《高性能集群系统的搭建以及gmres（m）算法的并行实现》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高性能集群系统的搭建以及gmres（m）算法的并行实现（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、摘要 集群是由一组通过高性能网 络互联起来的计算机系统 ( 节点计算机) 组成的、 具有单一系统映象的高可用、 高性能、 高可扩展性的计算机系统。 集群的发展与集 群并行计算环境的发展是分不开的。 本文结合作者MP I 编程的实践经历， 首先介绍了高性能计算环境以及集群系 统的概念， 然后比 较详细地介绍了 集群的软硬件结构及节点配置等， 随后对并行计 算 环境的 概 念及M P I编 程技术作了 讲述， 接着 针对g m r e s ( m ) 算法进行并 行实 现， 最终得到了较好的并行效果。 论文详细介绍了 如何进行M P I 编程， 其中 涉及到M P I 的介绍、 M P I 编程环
2、 境的实现、如何调试以 及运行， 还介绍了 一些M P I 的编程技巧。我们将重点放在 g m r e s ( m ) 算法的并行实现上， 并对并行结果进行了 分析。 关键字: A lt 能 计 算 、 集 群 、 并 行 计 算 、 M P I , P V M , G M R E S 算 法 Ab s t r a c t C l u s t e r i s a c o mp u t e r s y s t e m w i t h s i n g l e s y s t e m i ma g e h a v i n g h i g h u s a b i l i t y , h i g h p
3、 e r f o r m a n c e a n d h i g h e x p a n s i b i l i t y , w h i c h i s m a d e u p o f c o m p u t i n g n o d e s a n d c o n n e c t e d w i t h h ig h p e r f o r m a n c e n e t w o r k . T h e d e v e l o p m e n t o f c lu s t e r t e c h n o l o g y i s i n c i d e n t a l t o t h e d e
4、 v e l o p m e n t o f c l u s t e r s p a r a l l e l c o m p u t e e n v i r o n m e n t . T h i s p a p e r is b a s e d o n m y p r a c t i c e s o f M P I - p r o g r a m m i n g . I n t h i s p a p e r ,fi r s t l y I w i l l g i v e a n o v e r v i e w o f t h e b a c k g r o u n d k n o w l
5、e d g e i n t h e f o l l o w i n g a s p e c t s : c l u s t e r , t h e s o f t w a r e a n d h a r d w a r e a r c h i t e c t u r e a n d t h e c o n fi g u r a t i o n o f a l l t h e n o d e s o f c l u s t e r , t h e n I w i l l i n t r o d u c e t h e c o n c e p t i o n o f p a r a ll e l
6、c o mp u t i n g e n v i r o n me n t a n d t h e p r o g r a m m i n g t e c h n i q u e o f M P I ( M e s s a g e P a s s i n g I n t e r f a c e ) , fi n a l l y I w i l l p r e s e n t a p a r a l l e l i n g r e a l i z a t i o n o f G MR E S ( m ) a l g o r i t h m . T h e e mp h a s i s o f t
7、 h i s p a p e r i s h o w t o p r o g r a m u s i n g MP I . We d i s c u s s w h a t i s MP I , t h e g l o b a l i d e a o f h o w t o i m p l e m e n t t h e p r o g r a m m i n g e n v i r o n m e n t o f MP I , h o w t o d e b u g a n d r u n , s o m e t i p s o f t h e p r o g r a m m i n g o
8、 f M P I . I n t h i s p a p e r , I w il l a p p l y m y m i n d t o t h e p a r a l l e l i n g r e a l i z a t i o n o f G M R E S a l g o r i t h m a n d t h e a n a l y s i s o # t h e r e s u l t . Ke y w o r d s : h i g h p e r f o r m a n c e c o m p u t e , c l u s t e r , p a r a l l e l c
9、 o m p u t e , M P I P V M, G MR E S ( m ) A l g o r i t h m i n 致谢 在本论文的写作过程中， 我得到了导师和许多热心朋友的帮助。 首先特别感谢 的是我的导师何青老师， 在我三年硕士研究生学习期间， 何老师在学习和生活上都 给予了 我无微不至的关怀和帮助。 何老师治学严谨、 认真求实、 宽厚仁爱的 作风和 扎实的学术功底使我受益匪浅。 这篇论文， 何老师也给予了建设性的启示和悉心的指导， 在此， 我向何老师表 示最为诚挚的谢意。 特别感谢杨淳老师。 她在我做硕士论文期间曾 经给了 我很多的帮助， 我对她渊 博的 知识和勤奋、 务实
10、、 严谨的治学态度由 衷地敬佩。 在长时间的交流中， 她教会 了 我许多整理资料和科研的方法。 她的勤奋敬业的精神值得我学习和效仿。 特别感谢马京然老师， 在我研究生三年的学习生活中， 她在各个方面都给了 我 悉心的关怀和莫大的支持。 她无私的助人风格、 忘我的精神、 严谨的工作作风深深 地影响了我， 这将使我在今后的学习工作中受益匪浅。 她像对待自己孩子一样地关 心和照顾我， 在这里我向她表示我深深的谢意。 特别感谢沈复兴老师、 刘来福老师、 罗运伦老师、 孙魁明老师、 惠昌 常老师。 在 硕士学习期间， 从他们身上我不仅感受到了真正学者的风范， 还学到了 很多为人处 世的 道理。 他们是宽
11、容的 长辈， 是学识渊博、 治学严谨的教育家， 也是风趣睿智、 平 易近人的教授， 他们的教诲和帮助令我终身难忘。 还要感谢保继光老师、 黄海洋老师、 王建华老师、 李仲来老师、 刘永平老师。 他 们在我找工作的过程中， 给了 我极大的帮助与支持， 使我有精力全身心投入到论文 的写作中来。 感谢我的 师兄曾 清国、 王杰、 王杰亮， 师姐吴素萍、 许侠， 师弟黄成泉、 贺笙， 师妹叶萍、 柴凤娟在我学习生活中的 支持和帮助， 我们一起学习、 互相帮助、 共同 成长， 结下了深厚的友谊。 感谢我的室友施宏、 翁云杰和数学系0 1 硕全体同学， 他们和我一起度过了 愉快 难忘的研究生生活， 有了
12、他们才有了我三年来丰富多彩的学习和生活。 最后， 还要特别感谢我的父母， 三年的研究生生活离不开他们默默无闻的支持 和激励。 同时要感谢各位评审老师在百忙之中 抽出时间评审我的论文。 诚挚感谢所 有关心、 帮助过我的亲人和朋友们。 书州勺 芳、 丫 哪碱谓 第一章问题的提出 1 . 1 引言 随着流体力学和计算方法的日 益发展， 流体力学中许多问题的解决都可以通过 离散化最终都归结为求解非对称线性方程组。 而且， 这些方程组的系数矩阵又多为 大规模稀疏矩阵。 对于这类方程组的求解， 直接法显得既费时又费力。 于是， 人们就开始研究针 对这种特殊稀疏矩阵的迭代法。 近年来， 比 较行之有效的迭代
13、法主要有以下三种: C G N、C G S、G M R E S， 而G M R E S 最为 突出2 ) o G M R E S ( g e n e r a li z e d m in im a l r e s id u a l ) 算 法 3 最 早 由S a a d 和S c h u l t : 提 出， 主要用于求解大型稀疏非对称线性方程组。 此后， 该算法历经数次优化和研 究 风s , 6 , 7 , 8 , s ， 已 日 趋 成 熟 和 完 善 。 G M R E S算法的最终实现依赖于具体的计算机。 由 于计算机性能和存储的限 制，G M R E S算 法的具体实 现就受 到了
14、不同 程度的 制约， 但是随 着高 性能 计算技 术的日 益成熟和完善， 使得这种算法的并行实现成为拓展该算法应用的另一发展方 向 1 0 , i i . 考 虑 到 算 法 的 易 实 现 性 和 适 用 范 围 ， 我 们 选 取 文 献 3 中G M R E S 算 法 的 变 形 G M R E S ( m ) 算法作为我们的 并行研究对 象， 有兴 趣的 读者可以 对上述文 献中 提 到 的 其他变形进行研究。 针对该算法数据存储量大和计算复杂的特点， 我们利用高性 能 并行 计算技术， 实现G M R E S ( m ) 算法的 并行解法， 从而力 求 缩短计 算时间 和增 大解决
15、问题规模。 作者通过对高性能环境的 探讨， 将致力于集群环境的实现， 以 及在这一特定环 境 基 础上的G M R E S ( m ) 算 法的 并 行 研究。 本文的结构如下: 第一章， 通过并行计算体系结构的讨论以 及我们现有的条件， 我们选择集群作为我们的并行计算环境。 第二章， 介绍集群的的相关技术以 及软硬 件环境， 并从中做出选择， 实现我们的集群计算环境; 第三章， 详细介绍并行编程 技术; 第四 章， 实 现G M R E S ( 间 算 法的 并 行算法， 并 通过一个 具体实 例 对其并 行 效率进行评估。 1 . 2 计算的重要性以及并行计算环境的必要性 随着计算机和计算
16、方法的飞速发展， 几乎所有的学科都走向定量化和精确性， 从而产生了一系列诸如计算物理、 计算化学、计算生物学、计算地质学、 计算气 象学和计 算材料学等的 计算科学。 在世界上形成了 一门 计 算性的 科学分 支C S E C o m p u t a t io n a l S c i e n c e 其次， 它需要运用多种基础数学知识， 如偏微分方程理论、 有限元、 非线性分析、 微分几何和近世代数等等， 对提出的求解需求进行数学化的加工， 使 其转化为数学化的计算问题; 最后， 它需要充分掌握和运用先进的计算设备、 计算 方法、 计算手段对其进行实际的求解计算， 达到问题的 最终解决。 问 题的 最终解决要依赖于计算机性能的大小。 从计算机诞生以 来， 计算机技术 一 直在不断 发展。 随 着新的技 术和工艺的 不断出 现， 单 个处理器( C P U) 处理能 力 越来越强。 但是种种现象表明， 单个处理器难以 突破一个存在的 性能极限， 而使用 并行计算机系统可以突破单机系统的这种限制。 另外， 从众多榷待解决问题的问题域来看， 很多问题在实
