集群操作系统的发展与展望詹剑锋王磊涂碧波引言当前高性能计算机的体系结构基本沿用传统的集群(Cluster)1、大规模并行处理系统（MPP）、星群(Constellations)，向量机等。其中，集群逐渐成为市场主流，在高性能计算机Top500排名中，无论是系统数目还是性能比重集群所占份额逐年上升（如图1-a和图1-b所示）。集群系统也成为最主要的高性能计算机体系结构,在2007年12月份发布的Top500中集群体系结构占了总系统数目的81.20%（图2）。图1-aTop500集群系统数目比重.图1-bTop500集群系统性能比重ShareRmaxSumRpeakSumProcessorArchitectureCount%(GF)(GF)SumConstellations30.60%10183012679119312MPP9118.20%26945823341049805649Cluster40681.20%41697587090247823134Totals500100%6966169.8210558086.751648095图22007年11月发布的Top500不同系统分类。在过去的十几年内，无论是高端科学计算、还是信息服务，集群系统已经成为主流计算平台。近年来随着网络服务业（如Google、腾讯和百度）的兴起，追求低成本的商品化集群(CommodityCluster)及其系统软件再次成为工业界和学术界的焦点[2][3][4]。在这种背景下集群操作系统已经成为独立于硬件平台的重要基础软件。传统单一系统映像的集群操作系统透明地实现了资源管理和进程管理，并且为用户提供交互界面。[5]认为单一系统映像的集群操作系统需要实现以下主要功能:1Top500的主要组织者JackDongarra[1]将集群系统定义为由独立的节点集成在一起构成的并行计算机系统：集群的每个节点能够独立操作，并且可以单独面向市场开发；集成节点的网络可以是商品化的，也可以是专门设计的。(1)单一进程空间；（2）单一I/O空间；（3）单一作业管理系统;(4)单一控制点；(5)统一用户界面。单一系统映像的集群操作系统通过扩展节点操作系统内核来实现，其开发成本高、可移植差。杜克大学JeffChase教授等人[6]扩展了集群操作系统的含义，但未显式给出定义，如基于中间件技术实现的Cluster-on-demand项目以开发面向共享平台的“集群操作系统”为目标。在本文中我们将集群操作系统定义为实现统一的资源管理和进程管理并且具有统一用户界面的集群系统软件，它可以通过扩展操作系统内核、定制系统软件或者基于中间件实现。代表性集群操作系统从实现方法的角度可以将集群操作系统分为三类：通过扩展操作系统内核实现的单一系统映像集群操作系统，通过定制节点操作系统和系统软件实现的定制集群操作系统和基于中间件实现的“集群操作系统”。在本节，我们逐一介绍三类集群操作系统的代表性成果。单一系统映像集群操作系统代表性的单一系统映像集群操作系统包含：Kerrighed[7],OpenMosix[8]和OpenSSI[8]。Kerrighed是法国INRIA开发的项目，其目的是在集群系统上提供类似SMP的系统。Kerrighed由负责全局资源管理的核心态分布式服务组成。Kerrighed提供可配置的全局进程调度器，其默认的调度器策略采用接收端驱动的抢先式进程迁移方案。当系统探测到负载不平衡时，进程将从高负载的节点向低负载的节点迁移。Kerrighed的进程迁移机制基于进程ghosting，容器(container)、可迁移的stream以及分布式文件系统。OpenMOSIX是在MOSIX项目[9]基础上开发的。MOSIX采用发送者驱动的抢先式进程迁移策略。MOSIX迁移机制基于代理进程（Deputy）。当进程从源节点迁移到目标节点时，对其他进程和文件系统的依赖将在源节点上通过代理进程维护。代理进程支持被迁移进程的系统调用，包括网络通讯和文件访问。全局的内存管理通过内存导引（memoryushering）算法实现。当节点的空闲内存低于阈值时，该算法将激活，从而将进程迁移到有足够空闲内存的其他节点上。OpenSSI项目[8]开始于2001年，前身是NonstopclusterforUnixware项目。OpenSSI的设计目标是提供集成其他开源集群技术的平台。当前的OpenSSI集成了开源的文件系统和磁盘管理系统(GFS,OpenGFS,Lustre,OCFS,DRBD)、分布式锁机制（OpenDLM）和从MOSIX中衍生的进程迁移机制。定制化集群操作系统在高端