Часть 1. Высокопроизводительные вычисления в каждый дом
Евгений Ивашко
Опубликовано 06.10.2009
Этот контент является частью серии:Распределенные вычисления
1. Введение
Что делает ваш компьютер, когда ничего не делает? Пользователи одной из альтернативных операционных систем знают, что самый прожорливый процесс – это «System Idle»: как правило, он «съедает» около 90% ресурсов процессора. А чем занят ваш компьютер?
Выполните команду uptime, чтобы узнать среднюю загруженность системы. Если в этот момент ваш компьютер не занимается перекодированием видео или компиляцией ядра, то, скорее всего, средняя загруженность будет невелика – ниже 1.0. Такие действия, как просмотр Интернет-страниц, редактирование офисных документов и загрузка файлов с помощью торрент-клиента почти незаметны (с точки зрения производительности) для современных компьютеров.
Как же можно с пользой потратить время «безделья» компьютера? Ответу на этот вопрос и посвящена статья. Я расскажу вам, как можно заставить свою машину работать на благо человечества. В следующей статье речь пойдет о том, как создать собственный сервер распределенных вычислений.
2. Загадочная «решетка»
Речь пойдет об одной из форм распределенных вычислений (в международной терминологии такие вычисления называют GRID – решетка) – Volunteer Computing. Сначала поясним термины.
GRID – это объединение нескольких компьютеров для решения единой вычислительно сложной задачи, разбитой на подзадачи. Каждый компьютер решает несколько подзадач, а результаты отдельных вычислений объединяются. Основное преимущество GRID в том, что она может состоять из компьютеров, находящихся друг от друга на тысячи километров и имеющих различные характеристики (как аппаратные, так и программные). Задачу объединения этих разнородных компьютеров выполняет промежуточное программное обеспечение, которое (виртуально) связывает все компьютеры через Интернет в единый суперкомпьютер. Идея GRID возникла в 1990-х годах, когда с развитием средств компьютерных коммуникаций объединение географически удаленных друг от друга компьютеров стало более дешевым, простым и потенциально более мощным средством повышения производительности, чем наращивание мощности одного-единственного суперкомпьютера.
Существуют различные виды GRID. Volunteer Computing – это форма реализации GRID-вычислений, специфика которой заключается в использовании времени простоя компьютеров обычных пользователей по всему миру. На текущий момент самым крупным проектом Volunteer Computing как по числу участников, так и по суммарной мощности является Folding@home – проект по проведению компьютерной симуляции свертывания молекул белка, запущенный в октябре 2000 года учеными из Стэнфордского университета. Однако речь в этой статье пойдет не о Folding@home, а о втором по величине проекте – системе BOINC. Причина проста – в отличие от специализированного Folding@home, проект BOINC предоставляет возможность участия в самых разнообразных научных проектах, начиная от взлома криптографических систем и заканчивая поиском внеземных цивилизаций!
Производительность
По состоянию на момент написания статьи, BOINC насчитывает 340 тысяч активных компьютеров, а суммарная производительность компьютеров участников проекта составляет 1,9 Петафлопа. Это почти в 2 раза превышает производительность мощнейшего современного суперкомпьютера IBM Roadrunner.
3.1. Что такое BOINC
SETI@HOME – это некоммерческий проект по поиску внеземного разума с помощью анализа радиосигналов с радиотелескопа Аресибо.
SETI (Search for Extra Terrestrial Intelligence, Поиск ВнеЗемного Разума) – это направление исследований, направленное на обнаружение разумной жизни за пределами Земли. Основной метод – исследование радиосигналов, которыми пронизан космос. Ученые пытаются найти радиосигналы, источники которых не могут быть природными.
Сигналы с радиотелескопов содержат, в основном, шум (от внеземных источников и электроники приемников) и искусственные земные сигналы, такие как сигналы телевидения, радаров и спутников. Современный проект SETI анализирует данные в цифровой форме. Большая вычислительная мощность позволяет покрыть поиском больше частотных диапазонов с лучшей чувствительностью. SETI, следовательно, имеет неограниченную потребность в вычислительной мощности.
Предыдущие проекты SETI использовали специализированные суперкомпьютеры, выполнявшие основной объем анализа данных. В 1995 году Дэвид Андерсон (David Anderson) запустил проект по обработке данных SETI на виртуальном суперкомпьютере, состоящем из множества компьютеров, подключенных к сети Интернет, и организовал проект SETI@home (SETI на дому) для апробирования этой идеи. Проект SETI@home был запущен в мае 1999 года, а в 2005 году полностью перешел на платформу BOINC.
Выступление Дэвида Андерсона, посвященное SETI@HOME, распределенным вычислениям и BOINC, можно найти на YouTube: http://www.youtube.com/watch?v=8iSRLIK-x6A (EN).
BOINC (Berkeley Open Infrastructure for Network Computing – открытая платформа Университета Беркли для сетевых вычислений) – это свободная (распространяется под лицензией GNU LGPL) программная платформа для проведения распределенных вычислений (если точнее, то Volunteer Computing). Система BOINC была разработана в Калифорнийском университете в Беркли под руководством Дэвида Андерсона (David Anderson) командой, создавшей легендарный проект SETI@home. Основным мотивом разработки системы послужила нехватка свободных вычислительных мощностей для обработки данных, поступающих от радиотелескопов. Именно поэтому разработчики решили привлечь вычислительные ресурсы и объединить сообщества нескольких научных проектов. Для решения этой масштабной задачи и была создана программная платформа BOINC.
Система BOINC состоит из программы-клиента, общей для всех BOINC-проектов, составного сервера (термин «составной сервер» означает, что физически сервер может состоять из нескольких отдельных компьютеров) и программного обеспечения. Для выполнения распределенных вычислений используется архитектура клиент-сервер.
Пользователи, передающие вычислительные мощности BOINC-проектам типа SETI@home, «зарабатывают» кредиты, начисляемые за выполнение отдельных подзадач. Эти кредиты нужны только для создания духа соревновательности среди участников проекта – пользователи, имеющие наибольшее число кредитов, имеют шанс «засветиться» на главной странице проекта.
3.2. Установка
Установка программы-клиента BOINC в Linux проста до невозможности – пользуясь любимым пакетным менеджером, установите из репозитариев пакеты boinc-client, boinc-manager и boinc-gui. Если вы предпочитаете пользоваться новейшим программным обеспечением или если ваш дистрибутив Linux не имеет пакетного менеджера/репозитариев (а такие еще остались?), то получить установочный пакет свежей версии программы можно со страницы загрузки официального сайта проекта (ищите адрес сайта в разделе «Ссылки» под номером 1).
Вне зависимости от способа, которым вы установили программу-клиент, все основные файлы вы найдете в своем домашнем каталоге в подкаталоге BOINC – здесь находятся не только исполняемые файлы, но и файлы настроек, а также данные, необходимые для обсчета заданий. (Благодаря этому вы можете с легкостью «заставить работать» на один проект все компьютеры вашей корпоративной сети).
Для начала нужно запустить графический менеджер программы:
user: /home/user/run_manager
При первом запуске вам будет предложено подключиться к какому-либо проекту, упрощать этот процесс будет специальный помощник (см. рисунок 1).
Рисунок 1. Добавление проектов BOINC
На следующем шаге нужно будет выбрать проект, к которому вы хотите присоединиться, затем ввести свой электронный адрес и придумать пароль, а потом, возможно, потребуется завершить регистрацию на сайте самого проекта. В частности, на сайте можно выбрать команду (например, «Russia Team») или даже создать свою собственную (я создал команду «Linux users Team» на проекте Climateprediction.net, присоединяйтесь!). Команды, как и отдельные участники, тоже участвуют в неформальном соревновании «Собери больше кредитов!».
К сожалению, описаний проектов менеджер BOINC при регистрации не предоставляет, поэтому выбором придется озаботиться заранее, например, просмотрев списки проектов, представленные по адресам в разделе «Ссылки» ([6]). Не все так гладко и с предлагаемыми менеджером проектами, например, Einstein@home требует значительных аппаратных ресурсов, а SHA-1 Collision Search Graz уже не предоставляет заданий для обработки...
3.3. Работаем на благо науки!
Сразу после регистрации в проекте, программа-клиент BOINC начнет загрузку данных, необходимых для выполнения заданий. Учтите, что в зависимости от проекта этот этап может занять довольно продолжительное время и повлиять на вашу статистику полученного Интернет-трафика. Проекту ClimatePrediction.net понадобилось загрузить более 100 MБ, прежде чем начать обсчитывать первое задание.
Еще больше времени необходимо на вычисления по заданию: главное окно показывает текущий прогресс обсчета задания, затраченное время и оценку времени, необходимого для завершения задания (см. рисунок 2).
Рисунок 2. Выполнение задания
Помимо такого (упрощенного) вида окна программы-клиента BOINC, есть и более информативный расширенный вид – нажмите на кнопку Advanced View в правом нижем углу (см. рисунок 3).
Рисунок 3. Расширенный вид окна программы-клиента BOINC
Теперь вы можете получить большое количество дополнительной информации по проекту, в котором участвуете: различную статистику, информацию об использовании ресурсов компьютера, файлы, которые необходимо загрузить для расчета задания и многое другое! Все это скрывается за кнопками и пунктами меню с интуитивно понятными надписями, поэтому подробно останавливаться на этих возможностях мы не будем. Задержимся только на одной из них...
На вкладке «Задания» выделите строчку с заданием – тогда станут активными кнопки на панели слева (как на рисунке 3). Нажмите кнопку «Показать графику», и вашему взору предстанет замечательная картинка – это та самая модель, которую обсчитывает ваш компьютер. Поиграв управляющими клавишами (см. подсказки слева: T – температурная карта, R – снег и дождь, P – давление, C – облачность, S – запуск/остановка вращения глобуса, G – показать/скрыть сетку, H – помощь), можно наблюдать что-то аналогичное показанному на рисунке 4.
Рисунок 4. Расчет климатической модели по проекту ClimatePrediction.net
Конечно, какую картинку вы увидите – это зависит от проекта. Ничто не мешает вам поискать для себя что-то более интересное.
Еще одно замечание практического плана. На рисунках 2 и 3 видно, что общее время, необходимое для расчета задания, превышает 200 часов. Конечно, не каждый (особенно домашний) компьютер имеет время непрерывной работы порядка 10 суток. Для того чтобы не потерять все результаты расчетов при выключении компьютера, BOINC устанавливает контрольные точки. Кнопка «Информация» на вкладке «Задания» покажет, в том числе, и информацию о времени последней контрольной точки – при выключении компьютера вы потеряете лишь порядка 15 минут работы процессора.
3.4. Настройка программы-клиента «под себя»
Пользователю дается большой контроль над программой-клиентом BOINC с помощью различных настроек. Некоторые из этих настроек специфичны для проекта, другие являются общими и влияют на работу программы в целом. В расширенном виде окна программы-клиента выберите пункт меню «Дополнительно» – «Настройки клиента». Здесь вы можете указать такие параметры использования компьютера, что работа программы-клиента BOINC будет практически незаметна! Вы можете ограничить объем используемых для распределенных вычислений ресурсов процессора. Кроме всего прочего, можно указать, будет ли программа-клиент запускать на обсчет задания в то время, когда пользователь активно использует компьютер, или работа над распределенным проектом начнется только после определенного времени простоя процессора.
В качестве настройки, специфичной для проекта, можно указать минимальный и максимальный объем работ, который программа-клиент выполнит для указанного проекта между двумя подключениями к серверу. Когда объем оставшихся работ окажется ниже минимального значения, программа-клиент свяжется с сервером проекта и запросит столько заданий, сколько указано в значении максимального объема работ. Во время этого сеанса связи программа-клиент также отчитается о завершенных заданиях. Эта возможность полезна, если по каким-то причинам необходимо минимизировать количество выходов в Интернет.
Вы можете ограничить скорость загрузки заданий из Интернет, объем используемого программой-клиентом BOINC дискового пространства и оперативной памяти... Все эти настройки интуитивно понятны, и не составит труда изменить их так, чтобы работа на благо человечества не мешала вашим личным интересам.
Если вы до сих пор не определились, какому именно проекту отдать свободные силы своего компьютера, не переживайте! Вы можете участвовать сразу в нескольких проектах («Сервис» –«Добавить проект» в расширенном виде окна программы или кнопка «Add Project» – в упрощенном) – по умолчанию программа-клиент BOINC будет каждые 60 минут (этот параметр тоже можно изменить) переключаться между заданиями различных проектов.
3.5. Некоторые технические подробности
Как уже говорилось выше, распределенный проект BOINC состоит из составного сервера, раздающего задания клиентам и собирающего результаты, и множества подключаемых к серверу программ-клиентов, выполняющих основную работу по получению результатов.
Каждая программа-клиент подключается к серверу и получает задание на обработку. Через некоторое время, когда задание выполнено, программа-клиент снова подключается к серверу и передает ему результаты (а также получает новое задание). За выполнение задания зарегистрированный участник проекта, которому принадлежит программа-клиент, получает кредиты – баллы, характеризующие процессорное время, потраченное на проведение вычислений.
Однако в этой схеме для проекта распределенных вычислений спрятан ряд опасностей. Во-первых, программа-клиент, получившая задание, может по различным причинам никогда не выйти снова на связь с сервером. Например, если участник проекта, которому принадлежит программа-клиент, потерял интерес к проекту. Во-вторых, участники проекта (опять же по различным причинам) могут посылать неверные результаты. Это еще более опасно для проекта, чем просто отсутствие результата, так как одно-единственное неверно посчитанное задание может стать причиной полного фиаско проекта! И, в-третьих, участники проекта могут попытаться получить больше кредитов, чем они заработали. Конечно, так как заработанные кредиты используются только для статистики, эта опасность на первый взгляд не так уж страшна... Однако проблема лежит в психологии сохранения сообщества. Не такое уж большое число пользователей заинтересованы именно в помощи научному исследованию, большая часть пользователей будут раздражены «читерами» и, как следствие, разочарованы проектом, и перестанут уделять ему время.
Первую проблему система BOINC обходит просто – назначая конечный срок, к которому программа-клиент должна вернуть результат вычислений (например, на рисунке 3 видно, что конечный срок, к которому нужно вернуть результат задания – это 19 мая 2010 года).
Вторая проблема решается за счет передачи одного и того же задания нескольким пользователям (это называется избыточными вычислениями). Для каждого задания количество дублирующих друг друга исполнителей индивидуально, но значение по умолчанию платформы BOINC равняется пяти. Когда программа-клиент отчитывается о проведенных вычислениях, сервер сравнивает результаты, присланные разными участниками. Результат, принятый «кворумом» программ-клиентов, считается правильным, а неверные ответы отвергаются. Участники, вернувшие серверу неверные результаты, не получают кредитов. Число программ-клиентов, составляющее «кворум», также может быть указано для каждого задания в отдельности, а значение по умолчанию равняется трем. Кстати, именно из-за такой формы проверки результатов вы будете наблюдать задержки в подсчете заработанных кредитов.
Третью проблему BOINC решает так же, как и проблему неправильных ответов – выполняя избыточные вычисления. Если пользователь завышает значение кредитов, которые он должен получить, то он увеличивает также значение кредитов, которые получат честные пользователи. Это снижает ущерб от обмана.
3.6. Подведение итогов
Использование распределенных вычислений – новый шаг в развитии научных исследований. Ученые со всего мира разрабатывают проекты, которые требуют проведения большого числа расчетов, а программная платформа BOINC дает возможность присоединиться к этим проектам всем желающим, не требуя ни специализированного образования, ни особых аппаратных ресурсов. Все, что нужно – скачать и установить программу-клиент.
Однако это далеко не все, что можно было бы рассказать о BOINC. Например, BOINC умеет использовать для вычислений GPU (Graphics Processing Unit) видеокарты NVIDIA. Вы можете создавать обложки («скины») для программы-клиента, запускать программу-клиента на разных компьютерах под одной учетной записью, управлять работой программы-клиента без графического интерфейса и даже найти свой украденный компьютер с помощью BOINC! Ну и, конечно же, любой человек может создать свой собственный проект распределенных вычислений на основе BOINC.
Начните с этой страницы, а в случае затруднений обратитесь на русскоязычный форум: http://boinc.ru/forum/.
В следующей статье мы подробно остановимся на том, как создать свой собственный сервер BOINC. Кто знает, быть может, это послужит появлению новых отечественных проектов распределенных вычислений? А пока подождем, когда на полную мощность будет запущен российский проект DrugDiscovery@Home (смотрите адрес сайта в разделе «Ссылки» под номером 9), созданный и поддерживаемый интернациональной командой разработчиков и находящийся в стадии альфа-тестирования.
4. Заключение
Есть множество способов помочь другим людям. Одни из этих способов отнимают очень много времени, другие – денег... Но есть и такие, что не требуют значительных вложений ни сил, ни средств. Почему бы не воспользоваться ими? Участвуйте в проектах распределенных вычислений! Быть может, именно ваш вклад окажется решающим для нового технологического рывка! Разработка нового поколения лекарств, поиск внеземных цивилизаций и моделирование молекул – все это требует вычислительных ресурсов, которыми вы можете поделиться без ущерба для себя.
Похожие темы
.
• Информационный портал научной направленности, посвященный распределенным вычислениям: http://gridclub.ru/. Поддерживается командой сотрудников Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН.
• Один из старейших российских сайтов распределенных вычислений: http://distributed.ru/.
• Одно из старейших международных сообществ распределенных вычислений: http://distributed.net/ (EN).
• Сайт, посвященный проектам на основе платформы BOINC и поддерживаемый российской командой распределенных вычислений "Russia Team": http://boinc.ru/. Присоединиться к самой команде (выбрав соответствующий проект) можно на этой странице: http://www.boinc.ru/team/russia_team.htm.
• Ознакомиться со списками распределенных проектов можно на следующих страницах: и http://boinc.ru/projects/projects.htm.
• Официальный сайт проекта по предсказанию погоды: http://www.climateprediction.net/ (EN).
• Довольно-таки подробная статья о распределенных вычислениях на Wikipedia: http://ru.wikipedia.org/wiki/Распределенные_вычисления.
• Российский проект DrugDiscovery@Home обитает здесь: http://drugdiscoveryathome.com/ (EN). Ждем запуска в рабочем режиме и присоединяемся!
• Подробнее о лицензии GNU LGPL: http://ru.wikipedia.org/wiki/GNU_Lesser_General_Public_Licen....
