KR100250464B1 - 고속병렬컴퓨터의 노드 부트 방법 - Google Patents

고속병렬컴퓨터의 노드 부트 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고속병렬컴퓨터의 노드 부트 방법에 관한 것으로서, 기존의 네트워크를 사용한 시스템들이 부트 서버로부터 운영체제 커널 이미지를 다운 로드 받는 방법과는 달리 부트디스크를 가지고 있는 부트 노드가 루트 파일 시스템으로부터 메모리에 적재한 커널 이미지를 모든 노드에 복사해 주는 방법에 있어서, 부트 속도를 향상시키기 위하여 병렬로 부트가 진행되도록 하며 부트 진행 상태를 콘솔 터미널을 통하여 감시할 수 있는 환경을 제공한다. 또한 노드 부팅 방법은 펌웨어가 관리하고 있는 노드 구성 테이블을 사용하여 논리적인 부트 경로를 찾아내는 제 1단계, 운영체제 커널 이미지의 복사가 병렬로 일어나도록 부트 대상 노드들을 결정하는 제 2단계, 메모리에 적재된 운영체제의 유효한 부분을 대상 노드들에 복사하는 제 3단계, 부팅의 시작과 종료 시점에 부트 노드에게 노드의 상태를 알려주어 부트 진행 상태를 콘솔 터미널에 표시하는 제 4단계, 모든 노드들에 복사가 완료되었을 때 복사된 운영체제의 나머지 부분에서 실행을 동시에 시작하는 제 5단계로 구성된다. 또한 시스템내의 공유 자원에 대한 관리를 공정하게 하고, 부트 진행 상태를 콘솔 터미널에 표시함으로써 편리한 시스템 관리자 인터페이스를 제공한다.

Description

고속병렬컴퓨터의 노드 부트 방법
본 발명은 고속병렬컴퓨터의 노드 부트 방법에 관한 것으로서, 특히 시스템내의 공유 자원에 대한 관리를 공정하게 하고, 부트 진행 상태를 콘솔 터미널에 표시함으로써 편리한 시스템 관리자 인터페이스를 제공할 수 있는 고속병렬컴퓨터의 운영체제 부팅방법에 관한 것이다.
일반적으로 SPAX와 같이 여러 개의 노드들이 상호연결망(Interconnect Network)을 통하여 하나의 시스템을 구성하는 MPP(Massively Parallel Processing) 시스템에서 모든 노드들이 운영체제 커널 이미지를 메모리에 적재하는 데 소요되는 시간을 최소화 하는 것이 중요하다. 또한, 동일한 운영체제 커널 이미지를 각 노드의 메모리에 복사 적재하고 운영체제의 실행을 동시에 시작하게 함으로써 각 노드들이 관리하는 자원들의 공유를 가능하게 하고, 부팅이 진행중인 상태를 감시할 수 있는 방법이 필요하다. 이는 기술적인 측면에서 볼 때, 동일한 커널 이미지를 모든 노드의 메모리에 복사 적재하는데 있어서 노드 부트가 병렬로 수행될 수 있도록 복사 대상이 되는 노드들을 결정하기 위하여 시스템을 구성하고 있는 노드들에 관한 정보를 이용하고, 부트가 진행 중에 다른 노드의 부트 진행을 방해하지 않도록 하는 부트 경로를 결정하며, 각 노드의 펌웨어(Firmware)에 의해 부트가 진행되므로 노드간 통신 방법에 대한 펌웨어의 지원이 있어야 한다.
종래의 노드 부팅 기술에서는 시스템 기동과 함께 통신 구동기가 부트 서버에게 최소한의 부트 코드를 다운 로드 받아 가상의 디스크 파일 시스템에서 원격 노드의 디스크를 통해 운영체제 커널 이미지를 각자의 메모리에 적재하는 방법이 이용되어 왔다. 그러나, 가상 디스크 방식에서는 여러 노드들이 동시에 부트 서버에게 디스크 읽기 요구를 하게 되어 결국은 부팅 속도가 떨어지게 되며 각 노드의 펌웨어가 이를 지원하기 위한 복잡한 통신 드라이버를 가지고 있어야 하는 문제점이 있다.
따라서 전통적인 방법에 의해 부트 노드의 부트 디스크로부터 운영체제 커널 이미지를 메모리에 적재하고, 시스템을 구성하고 있는 모든 노드들에 동일한 운영체제 커널 이미지를 복사 전파 시키는 방법을 제안하는 한편, 노드 부트가 여러 노드들에게 병렬로 수행 될 수 있도록 하여 부팅 시간을 단축 시키고, 모든 노드들이 운영체제 커널의 실행을 동시에 할 수 있도록 하며, 부트 노드에 연결된 콘솔 터미널을 이용하여 부트가 진행되는 상태를 감시하는 기능을 동시에 제공할수 있는 방법의 개발이 요망되어져 왔다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고속병렬컴퓨터에서 동일한 운영체제 커널 이미지를 시스템을 구성하고 있는 모든 노드들의 메모리에 복사 전파하고 운영체제 실행을 동기화 하는 방법과 노드 부팅 동안의 진행 상태를 콘솔 터미널을 통하여 감시하는 고속병렬컴퓨터의 노드 부트 방법의 제공을 그 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 펌웨어가 관리하고 있는 노드 구성 테이블을 사용하여 논리적인 부트 경로를 찾아내는 제 1단계와, 상기 제 1단계로부터 운영체제 커널 이미지의 복사가 병렬로 일어나도록 부트 대상 노드들을 결정하는 제 2단계와, 상기 제 2 단계로부터 메모리에 적재된 운영체제의 유효한 부분을 대상 노드들에 복사하는 제 3단계와, 상기 제 3단계로부터 부팅의 시작과 종료 시점에 부트 노드에게 노드의 상태를 알려주어 부트 진행 상태를 콘솔 터미널에 표시하는 제 4단계, 상기 제 4단계로부터 모든 노드들에 복사가 완료되었을 때 복사된 운영체제의 나머지 부분에서 실행을 동시에 시작하는 제 5단계롤 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명이 적용되는 고속병렬컴퓨터의 시스템 구성도.
도 2는 펌웨어, 노드 부트 및 운영체제 사이의 인터페이스.
도 3은 노드 부트의 구성도.
도 4는 노드 부팅의 과정도.
도 5는 노드 부팅의 제어 흐름도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
22: 부트 상태 감시기 23: 노드 부트 코아
24: 펌웨어 함수 호출기 25: 화면표시부
26: 메시지 처리부 27: 메시지 수신부
28: 커널 복사부 29: 실행제어부
30: 경로 결정부 31: 콘솔 구동기
32: 노드간 통신 33: 운영 체제 커널 이미지
34: 사이트 맵 테이블 35: 노드 구성 테이블
36: 함수 호출 테이블
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 노드 부팅 방법이 적용되는 고속병렬컴퓨터(SPAX)의 시스템 구성도이다. 도 1를 참조하여 본 발명이 적용되는 시스템 구성에 대하여 설명하면 다음과 같다.
SPAX는 노드당 1 Gbytes 까지의 메모리(6)를 4개의 Intel Pentium-Pro 처리기(5)들이 공유하는 SMP(Symmetric Multi-Processor) 구조의 노드(2)들을 128개 까지 계층적 크로스바 연결망(1)에 접속된 클러스터링 형태의 병렬 컴퓨터이다. 노드들 간의 통신을 위하여 모든 노드들은 XNIF(eXcent Network InterFace)(4)를 가지고 있으며, 제어 메시지에 대하여 점대점(point-to-point) 및 브로드캐스트(broadcast) 통신을 제공하고 데이터 메시지에 대해서는 최대 1 Mbytes 까지 점대점 통신으로 메시지를 송수신 할 수 있도록 되어 있다.
도 2는 고속병렬컴퓨터에서 수행되는 펌웨어(13), 노드 부트(19) 및 운영체제(14) 사이의 인터페이스를 나타낸다. 고속병렬컴퓨터는 분산형 메모리(6)를 갖고 노드(2) 간에는 고속의 상호연결망(12)으로 연결되어 있으며, 운영체제 부팅을 위하여 펌웨어(13)가 부트 디스크(10)로부터 부트 노드(2)의 메모리(6)에 운영체제 커널 이미지(14)를 적재한다. 운영체제가 실행되기 전에는 펌웨어가 노드간 통신(16)을 위한 프리미티브들을 제공하며 펌웨어 함수 호출(18)을 이용하여 노드간 메시지 송수신이 가능하다. 노드 부트(19)는 운영체제의 수행 시작 부분에 두어 복사와 실행의 과정에서 항상 동일한 환경이 되도록 한다. 노드 부팅의 세부적인 과정은 도 4도에서 상세히 기술하였다.
도 3은 노드 부팅의 구성도로서, 노드 부트는 크게 펌웨어 함수 호출부(24), 노드 부트 코아(23), 그리고 노드 부트 상태 감시기(22)로 구성된다. 펌웨어 함수 호출부(24)는 노드 부트 과정에서 콘솔 터미널(9)에 부트 상태를 표시하기 위하여 문자를 보내기 위한 직렬 포트 입출력(31)과 다른 노드(3)로 운영체제 이미지(33)의 복사 및 제어를 위해 메시지를 보내는 과정을 펌웨어의 노드간 통신 프리미티브(32)를 이용하도록 펌웨어에 의해 관리되는 펌웨어 함수 호출 테이블(36)을 사용하도록 하는 인터페이스를 담당한다. 노드 부트 코아(23)는 펌웨어가 생성한 시스템내의 노드 구성 테이블(35)을 이용하여 시스템에 장착된 노드들에 대하여 부트 순서를 결정하기 위하여 사이트맵 테이블(34)을 작성한다. 사이트맵은 부트 노드가 작성하며 병렬로 노드 부트가 진행되도록 하기 위하여 이진 트리 형식의 테이블 형태로 만든다. 128 개 까지로 구성된 노드들에 운영체제 이미지(33)를 복사하는 과정에서 각 노드들은 자신의 노드에 복사될 때까지 기다리는 시간과 다른 노드들에 복사를 하는데 소요되는 시간 및 복사 후 모든 노드들에 복사가 완료될 때까지 대기하는 시간의 합이 똑같게 되도록 하여 노드 부트에 소요되는 시간을 최소화 할 수 있도록 부트 순서를 결정하였다. 각 노드들은 자신이 복사해 주어야 할 노드들을 결정(30)하고 할당된 노드들에 복사(28)를 완료하면 부트 노드에게 통지하고 부트 노드는 사이트맵에 기록한다. 부트 노드는 사이트맵을 추적하여 모든 노드로부터 부트 완료 통지(27)를 받았을 때 브로드캐스트 제어 메시지를 보내어 대기 상태에 있는 노드들이 운영체제를 시작(29)할 수 있도록 하고 자신도 운영체제 모드로 진입한다. 부트 상태 감시기(22)는 부트 노드가 시스템에 장착된 노드들에 대하여 콘솔 터미널(9)에 IDLE 상태를 표시하고, 각 노드들이 다른 노드에 복사를 시작하는 시점에 부트 노드(2)에게 통지하여 콘솔 터미널에 부트 활성화 상태로 대상 노드를 표시(25)하도록 한다. 이때, 복사되고 있는 노드에 대해서는 복사해주는 노드를 표시하여 상호 관계를 감시할 수 있도록 한다. 각 노드가 다른 노드들에 복사하는 과정이 완료되면 자신이 대기 상태로 진입한다는 사실을 부트 노드에게 알려 주어 WAIT 상태로 표시하게 하며 부트가 종료된 노드들을 확인(26)하여 사이트맵에 기록한다.
도 4는 노드 부트 과정도로서, 도 4를 참조하여 각 노드들에서 진행되는 노드 부팅 과정을 설명하면 다음과 같다. 동일한 운영체제 커널 이미지(45)를 부트 노드(38)가 비 부트 노드(39)에 복사하고 복사된 커널 이미지(45)를 동시에 실행하며 진행 상태를 감시할 수 있는 노드 부팅은 두 단계로 이루어진다. 제 1 단계는 부트 노드(38)가 처리하는 단계로써, 먼저 전통적인 부팅 방법에 의해 부트 노드의 메모리에 적재된 운영체제 커널 이미지(45)를 커널 복사부(40)가 부팅 과정에서 노드 부트에 넘겨준 부트 정보(46)를 참조하여 운영체제 커널 이미지(45)가 메모리에서 차지하는 부분만을 펌웨어(37)의 노드간 통신(50)을 이용하여 대상 노드로 복사한다. 다른 노드로 커널 이미지(45)를 복사하고 복사된 커널을 실행 시키기 위해서 부트 노드는 실행 제어부(42)가 노드 구성 테이블(48)을 참조하여 부트 경로 결정부(44)에서 노드간 통신(50)을 이용한다. 다른 노드로 복사를 시작하거나 더 이상 복사를 하여야 할 대상 노드가 없으면 비 부트 노드는 부트 노드에게 복사 완료 통보를 한다. 다른 노드로부터 부트 진행 상태에 대한 통보를 받은 부트 노드는 부트 상태 표시기(41)을 통하여 펌웨어의 함수 호출부(43)로 콘솔 터미널에 표시할 화면을 구성하여 함수 호출부로 넘겨준다. 함수 호출부는 펌웨어가 제공하는 함수 호출 테이블(47)을 참조하여 콘솔 구동기(49)에 문자를 보내기 위하여 펌웨어 함수를 호출할 수 있는 인터페이스를 제공한다. 제 2단계는 부트 노드로부터 운영체제 커널 이미지(45)를 복사 받아 자신의 메모리에 적재하는 단계로써, 펌웨어(37)의 노드간 통신(50)에 의해 메시지를 받아서 실행 제어부(42)가 커널 복사부(40)를 이용하여 부트 노드에서와 동일한 운영체제 커널 이미지(45)를 복사 받는다. 복사된 운영체제 커널은 부트 노드로부터 실행 시작 지시를 받아 실행 제어부(42)에 의해 자신이 또다른 노드들에 복사본을 다시 복사하기 위해 부트 노드의 역할을 하게 되어 전체 과정이 더 이상 복사할 노드가 없을 때 까지 반복한다. 더 이상 복사할 대상 노드가 없으면 복사 완료 통보를 부트 노드에게 보내어 부트 상태의 변화를 표시하게 하고 자신은 모든 노드가 복사 완료 되었다는 통보를 부트 노드로부터 받을 때까지 기다린다. 전체 노드들의 복사 완료 통보를 받으면 복사된 운영체제의 나머지 부분인 마스터 부트(20)를 실행함으로써 실제로 운영체제 모드로 진입한다.
도 5는 노드 부팅의 제어 흐름도로서, 고속병렬컴퓨터에서 동작하는 운영체제(operating system)(14)는 노드 부트(19)와 마스터 부트(20) 및 마이크로커널(micro-kernel) 과 여러 개의 시스템 서버(system-server)(21)로 구성되어 있는데 노드 부트(19)는 부트 노드의 메모리에 적재된 이후에 시스템에 장착된 모든 노드들에 복사하는 일련의 과정을 위한 코드로써 마스터 부트(20) 코드 보다 앞에 두어 실행한다. 따라서, 부트 디스크(10)로부터 적재된 원형의 운영체제(14)나 복사본의 운영체제(15)는 펌웨어로부터 제어권을 넘겨받아 운영체제 시작 부분에 있는 노드 부트 코드를 실행함으로써 노드 부트가 시작된다. 모든 노드는 시스템에 장착될 때 자신의 노드 번호를 서로 다르게 가지도록 되어있다. 각 노드는 XNIF(4)에서 제공하는 레지스터(register)를 읽어서 노드 번호를 식별(S1)한다. 펌웨어가 관리하는 노드 구성 테이블은 128개의 노드에 대하여 순서대로 나열되어 있으며 각 노드에 대한 유효한 정보를 가지고 있다. 이 중에서 노드에 장착된 메모리의 양에 대한 정보는 각 노드가 다른 크기의 메모리를 가지고 있을 때 부트 정보(46)의 일부인 실제 메모리 크기가 커널 이미지 복사에 의해 다르게 전달될 수 있으므로 실제 장착된 메모리 크기로 변경하여 반영한다. 부트 정보도 노드 부트 과정에서 운영체제 이미지와 함께 다른 노드로 복사되는 부분이며 나중에 운영체제의 마스터 부트(20) 코드에 의해 사용된다. 원형의 운영체제(14)를 가진 노드는 부트 노드가 되어 펌웨어가 관리하는 노드 구성 테이블(35)을 참조하여 실제로 시스템에 장착되어 운용중인 노드들을 노드 부트에 소요되는 시간을 최소화 하기 위하여 이진 트리 형식으로 논리적인 노드 구성 테이블을 사이트맵 테이블(34)을 작성한다. 사이트맵(sitemap) 테이블은 부트 경로를 결정하는데 있어서 가장 중요한 부분이다. 사이트맵 테이블은 노드 부트 코드의 일부분으로 작성되며 복사과정에서 함께 다른 노드로 전달된다. 부트 경로는 각 노드가 다른 노드에게 커널 이미지를 복사해 주어할 대상 노드를 결정하는 과정으로써 크로스바 스위치 네트웍의 특성에 따라 중복 또는 간섭없이 진행하도록 하는 경로를 선택하게 하고 6 Mbytes의 크기를 가진 SPAX의 운영체제를 가장 빠른 시간 동안에 모든 노드에 복사하는 정책을 마련하기 위해 작성한다. 이진 트리(binary tree) 형식으로 작성 관리되는 사이트맵에 따라 모든 노드는 자신이 담당하여야 할 복사 대상 노드들을 결정(S5)하는데 결정 과정에서 이진 트리의 특성에 맞게 두배씩 병렬로 복사가 전체 노드들로 퍼져나가게 된다. 복사본의 운영체제(15)에서 시작하는 노드는 비 부트 노드(3)가 되고 부트 노드가 작성하여 커널 이미지 복사 과정에서 전달된 사이트맵에서 자신의 노드 번호에 해당하는 논리적인 노드 번호인 사이트 번호를 따로 갖는다. 부트 노드가 사이트맵을 관리하면서 모든 노드들로부터 부트 완료 통보를 접수하는 정책 때문에 각 노드는 자신의 부트 진행 상태에 대한 통보를 사이트 번호로 부트 노드에게 알려준다. 자신이 담당해야 하는 노드가 더 이상 없을 때 까지(S5) 자신의 메모리에 적재된 커널 이미지를 XNIF(4)의 노드간 통신 프로토콜에 의해 모두 복사(S6)한 후에 대상 노드가 복사된 커널 이미지의 노드 부트 코드를 실행할 수 있도록 지시(S7)하는 메시지를 보낸다. 더 이상 복사해줄 대상 노드가 없으면 부트 노드에게 복사 완료 보고(S8)를 한다. 복사가 완료된 노드는 자신이 부트 노드인지 비 부트 노드인지에 따라서(S9) 부트 노드이면 모든 노드로부터 부트 완료 보고를 접수하여 부트 상태 감시기에 해당 노드를 대기 상태로 표시하고 사이트맵에 부트 완료 표시를 한다. 모든 노드로부터 부트 완료 보고를 받으면(S11) 운영체제의 나머지 부분인 마스터 부트(20) 코드로부터 각자 실행을 시작하라는 지시를 브로드케스트 메시지를 보내어 자신을 포함한 모든 노드가 동시에 운영체제 모드로 진입할 수 있게 한다. 반면에, 비 노드 부트인 경우에는 부트 노드로부터 운영체제를 시작하라는 지시가 올 때 까지 메시지 수신 대기 상태에 있다가 메시지를 받은 즉시 운영체제 코드를 실행한다. 이상의 모든 과정은 병렬로 커널 복사가 일어나며 복사된 커널의 노드 부트 코드를 시작하는 시점에서부터 운영체제 모드로 진입하는 전 과정이 모든 노드에서 동일한 절차에 따라 진행되도록 하기 위해 노드 부트 코드를 운영체제 커널 코드의 일부로 작성하였다.
본 발명은 고속병렬컴퓨터에서 시스템을 구성하고 있는 모든 노드들의 메모리에 동일한 운영체제 커널 이미지를 복사하고 운영체제 실행을 동시에 시작하며 노드 부팅 과정에서 진행 상태를 감시하는 방법에 있어서, 펌웨어가 관리하는 노드 구성 테이블로부터 부트 순서와 경로를 찾아내어, 유효한 커널 이미지만을 다른 노드들의 메모리에 병렬로 복사하고, 복사가 진행되는 상태를 부트 노드에게 알려주어 콘솔 터미널에 표시하게 하고, 모든 노드들에 운영체제 커널 이미지가 복사된 이후에 운영체제 실행을 동시에 시작하게 하는 탁월한 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 노드 부팅 방법은 펌웨어가 관리하고 있는 노드 구성 테이블을 사용하여 논리적인 부트 경로를 찾아내는 제 1단계와,
    운영체제 커널 이미지의 복사가 병렬로 일어나도록 부트 대상 노드들을 결정하는 제 2단계와,
    메모리에 적재된 운영체제의 유효한 부분을 대상 노드들에 복사하는 제 3단계와,
    부팅의 시작과 종료 시점에 부트 노드에게 노드의 상태를 알려주어 부트 진행 상태를 콘솔 터미널에 표시하는 제 4단계,
    모든 노드들에 복사가 완료되었을 때 복사된 운영체제의 나머지 부분에서 실행을 동시에 시작하는 제 5단계롤 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고속 병렬컴퓨터의 노드 부트 방법.
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