Введение к работе
г
Актуальность" тем ы. В программе информатизации России решающая роль отводится построению глобальной информационно-вычислительной системы. Реализация вышеназванной программы обуславливает необходимость широкого использования средств вычислительной техники высокой производительности с целью решения научных и технических задач, необходимых для дальнейшего развития Российской Федерации.
Современный этап развития средств вычислительной техники высокой производительности характеризуется интенсивным использованием принципа параллельной обработки информации. Концепция развития систем параллельной обработки информации неразрывно связана с концепцией модели коллектива вычислителей, предложенной и развиваемой Э.В. Евреиновым. Проблема повсеместного внедрения и использования систем параллельной обработки информации в условиях высоких цен сложца и требует рассмотрения целого комплекса проблем, одной из которых является задача коллективного использования вычислительных ресурсов. В полной мере эта задача может быть решена только путем построения интеллектуальной распределенной информационно-вычислительной системы (ИРИС).
Совместное функционирование интегральных сетей связи и вычислительных средств высокой производительности (ВСВП) в ИРИС обеспечивает возможность реализации вычислительной услуги, которая позволит пользователю ИРИС потреблять в любом месте необходимый ему вычислительный ресурс.
Решение задачи реализации вычислительной услуги в ИРИС тесно связано с задачами оптимального планирования и управления вычислениями, быстрого приема запроса на вычислительную услугу, оптимального (с точки зрения стоимости и скорости) размещения и выполнения алгоритма и выдачи результата вычислений.
Реализация вычислительной услуги укрупненно включает в себя два этапа: этап планирования и этап реализации. На этапе планирования, в соответствии с полученными от пользователя данными, устанавливается взаимосвязь между структурой логических схем параллельных алгоритмов и топологией однородной вычислительной системы (ОВС) с целью последующего отображения логических схем и настройки вычислительной структуры на решение данного алгоритма. На этапе реализации осуществляется выполнение алгоритма и выдача результатов счета пользователю.
Наличие большого количества пользователей предполагает необходимость одновременной реализации большого числа алгоритмов в двухуровневой распределенной вычислительной системе (РВС), отличающейся тем, что ее элементами являются сосредоточенные
/Лз
однороднее вычислительные системы. Обмен информацией мажду отдельными ОВС осуществляется через существующую сеть .связи. Таким образом, возникает проблема оптимального отображения нескольких логических схем алгоритмов как в отдельную ОВС, так и в распределенную вычислительную систему (РВС).
Данная работа выполнена в рамках комплексных исследований, проводимых в области создания ИРИС на базе транспьютерной технологии в отделении "Инфраструктура информатизации и распределенная обработка информации" Международной академии информатизации.
Целью д и с сер т а ц и и является исследование и разработка программно-аппаратных средств для реализации вычислительных услуг в ИРИС.
В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:
анализ и исследование существующих вычислительных средств высокой производительности и обоснование выбора транспьютерных сетей, как элемента распределенной вычислительной системы (РВС);
разработка математической модели распределенной вычислительной системы, элементом которой является однородная вычислительная структура, построенная на базе транспьютеров;
разработка процедуры оптимального отображения потока логических схем алгоритмов в ОВС;
разработка процедуры оптимального отображения потока логических схем алгоритмов в РВС, расчет производительности РВС в реальном масштабе времени для решения задачи размещения потока логических схем параллельных алгоритмов;
Me тоды исследования. В качестве математического аппарата используются методы теории множеств, теории графов, теории трупп*, теории алгоритмов, а также методы линейного программирования.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
1. Предложена концептуальная модель распределенной вычислительной системы, построенная на основе объединения совокупности однородных вычислительных сист' і и сети связи, обеспечивающая отображение потока логических схем алгоритмов в реадьном масштабе времени. На основе анализа сущетвующих вычислительных средств высокой производительности в качестве элемента РВС предложено использовать транспьютерные сети, позволяющие получить максималь-
ную производительность по сравнению с другими вычислительными средствами высокой производительности. На базе предложенной концептуальной модели разработана математическая модель распределенной вычислительной системы, учитывающая уровни иерархии предоставления вычислительного ресурса при размещении случайного потока параллельных алгоритмов.
2. Разработана процедура оптимального отображения потока
логических схем параллельных алгоритмов в распределенную вычис
лительную систему, отличающаяся двумя уровнями оптимизации. Оп
тимизация на уровне однородной вычислительной системы и оптими
зация на уровне распределенной вычислительной системы. Научная
новизна разработанной процедуры состоит в следующем:
найдены критерии оптимального отображения потока логических схем параллельных алгоритмов в распределенную вычислительную систему;
найдены критерии оптимального отображения потока логических схем параллельных алгоритмов в однородную вычислительную систему;
- разработаны процедуры модификации логических схем параллельных алгоритмов для размещения их на распределенной вычислительной системе;
- предложен способ расчета производительности распределен
ной вычислительной системы.
3. Предложено формальное описание ОВС с эквисторной топо
логией, отличающееся представлением эквисторной ОВС в виде сово
купности евклидовых решеток, на основе которого разработана проце
дура оптимального отображения потока логических схем параллель
ных алгоритмов в ОВС с эквисторной топологией.
4. Разработана алгоритмическая реализация метода оптимального размещения потока логических схем параллельных алгоритмов на распределенную вычислительную систему, отличающаяся двумя уровнями оптимизации и обработкой в реальном масштабе времени .
Личный вклад автора. Все основные результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично.
Практическая ценность работы.
Разработанные в диссертационной работе методы позволяют размещать поток логических схем параллельных алгоритмов в однородные вычислительные системы и распределенную вычислительную систему при предоставлении пользователю вычислительной услуги, уменьшить количество простаивающих элементов ОВС в динамическом процессе предоставления абоненту вычислительных средств до 15% по сравнению со случайным размещением, оптимизировать передачу информации по каналам связи с точки зрения затрат на аренду
/л»
до 20%.
Разработанный в диссертации алгоритм предоставления вычислительных услуг использован при построении иммитационной модели системы предоставления вычислительных услуг, где и доведен до практической реализации на ПЭВМ IBM PC486DX2.
Реализация результатов работы.
Результаты работы использованы при разработке проблемно-ориентированных программно-технических комплексов:
элемента распределенной вычислительной системы, построенной на основе ИРИС, который представляет собой транспьютерный ускоритель с эквисторными связями;
программного комплекса, обеспечивающего предоставление пользователю вычислительной услуги.
Теоретические и практические результаты диссертации отражены в двух научно-исследовательских отчетах.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на XLV Всесоюзной научной сессии, посвященной дню радио (Москва, 1990г.), Всесоюзном научно-техническом совещании-семинаре "Микропроцессорные системы управления технологическими процессами в ГТІС " (Одесса, 1990г.), Всесоюзном научно-техническом семинаре " Районные распределенные вычислительные системы" (Москва 1990г.), V Всесоюзной научно-технической конференции " Однородные вычислительные системы, структуры и среды" (Москва 1991г.), Всесоюзной научно-технической конференции " Распределенные вычислительные системы и сети " (Смоленск, 1991г.), Международных форумах информатизации (Москва, 1992, 1993гг), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского и инженерно-технического состава МТУСИ (Москва, 1990, 1991, 1992гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Реализация метода размещения потока параллельных алгоритмов Й двухуровневую распределенную вычислительную систему позволяет решить Проблему коллективного использования вычислительных средств высокой производительности.
-
Метод оптимального отображения потока логических схем параллельных алгоритмов в ОВС с эквисторнои топологией позволяет уменьшить количество простаивающих элементов ОВС в среднем на 20% по сравнению со случайным размещением.
-
Метод оптимального отображения потока логических схем параллельных алгоритмов в двухуровневую распределенную вычисли-
ла?
тельную систему, включающий в себя анализ РВС на предмет возможности выполнения заданного алгоритма и метод оптимального размещения логической схемы параллельного алгоритма на РВС, позволяет обеспечить экономию вычислительных ресурсов в среднем на 15% за счет оптимизации на двух уровнях: при размещении на однородной вычислительной системе и при размещении на распределенной вычислительной системе.
4. Программа управления размещением потока параллельных алгоритмов в двухуровневую распределенную вычислительную систему, включающая в себя подпрограмму оптимального размещения потока логических схем параллельных алгоритмов на однородную вычислительную систему и подпрограмму размещения потока логических схем параллельных алгоритмов на распределенную вычислительную систему, позволяет разместить и обеспечить выполнение алгоритмов пользователя в двухуровневой РВС с эффективностью на 15% больше, чем при случайном размещении.