使用MPICH构建一个四节点的集群系统

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1.什么是服务器集群

      随着Internet的爆炸性增长,Internet与人的生活越 来越息息相关,通过Internet上进行交易也就越来越受关注.近几年,电子商务的年增长均超过100%.服务器的工作量也迅速增长,所以服务器(特别 是一个受人欢迎的WEB服务器)很容易在访问高峰时期过载.而另一方面,计算机从1946年单纯的科学计算任务到现在大量纷繁复杂的信息处理,工作量越来 越大,需要越来越快的处理能力.所以计算机界就不得不不断研究更快的处理器,存储器,以适应这一需求.然而,科学家们意识到,单块处理器的速度发展空间是 有限的,为什么不能让计算机象人一样协同工作,“群策群力”地将工作完成好呢!这时,就掀起了“并行计算”的研究.举个例子来说,我们架设了一台WWW服 务器,上面构建了一个电子商务网站,然而随着时间的推移,名声越来越大,这时点击率也就越来越高,WWW服务器的负载也就越来越高.这种情况下,我们就必 须提升WWW服务器的能力,以满足以益增长的服务请求.这时,我们就面临两种选择：

      (1)升级WWW服务器,采用更快的CPU,增加更多的内存,使其更具有POWER;但日益增长的服务请求又会使服务器再次过载,需要再次升级,这样就陷入了升级的怪圈.还有,升级时还得考虑到服务如何接续,能否中止!

      (2)增加WWW服务器,让多台服务器来完成相同的服务.

      这种方法就是服务器集群,通过并行技术来大大提升系统性能.也就是这一章的主要内容,这种方法具有很好的扩展性,而且可以最大限度地利用已有投资.

1.1.集群的概念

      集 群,是一组独立的计算机系统构成一个松耦合的多处理器系统,它们之间通过网络实现进程间的通信.应用程序可以通过网络共享内存进行消息传送,实现分布式计 算机.近几年来,微处理器、内存、总线技术、网络技术有了非常大的进步,软件的并行技术也有了非常大的进步,这使得让一组廉价的个人电脑与工作站协同工作 成为可能,甚至可以与拥有强大的芯片处理能力的超级计算机竞争.比如,16个普通微处理器组成的集群系统可以达到亿次级浮点计算机能力,而且总的成本小于 40万元.不幸的是,建造一个集群并不是一件简单的事件.集群的组成部分必须根据要运行的主要应用进行调整,以使之运行在最佳状态.这此因素带来的结果就 是,建造集群系统不是只有一个标准的方案,在本章中,我们就会看到许多种建造方案.集群技术是计算机系统结构的前沿领域,笔者也仅是略有了解,希望本文能 起到抛砖引玉之用.

1.2.并行技术

      这是一个非常简单的建造四节点的小集群系统的例子,它是构建在Linux操作系统上,通过MPICH软件包实现的,希望这个小例子能让大家对集群系统的构建有一个最基本的了解.

2.使用MPICH构建一个四节点的集群系统

      这是一个非常简单的建造四节点的小集群系统的例子,它是构建在Linux操作系统上,通过MPICH软件包实现的,希望这个小例子能让大家对集群系统的构建有一个最基本的了解.

2.1 所需设备

      (1).4台采用Pentium II处理器的PC机,每台配置64M内存,2GB以上的硬盘,和EIDE接口的光盘驱动器.

      (2).5块100M快速以太网卡,如SMC 9332 EtherPower 10/100(其中四块卡用于连接集群中的结点,另外一块用于将集群中的其中的一个节点与其它网络连接.)

      (3).5根足够连接集群系统中每个节点的,使用5类非屏蔽双绞线制作的RJ45缆线

      (4).1个快速以太网(100BASE-Tx)的集线器或交换机

      (5).1张Linux安装盘

2.2 构建说明

      对计算机硬件不熟的人,实施以下这些构建步骤会感到吃力.如果是这样,请找一些有经验的专业人士寻求帮助.

      (1). 准备好要使用的采用Pentium II处理器的PC机.确信所有的PC机都还没有接上电源,打开PC机的机箱,在准备与网络上的其它设备连接的PC机上安装上两块快速以太网卡,在其它的 PC机上安装上一块快速以太网卡.当然别忘了要加上附加的内存.确定完成后盖上机箱,接上电源.

      (2). 使用4根RJ45线缆将四台PC机连到快速以太网的集线器或交换机上.使用剩下的1根RJ45线将额外的以太网卡(用于与其它网络相连的那块,这样机构就可以用上集群)连接到机构的局域网上(假定你的机构局域网也是快速以太网),然后打开电源.

      (3). 使用LINUX安装盘在每一台PC机上安装.请确信在LINUX系统中安装了C编译器和C的LIB库.当你配置TCP/IP时,建议你为四台PC分别指定 为192.168.1.1、192.168.1.2、192.168.1.3、192.168.1.4.第一台PC为你的服务器节点(拥有两块网卡的那 台).在这个服务器节点上的那块与机构局域网相连的网卡,你应该为其指定一个与机构局域网吻合的IP地址.

      (4).当所有PC都装好Linux系统后,编辑每台机器的/etc/hosts文件,让其包含以下几行：

192.168.1.1 node1 server
192.168.1.2 node2
192.168.1.3 node3
192.168.1.4 node4

编辑每台机器的/etc/hosts.equiv文件,使其包含以下几行：

node1
node2
node3
node4
$p#

以下的这些配置是为了让其能使用MPICH's p4策略去执行分布式的并行处理应用.

      1. 在服务器节点,建一个/mirror目录,并将其配置成为NFS服务器,并在/etc/exports文件中增加一行：/mirror node1(rw) node2(rw) node3(rw) node4(rw)

      2. 在其他节点上,也建一个/mirror目录,关在/etc/fstab文件中增加一行：server:/mirror /mirror nfs rw,bg,soft 0 0

      3. /mirror这个目录从服务器上输出,装载在各个客户端,以便在各个节点间进行软件任务的分发.

      4. 在服务器节点上,安装MPICH.MPICH的文档可在http://www.mcs.anl.gov/mpi/mpich/docs.html获得.

      5. 任何一个集群用户(你必须在每一个节点新建一个相同的用户),必须在/mirror目录下建一个属于它的子目录,如/mirror/username,用 来存放MPI程序和共享数据文件.这种情况,用户仅仅需要在服务器节点上编译MPI程序,然后将编译后的程序拷贝到在/mirror目录下属于它的的子目 录中,然后从他在/mirror目录下属于它的的子目录下使用p4 MPI策略运行MPI程序.

2.3 MPICH安装指南

      1. 如果你有gunzip,就d下载mpich.tar.gz,要不然就下载mpich.tar.Z.你可以到http://www.mcs.anl.gov /mpi/mpich/downloa下载,也可以使用匿名FTP到ftp.mcs.anl.gov的pub/mpi目录拿.(如果你觉得这个东西太大, 你可以到pub/mpi/mpisplit中取分隔成块的几个小包,然后用cat命令将它们合并)

      2.解压：gunzip ;c mpich.tar.gz 　tar xovf-(或zcat mpich.tar.Z　tar xovf-)

      3.进入mpich目录

      4. 执行：./configure为MPICH选择一套适合你的实际软硬件环境的参数组,如果你对这些默认选择的参数不满意,可以自己进行配置(具体参见 MPICH的配置文档).最好选择一个指定的目录来安装和配置MPICH,例如：./configure -prefix=/usr/local/mpich-1.2.0

      5.执行：make >& make.log 这会花一段较长的时间,不同的硬件环境花的时间也就不同,可能从10分钟到1个小时,甚至更多.

      6. (可选)在工作站网络,或是一台单独的工作站,编辑mpich/util/machines/machines.xxx(xxx是MPICH对你机器体系 结构取的名称,你能很容易的认出来)以反映你工作站的当地主机名.你完全可以跳过这一步.在集群中,这一步不需要.

      7.(可选)编译、运行一个简单的测试程序：

cd examples/basic
make cpi
ln ;s ../../bin/mpirun mpirun
./mpirun ;np 4 cpi

此时,你就在你的系统上运行了一个MPI程序.

8.(可选)构建MPICH其余的环境,为ch_p4策略使

用安全的服务会使得任何启动速度加快,你可以执行以下命令构建：
make serv_p4
(serv_p4是一个较新的P4安全服务的版本,它包含在MPICH 1.2.0版中),nupshot程序是upshot程序的一个更快版本,但他需要tk 3.6版的源代码.如果你有这个包,你就用以下命令可以构建它：
make nupshot

9.(可选)如果你想将MPICH安装到一个公用的地方让其它人使用它,你可以执行：

make install 或 bin/mpiinstall

你可以使用-prefix选项指定MPICH安装目录.安装后将生成include、lib、bin、sbin、www和man目录以及一个小小的示例目录,
(可选)到此你可以通告所有的用户如何编译、执行一个MPI程序.

2.4 费用统计

这个小的集群方案总的费用大致如下：
设备费用：
4台 带EIDE CD-ROM 的机器： 24000元
5块快速以太网卡： 800元
1个快速以太网的集线机：2000元
5根双绞线：50元
软件费用：
LINUX安装光盘：50元
MPICH：0元
合计：26900元.
这样一个集群系统可以用于一些大量的科学计算,信息处理,而且其性价比实在是太好了,仅需不到三万元.