關(guān)于計(jì)算機(jī)集群技術(shù)應(yīng)用研究

張彪

摘要：隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展速度也在持續(xù)加快。在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，集群技術(shù)是一項(xiàng)核心技術(shù)，它和計(jì)算機(jī)各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)直接相關(guān)。因此，通過對(duì)計(jì)算機(jī)集群技術(shù)的深入研究和分析，可以更加清楚地了解到它的操作原理，從而也就可以更加有效地進(jìn)行程序操作。目前，計(jì)算機(jī)集群技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在很多大型企業(yè)處理數(shù)據(jù)的過程中。基于此，本文將主要分析計(jì)算機(jī)集群技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)內(nèi)容，旨在給相關(guān)的工作人員提供一點(diǎn)啟示。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)；集群技術(shù)；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP338 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

在我國信息技術(shù)與處理器性能持續(xù)發(fā)展和提高的過程中，人們開始將那些比較便宜的服務(wù)器和工作站通過以太網(wǎng)的形式進(jìn)行有效連接，然后就能夠形成計(jì)算機(jī)集群，從而也就可以用較低的代價(jià)來獲得更高的性能。因此，對(duì)于計(jì)算機(jī)集群的研究已經(jīng)成為目前計(jì)算機(jī)研究和開發(fā)中的一個(gè)非常重要的方向。

1 計(jì)算機(jī)集群技術(shù)的定義

目前，學(xué)術(shù)界對(duì)于計(jì)算機(jī)集群的定義有很多種，本文將使用一種最先進(jìn)和全面的定義來奠定研究的基礎(chǔ)。集群的定義是在現(xiàn)代高速網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的工作站以及其他的中間架構(gòu)，按照相應(yīng)的次序?qū)ζ溥M(jìn)行再次組成，從而也就可以形成一種新的結(jié)構(gòu)體制。現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)能夠和其他的計(jì)算機(jī)進(jìn)行直接地調(diào)度與交流溝通，隨著調(diào)度工作的不斷開展，提升整體網(wǎng)絡(luò)處理速率的一種網(wǎng)絡(luò)體系。把一些專業(yè)化的信息轉(zhuǎn)化成我們可以理解和閱讀的語言，也就是說，把設(shè)備終端和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效連接，從網(wǎng)絡(luò)的層面上看可以構(gòu)成一種相互關(guān)聯(lián)的組織，即使是設(shè)備終端不同也可以在同樣的頻道上一同進(jìn)行，并集中對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行管理。在運(yùn)行環(huán)節(jié)當(dāng)中，終端設(shè)備相當(dāng)于是在和一個(gè)群體進(jìn)行交流與溝通，集群為終端設(shè)備帶來其所需要的服務(wù)，而這樣的一個(gè)環(huán)節(jié)也正是集群體現(xiàn)其作用的環(huán)節(jié)。計(jì)算機(jī)的集群體系可以按照其性質(zhì)分成兩種：第一種就是集群文件體系，第二種是NS體系。這兩種體系各有用處。集群文件體系能夠完成較多文件的編寫，還可以對(duì)大文件進(jìn)行編寫。但是NS體系能夠把文件與文件之間的分享變成現(xiàn)實(shí)，有著非常優(yōu)異的儲(chǔ)存性質(zhì)，憑借著較高的性能以及較強(qiáng)的承載力，因此得到了廣泛應(yīng)用。

2 計(jì)算機(jī)集群技術(shù)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)價(jià)格低

因?yàn)樯a(chǎn)的批量相對(duì)較小，但是傳統(tǒng)的巨型機(jī)和MPP的價(jià)格都相對(duì)較高，通常都需要花費(fèi)幾百萬乃至上千萬美金。但是構(gòu)成集群的工作站與高檔PC機(jī)通常是進(jìn)行批量生產(chǎn)的，所以價(jià)格通常比較低。由多臺(tái)工作站構(gòu)成的計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)能夠滿足大部分應(yīng)用的實(shí)際需求，而且售價(jià)通常都比較低。

2.2 系統(tǒng)開發(fā)周期短

因?yàn)榧合到y(tǒng)大多使用了商務(wù)工作站和LAN網(wǎng)絡(luò)，從而就使得主機(jī)和節(jié)點(diǎn)的管理更加簡便，而且也更加可靠。但是，對(duì)于系統(tǒng)的研究主要是為了能夠提高程序的編制效率和并行性，因此，也就無須對(duì)計(jì)算結(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新制定，也無須對(duì)規(guī)劃體系和編譯體系進(jìn)行重新規(guī)劃，從而也就可以節(jié)省更多的時(shí)間來開展研發(fā)工作。

2.3 節(jié)約系統(tǒng)資源

因?yàn)榧合到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)通常都是非常靈活的，它能夠把不同的體系結(jié)構(gòu)、不同性能的工作站連接起來，從而也就可以確保現(xiàn)有的設(shè)備都得到最大化地利用。從使用效率方面來說，集群系統(tǒng)的資源利用率相對(duì)單機(jī)系統(tǒng)來說更高。據(jù)UCBerkeley計(jì)算機(jī)系100多臺(tái)工作站的使用情況調(diào)查顯示，對(duì)單機(jī)系統(tǒng)的使用率低于百分之十，但是集群系統(tǒng)中的資源利用率高達(dá)百分之八十作用。從另一方面來說，就算是對(duì)用戶設(shè)備進(jìn)行更新，原有的性能較差與型號(hào)比較落后的那些機(jī)器依舊可以在集群系統(tǒng)中起重要作用。

2.4 用戶投資風(fēng)險(xiǎn)小

在客戶購買傳統(tǒng)的巨型裝置以及MPP體系的時(shí)候，通常無須考慮工作效益的問題。在具體的工作過程中，總是會(huì)發(fā)生因使用率較低而造成資源浪費(fèi)的問題。但是，集群體系不只是一種并行的體系，其中所有的工作節(jié)點(diǎn)都可以作為獨(dú)立的工作站，雖然整體體系的工作效益不夠明顯，但是依舊能夠把它作為獨(dú)立的工作站投入使用。

2.5 用戶編程方便

在集群體系內(nèi)部，軟件的并行性通常都是在原來的C、C++或Fortran串行的編碼中，添加相應(yīng)的通信語言。用戶使用的軟件程序依然是他們所熟悉的軟件，并不需要因?yàn)樾麦w系的使用而進(jìn)行相應(yīng)的變動(dòng)，從而也就能夠直接將原有的程序拿來使用。

2.6 系統(tǒng)擴(kuò)展性好

一般情況下，集群系統(tǒng)使用的都是通用網(wǎng)絡(luò)，因此系統(tǒng)的擴(kuò)展性更好。從性能方面來說，大部分中、粗粒度的并行應(yīng)用的效率都相對(duì)較高。據(jù)相關(guān)的調(diào)查研究顯示，八臺(tái)工作站的加速比大約在5.83到7.9之間，其并行處理效率大約為72.88%至99%。

3 計(jì)算機(jī)集群技術(shù)的應(yīng)用

3.1 數(shù)值天氣預(yù)報(bào)

在數(shù)值預(yù)報(bào)中，通常使用離散方法來求解非線性方程，它的計(jì)算范圍可以涵蓋整個(gè)大氣層，因此計(jì)算過程是相對(duì)比較繁雜的。但是，天氣預(yù)報(bào)的實(shí)時(shí)性特點(diǎn)要求相關(guān)的數(shù)值和計(jì)算結(jié)果必須要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)得出。因此，其是用于我國的高原地區(qū)復(fù)雜地形條件下的有限區(qū)域的YH數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式和美國大氣科學(xué)研究中心研制的MM5中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式，在8個(gè)結(jié)點(diǎn)的SCAPE集群系統(tǒng)上加速比達(dá)到6。

3.2石油地震數(shù)據(jù)處理

當(dāng)前，在油氣勘探中，三維地震勘探是非常有效的一種方式，其在完成地質(zhì)勘探任務(wù)方面起著至關(guān)重要的作用。相對(duì)于二維勘探來說，三維地震勘探可以提供更加準(zhǔn)確的地下圖像，它和地下的實(shí)際情況非常接近，從而也就能夠更加高效地應(yīng)對(duì)各類地質(zhì)問題。但是，因?yàn)槠渲械臄?shù)據(jù)量和計(jì)算量較大、所需花費(fèi)的計(jì)算時(shí)間較長，所以使得一些先進(jìn)的三維地震資料處理方式難以在大型計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。但并行處理可以給這些方法的實(shí)現(xiàn)提供可能。

3.3 CAD圖像處理

在對(duì)CAD圖像進(jìn)行處理的時(shí)候，通過需要對(duì)很多數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，而計(jì)算機(jī)計(jì)算技術(shù)可以給它提供有效的技術(shù)支持，從而也就能夠進(jìn)一步縮短對(duì)CAD圖像進(jìn)行處理所需花費(fèi)的時(shí)間。

4 集群系統(tǒng)的發(fā)展及展望

隨著對(duì)集群系統(tǒng)研究工作的開展，世界上許多大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室都建立了實(shí)驗(yàn)集群系統(tǒng)，并進(jìn)行了許多應(yīng)用測(cè)試，結(jié)果表明大量的并行應(yīng)用程序都能在集群系統(tǒng)上有很好的效率。

除了傳統(tǒng)的大規(guī)模并行計(jì)算和工程設(shè)計(jì)外，集群系統(tǒng)在事務(wù)處理、并行數(shù)據(jù)庫和服務(wù)器等領(lǐng)域也有較好的應(yīng)用前景。這些領(lǐng)域的共同特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大，要求同時(shí)服務(wù)的用戶多，對(duì)吞吐率和響應(yīng)時(shí)間要求高，集群系統(tǒng)價(jià)格低、可靠性好、吞吐率高，而且系統(tǒng)資源豐富，比起其他解決方案集群系統(tǒng)具有更多的優(yōu)點(diǎn)。目前有些商用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)已經(jīng)提供這種分布處理的支持，比如WindowsSQLServer和Informax。作為多數(shù)研究及應(yīng)用機(jī)構(gòu)都能承受得起的一種超級(jí)計(jì)算資源，集群系統(tǒng)必將對(duì)許多大挑戰(zhàn)的計(jì)算問題及國民經(jīng)濟(jì)起到積極影響。

5 結(jié)束語

在我國科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，集群計(jì)算機(jī)技術(shù)必將受到更多層面的支持，系統(tǒng)能夠把一些資源進(jìn)行合理利用和開發(fā)，從而也就可以研制出性能更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)體系。但是，如何把相關(guān)的資源進(jìn)行合理利用，是目前急需解決的主要問題。此外，如何降低集群體系的價(jià)格，最大化發(fā)揮資源的作用，也是未來發(fā)展過程中應(yīng)該關(guān)注的重點(diǎn)。所以，相關(guān)的人員應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行更加深入的研究。

參考文獻(xiàn)

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[3]張偉.計(jì)算機(jī)集群技術(shù)應(yīng)用研究[J].電子制作，2015，（05）：108-109.

（作者單位：中國石油吉林油田公司地球物理勘探研究院）