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1、第!卷第#期西安工程学院学报$%&!(%#!)*年*!月+,-.(/0,1 234/(5(63(55.3(6-(3$5.7389:;#）摘要 详细讨论了微机网络并行计算（集群系统）的模式（包括抽象模型和物理模型）、网络分层协议和协议。着重研究了基于消息传递接口的并行计算环境。使用语言编写了并行测试程序，并分析了测试结果。利用微机来架构并行计算环境，有较高的性能价格优势和较大的可扩展性，使微机解决大运算量问题成为可能。关键词 并行机；集群；并行计算中图分类号?*A文献标识码/文章编号*)=B AA（!)*）)#B)*B)作者简介 杨正华（*A=B），男，副教授，博士研究生，现从事地球物理勘探的教
2、学与科研工作。微机网络并行计算系统（也称为集群系统）是利用高速通信网络将一组高性能的?C 机连接起来，在并行程序和集成开发环境支持下统一调度、协调处理以实现高效并行的系统。集群系统中的计算机和网络可以是同种结构的，也可以是异种结构的，利用消息传递方式实现各个计算机之间的通信。发挥多台?C 机的协同作用，实现?C 机对大计算量资料的处理，可以大大缩短计算时间。微机网络并行计算系统的出现和应用得益于计算机技术、网络技术和并行编程环境的快速发展。首先、超大规模集成电路的发展，使微处理机的性能不断提高，计算机价格不断降低，从而使直接采用?C 机作为节点机的微机集群系统具有高的性能价格比。其次，网络技术
3、的进步使集群系统的通信瓶颈得到缓解。并行编程环境的开发使用户编写并行程序或改写串行程序更加容易。微机网络并行计算系统（集群系统）同传统的并行处理系统相比有以下几个特点：（*）并行计算系统的开发周期短：由于采用商用的?C 机，使得节点机和系统的管理相对容易，不必重新设计节点机、操作系统和编译系统，节省了时间，同时构成的系统可靠性较高。（!）系统的扩展性好：集群系统采用通用网络，收稿日期!)*B)B!D系统扩展容易。（）节约系统资源：微机网络并行计算系统可以将不同性能的计算机连接在一起，结构灵活，充分利用现有设备。因此集群系统的资源利用率比单机系统高得多。（#）投资风险小：微机网络并行计算系统总体
4、看是一个并行计算环境，但是它的每一个节点又是一个独立的微机。同时性能较低的机器也可以在集群系统中发挥作用。（）用户编程方便：在微机网络并行计算系统中，程序的并行化只是在原有的 C、C E E 和 1%FGFHI的语言中加入相应的通信原语。（）较高的性能价格比：由几台或几十台高档微机组成的集群系统就可以满足相当广泛的应用要求。而且价格较低，具有较高的性能价格比。笔者在现阶段比较流行的 0JIKL 操作系统下成功地搭建了集群的硬件和软件环境。同时利用绑定M?3 原语言的 C 语言编写的程序对集群系统进行了测试。初步形成了一个集群并行计算环境。*并行计算系统搭建测试与讨论!硬件环境并行计算环境的硬件
5、包括二个节点：节点/和节点 N。节点/和节点 N 利用集线器相连接（图*）。万方数据图!并行计算环境的硬件架构节点!和节点 采用相同的计算机，表#描述了两个节点的计算机性能配置。表!二个节点计算机的性能指标项目节点!节点$%&主频()*+,+-,内存(././外存 0.1%$2 总线速度()*.网络集线器的最大带宽是#,()*。二个节点的之间的连线是采用#,()*的网线，网线两端均使用 34/-头。节点!和节点 的网卡均采用#,(带宽。节点!的网卡以 25!接口方式与总线相连，节点 以%$2 的接口方式相连。!6软件环境软件环境包括用户的编译环境、并行计算环境和操作系统。图 7 描述了三者之间
6、的关系。并行计算环境软件和操作系统软件可以在 289:;8:9 网上免费得到。图 并行计算的软件环境#676#操作系统操作系统采用?系统。选用现阶段国际上比较流行的 3:AB?.6,版，节点!和节点 均以工作站方式安装。网络通信协议选用 C$%2%协议。#6767并行环境采用消息通信方式进行并行编程，所以并行环境采用(%2$)D#6 76,版。(%2$)由美国!;EF88:国家实验室和密西西比州立大学联合开发，(%2$)可以在很多的机器上实现(%2。在(%2$)的基础上安装了由美国 GA=F 超级计算机中心开发的!(.6/版。#676+并行编译环境在安装?、(%2$)和!(系统时，选择安装了
7、HF;9;B8 I,、$以及$J J 的编译器。三种编译器既可以编译普通的程序，又可以编译基于(%2 的并行程序。!#$求解%&(&)*方程利用求解 BKLBM:方程的并行$程序（采用(%2并行编程）对并行计算环境进行了测试。求解BKLBM:方程的并行$程序参看附录。在单处理机和多处理机分别运行测试程序。网格采用正方形剖分，剖分点数分别为#+,，#-,，7,，7-,，+,，/,，-,。计算时间和非处理时间见表 7。表 一个节点和二个节点的处理时间对比时间N!（!）O#+,6/P/,#/,6+/I,I+P+6./#-,6./P I,7,6/+.+7.P6+I7,#6#1.7,61#.-PIP76
8、II7-,767+.7/7#6-7+I,1.16#/+,76.+#.+7#6I#IP-P76.-/,/6.IP#7#+6/.1.,P+61/-,P6+.P I/-6/+I/IIP+61#根据表+生成统计图（图+）。图中横坐标表示网格数量，纵坐标为处理时间。在每一种剖分方案中，对比了程序在单处理机和二个处理机上的执行时间。很明显，由于使用二个处理机的并行计算，降低了运行时间，提高了运算速度。例如：剖分网格数量为+,个时，单处理机耗时 76.+#.+7 N，并行计算耗时#6I#IP-N，提高了 7P6+-O。图/反映了当网格剖分数量增加时，处理时间与网格剖分数量成正比。表$一个节点和二个节点的非处
9、理时间对比时间N!（!）O#+,6,7 11/,6+#,-/,6I+#-,6,7.1.,6+I1 1,P,6.P7,6,+1-.,6./1 P.+,6-I7-,6,-#P#67+-7-,6/7+,6,/IIP#6/+,#+.,6+-/,6,-/176/.#/.7,677-,6,-.I1+617.-/.,6,#/I7.西安工程学院学报第 7+卷万方数据图!单处理机和二个处理机运行时间对比图 网格剖分数量与运行时间的对比图!对比了程序在单处理机上执行和在二个处理机并行执行的情况下，程序花费在非处理时间上的差别。非处理时间包括程序进程的交换时间，进程的等待时间，以及网络的通信时间等。其中，网络的通信
10、时间占绝大份额。图#二种计算环境下的非处理时间对比从图!可以看出，在二个节点的并行计算的过程中，非处理时间比单机耗时多。单机不涉及网络通信，非处理时间主要为程序进程的交换时间和等待时间。图 对比了在微机网络并行计算的环境下，处理时间和通信时间的关系。从图 可以得出：图$并行环境下的计算时间和通信时间对比（#）在微机网络并行计算系统（集群系统）中，系统的通信时间不能忽视。（$）随着剖分网格数量的增加，网络通信的时间也相应增加。计算时间与通信时间相比优势逐渐明显。（%）要提高微机网络并行计算的效率，关键要提高网络传输速度，降低网络通信时间。$结束语（#）通过对微机网络并行计算（集群计算）基本原理的
11、研究，利用现有的计算机资源，架构了含有二个节点的并行计算环境。使用&语言及绑定的()编写了程序对其进行测试。（$）统计了计算时间。可以认为，利用微机网络的并行计算可以降低程序的执行时间。（%）微机网络并行计算（集群计算）具有较高的应用价值。该并行计算环境可以充分利用现有的计算机资源和具有极大的可扩展性。使得利用微机就可以完成以前只能由大型甚至巨型机完成的并行计算。但是制约集群计算发展的瓶颈是网络的通信速度，程序花费在网络上的时间不能忽视。因此，只有采用高速网络，使用简单的网络通信协议才能提高通信速度，降低通信时间。（*）由于笔者水平的限制和客观条件，只搭建了具有二个节点的普通集群计算环境。并对
12、微机网络并行计算（集群计算）进行了初步的探讨，不足之处有待进一步研究。参考文献#+,-./,01，23-45-678 9:,;,?7A-01 B C5:30;1D，E=:3-A5:A7=5，(=1=,?-01 8北京：电子工业出版社，#FFF8$()C7A=-,;B G0-H5=I-AD J KA=5 L,?5 MNOPQ 8 3AA：O O/8%第*期杨正华等：微机小型网络并行计算系统的搭建与讨论万方数据!#$%&()%*+%,%-.&/01.%-230&41/567（5&891/:14 71/:0838;1.0）;$/1%?&ABBC：CD E FD%D G0&/H0 I(;&41/!#;
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14、.$*+/,0#&)1)0./!().%+&,*-5I Y&.OS(3，2-5I J=;0/&0&3/$&30 9&KK%518 1.KR 8&8&08;.O#/1O/3!0 3Q&.#/1O/3!&，8&3(81/0 3.3KR&8&8&08;.O 383%=8 30 O11$108)#&/41/!3.$&0(#&/;1/;8R 3.O/&38.0;K&3;K;8R 81(;K#3/3KK&K$1!#(8;.O&.Q;/1.!&.8 1.J2，!3:;.O;8#100;K&81 1 Q308$1!#(838;1.0 1.J2%89:;J=S=.;8（_3/O$，_3/OQ）；VJ=S2
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