Разработка отказоустойчивого кластера высокопроизводительных вычислительных систем - Дипломная работа

6.4 Мероприятия по безопасности труда и сохранению работоспособности. 6.4.1 Обеспечение требований эргономики и технической эстетики 6.4.1.2 Эргономические решения по организации рабочего места пользователя ПЭВМ 6.4.2 Обеспечение оптимальных параметров воздуха рабочих зон 6.4.2.2 Нормирование уровней вредных химических веществВ наше время жизнь без компьютеров не представляется возможной. Началом эволюционного развития компьютеров стал 1930 год, когда двоичная арифметика была разработана и стала основой компьютерных вычислений и языков программирования. В 1939 году были изобретены электронно-вычислительные машины, выполняющие вычисление в цифровом виде. Появившаяся в 1941 году модель Z3 Конрада Цузе в немецкой Лаборатории Авиации в Берлине была одним из наиболее значительных событий в развитии компьютеров, потому что эта машина поддерживала вычисления как с плавающей точкой, так и двоичную арифметику. Другой компьютер общего назначения этой эры был ENIAC (Electronical Numerical Integrator and Computer - Электронный Числовой Интегратор и Компьютер), который был построен в 1946.В настоящее время тенденция в развитии микропроцессоров и систем, построенных на их основе, направлена на все большее повышение их производительности. Вычислительные возможности любой системы достигают своей наивысшей производительности благодаря двум факторам: использованию высокоскоростных элементов и параллельному выполнению большого числа операций. В этом случае выделяют следующие 4 класса систем: системы с симметричной мультипроцессорной обработкой (Symmetric MULTIPROCESSING), или SMP-системы;Кластер представляет собой систему из нескольких компьютеров (в большинстве случаев серийно выпускаемых), имеющих общий разделяемый ресурс для хранения совместно обрабатываемых данных (обычно набор дисков или дисковых массивов) и объединенных высокоскоростной магистралью (рис 1.1).[3] В кластерной системе некоторое распределенное приложение параллельно на нескольких узлах обрабатывает общий набор данных, как правило, таким образом, чтобы у пользователя возникла иллюзия работы на одной машине. В настоящее время такие системы имеют две основные области применения: параллельные серверы баз данных и высоконадежные вычислительные комплексы. Если в кластере его узлы разделяют некоторые ресурсы, то параллельные системы другого класса - системы вычислений с массовым параллелизмом (MPP) - строятся из отдельных полностью независимых компьютеров, соединенных только высокоскоростной магистралью или коммуникационными каналами (рис. Основными недостатками систем данного типа являются следующие: отсутствие общей памяти заметно снижает скорость межпроцессорного обмена, поскольку нет общей среды для хранения данных, предназначенных для обмена между процессорами; требуется специальная техника программирования для реализации обмена сообщениями между процессорами; каждый процессор может использовать только ограниченный объем локального банка памяти; вследствие указанных архитектурных недостатков требуются значительные усилия для того, чтобы максимально задействовать системные ресурсы, следствием чего является высокая цена программного обеспечения для MPP-систем с раздельной памятью.[6]Повышение надежности основано на принципе предотвращения неисправностей путем снижения интенсивности отказов и сбоев за счет применения электронных схем и компонентов с высокой и сверхвысокой степенью интеграции, снижения уровня помех, облегченных режимов работы схем, обеспечения тепловых режимов их работы, а также за счет совершенствования методов сборки аппаратуры. Статистически коэффициент готовности определяется как MTBF/(MTBF MTTR), где MTTR (Mean Time To Repair) - среднее время восстановления (ремонта), т.е. среднее время между моментом обнаружения неисправности и моментом возврата системы к полноценному функционированию.[7] В последние годы в литературе по вычислительной технике все чаще употребляется термин "системы высокой готовности", "системы высокой степени готовности", "системы с высоким коэффициентом готовности". Длительность задержки, в течение которой программа, отдельный компонент или система простаивает, может находиться в диапазоне от нескольких секунд до нескольких часов, но более часто в диапазоне от 2 до 20 минут. Ключевым моментом в определении эластичности к отказам является более короткое время восстановления, которое позволяет системе быстро откатиться назад после обнаружения неисправности.Наиболее часто используются следующий решения: RAID уровня 1 или зеркальные диски, RAID уровня 3 с четностью и RAID уровня 5 с распределенной четностью. Технология RAID уровня 1 (или зеркалирования дисков) основана на применении двух дисков так, что в случае отказа одного из них, для работы может быть использована копия, находящаяся на дополнительном диске. В массивах RAID уровня 3 предусматривается использование одного дополнительного дискового накопителя, обеспечивающего хранение информации о четности (контрольной суммы) данных, записываем

Оглавление

Введение

Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи

1.1 История развития вычислительной техники

1.2 Параллельные вычисления

1.2.1 Кластеры и MPP - системы

1.3 Понятие высокой готовности и отказоустойчивости системы

1.4 Подсистемы внешней памяти высокой готовности

1.5 Требования, предъявляемые к системам высокой готовности

1.5.1 Требования начальной установки системы

1.5.2 Требования к системному программному обеспечению

1.5.3 Требования высокой готовности к прикладному программному обеспечению

1.5.4 Требования к сетевой организации и к коммуникациям

1.6 Постановка задачи

Глава 2. Разработка функциональной схемы отказоустойчивого кластера

2.1 Описание отказоустойчивого кластера

2.2 Структурная схема отказоустойчивого двухузлового кластера

2.2.1 Узлы кластера

2.2.2 Система хранения данных

2.2.3 Соединение СХД с узлами кластера

2.2.4 Межузловое соединение кластера

Глава 3 Разработка структурной схемы виртуального стенда

3.1 Виртуализация

3.1.1 Виртуализация ресурсов

3.1.2 Виртуализация платформ

3.2 Платформа виртуализации Hyper-V

3.3 Структурная схема виртуального стенда

3.3.1 Хост- сервер

2.3.2 Виртуальная машина ВМ1

2.3.3 Виртуальная машина ВМ2

2.3.4 Виртуальная машина ВМ3

2.3.5 Виртуальная машина ВМ4

2.3.6 Виртуальная машина ВМ5

2.3.7 Сетевые соединения.

Глава 4. Экспериментальные исследования

4.1 Описание тестового программного обеспечения

4.1.1 Ping

4.1.2 SISOFTWARE Sandra 2012

4.2 Результаты исследования

4.2.1 Эксперимент 1

4.2.2 Эксперимент 2

4.2.3 Эксперимент 3

4.2.3 Эксперимент 4

4.2.4 Эксперимент 5

4.2.5 Эксперимент 6

Вывод

Глава 5. Организационно-экономическая часть

5.1 Технико-экономическое обоснование объекта проектирования

5.2 Организационная часть

5.2.1 Состав конструкторской группы и должностные оклады

5.2.2 Перечень этапов опытно-конструкторских работ при разработке виртуального стенда

5.3 Экономическая часть

5.3.1 Расчет сметы затрат на разработку виртуального стенда

5.3.2 Расчет затрат на расходные материалы

5.3.3 Расчет заработной платы инженерно-технических работников

5.3.4 Расчет страховых взносов

5.3.5 Затраты на содержание и эксплуатацию оборудования

5.3.6 Смета затрат

Вывод

Глава 6. Безопасность и экологичность проектных решений

6.1 Цель и решаемые задачи

6.2 Вредные и опасные факторы при работе с ПЭВМ

Введение

С момента появления первых компьютеров одной из основных проблем, стоящих перед разработчиками, была производительность вычислительной системы. За время развития компьютерной индустрии производительность вычислительных систем стремительно возрастала, однако появление все более ресурсоемких задач , рост числа пользователей и расширение области применения вычислительных систем предъявляют новые требования к мощности используемой техники, что и привело к появлению высокопроизводительных компьютеров (HPC - High Performance Computing) или как их еще называют суперкомпьютеров (от англ. supercomputer, - вычислительная машина, значительно превосходящая по своим техническим параметрам большинство существующих компьютеров)..

Наряду с расширением области применения по мере совершенствования HPC происходит усложнение и увеличение количества задач в областях, традиционно использующих высокопроизводительную вычислительную технику. В настоящее время выделен круг фундаментальных и прикладных проблем, эффективное решение которых возможно только с использованием сверхмощных вычислительных ресурсов. Этот круг включает следующие задачи: · предсказания погоды, климата и глобальных изменений в атмосфере;

· науки о материалах;

· построение полупроводниковых приборов;

· сверхпроводимость;

· структурная биология;

· разработка фармацевтических препаратов;

· генетика;

· квантовая хромодинамика;

· астрономия;

· транспортные задачи;

· гидро- и газодинамика;

· управляемый термоядерный синтез;

· эффективность систем сгорания топлива;

· геоинформационные системы;

· разведка недр;

· наука о мировом океане;

· распознавание и синтез речи;

· распознавание изображений.

Одной из важнейших характеристик высокопроизводительных вычислительных систем является доступность, которое включает три составляющие - надежность (reliability), готовность (availability) и удобство обслуживания (serviceability). При этом под надежностью обычно понимается минимизация вероятности возникновения отказа или сбоя в работе системы, готовностью - возможность дальнейшего функционирования системы при возникновении неисправности каких-либо компонентов, а удобством обслуживания - возможность проведения ремонтных и регламентных работ с минимизацией простоя или вообще без прекращения доступа пользователей к информационному ресурсу. Обычно, говоря о доступности информационных систем, употребляют термин "отказоустойчивость", имея в виду надежность и готовность. Повышение отказоустойчивости системы требует избыточного аппаратного и программного обеспечения. .

Прогресс в суперкомпьютерных технологиях последних лет и распространение этих технологий во все новые сферы человеческой деятельности свидетельствуют о том, что суперкомпьютеры - это мощный инструмент, который позволяет форсировать продвижение научно-технологической мысли во многих отраслях. Ведущие страны мира создали и используют этот инструмент для решения особо сложных задач науки, образования, экономики, для долгосрочных прогнозов, в том числе экологической обстановки, для обеспечения национальной безопасности. В последнее десятилетие произошли заметные сдвиги в организации научного процесса: вследствие широкого внедрения вычислительной техники заметно усилилось направление компьютерного моделирования и эксперимента, что позволяет значительно повысить эффективность процессов научного и технологического поиска. Становится возможным моделировать сложные физико-химические процессы и ядерные реакции, глобальные атмосферные явления, развитие экономики и промышленности.

Высокопроизводительные вычислительные системы расширяют пределы, ограничивающие возможности инженеров и ученых, но реализованные в этих системах технологии важны не только для исследовательских лабораторий - в конечном итоге они позволяют улучшить нашу повседневную жизнь. Моделирование электромагнитных полей, вычислительная гидродинамика и анализ методом конечных элементов - вот лишь несколько примеров приложений, которые когда-то считались прерогативой суперкомпьютеров для научных целей, а сегодня используются многими компаниями для разработки и производства самых разных товаров: от картофельных чипсов до сотовых телефонов и автомобилей.