并行系统高效多通道通信技术的研究

论文摘要

自90年代以来,并行计算得以空前的飞速发展,并行系统的体系结构趋于成熟,数据传输网络的标准化和传输速率的大幅提升,为研制并行系统创造了有利条件。集群系统近些年逐渐成为并行计算实现载体的主流。随着计算结点性能的不断提高,集群系统的通信系统已成为影响并行计算性能的一个重要因素。为了满足集群对性能、可靠性和可维护性等的要求,就要提高通信系统的性能。但是新型高速网络通常价格昂贵,而传统的低效网络因不能满足高性能通信需要而得不到有效利用,有必要引入并行的思想将已有的通信资源充分利用起来。多通道通信技术就是利用多条网络通信链路进行通信,提高集群系统的通信性能和可靠性。本文是辽宁省科学技术基金博士启动项目:并行系统高性能多通道通信技术的研究（20051058）的重要组成部分,围绕着并行系统的通信系统展开研究工作,主要内容包括:1.分析了通信系统的主要构成和当今用于集群系统流行的通信硬件。同时介绍了并行计算编程工具MPI的基本理论,阐述了通信系统对于并行计算的重要性。2.根据MPICH-1.2.5和Linux-2.4.32内核代码具体分析了MPICH整个通信过程的三个层次:应用层、内核层、网络设备层。从MPICH的收发函数开始,到内核中的套接字和TCP协议的实现过程,最后到网络设备接口将数据在主机和网络之间传输。并从三个方面阐述了通信系统对并行计算性能提高的重要性,同时给出了提高通信性能的途径。3.在现有的实验环境基础上,本文提出了基于bonding技术的优化最轻负载选择法（optimization lightest load selection arithmetic）。此算法可根据网卡当前的负载状态,建立网卡负载索引,缩短查找最轻负载网卡的时间,实现了动态选择通信通道,整个系统的性能得到了优化。最后使用MPBench测试工具对广播通信、带宽和回路延迟进行了测试,结果证明本文算法与单通道通信和原bonding技术相比,三方面性能都有所提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的背景和现实意义
• 1.2 国内外研究与发展现状
• 1.3 本文主要工作
• 第二章 并行计算通信系统
• 2.1 并行计算通信系统
• 2.1.1 并行计算通信系统构成
• 2.1.2 当今流行的通信硬件
• 2.1.2.1 Ethernet 以太网技术
• 2.1.2.2 Myrinet 技术
• 2.1.2.3 Infiniband 技术
• 2.2 消息传递接口MPI
• 2.2.1 MPI 的定义和特点
• 2.2.2 MPI 的四种通信模式
• 2.3 通信系统对并行计算的影响
• 第三章 并行计算的通信过程分析
• 3.1 通信过程的三个层次
• 3.1.1 MPICH 层通信
• 3.1.1.1 MPICH 层的传输接口
• 3.1.1.2 MPICH 层的三种传输协议
• 3.1.2 BSD socket 和TCP 层通信
• 3.1.2.1 套接字
• 3.1.2.2 套接字的建立
• 3.1.2.3 套接字的发送
• 3.1.2.4 套接字的接收
• 3.1.3 网络接口层通信
• 3.1.3.1 初始化网络设备
• 3.1.3.2 发送数据
• 3.1.3.3 接收数据
• 3.2 影响并行通信的主要因素
• 3.2.1 系统因素
• 3.2.2 应用需求
• 3.2.3 通信系统的限制
• 3.3 提高通信的主要途径
• 3.3.1 开发新型高速网络硬件
• 3.3.2 提高通信软件性能
• 3.3.3 多通道通信技术
• 第四章 多通道通信的优化最轻负载选择法
• 4.1 多通道通信的调度机制
• 4.1.1 调度机制
• 4.1.2 bonding 技术的调度算法
• 4.2 优化最轻负载选择法
• 4.2.1 优化最轻负载选择法的基本思想
• 4.2.2 优化最轻负载选择法的实现
• 4.2.2.1 初始化过程
• 4.2.2.2 发送数据的实现
• 4.2.2.3 接收数据的实现
• 4.2.2.4 监控机制
• 4.3 性能测试与分析
• 4.3.1 环境配置
• 4.3.2 测试流程
• 4.3.3 性能比较与分析
• 第五章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表论文和参与的科研项目