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基于异构Beowulf机群的并行计算模型的研究

作　者: 孔令鑫
导　师: 祝永志
学　校: 曲阜师范大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 异构计算 Beowulf机群异构并行计算模型可扩展性
分类号: TP338.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着科技的发展,人类对高性能计算有着愈来愈大的需求。异构计算能够为不同类型的计算匹配合适的计算体系结构,大大缩短了计算操作的完成时间,这使得异构计算近年来成为并行处理的主要研究平台。异构计算拥有广泛的应用前景。机群由于自身较高的性能/价格比、较低的价格、较好的可扩展性等优势已成为目前并行计算领域研究的热点。机群系统的愈发成熟,硬件成本的降低、微处理器能力的高速提升以及以太网等局域网技术的成熟等因素,为用微机建立并行计算机群即Beowulf系统铺平了道路。从最初Beowulf机群的定义到如今不同设计者给自己搭建的Beowulf下定义可以看出,Beowulf机群得到了蓬勃的发展。并行计算模型是连接计算机软件与硬件的一种桥梁,通过对各种并行计算机基本特征的抽象,形成抽象的计算模型,在此计算模型上分析、设计所求问题的算法,并通过有效地编译高级语言用硬件实现算法。然而虽然并行计算模型很重要,但是至今仍没有通用的并行计算模型。已经提出了的并行计算模型都有不同的侧重点,适用环境也不相同,对适用环境的异构性、可扩展性、消息通信等方面都有不同的侧重。在Beowulf机群环境下,对并行计算模型进行研究有着重大的意义。本文分析了异构计算系统、机群系统、Beowulf机群系统以及现存的并行计算模型,重点介绍了HBSP并行计算模型。通过对传统的HBSP系统、HBSP系统超步执行过程和通信开销过程的学习,搭建了异构Beowulf机群系统,该系统以节点处理能力的不同体现系统的异构性,节点的cpu及内存容量均不同。重新定义了基于异构Beowulf机群的HBSP系统及其性能参数,并将MPI引入HBSP模型,对异构Beowulf机群环境下HBSP通信因素和局部计算内容进行分析,给出了一个超步的执行计算时间和通信开销时间。分析计算π值的并行算法,在基于本文异构Beowulf机群的HBSP系统下,通过MPI并行软件的支撑、采用C++编程语言模拟计算π的实验,对理论值与实际测量值做比较,并得出结论:修改后的HBSP并行计算模型在一定程度上适用于本文搭建的MPI支撑的异构Beowulf机群环境。同时,本文对可扩展模型进行了探索,分析了传统的等并行开销计算比可扩展模型。根据本文的实验环境,对传统的等并行开销计算比可扩展模型做出修改,得到适用于异构Beowulf机群的可扩展函数。通过实验验证了修改后的等并行开销计算比可扩展模型在异构Beowulf机群环境下的良好适用性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-13
  1.1 研究背景  9-10
  1.2 并行计算模型发展现状  10-11
  1.3 本文主要工作  11
  1.4 本文组织结构  11-13
第二章 Beowulf系统  13-19
  2.1 并行计算机系统概述  13-14
  2.2 机群  14-16
    2.2.1 机群系统  14-15
    2.2.2 异构系统  15-16
  2.3 Beowulf机群  16-18
    2.3.1 Beowulf的产生和发展  16-17
    2.3.2 Beowulf的定义  17
    2.3.3 Beowulf机群的构成  17-18
    2.3.4 Beowulf系统的优点  18
  2.4 小结  18-19
第三章并行计算模型及并行编程  19-28
  3.1 并行计算模型理论  19-20
    3.1.1 并行计算模型的概念  19
    3.1.2 并行计算模型的特征  19-20
    3.1.3 并行计算模型的作用  20
  3.2 常用的并行计算模型  20-25
    3.2.1 PRAM模型和BSP模型  20-22
    3.2.2 LogP模型和C~3模型  22-23
    3.2.3 传统并行计算模型的比较  23
    3.2.4 HCGM模型和Cluster-M模型  23-24
    3.2.5 异构BSP模型和NHBL模型  24
    3.2.6 HCGM、HBSP和NHBL的比较  24-25
    3.2.7 并行计算模型小结  25
  3.3 基于消息传递的并行编程  25-27
    3.3.1 MPI基本介绍  25-26
    3.3.2 PVM并行编程  26
    3.3.3 MPI程序基本介绍  26-27
  3.4 小结  27-28
第四章一种改进的HBSP模型  28-38
  4.1 引言  28
  4.2 传统的HBSP模型  28-30
    4.2.1 HBSP系统  28-29
    4.2.2 HBSP模型参数  29-30
  4.3 基于异构Beowulf的HBSP系统  30-34
    4.3.1 系统定义  30-31
    4.3.2 系统异构性的分析  31-32
    4.3.3 计算开销和通信开销公式  32-34
  4.4 实例分析  34-37
    4.4.1 实验环境  34
    4.4.2 实验算法描述  34-36
    4.4.3 实验数据  36-37
  4.5 小结  37-38
第五章分布式计算可扩展性研究  38-43
  5.1 引言  38
  5.2 传统的等并行开销计算比模型  38-39
  5.3 改进的等并行开销计算比可扩展模型  39-40
  5.4 实例分析  40-42
  5.5 小结  42-43
第六章总结与展望  43-44
参考文献  44-47
在校期间发表的学术论文  47-48
致谢  48

基于异构Beowulf机群的并行计算模型的研究

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