本文關(guān)鍵詞：MPI環(huán)境下多副本容錯(cuò)技術(shù)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著科學(xué)與工程技術(shù)的發(fā)展,一些大規(guī)模數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算問題隨之涌現(xiàn),例如目前人類所面臨的基因工程中DNA圖譜繪制、全球氣候的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)、海洋洋流循環(huán)的計(jì)算等難題。這類問題使用一般的串行計(jì)算模型在有限時(shí)間內(nèi)已很難解決,而并行計(jì)算模型可以大大提高計(jì)算速度,成為解決這類問題的有效途徑。目前,并行計(jì)算已在計(jì)算密集型應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用。并行計(jì)算在軟件上主要依靠編寫并行庫來實(shí)現(xiàn)。近些年來由于高速局域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,基于消息傳遞模型的并行編程庫MPI由于其高效、可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)成為事實(shí)上的并行編程標(biāo)準(zhǔn)。隨著并行計(jì)算系統(tǒng)規(guī)模的增大,運(yùn)行時(shí)間的增長,基于MPI的計(jì)算系統(tǒng)發(fā)生故障的概率也隨之升高,而現(xiàn)有的MPI計(jì)算環(huán)境容錯(cuò)能力較差,發(fā)生節(jié)點(diǎn)失效時(shí)更是會(huì)直接導(dǎo)致整個(gè)程序的崩潰,所以MPI計(jì)算環(huán)境的容錯(cuò)問題成為了研究熱點(diǎn)。已有的MPI環(huán)境下容錯(cuò)技術(shù)包括檢查點(diǎn)／回滾技術(shù)和冗余技術(shù),這些解決方案都有一定的局限性：檢查點(diǎn)／回滾計(jì)術(shù)可靠性較低且在系統(tǒng)規(guī)模越來越大時(shí)有效工作時(shí)間所占比率會(huì)越來越�。阂延械娜哂嗉夹g(shù)沒有考慮在異構(gòu)PC節(jié)點(diǎn)所搭建的MPI環(huán)境的執(zhí)行效率問題,執(zhí)行效率低下。本文基于MPI環(huán)境下已有的檢查點(diǎn)技術(shù)和冗余技術(shù),提出了一種多副本容錯(cuò)方案R-MPI。R-MPI采用層次化的檢測結(jié)構(gòu)和push檢測協(xié)議來檢測節(jié)點(diǎn)的失效行為；R-MPI使用多個(gè)物理節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)邏輯組,執(zhí)行相同的計(jì)算任務(wù),向用戶提供透明的容錯(cuò)服務(wù),在邏輯組中任何一個(gè)物理節(jié)點(diǎn)失效的情況下,整個(gè)系統(tǒng)仍然能夠保證正常運(yùn)行。在邏輯組之間通信時(shí),R-MPI始終保證邏輯組中計(jì)算性能最高的節(jié)點(diǎn)作為執(zhí)行消息發(fā)送任務(wù)的節(jié)點(diǎn),從而提高了執(zhí)行效率。同時(shí)R-MPI還提供了靈活的冗余配置策略以及對(duì)動(dòng)態(tài)冗余的支持,進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性。本文在所設(shè)計(jì)的冗余容錯(cuò)方案的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了R-MPI原型系統(tǒng)。通過原型系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和大規(guī)模仿真實(shí)驗(yàn)與已有的冗余容錯(cuò)方案進(jìn)行對(duì)比評(píng)估。結(jié)果表明,相比于其他方案,本文的容錯(cuò)方案在保證系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上同時(shí)具有冗余消息少、執(zhí)行效率高的優(yōu)點(diǎn)。
【關(guān)鍵詞】：MPI并行計(jì)算 容錯(cuò) 冗余技術(shù) 高效
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP302.8
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-15
• 1.1 研究背景11-13
• 1.1.1 并行計(jì)算概述11-12
• 1.1.2 研究現(xiàn)狀12-13
• 1.1.3 研究目的和意義13
• 1.2 本文的主要工作13-14
• 1.3 論文組織結(jié)構(gòu)14-15
• 第二章 相關(guān)研究15-22
• 2.1 故障檢測15-17
• 2.1.1 檢測協(xié)議15-16
• 2.1.1.1 “推”協(xié)議和“拉”協(xié)議15-16
• 2.1.1.2 gossip協(xié)議16
• 2.1.2 檢測器結(jié)構(gòu)16-17
• 2.2 容錯(cuò)技術(shù)17-21
• 2.2.1 檢查點(diǎn)/回滾技術(shù)17
• 2.2.2 冗余技術(shù)17-20
• 2.2.3 現(xiàn)有容錯(cuò)技術(shù)小結(jié)20-21
• 2.3 本章小結(jié)21-22
• 第三章 R-MPI的系統(tǒng)模型22-28
• 3.1 問題描述22-23
• 3.2 系統(tǒng)模型23-27
• 3.2.1 符號(hào)/名稱描述23-24
• 3.2.2 故障模型24-25
• 3.2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型25-26
• 3.2.4 消息交互模型26-27
• 3.3 本章小結(jié)27-28
• 第四章 R-MPI冗余容錯(cuò)設(shè)計(jì)28-36
• 4.1 冗余系統(tǒng)發(fā)生故障的概率分析28-30
• 4.1.1 靜態(tài)冗余系統(tǒng)的故障概率分析28-29
• 4.1.2 動(dòng)態(tài)冗余系統(tǒng)的故障概率分析29-30
• 4.2 R-MPI的冗余容錯(cuò)協(xié)議30-35
• 4.2.1 邏輯組的創(chuàng)建31
• 4.2.2 過濾器的設(shè)計(jì)31-32
• 4.2.3 無節(jié)點(diǎn)失效時(shí)的容錯(cuò)協(xié)議32-33
• 4.2.4 有節(jié)點(diǎn)失效時(shí)的容錯(cuò)協(xié)議33-35
• 4.2.4.1 節(jié)點(diǎn)失效的檢測34
• 4.2.4.2 失效節(jié)點(diǎn)退出邏輯組34
• 4.2.4.3 新節(jié)點(diǎn)加入邏輯組34-35
• 4.3 R-MPI冗余容錯(cuò)策略小結(jié)35
• 4.4 本章小結(jié)35-36
• 第五章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)36-50
• 5.1 系統(tǒng)概述36
• 5.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)36-41
• 5.2.1 R-MPI總控模塊的設(shè)計(jì)36-37
• 5.2.2 R-MPI控制模塊的設(shè)計(jì)37-38
• 5.2.3 R-MPI監(jiān)控模塊的設(shè)計(jì)38-39
• 5.2.4 R-MPI協(xié)調(diào)模塊的設(shè)計(jì)39-40
• 5.2.5 MPI接口函數(shù)設(shè)計(jì)40
• 5.2.6 可配置冗余的設(shè)計(jì)40-41
• 5.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)41-48
• 5.3.1 總控模塊的實(shí)現(xiàn)42-43
• 5.3.2 控制模塊的實(shí)現(xiàn)43-44
• 5.3.3 監(jiān)控模塊的實(shí)現(xiàn)44-45
• 5.3.4 協(xié)調(diào)模塊的實(shí)現(xiàn)45
• 5.3.5 MPI接口函數(shù)的實(shí)現(xiàn)45-48
• 5.4 本章小結(jié)48-50
• 第六章 實(shí)驗(yàn)評(píng)估與分析50-58
• 6.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境50
• 6.2 實(shí)驗(yàn)方法50-51
• 6.2.1 原型系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)51
• 6.2.2 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)51
• 6.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及分析51-57
• 6.3.1 原型系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)51-56
• 6.3.1.1 效率對(duì)比實(shí)驗(yàn)51-54
• 6.3.1.2 容錯(cuò)能力實(shí)驗(yàn)54-55
• 6.3.1.3 有效消息占比55-56
• 6.3.2 大規(guī)模仿真實(shí)驗(yàn)56-57
• 6.4 本章小結(jié)57-58
• 第七章 總結(jié)與展望58-59
• 7.1 論文總結(jié)58
• 7.2 未來工作58-59
• 參考文獻(xiàn)59-62
• 致謝62

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