SMP – однородный доступ к памяти (общая память). Архитектура SMP-маршрутизатора, предложенная Wellfleet

Для MIMD-систем в настоящее время общепризнанна классификация, основанная на используемых способах организации оперативной памяти в этих системах. По этой классификации, прежде всего, различают мультипроцессорные вычислительные системы (или мультипроцессоры) или вычислительные системы с разделяемой памятью (multiprocessors, common memory systems, shared-memory systems) и мультикомпьютерные вычислительные системы (мультикомпьютеры) или вычислительные системы с распределенной памятью (multicomputers, distributed memory systems). Структура мультипроцессорной и мультикомпьютерной систем приведена рис. 1, где - процессор, - модуль памяти.

Рис. 1. а) - структура мультипроцессора; б) – структура мультикомпьютера.

Мультипроцессоры.

В мультипроцессорах адресное пространство всех процессоров является единым. Это значит, что если в программах нескольких процессоров мультипроцессора встречается одна и та же переменная, то для получения или изменения значения этой переменной эти процессоры будут обращаться в одну физическую ячейку общей памяти. Это обстоятельство имеет как положительные, так и отрицательные последствия.

С одной стороны, не нужно физически перемещать данные между коммутирующими программами, что исключает затраты времени на межпроцессорный обмен.

С другой стороны, так как одновременное обращение нескольких процессоров к общим данным может привести к получению неверных результатов, необходимы системы синхронизации параллельных процессов и обеспечения когерентности памяти. Поскольку процессорам необходимо очень часто обращаться к общей памяти, требования к пропускной способности коммуникационной среды чрезвычайно высоки.

Последнее обстоятельство ограничивает число процессоров в мультипроцессорах несколькими десятками. Остроту проблемы доступа к общей памяти частично удается снять разделением памяти на блоки, которые позволяют распараллелить обращения к памяти от различных процессоров.

Отметим еще одно преимущество мультипроцессоров – мультипроцессорная система функционирует под управлением единственной копией операционной системы (обычно, UNIX-подобной) и не требует индивидуальной настройки каждого процессорного узла.

Однородные мультипроцессоры с равноправным (симметричным) доступом к общей оперативной памяти принято называть SMP-системами (системами с симметричной мультипроцессорной архитектурой). SMP-системы появились как альтернатива дорогим мультипроцессорным системам на базе векторно-конвейерных процессоров и векторно-параллельных процессоров (см. Рис.2).

Мультикомпьютеры.

Вследствие простоты своей архитектуры наибольшее распространение в настоящее время получили мультикомпьютеры. Мультикомпьютеры не имеют общей памяти. Поэтому межпроцессорный обмен в таких системах осуществляется обычно через коммуникационную сеть с помощью передачи сообщений.

Каждый процессор в мультикомпьютере имеет независимое адресное пространство. Поэтому наличие переменной с одним и тем же именем в программах разных процессоров, приводит к обращению к физически разным ячейкам собственной памяти этих процессоров. Это обстоятельство требует физического перемещения данных между коммутирующими программами в разных процессорах. Чаще всего основная часть обращений производится каждым процессором к собственной памяти. Поэтому требования к коммутационной среде ослабляются. В результате число процессоров в мультикомпьютерных системах может достигать нескольких тысяч, десятков тысяч и даже сотен тысяч.

Пиковая производительность крупнейших систем с общей памятью ниже пиковой производительности крупнейших систем с распределенной памятью; стоимость систем с общей памятью выше стоимости аналогичных по производительности систем с распределенной памятью.

Однородные мультикомпьютеры с распределенной памятью называются вычислительными системами с массивно-параллельной архитектурой (MPP-системами) - см. рис.2.

Нечто среднее между SMP-системами и MPP-системами представляют собой NUMA-системы.

Кластерные системы (вычислительные кластеры).

Кластерные системы (вычислительные кластеры) представляют собой более дешевый вариант MPP-систем. Вычислительный кластер состоит из совокупности персональных компьютеров или рабочих станций), объединенных локальной сетью в качестве коммуникационной среды. Детально вычислительные кластеры рассмотрены позже.

Рис. 2. Классификация мультипроцессоров и мультикомпьютеров.

SMP-системы

Все процессоры SMP-системы имеют симметричный доступ к памяти, т.е. память SMP-системы представляет собой UMA-память. Под симметричностью понимается следующее: равные права всех процессоров на доступ к памяти; одна и та же адресация для всех элементов памяти; равное время доступа всех процессоров системы к памяти (без учета взаимных блокировок).

Общая структура SMP-системы приведена на рис. 3. Коммуникационная среда SMP-системы строится на основе какой-либо высокоскоростной системной шины или высокоскоростного коммутатора. Кроме одинаковых процессоров и общей памяти M к этой же шине или коммутатору подключаются устройства ввода-вывода.

За кажущейся простотой SMP-систем скрываются значительные проблемы, связанные в основном с оперативной памятью. Дело в том, что в настоящее время скорость работы оперативной памяти значительно отстает от скорости работы процессора. Для того чтобы сгладить этот разрыв, современные процессоры снабжаются высокоскоростной буферной памятью (кэш-памятью). Скорость доступа к этой памяти в несколько десятков раз превышает скорость доступа к основной памяти процессора. Однако наличие кэш-памяти нарушается принцип равноправного доступа к любой точке памяти, поскольку данные, находящиеся в кэш-памяти одного процессора, недоступны для других процессоров. Поэтому после каждой модификации копии переменной, находящейся в кэш-памяти какого-либо процессора, необходимо производить синхронную модификацию самой этой переменной, расположенной в основной памяти. В современных SMP-системах когерентность кэш-памяти поддерживается аппаратно или операционной системой.

Рис. 3. Общая структура SMP-системы

Наиболее известными SMP-системами являются SMP-cерверы и рабочие станции IBM, HP, Compaq, Dell, Fujitsu и др. SMP-система функционирует под управлением единой операционной системой (чаще всего – UNIX и подобной ей).

Из-за ограниченной пропускной способности коммуникационной среды SMP-системы плохо масштабируются. В настоящее время в реальных системах используется не более нескольких десятков процессоров.

Известным неприятным свойством SMP-систем является то, что их стоимость растет быстрее, чем производительность при увеличении числа процессоров в системе.

MPP-системы.

MPP-системы строится из процессорных узлов, содержащих процессор, локальный блок оперативной памяти, коммуникационный процессор или сетевой адаптер, иногда - жесткие диски и/или другие устройства ввода/вывода. По сути, такие модули представляют собой полнофункциональные компьютеры (см. рис. 4.). Доступ к блоку оперативной памяти данного модуля имеет только процессор этого же модуля. Модули взаимодействуют между собой через некоторую коммуникационную среду. Используются два варианта работы операционной системы на MPP-системах. В одном варианте полноценная операционная система функционирует только на управляющей ЭВМ, а на каждом отдельном модуле работает сильно урезанный вариант операционной системы, поддерживающий только базовые функции ядра операционной системы. Во втором варианте на каждом модуле работает полноценная UNIX-подобная операционная система. Заметим, что необходимость наличия (в том или ином виде) на каждом процессоре MPP-системы операционной системы, позволяет использовать только ограниченный объем памяти каждого из процессоров.

По сравнению с SMP-системами, архитектура MPP-системы устраняет одновременно как проблему конфликтов при обращении к памяти, так и проблему когерентности кэш-памяти.

Главным преимуществом MPP-систем является хорошая масштабируемость. Так супер-ЭВМ серии CRAY T3E, способны масштабироваться до 2048 процессоров. Практически все рекорды по производительности на сегодняшний день установлены именно на MPP-системах, состоящих из нескольких тысяч процессоров.

Рис. 4. Общая структура MPP-системы.

С другой стороны, отсутствие общей памяти заметно снижает скорость межпроцессорного обмена в MPP-системах. Это обстоятельство для MPP-систем выводит на первый план проблему эффективности коммуникационной среды.

Кроме того, в MPP-системах требуется специальная техника программирования для реализации обмена данными между процессорами. Этим объясняется высокая цена программного обеспечения для MPP-систем. Этим же объясняется то, что написание эффективных параллельных программ для MPP-систем представляет собой более сложную задачу, чем написание таких же программ для SMP-систем. Для широкого круга задач, для которые известны хорошо зарекомендовавшие себя последовательные алгоритмы, не удается построить эффективные параллельные алгоритмы для MPP-систем.

NUMA-системы.

Логически общий доступ к данным может быть обеспечен и при физически распределенной памяти. При этом расстояние между различными процессорами и различными элементами памяти, вообще говоря, различно и длительность доступа различных процессоров к различным элементам памяти различна. Т.е. память таких систем представляет собой NUMA-память.

NUMA-система обычно строится на основе однородных процессорных узлов, состоящих из небольшого числа процессоров и блока памяти. Модули объединены с помощью некоторой высокоскоростной коммуникационной среды (см. рис. 5). Поддерживается единое адресное пространство, аппаратно поддерживается доступ к удаленной памяти, т.е. к памяти других модулей. При этом доступ к локальной памяти осуществляется в несколько раз быстрее, чем к удаленной. По существу, NUMA-система представляет собой MPP-систему, где в качестве отдельных вычислительных элементов используются SMP-узлы.

Среди NUMA-систем выделяют следующие типы систем:

• COMA-системы , в которых в качестве оперативной памяти используется только локальная кэш-память процессоров (cache-only memory architecture - COMA);
• CC-NUMA-системы , в которых аппаратно обеспечивается когерентность локальной кэш-памяти разных процессоров (cache-coherent NUMA - CC-NUMA);
• NCC-NUMA-системы , в которых аппаратно не поддерживается когерентность локальной КЭШ памяти разных процессоров (non-cache coherent NUMA - NCC-NUMA). К данному типу относится, например, система Cray T3E.

Рис. 5. Общая структура NUMA-системы.

Логическая общедоступность памяти в NUMA-системах, с одной стороны, позволяет работать с единым адресным пространством, а, с другой стороны, позволяет достаточно просто обеспечить высокую масштабируемость системы. Данная технология позволяет в настоящее время создавать системы, содержащие до нескольких сот процессоров.

NUMA-системы серийно производятся многими компьютерными фирмами как многопроцессорные серверы и прочно удерживают лидерство в классе малых суперкомпьютеров.

SMP архитектура - cимметричная многопроцессорная архитектура. Главной особенностью систем с архитектурой SMP является наличие общей физической памяти, разделяемой всеми процессорами.

SMP-система строится на основе высокоскоростной системной шины, к слотам которой подключаются функциональные блоки трех типов:

●процессоры (ЦП),

● оперативная память (ОП),

● подсистема ввода/вывода (I/O).

Память является способом передачи сообщений между процессорами. Все вычислительные устройства при обращении к ОП имеют равные права и одну и ту же адресацию для всех ячеек памяти. Последнее обстоятельство позволяет эффективно обмениваться данными с другими вычислительными устройствами. SMP-система работает под управлением единой ОС (либо UNIX-подобной, либо Windows). ОС автоматически распределяет процессы по процессорам, возможна и явная привязка. SMP-архитектура используется в cерверах и рабочих станциях на базе процессоров Intel, AMD, Sun, IBM, HP, и др.

Принципы организации:

SMP-система состоит из нескольких однородных процессоров и массива общей памяти. Каждая операция доступа к памяти интерпретируется как транзакция по шине процессоры-память. Слово "равноправный" означает, что каждый процессор может делать все, что любой другой. Каждый процессор имеет доступ ко всей памяти, может выполнять любую операцию ввода/вывода, прерывать другие процессоры и т.д. В SMP каждый процессор имеет по крайней мере одну собственную кэш-память.

Когерентность кэшей поддерживается аппаратными средствами.

Достоинства:

· Простота и универсальность для программирования. Архитектура SMP не накладывает ограничений на модель программирования, используемую при создании приложения: обычно используется модель параллельных ветвей, когда все процессоры работают абсолютно независимо друг от друга - однако, можно реализовать и модели, использующие межпроцессорный обмен. Использование общей памяти увеличивает скорость такого обмена, пользователь также имеет доступ сразу ко всему объему памяти.

· Легкость в эксплуатации. Как правило, SMP-системы используют систему охлаждения на воздушном кондиционировании, что облегчает их обслуживание.

· Относительно невысокая цена.

· Неявно производимая аппаратурой SMP пересылка данных между кэшами является наиболее быстрым и самым дешевым средством коммуникации в любой параллельной архитектуре общего назначения.

· Готовность. В симметричном мультипроцессоре отказ одного из компонентов не ведет к отказу системы, поскольку любой из процессоров в состоянии выполнять те же функции, что и другие.

Недостатки:

SMP-cистемы плохо масштабируемы:

1.Системная шина имеет ограниченную пропускную способность и ограниченное число слотов.

2.В каждый момент времени шина способна обрабатывать только одну транзакцию, вследствие чего возникают проблемы разрешения конфликтов при одновременном обращении нескольких процессоров к одним и тем же областям общей физической памяти.

В реальных системах эффективно можно использовать не более 8-16-32 процессоров.

Применение:

SMP часто применяется в науке, промышленности, бизнесе, где программное обеспечение специально разрабатывается для многопоточного выполнения. В то же время большинство потребительских продуктов, таких как текстовые редакторы и компьютерные игры, написаны так, что они не могут получить много пользы от SMP- систем. В случае игр это зачастую связано с тем, что оптимизация программы под SMP-системы приведёт к потере производительности при работе на однопроцессорных системах, которые занимают большую часть рынка.

Примеры компьютеров с SMP-архитектурой:

HP 9000 (до 32 процессоров), Sun HPC 100000 (до 64 проц.), Compaq AlphaServer (до 32 проц.), Sun SPARC Enterprise T5220
2.8. MPP архитектура. История развития. Основные принципы. Концепция, архитектура и характеристики суперкомпьютера Intel Paragon.

Массово-параллельная архитектура (Massive Parallel Processing) - класс архитектур параллельных вычислительных систем. Особенность архитектуры состоит в том, что память физически разделена. Система строится из отдельных узлов, содержащих процессор, локальный банк ОП, коммуникационные процессоры или сетевые адаптеры, иногда - жесткие диски и/или другие устройства ввода/вывода.

Доступ к банку ОП данного узла имеют только процессоры из этого же узла. Узлы соединяются специальными коммуникационными каналами. Пользователь может определить логический номер процессора, к которому он подключен, и организовать обмен сообщениями с другими процессорами. На машинах MPP используются два варианта работы операционной системы:

● В одном полноценная ОС работает только на управляющей машине, а на каждом узле функционирует сильно урезанный вариант ОС, обеспечивающий работу расположенной в нем ветви параллельного приложения.

● Во втором варианте на каждом модуле работает полноценная, чаще всего UNIX-подобная ОС, устанавливаемая отдельно.

Раскройте силу Linux в системах SMP

Быстродействие системы Linux вы можете увеличить разными способами, и один из наиболее популярных -- увеличить производительность процессора. Очевидное решение -- использовать процессор с большей тактовой частотой, но для любой технологии существует физическое ограничение, когда тактовый генератор просто не может работать быстрее. При достижении этого предела вы можете использовать гораздо лучший подход и применить несколько процессоров. К сожалению, быстродействие имеет нелинейную зависимость от совокупности параметров отдельных процессоров.

Прежде чем обсуждать применение многопроцессорной обработки в Linux, давайте взглянем на ее историю.

История многопроцессорной обработки

Многопроцессорная обработка зародилась в середине 1950-х в ряде компаний, некоторые из которых вы знаете, а некоторые, возможно, уже забыли (IBM, Digital Equipment Corporation, Control Data Corporation). В начале 1960-х Burroughs Corporation представила симметричный мультипроцессор типа MIMD с четырьмя CPU, имеющий до шестнадцати модулей памяти, соединенных координатным соединителем (первая архитектура SMP). Широко известный и удачный CDC 6600 был представлен в 1964 и обеспечивал CPU десятью подпроцессорами (периферийными процессорами). В конце 1960-х Honeywell выпустил другую симметричную мультипроцессорную систему из восьми CPU Multics.

В то время как многопроцессорные системы развивались, технологии также шли вперед, уменьшая размеры процессоров и увеличивая их способности работать на значительно большей тактовой частоте. В 1980-х такие компании, как Cray Research, представили многопроцессорные системы и UNIX®-подобные операционные системы, которые могли их использовать (CX-OS).

В конце 1980-х с популярностью однопроцессорных персональных компьютеров, таких как IBM PC, наблюдался упадок в многопроцессорных системах. Но сейчас, двадцать лет спустя, многопроцессорная обработка вернулась к тем же самым персональным компьютерам в виде симметричной многопроцессорной обработки.

Закон Амдаля

Джин Амдаль (Gene Amdahl), компьютерный архитектор и сотрудник IBM, разрабатывал в IBM компьютерные архитектуры, создал одноименную фирму, Amdahl Corporation и др. Но известность ему принес его закон, в котором рассчитывается максимально возможное улучшение системы при улучшении ее части. Закон используется, главным образом, для вычисления максимального теоретического улучшения работы системы при использовании нескольких процессоров (смотри Рисунок 1).

Рисунок 1. Закон Амдаля для распараллеливания процессов

Используя уравнение, показанное на Рисунке 1, вы можете вычислить максимальное улучшение производительности системы, использующей N процессоров и фактор F , который указывает, какая часть системы не может быть распараллелена (часть системы, которая последовательна по своей природе). Результат приведен на Рисунке 2.

Рисунок 2. Закон Амдаля для системы, имеющей до десяти CPU

Верхняя линия на Рисунке 2 показывает число процессоров. В идеале это то, что вы хотели бы увидеть после добавления дополнительных процессоров для решения задачи. К сожалению, из-за того что не все в задаче может быть распараллелено и есть непроизводительные издержки в управлении процессорами, ускорение оказывается немного меньше. Внизу (лиловая линия) -- случай задачи, которая на 90% последовательна. Лучшему случаю на этом графике соответствует коричневая линия, которая изображает задачу, которая на 10% последовательна и, соответственно, на 90% -- параллелизуема. Даже в этом случае десять процессоров работают совсем не намного лучше, чем пять.

Многопроцессорная обработка и ПК

Архитектура SMP -- одна из тех, где два или более идентичных процессоров соединены друг с другом посредством разделяемой памяти. У всех них одинаковый доступ к разделяемой памяти (одинаковое время ожидания доступа к пространству памяти). Противоположностью ей является архитектура неоднородного доступа к памяти (NUMA -- Non-Uniform Memory Access). Например, у каждого процессора есть своя собственная память и доступ к разделяемой памяти с разным временем ожидания.

Слабосвязанная многопроцессорная обработка

Ранние SMP системы Linux были слабосвязанными многопроцессорными системами, то есть построенными из нескольких отдельных систем, связанных высокоскоростным соединением (таким как 10G Ethernet, Fibre Channel или Infiniband). Другое название такого типа архитектуры -- кластер (смотрите Рисунок 3), для которого популярным решением остается проект Linux Beowulf. Кластеры Linux Beowulf могут быть построены из доступного оборудования и обычного сетевого соединения, такого как Ethernet.

Рисунок 3. Слабосвязанная многопроцессорная архитектура

Построение систем со слабосвязанной многопроцессорной архитектурой просто (спасибо проектам вроде Beowulf), но имеет свои ограничения. Создание большой многопроцессорной сети может потребовать значительных мощностей и места. Более серьезное препятствие -- материал канала связи. Даже с высокоскоростной сетью, такой как 10G Ethernet, есть предел масштабируемости системы.

Сильносвязанная многопроцессорная обработка

Сильносвязанная многопроцессорная обработка относится к обработке на уровне кристалла (CMP -- chip-level multiprocessing). Представьте слабосвязанную архитектуру, уменьшенную до уровня кристалла. Это и есть идея сильносвязанной многопроцессорной обработки (также называемой многоядерным вычислением). На одной интегральной микросхеме несколько кристаллов, общая память и соединение образуют хорошо интегрированное ядро для многопроцессорной обработки (смотрите Рисунок 4).

Рисунок 4. Сильносвязанная архитектура многопроцессорной обработки

В CMP несколько CPU связаны общей шиной с разделяемой памятью (кэш второго уровня). Каждый процессор также имеет свою собственную быстродействующую память (кэш первого уровня). Сильносвязанная природа CMP позволяет очень короткие физические расстояния между процессорами и памятью и, вследствие этого, минимальное время ожидания доступа к памяти и более высокую производительность. Такой тип архитектуры хорошо работает в многопоточных приложениях, где потоки могут быть распределены между процессорами и выполняться параллельно. Это называется параллелизм на уровне потоков (TPL -- thread-level parallelism).

Принимая во внимание популярность этой многопроцессорной архитектуры, многие производители выпускают устройства CMP. В Таблице 1 приведены некоторые популярные варианты с поддержкой Linux.

Таблица 1. Выборка устройств CMP

Конфигурация ядра

Для того чтобы использовать SMP с Linux на совместимом с SMP оборудовании, необходимо правильно настроить ядро. Опция CONFIG_SMP должна быть включена во время настройки ядра, чтобы ядро знало об SMP. Если такое ядро будет работать на многопроцессорном хосте, вы сможете определить количество процессоров и их тип с помощью файловой системы proc.

Сначала вы получаете число процессоров из файла cpuinfo в /proc, используя grep . Как видно из Листинга 1, вы используете опцию -- счетчик (-c) строк, начинающихся со слова processor . Приведено также содержимое файла cpuinfo . В качестве примера взята материнская плата Xeon на двух кристаллах.

Листинг 1. Использование файловой системы proc для получения информации о CPU

SMP и ядро Linux

Когда только появился Linux 2.0, поддержка SMP состояла из основной системы блокировки, которая упорядочивала доступ в системе. Позднее небольшой прогресс в поддержке SMP был, но только с ядром 2.6 наконец проявилась вся сила SMP.

Ядро 2.6 представило новый 0(1) планировщик, который включал лучшую поддержку для систем SMP. Ключевой была возможность балансировать нагрузку на все доступные CPU, по мере сил избегая переключения процессов между процессорами для более эффективного использования кэша. Что касается производительности кэша, вспомните из Рисунка 4, что когда задача взаимодействует с одним CPU, перемещение ее на другой требует вовлечения кэша. Это увеличивает время ожидания доступа к памяти задачи, пока ее данные находятся в кэше нового CPU.

Ядро 2.6 сохраняет пару runqueue для каждого процессора (истекший и активный runqueue). Каждый runqueue поддерживает 140 приоритетов, из которых 100 используется для задач в реальном времени, а остальные 40 для пользовательских задач. Задачам даются отрезки времени для выполнения, а когда они используют свое время, они перемещаются из активного runqueue в истекший. Таким образом осуществляется равноправный доступ к CPU для всех задач (блокировка только отдельных CPU).

С очередью задач на каждом CPU работа может быть сбалансирована, давая взвешенную нагрузку всех CPU в системе. Каждые 200 миллисекунд планировщик выполняет балансировку загрузки, чтобы перераспределить задания и сохранить баланс в комплексе процессоров. Больше информации о планировщике Linux 2.6 ищите в разделе .

Потоки пользовательского пространства: развивая силу SMP

В ядре Linux была проделана большая работа для развития SMP, но операционной системы, самой по себе, недостаточно. Вспомните, что сила SMP заключается в TLP. Отдельные монолитные (одно-поточные) программы не могут использовать SMP, но SMP может использоваться в программах, которые состоят из многих потоков, которые могут быть распределены между ядрами. Пока один поток ожидает выполнения операции I/O, другой может делать полезную работу. Таким образом, потоки работают, перекрывая время ожидания друг друга.

Потоки стандарта Portable Operating System Interface (POSIX) (интерфейс переносимой операционной системы) являются прекрасным способом построить поточные приложения, которые могут использовать SMP. Потоки стандарта POSIX обеспечивают механизм работы с потоками, а также общую память. Когда программа активизируется, создается некоторое количество потоков, каждый из которых поддерживает свой собственный стек (локальные переменные и состояние), но разделяет пространство данных родителя. Все созданные потоки разделяют это же самое пространство данных, но именно здесь кроется проблема.

Чтобы поддерживать многопоточный доступ к разделяемой памяти, требуются механизмы координирования. POSIX предоставляет функцию взаимного исключения для создания критических секций , которые устанавливают исключительный доступ к объекту (участку памяти) только для одного потока. Если этого не сделать, может повредиться память из-за несинхронизованных манипуляций, производимых несколькими потоками. Листинг 2 иллюстрирует создание критической секции с помощью взаимного исключения POSIX.

Листинг 2. Использование pthread_mutex_lock и unlock для создания критических секций

Если несколько потоков пытаются заблокировать семафор после начального вызова наверху, они блокируются, и их запросы ставятся в очередь, пока не выполнится вызов pthread_mutex_unlock .

Защита переменной ядра для SMP

Когда несколько ядер в процессоре работает параллельно для ядра ОС, желательно избегать совместного использования данных, которые специфичны для данного ядра процессора. По этой причине ядро 2.6 представило концепцию переменных для каждого ядра, которые связаны с отдельными CPU. Это позволяет объявлять переменные для CPU, которые наиболее часто используются именно этим CPU, что минимизирует требования блокировок и улучшает выполнение.

Определение переменных отдельного ядра производится при помощи макроса DEFINE_PER_CPU , которому вы передаете тип и имя переменной. Поскольку макрос поступает как l-value, здесь же вы можете инициализировать ее. В следующем примере (из./arch/i386/kernel/smpboot.c) определяется переменная, представляющая состояние для каждого CPU в системе.

Макрос создает массив переменных, одну на каждый экземпляр CPU. Для получения переменной отдельного CPU используется макрос per_cpu вместе с функцией smp_processor_id , возвращающей текущий идентификатор CPU, для которого в данный момент выполняется программа.

Ядро предоставляет другие функции для блокировки каждого CPU и динамического выделения переменных. Эти функции можно найти в./include/linux/percpu.h.

Заключение

Когда частота процессора достигает своего предела, для увеличения производительности обычно просто добавляют еще процессоры. Раньше это означало добавить больше процессоров к материнской плате или объединить в кластер несколько независимых компьютеров. Сегодня многопроцессорная обработка на уровне кристалла предоставляет больше процессоров на одном кристалле, давая еще большее быстродействие путем уменьшения времени ожидания памяти.

Системы SMP вы найдете не только на серверах, но и на десктопах, особенно с внедрением виртуализации. Как многие передовые технологии, Linux предоставляет поддержку для SMP. Ядро выполняет свою часть по оптимизации загрузки доступных CPU (от потоков до виртуализованных операционных систем). Все, что остается, это убедиться, что приложение может быть в достаточной мере разделено на потоки, чтобы использовать силу SMP.

15.02.1995 В. Пятенок

Однопроцессорная архитектура Модифицированная однопроцессорная архитектура SMP-архитектура Архитектура SMP-маршрутизатора, предложенная Wellfleet Обзор архитектуры Детали обработки пакетов Резюме Литература Маршрутизаторы в своем развитии использовали три различных архитектуры: однопроцессорную, модифицированную однопроцессорную и симметричную многопроцессорную. Все три разрабатывались с учетом требований поддержки высококритичных применений.

Маршрутизаторы в своем развитии использовали три различных архитектуры: однопроцессорную, модифицированную однопроцессорную и симметричную многопроцессорную. Все три разрабатывались с учетом требований поддержки высококритичных применений. Однако основные из этих требований, а именно высокую, масштабируемую производительность, а также высокий уровень готовности, включая полную устойчивость к отказам и восстановление неработоспособных компонентов ("горячее резервирование"), они способны удовлетворить не в одинаковой степени. В статье рассматриваются достоинства симметричной многопроцессорной архитектуры.

Однопроцессорная архитектура

Однопроцессорная архитектура использует несколько сетевых интерфейсных модулей - это позволяет добиться дополнительной гибкости в конфигурировании узлов. Сетевые интерфейсные модули соединяются с единым центральным процессором через общую системную шину. На этот единственный процессор ложится забота о выполнении всех задач обработки. А задачи эти при современном уровне развития корпоративных сетей сложны и многообразны: фильтрация и продвижение пакетов, необходимая модификация заголовков пакетов, обновления таблиц маршрутизации и сетевых адресов, интерпретация служебных управляющих пакетов, ответы на SNMP-запросы, формирование управляющих пакетов, предоставление иных специфических сервисов типа спуфинга (spoofing), то есть задания специальных фильтров, позволяющих добиться улучшенных характеристик безопасности и производительности сети.

Подобное традиционное архитектурное решение реализовать наиболее просто. Впрочем, несложно и предположить те ограничения, которым будут подвержены производительность и готовность такой системы.

Действительно, все пакеты от всех сетевых интерфейсов должны обрабатываться единственным центральным процессором. По мере того как добавляются дополнительные сетевые интерфейсы, производительность заметно снижается. Кроме того, каждый пакет должен дважды пропутешествовать по шине - от модуля-"источника" к процессору, а-затем от процессора к модулю-"приемнику". Пакет проделывает этот путь, даже если он предназначается тому же самому сетевому интерфейсу, с которого он поступил. Это также приводит к существенному падению производительности при увеличении числа модулей сетевых интерфейсов. Таким образом, налицо классическое "бутылочное горлышко".

Невелика и надежность. Если произойдет сбой центрального процессора, то нарушится работоспособность маршрутизатора в целом. Кроме того, для такой архитектуры невозможно реализовать "горячее восстановление" из резерва поврежденных элементов системы.

В современных реализациях этой архитектуры маршрутизаторов для того, чтобы разрешить ограничения производительности, как правило, используют достаточно мощный RISC-процессор и высокоскоростную системную шину. Это чисто силовая попытка решить проблему - увеличенная производительность за большие начальные вложения. Однако такие реализации не обеспечивают масштабирования производительности, а уровень их надежности наперед задан надежностью процессора.

Модифицированная однопроцессорная архитектура

Для того чтобы преодолеть часть указанных выше недостатков однопроцессорной архитектуры, придумана ее модификация. Нижележащая архитектура сохранена: интерфейсные модули соединены с единственным процессором через общую системную шину. Однако в каждый из сетевых интерфейсных модулей включается специальный периферийный процессор - для того, чтобы хотя бы частично разгрузить центральный процессор.

Периферийные процессоры - это, как правило, разрядно-модульные (bit-slace) или универсальные микропроцессоры, фильтрующие и маршрутизирующие пакеты, предназначающиеся сетевому интерфейсу того же модуля, с которого они и поступили в маршрутизатор. (К сожалению, во многих доступных в настоящий момент реализациях этого можно добиться в отношении пакетов только некоторых типов, таких как кадры Ethernet, но не IEEE 802.3.

Центральный же процессор по-прежнему отвечает за те задачи, которые нельзя переложить на периферийный процессор (в том числе маршрутизацию между модулями, общесистемные операции, администрирование и управление). Поэтому достигаемая таким образом оптимизация производительности достаточно ограничена (справедливости ради следует отметить, что в ряде случаев при надлежащем проектировании сети можно добиться неплохих результатов). В то же время, несмотря на некоторое сокращение количества передаваемых по системной шине пакетов, она по-прежнему остается весьма узким местом.

Включение в архитектуру периферийных процессоров не повышает уровень готовности маршрутизатора в целом.

SMP-архитектура

Симметрично-многопроцессорная архитектура лишена недостатков, свойственных вышеупомянутым архитектурам. В этом случае вычислительные мощности полностью распределены между всеми сетевыми интерфейсными модулями.

Каждый сетевой интерфейсный модуль обладает своим собственным, предназначенным только для него процессорным модулем, который выполняет все задачи, связанные с маршрутизацией. При этом все таблицы маршрутизации, другая необходимая информация, а также реализующее протоколы программное обеспечение реплицированы (то есть скопированы) на каждый процессорный модуль. Когда процессорный модуль получает информацию о маршрутизации, он обновляет собственную таблицу, а затем распространяет обновления по всем другим процессорным модулям.

Такая архитектура, безусловно, обеспечивает практически линейную (если пренебречь расходами на репликацию и пропускной способностью канала связи между модулями) масштабируемость. Это, в свою очередь, означает перспективу значительного расширения сети без заметного падения производительности. При необходимости требуется всего лишь добавить дополнительный сетевой интерфейсный модуль - ведь центральный процессор в этой архитектуре попросту отсутствует.

Все пакеты обрабатываются локальными процессорами. Внешние (то есть предназначенные другим модулям) пакеты передаются по каналу связи между процессорами только однажды. Это ведет к существенному снижению трафика внутри маршрутизатора.

Что касается готовности, система не будет выходить из строя, если сломается одиночный процессорный модуль. Эта поломка скажется только на тех сегментах сети, которые соединены с поврежденным процессорным модулем. Кроме того, поврежденный модуль может быть заменен на работоспособный модуль без выключения маршрутизатора и без всякого воздействия на все остальные модули.

Преимущества SMP-архитектуры признаны производителями компьютеров. В течение ряда последних лет появилось много подобных платформ, и только ограниченное число стандартных операционных систем, способных в полной мере реализовать преимущества аппаратуры, сдерживало их распространение. Используют SMP-архитектуру при создании специализированных вычислительных устройств и другие производители, в том числе производители активных сетевых устройств.

В оставшейся части мы подробнее рассмотрим технические детали архитектуры SMP-маршрутизатора, разработанной компанией Wellfleet .

Архитектура SMP-маршрутизатора, предложенная Wellfleet

Компания Wellfleet , один из ведущих производителей маршрутизаторов и мостов, конечно же, не пожалела средств на оценку и тестирование различных архитектур маршрутизаторов, поддерживающих различные протоколы глобальных и локальных сетей над различными физическими носителями и рассчитанных на различные условия трафика. Итоги этих исследований были сформулированы в виде перечня требований, учитываемых при проектировании маршрутизаторов, предназначенных для построения корпоративных сетевых сред для высококритичных применений. Приведем часть из этих требований - те, которые на наш взгляд обосновывают использование многопроцессорной архитектуры.

1. Необходимость в масштабируемой производительности, высоком уровне готовности, гибкости конфигурирования диктует использование SMP-архитектуры.

2. Уровень требований многопротокольной маршрутизации к вычислительной мощности (особенно при использовании современных протоколов маршрутизации наподобие TCP/IP OSPF) может быть обеспечен только современными мощными 32-разрядными микропроцессорами. При этом, поскольку маршрутизация предполагает параллельное обслуживание большого числа сходных запросов, необходимо быстрое переключение между различными процессами, для чего требуется исключительно низкая задержка при переключении контекста, а также интегрированная кэш-память.

3. Для хранения поддерживающего протоколы и управляющего программного обеспечения, таблиц маршрутизации и адресов, статистической и другой информации нужна достаточно большая емкость памяти.

4. Чтобы обеспечить максимальную скорость передачи между сетями и обрабатывающими модулями маршрутизатора, требуются высокоскоростные сетевые интерфейсные контроллеры и контролллеры межпроцессорного взаимодействия с интегрированными возможностями прямого доступа к памяти (DMA - Direct Memory Access).

5. Минимизация задержек требует наличия обладающих высокой пропускной способностью 32-разрядных каналов данных и адресов для всех ресурсов.

6. Требования повышения уровня готовности включают распределение вычислительной мощности, избыточные подсистемы питания и, как дополнительную, но очень важную возможность, дублированные каналы межпроцессорного взаимодействия.

7. Необходимость охватить широкий спектр сетевых сред - от одиночного удаленного узла или сети рабочей группы до организации высокопроизводительной, обладающей высокой готовностью магистралью - требует использования масштабируемой многопроцессорной архитектуры.

Обзор архитектуры

На рисунке 2 схематически изображена симметрично-многопроцессорная архитектура, используемая во всех модульных маршрутизаторах, производимых компанией Wellfleet. Можно выделить три основных архитектурных элемента: модули связи, процессорные модули и межпроцессное соединение.

Модули связи обеспечивают физические сетевые интерфейсы, допускающие соединения с локальными и глобальными сетями практически любых типов. Каждый модуль связи напрямую присоединен к предназначенному именно ему процессорному модулю посредством интеллектуального интерфейса связи (ILI - Intelligent Link Interface). Пакеты, получаемые модулем связи, передаются в подключенный к нему процессорный модуль через собственное, прямое соединение. Процессор определяет, какому сетевому интерфейсу предназначаются эти пакеты, и либо перенаправляет их на другой сетевой интерфейс того же модуля связи, либо, по высокоскоростному межпроцессорному соединению, в другой процессорный модуль, который передаст этот пакет присоединенному к нему модулю связи.

Остановимся детальнее на структуре каждого из компонентов.

Процессорный модуль включает в себя:

Собственно центральный процессор;

Локальную память, в которой хранятся протоколы и таблицы маршрутизации, таблицы адресов и другая информация, локальным образом используемая ЦПУ;

Глобальную память, играющую роль буфера для "транзитных" пакетов данных, поступающих от модуля связи в присоединенный к нему процессорный модуль или от других процессорных модулей (глобальной она называется потому, что видима и доступна для всех процессорных модулей);

ОМА-процессор, обеспечивающий возможность прямого доступа к памяти при передаче пакетов между буферами глобальной памяти, размещенными в различных процессорных модулях;

Интерфейс связи, предоставляющий соединение с соответствующим модулем связи;

Внутренние каналы данных шириной 32 разряда, соединяющие все вышеперечисленные ресурсы и призванные обеспечить максимально возможную пропускную способность и минимальное время задержек; предусмотрены множественные каналы, что обеспечивает одновременное выполнение операций разными вычислительными устройствами (например, ЦПУ и DMA-процессором) и гарантирует отсутствие узких мест, замедляющих перенаправление и обработку пакетов.

Различные модели маршрутизаторов Wellfleet используют процессорные модули АСЕ (Advanced Communication Engine), основанные на процессорах Motorola 68020 или 68030, либо модули Fast Routing Engine (FRE), основанные на МС68040.

В состав модуля связи входят:

Коннекторы, обеспечивающие интерфейс со специфическими сетями (например, синхронный, Ethernet, Token Ring FDDI);

Контроллеры связи, передающие пакеты между физическим сетевым интерфейсом и глобальной памятью, используя DMA-канал; контроллеры связи также предназначены для конкретного типа сетевого интерфейса и способны передавать пакеты со скоростью, совпадающей со скоростью проволоки;

Фильтры (дополнительная возможность для модулей связей для FDDI и Ethernet), выполняющие предварительную фильтрацию входящих пакетов, сохраняя вычислительные ресурсы для содержательной обработки файлов.

В качестве канала межпроцессорной связи часто используется стандартная шина VMEbus, обеспечивающая совокупную пропускную способность 320 Мбит/сек.

В старших же моделях применяется разработанный самой компанией Wellfleet интерфейс Parallel Packet Express (РРХ) с полосой пропускания 1 Гбит/сек, использующий четыре независимых, обладающих избыточностью 256 Мбит/сек канала данных с динамическим распределением загрузки. Это обеспечивает высокую общую производительность и позволяет добиться того, что в архитектуре нет единой точки сбоя. Каждый процессорный модуль присоединен ко всем четырем каналам и имеет возможность выбрать любой из них. Конкретный канал выбирается случайно, для каждого пакета, что должно обеспечить равномерное распределение трафика между всеми доступными каналами. Если один из каналов данных PPX становится недоступным, загрузка автоматически распределяется между оставшимися.

Детали обработки пакетов

Поступающие пакеты получает, в зависимости от сети, тот или иной контроллер связи. Если в конфигурацию модуля связи включен дополнительный фильтр, часть пакетов отбрасывается, а другая часть принимается. Принятые пакеты помещаются контроллером связи в буфер глобальной памяти непосредственно присоединенного к нему процессорного модуля. Для быстрой передачи пакетов в каждый контроллер связи включен канал прямого доступа к памяти.

Поступив в глобальную память, пакеты извлекаются центральным процессором для маршрутизации. ЦПУ определяет выходной сетевой интерфейс, должным образом модифицирует пакет и возвращает его в глобальную память. Затем выполняется одно из двух действий:

1. Пакет перенаправляется в сетевой интерфейс непосредственно присоединенного к нему модуля. Контроллер связи выходного сетевого интерфейса получает от ЦПУ инструкции выбрать пакеты из глобальной памяти и отправить их в сеть.

2. Пакет перенаправляется в сетевой интерфейс другого модуля связи. DMA-процессор получает инструкции от ЦПУ отправить пакеты в другой процессорный модуль и загружает их по межпроцессорному соединению в глобальную память процессорного модуля, присоединенного к выходному сетевому интерфейсу. Контроллер связи выходного сетевого интерфейса выбирает пакеты из глобальной памяти и отправляет их в сеть.

Решения относительно маршрутизации принимаются ЦПУ независимо от друтих процессорных модулей. Каждый процессорный модуль поддерживает в своей локальной памяти независимую базу данных маршрутизации и адресов, обновляемую в тех случаях, когда модуль получает информацию об изменениях в таблицах маршрутизации или в адресах (в этом случае изменения рассылаются и во все остальные процессорные модули).

Одновременная работа контроллера связи, ЦПУ и DMA-процессора позволяет добиться общей высокой производительности. (Подчеркнем, что все это происходит в устройстве, где обработка распараллеливается по нескольким многопроцессорным модулям). Например, можно представить себе такую ситуацию, когда контроллер связи помещает пакеты в глобальную память, в то время как центральный процессор обновляет таблицу маршрутизации в локальной памяти, а DMA-процессор помещает пакет в межпроцессорное соединение.

Резюме

Сам по себе факт проникновения компьютерных технологий, разработанных для одной области применений, в другие, смежные, не нов. Однако каждый конкретный пример привлекает внимание специалистов. В рассмотренной в данной статье архитектуре маршрутизаторов, кроме идеи симметричной многопроцессорности, призванной обеспечить масштабируемую производительность и высокий уровень готовности, использованы также механизм дублированных каналов данных между процессорами (с теми же целями), а также идея репликации (или тиражирования) данных, применение которой более характерно для индустрии распределенных СУБД .

Литература

Symmetric Multiprocessor Architecture. Wellfleet Communications, 10/1993.

Г.Г. Барон, Г.М. Ладыженский. "Технология тиражирования данных в распределенных системах" , "Открытые системы", Весна 1994.

*) Компания Wellfleet осенью прошлого года объединилась с другим лидером сетевых технологий, SunOptics Communications. Объединение привело к созданию нового сетевого гиганта - компании Bay Networks (прим. ред.)