Είσοδος

Συστοιχία Υπολογιστών στο πλαίσιο του Προγράμματος Τεχνομάθεια

Εκτύπωση

 

 ΣΥΣΤΟΙΧΙΕΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ
 

Μια συστοιχία υπολογιστών (computer cluster) είναι δύο ή περισσότεροι υπολογιστές (όχι αναγκαστικά ίδιου τύπου ή δυνατοτήτων) που συνδέονται μεταξύ τους (συνήθως μέσω τοπικού δικτύου ή εικονικού ιδιωτικού δικτύου) προκειμένου να εκμεταλλευθούμε την δυνατότητα παράλληλης επεξεργα- σίας που αυτοί παρέχουν. Σήμερα υπάρχουν αρκετά διαφο- ρετικά είδη συστοιχιών, κάθε ένα από τα οποία προσφέρει διαφορετικά πλεονεκτήματα στους χρήστες του. Τα είδη αυτά είναι τα ακόλουθα:

 

cluster

 

Συστοιχίες Υψηλής Διαθεσιμότητας (High Availability Clusters): Οι συστοιχίες αυτές έχουν σχεδιαστεί για να προσφέρουν συνεχή πρόσβαση σε εφαρμογές παροχής υπηρεσιών. Διατηρούν επιπλέον κόμβους που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν εφεδρικά συστήματα στην περίπτωση αστοχίας των κύριων κόμβων. Ο ελάχιστος αριθμός κόμβων σε μία τέτοια συστοιχία είναι δύο (ένας κύριος και ένας εφεδρικός), παρόλο που η συντριπτική πλειοψηφία χρησιμοποιεί περισσότερους κόμβους.

Συστοιχίες Εξισορρόπησης Φορτίου (Load Balancing Clusters): Οι συστοιχίες αυτού του τύπου, προσπαθούν να εξισορροπήσουν το φόρτο εργασίας μεταξύ των ενεργών κόμβων. Για το σκοπό αυτό μεταφέρουν διεργασίες από τον ένα κόμβο στον άλλο, ανάλογα με τον φόρτο που έχει το κάθε σύστημα. Οι συστοιχίες εξισορρόπησης φορτίου είναι ιδιαίτερα χρήσιμες σε αυτούς που δουλεύουν με περιορισμένο προϋπολογισμό, γιατί φροντίζουν για την όσο το δυνατό αποδοτικότερη εκμετάλλευση του υπάρχοντος εξοπλισμού.

Συστοιχίες Υψηλής Απόδοσης (High Performance Clusters): Οι συστοιχίες υψηλής απόδοσης σχεδιάστηκαν για να εκμεταλλευτούν την επεξεργαστική ισχύ πολλαπλών κόμβων. Χρησιμοποιούνται συνήθως σε εφαρμογές στις οποίες οι κόμβοι χρειάζεται να επικοινωνούν μεταξύ τους κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους, όταν π.χ. τα αποτελέσματα των υπολογισμών ενός κόμβου χρησιμοποιούνται από κάποιον άλλο.

 

ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ

Μείωση Κόστους: Η τιμή των προσωπικών υπολογιστών έχει μειωθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια, και η μείωση αυτή συνοδεύεται από εκρηκτική αύξηση των επιδόσεων και της υπολογιστικής ισχύος τους. Ένα σημερινό μεσαίων δυνατοτήτων επιτραπέζιο σύστημα είναι πολλές φορές ισχυρότερο από τους πρώτους μεγάλους υπολογιστές.

Υπολογιστική Ισχύς: Η συνδυασμένη υπολογιστική ισχύς μιας συστοιχίας υψηλής απόδοσης μπορεί σε πολλές περιπτώσεις να αποδειχθεί αποτελεσματικότερη (σε σχέση με το κόστος) από αυτήν ενός μεγάλου υπολογιστή παρόμοιων δυνατοτήτων. Με τον τρόπο αυτό η επιχείρηση αξιοποιεί καλύτερα τον εξοπλισμό της.

Επεκτασιμότητα: Το σημαντικότερο πλεονέκτημα των συστοιχιών υπολογιστών είναι οι δυνατότητες επέκτασης που προσφέρουν. Ενώ οι μεγάλοι υπολογιστές έχουν συγκεκριμένη και σταθερή απόδοση, οι συστοιχίες μπορούν να επεκταθούν κατά βούληση με την απλή προσθήκη περισσότερων κόμβων στο δίκτυο.

Διαθεσιμότητα: Όταν ένας μεγάλος υπολογιστής τίθεται εκτός λειτουργίας, καταρρέει όλο το σύστημα. Αν όμως χαλάσει ένας κόμβος μιας συστοιχίας, οι λειτουργίες που εκτελούσε θα μεταφερθούν σε κάποιον άλλο κόμβο, εξασφαλίζοντας την αδιάκοπη παροχή υπηρεσιών.

 

Η ΣΥΣΤΟΙΧΙΑ ΜΑΣ

 ourcluster

Η συστοιχία που κατασκευάστηκε στο 1ο ΕΠΑΛ Αργυρούπολης ανήκει στην κατηγορία Εξισορρόπησης Φορτίου. Οι κόμβοι της συστοιχίας θεωρούνται ομότιμοι, είναι δηλαδή ίσοι μεταξύ τους και αποφασίζουν από κοινού για την κατανομή των διεργασιών στους κόμβους, έτσι ώστε τα φορτία των κόμβων να είναι περίπου ίδια. Χαρακτηριστικό είναι ότι αυτή η εξισορ- ρόπηση γίνεται χωρίς παρέμβαση του χρήστη, καθώς η συστοιχία είναι διαφανής στις διεργασίες που εκτελούνται σε αυτήν, δηλ. οι διεργασίες δεν αντιλαμβάνονται τη διαφορά όταν εκτελούνται σε κάποιον άλλο κόμβο από αυτόν που προήλθαν. Με κατάλληλα γραμμένες εφαρμογές, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν συστοιχία υψηλής απόδοσης.

 

Υλικό: Το υλικό που χρησιμοποιήθηκε για τη συστοιχία μας είναι το συνηθισμένο υλικό από το οποίο αποτελείται ένας επιτραπέζιος υπολογιστής. Για την περίοδο που δημιουργήθηκε η συστοιχία η ακόλουθη σύνθεση αποτελεί το υλικό ενός συνηθισμένου (και οικονομικού) προσωπικού υπολογιστή:

  • Επεξεργαστής Διπλού Πυρήνα στα 2.2GHz
  • Μνήμη 2GB DDR2 σε διάταξη Dual Channel
  • Σκληρός Δίσκος 320 GB, 16MB buffer, 7200 στροφές, SATA II
  • Οπτικός Δίσκος DVD R/RW LightScribe
  • Κάρτα Δικτύου Gigabit Ethernet

Κατασκευάστηκαν έξι (6) τέτοιες μονάδες συνολικού αποθηκευτικού χώρου 1,875 ΤΒ. Το υλικό του κάθε κόμβου φιλοξενήθηκε σε κουτιά τύπου Media PC έτσι ώστε να καταλαμβάνουν όσο το δυνατόν λιγότερο χώρο. Για τη διασύνδεση μεταξύ των κόμβων χρησιμοποιήθηκε ένας επιλογέας (switch) ταχύτητας 1Gbps. Η υψηλή ταχύτητα του τοπικού δικτύου κρίθηκε επιβεβλημένη ώστε οι διεργασίες και τα δεδομένα τους να μπορούν να μετακινούνται από κόμβο σε κόμβο με τη μέγιστη δυνατή ταχύτητα. Η διασύνδεση των κόμβων με τον επιλογέα έγινε με καλώδιο συστρεμμένων ζευγών (UTP) κατηγορίας 5Ε. Για τη σύνδεση των κόμβων με πληκτρολόγιο, ποντίκι και οθόνη χρησιμοποιήθηκε ένα KVM (Keyboard – Video – Mouse) Switch 8 θέσεων. Η συσκευή αυτή δίνει τη δυνατότητα σύνδεσης πολλών κεντρικών μονάδων σε ένα πληκτρολόγιο, ένα ποντίκι και μία οθόνη και να επιλογή αυτής που θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε κάθε φορά, είτε από τα ρυθμιστικά στην πρόσοψη της συσκευής, είτε με συγκεκριμένες ακολουθίες πλήκτρων από το πληκτρολόγιο. Επειδή η επεκτασιμότητα ήταν από τις βασικές παραμέτρους του έργου, το συγκεκριμένο KVM Switch μπορεί να συνδεθεί και με άλλα, ίδιου τύπου, φτάνοντας το συνολικό αριθμό υπολογιστών που μπορούν να ελεγχθούν στους 64. Τέλος, η συστοιχία συνδέεται στο τοπικό δίκτυο του Σχολείου (και μέσω αυτού στο Διαδίκτυο), με δύο τρόπους: Ενσύρματα και Ασύρματα. Η ενσύρματη σύνδεση προτιμείται όταν η συστοιχία βρίσκεται στο χώρο του εργαστηρίου (καθώς προσφέρει υψηλότερες ταχύτητες), ενώ όταν η συστοιχία έχει μετακινηθεί σε χώρο χωρίς δικτυακή εγκατάσταση (π.χ. στο αμφιθέατρο για κάποια παρουσίαση) η ασύρματη σύνδεση μας επιτρέπει να διατηρούμε την επικοινωνία. Και με τους δύο τρόπους είναι δυνατή η σύνδεση και άλλων κόμβων, π.χ. υπολογιστών από τα εργαστήρια, που μπορούν να αυξήσουν την διαθέσιμη υπολογιστική ισχύ.

 diagramm

Το Λογισμικό: Η συστοιχία βασίζεται εξ΄ ολοκλήρου σε λογισμικό ανοιχτού κώδικα (open source), και για το λειτουργικό σύστημα, αλλά και για τα προγράμματα εφαρμογών. Λέγοντας λογισμικό ανοιχτού κώδικα εννοούμε προγράμματα που όχι μόνο διατίθενται για δωρεάν χρήση, αλλά που ο πηγαίος τους κώδικας είναι διαθέσιμος σε οποιονδήποτε για τροποποιήσεις και βελτιώσεις.

Για το Λειτουργικό Σύστημα επιλέχθηκε μία διανομή του Linux (Debian) που εγκαταστάθηκε στον δίσκο ενός από τους υπολογιστές της συστοιχίας. Στον πυρήνα αυτής της διανομής αυτή εγκαταστήσαμε το λογισμικό OpenMosix που είναι υπεύθυνο για την ανίχνευση των κόμβων της συστοιχίας, την μεταγωγή των διεργασιών μεταξύ των κόμβων και γενικά για την εξισορρόπηση του φορτίου της συστοιχίας. Μέσα στο πακέτο περιλαμβάνονται εργαλεία για τον έλεγχο της συστοιχίας, την παρουσίαση του φορτίου του κάθε κόμβου και της συστοιχίας συνολικά και την γραφική απεικόνιση της μετανάστευσης των διεργασιών στους κόμβους. Για τους υπόλοιπους κόμβους επιλέχθηκε η λύση της εκκίνησής τους από ένα Live CD, αφήνοντας έτσι το χώρο στο σκληρό δίσκους ελεύθερο για αποθήκευση αρχείων, εγκατάσταση και πειραματισμό με άλλες διανομές του Linux, ή με άλλα λειτουργικά συστήματα. Τα Live CD μπορούν να φορτώσουν λειτουργικό σύστημα σε έναν υπολογιστή χρησιμοποιώντας εξ’ ολοκλήρου το CD και τη μνήμη, χωρίς να γράψουν αρχεία στο σκληρό δίσκο.

Πέρα από τη μεγάλη ποικιλία εργαλείων που διέθετε η διανομή μας, (αναπαραγωγή αρχείων πολυμέσων, επιστημονικές εφαρμογές, γλώσσες προγραμματισμού κ.α.) κρίθηκε απαραίτητη η εγκατάσταση της σουίτας εφαρμογών γραφείου OpenOffice, που αποτελεί μία πλήρη συλλογή εφαρμογών γραφείου. Μεγάλο πλεονέκτημα της είναι ότι προσφέρει εξαιρετική συμβατότητα με τα αρχεία του Microsoft Office, καθιστώντας έτσι εύκολη τη μεταφορά αρχείων από ένα σύστημα σε άλλο.

Για την πλοήγηση στο Internet εγκαταστάθηκε ο Mozilla Firefox, ένας από τους πλέον σύγχρονους και ασφαλείς φυλλομετρητές (browsers) για τον Παγκόσμιο Ιστό, με δυνατότητες εκτέλεσης αρχείων flash, διαχειριστή λήψης αρχείων (download manager), δυνατότητα αποκλεισμού αναδυόμενων παραθύρων (pop up blocker) κ.α. Στην επόμενη εικόνα φαινεται το πρόγραμμα εποπτείας της συστοιχίας, όταν σε αυτήν συνδέσαμε ολους τους υπολογιστές του Εργαστηρίου Πληροφορικής.

openmosixview1 

 

ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ - ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ

Η συστοιχία είναι κατά βάση μία συστοιχία εξισορρόπησης φορτίου. Αυτό σημαίνει ότι κάθε φορά που ξεκινά μία νέα εφαρμογή να εκτελείται, το σύστημα μετακινεί διεργασίες μεταξύ των κόμβων της συστοιχίας έτσι ώστε το φορτίο των κόμβων να είναι περίπου το ίδιο. Η διαδικασία αυτή γίνεται αυτόματα και χωρίς παρέμβαση του χρήστη, ενώ ούτε οι διεργασίες καταλαβαίνουν τη διαφορά, αφού η συστοιχία είναι διαφανής σε αυτές. Ωστόσο η συστοιχία μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για την ταχύτερη εκτέλεση προγραμμάτων (και κυρίως αυτών που αφορούν αριθμητικούς υπολογισμούς), αρκεί το πρόγραμμα να μπορεί να χωριστεί σε τμήματα που να εκτελούνται ταυτόχρονα, λειτουργώντας έτσι σαν μια συστοιχία υψηλής απόδοσης. Η επόμενη εικόνα δείχνει τη μετακίνηση διεργασιών ανάμεσα στους κόμβους της συστοιχίας προκειμένου να εξισσοροπηθεί το φορτίο.

 openmosixview2

 

Ένας τέτοιος αλγόριθμος που υπολογίζει την τιμή του π είναι και ο αλγόριθμος των James Gregory (1638-1675) και Gottfried Leibniz (1646-1716), που υπολογίζει την τιμή του π σαν άθροισμα άπειρων όρων σειράς με γενικό τύπο:

pi 

Ο ακόλουθος πίνακας δίνει το άθροισμα της σειράς για το πλήθος όρων που αναφέρονται στην πρώτη στήλη:

 

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Τα αποτελέσματα ήταν πράγματι εντυπωσιακά. Στον πίνακα που ακολουθεί φαίνονται οι χρόνοι εκτέλεσης για το άθροισμα 2.000.000.000 όρων της σειράς, με σκοπό να επιτευχθεί ακρίβεια 9 δεκαδικών ψηφίων.

 

Πλήθος Κόμβων

Πλήθος CPU

Αριθμός Διεργασιών

Χρόνος Εκτέλεσης

1

2

1

00:10:31 (631 sec)

6

12

12

00:01:01 (061 sec)

Βλέπουμε δηλαδή ότι ο ένας υπολογιστής μόνος του χρειάστηκε περίπου 10πλάσιο χρόνο για να ολοκληρώσει τους υπολογισμούς. Οι χρόνοι αυτοί βέβαια μπορεί να μεταβάλλονται ανάλογα με το φόρτο της συστοιχίας.

results

 

ΤΑΥΤΟΤΗΤΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ

 

epan 

ΜΕΤΡΟ 4.4: Ευαισθητοποίηση του κοινού στις νέες τεχνολογίες. Υποστήριξη και διαμόρφωση Ε&T πολιτικής. Διαχείριση Ε&T πληροφοριών.

Δράση 4.4.3: Πρόγραμμα ΤΕΧΝΟΜΑΘΕΙΑ

Πράξη 4.4.3.2: ΤΕΧΝΟΜΑΘΕΙΑ V - Πρόγραμμα για τη γνωριμία και την ενασχόληση των μαθητών της Δευτεροβάθμιας Εκπαίδευσης με της νέες τεχνολογίες και τον Τεχνολογικό Πολιτισμό

logo 

 

ΟΜΑΔΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ

Οι Μαθητές
Διαφωνίδου Μαρία-Γεωργία, Γαρίνης Γρηγόριος, Κουτσούλα Γεωργία, Λένα Ορέστης,
Μπάρκας Γεώργιος, Ρούπος Γεώργιος, Φραγκάκης Παναγιώτης, Χριστόφορος Ευθύμιος

Ο Συνεργαζόμενος Καθηγητής
Καλούτσης Δημήτριος

Ο Υπεύθυνος του Έργου
Βασιλάκης Βασίλειος

Αναστάσεως 19, 16452,
Αργυρούπολη
Τηλ : 210-9635236, Fax : 210-9635959
e-mail : Αυτή η διεύθυνση ηλεκτρονικού ταχυδρομείου προστατεύεται από τους αυτοματισμούς αποστολέων ανεπιθύμητων μηνυμάτων. Χρειάζεται να ενεργοποιήσετε τη JavaScript για να μπορέσετε να τη δείτε.

Copyright © 2014, Βασιλάκης Βασίλειος, Κοζομπόλη Χρυσάνθη, Τζανάκης Δημήτριος
Επιμέλεια Δημοσιεύσεων: Αρφάνης Παναγιώτης, Βασιλάκης Βασίλειος

Μοιραστείτε την Ιστοσελίδα μας

FacebookTwitterGoogle BookmarksLinkedinRSS Feed
Σημερινοί επισκέπτες114
Συνδεδεμένοι Χρήστες 0
Guests 16
 

Template © FreeTemplateSpot - All rights reserved.