МОДУЛЬНАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ПИРРИНГОВОГО ТИПА

Полезная модель относится к области вычислительных систем, а именно к обработке цифровых данных с помощью цифровых компьютеров, и может применяться, в частности, для решения потоковых вычислительных задач высокой интенсивности, обработки результатов научных экспериментов в центрах обработки данных научно-исследовательских центров.
Известны модульные вычислительные системы.
Компьютер Cray T3D, являющийся суперкомпьютером с массовым параллелизмом и с распределенной памятью (Вычислительные процессоры и системы. / Под редакцией Г.Н.Марчука. Выпуск 7. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1990.). В его состав входят два типа основных компонентов: вычислительные узлы и коммутационная сеть. Коммутационная сеть компьютера Cray T3D образует трехмерную решетку, соединяя сетевые маршрутизаторы узлов в трех пространственных направлениях. Связь между двумя смежными узлами реализована с помощью двух однонаправленных каналов передачи данных, что допускает одновременный обмен данными в противоположных направлениях. Недостатком этого устройства является низкая реальная производительность при решении задач, требующих большого числа между процессорных пересылок.
Многопроцессорная система, состоящая из модулей (Левин И.И., Виневская Л.И. Модуль многопроцессорной системы. Патент №02282236 RU, опубл. 20.08.2006, МПК G06F 15/16). Модуль многопроцессорной системы, предназначенный для построения многопроцессорных систем, содержит группу макропроцессоров, выполняющих крупные математические операции, группу мультиконтроллеров распределенной памяти, обеспечивающих скоростной обмен информацией между оперативной памятью и макропроцессорами и параллельно-конвейерную обработку информации, матричный коммутатор, обеспечивающий прямые пространственные соединения между всеми компонентами системы, причем информационные входы устройства соединены с двунаправленными входами/выходами оперативной памяти и двунаправленными входами/выходами блока мультиконтроллеров распределенной памяти.
Наиболее близким по технической сущности устройством, принятым за прототип, является модульная вычислительная система (Кабак И.С., Суханова Н.В. Модульная вычислительная система. Патент на полезную модель №75247, опубл. 27.07.2008), в которой каждый модуль содержит несколько разъемов, сетевой контроллер-маршрутизатор, шлюз модуля и функциональные блоки, причем разъем используется для взаимного соединения вычислительных модулей, шлюз модуля имеет один внешний вход и один внешний выход, а также много внутренних входов и выходов, подсоединенных, соответственно к выходам и входам упомянутых функциональных блоков, при этом входы и выходы контроллера-маршрутизатора подсоединены к разъемам и внешнему входу и внешнему выходу шлюза.
Недостатком указанного устройства является низкая производительность при обработке интенсивных потоков данных, вследствие их неравномерности.
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является:
- обеспечение возможности динамической балансировки нагрузки вычислительных модулей.
Эта задача решается тем, что модульная вычислительная система пиррингового типа, в которой каждый вычислительный модуль содержит несколько разъемов, сетевой контроллер-маршрутизатор, шлюз и функциональные блоки, причем разъем используется для взаимного соединения вычислительных модулей, шлюз модуля имеет один внешний вход и один внешний выход, а также много внутренних входов и выходов, подсоединенных, соответственно к выходам и входам упомянутых функциональных блоков, при этом входы и выходы контроллера-маршрутизатора подсоединены к разъемам и внешнему входу и внешнему выходу шлюза, дополнена интеллектуальным агентом управления динамической балансировкой нагрузки, устройством хранения управляющей информации, при этом первый выход и первый вход интеллектуального агента управления динамической балансировкой нагрузки соединен с первым внутренним входом и первым внутренним выходом шлюза модуля, второй выход и второй вход интеллектуального агента управления динамической балансировкой нагрузки соединен с входом и выходом устройства хранения управляющей информации, остальные входы и выходы соединены соответственно с выходами и входами функциональных блоков.
Благодаря указанной совокупности признаков, за счет того, что в известную схему добавлены интеллектуальный агент управления динамической балансировкой нагрузки, устройство хранения управляющей информации, обеспечивается возможность динамической балансировки нагрузки вычислительных модулей.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленной полезной модели условию патентоспособности «новизна».
Заявленная модульная вычислительная система пиррингового типа поясняется следующими чертежами:
на фиг.1 приведена схема вычислительного модуля модульной вычислительной системы пиррингового типа;
на фиг.2 приведена схема модульной вычислительной системы пиррингового типа (вариант).
Вычислительный модуль модульной вычислительный системы пиррингового типа, представленный на фиг.1 содержит сетевой контроллер-маршрутизатор 1, шлюз модуля 2, функциональные блоки 3, интеллектуальный агент управления 4, устройство хранения управляющей информации 5. Сетевой контроллер-маршрутизатор 1, шлюз модуля 2 и функциональные блоки 3 являются известными устройствами и описаны, например, в прототипе (Кабак И.С., Суханова Н.В. Модульная вычислительная система. Патент на полезную модель №75247, опубл. 27.07.2008).
Интеллектуальный агент управления динамической балансировкой нагрузки 4 предназначен для осуществления балансировки нагрузки на основе пирринговой технологии, является известным устройством и описан, например, в отчете Van Roy P., Ghodsi A., Stefani J-B., Haradi S. Self management of large-scale distributed systems by combining peer-to-peer networks and components // CoreGRID Technical report. TR-0018. 2005. - 12 p, и может быть реализован на основе процессорных элементов РРЕ.
Устройство хранения управляющей информации 5 предназначено для хранения списка взаимодействующих вычислительных модулей, является известным устройством и описано, например, в книге Фигурнова В.Э. «IBM PC для пользователя» - Издание 7-ое. - М.: Инфра-М. - 1998. на стр.123-127, и может быть реализовано на основе микросхем памяти типа DDR3 SDRAM PC-17000.
Промышленная применимость модульной вычислительной системы пиррингового типа обусловлена наличием современной элементной базы, на которой может быть реализовано устройство.
Заявленная модульная вычислительная система пиррингового типа работает следующим образом. Сетевой контроллер-маршрутизатор 1 подсоединен к разъемам и обеспечивает прием и передачу управляющей и обрабатываемой информации между вычислительными модулями, прием обрабатываемой информации от источников и передачу результирующей информации получателям в формате отдельных пакетов данных, где имеются адреса модуля-отправителя, модуля-получателя, функционального блока-отправителя, функционального блока-получателя, тип пакета (управляющий или информационный). Сетевой контроллер-маршрутизатор 1 определяет адрес вычислительного модуля, для которого пришел пакет. Если пакет передается для данного вычислительного модуля, то сетевой контроллер-маршрутизатор 1 передает его в шлюз модуля 2. Если эта информация передается для другого вычислительного модуля, то сетевой контроллер-маршрутизатор 1 передает ее на разъем, ближайший к модулю-получателю. Для маршрутизации пакетов используется алгоритм, аналогичный маршрутизации пакетов в компьютерных сетях.
Шлюз модуля 2 служит для распределения информационных пакетов и между функциональными блоками 3 в соответствии с их адресами и направления управляющих пакетов на интеллектуальный агент управления 4, и получения управляющих пакетов от него. Шлюз модуля 2 обеспечивает передачу информации на вход и прием информации с выхода соответствующего функционального блока 3. Шлюз модуля 2 необходим для мультиплексирования входов и выходов функциональных блоков (если в вычислительном модуле имеется несколько функциональных блоков 3 или функциональный блок 3 имеет больше одного входа/выхода).
Интеллектуальный агент управления динамической балансировкой нагрузки 4 предназначен для балансировки нагрузки между вычислительными модулями. Через заданные промежутки времени интеллектуальный агент управления динамической балансировкой нагрузки 4 опрашивает функциональные блоки на степень загруженности и получает их состояние. На основе интеллектуальных методов определяет состояние вычислительного модуля. Существует три состояния: перегруженное, рабочее, простаивающее. При перегруженности вычислительного модуля интеллектуальный агент управления динамической балансировкой нагрузки 4 запрашивает устройство хранения управляющей информации 5 об адресах подключенных вычислительных модулей и осуществляет отправку запросов о состоянии подключенных вычислительных модулей в виде управляющего пакета типа 1 через шлюз модуля 2. При получении запроса о состоянии вычислительного модуля интеллектуальный агент управления динамической балансировкой нагрузки 4 отправляет управляющий пакет типа 2, в котором указано одно из трех состояний. При наличии простаивающих подключенных вычислительных модулей интеллектуальный агент управления динамической балансировкой нагрузки 4 осуществляет перенаправление на них части информационных пакетов путем замены в них адресов вычислительных модулей-получателей. При отсутствии простаивающих подключенных вычислительных модулей, интеллектуальный агент управления динамической балансировкой нагрузки 4 рассылает запрос на получение управляющей информации, отправляя управляющий пакет типа 3. При получении управляющего пакета типа 3, интеллектуальный агент управления динамической балансировкой нагрузки 4 запрашивает устройство хранения управляющей информации 5 об адресах подключенных вычислительных модулей, формирует управляющий пакет типа 4 с перечислением адресов и пересылает его на запросивший вычислительный модуль. При получении управляющего пакета типа 4 интеллектуальный агент управления динамической балансировкой нагрузки 4 осуществляет отправку новых запросов типа 1 к указанным в пакете типа 4 вычислительным модулям и добавляет их адреса в устройство хранения управляющей информации 5. Поиск простаивающих узлов происходит до выравнивания нагрузки вычислительного модуля.
С целью проверки работоспособности заявленной модульной вычислительной системы пиррингового типа было проведено полунатурное исследование модульной вычислительной системы пиррингового типа. Экспериментальная проверка проведена на вычислительных системах различной размерности со значительной вариацией количества вычислительных модулей, при этом тестовый входной поток обладал значительной неравномерностью. Количество вычислительных модулей варьировалось в диапазоне от четырех до шестидесяти. Результаты обработки входного потока на модульной вычислительной системе пиррингового типа показали возможность динамической балансировки нагрузки вычислительных модулей.