Bộ Giáo dục và Đào tạo
Trờng Đại học Bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học
Ngành: Xử lý thông tin và truyền thông
đánh giá hiệu năng hệ thống
song song phân cụm
Phạm Thanh Liêm Hà Nội 2006
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 THỰ
C 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 hiệ
u 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 đ
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 - t
ốc 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
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, v
ới 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. H
ệ
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 nhiệ
o 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, Tr
ường 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 thố
ng 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
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 n
ăng 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 vớ
i 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 ph
ần 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 ph
ần 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.
tương thích của hệ thống đối với một loại ứng dụng cụ thể. Các chương trình
loại này thường là một tập hợp c
ủa 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 th
ống 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 c
ập 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
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 hi
ệu 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 gử
i 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
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 củ
a 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 h
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 hiệ
u 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.
ng 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 quy
ết 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
chươ
ng 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 đượ
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 v
ị xử lý
có thể hoạt động trên một phần tử dữ liệu khác nhau. 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 c
ập 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
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 thố
ng tăng, điện năng tiêu
thụ giảm.
d) Cấu hình kết nối song song (cluster)
Hình 2.7 Cấu hình kết nối cluster
Copyright: Tài liệu đại học ©