chia sẻ bộ nhớ (SMP). Người lập trình theo mô hình này thường sử dụng các thư viện lập trình đa luồng như Open MP. 2.3.2 Mô hình truyền thông điệp Truyền thông điệp (message passing) là mô hình được sử dụng rộng rãi trong tính toán song song hiện nay. Thường áp dụng cho hệ thống phân tán, một chương trình theo mô hình này bao gồm nhiều chương trình chạy trên các nút với chuỗi lệnh và bộ nhớ riêng. Mỗi chương trình con có một định danh duy nhất và chúng tương tác với nhau bằng việc gửi và nhận thông điệp trên các 26 định danh. Việc truyền dữ liệu thường yêu cầu có sự hợp tác giữa các tiến trình. Phương pháp này được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới, hiện nay có hai thư viện truyền thông điệp được sử dụng là PVM và MPI. 2.3.3 Mô hình song song dữ liệu Các phần việc song song tập trung vào việc thực hiện xử lý trên một tập dữ liệu.Tập dữ liệu thường được tổ chức theo cấu trúc thông thường như mảng một chiều hay mảng nhiều chiều. Tập các tác vụ (task) cùng làm việc trên một cấu trúc dữ liệu, tuy nhiên mỗi tác vụ làm việc với một phần khác nhau của cấu trúc dữ liệu đó. Với kiến trúc bộ nhớ chia sẻ, các tác vụ có thể truy cập vào cùng một cấu trúc dữ liệu thông qua bộ nhớ toàn cục, trên kiến trúc bộ nhớ phân tán, cấu trúc dữ liệu này được chia ra thành từng phần và nằm trên phần bộ nhớ cục bộ của mỗi tác vụ.Việc song song hoá dữ liệu được thực hiện với sự hỗ trợ của các trình dịch 2.4 Các vấn đề cơ bản của một hệ thống tính toán song song phân cụm. 2.4.1 Các khái niệm cơ bản. Một hệ thống tính toán song song phân cụm là hệ thống máy tính cục bộ bao gồm các tập các máy tính độc lập và được liên kết lại thông qua mạng máy tính. Một hệ thống phân cụm là cục bộ với ý nghĩa là toàn bộ các thành phần hệ thống con nằm trong khu vực địa lý hẹp và được quản lý tập trung như là một hệ thống thống nhất. Các nút trong hệ bó có thể là kết hợp của các máy tính đơn bộ xử lý với các máy nhiều bộ sử lý (SMP: symmertric multiprocesor). Ưu điểm của hệ thống phân cụm là giá thành của hệ thống. Hiện nay một hệ thống dựa trên công nghệ LAN và PC có thể đạt hiệu năng rất cao trong khi đó giá thành lại rẻ hơn nhiều so với các siêu máy tính. 27 Một ưu điểm nữa là hệ thống phân cụm rất linh hoạt về cấu hình: Số lượng nút, dung lượng bộ nhớ trên mỗi nút, số lượng bộ xử lý trên mỗi nút và cấu hình mạng đều có tính tuỳ biến cao. 2.4.2 Cấu trúc phần cứng của hệ thống tính toán song song phân cụm. Thành phần cơ bản trong hệ thống song song là nút tính toán và mạng nối giữa các nút. Do vậy phần cứng cơ bản của hệ thống song song là các thiết bị của nút và các thiết bị mạng. Các thiết bị phần cứng của nút tính toán Một nút tính toán phải cung cấp chức năng tính toán và chứa năng lưu trữ dữ liệu. Do vậy các nút có thể là các máy tính riêng biệt. Một hệ thống tính toán song song phân cụm bao gồm một máy chủ (server) và một tập các máy trạm (workstation) được gọi là các nút tính toán. Máy chủ và các máy trạm được ghép nối với nhau thông qua Ethernet hay một số kiểu mạng khác. Các thiết bị phần cứng không đòi hỏi những yêu cầu kỹ thuật đặc biệt, hoàn toàn có thể được nâng cấp, bổ xung mà không ảnh hưởng nhiều đến các thành phần khác của hệ thống. - Máy chủ đóng vai trò điều phối hoạt động của toàn bộ hệ thống: giao nhiệm vụ cho những máy trạm, quản lý hệ thống file và làm điểm để hệ thống giao tiếp với bên ngoài (với hệ thống khác hoặc với mạng internet). Các hệ thống lớn có thể có nhiều máy chủ, mỗi máy chủ quản lý một nhiệm vụ. - Các máy trạm có thể chỉ đơn giản là các máy tính cá nhân (Personal Computer : PC). Các thiết bị của một nút là các thiết bị thông dụng trong máy tính cá nhân như: bộ xử lý, bộ nhớ chính, bộ nhớ thứ cấp và các các giao diện với các thiết bị ngoại vi: PCI, PCI express, NIC, I/O Port ... Một trong những nguyên tắc của hệ thống phân cụm là hạn chế chức năng của các nút trạm. Thông thường các nút trạm được cấu hình chỉ để thực hiện 28 những nhiệm vụ cố định (chủ yếu là tính toán). Người quản trị hệ thống chủ yếu tương tác với các máy trạm thông qua máy chủ. Các thiết bị mạng Công nghệ mạng thường được sử dụng trong hệ thống tính toán song song phân cụm là LAN và SAN (System Area Network). Các ứng dụng song song với nhu cầu truyền thông lớn sẽ cần một nền tảng truyền thông ổn định, tốc độ cao. Hai đặc tính chính đối với truyền thông của hệ thống phân cụm là băng thông được đo bằng số triệu bit trên giây (Mbps) và độ trễ được tính bằng micro giây. Các hệ thống phân cụm sử dụng mạng LAN thường dùng Ethernet với băng thông khoảng (10-100) Mbps. Hiện nay, tốc độ của Ethernet có thể lên đến 1Gbps như các thiết bị Giga Ethernet, Fast Ethernet. Trong khi LAN chỉ cho phép tạo nên một hệ thống có bộ nhớ phân tán thì SAN lại có thể hỗ trợ bộ nhớ phân tán chia xẻ (distributed shared memory) cho phép tổ chức một bộ nhớ logic chia xẻ trong khi bộ nhớ vật lý phân tán trên các nút. Tuy nhiên, giá cả của các thiết bị SAN đắt hơn LAN rất nhiều. Các nút trong hệ thống được ghép nối bằng cách sử dụng switch, các switch có thể được ghép nối với nhau tùy theo số lượng nút của hệ thống. 2.4.3 Các phần mềm sử dụng trong hệ thống song song phân cụm Giá thành rẻ là lợi thế của hệ thống tính toán song song phân cụm thì việc triển khai phần mềm trên hệ thống này lại phức tạp. Nhưng phần mềm cho hệ thống tính toán song song phân cụm lại rất đa dạng và sẵn dùng, thậm chí có cả những giải pháp hoàn chỉnh. Các hệ thống phân cụm thường được triển khai trên các hệ điều hành dòng Unix như Linux, Unix, Solaris.Với sự ra đời của Linux và xu hướng lập trình mã nguồn mở, hiện nay có rất nhiều công cụ, thư viện mã nguồn mở và các thành phần phần mềm khác hỗ trợ việc triển khai hệ thống song song phân cụm với khả năng tuỳ biến cao. 29 Các thành phần phần mềm dùng trong hệ thống tính toán song song phân cụm có thể chia thành 3 nhóm chính sau : Thư viện và môi trường lập trình, các phần mềm quản lý tài nguyên và phân tải, các thư viện truyền thông điệp. a)Thư viện và môi trường lập trình Lập trình song song trong các hệ thống tính toán song song phân cụm là phức tạp hơn các hệ thống máy tính khác. Hệ thống song song phân cụm là mô hình đa máy tính nên các chương trình song song trên các hệ thống đa máy tính có thể tương thích với hệ thống phân cụm, nhưng trong một số trường hợp hiệu năng thực hiện của chương trình không được tối ưu do hệ thống song song phân cụm có một số đặc điểm riêng biệt. Hệ thống tính toán song song phân cụm là hệ thống máy tính có bộ nhớ phân tán, do vậy truyền thông giữa các nút trong quá trình tính toán thường là truyền thông điệp. Các thư viện truyền thông điệp dành cho hệ thống phân cụm hiện nay có thể kể đến là MPI, PVM, Active Message và CMMD (Connected Machine Message...), trong đó MPI với nhiều ưu điểm có thể coi là sự lựa chọn tốt cho các hệ thống tính toán song song phân cụm. Hiện nay, có nhiều phiên bản cài đặt cho MPI với các chức năng chuẩn của MPI 1.2 và một số chức năng mở rộng riêng. LAM MPI là bản cài đặt đã hỗ trợ đầy đủ chuẩn MPI 2.0. Tuy nhiên, bên cạnh sự phát triển mạnh mẽ của mô hình truyền thông điệp, mô hình dữ liệu song song cũng đang được nghiên cứu, triển khai và áp dụng trong hệ thống tính toán song song phân cụm. Do đặc thù của mô hình dữ liệu song song là cần có một trình biên dịch chuyên dụng, để tạo ra các chương trình song song có dữ liệu phân tán, nên việc phát triển các trình biên dịch song song là yếu tố cơ bản của mô hình này. Các trình biên dịch này dựa trên một số ngôn ngữ lập trình thông dụng như C/C++, Fortran, Java. Sự kết hợp của trình biên dịch song song và ngôn ngữ lập trình tạo lên một ngôn ngữ lập 30 trình song song cho các hệ thống tính toán phân cụm. Các ngôn ngữ lập trình song song tiêu biểu hiện nay là: HPF (Hight Performance Fortran), Titanium (kế thừa từ Java), Para++, ABC+, Split-C, BSP… Một trong những thành phần quan trọng của các chương trình tính toán song song phân cụm nói riêng và các hệ thống tính toán song song nói chung là các giải thuật song song. Hiện nay, các thư viện giải thuật song song rất sẵn dùng và hầu hết là mã nguồn mở. Các thư viện này chưa phải là các giải pháp song song hoàn chỉnh nhưng nó là nền tảng cho việc phát triển các chương trình tính toán song song với các đặc thù riêng. Có thể nói sự phát triển của các thư viện này rất mạnh mẽ cả về số lượng lẫn chất lượng. Chúng là kết quả của các đề tài nghiện cứu trong các trường đại học, các viện ngiên cứu trên toàn thế giới. Các thư viện có thể kể đến là: LAPACK, BLAS, ARPACK, ScaLAPACK, PETS b) Các phần mềm quản lý tài nguyên và phân tải Trong khi các thư viện và các ngôn ngữ lập trình song song tạo ra cho người lập trình môi trường lập trình trên hệ thống tính toán song song phân cụm, các phần mềm quản lý tài nguyên và phân tải lại tạo ra một môi trường tính toán hiệu quả và ổn định. Các phần mềm này càng có ý nghĩa khi số lượng các nút tính toán càng lớn và số lượng các chương trình thực hiện trên hệ thống là nhiều. Phân tải là việc phân bổ các tiến trình tính toán trên tài nguyên hệ thống sao cho hiệu năng hoạt động của hệ thống là tối ưu. Do đó trong chính các phần mềm phân tải phải sử dụng các phần mềm quản lý tài nguyên và lập lịch. Phần mềm quản lý tài nguyên còn được sử dụng bởi người sử dụng trong việc quản trị hệ thống, đánh giá hiệu năng hệ thống. Một số sản phẩm phân tải và quản lý tài nguyên thường được sử dụng trong các hệ thống tính toán song song phân cụm là: 31 - PBS (Portable Batch System) : hệ thống phân tải và quản lý tài nguyên rất mạnh do NASA phát triển. Hệ thống này được sử dụng rất phổ biến trong các hệ thống tính toán hiệu năng cao. Chức năng chính của hệ thống là tiếp nhận các công việc từ người sử dụng, bảo vệ công việc đó cho đến khi nó được thực hiện, thực hiện công việc và trả lại kết quả cho người sử dụng. PBS có thể được cấu hình chạy trên một hệ thống đơn hoặc một hệ thống đa máy tính. Sự linh động này làm cho PBS có khả năng đáp ứng cho nhiều hệ thống tính toán. - CODINE : phần mềm phân tải dùng cho các hệ thống máy tính máy tính đồng bộ như SMP hoặc các siêu máy tính dạng vector. Phần mềm này còn cung cấp các cơ chế để quản lý các chính sách của hệ thống phân cụm và cân bằng tải động cho các công việc. - CONDOR : thường dùng để phân tải tài nguyên và lập lịch cho các công việc trên hệ thống máy trạm (workstations). Nó hỗ trợ sử dụng các điểm kiểm tra (checkpoint) và chuyển giao các công việc giữa các máy trạm. c) Các thư viện truyền thông điệp Truyền thông điệp (message passing) là cơ chế giao tiếp phổ biến trong tính toán song song. Các chương trình theo mô hình truyền thông điệp sẽ có một trong hai dạng đơn lệnh – đa dữ liệu (SIMD) và đa lệnh – đa dữ liệu (MIMD). Truyền thông điệp được sử dụng nhiều vì nó là cơ chế song song đơn giản, sử dụng các trình biên dịch hiện có như C/C++, Fotran, Java… không cần sự hỗ trợ của một trình biên dịch đặc biệt nào. Hơn nữa, các thư viện truyền thông điệp rất linh hoạt và sẵn dùng, người lập trình có thể tự điều khiển việc song song của chương trình, tối ưu nó để tăng hiệu năng thực hiện. Các thư viện truyền thông điệp phổ biến hiện nay có thể kể đến là MPI (Message Passing Interface), PVM (Parallel Virtual Machine) và Active Message. Mỗi thư viện đều có các ưu nhược điểm riêng nhưng MPI được coi là thư viện truyền thông 32 điệp ổn định, hiệu quả, linh hoạt và thích hợp cho các chương trình theo mô hình truyền thông điệp. MPI là một chuẩn được phát triển bởi MPIF (Message Passing Interface Forum). Nó định ra một giao diện lập trình thích hợp cho việc viết các chương trình theo mô hình truyền thông điệp với mục tiêu linh hoạt và hiệu quả. MPIF, với sự tham gia của hơn 40 tổ chức, bắt đầu đưa ra chuẩn này từ năm 1992 với phiên bản 1.0. Hiện nay tồn tại hai thư viện truyền thông điệp theo chuẩn MPI phổ biến là LAM và MPICH. 2.5 Kiến trúc hệ thống tính toán song song phân cụm BKCLUSTER. BKCluster là hệ thống tính toán song song phân cụm được xây dựng tại Trung Tâm Tính Toán Hiệu Năng Cao trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Hệ thống có mục đích chính làm dịch vụ tính toán để thực hiện các bài toán kỹ thuật có yêu cầu tính toán lớn. 2.5.1 Kiến trúc phần cứng của hệ BKCLUSTER - Hệ thống BKLUSTER được xây dựng theo mô hình song song phân cụm với 1 máy tính đóng vai trò máy chủ, 32 máy tính đóng vai trò máy trạm, các máy tính được nối với nhau theo kiểu Ethernet – thông qua switch. Cấu hình phần cứng của các máy trong hệ thống : Máy chủ : • HP NetServer LH6000 • 6 x CPU Intel Pentium III Xeon 700 MHz • Bộ nhớ trong : 1GB SDRAM • NetWork Card : 10/100 TX NIC Máy trạm : • CPU Intel Pentium III 500 MHz • Bộ nhớ trong : 256 MB SDRAM • NetWork Card : 10/100 3COM Ethernet Adapter 33 Switch : BayStack 450-24T 10/100/1000 Switch -Trung tâm máy tính trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nơi thực tập tin đại cương cho cả trường, thực tập nâng cao và đào tạo các lớp ngắn hạn. Hàng năm được bổ sung một số thiết bị mới nhằm đáp ứng nhu cầu thực hành của sinh viên. Được sự giúp đỡ của trung tâm hiệu năng cao, trung tâm đã xây dựng phòng thực tập nâng cao sử dụng công nghệ song song phân cụm cluster. Cấu hình phần cứng của hệ thống: Máy chủ: Server IBM xSeries 260 2x CPU Intel Xeon 3.16 MHz 2 GB RAM DDR2 3 x 36 GB HDD- 15K RPM HostSwap Drive Support RAID 0,1,5 Network Controller Integrated: 10/100/1000 Gigabit Máy trạm: IBM Lenovo ThinkCentre E50 CPU P4 3.0 GHz With Hyper Theading Technology 512 MB RAM DDR 80GB HDD 7200RPM SATA. Ethernet 10/100 Mbps Máy trạm FPT CPU PIII 800MHz 128MB RAM/ 20GB HDD. Ethernet 10/100Mbps. 34 Hình 2.8 Kiên trúc phần cứng của hệ thống BKCLUSTER 2.5.2 Kiến trúc phần mềm cài đặt trong hệ BKCluser Các máy chủ và máy trạm trong hệ thống BKSupComp đều cài đặt hệ điều hành RedHat Linux 7.3. Giao diện phát triển ứng dụng Thư viện truyền thông điệp Hệ thống quản lý phân tải HĐH LINUX Các nút tính toán Bảng 2.1 Kiến trúc phần mềm hệ thống 35 a) Thư viện và môi trường lập trình : Trình biên dịch C : gcc, cc Trình biên dịch C++ : g++ Trình biên dịch Fortran : g77 Thư viện tính toán : Linpack, Scalapack b) Phần mềm quản lý tài nguyên và phân tải OpenPBS là hệ thống phân tải của NASA phát triển. Phiên bản OpenPBS là phiên bản mã nguồn mở. PBS ra đời sau các hệ thống phân tải khác như DQS, Condor nên khắc phục được một số nhược điểm của hệ thống trên, hơn nữa PBS được thiết kế theo hướng mở có khả năng thay đổi và tối ưu cho phù hợp với hệ thống. c)Thư viện truyền thông điệp Hệ thống BKCluster là hệ thống tính toán song song phân cụm theo mô hình truyền thông điệp. Hệ thống sử dụng thư viện MPICH phiên bản 1.2.4. Khác với đa số các thư viện truyền thông điệp đã được biên dịch thành dạng các gói RPM để có thể dễ dàng cài đặt, MPICH là thư viện duy nhất được cung cấp dưới dạng mã nguồn mở. Do đặc tính mã nguồn mở, khi cài đặt MPICH yêu cầu các bước cấu hình và thiết lập tham số tương đối phức tạp, tuy nhiên người sử dụng có thể sửa đổi mã lệnh của MPICH để có thể xây dựng riêng một thư viện truyền thông điệp có thêm những đặc tính phù hợp với hệ thống của mình. Trên thế giới đã có một số dự án nghiên cứu xây dựng môi trường truyền thông điệp có khả năng chịu lỗi (Fault Tolerant Message Passing Interface – FTMPI) dựa trên nền thư viện MPICH mà tiêu biểu là MPICH-V1 và MPICH-V2. Một yêu cầu đặt ra với hệ BKCluster là phải có khả năng chống lỗi cho nên đã sử dụng thư viện MPICH thay cho thư viện LAM -MPI là thư viện có sẵn khi cài đặt hệ điều hành Linux 7.3. 36 Hình 2.9 Hai phần mềm PBS và MPICH trong hệ thống BKCluster 2.6 Quy trình đánh giá hiệu năng của hệ thống BKCluster Một số phần mềm đo hiệu năng thông dụng sử dụng mã nguồn mở để đánh giá hiệu năng của hệ BKCluster. Các phần mềm này sẽ được biên dịch và chạy trên toàn bộ hệ thống, để đưa ra những thông số về tốc độ tính toán, tốc độ truy cập bộ nhớ trong, tốc độ truyền thông, và tốc độ gửi thông điệp của thư viện MPICH. Từ những thông số trên, ta có thể đánh giá một cách tổng quát về hệ thống tính toán song song phân cụm BKCluster. Việc triển khai cài đặt và sử dụng các phần mềm đo hiệu năng trên hệ thống cụ thể như sau : 37 Mục đích Tên phần mềm đánh giá hiệu năng Đánh giá hiệu năng tính toán của CPU đơn trên các máy trạm Linpack Đánh giá hiệu năng tính toán của toàn bộ hệ thống Nasa Parallel Benchmark Đánh giá hiệu năng truy cập bộ nhớ trong trên các máy trạm Stream Đánh giá hiệu năng truyền thông mạng NetPerf Đánh giá hiệu năng của thư viện MPICH NetPIPE Bảng 2.2 Các phần mềm đo hiệu năng 38 Hình 2.10 Quy trình đo hiệu năng hệ BKCluster 2.6.1 Đo hiệu năng tính toán (năng lực của CPU) Do mục đích chính của hệ thống là thực hiện việc tính toán kỹ thuật nên cần phải xác định các số đo phản ánh tốc độ thực hiện các phép toán. Quá trình đo sẽ được thực hiện trên hai mặt sau của hệ thống : a) Đo hiệu năng tính toán của từng máy trạm : quá trình này sẽ đưa ra tốc độ tính toán của một máy trạm riêng lẻ. Bài toán được thực hiện một cách tuần tự, nói một cách khác là ta tách rời khỏi hệ thống để xác định năng lực tính toán độc lập của máy trạm . Phần mềm đo hiệu năng được sử dụng là Linpack, phiên bản viết bằng ngôn ngữ Fortran. Phần mềm này sẽ gọi hai hàm của thư viện Lapack là một trong những thư viện phép toán kỹ thuật có sử dụng trong hệ thống BKCluster. Chương trình Linpack sẽ được biên dịch bằng trình biên dịch g77 và chạy trên các máy trạm, kết quả thu được dưới dạng MFLOPS. b) Đo hiệu năng tính toán của toàn bộ hệ thống : quá trình này sẽ đưa ra tốc độ tính toán của toàn bộ hệ thống đối với một số bài toán song song như 39 một máy tính duy nhất. Quá trình đo hiệu năng được tiến hành bằng cách chạy một số chương trình song song và đo tốc độ tính toán trên các máy của hệ thống với sự thay đổi về số lượng máy trạm và độ lớn của bài toán. Gói phần mềm đo hiệu năng được sử dụng là NPB (Nasa Parallel Benchmark) của NASA. Gói phần mềm này gồm 5 chương trình hạt nhân EP, CG, MG, FT, IS và 3 chương trình mô phỏng ứng dụng LU, BT, SP. Mỗi chương trình trong gói phần mềm có một đặc thù riêng : EP - Embrassingly Parralel : hạt nhân này được dùng để đo khả năng tính toán độc lập của các vi xử lý trong một hệ thống máy tính song song. Chương trình này hạn chế việc sử dụng các thao tác trao đổi dữ liệu giữa các vi xử lý, do đó kết quả thu được có thể xem là hiệu năng cực đại về khả năng tính toán mà mọi chương trình ứng dụng có thể đạt được. MG – MultiGrid : đây là hạt nhân đo hiệu năng của hệ thống về mặt truyền thông với dữ liệu truyền thông có tính cấu trúc. CG - Conjugate Gradient : thực hiện các phép toán trên ma trận thưa. Các giá trị của ma trận thưa được sinh ngẫu nhiên. Kết quả đo của hạt nhân này phản ánh hiệu năng về mặt truyền thông của bài toán khi dữ liệu là phi cấu trúc. FT - 3 D Fast Fourier Transformation : sử dụng phép biến đổi Fourier nhanh sang miền tần số trong không gian 3 chiều trên tập các giá trị cho trước. Kết quả của hạt nhân này phản ánh hiệu năng về mặt truyền thông của hệ thống. IS - Integer Sort : hạt nhân này sinh ra tập các giá trị nguyên, phân bố đều, sau đó là thực hiện sắp xếp. Sự phân bố ban đầu của các số nguyên là ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống. 40 Ba chương trình mô phỏng LU, BT, SP được xây dựng nhằm biểu diễn chức năng của chương trình tính toán hoạt động của chất lỏng CFD – Computational Fluid Dynamic. Ứng với mỗi chương trình trên, gói phần mềm còn cho phép thay đổi kích thước bài toán đầu vào. Các kích thước này chia thành 5 lớp có tên tương ứng là S, W, A, B, C trong đó lớp S là lớp có kích thước nhỏ nhất, lớp C là lớp có kích thước lớn nhất. Tùy thuộc vào từng mục đích cụ thể mà ta chọn kích thước thuộc lớp phù hợp, thông thường lớp S (Sample) và W (WorkStation) được dùng để thử nghiệm chương trình, các lớp A, B, C được dùng để kiểm tra hiệu năng của hệ thống ứng với những tải thực theo kích thước tăng dần . Cụ thể tên gọi và kích thước của 5 lớp này như sau : Lớp Độ lớn dữ liệu đầu vào S 224 W 226 A 228 B 230 C 232 Bảng 2.3 Độ lớn của các lớp dữ liệu gói phần mềm NPB Gói phần mềm này cho phép người quản trị đánh giá được hiệu năng tính toán của toàn hệ thống và dự đoán được hệ thống thích hợp với những bài toán song song dạng nào. Quá trình đo sẽ được thực hiện như sau : 41 Biên dịch các chương trình trong gói phần mềm NPB với các trình biên dịch gcc và g77, thư viện truyền thông điệp MPICH, kích thước bài toán là lớp A. Chạy các chương trình đo hiệu năng trên các máy trạm, xác định hiệu năng tương ứng, vẽ biểu đồ. 2.6.2 Đo hiệu năng truy cập bộ nhớ trong Một yếu tố ảnh hưởng lớn đến khả năng tính toán trên từng máy trạm đó là tốc độ truy cập vào bộ nhớ trong (RAM). Đối với hệ điều hành Linux, khi độ lớn của toàn bộ các tiến trình vượt quá dung lượng của bộ nhớ trong thì sẽ dẫn đến hiện tượng truy cập vào swap. Quá trình đo hiệu năng truy cập bộ nhớ trong sẽ cho thấy giới hạn trên của kích thước bài toán để có thể chạy một cách hiệu quả đối với cấu hình phần cứng của các máy trạm. Chương trình đo hiệu năng sẽ chạy dưới dạng một bài toán tuần tự trên một nút mạng độc lập. Phần mềm đo hiệu năng được sử dụng là phần mềm Stream. Phần mềm này được viết bằng ngôn ngữ C, thực hiện các phép toán trên dữ liệu là các mảng một chiều với kiểu số thực độ chính xác kép (8 byte). Kích thước của mảng có thể thay đổi để tìm ra dung lượng bộ nhớ trong cực đại có thể sử dụng cho một bài toán và kích thước bài toán là như nào thì tốc độ truy cập vào bộ nhớ trong là lớn nhất. Quá trình đo sẽ được thực hiện như sau : Thay đổi kích thước của mảng giá trị đầu vào (tức là độ lớn) của bài toán lần lượt từ khoảng 50 MB đến một giá trị lớn hơn 256 MB (vì bộ nhớ trong của mỗi máy trạm là 256 MB). Xác định khoảng giá trị của kích thước giá trị đầu vào mà tại đó tốc độ truy cập bộ nhớ trong đối với các phép toán ma trận là lớn nhất. 42 Xác định giá trị lớn nhất của kích thước giá trị đầu vào mà tại đó tốc độ truy cập bộ nhớ trong giảm xuống đột ngột (lúc này xảy ra hiện tượng truy cập vào swap). Thu thập số liệu tại mỗi điểm đo, vẽ thành biểu đồ. 2.6.3 Đo hiệu năng truyền thông. Khả năng truyền thông giữa các nút trong toàn bộ hệ thống tính toán song song phân cụm ảnh hưởng rất lớn đến khả năng hoạt động của toàn hệ thống. Trong hệ BKCluster các máy trạm và máy chủ được nối với nhau thông qua switch. Phần mềm đo hiệu năng được sử dụng là phần mềm Netperf (Net Performance). Netperf cho phép đánh giá hiệu năng truyền thông giữa hai nút bất kỳ trong mạng Quá trình đo hiệu năng truyền thông mạng sẽ đưa ra những con số chính xác về tốc độ gửi và nhận gói tin giữa hai nút bất kỳ trong hệ thống. Những kết quả thu được sẽ cho phép người quản trị rút ra kết luận về những mặt sau : Kích thước gói tin truyền thông bằng bao nhiêu thì tốc độ truyền là cao nhất Ảnh hưởng của vùng đệm socket đến tốc độ nhận gói tin So sánh tốc độ truyền tin giữa một số giao thức Quá trình đo sẽ được thực hiện giữa hai máy trạm với nhau và giữa máy trạm với máy chủ. 2.6.4 Đo hiệu năng của thư viện MPICH Hiệu năng của thư viện MPICH được đánh giá bằng phần mềm NetPIPE. Phần mềm náy cho phép đo hiệu năng truyền thông mạng ứng với nhiều giao thức khác nhau (TCP, MPI …), tuy nhiên khi ứng dụng vào hệ thống BKCluster, ta chỉ biên dịch để thực hiện đo hiệu năng truyền thông điệp bằng thư viện MPI (việc đo hiệu năng truyền thông bằng giao thức TCP đã được thực hiện bằng phần mềm NetPerf). Quá trình đo hiệu năng sẽ thực hiện giữa 43 hai máy trạm. Kết quả quan trọng nhất cần đưa ra là kích thước gói tin ứng với tốc độ truyền cực đại. Các số liệu thu được sẽ dùng để vẽ các biểu đồ sau : Biểu đồ biểu thị tương quan giữa tốc độ truyền thông và dung lượng gói tin Biểu đồ biểu thị tương quan giữa tốc độ truyền thông và thời gian truyền tin Biểu đồ biểu thị tương quan giữa dung lượng và thời gian truyền gói tin Các biểu đồ trên cho ta cái nhìn khách quan về hiệu năng của thư viện MPICH. 44 CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO HIỆU NĂNG 3.1 Đo hiệu năng tính toán Nguyên tắc hoạt động chung của các chương trình đo hiệu năng tính toán là thực hiện một số lớn các câu lệnh tính toán, đo thời gian chạy toàn bộ chương trình, sau đó tính ra kết quả có dạng số phép tính trong một đơn vị thời gian hoặc tổng số câu lệnh, tổng số hàm thực hiện trong một đơn vị thời gian. Những chương trình đo hiệu năng tính toán ban đầu như WhetStone, DhryStone đo hiệu năng bằng cách thực hiện một tập các module con, mỗi module có chức năng thực hiện phép toán trên các kiểu dữ liệu riêng như : số nguyên, số thực hay thực hiện các câu lệnh như : lệnh rẽ nhánh, lệnh gọi các chương trình con. Với mỗi module, người sử dụng có thể thay đổi các tham số đầu vào cho phù hợp với từng hệ thống cụ thể. Các tham số này liên quan đến kích thước của dữ liệu đầu vào dưới dạng số nghìn lần đoạn lệnh (instruction) thực hiện trong mỗi module. Kết quả trả về của chương trình sẽ có thứ nguyên được định nghĩa riêng như : MWIPS (số nghìn đoạn lệnh của WhetStone trong 1 đơn vị thời gian) đối với các kết quả trả về của chương trình WhetStone. DhryStone Per Second (số vòng lặp DhryStone trong 1 đơn vị thời gian) đối với kết quả trả về của chương trình DhryStone. Các chương trình đo hiệu năng tính toán từ dạng mã lệnh đơn giản (Synthetic Code) được phát triển lên thành các chương trình (hoặc module chương trình) thực hiện mục đích cụ thể hơn trong tính toán khoa học, đó là các hạt nhân (kernel) và mô phỏng ứng dụng (Simulation Application). Đối với những chương trình ở dạng trên, các phép toán chủ yếu thực hiện trên miền số thực và kết quả được trả về có thứ nguyên là MFLOPS (số triệu lần phép toán số 45 thực trong 1 giây).Tuy nh._.