CN206100022U - 一种基于无限带宽的直连架构计算集群系统 - Google Patents

一种基于无限带宽的直连架构计算集群系统 Download PDF

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林铭杰
叶政晟
张彦彬
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Abstract

本实用新型提供了一种基于无限带宽的直连架构计算集群系统，包括拓扑构建模块及计算资源池，其中，所述计算资源池包括至少2个计算单元，所述计算单元包括无限带宽适配模块及路由构建模块；所述计算单元通过无限带宽网络相互连接，计算单元之间的通信无需借助交换机即可实现无损计算性能、网络延迟低的通信交互，降低了集群系统运营维护的成本，提高了集群系统的可靠性；且本实用新型所提供的系统扩展性能佳，可以根据不同运算量的需求，随意扩展或缩减系统中计算单元的数目。

Description

一种基于无限带宽的直连架构计算集群系统
技术领域
本实用新型涉及高性能计算机集群系统，特别涉及一种基于无限带宽的直连架构计算集群系统。
背景技术
计算机集群是一种计算机系统，它通过一组松散集成的计算机软件和/或硬件连接起来高度紧密地协作完成计算工作，在某种意义上，它们可以被看作一台计算机，集群系统中的单个计算机通常称为节点，通常通过局域网连接。
高性能计算集群是计算机集群的一种，采用将计算任务分配到集群的不同计算节点而提高计算能力，主要应用在科学计算和工程计算领域。高性能计算集群通常运行一些并行应用程序，比如基于MPI标准开发的并行计算程序。这一类应用程序可以实现多个计算节点并行执行计算任务，计算节点间通常会有频繁的数据交换和消息传递，因此高性能计算集群通常配置专用的计算网络来进行这些数据交换，计算网络的性能可以在很大程度上影响并行程序的计算效率。
目前，计算集群系统大多采用胖树拓扑结构，用交换机进行串连而成(IndirectNetwork，swi tch based)，透过铜缆或光缆进行数据交换。在集群系统做跨节点运算时，透过TCP/IP协定，数据经网线进入交换机，交换机将数据发送到正确的节点完成通讯，以完成跨节点运算工作。但随著计算机节点数增加，节点间网络通信幅度必然大幅增加，因此，为加速两点间通信时间并减少延迟，系统对交换机的需求必然同步增加，进而造成系统整体网络环境复杂，系统建置营运管理成本增加。
除上述方案外，还有另一种计算集群系统，其采用全直连拓扑结构，这种架构不需要交换机即可实现所有计算节点的通信交互。但该结构一般只适用于小规模系统，因为对于具有N个计算节点的集群系统而言，采用全直连拓扑结构系统需要配备N*(N-1)个网卡接口，所以对于大规模集群系统而言，该结构的架构难度高、扩展性差、管理不便。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术不足，提供一种基于无限带宽的直连架构计算集群系统，系统内所有计算单元的通信交互无需通过交互机完成，系统易于构建，扩展性强，可适用于大规模计算集群，且系统采用了无限带宽通信技术，满足了集群系统对于带宽及通信延迟的需求。
本实用新型为实现上述目的采用以下的技术方案：
本实用新型提供了一种基于无限带宽的直连架构计算集群系统，包括拓扑构建模块及计算资源池；所述计算资源池与所述拓扑构建模块相连；
其中，所述计算资源池包括至少2个计算单元，所述计算单元通过无限带宽网络相互连接；
所述计算单元包括无限带宽适配模块及路由构建模块；
所述拓扑构建模块用于获取所述计算单元的总数及每个所述计算单元的邻居数，并得出最大邻居数，并根据所述最大邻居数计算网络维度，并根据所述计算单元总数及网络维度生成至少一个网络拓扑图，并将所有所述网络拓扑图发送给所述计算资源池；
所述无限带宽适配模块用于提供基于无限带宽协议的数据传输服务，以实现各个所述计算单元之间的数据通信交互；
所述路由构建模块用于获取所有所述网络拓扑图，并根据各个所述网络拓扑图计算本所述计算单元与其他所述计算单元之间所有可能的通信路径，并生成全路径路由表；所述路由构建模块还用于确定所述全路径路由表中实际存活的路由路径，即能够实际通信的路由路径，并根据实际存活的路由路径生成通信路由表，所述通信路由表按照路由路径的目的IP地址进行分组，并对每个分组内的路由路径按照路径经过的跳数进行升序排序。
在本实用新型一实施例中，所述基于无限带宽的直连架构计算集群系统还包括主控单元，所述主控单元与任意一个所述计算单元相连；所述主控单元用于获取任务，并将所述任务分割后发送到相连的所述计算单元中，再通过该所述计算单元分配到其他所述计算单元，所述主控单元还用于初始化所述计算单元。
在本实用新型一实施例中，所述主控单元包括任务获取模块、任务分配模块及初始化模块；其中，所述任务获取模块用于获取任务，所述任务分配模块用于将所述任务分割成若干子任务，并为所述子任务分配计算单元，所述任务分配模块还用于将所述子任务发送到计算资源池中，所述初始化模块用于为所述计算单元分配IP地址，还用于初始化所述拓扑构建模块及所述路由构建模块。
在本实用新型一实施例中，所述主控单元还包括状态读取模块及反馈模块，所述状态读取模块用于读取所述计算单元的工作状态，并发送给所述反馈模块，所述反馈模块用于向用户反馈接收到的所述计算单元的工作状态。
在本实用新型一实施例中，所述主控单元还包括资源分配模块及资源调整模块；
所述资源分配模块用于对获取到的任务设置资源获取权限及分配初始资源；所述资源调整模块用于根据各个任务的资源获取权限调整各个任务所能占有的资源。
在本实用新型一实施例中，所述拓扑构建模块通过遍历所述计算单元的IP地址获取所述计算单元总数及最大邻居数。
在本实用新型一实施例中，所述拓扑构建模块设置在所述主控单元中。
在本实用新型一实施例中，可选的，所述主控单元还用于获取用户输入的计算单元总数及最大邻居数，并将所述计算单元总数及最大邻居数发送到所述拓扑构建模块，所述拓扑构建模块根据接收到计算单元总数及最大邻居生成网络拓扑图。
在本实用新型一实施例中，所述主控单元可为任意一个所述计算单元。
在本实用新型另一实施方式中，本实用新型第一方面所提供的系统还包括总路由构建模块，所述总路由构建模块与所述计算资源池相连，所述总路由构建模块还与所述拓扑构建模块相连；
所述总路由构建模块用于获取所有所述计算单元的IP地址，所述总路由构建模块还用于获取所有网络拓扑图，并根据所述网络拓扑图生成所有计算单元之间所有可能的通信路径，并按照起始计算单元的IP地址生成至少一个全路径路由表，并将所述全路径路由表发送到对应的计算单元中，所述计算单元中的路由构建模块根据接收到的全路径路由表确定实际存活的路由路径，即能够实际通信的路由路径，并根据实际存活的路由路径生成通信路由表，所述通信路由表按照路由路径的目的IP地址进行分组，并对每个分组内的路由路径按照路径经过的跳数进行升序排序。
在本实用新型一实施例中，所述计算单元还包括处理器、内存、本地存储设备、扩展设备接口。
本实用新型的有益效果：本实用新型所提供的基于无限带宽的直连架构计算集群系统，系统中所有计算单元能够在不通过交互机的情况下，达成无损计算性能、网络延迟低的通信交互，降低了集群系统运营维护的成本，提高了集群系统的可靠性；且本实用新型所提供的系统扩展性能佳，可以根据不同运算量的需求，随意扩展或缩减系统中计算单元的数目。
附图说明
图1为本实用新型一实施例中的系统结构示意图；
图2为本实用新型另一实施例中的系统结构示意图；
图3为本实用新型另一实施例中的系统结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本实用新型做进一步说明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。
在本实用新型第一实施方式中，如图1所示，为本实用新型的系统结构示意图，一种基于无限带宽的直连架构计算集群系统，包括主控单元100、拓扑构建模块200以及计算资源池；
其中，所述计算资源池包括至少2个计算单元300，所有计算单元300通过无限带宽网络相互连接；
拓扑构建模块200用于获取计算单元300的总数及每个所述计算单元的邻居数，并得出最大邻居数，根据所述最大邻居数计算网络维度，并根据所述计算单元300总数及网络维度生成至少一个网络拓扑图，并将所有所述网络拓扑图发送给所述计算资源池；
计算单元300包括无限带宽适配模块310及路由构建模块320；其中，无限带宽适配模块310用于提供基于无限带宽协议的数据传输服务，以实现各个计算单元300之间的数据通信交互；
路由构架模块320用于获取所有所述网络拓扑图，并根据各个所述网络拓扑图计算本计算单元300到其他计算单元300之间所有可能的路由路径，并生成全路径路由表；路由构建模块320还用于确定所述全路径路由表中实际存活的路径，即能够实际通信的路由路径，并根据实际存活的路由路径生成通信路由表，所述通信路由表按照路由路径的目的IP地址进行分组，并对每个分组内的路由路径按照路径经过的跳数进行升序排序。
本实用新型所提供的系统还包括主控单元100，所述主控单元100与任意一个所述计算单元300相连；主控单元100用于获取任务，并将获取到的任务进行分割后发送到相连的计算单元300中，再通过该计算单元300分配到其他计算单元300中，所述主控单元100还用于初始化所述计算单元300；
在本实用新型第二实施方式中，如图2所示，拓扑构建模块200设置于主控单元100中，主控单元100还包括任务获取模块110、任务分配模块120、初始化模块130、状态读取模块140、反馈模块150；
其中，任务获取模块110用于获取用户发布的任务，任务分配模块120将获取到的任务分割成至少一个子任务，并为每个子任务分配具体的执行的计算单元300，任务分配模块120将所有子任务发送到相连的计算单元300中，计算单元300在截取自己对应的子任务后，向其他计算单元300转发剩余的子任务。
初始化模块130用于为计算单元300分配IP地址，还用于向拓扑构建模块200及路由构建模块320发送初始化指令；具体的，初始化包括，拓扑构建模块200构建网络拓扑图，路由构建模块320构建路由表。
状态读取模块140用于读取各个计算单元300的工作状态，如内存使用率、CPU使用率、硬盘剩余空间等，并将读取到的工作状态通过反馈模块150反馈给用户，以便用户查看计算资源池的工作情况。
在本实用新型第一或第二实施方式的实施例中，根据用户需求，所述计算单元300还可包括处理器、内存、本地存储设备、扩展设备接口等。在初次运行时，主控单元100发送初始化指令，为所有计算单元300分配IP地址，并命令拓扑构建模块200构建网络拓扑图、命令路由构建模块320构建路由表。
在本实用新型第一或第二实施方式的实施例中，拓扑构建模块200向相连的计算单元300发送通信包，遍历所有计算单元300的IP地址，拓扑构建模块200根据遍历结果获得计算单元300的总数N及每个计算单元300的邻居单元数，并取最大邻居单元数M，对最大邻居单元数M取以2为底的对数，并向上取整，得到网络维度K，并根据总数N及网络维度K生成至少一个网络拓扑图，将所有所述网络拓扑图发送到计算资源池中；其中，网络中的距离度量单位为跳，数据通信过程中每经过一个中继节点即为一跳，当两个计算单元300之间的距离为零跳时，则这两个计算单元300互为邻居单元。
具体的，所述拓扑构建模块200获得计算单元300的总数N及最大邻居单元数M后，构建一个笛卡尔坐标系，其中，坐标点xi代表第i维中任意一个节点，Ni代表第i维度的节点数，其中，K＝log2M，并向上取整；
坐标xi满足：
0≤xi≤2Ni-1
每个节点xi连接到2K个邻居节点yi，yi的坐标满足：
yi＝(xi+1)mod2Ni或者yi＝(xi-1+2Ni)mod2Ni
根据上述公式，拓扑构建模块200可构建至少一个K维网络拓扑(N1×N2×……×NK)，其中，所有网络拓扑中的任意节点均与2K个邻居节点相连，且最大的维度节点数不大于N-M+2,且节点总数不小于N；
路由构建模块320获取所有所述网络拓扑图，并根据各个所述网络拓扑图以本计算单元为起始单元计算到其他计算单元的所有可能的路由路径，并将其写入全路径路由表中；路由构建模块320按照全路径路由表中记录的路由路径发送通信确认包，以获得实际存活的路由路径，即能够实际通信的路由路径，并根据实际存活的路由路径生成通信路由表，所述通信路由表按照路由路径的目的IP地址进行分组，并对每个分组内的路由路径按照路径经过的跳数进行升序排序。
当需要通信时，计算单元300按照目的IP地址由上至下选择路由路径进行通信，当所选路径故障无法通信时，选择下一条路由路径进行通信，以保证计算单元之间的数据交互。
在本实用新型一实施例中，可选地，计算单元300总数N及最大邻居节点数M由用户通过主控单元100输入，主控单元100将计算单元300总数N及最大邻居数M发送到拓扑构建模块200。
在本实用新型一实施例中，所述主控单元还包括资源分配模块及资源调整模块；
其中，所述资源分配模块用于对获取到的任务设置资源获取权限及分配初始资源，所述初始资源包括最低资源及弹性资源；
所述资源调整模块用于根据各个任务的资源获取权限调整各个任务所能实际占有的弹性资源。
在本实用新型一具体应用场景中，本实用新型所提供的系统用于运行学校的教务管理系统；其中，包括16个计算单元，每个计算单元拥有2个处理核心、4G内存、250G固态硬盘，即计算资源池拥有32个处理核心、64G内存及4TB存储空间。任务主要包括有学籍管理、选课管理、教学计划管理、学校人事管理及考务管理，用户通过主控单元100的资源分配模块为各个任务划分资源及设定权限，如为选课管理、考务管理及教学计划管理任务各分配8个处理核心、16G内存及500G存储空间，并设置为一般资源获取权限；为学校人事管理及学籍管理任务各分配4个处理核心、8G内存及1250G存储空间，并设置为最高资源获取权限；同时设置所有任务的最低资源配置为2个处理核心、4G内存及250G存储空间，其余为弹性资源配置。当某个任务需求量突然增大时，资源调整模块根据该任务的资源获取权限调整各个任务的弹性资源配置，如，在开学初，选课管理任务的需求量剧增，资源调整模块判断选课任务为一般资源获取权限，因此，将同是一般资源获取权限的考务管理及教学计划管理任务的弹性资源分配给选课管理任务，对于属于最高资源获取权限的学校人事管理及学籍管理任务所占的资源则不予调整；当新生入学时，学籍管理任务的需求量增大，资源调整模块判断学籍管理任务为最高资源获取权限，因此，首先将一般资源获取权限的选课管理、考务管理及教学计划管理任务的弹性资源分配给学籍管理任务，当还不满足学籍管理任务的资源需求时，再将学校人事管理任务的弹性资源分配给学籍管理任务。
在本实用新型一实施例中，主控单元100可设置于其中一个计算单元300中。
在本实用新型第三实施方式中，如图3所述，本实用新型第一或第二实施方式中所提供的系统还包括总路由构建模块400；总路由构建模块400分别与拓扑构建模块200及计算资源池相连；拓扑构建模块200将生成的所有网络拓扑图发送给总路由构建模块400，总路由构建模块400向计算单元300发送遍历通信包以获得所有计算单元300的IP地址，并按照各个所述网络拓扑图计算各个计算单元300之间可能的路由路径，并按照起始计算单元的IP地址生成至少一个全路径路由表；总路由构建模块400将所有全路径路由表发送到计算资源池中，资源池中的计算单元300获取以本机IP地址作为起始地址的全路径路由表，并将剩余的全路径路由表转发给其他计算单元300；路由构建模块320根据获取到的全路径路由表中记录的路由路径发送通信确认包，以获得实际存活的路由路径，即能够实际通信的路由路径，并根据实际存活的路由路径生成通信路由表，所述通信路由表按照路由路径的目的IP地址进行分组，并对每个分组内的路由路径按照路径经过的跳数进行升序排序。当需要通信时，计算单元300按照目的IP地址由上至下选择路由路径进行通信，当所选路径故障无法通信时，选择下一条路由路径进行通信，以保证计算单元之间的数据交互。
在本实用新型第三实施方式的实施例中，根据用户需求，所述计算单元300还可包括处理器、内存、本地存储设备、扩展设备接口等。在初次运行时，主控单元100发送初始化指令，为所有计算单元300分配IP地址，并命令拓扑构建模块200构建网络拓扑图、命令总路由构建模块400构建全路径路由表、命令路由构建模块320构建通信路由表。
显然，上述实施例仅仅是为了更清楚的表达本实用新型技术方案所作的举例，而非对本实用新型实施方式的限定。对于本领域技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，在不脱离本实用新型构思的前提下，这些都属于本实用新型的保护范围。因此本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种基于无限带宽的直连架构计算机集群系统，其特征在于，包括拓扑构建模块及计算资源池；所述计算资源池分别与所述主控单元及所述拓扑构建模块相连；
其中，所述计算资源池包括至少2个计算单元，所述计算单元通过无限带宽网络相互连接；
所述计算单元包括无限带宽适配模块及路由构建模块；
所述拓扑构建模块用于获取所述计算单元的总数及每个所述计算单元的邻居数，并得出最大邻居数，并根据所述最大邻居数计算网络维度，并根据所述计算单元的总数及所述网络维度生成至少一个网络拓扑图，并将所有所述网络拓扑图发送给所述计算资源池；
所述无限带宽适配模块用于提供基于无限带宽协议的数据传输服务，以实现各个所述计算单元之间的数据通信交互；
所述路由构建模块用于获取所有所述网络拓扑图，并根据各个所述网络拓扑图计算本所述计算单元与其他所述计算单元之间所有可能的通信路径，并生成全路径路由表；所述路由构建模块还用于确定所述全路径路由表中实际存活的路由路径，并根据实际存活的路由路径生成通信路由表，所述通信路由表按照路由路径的目的IP地址进行分组，并对每个分组内的路由路径按照路径经过的跳数进行升序排序。
2.如权利要求1所述的基于无限带宽的直连架构计算机集群系统，其特征在于，还包括主控单元，所述主控单元与任意一个计算单元相连；
其中，所述主控单元用于获取任务，并将所述任务分割后发送到相连的所述计算单元中，再通过该所述计算单元分配到其他所述计算单元，所述主控单元还用于初始化所述计算单元。
3.如权利要求2所述的基于无限带宽的直连架构计算机集群系统，其特征在于，所述主控单元包括任务获取模块、任务分配模块及初始化模块；
其中，所述任务获取模块用于获取任务，所述任务分配模块用于将所述任务分割成若干子任务，并为所述子任务分配计算单元，所述任务分配模块还用于将所述子任务发送到计算资源池中，所述初始化模块用于为所述计算单元分配IP地址，还用于初始化所述拓扑构建模块及所述路由构建模块。
4.如权利要求2所述的基于无限带宽的直连架构计算机集群系统，其特征在于，所述主控单元还包括状态读取模块及反馈模块，所述状态读取模块用于读取所述计算单元的工作状态，并发送给所述反馈模块，所述反馈模块用于向用户反馈接收到的所述计算单元的工作状态。
5.如权利要求2所述的基于无限带宽的直连架构计算机集群系统，其特征在于，在本实用新型一实施例中，所述主控单元还包括资源分配模块及资源调整模块；
所述资源分配模块用于对获取到的任务设置资源获取权限及分配初始资源；所述资源调整模块用于根据各个任务的资源获取权限调整各个任务所能占有的资源。
6.如权利要求2所述的基于无限带宽的直连架构计算机集群系统，其特征在于，所述主控单元可设置于任意一个所述计算单元中。
7.一种基于无限带宽的直连架构计算机集群系统，其特征在于，包括如权利要求1-6中任一所述的基于无限带宽的直连架构计算机集群系统，还包括总路由构建模块，所述总路由构建模块与所述计算资源池相连，所述总路由构建模块还与所述拓扑构建模块相连；
所述总路由构建模块用于获取所有所述计算单元的IP地址，所述总路由构建模块还用于获取所有网络拓扑图，并根据所述网络拓扑图计算各个计算单元之间的通信路径，并按照起始计算单元的IP地址生成至少一个全路径路由表，所述总路由构建模块还用于将所述全路径路由表发送到计算资源池中。
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