Основной сферой использования системы ПараЛаб является
учебное применение студентами и преподавателями вузов для исследований и
изучения параллельных алгоритмов решения сложных вычислительных задач в рамках
лабораторного практикума по различным учебным курсам в области параллельного
программирования. Система ПараЛаб может использоваться также и при проведении
научных исследований для оценки эффективности параллельных
вычислений.
Проведение лабораторных занятий с использованием
комплекса ПараЛаб может быть организовано как выполнение следующей
последовательности работ:
-
Моделирование многопроцессорных вычислительных систем
(выбор топологии, задание количества и производительности процессоров, выбор
метода передачи данных и задание коммуникационных характеристик сети).
-
Определение класса решаемых задач и задание
параметров задачи.
-
Выбор параллельного метода решения задачи и настройка
значений его параметров.
-
Установка графических индикаторов для наблюдения за
процессом параллельных вычислений (состояние данных на процессорах системы,
передача информации по сети, текущая оценка решения исходной вычислительной
задачи).
-
Проведение экспериментов в режиме имитации
вычислений; пошаговый, последовательный (непрерывный) и циклический (серийный)
способы проведения экспериментов; одновременное выполнение нескольких
экспериментов в режиме разделения времени для разных вариантов топологии
вычислительной системы, параметров задачи, количества процессоров и т.п.
-
Анализ результатов с использованием сведений из
журнала экспериментов; оценка времени решения задач в зависимости от
размерности задачи и количества процессоров; построение зависимостей ускорения
и эффективности параллельных вычислений.
-
Проведение экспериментов в режиме реальных параллельных
вычислений; выполнение параллельных программ в виде множества независимых
процессов на одном процессоре; удаленный доступ к многопроцессорной
вычислительной системе (кластеру); сравнение теоретических оценок и
результатов реальных вычислительных экспериментов.
Лабораторные занятия, проводимые при использовании
системы ПараЛаб, могут проводиться, например, по следующему
плану:
-
обучаемый решает определенную сложную вычислительную
задачу при помощи нескольких параллельных методов на заданной им
вычислительной системе, сопоставляет результаты и дает их интерпретацию в
рамках теории построения параллельных алгоритмов;
-
обучаемый самостоятельно конструирует средствами
комплекса несколько вычислительных систем таким образом, чтобы при решении
задачи продемонстрировать основные теоретические понятия;
-
обучаемый самостоятельно формирует одну или несколько
вычислительных систем и решает задачи при различных значениях параметров
вычислительной системы, изучая тем самым влияние параметров на временные
характеристики алгоритма;
-
обучаемый проводит реальные вычислительные эксперименты в
режиме удаленного доступа к кластеру и сравнивает результаты реальных и
имитационных экспериментов.
При практическом использовании системы ПараЛаб в
обучении можно рекомендовать следующую схему проведения лабораторных
занятий.
Общее знакомство с возможностями системы
Задание
1. Общие принципы использования системы
ПараЛаб.
Основные правила взаимодействия с системой. Организация
управления при помощи манипулятора мышь. Способы получения справочной
информации.
Задание
2. Освоение способов формирования
вычислительной системы.
Выбор топологии вычислительной системы. Задание
количества процессоров и их производительности. Задание характеристик
коммуникационной среды: латентности и пропускной способности. Выбор метода
передачи данных. Просмотр справочной информации по моделированию
многопроцессорной вычислительной системы.
Изучение параллельных
методов решения сложных вычислительных задач
Задание
3. Изучение параллельных методов решения задачи
сортировки.
Проведение вычислительных экспериментов с методом
пузырьковой сортировки на разных топологиях вычислительной системы. Изучение
временных характеристик алгоритма. Сравнение алгоритма пузырьковой сортировки с
алгоритмом сортировки Шелла. Изучение алгоритма быстрой сортировки. Сравнение
временных характеристик и количества итераций с пузырьковым методом и методом
Шелла.
Изучение графических форм комплекса ПараЛаб для
наблюдения за процессом выполнения эксперимента:
-
изменение темпа демонстрации;
-
изменение способа отображения обмена данными;
-
пошаговый режим исполнения итераций алгоритма;
-
наблюдение за вычислениями одного из процессоров в
отдельном окне.
Задание
4. Изучение параллельных методов решения задачи
матричного умножения.
Проведение вычислительных экспериментов с ленточным
методом умножения матриц, с методами Фокса и Кэннона. Знакомство с понятием
блочных матричных операций. Сравнение результатов экспериментов при помощи
таблицы итогов и журнала экспериментов.
Задание
5. Изучение параллельных методов решения задач
обработки графов.
Знакомство со способами формирования графов в системе
ПараЛаб. Ручное и случайное формирование графа. Сохранение графа в архиве
системы и загрузка графа. Проведение вычислительных экспериментов с алгоритмом
Прима поиска минимального охватывающего дерева и алгоритмом Дейкстры поиска
кратчайших путей.
Сравнение результатов
имитационных экспериментов с результатами реальных
экспериментов
Задание
6. Выполнение реальных
экспериментов.
Выполнение нескольких экспериментов с одной из задач в
режиме удаленного доступа к вычислительному кластеру. Построение зависимостей
временных характеристик выполнения эксперимента от параметров задачи (объем
исходных данных) и вычислительной системы (количество процессоров) при помощи
таблицы итогов.
Задание
7. Сравнение результатов реальных и
имитационных экспериментов.
Проведение вычислительного эксперимента в режиме
имитации и в режиме реальных вычислений. Сравнение результатов этих
экспериментов. Нахождение для имитационного эксперимента таких параметров
вычислительной системы, при которых результаты имитационного и реального
эксперимента являются близкими.
Инструкция по
Настройке системы ParaLab для выполнения реальных параллельных экспериментов на
вычислительном кластере
