【轉】ＭＰＩ簡介

原創 赵白石 2018-08-24 07:30

ＭＰＩ簡介　

　　MPI（Message Passing Interface）是消息傳遞並行程序設計的標準之一，當前通用的是MPI1.1規範。正在制定的MPI2.0規範除支持消息傳遞外，還支持MPI的I/O規範和進程管理規範。MPI正成爲並行程序設計事實上的工業標準。
　　MPI的實現包括MPICH、LAM、IBM MPL等多個版本，最常用和穩定的是MPICH，曙光天潮系列的MPI以MPICH爲基礎進行了定製和優化。

　　MPICH含三層結構，最上層是MPI的API，基本是點到點通信，和在點到點通信基礎上構造的集羣通信（Collective Communication）；中間層是ADI層（Abstract Device Interface），其中device可以簡單地理解爲某一種底層通信庫，ADI就是對各種不同的底層通信庫的不同接口的統一標準；底層是具體的底層通信庫，例如工作站機羣上的p4通信庫、曙光1000上的NX庫、曙光3000上的BCL通信庫等。

　　MPICH的1.0.12版本以下都採用第一代ADI接口的實現方法，利用底層device提供的通信原語和有關服務函數實現所有的ADI接口，可以直接實現，也可以依靠一定的模板間接實現。自1.0.13版本開始，MPICH採用第二代ADI接口。

　　我們將MPICH移植到曙光3000高效通信庫BCL(Basic Communication Library)上(簡稱MPI_BCL)。MPI_BCL的接口標準與MPICH版本1.1完全一致，滿足MPI1.1標準。同時，也支持ch_p4的通信庫，即利用TCP/IP通信機制。從網絡硬件角度說，MPI_BCL針對系統網絡，MPI_ch_p4針對高速以太網。

1.MPI的程序設計

　　MPI1.1標準基於靜態加載，即所有進程在加載完以後就全部確定，直至整個程序結束才終止，在程序運行期間沒有進程的創建和結束。一個MPI程序的所有進程形成一個缺省的組，這個組被MPI預先規定的Communicator MPI_COMM_WORLD所確定。

　　MPI環境的初始化和結束流程如下：在調用MPI例程之前，各個進程都應該執行MPI_INIT，接着調用MPI_COMM_SIZE獲取缺省組(group)的大小，調用MPI_COMM_RANK獲取調用進程在缺省組中的邏輯編號（從0開始）。然後，進程可以根據需要，向其它節點發送消息或接收其它節點的消息，經常調用的函數是MPI_SEND和MPI_RECV。最後，當不需要調用任何MPI例程後，調用MPI_FINALIZE消除MPI環境，進程此時可以結束，也可以繼續執行與MPI無關的語句。

　　上面提到的六個函數：MPI_INIT，MPI_COMM_SIZE，MPI_COMM_RANK，MPI_SEND，MPI_RECV，MPI_FINALIZE 實際上構成了編寫一個完整的MPI程序所需例程的最小集。

2.MPI的幾個重要特徵

　　下面分別介紹MPI的幾個重要特徵：Communicator（通信空間）、Group（進程組）、Context_id（上下文標識）、Data Types（數據類型）。
MPI提供Communicator來指定通信操作的上下文，提供了通信操作的執行空間。在某個通信空間（或上下文）中發送的消息必須在相同的空間中接收，不同空間中的消息互不干擾。定義一個Communicator，也就指定了一組共享該空間的進程，這些進程組成了該Communicator的Group。

　　Communicator通過其特徵屬性Context_id來區分，同一個進程不同的Communicator有不同的Context_id。因此Context_id是另一個區分消息的標誌。

　　MPI引入消息的Data Type屬性的目的有兩個：一是支持異構系統計算；二是允許消息來自不連續的或類型不一致的存儲區，例如，可以傳送數組的一列，或傳送一個結構值，而該結構的每個元素的類型不同。Data Types定義了消息中不連續的數據項及其可能不同的數據類型。Data Type由應用程序在執行時通過基本的數據類型創建。

3.消息

　　一個消息相當於一封信，消息內容相當於信本身，消息的接收者相當於信封上的內容。因此通常將前者稱爲消息的buffer, 後者稱爲消息的envelop。

　　buffer: message address, count, datatype;
　　envelop: process id, message tag,communicator

　　在MPI以前的大多數通信系統中，消息buffer通常僅由buffer的地址和長度決定（例如曙光1000上的NX通信系統），那麼在MPI的消息格式中爲什麼要引入Data Type呢？這有兩個主要原因：

　　支持異構計算：不同系統有不同的數據表示。解決這一問題的方法是預先定義一些基本數據類型，MPI實現過程中對這些類型進行轉換，例如轉換爲XDR格式，接收時進行反轉。

　　派生的數據類型（Derived Data Types）：允許消息來自於不連續的和類型不一致的存儲區域。

4.MPI應用程序的編譯

Include文件

　　C語言應用程序應有
　　　　#include “mpi.h”
　　若使用cc編譯，命令行應有：
　　　　-I/cluster/mpi/net/include (net版)
　　　　-I/cluster/bcl/include -I/cluster/rms/include -I/cluster/sdr/include -I/cluster/mpi/mesh/include (mesh版)

　　Fortran語言應用程序應有
　　　include ‘mpif.h’
　　若使用f77編譯, 命令行應有：
　　　　-I/cluster/mpi/net/include (net版)
　　　　-I/cluster/bcl/include -I/cluster/rms/include -I/cluster/sdr/include -I/cluster/mpi/mesh/include (mesh版)

MPI庫文件

C語言
　　C語言程序編譯時需作下述鏈接：
　　　　-L/cluster/mpi/net/lib -lmpi -lbsd (net版)
　　　　-L/cluster/mpi/mesh/lib -L/cluster/bcl/lib -L/cluster/rms/lib -L/cluster/sdr/lib -lmpi -lbcl -lrms -lsdr (mesh版)
　　數學函數庫還應鏈接： -lm

Fortran語言
　　Fortran編譯時應作下述鏈接：
　　　　-L/cluster/mpi/net/lib -lmpi -lbsd (net版)
　　　　-L/cluster/mpi/mesh/lib -L/cluster/bcl/lib -L/cluster/rms/lib -L/cluster/sdr/lib -lmpi -lbcl -lrms -lsdr (mesh版)

mpif77和mpicc

　　MPI提供了兩個工具(mpif77和mpicc)來簡化MPI應用程序的編譯。用戶可以直接地使用命令行方式mpicc或mpif77來編譯C或Fortran程序，編譯方式與cc和f77完全一致。如：
　　　　mpif77 -c foo.f
　　　　mpicc -c foo.c
　　　　mpif77 -o foo foo.o
　　　　mpicc -o foo foo.o
　　有時鏈接時需一些特殊庫, 應在鏈接時註明。使用mpicc和mpif77省略了有關MPI的路徑設置。

5.MPI應用程序的運行

　　應用程序編譯好後，使用mpirun命令運行MPI應用程序。mpirun命令完整的格式如下：
　　　　mpirun [-h|-?|-help] [-sz size|-sz hXw] [-np nprocs] [-pl poolname]

　　 ：安裝 MPICH

原理：

什麼是 Cluster 與 Cluster 的優點

什麼是 Cluster 呢？目前常見的 Cluster (叢集)架構有兩種，一種是 Web / Internet cluster system，這種架構主要是將資料放置在不同的主機上面，亦即由多部主機同時負責一項服務；而另外一種則是所謂的平行運算了！平行運算其實就是將同一個運算的工作，交給整個 Cluster 裏面的所有 CPU 來進行同步運算的一個功能。由於使用到多個 CPU 的運算能力，所以可以加快運算的速度。目前比較常見於平行運算功能的，通常需要在超級計算機上面纔看的到，這些超級計算機主要是用在天文、軍事、物理等需要很精密的、大量的運算的工作中，而考慮到穩定性，則通常是用在 Unix 系統上面的硬件架構上。不過，目前由於 PC 上面的 CPU 的運算功能越來越強大了～因此，當然很多程序開發者就動腦筋到 PC 上面來製作並行計算機的系統囉！我們這篇短文主要在介紹的就是『平行運算』這一類的 Cluster 了！

由於 Cluster 主要是用在平行運算上面的，而所謂的平行運算是使用到多顆 CPU 的運算功能，因此可以讓您的大型運算的程序很快的執行完畢！因此，如果你的工作環境當中，常常會使用到很耗 CPU 運算功能的程序時，就可以嘗試使用 Cluster 來進行工作囉！應該可以節省您不少的時間吶！此外，我們這篇短文主要是在 X86 架構下的 PC 來架設 Cluster 的喔！

不過，也需要特別留意的是，由於我們的 Cluster 是將一個工作平均分給所有的 node (注：一顆 CPU 在一個 Cluster 架構下，就稱爲一個 node 囉！)，所以，萬一您做成的 Cluster 系統當中，所有的 node 並非完全相同的運算等級，那麼先做完工作的 node 將會暫停工作，會等到所有的 node 都進行完畢後，纔會在進行下一動～所以啦！強烈的建議在同一個 cluster 的架構中，儘量所有的 CPU 都使用相同的 CPU 型號，應該會比較好一點喔！

Cluster 的主從架構

最簡單的 Cluster 其實就是以一種主從架構來進行資料的運算工作的，圖標如下：

上面的 Master 與 Slave 指的都是 CPU 喔！

Master 那部機器上面必須要有可以將工作分配給各個 node 去工作的函式庫，也就是 MPI ，他最重要的功能就是將工作給他分配下去的啦！而最重要的軟件就是：(1)MPICH；(2)編譯器(compiler, 例如 Fortran)；

什麼是網絡功能呢？如果 master 與 slave 是在同一部機器當中，例如雙 CPU 的主機板，那麼這裏就不需要網絡功能啦！不過，如果我是使用四臺雙 CPU 的 PC 呢？呵呵！那麼這四部主機就需要以高速網絡架構進行聯機啦！此外，還需要在這四部主機之間建立可以互通訊息的通訊協議才行，這方面的功能就含有：(1)R Shell, 亦即稱爲 RSH；(2)NIS，使 Master 與 Slave 具有相同的帳號羣組關係；(3)NFS，使讀取寫入的資料可以在同一個 partition 上面；

Slave 就是單純的將來自 Master 的任務給他做完就是了！

整個主從架構大致上就是這樣啦！因此，可以知道的是，我們需要的就是上面那些咚咚囉！

達成 Cluster 所需要額外功能 ( RSH ) 與軟件 ( MPICH )

由上面的 Cluster 主從架構當中，我們知道 Master 與 Slave 之間的網絡溝通很重要的一個咚咚，那就是 R Shell 囉！此外，還有將一個工作傳送給不同的 node 來進行計算的任務，就需要 MPICH 這個函式庫來進行！簡單的談一談這兩個玩意兒吧！

RSH：
在我們的 Linux 主機上面工作，通常使用 BASH 這個 shell 來傳達給 kernel 工作的訊息，以使主機正確的工作；而如果在不同的主機之間，那就可以使用 R Shell 來進行指令的下達喔，如此一來，我們就可以直接在 A 機器，向 B 機器下達工作的指令，而不需要登入 B 機器呢～那就是 RSH 的主要功能啦！最常見的 RSH 指令就是 rcp 與 rsh 了！有興趣的朋友應該知道以 man 來查尋一下該指令的用法囉！
需要附帶一提的是，這個 RSH 是『相當危險』的一個服務喔！由於我們可以直接登入 RSH 主機，並且在上面進行指令的下達，爲了避免還要輸入密碼的問題，因此通常 RSH 已經將信任主機設定好了，不過，由於 RSH 會激活一些 port 來監聽 Clients 的需求，而偏偏這些 port 與 daemon 都還挺危險的，因此，『Cluster 最好是設定在內部網域當中，並使用私有 IP ，比較能夠避免危險』喔！此外，那個 Master 也必須要設定好一定程度的嚴密防火牆喔！

MPICH：
MPI 是 Messages Passing Interface 的縮寫，他本身是一個規格很嚴密的通訊標準，主要的功能是在處理平行運算之間各個 node 的資料交換，請注意， MPI 並不是一套軟件喔！而至於 MPICH 就是符合 MPI 這個標準通訊協議的一套軟件了！因此，我們可以經由 MPICH 這個軟件提供的 MPI 函式庫來達成平行運算的功能喔！也就是說，我們所寫的程序，只要能夠使用 MPICH 提供的函式庫，那麼該程序就可以進行平行運算時候所需要的功能了，這就可以避免程序開發者還要去處理通訊節點上面的問題，而可以將程序開發的重心着重在程序本身的問題上面！
MPICH 是由 Mathematics and Computer Science Division的 Argonne 實驗室所發展，詳細的資料可以參考：http://www-unix.mcs.anl.gov/mpi/mpich/

除了這兩個軟件之外，還需要 NIS 與 NFS 喔！所以啦！要建置一個 Cluster 的話，身爲系統管理員的您，必須要學會的技能真是相當的多的，至少需要：

熟悉 Linux 的操作技巧；
熟悉 Linux 基礎網絡參數設定；
熟悉 Linux 相關的 Server 架設(這方面請參考鳥哥的私房菜架站篇)；
瞭解 RSH 的相關功能與設定技巧；
瞭解 MPICH 的設定與相關功能；
熟悉至少一種程序語言。

還真的是不好學啊！鳥哥也是新手玩弄 Cluster 說～大家一起研究研究吧！

架設流程

要架設 Cluster 當然就是需要多部的 PC 來聯機啦！不然怎麼稱爲 Cluster 呢？您說是吧！所以，無論如何，在架設 Cluster 之前，請務必要確認您的『所有硬件以及網絡功能都是完整無缺的！』否則就無法繼續下去啦！另外，建議 Cluster 的所有主機規格儘量相同，可以避免等待的困擾呢！底下就來談一談整個架設流程吧！

整體架構

整體架構的架設當中，需要的所有軟件爲：

Master 主機安裝需要：
防火牆的設定(含 NAT 架設)；
RSH
NIS Server
NFS Server
Compiler Install
MPICH Install
其它特殊功能

Slave 主機安裝需要：
防火牆的設定
RSH
NIS Client
NFS Client

基本上，幾乎所有的工作都是在 Master 上面做啦！ Slave 最大的任務就是進行來自 Master 所要求的計算工作，因此，Slave 能夠越簡單越好～至於 Master 上面，由於我們都是在 Master 主機上面下達工作指令，而總不能老是在屏幕前面下達指令吧！因此上，Master 通常會有兩個網絡接口，分別是對外的 Public IP 與對內的 Priavte IP。而既然 Master 有提供 Public IP 的設定，自然就比較擔心所謂的駭客入侵問題，所以啦，您的 Master 主機，要嗎就不要開放 Public IP ，要嗎就務必要設定很嚴密的防火牆，並且不必要的服務就儘量關閉他～畢竟我們的 Cluster 是要用來做爲計算運作的，所以不必要的網絡協議服務，當然就是關閉他啦！底下鳥哥將以自己的一個實際案例進行說明的啦！參考看看吧！

一個實例規範

在我這個案例當中， Cluster 主要的功能爲：進行 MM5 這個氣象模式的運算以及 Models-3/CMAQ 這個空氣品質模式的運算，而由於這兩個咚咚都是使用 PGI Fortran 90 做爲 Compiler ，因此，我就必須要進行 PGI 的安裝啦！而我的硬件架構主要是這樣的：

Master ： 爲雙 CPU 主機，使用 AMD MP 的 CPU ，並且有一顆 120 GB 的硬盤，此外，由於我的數值模式需要 PGI Fortran ，所以就必須要安裝 Server 版的 PGI Fortran 喔！
Slave ： 共有三部 Slave ，每一部均爲雙 CPU 的 AMD MP 的 CPU ，並且有一顆 120 GB 的硬盤；
連接 Master 與 Slave 的爲 10/100/1000 的 Switch ，當然，四部主機(1 x master + 3 x slave)都是安裝 Intel 的 1GB 網絡卡喔！

硬件連接有點像這樣：

那麼底下就來談一談怎麼安裝他吧！

系統安裝( Red Hat 9 )

我的這個系統使用的是最新的 Red Hat 出版的 Red Hat 9 ，會用這個玩意兒最大的原因是因爲 Red Hat 是目前支持的 Linux 軟件最多的一個 Linux Distribution 了，安裝他之後，就比較不會欠東欠西的，此外，很多的軟件都是以 Red Hat 做爲測試的平臺，因此我就選擇他來做爲我的系統平臺啊！另外，需要留意的是，由於 Slave 並不需要使用到圖形接口的功能，他單純是用在計算上面，因此我沒有在 slave 上面安裝圖形接口的打算～至於 Master 則安裝了 KDE 這個咚咚喔！好了，Linux 的安裝相信大家應該都要很熟悉了，所以我就不再談安裝的詳細步驟，僅提幾個特別需要注意的地方囉：

Partition 方面：
因爲我的硬盤實在是在蠻大的，並且在 Slave 上面也是 120 GB 的硬盤，如果不將 Slave 的硬盤使用的話，實在覺得很浪費，因此，一開始我就規劃將四部主機的硬盤全部都以 NFS 分享到內部網域當中，而爲了避免跟系統的檔案放在一起，因此，我就將硬盤分割出除了必要的 partition 之外，其它的就掛載在 /disk1 這個目錄當中，四部主機的 parition 都相同，分別是：

/ : 10 GB
/var : 5 GB
/tmp : 3 GB
Swap : 3 GB ( 因爲我每部 Linux 主機上面都有 1.5 GB 的內存 )
/disk1: 96 GB

安裝時選擇的套件：
所有的主機都需要底下的套件安裝(注：因爲原本的筆記記錄的很亂，所以如果找不到相同的字眼，那就是我寫錯啦！)：
Administrator Tools
Development Tools
Editor
Enginerring
Kernel Development
Network Servers
Server configure
Sound and vedio tools
System Tools
Text-based
Windows servers
不過， Master 需要額外再增加 X Window 方面的支持，例如 KDE 與 X-Window System 這兩個主要的套件要勾選喔！

系統安裝大致上就是這些吧，如果有疏漏的，請未來在安裝完畢之後，再以原本 Red Hat 9 的光盤來重新安裝他吧！反正 Red Hat 系統都是以 rpm 來安裝的，挺容易安裝的喔！整個安裝完畢後，還花不到幾分鐘呢！

防火牆 ( 含 NAT 主機 ) 與網絡設定

由於我們的 Cluster 主要是用在數值運算，因此，當然不需要對外開放網絡服務啦！所以，最好就是以私有 IP 來進行網絡的設定是比較好的！此外，最好還是要設定好防火牆的啦！我的網域參數預設是這樣的：

Network/netmask：192.168.10.0/255.255.255.0
Master：(對外)140.116.xxx.yyy；(對內)192.168.10.30, Gateway 爲對外的 Gateway 喔！並且有設定 NAT 啊！
Slave：192.168.10.10, 192.168.10.20, 192.168.10.40 三部，Gateway 爲 192.168.10.30

網絡參數的各個檔案是這樣的：

各個主機的主機名稱請修改：/etc/sysconfig/network
各個主機的網絡卡設定項目請修改：/etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-eth0
各個主機的 DNS 查尋系統請修改：/etc/resolv.conf
各個主機的內部主機名稱查尋系統請修改：/etc/hosts，我的 /etc/hosts 如下：
127.0.0.1 localhost localhost.localdomain
192.168.10.10 node1.cluster
192.168.10.20 node2.cluster
192.168.10.30 server.cluster
192.168.10.40 node4.cluster

而我的每部主機先將所有的網絡服務都給他關掉去，僅剩下 SSH 這個網絡協議存在而已～所以，我利用 Red Hat 提供的 ntsysv 這個指令來選擇開機時激活的項目有：

atd
crond
iptables
keytable
network
random
sshd
syslogd
xinetd

至於防火牆系統的規劃上面，由於 Master 主機 (192.168.10.30) 具有 NAT 的功能，所以必須要修改一下他的防火牆機制，因此，就有兩個不同的防火牆機制 scripts 囉！另外，由於擔心外來的入侵攻擊，因此，在這個 Cluster 的系統當中，我的 iptables 防火牆機制是使用『MAC(網絡卡卡號)』來做爲設定的基準，而不是使用 IP 啊！爲什麼呢？因爲反正我僅允許我自己同網域內的幾部計算機連進來而已，當然沒有必要針對 IP 啊！所以囉，就必須要收集四部主機的網絡卡來允許他進入囉。此外，由於我可能並不在 Cluster 前面操作，因此會啓用一兩部主機的網絡卡卡號，好讓他能夠進入 Cluster 呦！底下就將我的防火牆機制給他列出來一下：

Master：

!/bin/bash

This program is for iptables’ rules

VBird 2003/05/02

0. PATH and modules

PATH=/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin
export PATH
modprobe ip_tables
modprobe iptable_nat
modprobe ip_nat_ftp
modprobe ip_nat_irc
modprobe ip_conntrack
modprobe ip_conntrack_ftp
modprobe ip_conntrack_irc

1. clear the rules and make the policys

iptables -F
iptables -X
iptables -Z
iptables -F -t nat
iptables -X -t nat
iptables -Z -t nat
iptables -P INPUT DROP
iptables -P OUTPUT ACCEPT
iptables -P FORWARD ACCEPT
iptables -t nat -P PREROUTING ACCEPT
iptables -t nat -P POSTROUTING ACCEPT
iptables -t nat -P OUTPUT ACCEPT

2. NAT services

echo “1” >; /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.10.0/24 -o eth1 -j MASQUERADE

3. Trust network and conditions

iptables -A INPUT -m state –state ESTABLISHED,RELATED -j ACCEPT
iptables -A INPUT -i lo -j ACCEPT
iptables -A INPUT -m mac –mac-source XX:YY:ZZ:WWQ -j ACCEPT

上面這一行就是網絡卡的卡號啦！

Slave：
Slave 的防火牆機制跟 Master 幾乎一模一樣，只是因爲在內部啊，所以不需要激活 NAT 的服務即可！上面的給改一改先～

好啦！網絡的設定與防火牆就到這裏爲止，要記得喔，你的網絡必須要已經能夠正確的激活了！如果還是無法激活網絡，或者是防火牆機制還是有問題，那麼對外的那個網絡卡的網絡線還是先給他拔掉吧！比較安全一些些的啦！等到都設定妥當，尤其是防火牆，然後纔來激活他吧！

NFS 架設規劃

由於我這裏預計要設定 NIS ，並且每部主機的 /disk1 都要分享出去，因此，每部主機都必須要開放 NFS 的服務喔！並且，每一部主機的設定都可以相同吶！這樣比較容易來設定囉～此外，比較不一樣的地方在於 Master 這一部，由於我的 Cluster 所有的帳號都在 NIS 的管制之中，因此，我將 Master 的 /home 也分享出來，並且每部 Slave 主機都掛載 Master 的 /home 才成！

這個 NFS 在 Cluster 當中是相當重要的，爲什麼呢？因爲我們不是在四部主機上面工作嗎，而這四部主機會去讀取的『資料』其實都是『在本機上面可以看的到的』資料才行，這還包括底下我們會持續介紹的 mpich 這個軟件的函式庫呢！也就是說：『在 Cluster 裏面，所有的機器會使用到的資料必須都在相同的目錄當中！』所以，這就是爲什麼我們要對 /home 進行分享，以及進行 NIS 的設定了！此外，因爲我的 Server 這部 Master 機器分享出去的目錄中，已經含有 /disk1 這個 partition，此外，還通通將他掛載在 /cluster/server 底下，因此，可以建議：『未來在安裝所有的 Cluster 需要的套件資料時，例如 Compiler 以及 MPICH 等等，都可以安裝到 /cluster/server 這個目錄底下，以使所有的主機都能夠使用同一個 partition 來源的資料喔！』

設定程序：

Master：

  1. 激活 portmap 並且設定開機激活：
    [root @server root]# /etc/rc.d/init.d/portmap
    [root @server root]# chkconfig –level 35 portmap on

  2. 設定 NFS 分享出去：
    [root @server root]# vi /etc/exports
    /home 192.168.10.0/24(rw,async,no_root_squash)
    /disk1 192.168.10.0/24(rw,async,no_root_squash)
    [root @server root]# exportfs -rv
    [root @server root]# /etc/rc.d/init.d/nfs start
    [root @server root]# chkconfig –level 35 nfs on

  3. 設定預計的掛載點：
    [root @server root]# mkdir -p /cluster/node1
    [root @server root]# mkdir -p /cluster/node2
    [root @server root]# mkdir -p /cluster/node4
    [root @server root]# mkdir -p /cluster/server

Slave：

  1. 激活 portmap 並且設定開機激活：
    [root @node1 root]# /etc/rc.d/init.d/portmap
    [root @node1 root]# chkconfig –level 35 portmap on

  2. 設定 NFS 分享出去：
    [root @node1 root]# vi /etc/exports
    /disk1 192.168.10.0/24(rw,async,no_root_squash)
    [root @node1 root]# exportfs -rv
    [root @node1 root]# /etc/rc.d/init.d/nfs start
    [root @node1 root]# chkconfig –level 35 nfs on

  3. 設定預計的掛載點：
    [root @node1 root]# mkdir -p /cluster/node1
    [root @node1 root]# mkdir -p /cluster/node2
    [root @node1 root]# mkdir -p /cluster/node4
    [root @node1 root]# mkdir -p /cluster/server

掛載程序：

Master：
將底下這些指令測試執行一下，如果成功後，將指令寫入 /etc/rc.d/rc.local 當中

[root @node1 root]# mount -t nfs -o bg,intr server.cluster:/disk1 /cluster/server
[root @node1 root]# mount -t nfs -o bg,intr node1.cluster:/disk1 /cluster/node1
[root @node1 root]# mount -t nfs -o bg,intr node2.cluster:/disk1 /cluster/node2
[root @node1 root]# mount -t nfs -o bg,intr node4.cluster:/disk1 /cluster/node4

Slave：
將底下這些指令測試執行一下，如果成功後，將指令寫入 /etc/rc.d/rc.local 當中

[root @server root]# mount -t nfs server.cluster:/home /home
[root @server root]# mount -t nfs -o bg,intr server.cluster:/disk1 /cluster/server
[root @server root]# mount -t nfs -o bg,intr node1.cluster:/disk1 /cluster/node1
[root @server root]# mount -t nfs -o bg,intr node2.cluster:/disk1 /cluster/node2
[root @server root]# mount -t nfs -o bg,intr node4.cluster:/disk1 /cluster/node4

呵呵！這樣就設定成功了！我們每一部主機『看起來』就好象有 400 GB 的硬盤空間啊！可怕了吧！

NIS 架設規劃

NIS 的設定也是很簡單，不過主要還是需要分爲 NIS Server 與 NIS Client 兩部份來設定的！請注意，在設定之前，就已經要將 NFS 搞定喔！這些流程都是有一定程度的相關性的呢！

Master：
在 Master 上面需要進行的工作很多喔！首先，一定要修改 ypserv.conf 以及其它相關的檔案的吶！

  1. 激活 time 與 time-udp 這兩個預先要激活的 daemon
    [root @server root]# chkconfig –level 35 time on
    [root @server root]# chkconfig –level 35 time-upd on
    [root @server root]# /etc/rc.d/init.d/xinetd restart

  2. 建立 NIS 的領域名稱 (我這裏是設定爲 cluster )：
    [root @server root]# nisdomainname cluster
    [root @server root]# echo “/bin/nisdomainname cluster” >;>; /etc/rc.d/rc.local
    [root @server root]# echo “NISDOMAIN=cluster” >;>; vi /etc/sysconfig/network

  3. 建立 NIS 設定檔：
    [root @server root]# vi /etc/ypserv.conf (在這個檔案內增加三行即可)
    127.0.0.0/255.255.255.0 : * : * : none
    192.168.10.0/255.255.255.0: * : * : none

    • : * : * : deny
      [root @server root]# touch /etc/netgroup

  4. 激活 NIS：
    [root @server root]# /etc/rc.d/init.d/ypserv start
    [root @server root]# /etc/rc.d/init.d/yppasswdd start
    [root @server root]# chkconfig –level 35 ypserv on
    [root @server root]# chkconfig –level 35 yppasswdd on

  5. 製作數據庫：(每次有更動使用者信息時，就必須要進行這個步驟！)
    [root @server root]# /usr/lib/yp/ypinit -m
    [root @server root]# chkconfig –level 35 ypserv on
    [root @server root]# chkconfig –level 35 yppasswdd on

Slave：
至於 NIS Client 則是需要設定 yp.conf 這個檔案呢！

  1. 建立 NIS 的領域名稱 (我這裏是設定爲 cluster )：
    [root @node1 root]# nisdomainname cluster
    [root @node1 root]# echo “/bin/nisdomainname cluster” >;>; /etc/rc.d/rc.local
    [root @node1 root]# echo “NISDOMAIN=cluster” >;>; vi /etc/sysconfig/network

  2. 建立 NIS 查尋的主機名稱：
    [root @node1 root]# vi /etc/yp.conf
    domain cluster
    ypserver server.cluster

  3. 修改密碼驗證方式：
    [root @node1 root]# vi /etc/passwd (在這個檔案的最底下新增如下一行)
    +::::::
    [root @node1 root]# vi /etc/nsswitch.conf
    passwd: files nis nisplus
    shadow: files nis nisplus
    group: files nis nisplus
    hosts: files nis dns

  4. 激活 NIS：
    [root @server root]# /etc/rc.d/init.d/ypbind start
    [root @server root]# chkconfig –level 35 ypbind on

呵呵！不囉唆！馬上就設定妥當啦！

RSH 設定

這個 RSH 已經提過了，主要的功能是提供 Master 可以使用 R 指令(如 rsh, rlogin, rcp 等等)來進行 slave 端主機的操控的！所以啦， RSH daemon 主要是在 slave 機器上面架設的喔！與 Master 就無關啦！Master 只要能夠執行 R command 即可！雖然是如此，不過，在我的測試當中，最好 Master 也激活 RSH 比較好一些些囉！在底下的設定當中，我們假設 Server 上面的所有使用者都可以使用 R command 呢！設定的方法很簡單啊！

Slave & Master：
底下的設定在 Master 與 Slave 上面都需要動作喔！設定一樣即可！
1. 激活 RSH 囉！
[root @node1 root]# chkconfig –level 35 rsh on
[root @node1 root]# /etc/rc.d/init.d/xinetd restart

  1. 編輯可使用 R command 的主機設定文件：
    [root @node1 root]# vi /etc/hosts.equiv
    server.cluster +

特別注意，由於 RSH 預設就是不支持 root 使用 R command ，所以您必須要到 master 上面去，並以一般身份使用者進行 R command 的測試才行喔！不要直接以 root 工作，會無法成功的啦！(顯示 permission deny 的啦！)

Master：
由於 RSH Server 上面的設定中，您的 User 家目錄必須要存在一個名爲 .rhosts 的檔案，原本我的 Server 上面就有一個名爲 test 的使用者，而並且爲了讓我未來新建立的使用者都能夠使用 R command ，所以我在 Master 這部機器上面做了這樣的動作喔：
[root @server root]# vi /home/test/.rhosts
server.cluster
[root @server root]# vi /etc/skel/.rhosts
server.cluster
[root @server root]# chmod 644 /etc/skel/.rhosts

這樣就妥當的設定好了 RSH 囉！

安裝 Fortran 90 的編譯程序 PGI pgf90 ( PS. server version )

我由 PGI 的官方網站下載了最新的 PGI Server 套件，請特別留意的是，由於 PGI 有兩種模式，一種是工作站(Workstation)一種則是服務器(Server)模式，其中，工作站僅能提供單一主機來操作，無法進行 Cluster 的功能的！因此，請務必要下載 Server 的版本，並且是支持 Linux 版本的喔！不要搞混了！ PGI Fortran Server version 的下載網址在這個地方：http://www.pgroup.com/downloads.htm，請自行下載吧！比較需要留意的是，從上面這個網站下載的版本僅是分享軟件的版本，您安裝之後可以具有 15 天的免費使用期限，超過期限之後，又需要重新安裝一次，很是麻煩的啦！如果您的 Cluster 是用來進行學術研究的，那麼在測試完成之後，可能需要去他的網站註冊，這個註冊的費用差異可就很大了～因爲未來我的 Cluster 需要一直不斷的運作，因此是需要去註冊的啦！並且，我只會用到 Fortran 這個編譯器，因此，我就直接使用 PGIHPF 這個版本來測試安裝而已，而不是使用全部 ( 含 PGI Fortran 與 C ) 的版本喔！因爲註冊的價差差了兩～三萬臺幣啊！安裝 Fortran 真是很簡單的啦！假設您將 linux86-HPF.tar.gz 放置在 /root/software 底下，則：(注：以下的動作僅只要在 Master 上面進行即可喔！)

  1. 建立 pgi fortran 在 /cluster/server/program/pgi 底下：
    [root @server root]# cd /usr/local/src
    [root @server src]# mkdir pgi-fortran; cd pgi-fortran
    [root @server pgi-fortran]# tar -zxvf /root/software/linux86-HPF.tar.gz
    [root @server pgi-fortran]# ./install
    接下來會有一些問題，請依序回答您的問題喔！
    至於授權嘛！請建立吧！
    最重要的地方，是在第三個問題，他會問你要安裝的目錄，請選擇
    /cluster/server/program/pgi

  2. 修改個人參數：由於 RSH 不以 root 工作，所以我以使用者 test 來測試：
    [root @serer root]# vi /home/test/.bashrc

加入這幾行關於 PGI 的咚咚：

PGI=/cluster/server/program/pgi
export PGI
PATH=$PGI/linux86/binPATH

  1. 設定查尋路徑：
    [root @server root]# vi /etc/man.config

加入這一行：

MANPATH /cluster/server/program/pgi/man

這樣就好了嗎？！沒錯！確實是這樣就完成了！很是簡單吧！ ^_^要注意的是：

記得 pgf90 必須要讓所有的 node 都能夠讀的到，所以一定要安裝在 Server 的分享出去的目錄當中，我這裏的例子就是安裝在 /cluster/server/program/gpi 這個目錄當中囉！
執行檔要能夠執行，當然是必須要讓目錄在 PATH 這個變量底下，而我的 pgf90 是在 /cluster/server/program/pgi/linux86/bin 底下，所以，您的 PATH 必須要含有這個目錄才行！

大概就是如此囉！

安裝 MPICH

前面我們提過了，安裝 MPICH 是平行運算裏面最重要的一項工作了！因爲我們就是靠他來幫我們達成運作的啊！那麼怎麼來安裝呢？又是簡單得不得了啊！首先，請先下載 mpich 吧！下載的網址在底下，我是以 mpich 1.2.5-1a 來測試的喔！

http://www-unix.mcs.anl.gov/mpi/mpich/download.html

假設您將 mpich 下載在 /root/software 裏面，並且預計要安裝到 /cluster/server/program/mpich 當中，而且僅安裝 Fortran 而已的話，可以這樣做：

  1. 建立 mpich 在 /cluster/server/program/mpich 底下：
    [root @server root]# cd /usr/local/src
    [root @server src]# tar -zxvf /root/software/mpich.tar.gz
    [root @server src]# cd mpich-1.2.5
    [root @server mpich-1.2.5]# ./configure –enable-debug \

    ; -fc=pgf77 -f90=pgf90 \
    ; –prefix=/cluster/server/program/mpich
    [root @server mpich-1.2.5]# make && make install

  2. 建立可以利用的主機狀態：
    [root @server mpich-1.2.5]# cd /cluster/server/program/mpich/share
    [root @server share]# vi machines.LINUX
    node1.cluster:2
    node2.cluster:2
    node4.cluster:2
    server.cluster:2

這個檔案當中，格式爲 <主機名稱>;:<主機的 CPU 個數>;

  1. 建立需要的變量：(又是以 test 爲準喔！)
    [root @server root]# vi /home/test/.bashrc

加入這一些資料：

PATH=PATH:/cluster/server/program/mpich/binexportPATHMPIHOME=/cluster/server/program/mpichMPIARCH= MPI_HOME/bin/tarch
export MPI_ARCH MPI_HOME
[root @server root]# vi /etc/man.config

加入這一行：

MANPATH /cluster/server/program/mpich/man

呵呵！這樣就已經完成了 MPICH 的安裝與設定了！就跟你說很簡單吧！但是呢，要測試可就得需要特別留意了，因爲 root 預設是不許使用 RSH 的，所以測試一定要使用一般身份的使用者，這裏我以 test 這個人做爲測試的使用者喔！所以，請以 test 的身份登入主機，並且，這個 test 必須要在所有的主機上面都可以被查詢的到才行(請參考 NIS 的設定喔！)。

[test @server test]cp−r/cluster/server/program/mpich/examples/.[test@servertest] cd examples
[test @server examples]makepi3f90[test@serverexamples] mpirun -np 8 pi3f90

上面那個 -np 後面接的就是使用 CPU 的個數啦！因爲我有 8 個 node ，

所以當然就以最大的 CPU 個數來測試看看，如果要看到底 CPU 有沒有激活的話，

可以先登入各個 slave 的主機，然後執行『 top -d 1 』來觀察 CPU 的使用率，

再執行上面這個程序，就能夠知道 CPU 有沒有運作了！

呵呵！沒想到 PGI 的試用版本就能夠提供多顆 CPU 的 Cluster 運作，真是給他很高興！這樣既然可以測試成功了，自然就可以去向 PGI 的官方網站註冊了！註冊費用不低，但是挺值得的啊！

重點回顧

Cluster 可以是並行計算的一種，主要除了雙 CPU 系統外，也可以用在多主機架構下的一種增快數值計算的方式；
並行計算的 Cluster 主要是藉由主從的架構去運行的，其主要的設定都在 Master 上面設定的， Slave 主要是計算功能而已，
Cluster 上面相當重要的地方在於 NFS 的設定，因爲 Master/Slaves 都需要讀取同樣的資料，所以 NFS 分享的檔案資料就極其重要了；
除了 NFS 之外，還需要 MPI 這個並行計算的函式庫之安裝，有了 MPI ，Cluster 才能真的運作起來；
在 Cluster 當中，所有的主機之指令的溝通主要亦經過 RSH 的運作；

參考資源

Marty’s Linux Cluster 架設日誌：http://web.csie.chu.edu.tw/~cs87668/cluster.htm
張裕麟先生的小文章：http://www.se.ntou.edu.tw/~ylchang/MyDocuments/MPICH-ins.txt
國家高速計算機中心：http://binfo.ym.edu.tw/edu/seminars/200201.files/frame.htm
MPICH官方網站：http://www-unix.mcs

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