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集群计算环境全局通讯优化的研究与实现

作　者: 李春华
导　师: 周兴铭
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 全局通讯 集群计算 消息传递 路径优化 拓扑结构 通讯模型 拓扑结构模型
分类号: TP338
类　型: 博士论文
年　份: 2001年
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内容摘要


随着高速网络技术和高性能微处理器技术的发展，集群计算从局域网扩展到园区网甚至广域网，它正成为一种极具吸引力和挑战性的分布式并行计算平台。集群计算要达到实用化，首先需要解决的关键技术是提高通讯性能，包括点对点通讯和全局通讯的性能。本文主要研究如何在不改变硬件的前提下提高全局通讯性能。全局通讯的性能受计算机结点性能、网络性能、网络拓扑结构、全局通讯路径等因素影响，其中优化全局通讯路径是提高全局通讯性能的一个重要手段，尤其是对消息传递库的设计者而言。在集群环境中，计算机结点和网络存在着异构性，主要表现为计算机结点性能和网络性能各有差异、网络拓扑结构也不规则。这种异构性增加了全局通讯路径有效优化的难度。如果在优化全局通讯路径时不加以充分考虑，忽略了某些因素，往往会导致优化的效果不佳，甚至在某些情况下出现相反的效果，反而降低全局通讯的性能。而常见的消息传递库大多存在着这个问题。针对此问题，我们提出了全局通讯的多粒度优化解决方案，它包括LobP通讯模型、HLC(Hierachical Label Cluster)拓扑结构模型、多粒度优化MGO算法(Multi-Granularity Optimization)、全局通讯模拟器CCSim以及多粒度优化的MPICH-MGO实现。本文从理论研究和工程实现两方面系统地描述了我们所做的上述工作。 通讯模型描述了通讯的基本过程，它是全局通讯优化的基础。本文首先对通讯模型进行分析，指出已有通讯模型在完备性、描述的层次一致性等方面的不足，提出了LobP通讯模型。 拓扑结构模型描述了网络的拓扑结构，它是全局通讯优化的重要依据。在分析两层结构及简单多层结构的基础上，根据分布式集群环境物理拓扑结构的特点以及全局通讯优化的需求，本文提出了适合于分布式集群全局通讯优化的HLC拓扑结构模型，并描述了实现该模型的算法。 基于LobP通讯模型和HLC拓扑结构模型，本文提出了全局通讯的多粒度优化算法，简称MGO算法。MGO算法经过优化分别生成广播、分布、聚合、全聚合等全局通讯操作的通讯路径。在优化时MGO算法利用LobP通讯模型和HLC拓扑结构模型，充分考虑了集群中计算机结点性能、网络性能以及网络拓扑结构，适用于分布式集群环境。 我们实现了多粒度优化的全局通讯库MPICH-MGO。MPICH-MGO基于MPICH，是对MPICH原有全局通讯层的修改和扩充，使得它能够通过分布式测试获得集群的计算机结点性能、网络性能以及网络拓扑结构等信息，利用这些信息进行全局通讯路径的多粒度优化，并根据优化结果对涉及全局通讯的消息进行路由。 我们还实现了针对集群环境全局通讯的模拟器CCSim。模拟器CCSim可以生成不同配置的集群，调用不同的全局通讯优化算法来优化生成相应的全局通讯路径，并利用全局通讯路径模拟全局通讯过程的执行。利用该模拟器可以比较不同优化算法在不同集群配置下的优化效果，它已成为我们研究集群环境下全局通讯优化的一个重要分析工具。 模拟结果表明MGO算法优化效果显著。MGO算法与相关的BT、FEF、FCEF、LA算法相比，在广播、分布、聚合、全聚合等全局通讯操作的性能上，均有不同程 国防科学技术大学研究生院学位论文度的提高，并且性能提高百分比基本上随着集群中计算机结点数目的增加而加大。

全文目录


中文摘要  8-10
英文摘要  10-12
第一章 绪论  12-22
  §1．1 集群计算  12-14
  §1．2 消息传递  14-17
    1．2．1 消息传递  14
    1．2．2 全局通讯  14-17
  §1．3 问题及研究方向  17-18
  §1．4 选题依据  18-19
    1．4．1 研究的前沿性  18
    1．4．2 应用成本  18-19
    1．4．3 应用价值  19
  §1．5 研究内容  19
    1．5．1 通讯模型  19
    1．5．2 拓扑结构模型  19
    1．5．3 全局通讯路径优化算法  19
  §1．6 工作成果  19-20
  §1．7 论文结构  20-22
第二章 相关工作  22-28
  §2．1 简单优化  22-23
    2．1．1 MPICH  22-23
  §2．2 细粒度优化  23
    2．2．1 PAC  23
    2．2．2 MSHN  23
  §2．3 粗粒度+细粒度优化  23-26
    2．3．1 PACX-MPI  24
    2．3．2 ECO  24-25
    2．3．3 MAGPIE  25-26
    2．3．4 MPICH-G  26
  §2．4 小结  26-28
第三章 通讯模型分析与设计  28-36
  §3．1 通讯模型需求  28
  §3．2 相关通讯模型分析  28-33
    3．2．1 LogP模型  29-30
    3．2．2 LogGP模型  30-32
    3．2．3 P-LogP模型  32-33
  §3．3 LOBP模型  33-35
    3．3．1 模型描述  33-34
    3．3．2 通讯过程  34-35
    3．3．3 特点  35
  §3．4 小结  35-36
第四章 拓扑结构模型分析与设计  36-47
  §4．1 拓扑结构模型需求  36
  §4．2 相关拓扑结构模型分析  36-38
    4．2．1 两层结构  36-37
    4．2．2 简单多层结构  37-38
  §4．3 HLC拓扑结构模型  38-41
    4．3．1 简化  38-39
    4．3．2 变换  39-40
    4．3．3 定义  40
    4．3．4 特点  40-41
  §4．4 层次拓扑结构发现  41-46
    4．4．1 IP路径测试  41-42
    4．4．2 平均延时计算  42
    4．4．3 IP路径合并  42-45
    4．4．4 拓扑结构树生成  45-46
  §4．5 小结  46-47
第五章 全局通讯多粒度优化  47-56
  §5．1 分析  47-52
    5．1．1 基本过程  47-48
    5．1．2 提前  48
    5．1．3 结点串行  48-50
    5．1．4 子集群串行  50-51
    5．1．5 集群的层次  51-52
  §5．2 原理  52-53
  §5．3 算法  53-55
    5．3．1 算法描述  53-54
    5．3．2 通讯路径处理  54-55
  §5．4 小结  55-56
第六章 模拟器设计与实现  56-61
  §6．1 总体结构  56
  §6．2 集群生成  56-59
    6．2．1 网络生成  57-58
    6．2．2 结点选择  58-59
  §6．3 路径优化  59
  §6．4 模拟引擎  59
  §6．5 小结  59-61
第七章 性能模拟  61-70
  §7．1 模拟结果  61-69
    7．1．1 广播  61-62
    7．1．2 分布  62
    7．1．3 聚合  62-63
    7．1．4 全聚合  63-69
  §7．2 小结  69-70
第八章 MPICH-MGO设计与实现  70-92
  §8．1 MPICH简介  70
  §8．2 MPICH-MGO的总体结构  70-73
    8．2．1 总体结构  70-71
    8．2．2 组成  71-72
    8．2．3 工作流程  72-73
  §8．3 局部信息测试  73-79
    8．3．1 主要数据结构  73-76
    8．3．2 路径测试  76-78
    8．3．3 参数测试  78-79
  §8．4 拓扑结构综合  79-80
    8．4．1 局部拓扑结构综合  79-80
    8．4．2 全局拓扑结构综合  80
  §8．5 CISP协议  80-83
    8．5．1 报文格式  81-82
    8．5．2 协议过程  82-83
  §8．6 路径优化与路由合成  83-85
    8．6．1 数据结构  83-84
    8．6．2 路由优化  84
    8．6．3 路由合成  84-85
  §8．7 MRIP协议  85-88
    8．7．1 报文格式  85-88
    8．7．2 协议过程  88
  §8．8 全局通讯消息路由  88-91
    8．8．1 数据结构  88-90
    8．8．2 全局通讯消息路由算法  90-91
  §8．9 小结  91-92
第九章 结束语  92-94
  §9．1 总结  92-93
  §9．2 将来的工作  93-94
致谢  94-95
图目录  95-97
表目录  97-98
参考文献表  98-102
附录A 相关WEB站点  102-103
附录B 攻读博士学位期间公开发表的学术论文  103-104
附录C MPI全局通讯函数  104-107

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