華納云淺析海外服務(wù)器的3種體系架構(gòu)：SMP、NUMA、MPP

境外服務(wù)器的3種體系架構(gòu)：SMP、NUMA、MPP!

從系統(tǒng)的體系架構(gòu)來看，目前的商用服務(wù)器大體上可以分為3類：SMP(對(duì)稱多處理器)結(jié)構(gòu)、NUMA(非一致存儲(chǔ)訪問)結(jié)構(gòu)和MPP(海量并行處理)結(jié)構(gòu)。這3類系統(tǒng)體系架構(gòu)的服務(wù)器，它們具體的特征描述如下：

一、 SMP(Symmetric Multi-Processor)

所謂“對(duì)稱多處理器”結(jié)構(gòu)，是指服務(wù)器中多個(gè)CPU對(duì)稱工作，無主次或從屬關(guān)系。各CPU共享相同的物理內(nèi)存，每個(gè)CPU訪問內(nèi)存中的任何地址所需時(shí)間是相同的，因此SMP也被稱為“一致存儲(chǔ)器訪問”結(jié)構(gòu)(UMA：Uniform Memory Access)。對(duì)SMP服務(wù)器進(jìn)行擴(kuò)展的方式，包括增加內(nèi)存、使用更快的CPU、增加CPU、擴(kuò)充I/O(槽口數(shù)與總線數(shù))，以及添加更多的外部設(shè)備(通常是磁盤存儲(chǔ))。

SMP服務(wù)器的主要特征是“共享”，系統(tǒng)中所有資源(CPU、內(nèi)存、I/O等)都是共享的。也正是由于這種特征，導(dǎo)致了SMP服務(wù)器的主要問題，那就是它的擴(kuò)展能力非常有限。對(duì)于SMP服務(wù)器而言，每一個(gè)共享的環(huán)節(jié)都可能造成SMP服務(wù)器擴(kuò)展時(shí)的瓶頸，而最受限制的則是內(nèi)存。由于每個(gè)CPU必須通過相同的內(nèi)存總線訪問相同的內(nèi)存資源，因此隨著CPU數(shù)量的增加，內(nèi)存訪問沖突也將隨之增加，最終會(huì)造成CPU資源的浪費(fèi)，使得CPU性能的有效性大大降低。實(shí)驗(yàn)證明，SMP服務(wù)器CPU利用率最好的情況是2至4個(gè)CPU。

二、NUMA(Non-Uniform Memory Access)

由于SMP服務(wù)器在擴(kuò)展能力上的限制，人們開始探究如何進(jìn)行有效地?cái)U(kuò)展從而構(gòu)建大型系統(tǒng)的技術(shù)，NUMA(非一致存儲(chǔ)訪問)就是這種努力下的結(jié)果之一。利用NUMA(非一致存儲(chǔ)訪問)技術(shù)，可以把幾十個(gè)CPU，甚至上百個(gè)CPU組合在一個(gè)服務(wù)器內(nèi)。

NUMA服務(wù)器的基本特征是，具有多個(gè)CPU模塊，每個(gè)CPU模塊由多個(gè)CPU(例如4個(gè))組成，并且具有獨(dú)立的本地內(nèi)存、I/O槽口等。由于其節(jié)點(diǎn)之間可以通過互聯(lián)模塊進(jìn)行連接和信息交互，因此每個(gè)CPU都可以訪問整個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)存。顯然，訪問本地內(nèi)存的速度，將遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于訪問遠(yuǎn)地內(nèi)存(系統(tǒng)內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存)的速度，這也是“NUMA(非一致存儲(chǔ)訪問)”的由來。由于它的這個(gè)特點(diǎn)，為了更好地發(fā)揮系統(tǒng)性能，開發(fā)應(yīng)用程序時(shí)需要盡量減少不同CPU模塊之間的信息交互。利用NUMA(非一致存儲(chǔ)訪問)技術(shù)，可以較好地解決原來SMP系統(tǒng)的擴(kuò)展問題，在一個(gè)物理服務(wù)器內(nèi)可以支持上百個(gè)CPU。

但NUMA(非一致存儲(chǔ)訪問)技術(shù)同樣具有一定的缺陷，由于訪問遠(yuǎn)地內(nèi)存的延時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過本地內(nèi)存，因此當(dāng)CPU數(shù)量增加時(shí)，系統(tǒng)性能無法線性增加。例如惠普公司發(fā)布Superdome(超級(jí)穹頂)服務(wù)器時(shí)，曾公布了這款服務(wù)器與惠普其它UNIX服務(wù)器的“相對(duì)性能值”，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，64路CPU的Superdome服務(wù)器 (NUMA結(jié)構(gòu))的相對(duì)性能值是20，而8路N4000服務(wù)器(SMP結(jié)構(gòu))的相對(duì)性能值是6.3。從這個(gè)結(jié)果可以看到，8倍數(shù)量的CPU換來的只是3倍性能的提升。

三、 MPP(Massive Parallel Processing)

和NUMA(非一致存儲(chǔ)訪問)不同，MPP(海量并行處理)提供了另外一種進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展的方式，MPP(海量并行處理)由多個(gè)SMP服務(wù)器通過一定的節(jié)點(diǎn)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，協(xié)同工作，完成相同的任務(wù)，從用戶的角度來看是一個(gè)服務(wù)器系統(tǒng)。

MPP服務(wù)器基本特征是，由多個(gè)SMP服務(wù)器(每個(gè)SMP服務(wù)器稱為一個(gè)“節(jié)點(diǎn)”)通過節(jié)點(diǎn)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接而成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只訪問自己的本地資源(內(nèi)存、存儲(chǔ)等)，是一種“完全無共享/零共享”結(jié)構(gòu)，因而擴(kuò)展能力最好，理論上其擴(kuò)展無限制，目前的技術(shù)可實(shí)現(xiàn)512個(gè)節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)，數(shù)千個(gè)CPU。

在MPP(海量并行處理)系統(tǒng)中，每個(gè)SMP(對(duì)稱多處理器)節(jié)點(diǎn)也可以運(yùn)行自己的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等。但和NUMA(非一致存儲(chǔ)訪問)不同的是，MPP(海量并行處理)系統(tǒng)不存在“異地內(nèi)存訪問”的問題。換言之，每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)的CPU，都不能訪問另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存。節(jié)點(diǎn)之間的信息交互是通過節(jié)點(diǎn)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)過程一般稱為“數(shù)據(jù)重分配”。

MPP服務(wù)器需要一種復(fù)雜的機(jī)制來調(diào)度和平衡各個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載和并行處理過程。目前一些基于MPP(海量并行處理)技術(shù)的服務(wù)器，往往通過系統(tǒng)級(jí)軟件(如：數(shù)據(jù)庫)來屏蔽這種復(fù)雜性。舉例來說，NCR的Teradata就是基于MPP(海量并行處理)技術(shù)的一個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫軟件，基于此數(shù)據(jù)庫來開發(fā)應(yīng)用時(shí)，不管后臺(tái)服務(wù)器由多少個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，開發(fā)人員所面對(duì)的都是同一個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，而不需要考慮如何調(diào)度其中某幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載。

四、 NUMA(非一致存儲(chǔ)訪問)與MPP(海量并行處理)的區(qū)別

從系統(tǒng)架構(gòu)來看，NUMA(非一致存儲(chǔ))與MPP(海量并行處理)具有許多相似之處：它們都由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有自己的CPU、內(nèi)存、I/O，節(jié)點(diǎn)之間都可以通過節(jié)點(diǎn)互聯(lián)機(jī)制進(jìn)行信息交互。那么它們的區(qū)別在哪里?通過下面分析NUMA(非一致存儲(chǔ)訪問)和MPP(海量并行處理)服務(wù)器的內(nèi)部架構(gòu)和工作原理不難發(fā)現(xiàn)兩者的差異所在。

1、首先是節(jié)點(diǎn)互聯(lián)機(jī)制不同，NUMA(非一致存儲(chǔ)訪問)的節(jié)點(diǎn)互聯(lián)機(jī)制是在同一個(gè)物理服務(wù)器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)某個(gè)CPU需要進(jìn)行遠(yuǎn)地內(nèi)存訪問時(shí)，它必須等待，這也是NUMA服務(wù)器無法實(shí)現(xiàn)CPU增加時(shí)，性能線性擴(kuò)展的主要原因。而MPP(海量并行處理)的節(jié)點(diǎn)互聯(lián)機(jī)制，是在不同的SMP服務(wù)器外部通過I/O實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只訪問本地內(nèi)存和存儲(chǔ)，節(jié)點(diǎn)之間的信息交互與節(jié)點(diǎn)本身的處理是并行進(jìn)行的。因此MPP(海量并行處理)在增加節(jié)點(diǎn)時(shí)，性能基本上可以實(shí)現(xiàn)線性擴(kuò)展。

2、其次是內(nèi)存訪問機(jī)制不同。在NUMA服務(wù)器內(nèi)部，任何一個(gè)CPU都可以訪問整個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)存，但遠(yuǎn)地內(nèi)存訪問的性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于本地內(nèi)存訪問，因此在開發(fā)應(yīng)用程序時(shí)應(yīng)該盡量避免遠(yuǎn)地內(nèi)存訪問。而在MPP服務(wù)器中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只訪問本地內(nèi)存，不存在遠(yuǎn)地內(nèi)存訪問的問題。

審核編輯：湯梓紅