NT环境下千兆网络性能测试与分析

# NT环境下千兆网络性能测试与分析 ## 1. 引言 在20世纪90年代初，计算机集群作为一种独特的计算平台概念逐渐兴起。在此之前，多处理器计算平台通常采用定制设计的系统，包含专有硬件和软件。超级计算机或高性能多处理器计算机专为特定的重大挑战应用而设计、开发和销售，运行在这些超级计算机上的应用程序通常用Fortran或C编写，并使用专有数值或消息库，一般不具备可移植性。 然而，商用现货（COTS）硬件的快速发展以及COTS组件设计周期的缩短，使得定制硬件的设计变得成本高昂且效率低下。同时，软件能力和可移植性在90年代迅速提高，一些最初作为学术项目开发的软件系统催生了用于集群计算的标准可移植语言和新的标准通信协议。 集群计算的编程范式主要分为消息传递和分布式共享内存（DSM）两类。早期的努力主要集中在消息传递系统上，其中并行虚拟机（PVM）于1989年在橡树岭国家实验室（ORNL）作为消息传递研究工具启动，并在1991年初发布了公开版本。1994年，MPI版本1被批准为消息传递并行应用的法定标准，许多MPI - 1的实现相继开发出来。 ## 2. 消息传递 ### 2.1 MPI概述 MPI标准融合了当时最流行的消息传递系统的最佳特性。它仅定义了一个消息传递库，将进程初始化和控制等方面留给各个开发者自行定义。MPI具有可移植性、效率和功能性等设计目标，在众多平台上可用，正迅速成为消息传递的事实上的标准。 MPI具有多种特性，包括点对点通信（同步和异步模式）以及集体通信（屏障、广播、归约）。MPICH是由阿贡国家实验室和密西西比州立大学开发的，可能是当前最流行的免费MPI实现，它构建在Chameleon之上，适用于大多数常用的分布式和并行平台。 ### 2.2 PVM概述 并行虚拟机（PVM）系统为并行程序的开发和运行提供了环境，是ORNL、埃默里大学和田纳西大学之间持续的研究和开发项目。 PVM可以透明地处理异构计算机架构网络中的所有消息路由、数据转换和任务调度，适用于大多数计算机架构，包括Linux和NT。PVM系统由以下部分组成： - PVM守护进程（或NT服务）：安装在每个PVM主机计算机上，用于启动和操作PVM环境。 - 库：用于在PVM任务之间进行并行通信，并提供并行环境的初始化方法。 - 控制台：允许用户通过添加、删除主机以及启动、监控和停止PVM程序来操作PVM环境。 - 调试功能：用于调试PVM环境和PVM程序。 ## 3. 千兆以太网 千兆以太网为当前的以太网安装提供了升级路径，允许重用现有的安装站点、管理工具和培训资源。预计千兆以太网的初始应用将用于校园或建筑物中，满足路由器、交换机、集线器、中继器和服务器之间更高带宽的需求。在不久的将来，高端桌面计算机也将需要比快速以太网更高的带宽，从而采用千兆以太网。 千兆以太网是标准（10 MBps）以太网和快速以太网（100 MBps）的扩展，用于网络连接。1998年6月，IEEE标准委员会正式批准了千兆以太网标准IEEE 802.3z。千兆以太网采用与前代相同的载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）协议、帧格式和大小。IEEE 802.3z标准的大部分内容用于定义网络架构的物理层，针对不同的链路技术以及短距离和长距离互连，出现了几种物理层标准。不同以太网技术的差异如下表所示： | 以太网类型 | 数据速率 | Cat 5 UTP | STP/Coax | 多模光纤 | 单模光纤 | | --- | --- | --- | --- | --- | --- | | 以太网（10 BaseT） | 10 Mbps | 100 m (min) | 500m | 2km | 25 km | | 快速以太网（100 BaseT） | 100 Mbps | 100m | 100m | 412 m (半双工)<br>2 km (全双工) | 20km | | 千兆以太网（1000 Base X） | 1000 Mbps | 100m | 25 m | 550m | 5km | ## 4. MPI NT环境 目前有六种适用于NT的MPI环境，从商业产品如MPI/Pro和PaTENT到带有WinSock设备的标准MPICH版本。以下是用于评估千兆网络性能的MPI环境简介： ### 4.1 MPI/PRO for Windows NT MPI/Pro是MPI软件技术公司于1998年4月发布的商业环境。当前版本基于WinMPich，但经过了大幅重新设计以消除瓶颈和其他问题。它支持Intel和Alpha处理器，可与Microsoft Visual C++和Digital Visual Fortran一起使用。开发者目前正在开发一个不包含任何MPICH代码且支持VI架构的新MPI源代码库。 ### 4.2 PaTENT WMPI 4.0 PaTENT是由欧洲项目WINPAR资助的WMPI商业版本。它与WMPI在一些小方面有所不同，包括更纯净的版本发布、更简单的安装、更好的文档和全面的用户支持。PaTENT适用于Microsoft Visual C++和Digital Visual Fortran，包含库、头文件、示例和用于远程启动的守护进程，还包括为UFS配置的ANL的MPI - 10实现ROMIO，使用Installshield软件机制进行安装和配置。 ### 4.3 WMPI WMPI来自葡萄牙科英布拉大学信息工程系，是针对Microsoft Win32平台的完整MPI实现。它基于MPICH并包含P4设备，P4提供通信内部机制和启动机制（MPI标准未指定），因此WMPI也支持P4 APL。WMPI软件包包含用于Borland C++、Microsoft Visual C++和Microsoft Visual FORTRAN的库，发布版本提供库、头文件、示例和用于远程启动的守护进程。 ## 5. 性能测试 ### 5.1 测试设备 测试的目的是收集有助于指示NT上MPI预期通信性能（峰值带宽和消息延迟）的数据。基