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行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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※在 WWW 上設計與實作平行/分散式程式支援環境（三）※
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計畫類別：□個別型計畫 ■整合型計畫
計畫編號：NSC 89－2213－E－110－007－
執行期間：88 年 08 月 01 日至 89 年 07 月 31 日
計畫主持人：楊竹星
共同主持人：朱治平, 鐘葉青
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位：國立中山大學資訊工程學系
中 華 民 國 89 年 10 月 31 日
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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
在 WWW 上設計與實作平行/分散式程式支援環境（三）
Design and Implementation of a Par allel/Distr ibuted
Pr ogr amming Suppor t Envir onment on Wor ld Wide Web
計畫編號：NSC 89-2213-E-110-007
執行期限：88 年 8 月 1 日至 89 年 7 月 31 日
主持人：楊竹星 國立中山大學資工系
共同主持人：朱治平 國立成功大學資工系
共同主持人：鐘葉青 私立逢甲大學資工系
計畫參與人員：何俊輝、蘇益慶、吳志鴻、吳秉穎、朱家
聲 國立中山大學資工系
一、中文摘要 本計畫總體目標是擬在全球網際網路上建構 一計算伺服器，其上執行平行分散式程式設計支援 環境，提供適當的計算能力與科學應用計算給予需 求使用者。使用者利用 Web Browser 以網際網路連 接計算伺服器之首頁，選擇計算伺服器所提供之科 學計算應用軟體來執行或將本身所發展之平行/分 散應用程式置入計算伺服器中執行，經由 Browser 適當控制執行、設定與參數變換，執行過程中亦可 直接、立即由 Browser 中獲取執行狀態、執行結果 與程式行為等相關訊息，以作為發展平行程式時調 校效能之參考。 分散式計算系統是一個分散式程式環境的基 礎平台，使用群組的工作站組成一個單一整合系 統。本整合計畫預期建立一高效能之計算伺服器與 平行分散式程式支援環境，以提供適當的計算能力 與科學應用計算給使用者。此計算伺服器主要利用 群 集 電 腦 通 訊 系 統 (Clustering Computer Communication System)連接不同的電腦及不同的作 業系統，組成一分散式異質性計算環境，運用伺服 器管理系統負責管理、分配系統之資源以達到負載 平衡，提高系統之效能與產能。安全系統負責通訊 安全及計算伺服器本身系統之安全。 關鍵詞：計算伺服器、程式設計支援環境 AbstractThis project will build a parallel/distributed programming support environment on networked computers (or workstation clusters) which forms an internet computing server to provide available computing power and scientific applications to users. Users can use Web Browser to connect to the homepage of the computing server via internet. Users will be either executing the scientific computing application which computing power provided by computing servers or be executing the sequential or
parallel/distributed program sending from browser in the clients. Users can control program execution, by setting and changing parameter in browser, and obtain the status, results, program behaviors and other related information which can be used to tune the performance in developing parallel/distributed program.
Distributed system is a programming infrastructure, which allows the use of a collection of workstation as a single image integrated system. This project will build a high performance web computing server and parallel/distributed programming support environment on networked computers (or workstation clusters) which provide available computing power and scientific applications to users. The web computing server use a Clustering Computer Communication System.
Keywords: Computing Server, Programming Support
Environment 二、緣由與目的 全球資訊網(World-wide web)更是近幾年網際 網路上最受矚目的應用。利用瀏覽器(browser)簡 易使用與相容共通的使用者介面，可以讓使用者輕 易透過這個窗口，分享分散在全球各地、各種不同 性質的 Information Web Server，所存放的各種多 媒體資訊。而 CGI、JAVA 等技術的加入，更使 web 的應用從一個靜態的超媒體文件網路，進一步發展 成為主從應用程式的新平台。然而，目前全球資訊 網中 Web Server 的應用仍舊扮演著傳統的角色-資 訊網路(Information Web)-資訊供應者，如欲達成 網域計算的目標，構組計算網路(Computing Web)， 則有賴於網路計算伺服器的建立。網路計算伺服器 將扮演提供運算能力的伺服器，有別於傳統供應資 訊的伺服器。 為了更有效支援各種科學研究領域對計算機 運算能力的需求，我們認為適當的結合網際網路 (Internet)網路計算機、全球資訊網的使用者介面
3 與各研究領域所展的計算軟體或函式庫將形成一 組高效能運算資源。 由微處理機發展技術及高速網路技術進步的 速度觀之，網路上的高效能網路計算機若經有效的 運用，可以產生極大的運算能力。例如由 Intel 與 Sandia 國家實驗室所宣佈的成果-在一部計畫連接 9200 顆 CPU，目前有效連接 7264 顆 Intel PC CPU 的平行超級電腦上，其效能將超越 1 teraops (1012 operations per second)。加州理工學院高等計算 研究中心運用 Fast Ethernet 連接 16 部 PC 從事天 文物理計算，可獲取 1 gigaflops(109 floating point operations per second)的運算速度[1]。
因此，本計畫提出一個網際網路計算整合環境 架構-全球資訊網計算伺服器，結合連接網際網路 的計算資源予以共享。該架構包含三個部分：網域 計算伺服器、程式支援環境與計算函式庫，如圖一 所示。 圖一 網際網路計算整合環境架構 本整合型計畫的提出是有鑑於網路的普及與 其廣泛的應用，結合高效能處理機系統應用的大幅 成長，使得網路計算環境更加的成熟，展望其遠 景，藉由各種型態介接的網路系統，連接許許多多 各式各樣的裝置、計算機平台，透過快速傳輸的資 料交換，整體系統的效能將不再侷限於單一計算機 的 效 能 ， 因 為 網 路 計 算 環 境 中 以 網 路 為 中 心 （Network-centric）的計算概念將得以充分的展 現。列如，工作站叢集（Workstations Cluster） 或 NOW(Network of Workstation)、MPP 系統如 IBM SP2 等。在這種多電腦系統計算環境上，平行/分散 式計算的重要性大大提高，因此，整合計畫中為提 供一個能夠充分支援各個子計畫執行及展現效能 的平台，在總計畫中將著手利用分散式網路計算環 境以建立一高效能之計算伺服器。 三、架構與結果研究 此一分散式網路計算環境主要分成二部份：(1) 群 集 電 腦 通 訊 系 統 (Clustering Computer Communication System) 。 (2) 安 全 系 統 (Security System) 。分別說明如下：
群集電腦系統(Clustering Computer System): 在計劃中將先使用一般 PCs 和 100 Mbps 之 LAN Switch 組成一 Switch-based 叢集式電腦系統 (Cluster computer system)平台，並在此平台上建置 一組標準通訊介面環境，利用此環境執行計算相關 之應用程式，找出從應用程式至系統間的臨界資料 路徑(Critical Data Path)，再修正各相關系統介面間
會造成資料阻塞的問題點，使系統間各個電腦節點 的資料流動更順暢。我們將以設計一個快速、低延 遲、高效率的快速訊息通訊系統，此系統將取代協 定繁複的 TCP/IP 協定。 首先針對現有基本高速交換網路(LAN Switch) 設備所構建的非規則性通訊系統架構及規則性通 訊系統架構，來探討此兩種架構對資料傳輸路徑所 造 成 的 影 響 ， 並 研 究 此 現 有 系 統 的 延 展 性 (Scalability)及高速電腦網路介面(High speed LAN Interface)的架構，此外；我們亦將以此系統 架構為基礎，嘗試發展、製作一低成本、高效能且 可動態結構系統組態去適合本系統應用程式之特 殊架構及介面。接著在系統通訊軟體介面設計上, 我們將以下列幾個方法為設計重點: 1.減少使用者行程傳送或接收訊息至系統核心 所造的記憶拷貝延遲。 2.將長訊息分解及重組的工作交給使用者行程 負責。 3.使用記憶體直接（DMA）存取技術提高系統之 執行效率。 根據以上幾點之考量,本計劃中之快速訊息通 訊協定系統(Direct Message Protocol)架構如圖 二所示,以目前最普遍的 Ethernet 100BaseT 為主, 修改網路卡介面之驅動程式為直接記憶體存取 (DMA-Direct Memory Access)操作模式,並且在系 統核心中使用分享記憶體(Share Memory) 架構,提 供應用程式行程的通訊端(Endpoint)直接傳送或 接收訊息使用。我們將整個通訊子系統整合為一個 完整的應用程式函式庫,提供統一之高效率通訊介 面,便於本分散式系統之其他應用程式整合。 圖二 DMP 系統架構 安全系統 (Security System): 本計畫在安全性方面，希望能在分散式記憶 體多處理機系統及群集電腦系統上提供一個具有 通訊安全與系統安全的運算環境。在通訊安全方面 要確保使用者與伺服器間資料流通之機密性、正確 性及使用者身份的正確性。在系統安全方面要確保 使用者程式執行時，系統本身的安全性、穩定性、 訂定對於不同等級使用者之管理原則、與對可能危 及系統安全之事件的處理原則。在程式對系統有無 危害性方面，朝兩個方向作研究：一是事前的預防 （prevention），如：在系統編譯使用者程式的階段 即檢視其是否有可能危害系統的相關或特權程式 碼，如 buffer overflow 是否存在，再視情況作進一 步 的 處 理 。 另 一 則 是 做 動 態 的 監 視 （ dynamic
4 monitor），如：在使用者程式執行之時，對其程式 行為加以監視，過濾可能危害系統之動作，進而予 以阻止或警告。 四、計畫成果自評 在通訊系統方面已完成叢集式電腦系統架構 及建置、通訊子系統雛型、系統核心程式修改、系 統呼叫函式撰寫、訊息通訊介面系統呼叫函式庫撰 寫、訊息通訊介面使用者函式庫撰寫和訊息通訊介 面與通訊子系統結合等。而在應用上，工作節點群 組可經由此高速通訊子系統，提高系統整體效能， 並由統一之訊息通訊介面(MPI)，以提高應用程式 之通訊介面簡化，提昇移植性。 系統安全方面完成了危害系統之程式與使用 者行為分析探討與資料收集測試、系統保全子系統 之設計、使用者存取控制子系統的設計等。 另外，此計畫也有數篇碩士論文和會議論文 發表[2-5]，請參照參考文獻所列。 五、參考文獻
[1] J.A. Kaplan and M.L. Nelson, “A Comparison of Queueing, Cluster and Distributed Computing Systems,” NASA Tech. Report TM 109025, June 1994.
[2] C. S. Yang and J. H. Ho, “ A Scalable World Wide Web Computing Server”, CTHPC’98, March, 1998.
[3] Y. C. Lur, “Autonomous Detection of Buffer Overflow Attacks within UNIX Operating Systems”, Master Thesis, CIE NSYSU, 1999. [4] C. S. Yang, M. Y. Luo, J. H. Ho, “A Java-based
administration system for distributed Web server”, Proceedings of 1998 Workshop on Distributed System Technologies and Applications, May 14- May 15, Taiwan.
[5] C. S. Yang and M. Y. Luo, ”Design and Implementation of an Administration System for Distributed Web Server”, Proceedings of the 12th USENIX Systems Administration Conference (LISA’98), pp. 131-140, Boston, Massachusetts, December 6-11, 1998.
