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1、 高可用与高性能计算系统的构建与应用-中心机房建设内容与应用背景介绍2006年3月2日高可用与高性能计算系统的构建与 应用汇报试图解答两个问题：中心机房可以提供哪些超越微机系统的实验平台？在这样的平台上可望进行哪些研究、开发与技术积奠？高可用与高性能计算系统的构建与 应用 建设目标与应用背景主要设备及技术参数高性能计算高可用集群网格计算接入技术信息安全下一代互联网.建设目标与应用背景智能安全态势 监控保障体系专用芯片设计 关键技术语音图像 关键技术实用智能 关键技术软件平台 硬件平台 专用设备.建设目标与应用背景按照项目任务书，985工程“智能化国防安全信息技术”项目的建设内容包括基础平台建设
2、、关键技术研究、智能安全态势监控保障体系开发这样三个层面。基础开发平台建设主要是建立一套网络化共享的基础开发软硬件平台，为其他两个层面的研究提供软硬件支撑1.建设目标与应用背景中心机房作为整个基础平台的一部分，主要目标是 建立一个网络化共享的高可用（HA,High-Availability)与高性能计算(HPC,High Performance Computing)服务器系统,提供高可靠的数据存储中心，为满足后续研究提供必要的计算、存储、信息安全等实验平台中心机房建成后，也将有助于弥补我们在信息技术高端设备上不足，适应社会上前沿计算机应用技术发展的趋势，增强申报和承接信息类项目的能力，同时提高
3、培养高素质技术人才的实力1.建设目标与应用背景中心机房的建立，可以提供微机环境下所不具备的某 些实验平台，用户可通过终端或模式使用系统 资源，可为下述几方面提供实验平台：l 基于SMP与Cluster的高性能计算；l 高可用集群的性能优化；l 网格计算；l 高端计算机系统的接入技术；l 网络对抗与信息安全的策略研究；l 下一代互联网（NGI)的应用开发等2.主要设备及技术参数2.1 高性能计算系统2.2 高可靠存储系统2.3 双协议栈网络交换系统2.4 信息安全系统中心机房配置的大型设备及其技术指 标详见相关附件。.1 高性能计算系统(1) 小型机系统中心机房配备了四台小型机，分别是IBM公
4、司的P550和P520,以及HP公司的RX4640和RX2620.小型机具有优异的浮点计算性能、出色的内 存扩充能力、大容量高速缓存和优越的SMP处理 特性, 它还支持增强的错误检测、纠正和容错能 力, 这些特性是微机服务器所不具备的。小型机软件专用，互通性差，价格昂贵，配 备不好将导致可用性差,通过在小型机上安装 Linux AS操作系统，以及利用IT厂商的大学合作 计划，可以扩大工具软件来源。(2) 刀片式服务器刀片式服务器是由许多松耦合的处理单 元组成的，每个单元内的CPU都有自己私有的 资源，如总线，内存，硬盘等。在每个单元 内都有操作系统和管理数据库的实例复本。 与SMP (Symm
5、etric Multi Processing),不同 ，这种结构最大的特点在于不共享内存资源 。因为要在不同处理单元之间传送信息，所 以其效率很大程度依赖于各单元间的通信效 率,但具有更高的容错性(2)刀片式服务器中心机房配备了 IBM BladeCenter HS20 和HP ProLiant BL20p G2两款各带有4片双处 理器单元的刀片式服务器，每个刀片采用高 性能的Intel(R) XeonTM 2.8GHz处理器，带 有SAN存储能力，内置GB的PC 2100 DDR内 存和千兆以太网卡，以及两个73GB SCSI硬盘 利用刀片式服务器可以研究集群结构下许 多事务处理和科学计算的
6、并行算法,降低集群 管理的难度和高性能计算的成本。() 企业级微机服务器企业级微机服务器开放性强，操作系统 适应面广，市场容量大，性价比较高。本次采购的HP DL580G3微机服务器，配置四 个Intel Xeon MP EM64T 3.0GHz处理器， 前端总线667MHz， ECC内存8GB，每处理器有 二级高速缓存1MB，并可扩展至64GB，内置 2*73.4GB热插拔SCSI硬盘, 包含RAID 适配器 ，集成双千兆以太网卡，配置光纤通道卡（ HBA），带有2个热插拔冗余电源适合在 indows或Linux环境下的HA或HPC研究 2.2 高可靠海量存储系 统智能化安全信息技术项目研究
7、中涉 及多学科跨平台合作，每个分项都有 大量信息需要备份存储，相互之间需 要进行必要的数据共享，而且对数据 存储的可靠性和安全度要求很高，中 心机房作为项目的计算中心和数据中 心，采用先进的光纤通道存储区域网 络（SAN）以适应存储需求。2.2 高可靠海量存储系统在20世纪80年代，连接主机和存储设备 的标准方法是通过像IDE或并行SCSI这样的 接口实现的点对点的DAS（直接连接存储） 方式。并行SCSI提供了相对快速的访问SCSI 硬盘的速度,并且几个硬盘可以通过同一个 接口连接到计算机上。 但是，随着存储子系统变得越来越大， 计算机变得越来越快，同时，I/O速率也在 不断增长，上述连接方
8、式出现不少新问题2.2 高可靠海量存储系统为了满足这些新的需求，人们开发 了为存储设备提供千兆串行网络访问能 力的光纤通道（Fibre Channel）协议。 在光纤通道协议的第四层上建立了以光 纤通道为基础的用于存储的SCSI协议、 光纤通道协议综合了许多优点，使得光 纤通道协议作为并行SCSI协议的替代者 得到了人们的认可，现在光纤通道协议 被用在绝大多数高容量、高端直连存储 设备上。2.2 高可靠海量存储系统 随着光纤通道协议作为并行SCSI的方式 替代者的出现，并随着其逐渐被市场所接受， 一种组合单纯的存储应用与网络技术于一身的 新技术出现了这就是存储区域网络（ Storage Are
9、a Network，SAN）。SAN是一个由 存储设备和交换系统构成的网络，所有的通信 都在一个光纤通道的网络上完成。SAN的特点 是：支持各种操作系统（AIX、Solaris、 HP/UX、Linux、Windows）通用的数据访问 、 无缝的可扩展性 和集中的管理。可以为项目 研究提供通用、高速、可靠的集中存储单元。2.2 高可靠海量存储系 统HBA光纤通道交换机Fiber Switch光纤通道存储设备心跳网络图2 Cluster+SAN系统解决方案Fiber Switch2.2 高可靠海量存储系统中心机房配置的SAN系统， 光纤通道 交换机带有12个接口，单个光纤接口速度 2GB/s；光
10、纤网络存储柜带有双RAID控制器， 含4个2Gbps光纤通道（FC） 硬盘数目为 28个146GB 10000RPM光纤硬盘，最大可扩 充硬盘数 108个,支持多种RAID级别,支持 的操作系统包括HP-UX、Windows NT、 Windows 2000、Windows Server 2003、 Sun Solaris、AIX、Redhat Linux2.3 双协议栈网络交换系 统目前CERNET上连通地区节点的IP V6高 速专线即将开通，第二代互联网(CNGI)很快 会进入实用状态, 同时IPv4也将长期共存。 中心机房的网络设备必须适应这种发展趋势 ，支持IPv6和IPv4双协议栈
11、IP v6在网络 传输的许多特性上优于IP v4,但是如何架构 基于NGI的应用，将网络层的优势发挥出来 则远未解决，机房配置的双协议栈路由器和 交换机，除支撑日常运行外，尚可用于构造 IP v6小型实验网，支持NGI的应用开发研究 2.4 信息安全系统中心机房作为项目的计算中心和数据中 心，对数据存储的可靠性和安全度要求较 高，为保障信息的安全，购置了包括防火 墙、防毒墙、入侵检测、安全隐患扫瞄、 VPN等安全设备。这些安全设备除了为项目 研究提供数据安全保障外，也将有助于信 息安全技术研究和相关技术人才的培养， 可以剖析、掌握、发展最新网络安全技术 ，开展网络攻防和信息安全的策略研究。高性
12、能计算HPC:High Performance Computing是能够突破性能极限，超越单台高端工作站计算水平，需要通过专门的程序优化，最大限度提高系统的I/O、计算和数据传送性能的计算模式，HPC可以不同程度地提升解题的规模、速度和精度。当前常用的HPC平台主要集中于SMP主机与IA架构集群当然单有适用的硬件平台并不能带来HPC，关键在于将串行的计算程序改造为高性能 的并行计算。 高性能计算SMP (Symmetric Multi Processing)系统 的特点是多处理器共享内存资源，由于免除机 间通信瓶颈，故SMP目前仍然是HPC的重要平台 多处理器事实上包含超线程、双核、多CPU等
13、 结构。超线程技术（Hyperthreading Technology）是Intel公司的创新设计。HT技术 就是利用特殊的硬件指令，把两个逻辑内核模 拟成两个物理芯片，让单个处理器都能使用线 程级并行计算，从而兼容多线程操作系统和软 件，并提高处理器的性能。超线程技术只是对 服务器性能的一种挖潜式的提升高性能计算双核处理器是基于单个半导体的一个处 理器上拥有两个一样功能的处理器核心。从 而处理器每个时钟周期内可执行的单元数将 增加一倍。双处理器结构的引入和微软下一 代操作系统将在很大程度上促进虚拟技术的 发展。即让一台物理计算机虚拟出若干个虚 拟的系统，允许用户在他们的PC上使用超过 一个操
14、作系统，以便每个操作系统解决特定 的运算任务.这些技术在2006-2007年将成为 计算机平台的新亮，并且将使计算机的功能 达到全新的水平。高性能计算与单核处理器相比，多核处理器能在 一些应用领域带来更为强大的动力，比如海 量数据处理、大规模网络应用、复杂科学计 算及大型图形建模为特征的企业级或行业关 键应用领域。由于支持并行处理的应用软件 的需求量不断增加，目前大多数新或即将发 布的应用软件都对此类技术提供了支持，整 个软件市场其实已经为多核心处理器架构提 供了充分的准备。高性能计算这里必须强调，如果要让多处理器系统达到最 大性能，就必须充分利用所有可执行单元,让所有执 行单元都有活可干目前
15、，大多数操作系统已经支 持并行处理，在操作系统设计上，从进程（Process ）演化出线程（Thread），最主要的目的就是更好 地支持多处理器。进程是系统资源管理的最小单位 ，线程是程序执行的最小单位。将传统的单进程单 线程的计算程序改造为多线程并行计算程序可以 显著提高计算性能，当然这就涉及许多算法的重新 设计,并非改变编译选项就能达到.高性能计算IA（Intel Archetecture)将HPC带入全 新阶段。 IA集群的瓶颈在于机间通信通过 经济高效的集群方式（例如刀片式结构）， 可以达到与RISC系统相抗衡的计算能力与运 算效率。最新公布的TOP500强中，IA架构的 系统已经达到
16、119套，最重要的是，在入围TO 的IA构架系统中，有超过3成的系统应用于商 业计算领域。运用的领域涉及金融预测、药 物相互作用分析、基因研究、数据挖掘等。 HPC开始步入主流。高性能计算支持集群计算机并行程序开发的软件包， 目前世界上比较流行的有（PVM、Express、 Linda、MPI）。其中MPI(Message Passing Interface)正成为并行程序设计事实上的工业标 准。当前通用的是MPI1.1规范。正在制定的 MPI2.0规范除支持消息传递外，还支持MPI的I/O 规范和进程管理规范。MPI的主要内容是一个消 息传递函数库，可以嵌在C、C+、Fortran 等程 序设计语言中调用。实现并行进程之间通过网络 相互通信，传递的消息可以是指令、数据、同步 信号或中断信号。Server HardwareGigaNetMyrinetFast EthernetVIATCP/IPGMMVICHLAM/
