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从BSP模型到Apache Hama

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一、什么是 BSP 模型

  • 概述

BSP(Bulk Synchronous Parallel,整体同步并行计算模型)是一种 并行计算模型 ,由英国计算机科学家 Viliant 在上世纪 80 年代提出。Google 发布的一篇论文(《Pregel: A System for Large-Scale Graph Processing》) 使得这一概念被更多人所认识,据说在 Google 80% 的程序运行在 MapReduce 上,20% 的程序运行在 Pregel 上。和 MapReduce 一样,Google 并没有开源 Pregel,Apache 按 Pregel 的思想提供了类似框架 Hama。

  • 并行计算模型介绍

并行计算模型通常指从并行算法的设计和分析出发,将各种并行计算机(至少某一类并行计算机)的基本特征抽象出来,形成一个抽象的计算模型。从更广的意义上说,并行计算模型为并行计算提供了硬件和软件界面,在该界面的约定下,并行系统硬件设计者和软件设计者可以开发对并行性的支持机制,从而提高系统的性能。

常用的并行计算模型有:PRAM 模型、LogP 模型、BSP 模型、C3 模型、BDM 模型。

二、BSP 模型基本原理

BSP 模型是一种异步 MIMD-DM 模型(DM: distributed memory,SM: shared memory),BSP 模型支持消息传递系统,块内异步并行,块间显式同步,该模型基于一个 master 协调,所有的 worker 同步 (lock-step) 执行, 数据从输入的队列中读取,该模型的架构如图所示:

从 BSP 模型到 Apache Hama

另外,BSP 并行计算模型可以用 p/s/g/I 4 个参数进行描述:

  1. P 为处理器的数目(带有存储器)。
  2. s 为处理器的计算速度。
  3. g 为每秒本地计算操作的数目 / 通信网络每秒传送的字节数,称之为选路器吞吐率,视为带宽因子 (time steps/packet)=1/bandwidth。
  4. i 为全局的同步时间开销, 称之为全局同步之间的时间间隔 (Barrier synchronization time)。

    那么假设有 p 台处理器同时传送 h 个字节信息,则 gh 就是通信的开销。同步和通信的开销都规格化为处理器的指定条数。

    BSP 计算模型不仅是一种体系结构模型,也是设计并行程序的一种方法。BSP 程序设计准则是整体同步 (bulk synchrony),其独特之处在于超步(superstep) 概念的引入。一个 BSP 程序同时具有水平和垂直两个方面的结构。从垂直上看, 一个 BSP 程序由一系列串行的超步 (superstep) 组成, 如图所示:

    从 BSP 模型到 Apache Hama

    这种结构类似于一个串行程序结构。从水平上看,在一个超步中,所有的进程并行执行局部计算。一个超步可分为三个阶段,如图所示:

    从 BSP 模型到 Apache Hama   

    1. 本地计算阶段,每个处理器只对存储本地内存中的数据进行本地计算。
    2. 全局通信阶段,对任何非本地数据进行操作。
    3. 栅栏同步阶段,等待所有通信行为的结束。

三、BSP 模型特点

1. BSP 模型将计算划分为一个一个的超步(superstep),有效避免死锁。

2. 它将处理器和路由器分开,强调了计算任务和通信任务的分开,而路由器仅仅完成点到点的消息传递,不提供组合、复制和广播等功能,这样做既掩盖具体的互连网络拓扑,又简化了通信协议;

3. 采用障碍同步的方式以硬件实现的全局同步是在可控的粗粒度级,从而提供了执行紧耦合同步式并行算法的有效方式,而程序员并无过分的负担;

4. 在分析 BSP 模型的性能时,假定局部操作可以在一个时间步内完成,而在每一个超级步中,一个处理器至多发送或接收 h 条消息(称为 h -relation)。假定 s 是传输建立时间,所以传送 h 条消息的时间为 gh+s,如果,则 L 至少应该大于等于 gh。很清楚,硬件可以将 L 设置尽量小(例如使用流水线或大的通信带宽使 g 尽量小),而软件可以设置 L 的上限(因为 L 越大,并行粒度越大)。在实际使用中,g 可以定义为每秒处理器所能完成的局部计算数目与每秒路由器所能传输的数据量之比。如果能够合适的平衡计算和通信,则 BSP 模型在可编程性方面具有主要的优点,而直接在 BSP 模型上执行算法(不是自动的编译它们),这个优点将随着 g 的增加而更加明显;

5. 为 PRAM 模型所设计的算法,都可以采用在每个 BSP 处理器上模拟一些 PRAM 处理器的方法来实现。

四、BSP 模型的评价

1. 在并行计算时,Valiant 试图也为软件和硬件之间架起一座类似于冯·诺伊曼机的桥梁,它论证了 BSP 模型可以起到这样的作用,正是因为如此,BSP 模型也常叫做桥模型。

2. 一般而言,分布存储的 MIMD 模型的可编程性比较差,但在 BSP 模型中,如果计算和通信可以合适的平衡(例如 g =1),则它在可编程方面呈现出主要的优点。

3. 在 BSP 模型上,曾直接实现了一些重要的算法(如矩阵乘、并行前序运算、FFT 和排序等),他们均避免了自动存储管理的额外开销。

4. BSP 模型可以有效的在超立方体网络和光交叉开关互连技术上实现,显示出,该模型与特定的技术实现无关,只要路由器有一定的通信吞吐率。

5. 在 BSP 模型中,超级步的长度必须能够充分的适应任意的 h -relation,这一点是人们最不喜欢的。

6. 在 BSP 模型中,在超级步开始发送的消息,即使网络延迟时间比超级步的长度短,该消息也只能在下一个超级步才能被使用。

7. BSP 模型中的全局障碍同步假定是用特殊的硬件支持的,但很多并行机中可能没有相应的硬件。

五、BSP 与 MapReduce 对比

执行机制:MapReduce 是一个数据流模型,每个任务只是对输入数据进行处理,产生的输出数据作为另一个任务的输入数据,并行任务之间独立地进行,串行任务之间以磁盘和数据复制作为交换介质和接口。

BSP 是一个状态模型,各个子任务在本地的子图数据上进行计算、通信、修改图的状态等操作,并行任务之间通过消息通信交流中间计算结果,不需要像 MapReduce 那样对全体数据进行复制。

迭代处理:MapReduce 模型理论上需要连续启动若干作业才可以完成图的迭代处理,相邻作业之间通过分布式文件系统交换全部数据。BSP 模型仅启动一个作业,利用多个超步就可以完成迭代处理,两次迭代之间通过消息传递中间计算结果。由于减少了作业启动、调度开销和磁盘存取开销,BSP 模型的迭代执行效率较高。

数据分割:基于 BSP 的图处理模型,需要对加载后的图数据进行一次再分布的过程,以确定消息通信时的路由地址。例如,各任务并行加载数据过程中,根据一定的映射策略,将读入的数据重新分发到对应的计算任务上(通常是放在内存中),既有磁盘 I / O 又有网络通信,开销很大。但是一个 BSP 作业仅需一次数据分割,在之后的迭代计算过程中除了消息通信之外,不再需要进行数据的迁移。而基于 MapReduce 的图处理模型,一般情况下,不需要专门的数据分割处理。但是 Map 阶段和 Reduce 阶段存在中间结果的 Shuffle 过程,增加了磁盘 I / O 和网络通信开销。

MapReduce 的设计初衷:解决大规模、非实时数据处理问题。” 大规模 ” 决定数据有局部性特性可利用(从而可以划分)、可以批处理;” 非实时 ” 代表响应时间可以较长,有充分的时间执行程序。而 BSP 模型在实时处理有优异的表现。这是两者最大的一个区别。

六、BSP 模型的实现

1.Pregel

Google 的大规模图计算框架,首次提出了将 BSP 模型应用于图计算,具体请看 Pregel——大规模图处理系统,不过至今未开源。

http://blog.csdn.net/strongwangjiawei/article/details/8120318

2.Apache Giraph

ASF 社区的 Incubator 项目,由 Yahoo! 贡献,是 BSP 的 java 实现,专注于迭代图计算(如 pagerank,最短连接等),每一个 job 就是一个没有 reducer 过程的 Hadoop job。http://giraph.apache.org/

3.Apache Hama

也是 ASF 社区的 Incubator 项目,与 Giraph 不同的是它是一个纯粹的 BSP 模型的 java 实现,并且不单单是用于图计算,意在提供一个通用的 BSP 模型的应用框架。http://hama.apache.org/

4.GraphLab

CMU 的一个迭代图计算框架,C++ 实现的一个 BSP 模型应用框架,不过对 BSP 模型做了一定的修改,比如每一个超步之后并不设置全局同步点,计算可以完全异步进行,加快了任务的完成时间。http://graphlab.org/

5.Spark

加州大学伯克利分校实现的一个专注于迭代计算的应用框架,用 Scala 语言写就,提出了 RDD(���性分布式数据集)的概念,每一步的计算数据都从上一步结果精简而来,大大降低了网络传输,同时保证了血统的纯正性(即出错只需返回上一步即可),增强了容错功能。Spark 论文里也基于此框架实现了 BSP 模型(叫 Bagel)。值得一提的是国内的豆瓣也基于该思想用 Python 实现了这样一个框架叫 Dpark,并且已经开源。https://github.com/douban/dpark

6.Trinity

这是微软的一个图计算平台,C# 开发的,它是为了提供一个专用的图计算应用平台,包括底层的存储到上层的应用,应该是可以实现 BSP 模型的,文章发在 SIGMOD13 上,可恨的是也不开源。

主页 http://research.microsoft.com/en-us/projects/trinity/

 

以下几个也是一些 BSP 的实现,不过关注度不是很高,基本都是对 Pregel 的开源实现:

7.GoldenOrb

另一个 BSP 模型的 java 实现,是对 Pregel 的一个开源实现,应用在 hadoop 上。

官网:http://www.goldenorbos.org/(要 FQ)

源码:https://github.com/jzachr/goldenorb

8.Phoebus

Erlang 语言实现的 BSP 模型,也是对 Pregel 的一个开源实现。

https://github.com/xslogic/phoebus

9.Rubicon

Pregel 的开源实现。https://launchpad.net/rubicon

10.Signal/Collect

也是一个 Scala 版的 BSP 模型实现。http://code.google.com/p/signal-collect/

11.PEGASUS

在 hadoop 上实现的一个 java 版的 BSP 模型,发表在 SIGKDD2011 上。

http://www.cs.cmu.edu/~pegasus/index.htm

七、Apache Hama 简介

  • Hama 概述

背景:

2008 年 5 月 Hama 被视为 Apache 众多项目中一个被孵化的项目,作为 Hadoop 项目中的一个子项目,BSP 模型是 Hama 计算的核心,并且实现了分布式的计算框架,采用这个框架可以用于矩阵计算 (matrix) 和面向图计算(graph)、网络计算(network)。

Hama 是建立在 Hadoop 上的分布式并行计算模型。基于 Map/Reduce 和 Bulk Synchronous 的实现框架。运行环境需要关联 Zookeeper、Hbase、HDFS 组件。集群环境中的系统架构由 BSPMaster/GroomServer(Computation Engine)、Zookeeper(Distributed Locking)、HDFS/Hbase(Storage Systems)这 3 大块组成。Hama 中有 2 个主要的模型: 矩阵计算 (Matrix package) 和 面向图计算(Graph package)。

Hama 的主要应用领域是:矩阵计算、面向图计算、PageRank、排序计算、BFS。

  • Hama Architecture

Hama 系统架构

Apache 的 Hama 主要由三个部分组成:BSPMaster,GroomServers 和 Zookeeper,下面这张图主要概述了 Hama 的整体系统架构, 并且描述了系统模块之间的通讯与交互。Hama 的集群中需要有 HDFS 的运行环境负责持久化存储数据(例如:job.jar),BSPMaster 负责进行对 Groom Server 进行任务调配,groom Server 负责进行对 BSPPeers 进行调用程序进行具体的调用,Zookeeper 负责对 Groom Server 进行失效转发

从 BSP 模型到 Apache Hama

BSPMaster(划分计算到 Groom,管理 Groom,类似 MapReduce 的 JobTracker)

在 Apache Hama 中 BSPMaster 模块是系统中的一个主要角色,他主要负责的是协同各个计算节点之间的工作,每一个计算节点在其注册到 master 上来的时候会分配到一个唯一的 ID。Master 内部维护着一个计算节点列表,表明当前哪些计算节点出于 alive 状态,该列表中就包括每个计算节点的 ID 和地址信息,以及哪些计算节点上被分配到了整个计算任务的哪一部分。Master 中这些信息的数据结构大小取决于整个计算任务被分成多少个 partition。因此,一台普通配置的 BSPMaster 足够用来协调对一个大型计算。
下面我们来看看 BSPMaster 做了哪些工作:

    1. 维护着 Groom 服务器的状态。
    2. 控制在集群环境中的 superstep。
    3. 维护在 groom 中 job 的工作状态信息。
    4. 分配任务、调度任务到所有的 groom 服务器节点。
    5. 广播所有的 groom 服务器执行。
    6. 管理系统节点中的失效转发。
    7. 提供用户对集群环境的管理界面。

一个 BSPMaster 或者多个 grooms 服务器是通过脚本启动的,在 Groom 服务器中还包含了 BSPeer 的实例,在启动 GroomServer 的时候就会启动了 BSPPeer,BSPPeer 是整合在 GrommServer 中的,GrommServer 通过 PRC 代理与 BSPmaster 连接。当 BSPmaster、GroomServer 启动完毕以后,每个 GroomServer 的生命周期通过发送 ” 心跳 ” 信息给 BSPmaster 服务器,在这个 ” 心跳 ” 信息中包含了 GrommServer 服务器的状态,这些状态包含了能够处理任务的最大容量,和可用的系统内存状态,等等。

BSPMaster 的绝大部分工作,如 input,output,computation,saving 以及 resuming from checkpoint,都将会在一个叫做 barrier 的地方终止。Master 会在每一次操作都会发送相同的指令到所有的计算节点,然后等待从每个计算节点的回应 (response)。每一次的 BSP 主机接收心跳消息以后,这个信息会带来了最新的 groom 服务器状态,BSPMaster 服务器对给出一个回应的信息,BSPMaster 服务器将会与 groom 服务器进行确定活动的 groom server 空闲状态,也就是 groom 服务器可资源并且对其进行任务调度和任务分配。BSPMaster 与 Groom Server 两者之间通讯使用非常简单的 FIFO(先进先出) 原则对计算的任务进行分配、调度。

GroomServer

个 Groom 服务器对应一个处理 BSPMaster 分配的任务,每个 groom 都需要与 BSPMaster 进行通讯,处理任务并且想 BSPMaster 处理报告状态,集群状态下的 Groom Server 需要运行在 HDFS 分布式存储环境中,而且对于 Groom Server 来说一个 groom 服务器对应一个 BSPPeer 节点,需要运行在同一个物理节点上。

Zookeeper

在 Apache HaMa 项目中 zookeeper 是用来有效的管理 BSPPeer 节点之间的同步间隔(barrier synchronization), 同时在系统失效转发的功能上发挥了重要的作用。

    1. Apache Hama 作业流程

从 BSP 模型到 Apache Hama

  1. 一个新的 job 被提交后,BSPJobClient 先做一些初始化 Job 的工作:准备好作业的输入资源、代码等。
  2. BSPMaster 将 Job 划分为一个个的 task,将 task 分配给 GroomServer 去执行,执行过程中维护 GroomServer 的进度与状态。GroomServer 发送心跳给 BSPMaster 来保持通信。超级步的控制是由 BSPMaster 完成的。
  3. GroomServer 启动 BSPPeer,由 BSPPeer 来具体执行 task。GroomServer 主要任务是 BSPPeer 的启动和停止,维护任务的执行状态,向 BSPMaster 报告状态。一个 GroomServer 可运行多个 task。类似于 MapReduce 的 tasktracker 的任务槽。所有的 task 有一个 masterTask,masterTask 在整个计算开始和结束时分别调用 setup()和 cleanup()。如果该 GroomServer 下的一个 task 失败,GroomServer 会重新启动这个 task,如果 3 次重启 task 都失败,则 GroomServer 向 BSPMaster 汇报该任务失败。
  4. BSPeer 在计算期间间的通信是 P2P 方式进行的,由 zookeeper 负责调度。在一个超步中 BSPeer 只能发消息或者处理上一个超步中接收到的消息。例:A 发送消息给 B—> 栅栏—> 本次超级步结束 下一个超级步开始—>B 接收到 A 发送的消息—>……

    另外,默认配置下 Hama 是将要发送的和接收到的消息都缓存在内存中,所以 hama 本身的同步通信功能不适合做大量数据传递,它只适合在同步计算过程中发送少量的消息。

  5. 在整个计算过程中,zookeeper 负责栅栏同步,将来会用于容错机制。
  • Apache Hama 与 Google Pregel

Hama 类似 Google 发明的 Pregel,如果你听过 Google Pregel 这个利器的话,那么就对 BSP 计算模型不会陌生,Google 的 Pregel 也是基于 BSP 模型,在 Google 的整个计算体系中有 20% 的计算是依赖于 Pregel 的计算模型,Google 利用 Pregel 实现了图遍历(BFS)、最短路径(SSSP)、PageRank 计算, 我猜想 Google 的 Google Me 产品很有可能会大量采用 Pregel 的计算方式,用 Pregel 来绘制 Google Me 产品中 SNS 的关系图。

Google 的 Pregel 是采用 GFS 或 BigTable 进行持久存储,Google 的 Pregel 是一个 Master-slave 主从结构,有一个节点扮演 master 角色,其它节点通过 name service 定位该顶点并在第一次时进行注册,master 负责对计算任务进行切分到各节点 (也可以自己指定,考虑 load balance 等因素),根据顶 ID 哈希分配顶点到机器(一个机器可以有多个节点,通过 name service 进行逻辑区分),每个节点间异步传输消息,通过 checkpoint 机制实行容错(更高级的容错通过 confined recovery 实现),并且每个节点向 master 汇报心跳(ping) 维持状态。

Hama 是 Apache 中 Hadoop 的子项,所以 Hama 可以与 Apache 的 HDFS 进行完美的整合,利用 HDFS 对需要运行的任务和数据进行持久化存储,也可以在任何文件系统和数据库中。当然我们可以相信 BSP 模型的处理计算能力是相对没有极限的特别对于图计算来说,换句话说 BSP 模型就像 MapReduce 一样可以广泛的使用在任何一个分布式系统中,我们可以尝试的对实现使用 Hama 框架在分布式计算中得到更多的实践,比如:矩阵计算、排序计算、pagerank、BFS 等等。

  • Hama 与 MapReduce 对比

MapReduce 的不足:

1. MapReduce 主要针对松耦合型的数据处理应用, 对于不容易分解成众多相互独立子任务的紧耦合型计算任务, 处理效率很低。

2. MapReduce 不能显式的支持迭代计算。

3. MapReduce 是一种离线计算框架, 不适合进行流式计算和实时分析。

Hama 的优势:

1. 在科学计算领域的适用性:Hama 提供的基础组件能够适应多种需要矩阵和图形计算的应用。MapReduce 在单纯的大规模科学计算方面存在不足。比如求一个大型矩阵的逆矩阵,需要进行大量的迭代计算,而读写文件的次数并不多。此时 Hama 的迭代速度快的优势便体现出来。

2. 兼容性:Hama 能利用 Hadoop 和它相关的所有功能,因为 Hama 很好的兼容了现有 Hadoop 接口;

3. 可扩展性:得益于 Hama 的兼容性,Hama 能够充分利用大规模分布式接口的基础功能和服务,比如亚马逊 EC2 可以无需任何修正就可以使用 Hama;

4. 编程方式的灵活性:为了保证灵活性来支持不同的计算模式,Hama 提供了简单计算引擎接口;任何遵循此接口的计算引擎都能自由接入和退出;

  • Hama 亟待解决的问题

  1. 完善容错能力。
  2. NoSQL 的输入输出格式
  3. 无视同步(消除栅栏)
  4. 使用异步消息:现在消息是在超级步的后期进行传递,在超级步里消息异步发送会带来更多的并发设计。
  • Hama 容错机制

BSPMaster 出错:

【未解决】https://issues.apache.org/jira/browse/HAMA-509

GroomServer 出错:

恢复 GroomServer 上的 task。【未解决】https://issues.apache.org/jira/browse/HAMA-618

task 出错:

当 BSPMaster 发现任务出错时,控制 GroomServer 恢复 task。【已解决】https://issues.apache.org/jira/browse/HAMA-534

task 会周期 pingGroomServer,如果不能 ping 通则杀死自己,如果 GroomServer 长时间收不到某 task 的 ping 信息,则检查 task 是否正常运行。【已解决】https://issues.apache.org/jira/browse/HAMA-498

summarizes:

https://issues.apache.org/jira/browse/HAMA-505

  • Hama API

BSP

1. 编写自己的 BSP 类需要继承 org.apache.hama.bsp.BSP,并且需要重写 bsp()方法,bsp()方法的声明如下:

public abstract void bsp(BSPPeer<K1, V1, K2, V2, M extends Writable> peer) throws IOException, SyncException, InterruptedException;

2. 按照我们自己的业务编写 bsp()方法,该方法内包含一个或多个超步,栅栏同步接口是peer.sync();

3. 进程间通信接口如下:

从 BSP 模型到 Apache Hama

下面是一个发送接收消息的例子:

从 BSP 模型到 Apache Hama

4. 在我们自己的 BSP 类中还有 setup()cleanup()两个方法,分别在 bsp()方法之前和之后执行,可以对这两个方法重写,完成一些需求。BSP 类概要如下图:

从 BSP 模型到 Apache Hama

Graph

1. hama 提供了 Graph 包,支持顶点为中心的图计算,使用较少的代码就可以实现 google Pregel 风格的应用。

实现一个 Hama Graph 应用包括对预定义的 Vertex 类进行子类化,模板参数涉及 3 种类型,顶点、边和消息(vertices, edges, and messages):

从 BSP 模型到 Apache Hama

用户重写 compute()方法,该方法将在每个超步的活跃顶点中执行。Compute()方法可以查询当前顶点及其边的信息,并向其他顶点发送消息。

2. 通过继承 org.apache.hama.graph. VertexInputReader 类,根据自己的文件格式创建自己的 VertexReader,示例如下:

从 BSP 模型到 Apache Hama

    1. 通过继承 org.apache.hama.graph.AbstractAggregator 类,可以编写自己的聚合器。聚合器用来做全局的通信、监控等。超步内所有的顶点都可以给聚合器一个值,聚合器整合所有点提供的值,在下一个超步每个顶点都可以使用聚合器整合后的值。在一个 job 里可以使用多个聚合器,只需要在创建 job 时注册一下即可,注册如下:

      从 BSP 模型到 Apache Hama

顶点使用聚合器是按聚合器注册时的顺序(0,1,2,3…)向聚合器发送数据,以及使用聚合器内的数据的 api 如下:

顶点提供值给聚合器:

从 BSP 模型到 Apache Hama

 

顶点使用聚合器:

从 BSP 模型到 Apache Hama

八、安装 Hama

见文章:http://www.linuxidc.com/Linux/2016-04/130626.htm

九、编写 Hama job

在 eclipse 下新建 Java Project,将 hama 安装时需要的 jar 包全部导入工程。

官网中计算 PI 的例子:

(代码见官网文档)

将工程 Export 成 Jar 文件,发到集群上运行。运行命令:

$HAMA_HOME/bin/hama jar jarName.jar

输出:

从 BSP 模型到 Apache Hama

 

Current supersteps number: 0()

Current supersteps number: 4()

The total number of supersteps: 4(总超级步数目)

Counters: 8(一共 8 个计数器)

SUPERSTEPS=4(BSPMaster 超级步数目)

LAUNCHED_TASKS=3(共多少个 task)

org.apache.hama.bsp.BSPPeerImpl$PeerCounter

SUPERSTEP_SUM=12(总共的超级步数目,task 数目 *BSPMaster 超级步数目)

MESSAGE_BYTES_TRANSFERED=48(传输信息字节数)

TIME_IN_SYNC_MS=657(同步消耗时间)

TOTAL_MESSAGES_SENT=6(发送信息条数)

TOTAL_MESSAGES_RECEIVED=6(接收信息条数)

TASK_OUTPUT_RECORDS=2(任务输出记录数)

 

PageRank 例子:

(代码见附件)

输出:

从 BSP 模型到 Apache Hama

十、相关知识介绍

  • PRAM 模型

PRAM(Parallel Random Access Machine,随机存取并行机器)模型,也称为共享存储的 SIMD 模型,是一种抽象的并行计算模型,它是从串行的 RAM 模型直接发展起来的。在这种模型中,假定存在一个容量无限大的共享存储器,有有限个或无限个功能相同的处理器,且他们都具有简单的算术运算和逻辑判断功能,在任何时刻个处理器都可以通过共享存储单元相互交互数据。

PRAM 模型的优点:

PRAM 模型特别适合于并行算法的表达、分析和比较,使用简单,很多关于并行计算机的底层细节,比如处理器间通信、存储系统管理和进程同步都被隐含在模型中;易于设计算法和稍加修改便可以运行在不同的并行计算机系统上;根据需要,可以在 PRAM 模型中加入一些诸如同步和通信等需要考虑的内容。

PRAM 模型的缺点:

1. 模型中使用了一个全局共享存储器,且局存容量较小,不足以描述分布主存多处理机的性能瓶颈,而且共享单一存储器的假定,显然不适合于分布存储结构的 MIMD 机器;

2. PRAM 模型是同步的,这就意味着所有的指令都按照锁步的方式操作,用户虽然感觉不到同步的存在,但同步的存在的确很耗费时间,而且不能反映现实中很多系统的异步性;

3. PRAM 模型假设了每个处理器可在单位时间访问共享存储器的任一单元,因此要求处理机间通信无延迟、无限带宽和无开销,假定每个处理器均可以在单位时间内访问任何存储单元而略去了实际存在的,合理的细节,比如资源竞争和有限带宽,这是不现实的;

4. 未能描述多线程技术和流水线预取技术,而这两种技术又是当今并行体系结构用的最普遍的技术。

  • LogP 模型

由 Culler(1993)年提出的,是一种分布存储的、点到点通讯的多处理机模型,其中通讯由一组参数描述,实行隐式同步。

LogP 模型是一种分布存储的、点到点通信的多处理机模型,其中通信网络由 4 个主要参数来描述:

1. L(Latency) 表示源处理机与目的处理机进行消息(一个或几个字)通信所需要的等待或延迟时间的上限,表示网络中消息的延迟。

2. o(overhead)表示处理机准备发送或接收每个消息的时间开销(包括操作系统核心开销和网络软件开销),在这段时间里处理不能执行其它操作。

3. g(gap)表示一台处理机连续两次发送或接收消息时的最小时间间隔,其倒数即微处理机的通信带宽。

4. P(Processor)处理机 / 存储器模块个数。

 

LogP 模型的特点:

1. 抓住了网络与处理机之间的性能瓶颈。g 反映了通信带宽,单位时间内最多有 L / g 个消息能进行处理机间传送。

2. 处理机之间异步工作,并通过处理机间的消息传送来完成同步。

3. 对多线程技术有一定反映。每个物理处理机可以模拟多个虚拟处理机(VP),当某个 VP 有访问请求时,计算不会终止,但 VP 的个数受限于通信带宽和上下文交换的开销。VP 受限于网络容量,至多有 L / g 个 VP。

4. 消息延迟不确定,但延迟不大于 L。消息经历的等待时间是不可预测的,但在没有阻塞的情况下,最大不超过 L。

5. LogP 模型鼓励编程人员采用一些好的策略,如作业分配,计算与通信重叠以及平衡的通信模式等。

6. 可以预估算法的实际运行时间。

LogP 模型的不足之处:

1. 对网络中的通信模式描述的不够深入。如重发消息可能占满带宽、中间路由器缓存饱和等未加描述。

2. LogP 模型主要适用于消息传递算法设计,对于共享存储模式,则简单地认为远地读操作相当于两次消息传递,未考虑流水线预取技术、Cache 引起的数据不一致性以及 Cache 命中率对计算的影响。

3. 未考虑多线程技术的上下文开销。

4. LogP 模型假设用点对点消息路由器进行通信,这增加了编程者考虑路由器上相关通信操作的负担。

  • C3 模型

C3 模型假定处理机不能同时发送和接收消息,它对超步的性能分析分为两部分:计算单元 CU,依赖于本地计算量;通信单元 COU,依赖与处理机发送和接收数据的多少、消息的延迟及通信引起的拥挤量。该模型考虑了两种路由(存储转发路由和虫蚀寻径路由)和两种发送 / 接收原语(阻塞和无阻塞)对 COU 的影响。

C3 模型的特点:

  1. 用 Cl 和 Cp 来度量网络的拥挤对算法性能的影响;
  2. 考虑了不同路由和不同发送或接收原语对通信的影响;
  3. 不需要用户指定调度细节,就可以评估超步的时间复杂性;
  4. 类似于 H -PRAM 模型的层次结构,C3 模型给编程者提供了 K 级路由算法的思路,即系统被分为 K 级子系统,各级子系统的操作相互独立,用超步代替了 H -PRAM 中的 Sub PRAM 进行分割。

C3 模型的不足之处:

    1. Cl 度量的前题假设为同一通信对中的 2 个处理机要分别位于网络对分后的不同子网络内;
    2. 模型假设了网络带宽等于处理机带宽,这影响了正确描述可扩展系统;
    3. 在 K 级算法中,处理机间顺序可以由多种排列,但 C3 模型不能区分不同排列的难易程度。
  • BDM 模型

1996 年 J.F.JaJa 等人提出了一种块分布存储模型(BDM, Block Distributed Model)。它是共享存储编程模式与基于消息传递的分布存储系统之间的桥梁模型。主要有 4 个参数:

1. P 处理器个数。

2.τ 处理机从发出访问请求到得到远程数据的最大延迟时间(包括准备请求时间、请求包在网络中路由的时间、目的处理机接收请求的时间以及将包中 M 个连续字返回给原处理机的时间)。

3. M 局部存储器中连续的 M 个字。

4.σ 处理机发送数据到网络或从网络接收数据的时间。

BDM 模型的特点:

  1. 用 M 反映出空间局部性特点,提供了一种评价共享主存算法的性能方法,度量了因远程访问引起的处理间的通信;
  2. BDM 认可流水线技术。某个处理机的 K 次预取所需的时间为 τ +KMσ (否则为 K(τ+Mσ))
  3. 可编程性好;
  4. 考虑了共享主存中的存储竞争问题;
  5. 可以用来分析网络路由情况。

BDM 模型的不足:

  1. 认为初始数据置于局存中,对于共享主存程序的编程者来说,需要额外增加数据移动操作;
  2. 未考虑网络中影响延迟的因素(如处理机的本地性、网络重拥挤等);
  3. 未考虑系统开销。
本文永久更新链接地址:http://www.linuxidc.com/Linux/2016-04/130628.htm
正文完
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