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大型商用服务器的三大系统架构解析
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2017-11-02
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分享到：标签：并行处理 服务器 NUMA结构
从系统架构来看，目前的商用服务器大体可以分为三类，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），以及海量并行处理结构（MPP：Massive Parallel Processing）。它们的特征分别描述如下：
SMP（Symmetric Multi-Processor）
所谓对称多处理器结构，是指服务器中多个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服务器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。
从系统架构来看，目前的商用服务器大体可以分为三类，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），以及海量并行处理结构（MPP：Massive Parallel Processing）。它们的特征分别描述如下：
SMP（Symmetric Multi-Processor）
所谓对称多处理器结构，是指服务器中多个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服务器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。
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