Использование кластерной вычислительной системы для параллельной обработки информации в системе управления надводного корабля

Ксенафонтов Антон Андреевич,

аспирант Московского государственного технического университета радиотехники, электроники и автоматики.

Введение

Несмотря на высокую производительность современных корабельных ЭВМ, существуют задачи в системе управления надводного корабля, решение которых занимает неприемлемо большое время из-за возросшего объема информации.

Основная задача состоит в проработке возможности увеличения быстродействия, производительности и эффективности комплекса средств автоматизации (КСА) перспективных надводных кораблей за счет построения кластерной системы, что позволит наиболее полно и эффективно использовать входящие в него вычислительные ресурсы.

В процессе развития комплексов средств автоматизации, то есть оснащения кораблей средствами автоматизации управления на базе вычислительной техники (ВТ), можно выделить три этапа.

1 этап – «первичная централизация» (1960 – 1967 гг.), характеризующийся наличием на корабле единственного образца с цифровой обработкой данных в условиях отсутствия вычислительной техники в других корабельных комплексах.

2 этап – «децентрализация» (1967 – 2006 гг.), характеризующийся внедрением вычислительной техники в корабельные комплексы и последовательным переносом в них различных функций боевой информационно-управляющей системы (БИУС).

Несмотря на наличие положительного эффекта от децентрализации, она носит только временный характер. С развитием информационных технологий наличие на корабле множества обособленных систем начинает оказывать сдерживающее влияние на повышение эффективности при решении кораблем задач, и уменьшение военно-экономической эффективности при создании кораблей.

Следовательно, целесообразно ставить вопрос о начале 3 этапа – «разумной централизации», этап характеризуется созданием средств различного функционального назначения как единого изделия.

Анализ актуальности проводимого исследования

Наиболее известная классификация параллельных электронных вычислительных машин (ЭВМ) предложена Флинном и отражает форму реализуемого ЭВМ параллелизма. Основными понятиями классификации являются «поток команд» и «поток данных». Под потоком команд упрощенно понимают последовательность команд одной программы. Поток данных – это последовательность данных, обрабатываемых одной программой.

Согласно этой классификации имеется четыре больших класса ЭВМ:

1.                  ОКОД (одиночный поток команд − одиночный поток данных) или SISD (Single Instruction − Single Data).

2.                  ОКМД (одиночный поток команд − множественный поток данных) или SIMD (Single Instruction – Multiple Data).

3.                  МКОД (множественный поток команд − одиночный поток данных) или MISD (Multiple Instruction − Single Data).

4.                  МКМД (множественный поток команд − множественный поток данных) или MIMD (Multiple Instruction − Multiple Data). В таких ЭВМ одновременно и независимо друг от друга выполняется несколько программных ветвей, в определенные промежутки времени обменивающихся данными. Такие системы обычно называют многопроцессорными.

МКМД-ЭВМ имеет две разновидности: ЭВМ с разделяемой (общей) и распределенной (индивидуальной) памятью [1].

КСА перспективных кораблей является МКМД-ЭВМ с индивидуальной памятью и относится к подклассу систем с массовым параллелизмом (MPP).

Комплекс состоит из автоматизированных рабочих мест (АРМ) оператора и серверов, содержащих базы данных, связанных между собой по линиям связи, использующих интерфейс: Fast Ethernet стандарта IEEE 802.3u 100Base-TX.

Характеристики ЭВМ АРМ оператора и сервера:

ЭВМ (основная и резервная) реализована на базе вычислительных модулей с архитектурой SPARC V8 и предназначена для работы под управлением операционной системы МСВС 3.0.

Каждая из ЭВМ включает в себя процессорный модуль МВС/С (разработка отечественного производителя ЗАО «МЦСТ»), оперативную память DDR2 – 2 Гбайт, RDMA – каналы, флеш-память – 16 Мбайт, периферийный контроллер, аудио контроллер.

Рис. 1. Схема элементов модуля МВС/С.

Если АРМы и серверы представляют собой законченную вычислительную систему, то следующий шаг напрашивается сам собой: почему бы не объединить все отдельные вычислительные ресурсы в единое информационное пространство – кластерную систему. Развитие коммуникационных технологий, а именно, появление высокоскоростного сетевого оборудования и специального программного обеспечения, реализующего механизм передачи сообщений над стандартными сетевыми протоколами, сделали кластерные технологии общедоступными.

Структура кластерной системы

Кластерные системы – один из вариантов MPP–систем, поскольку они также используют принцип передачи сообщений.

Кластер — это разновидность параллельной или распределенной системы, которая состоит из нескольких связанных между собой ЭВМ и используется как единый, унифицированный компьютерный ресурс. Такое определение дал один из первых архитекторов кластерной технологии Грегори Пфистер.

Кластер всегда состоит из узлов, являющихся полноценными компьютерами, которые соединены сетью для выполнения обмена данными. При этом, эти компьютеры не обязательно должны быть однотипными, система может быть и гетерогенной, объединяя в себе компьютеры различной архитектуры – переносные АРМы, АРМы и серверы. Каждый узел работает под управлением своей копии операционной системы SPARC V8. Состав и мощность узлов может меняться даже в рамках одного кластера, давая возможность создавать неоднородные системы.

Для кластерных систем в соответствии с сетевым законом Амдала характеристики коммуникационных сетей имеют принципиальное значение. Чаще всего используется сеть Fast Ethernet, основное достоинство которой − низкая стоимость оборудования. Однако большие накладные расходы на передачу сообщений в рамках Fast Ethernet приводят к серьезным ограничениям на спектр задач, которые можно эффективно решать на таком кластере. Если от кластера требуется большая универсальность, то нужно переходить на более производительные коммуникационные сети, например, SCI, Myrinet, некоторые другие. Кластер может быть, как территориально сосредоточен, так и распределён.

В КСА перспективных кораблей в каждом АРМе и сервере установлены две вычислительные машины (основная и резервная) предлагается объединить АРМы и серверы в один кластер, с одновременным использованием двух вычислительных машин. Каждый кластер в КСА будет отвечать за выполнение задач в одном из контуров работы системы (оборона, патрулирование и т.д.).

Так как в КСА перспективных кораблей все устройства связаны по линиям связи с использованием интерфейса Fast Ethernet, то объединение вычислительных ресурсов в кластер не вызовет затруднений, так же как и связать кластеры друг с другом. Каждый кластер взаимозаменяем, при выходе из строя кластера, его функции перенаправляются в любой свободный кластер.

Но при всей эффективности и кажущейся простоте создания кластерной системы не стоит забывать главного – создавая методы решения задач на параллельных компьютерах необходимо рассматривать всю цепочку взаимосвязанных звеньев: от постановки задачи, описания алгоритма, выбора технологии параллельного программирования, до вопросов организации программно-аппаратной среды самой вычислительной системы. Слабость любого одного звена может привести к резкому падению эффективности решения задачи в целом [2].

Всегда при построении производительной вычислительной системы целью является наиболее эффективное и быстрое решение поставленной задачи. К системам в военной промышленности предъявляются повышенные требования к надежности, живучести, взаимозаменяемости отдельных компонентов, доступности и производителю составляющих, а также к точности результатов решаемых специализированных задач.

Предлагается модернизировать комплексы новыми отечественными системами на кристалле МЦСТ-R1000 (разработка ЗАО «МЦСТ»), и переработать программные комплексы с учетом реализации кластерной системы, что позволит достичь наибольшего ускорения системы.

Организация параллельной обработки информации в кластерной системе

Для организации параллельной обработки информации в кластерной системе предлагается использовать систему эффективной параллельной обработки информации.

Работа системы осуществляется в два этапа: на первом этапе происходит выбор стратегии параллельной обработки данных, а на втором – реализация этой стратегии. Предусмотрены два режима реализации первого этапа: ручной и автоматический. В первом случае стратегию параллельной обработки программ пакета пользователя определяет сам пользователь, во втором – это делает система, оптимизирующая распараллеливание на основании доступной ей информации.

Выводы

Применение кластерных систем в интегрированной системе управления надводного корабля необходимо для выполнения поставленных задач, увеличения производительности всей системы, сокращения времени решения задачи, повышения надежности и живучести всей системы за счет взаимозаменяемости кластеров. Модернизация существующего комплекса средств автоматизации перспективных кораблей позволит достичь 3 этапа развития с минимальными затратами, так как уже разработана технико-технологическая база взаимодействия систем, отработаны протоколы сопряжения, настроена аппаратная часть, разработаны программы, поэтому модернизировать КСА перспективных кораблей наиболее выгодно, чем разрабатывать новую систему.

Литература

1.                  Г.И. Шпаковский, Н.В. Серикова. «Программирование для многопроцессорных систем в стандарте MPI» – Минск, 2002 – 324 с.

2.                  Воеводин Вл. В., Жуматий С.А. «Вычислительное дело и кластерные системы» – Москва: Издательство Московского университета, 2007–150 с.

Поступила в редакцию 20.05.2013 г.