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大型商用服务器的三大系统架构

作者:时间:2010-04-02来源:网络收藏

从系统架构来看,目前的商用大体可以分为三类,即对称多处理器结构(SMP:Symmetric Multi-Processor),非一致存储访问结构(NUMA:Non-Uniform Memory Access),以及海量结构(MPP:Massive Parallel Processing)。它们的特征分别描述如下:

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/257986.htm

SMP(Symmetric Multi-Processor)

  所谓对称多处理器结构,是指中多个CPU对称工作,无主次或从属关系。各CPU共享相同的物理内存,每个 CPU访问内存中的任何地址所需时间是相同的,因此SMP也被称为一致存储器访问结构(UMA:Uniform Memory Access)。对SMP进行扩展的方式包括增加内存、使用更快的CPU、增加CPU、扩充I/O(槽口数与总线数)以及添加更多的外部设备(通常是磁盘存储)。

  SMP服务器的主要特征是共享,系统中所有资源(CPU、内存、I/O等)都是共享的。也正是由于这种特征,导致了SMP服务器的主要问题,那就是它的扩展能力非常有限。对于SMP服务器而言,每一个共享的环节都可能造成SMP服务器扩展时的瓶颈,而最受限制的则是内存。由于每个CPU必须通过相同的内存总线访问相同的内存资源,因此随着CPU数量的增加,内存访问冲突将迅速增加,最终会造成CPU资源的浪费,使 CPU性能的有效性大大降低。实验证明,SMP服务器CPU利用率最好的情况是2至4个CPU。

图1.SMP服务器CPU利用率状态


NUMA(Non-Uniform Memory Access)

  由于SMP在扩展能力上的限制,人们开始探究如何进行有效地扩展从而构建大型系统的技术,NUMA就是这种努力下的结果之一。利用NUMA技术,可以把几十个CPU(甚至上百个CPU)组合在一个服务器内。其CPU模块结构如图2所示:

图2.NUMA服务器CPU模块结构

  NUMA服务器的基本特征是具有多个CPU模块,每个CPU模块由多个CPU(如4个)组成,并且具有独立的本地内存、I/O槽口等。由于其节点之间可以通过互联模块(如称为Crossbar Switch)进行连接和信息交互,因此每个CPU可以访问整个系统的内存(这是NUMA系统与MPP系统的重要差别)。显然,访问本地内存的速度将远远高于访问远地内存(系统内其它节点的内存)的速度,这也是非一致存储访问NUMA的由来。由于这个特点,为了更好地发挥系统性能,开发应用程序时需要尽量减少不同CPU模块之间的信息交互。

  利用NUMA技术,可以较好地解决原来SMP系统的扩展问题,在一个物理服务器内可以支持上百个CPU。比较典型的NUMA服务器的例子包括HP的Superdome、SUN15K、IBMp690等。

  但NUMA技术同样有一定缺陷,由于访问远地内存的延时远远超过本地内存,因此当CPU数量增加时,系统性能无法线性增加。如HP公司发布Superdome服务器时,曾公布了它与HP其它UNIX服务器的相对性能值,结果发现,64路CPU的Superdome ()的相对性能值是20,而8路N4000(共享的SMP结构)的相对性能值是6.3。从这个结果可以看到,8倍数量的CPU换来的只是3倍性能的提升。

图3.MPP服务器架构图

MPP(Massive Parallel Processing)

  和NUMA不同,MPP提供了另外一种进行系统扩展的方式,它由多个SMP服务器通过一定的节点互联网络进行连接,协同工作,完成相同的任务,从用户的角度来看是一个服务器系统。其基本特征是由多个SMP服务器(每个SMP服务器称节点)通过节点互联网络连接而成,每个节点只访问自己的本地资源(内存、存储等),是一种完全无共享(Share Nothing)结构,因而扩展能力最好,理论上其扩展无限制,目前的技术可实现512个节点互联,数千个CPU。目前业界对节点互联网络暂无标准,如 NCR的Bynet,IBM的SPSwitch,它们都采用了不同的内部实现机制。但节点互联网仅供MPP服务器内部使用,对用户而言是透明的。

  在MPP系统中,每个SMP节点也可以运行自己的操作系统、数据库等。但和NUMA不同的是,它不存在异地内存访问的问题。换言之,每个节点内的CPU不能访问另一个节点的内存。节点之间的信息交互是通过节点互联网络实现的,这个过程一般称为数据重分配(Data Redistribution)。

  但是MPP服务器需要一种复杂的机制来调度和平衡各个节点的负载和过程。目前一些基于MPP技术的服务器往往通过系统级软件(如数据库)来屏蔽这种复杂性。举例来说,NCR的Teradata就是基于MPP技术的一个关系数据库软件,基于此数据库来开发应用时,不管后台服务器由多少个节点组成,开发人员所面对的都是同一个数据库系统,而不需要考虑如何调度其中某几个节点的负载。

  NUMA与MPP的区别

  从架构来看,NUMA与MPP具有许多相似之处:它们都由多个节点组成,每个节点都具有自己的CPU、内存、I/O,节点之间都可以通过节点互联机制进行信息交互。那么它们的区别在哪里?通过分析下面NUMA和MPP服务器的内部架构和工作原理不难发现其差异所在。

  首先是节点互联机制不同,NUMA的节点互联机制是在同一个物理服务器内部实现的,当某个CPU需要进行远地内存访问时,它必须等待,这也是NUMA服务器无法实现CPU增加时性能线性扩展的主要原因。而MPP的节点互联机制是在不同的SMP服务器外部通过I/O 实现的,每个节点只访问本地内存和存储,节点之间的信息交互与节点本身的处理是并行进行的。因此MPP在增加节点时性能基本上可以实现线性扩展。

  其次是内存访问机制不同。在NUMA服务器内部,任何一个CPU可以访问整个系统的内存,但远地访问的性能远远低于本地内存访问,因此在开发应用程序时应该尽量避免远地内存访问。在MPP服务器中,每个节点只访问本地内存,不存在远地内存访问的问题。

  数据仓库的选择

  哪种服务器更加适应数据仓库环境?这需要从数据仓库环境本身的负载特征入手。众所周知,典型的数据仓库环境具有大量复杂的数据处理和综合分析,要求系统具有很高的I/O处理能力,并且存储系统需要提供足够的I/O带宽与之匹配。而一个典型的OLTP系统则以联机事务处理为主,每个交易所涉及的数据不多,要求系统具有很高的事务处理能力,能够在单位时间里处理尽量多的交易。显然这两种应用环境的负载特征完全不同。

  从NUMA架构来看,它可以在一个物理服务器内集成许多CPU,使系统具有较高的事务处理能力,由于远地内存访问时延远长于本地内存访问,因此需要尽量减少不同CPU模块之间的数据交互。显然,NUMA架构更适用于OLTP事务处理环境,当用于数据仓库环境时,由于大量复杂的数据处理必然导致大量的数据交互,将使CPU的利用率大大降低。

  相对而言,MPP服务器架构的能力更优越,更适合于复杂的数据综合分析与处理环境。当然,它需要借助于支持MPP技术的关系数据库系统来屏蔽节点之间负载平衡与调度的复杂性。另外,这种并行处理能力也与节点互联网络有很大的关系。显然,适应于数据仓库环境的MPP服务器,其节点互联网络的I/O性能应该非常突出,才能充分发挥整个系统的性能。



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