机群计算多通道通信技术研究与设计

讨论了提高机群系统通信性能的主要途径，详细分析了多通道通信技术的提出背景和相关技术，并提出了支持多路Myrinet网络并行通信的多通道通信技术设计方案MNC。     

基于Myrinet上MPICH-2的实现

在当前并行计算环境中的通信网络中,MPICH-1并行系统可以使用Internet和Myrinet千兆位包交换网络,而MPICH-2并行系统只能使用Internet,由于通信时间的限制而影响了整个系统性能.对MPICH-1和MPICH-2中的作业提交模式进行了研究,给出了一种在MPICH-2中使用Myrinet网络来提交作业的应用,从而达到减少了通信时间的目的.     

软件定义机动通信网络仿真系统研究

针对现有仿真系统无法支持基于软件定义的机动通信网络仿真需求,基于Mininet-wifi仿真平台提出一种机动通信网络仿真系统。该系统对Mininet-wifi的节点移动性模型和无线链路状态模块进行扩展,兼顾了干扰与障碍对链路状态的动态影响,提升了机动通信网络仿真的真实性,同时支持GPS定位、导航等机动通信场景特定需求,构建完善的机动通信网络仿真系统。最后,通过实验对该仿真系统的功能和性能进行了验证。     

多级互连网络中的multicast通信

ＭＰＰ系统中的并行通信是目前并行处理研究的热点，改善并行通信性能，提高网络吞吐率是促进ＭＰＰ性能发挥的关键问题。ｍｕｌｔｉｃａｓｔ通信是区别于点到点通信的一对多通信方式，因而功能更强大，使用起来更灵活方便，在并行处理中应用十分广泛。文中以基于开关元件实现结点间动态互连的多级互连网络为背景，研究了ｍｕｌｔｉｃａｓｔ通信路上算法的效率。     

支持共享存储的千兆机群网络的实现

在共享虚拟存储机群系统中,互连网络已经成为提高并行性能的瓶颈.本文设计并实现了一种机群互连网络—FRAMP,它不但提供高性能的消息传递,而且对共享虚拟存储提供一些低层硬件支持,包括基于虚地址的RDMA读写操作和TLB自动更新.设计了一种定制的用户级通信协议,大幅度降低系统和协议开销.设计并实现了基于输入缓冲输出分布式调度的交叉开关的原型交换机和支持四种数据传输方式的网络接口,改进了虫洞交换并在一个时钟周期内完成带初始值的轮循调度.测试表明,FRAMP网络在各个层次获得良好的性能,带宽利用率在同类系统中最高,应用程序并行性能与与Myrinet和SCI相当,在某些情况下比它们更好.     

机群系统LogP通信模型的测试与分析

本文形式化描述并发展了通信Microbenchmark技术，并在这种技术的基础上，比较系统地测试了机群系统上四种并行通信系统－－GM－API、基于100M以太网的MPICH，基于Myrinet网络的MPICH和GM－MPI－－的表征通信性能的LogP参数，并通过比较，得出四种并行通信系统特点优劣关系，最后，给出了各个通信系统对不同的并行应用的适用情况。     

k-元n-立方体网络局部通信模式下的性能模型

大规模并行计算机互连网络的设计对并行应用程序的执行效率有重要影响,k-元n-立方体是广泛使用的拓扑结构.局部通信是并行应用的主要通信模式之一,研究局部通信模式下互连网络的性能有重要意义,已有分析模型缺乏对这方面的充分研究.引入局部通信率和局部通信区域半径组成的二元参数,刻画k-元n-立方体网络节点间通信的空间局部性.利...     

高可用性工业以太网技术的研究与实现

针对现场总线控制系统对高可靠性和稳定性的要求会限制工业以太网的应用问题,在原有网络的基础上添加一个并行的冗余链路,以增强通信的可用性,减小通信链路故障对系统运行的影响。结合EPA通信协议栈,设计并行网络冗余解决方案,包括协议栈结构、帧结构和通信过程。给出该方案的性能分析。     

基于动态主动负载平衡的冗余服务容错算法

随着计算机网络和通信技术的发展，分布计算逐渐成为计算技术的主流。当前，大规模事务处理、分布实时以及关键抗毁等应用的发展对分布式系统的可用性和性能两方面都提出了很高的要求。在这些应用的驱动下，越来越多的分布式系统采用冗余服务技术来提高可用性和性能。冗余服务一方面通过增加数据和计算的冗余，提高了系统的可用性，达到容错要求；另一方面，多个冗余服务器并行响应客户的请求，提高了系统性能。冗余服务以空间资源的开销换取系统高可用性和高性能。     

HDRA:一种基于历史寻径信息的分布式路由算法

直接互连网络已成为构建大规模并行系统的主流网络互连体系结构，路由算法对互连网络的通信性能和并行系统性能的发挥起着重要作用。针对静态互连网络，提出一种新的基于路由表查找技术的分布式路由算法HDRA，该算法有效地利用历史寻径信息，加快路由寻径速度，提高网络传输性能，而且算法设计简单，易于硬件实现。     

一种基于ATM的支持并行处理的高速通信机制

随着高速网络（如ＡＴＭ）的发展以及工作站性能的不断提高，工作站网络（ＮＯＷ）作为一种新型的并行计算结构越来越受到人们的重视。传统的传输协议和报文传递系统不能充分作为高速网的传输能力。本文提出一种基于ＡＴＭ的支持并行处理的高速通信机制ＨＰＭＰＡ。在ＨＰＭＰＡ中，可靠的端－端传输协议ＨＳＴＰ为并行应用提供高速可靠的数据传输，而不可靠的端－端传输协议ＵＴＰ则提供不可靠的高速数据报服务，以混合树结构为基础     

基于并行容错网的对等服务器集群的设计与实现

为了提高服务器系统的可靠性、可用性和性能,并改变目前非对称式服务器集群资源利用率低的状况,我们提出了一种新的服务器集群实现方案一基于并行容错网的对等服务器集群。在服务器集群的实现中,我们采用了软件集群的方法,设计实现了服务器集群管理层和并行容错通信层。     

单套网络与多套网络通信性能的比较与分析

目前,以单套网络作为通信系统的机群广泛应用于科学计算中,为了进一步提高机群计算处理能力,引入了多套网络作为机群通信系统。多套网络能够明显地提高机群的通信性能,但是怀疑其应用性能是否也有相应的提高。为了解决疑问,在GM通信系统的基础上实现了双套网络的通信系统(PCS),并全面而又具体地对GM和PCS进行性能比较,实验数据表明:在通信性能方面,PCS的带宽比GM提高了98.4%,而延迟只增加了0.3!s￣0.5!s;在应用性能方面,对于通信量比较大、大消息比较频繁的应用程序,PCS能够取得很好的性能提高,如IS程序,执行时间减少了25.3%,而对于小消息通信比较频繁的应用程序,性能会略有下降,如LU程序,执行时间增加了0.4%。     

基于智能网卡支持的并行通信协议

网络通信系统是机群的一个重要组成部分，也是影响机群整机处理效率的关键因素．随着单个结点计算能力的增强，网络通信能力也需要相应地提高．一种提高网络通信能力的方法是引入多个网卡同时进行消息发送，即并行通信．通常，并行通信是基于RMA机制实现的，对于小于17KB的消息，由于RMA机制的握手过程使得并行通信性能的提高很有限．提出了基于智能网卡支持的并行通信协议．该协议将消息重组所需的握手过程下移到网卡上实现，从而减少了握手开销，扩展了并行通信的范围．实验数据表明，与基于RMA机制的并行协议相比，该协议提高了3KB-17KB消息段的通信性能；对应用程序，如FT程序，该协议将其执行时间减少了9．4％，而基于RMA机制的并行协议只减少了7．8％．最后分析了限制并行通信性能提高的主要因素．     

VIP: 集群环境下面向高可靠和高性能的通信

即使网络的速度在提高，用户对网络带宽的需求和当前网络仍然存在着差距，特别是考虑到网络设备价格的因素，在机群中也存在同样的问题．一种经济地获得高速的网络带宽的方法是链路聚集。然而，数据链路集聚的方法，特别是端口集聚，有一些缺点．为了克服这些缺点，VIP技术被提出来．它向用户提供高性能的，高可靠的通信，VIP作为一个内核模块在Linux下实现。实验数据表明VIP的带宽在所有的通信模式下都要比端口集聚的带宽要高．     

Sockvia——机群环境中的高效socket

随着机群研究的蓬勃发展和高性能网络的出现,机群通信系统的性能得到了大幅度地提升,该文针对普通的网络应用程序高效地移植到机群高性能通信系统之中的问题展开研究,提出了机群环境中的高效socket——sockvia。sockvia利用核心级的VIA作为底层的支持协议,在操作系统核心中提供了与基于TCP/IP的socket完全兼容的socket编程界面和运行环境,使得网络应用程序无需修改源码和重新编译连接,可透明地移植到机群高性能通信系统之中,同时sockvia还表现出理想的通信性能,经过标准的netperf测试,sockvia在AMD64位平台上最低延迟为9.71usec,最高带宽可达1974.85Mbit/sec。     

高性能计算机系统接口通信机制的研究

高性能并行计算机技术是当今关键技术之一,由清华大学计算机系设计的高性能网络并行超级计算系统THNPSC－1在设计接口时,通过一个表对通信缓冲区进行维护,这样可以直接将数据从应用空间输入／输出到网络,从而支持真正意义上的0拷贝通信协议。通过提供用户层网络访问接口,通信与计算重叠等手段,该接口取得了很高的通信性能。其中实际测量的应用程序之间16字节信息的传递延迟不到7us,最大持续通信带宽可达30MBytes/s。     

大规模结构有限元分析程序在多核集群计算环境中的性能分析和优化

通过对基于MPI编程模型实现的开源有限元计算分析软件在多核集群计算平台中的程序性能的分析,找出程序瓶颈及其原因,实现了基于MPI编程模型的并行程序在多核计算环境中的性能优化。根据程序性能瓶颈的分析,提出了基于MPI/OpenMP混合并行编程模型的大规模线性/非线性方程组求解和多线程多进程同时进行消息通信的两种程序性能优化方案。不同计算规模的实验结果表明,在多核集群计算平台中,MPI/OpenMP混合编程模型实现的大规模非线性方程组求解器相对于单纯基于MPI编程模型实现的并行程序,其性能有2倍到3倍的提升;多线程多进程同时消息传递的优化方案虽然对程序能够起到性能优化作用,但是对解决程序消息通信瓶颈的问题不是最好的方法。两个方案总体性能分析结果表明,基于MPI/OpenMP混合编程模型实现的并行程序,在多核集群计算平台中能够更好地发挥硬件系统的计算能力。     

统一缓存:基于用户层通信的合作缓存技术

合作缓存机制是集群系统提高整体性能的一种有效方法，其利用高速网络将各个结点的缓存进行合作管理与访问，大幅度提高了缓存的命中率．但传统的合作缓存技术没有考虑到广为应用的高效用户层通信机制的特点．提出一种新的用户层通信与合作缓存技术相融合的缓存机制——集群统一缓存．这一机制充分利用了用户层通信的特点，包括协议精简、零拷贝、虚拟内存映射通信(VMMC)技术等，将缓存与结点通信相融合，减少了集群系统应用程序IO模块的层次与复杂度，提高了系统性能．同时这一机制也顺应了IO子系统日益独立化的发展趋势．该技术已经应用于自行开发的面向对象的Internet服务存储平台——TODS上，具有高效、扩展性好与软件设计简单等特点．