网络基础服务器与SMP、NUMA、MPP 三大体系结构科普

Love The Way You Lie 2023-09-24 21:32 56阅读 0赞

OSI和TCP/IP是很基础但又非常重要的知识，很多知识点都是以它们为基础去串联的，作为底层，掌握得越透彻，理解上层时会越顺畅。**今天这篇网络基础科普，就是根据OSI层级去逐一展开的。**

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**01**

**计算机网络基础**

##### **01 计算机网络的分类** #####

按照网络的作用范围：广域网（WAN）、城域网（MAN）、局域网（LAN）；

按照网络使用者：公用网络、专用网络。

##### **02 计算机网络的层次结构** #####

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TCP/IP四层模型与OSI体系结构对比：

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######  ######

##### **03 层次结构设计的基本原则** #####

*  各层之间是相互独立的；

*  每一层需要有足够的灵活性；

*  各层之间完全解耦。

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######  ######

##### **04 计算机网络的性能指标** #####

速率：bps=bit/s；

时延：发送时延、传播时延、排队时延、处理时延；

往返时间RTT：数据报文在端到端通信中的来回一次的时间。

**02**

**物理层**

**物理层的作用：**

连接不同的物理设备，传输比特流。该层为上层协议提供了一个传输数据的可靠的物理媒体。简单的说，物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。

**物理层设备：**

*  中继器【Repeater，也叫放大器】：同一局域网的再生信号；两端口的网段必须同一协议；5-4-3规程：10BASE-5以太网中，最多串联4个中继器，5段中只能有3个连接主机；

*  集线器：同一局域网的再生、放大信号（多端口的中继器）；半双工，不能隔离冲突域也不能隔离广播域。

信道的基本概念：信道是往一个方向传输信息的媒体，一条通信电路包含一个发送信道和一个接受信道。

*  单工通信信道：只能一个方向通信，没有反方向反馈的信道；

*  半双工通信信道：双方都可以发送和接受信息，但不能同时发送也不能同时接收；

*  全双工通信信道：双方都可以同时发送和接收。

**03**

#### **数据链路层** ####

##### **01 数据链路层概述** #####

数据链路层在物理层提供的服务的基础上向网络层提供服务，其最基本的服务是将源自网络层来的数据可靠地传输到相邻节点的目标机网络层。数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。

该层的作用包括：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。

有关数据链路层的重要知识点：

*  数据链路层为网络层提供可靠的数据传输；

*  基本数据单位为帧；

*  主要的协议：以太网协议；

*  两个重要设备名称：网桥和交换机。

封装成帧：“帧”是数据链路层数据的基本单位：

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透明传输：“透明”是指即使控制字符在帧数据中，但是要当做不存在去处理。即在控制字符前加上转义字符ESC。

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######  ######

##### **02 数据链路层的差错监测** #####

差错检测：奇偶校验码、循环冗余校验码CRC

*  奇偶校验码–局限性：当出错两位时，检测不到错误。

*  循环冗余检验码：根据传输或保存的数据而产生固定位数校验码。

##### **03 最大传输单元MTU** #####

最大传输单元MTU(Maximum Transmission Unit)，数据链路层的数据帧不是无限大的，数据帧长度受MTU限制。

路径MTU：由链路中MTU的最小值决定。

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##### **04 以太网协议详解** #####

MAC地址：每一个设备都拥有唯一的MAC地址，共48位，使用十六进制表示。

以太网协议：是一种使用广泛的局域网技术，是一种应用于数据链路层的协议，使用以太网可以完成相邻设备的数据帧传输：

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##### **局域网分类：** #####

**Ethernet以太网IEEE802.3**

*  以太网第一个广泛部署的高速局域网；

*  以太网数据速率快；

*  以太网硬件价格便宜，网络造价成本低。

##### **以太网帧结构** #####

*  类型：标识上层协议（2字节）；

*  目的地址和源地址：MAC地址（每个6字节）；

*  数据：封装的上层协议的分组（46~1500字节）；

*  CRC：循环冗余码（4字节）；

*  以太网最短帧：以太网帧最短64字节；以太网帧除了数据部分18字节；数据最短46字节。

##### **MAC地址（物理地址、局域网地址）** #####

*  MAC地址长度为6字节，48位；

*  MAC地址具有唯一性，每个网络适配器对应一个MAC地址；

*  通常采用十六进制表示法，每个字节表示一个十六进制数，用 - 或 : 连接起来；

*  MAC广播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF。

**04**

#### **网络层** ####

网络层的目的是实现两个端系统之间的数据透明传送，具体功能包括寻址和路由选择、连接的建立、保持和终止等。数据交换技术是报文交换（基本上被分组所替代）：采用储存转发方式，数据交换单位是报文。

网络层中涉及众多的协议，其中包括最重要的协议，也是TCP/IP的核心协议——IP协议。IP协议非常简单，仅仅提供不可靠、无连接的传送服务。IP协议的主要功能有：无连接数据报传输、数据报路由选择和差错控制。

与IP协议配套使用实现其功能的还有地址解析协议ARP、逆地址解析协议RARP、因特网报文协议ICMP、因特网组管理协议IGMP。

具体的协议我们会在接下来的部分进行总结，有关网络层的重点为：

1、网络层负责对子网间的数据包进行路由选择。此外，网络层还可以实现拥塞控制、网际互连等功能；

2、基本数据单位为IP数据报；

3、包含的主要协议：

*  IP协议（Internet Protocol，因特网互联协议）;

*  ICMP协议（Internet Control Message Protocol，因特网控制报文协议）;

*  ARP协议（Address Resolution Protocol，地址解析协议）;

*  RARP协议（Reverse Address Resolution Protocol，逆地址解析协议）。

4、重要的设备：路由器。

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**路由器相关协议：**

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######  ######

##### **01 IP协议详解** #####

IP网际协议是 Internet 网络层最核心的协议。

虚拟互联网络的产生：实际的计算机网络错综复杂；物理设备通过使用IP协议，屏蔽了物理网络之间的差异；当网络中主机使用IP协议连接时，无需关注网络细节，于是形成了虚拟网络。

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IP协议使得复杂的实际网络变为一个虚拟互联的网络；并且解决了在虚拟网络中数据报传输路径的问题。

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其中，版本指IP协议的版本，占4位，如IPv4和IPv6；

首部位长度表示IP首部长度，占4位，最大数值位15；

总长度表示IP数据报总长度，占16位，最大数值位65535；

TTL表示IP数据报文在网络中的寿命，占8位；

协议表明IP数据所携带的具体数据是什么协议的，如TCP、UDP。

##### **02 IP协议的转发流程** #####

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######  ######

##### **03 IP地址的子网划分** #####

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A类（8网络号+24主机号）、B类（16网络号+16主机号）、C类（24网络号+8主机号）可以用于标识网络中的主机或路由器，D类地址作为组广播地址，E类是地址保留。

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##### **04 网络地址转换NAT技术** #####

用于多个主机通过一个公有IP访问访问互联网的私有网络中，减缓了IP地址的消耗，但是增加了网络通信的复杂度。

**NAT 工作原理：**

从内网出去的IP数据报，将其IP地址替换为NAT服务器拥有的合法的公共IP地址，并将替换关系记录到NAT转换表中；

从公共互联网返回的IP数据报，依据其目的的IP地址检索NAT转换表，并利用检索到的内部私有IP地址替换目的IP地址，然后将IP数据报转发到内部网络。

##### **05 ARP协议与RARP协议** #####

地址解析协议 ARP（Address Resolution Protocol）：为网卡（网络适配器）的IP地址到对应的硬件地址提供动态映射。可以把网络层32位地址转化为数据链路层MAC48位地址。

ARP 是即插即用的，一个ARP表是自动建立的，不需要系统管理员来配置。

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RARP(Reverse Address Resolution Protocol)协议指逆地址解析协议，可以把数据链路层MAC48位地址转化为网络层32位地址。

##### **06 ICMP协议详解** #####

网际控制报文协议（Internet Control Message Protocol），可以报告错误信息或者异常情况，ICMP报文封装在IP数据报当中。

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ICMP协议的应用：

*  Ping应用：网络故障的排查；

*  Traceroute应用：可以探测IP数据报在网络中走过的路径。

##### **07 网络层的路由概述** #####

**关于路由算法的要求：**

正确的完整的、在计算上应该尽可能是简单的、可以适应网络中的变化、稳定的公平的。

**自治系统AS：**

指处于一个管理机构下的网络设备群，AS内部网络自治管理，对外提供一个或多个出入口，其中自治系统内部的路由协议为内部网关协议，如RIP、OSPF等；自治系统外部的路由协议为外部网关协议，如BGP。

**静态路由：**

人工配置，难度和复杂度高。

**动态路由：**

*  链路状态路由选择算法LS：向所有隔壁路由发送信息收敛快；全局式路由选择算法，每个路由器计算路由时，需构建整个网络拓扑图；利用Dijkstra算法求源端到目的端网络的最短路径；Dijkstra(迪杰斯特拉)算法；

*  距离-向量路由选择算法DV：向所有隔壁路由发送信息收敛慢、会存在回路；基础是Bellman-Ford方程（简称B-F方程）。

##### **08 内部网关路由协议之RIP协议** #####

路由信息协议 RIP(Routing Information Protocol)【应用层】，基于距离-向量的路由选择算法，较小的AS（自治系统），适合小型网络；RIP报文，封装进UDP数据报。

**RIP协议特性：**

*  RIP在度量路径时采用的是跳数（每个路由器维护自身到其他每个路由器的距离记录）；

*  RIP的费用定义在源路由器和目的子网之间；

*  RIP被限制的网络直径不超过15跳；

*  和隔壁交换所有的信息，30主动一次（广播）。

##### **09 内部网关路由协议之OSPF协议** #####

开放最短路径优先协议 OSPF(Open Shortest Path First)【网络层】，基于链路状态的路由选择算法（即Dijkstra算法），较大规模的AS ，适合大型网络，直接封装在IP数据报传输。

**OSPF协议优点：**

*  安全；

*  支持多条相同费用路径；

*  支持区别化费用度量；

*  支持单播路由和多播路由；

*  分层路由。

**RIP与OSPF的对比（路由算法决定其性质）：**

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######  ######

##### **10 外部网关路由协议之BGP协议** #####

BGP（Border Gateway Protocol）边际网关协议【应用层】：是运行在AS之间的一种协议,寻找一条好路由：首次交换全部信息，以后只交换变化的部分,BGP封装进TCP报文段。

**05**

**传输层**

第一个端到端，即主机到主机的层次。传输层负责将上层数据分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传输。

此外，传输层还要处理端到端的差错控制和流量控制问题。

传输层的任务是根据通信子网的特性，最佳的利用网络资源，为两个端系统的会话层之间，提供建立、维护和取消传输连接的功能，负责端到端的可靠数据传输。

在这一层，信息传送的协议数据单元称为段或报文。

网络层只是根据网络地址将源结点发出的数据包传送到目的结点，而传输层则负责将数据可靠地传送到相应的端口。

**有关网络层的重点：**

*  传输层负责将上层数据分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传输以及端到端的差错控制和流量控制问题；

*  包含的主要协议：TCP协议（Transmission Control Protocol，传输控制协议）、UDP协议（User Datagram Protocol，用户数据报协议）；

*  重要设备：网关。

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######  ######

##### **01 UDP协议详解** #####

UDP(User Datagram Protocol: 用户数据报协议)，是一个非常简单的协议。

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**UDP协议的特点：**

*  UDP是无连接协议；

*  UDP不能保证可靠的交付数据；

*  UDP是面向报文传输的；

*  UDP没有拥塞控制；

*  UDP首部开销很小。

**UDP数据报结构：**

首部:8B，四字段/2B【源端口 | 目的端口 | UDP长度 | 校验和】 数据字段：应用数据。

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##### **02 TCP协议详解** #####

TCP(Transmission Control Protocol: 传输控制协议)，是计算机网络中非常复杂的一个协议。

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**TCP协议的功能：**

*  对应用层报文进行分段和重组；

*  面向应用层实现复用与分解；

*  实现端到端的流量控制；

*  拥塞控制；

*  传输层寻址；

*  对收到的报文进行差错检测（首部和数据部分都检错）；

*  实现进程间的端到端可靠数据传输控制。

**TCP协议的特点：**

*  TCP是面向连接的协议；

*  TCP是面向字节流的协议；

*  TCP的一个连接有两端，即点对点通信；

*  TCP提供可靠的传输服务；

*  TCP协议提供全双工通信（每条TCP连接只能一对一）。

######  ######

###### **TCP报文段结构：** ######

最大报文段长度：报文段中封装的应用层数据的最大长度。

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**TCP首部：**

*  序号字段：TCP的序号是对每个应用层数据的每个字节进行编号；

*  确认序号字段：期望从对方接收数据的字节序号，即该序号对应的字节尚未收到。用ack\_seq标识；

*  TCP段的首部长度最短是20B ，最长为60字节。但是长度必须为4B的整数倍。

**TCP标记的作用：**

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##### **03 可靠传输的基本原理** #####

**基本原理：**

*  不可靠传输信道在数据传输中可能发生的情况：比特差错、乱序、重传、丢失；

*  基于不可靠信道实现可靠数据传输采取的措施。

差错检测：利用编码实现数据包传输过程中的比特差错检测。

确认：接收方向发送方反馈接收状态。

重传：发送方重新发送接收方没有正确接收的数据。

序号：确保数据按序提交。

计时器：解决数据丢失问题。

停止等待协议：是最简单的可靠传输协议，但是该协议对信道的利用率不高。

连续ARQ(Automatic Repeat reQuest：自动重传请求)协议：滑动窗口+累计确认，大幅提高了信道的利用率。

###### **TCP协议的可靠传输：** ######

基于连续ARQ协议，在某些情况下，重传的效率并不高，会重复传输部分已经成功接收的字节。

###### **TCP协议的流量控制：** ######

流量控制：让发送方发送速率不要太快，TCP协议使用滑动窗口实现流量控制。

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######  ######

##### **04 TCP协议的拥塞控制** #####

**拥塞控制与流量控制的区别：**

流量控制考虑点对点的通信量的控制，而拥塞控制考虑整个网络，是全局性的考虑。拥塞控制的方法：慢启动算法+拥塞避免算法。

**慢开始和拥塞避免：**

*  【慢开始】拥塞窗口从1指数增长；

*  到达阈值时进入【拥塞避免】，变成+1增长；

*  【超时】，阈值变为当前cwnd的一半（不能<2）；

*  再从【慢开始】，拥塞窗口从1指数增长。

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**快重传和快恢复：**

*  发送方连续收到3个冗余ACK，执行【快重传】，不必等计时器超时；

*  执行【快恢复】，阈值变为当前cwnd的一半（不能<2），并从此新的ssthresh点进入【拥塞避免】。

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##### **05 TCP连接的三次握手（重要）** #####

**TCP三次握手使用指令：**

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**面试常客：为什么需要三次握手？**

*  第一次握手：客户发送请求，此时服务器知道客户能发；

*  第二次握手：服务器发送确认，此时客户知道服务器能发能收；

*  第三次握手：客户发送确认，此时服务器知道客户能收。

**建立连接（三次握手）：**

第一次：客户向服务器发送连接请求段，建立连接请求控制段（SYN=1），表示传输的报文段的第一个数据字节的序列号是x，此序列号代表整个报文段的序号（seq=x）；客户端进入 SYN\_SEND （同步发送状态）；

第二次：服务器发回确认报文段，同意建立新连接的确认段（SYN=1），确认序号字段有效（ACK=1），服务器告诉客户端报文段序号是y（seq=y），表示服务器已经收到客户端序号为x的报文段，准备接受客户端序列号为x+1的报文段（ack\_seq=x+1）；服务器由LISTEN进入SYN\_RCVD （同步收到状态）;

第三次：客户对服务器的同一连接进行确认.确认序号字段有效(ACK=1),客户此次的报文段的序列号是x+1(seq=x+1),客户期望接受服务器序列号为y+1的报文段(ack\_seq=y+1);当客户发送ack时，客户端进入ESTABLISHED 状态;当服务收到客户发送的ack后，也进入ESTABLISHED状态;第三次握手可携带数据。

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##### **06 TCP连接的四次挥手（重要）** #####

**释放连接（四次挥手）**

第一次：客户向服务器发送释放连接报文段，发送端数据发送完毕，请求释放连接（FIN=1），传输的第一个数据字节的序号是x（seq=x）；客户端状态由ESTABLISHED进入FIN\_WAIT\_1（终止等待1状态）；

第二次：服务器向客户发送确认段，确认字号段有效（ACK=1），服务器传输的数据序号是y（seq=y），服务器期望接收客户数据序号为x+1（ack\_seq=x+1）;服务器状态由ESTABLISHED进入CLOSE\_WAIT（关闭等待）；客户端收到ACK段后，由FIN\_WAIT\_1进入FIN\_WAIT\_2；

第三次：服务器向客户发送释放连接报文段，请求释放连接（FIN=1），确认字号段有效（ACK=1），表示服务器期望接收客户数据序号为x+1（ack\_seq=x+1）;表示自己传输的第一个字节序号是y+1（seq=y+1）；服务器状态由CLOSE\_WAIT 进入 LAST\_ACK （最后确认状态）；

第四次：客户向服务器发送确认段，确认字号段有效（ACK=1），表示客户传输的数据序号是x+1（seq=x+1），表示客户期望接收服务器数据序号为y+1+1（ack\_seq=y+1+1）；客户端状态由FIN\_WAIT\_2进入TIME\_WAIT，等待2MSL时间，进入CLOSED状态；服务器在收到最后一次ACK后，由LAST\_ACK进入CLOSED。

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**为什么需要等待2MSL?**

*  最后一个报文没有确认；

*  确保发送方的ACK可以到达接收方；

*  2MSL时间内没有收到，则接收方会重发；

*  确保当前连接的所有报文都已经过期。

**06**

#### **应用层** ####

为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。应用层重点：

*  数据传输基本单位为报文；

*  包含的主要协议：FTP（文件传送协议）、Telnet（远程登录协议）、DNS（域名解析协议）、SMTP（邮件传送协议），POP3协议（邮局协议），HTTP协议（Hyper Text Transfer Protocol）。

##### **01 DNS详解** #####

DNS（Domain Name System:域名系统）【C/S，UDP，端口53】：解决IP地址复杂难以记忆的问题,存储并完成自己所管辖范围内主机的 域名 到 IP 地址的映射。

**域名解析的顺序：**

*  浏览器缓存；

*  找本机的hosts文件；

*  路由缓存；

*  找DNS服务器（本地域名、顶级域名、根域名）->迭代解析、递归查询。

IP—>DNS服务—>便于记忆的域名。

域名由点、字母和数字组成，分为顶级域（com，cn，net，gov，org）、二级域（baidu,taobao,qq,alibaba）、三级域（www）(12-2-0852)。

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######  ######

##### **02 DHCP协议详解** #####

DHCP（Dynamic Configuration Protocol:动态主机设置协议）：是一个局域网协议，是应用UDP协议的应用层协议。作用：为临时接入局域网的用户自动分配IP地址。

##### **03 HTTP协议详解** #####

文件传输协议（FTP）：控制连接（端口21）：传输控制信息（连接、传输请求），以7位ASCII码的格式。整个会话期间一直打开。

HTTP（HyperText Transfer Protocol:超文本传输协议）【TCP，端口80】：是可靠的数据传输协议，浏览器向服务器发收报文前，先建立TCP连接，HTTP使用TCP连接方式（HTTP自身无连接）。

**HTTP请求报文方式：**

*  GET：请求指定的页面信息，并返回实体主体；

*  POST：向指定资源提交数据进行处理请求；

*  DELETE：请求服务器删除指定的页面；

*  HEAD：请求读取URL标识的信息的首部，只返回报文头；

*  OPETION：请求一些选项的信息；

*  PUT：在指明的URL下存储一个文档。

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######  ######

###### **（1）HTTP工作的结构** ######

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######  ######

###### **（2） HTTPS协议详解** ######

HTTPS(Secure)是安全的HTTP协议，端口号443。基于HTTP协议，通过SSL或TLS提供加密处理数据、验证对方身份以及数据完整性保护。

**SMP、NUMA、MPP 三大体系结构**

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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：

### **1. SMP(Symmetric Multi-Processor)** ###

SMP (Symmetric Multi Processing),对称多处理系统内有许多紧耦合多处理器，在这样的系统中，所有的CPU共享全部资源，如总线，内存和I/O系统等，操作系统或管理数据库的复本只有一个，这种系统有一个最大的特点就是共享所有资源。多个CPU之间没有区别，平等地访问内存、外设、一个操作系统。操作系统管理着一个队列，每个处理器依次处理队列中的进程。如果两个处理器同时请求访问一个资源（例如同一段内存地址），由硬件、软件的锁机制去解决资源争用问题。Access to RAM is serialized; this and cache coherency issues causes performance to lag slightly behind the number of additional processors in the system.

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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 。

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图1. SMP 服务器 CPU 利用率状态

8路服务器是服务器产业的分水岭。因为4路及以下服务器都采用SMP架构(Symmetric Multi-Processor，对称多处理结构)，实验证明，SMP服务器CPU利用率最好的情况是2至4个CPU。8是这种架构支持的处理器数量的极限，要支持8颗以上的处理器须采用另外的NUMA架构(Non-Uniform Memory Access，非一致性内存访问)。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。

### **2. 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：

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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。

但 NUMA 技术同样有一定缺陷，由于访问远地内存的延时远远超过本地内存，因此当 CPU 数量增加时，系统性能无法线性增加。如 HP 公司发布 Superdome 服务器时，曾公布了它与 HP 其它 UNIX 服务器的相对性能值，结果发现， 64 路 CPU 的 Superdome (NUMA 结构 ) 的相对性能值是 20 ，而 8 路 N4000( 共享的 SMP 结构 ) 的相对性能值是 6.3 。从这个结果可以看到， 8 倍数量的 CPU 换来的只是 3 倍性能的提升。

2008年intel发布了Nehalem构架处理器，CPU内集成了内存控制器。当多CPU时任何一颗CPU都能访问全部内存。但CPU0访问本地内存(CPU0控制器直接控制的内存)消耗小，CPU0访问远地内存(CPU1内存控制器控制的内存)消耗大，NUMA功能的开启变成了必须了。

默认的NUMA功能是将计算和内存资源分配在一个NUMA内，有可能导致SWAP问题，即：NUMA0内存已经用完都开始用SWAP空间了，NUMA1还有很大的内存free。在数据库服务器上NUMA可能导致非常严重的性能问题，甚至有很多数据库死机的问题。就下图这个熊样。

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在虚拟化情况下，KVM虚机的CPU数量尽量不超过一个NUMA区域内的CPU数量，如果超过，则会出现一个KVM虚机使用了两个NUMA的情况，导致CPU等待内存时间过长，系统性能下降，此时需要手动调整KVM的配置才可以提高性能。

*  Ubuntu 12.02自身带有Automatic NUMA balancing，可以支持NUMA自平衡，具体情况未测试。SUSE12也支持Automatic NUMA balancing

*  JUNO版的Openstack中，KVM的CPU的拓扑可以通过image或者flavor进行元数据传递来定义，如果没有特别的定义此类元数据，则模拟的CPU将是多Socket单Core单NUMA节点的CPU，这样的CPU与物理CPU完全不同。

上面是KVM。Vmware ESX 5.0及之后的版本支持一种叫做vNUMA的特性，它将Host的NUMA特征暴露给了GuestOS，从而使得Guest OS可以根据NUMA特征进行更高性能的调度。

*  CPU的热添加功能不支持vNUMA功能。

*  vmotion等功能一旦将vmware虚机迁移，则可能导致vNUMA失效，带来严重的性能降低。所以在ESXi中保持物理服务器的一致性是有必要的。

中国第一台自主研发的，可支持32可处理器的高端服务器浪潮天梭K1，发布于2013年1月，系统可用性达到99.9994%，同时，我国也成为了时间上第三个掌握该技术的国家。

### **3. MPP(Massive Parallel Processing)** ###

和 NUMA 不同， MPP 提供了另外一种进行系统扩展的方式，它由多个 SMP 服务器通过一定的节点互联网络进行连接，协同工作，完成相同的任务，从用户的角度来看是一个服务器系统。其基本特征是由多个 SMP 服务器 ( 每个 SMP 服务器称节点 ) 通过节点互联网络连接而成，每个节点只访问自己的本地资源 ( 内存、存储等 ) ，是一种完全无共享 (Share Nothing) 结构，因而扩展能力最好，理论上其扩展无限制，目前的技术可实现 512 个节点互联，数千个 CPU 。目前业界对节点互联网络暂无标准，如 NCR 的 Bynet ， IBM 的 SPSwitch ，它们都采用了不同的内部实现机制。但节点互联网仅供 MPP 服务器内部使用，对用户而言是透明的。

在 MPP 系统中，每个 SMP 节点也可以运行自己的操作系统、数据库等。但和 NUMA 不同的是，它不存在异地内存访问的问题。换言之，每个节点内的 CPU 不能访问另一个节点的内存。节点之间的信息交互是通过节点互联网络实现的，这个过程一般称为数据重分配 (Data Redistribution) 。

但是 MPP 服务器需要一种复杂的机制来调度和平衡各个节点的负载和并行处理过程。目前一些基于 MPP 技术的服务器往往通过系统级软件 ( 如数据库 ) 来屏蔽这种复杂性。举例来说， NCR 的 Teradata 就是基于 MPP 技术的一个关系数据库软件，基于此数据库来开发应用时，不管后台服务器由多少个节点组成，开发人员所面对的都是同一个数据库系统，而不需要考虑如何调度其中某几个节点的负载。

MPP (Massively Parallel Processing)，大规模并行处理系统，这样的系统是由许多松耦合的处理单元组成的，要注意的是这里指的是处理单元而不是处理器。每个单元内的CPU都有自己私有的资源，如总线，内存，硬盘等。在每个单元内都有操作系统和管理数据库的实例复本。这种结构最大的特点在于不共享资源。

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### **4. 三种体系架构之间的差异** ###

#### **4.1 SMP系统与MPP系统比较** ####

既然有两种结构，那它们各有什么特点呢？采用什么结构比较合适呢？通常情况下，MPP系统因为要在不同处理单元之间传送信息（请注意上图），所以它的效率要比SMP要差一点，但是这也不是绝对的，因为MPP系统不共享资源，因此对它而言，资源比SMP要多，当需要处理的事务达到一定规模时，MPP的效率要比SMP好。这就是看通信时间占用计算时间的比例而定，如果通信时间比较多，那MPP系统就不占优势了，相反，如果通信时间比较少，那MPP系统可以充分发挥资源的优势，达到高效率。当前使用的OTLP程序中，用户访问一个中心数据库，如果采用SMP系统结构，它的效率要比采用MPP结构要快得多。而MPP系统在决策支持和数据挖掘方面显示了优势，可以这样说，如果操作相互之间没有什么关系，处理单元之间需要进行的通信比较少，那采用MPP系统就要好，相反就不合适了。

通过上面两个图我们可以看到，对于SMP来说，制约它速度的一个关键因素就是那个共享的总线，因此对于DSS程序来说，只能选择MPP，而不能选择SMP，当大型程序的处理要求大于共享总线时，总线就没有能力进行处理了，这时SMP系统就不行了。当然了，两个结构互有优缺点，如果能够将两种结合起来取长补短，当然最好了。

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#### **4.2 NUMA 与 MPP 的区别** ####

从架构来看， NUMA 与 MPP 具有许多相似之处：它们都由多个节点组成，每个节点都具有自己的 CPU 、内存、 I/O ，节点之间都可以通过节点互联机制进行信息交互。那么它们的区别在哪里？通过分析下面 NUMA 和 MPP 服务器的内部架构和工作原理不难发现其差异所在。

首先是节点互联机制不同， NUMA 的节点互联机制是在同一个物理服务器内部实现的，当某个 CPU 需要进行远地内存访问时，它必须等待，这也是 NUMA 服务器无法实现 CPU 增加时性能线性扩展的主要原因。而 MPP 的节点互联机制是在不同的 SMP 服务器外部通过 I/O 实现的，每个节点只访问本地内存和存储，节点之间的信息交互与节点本身的处理是并行进行的。因此 MPP 在增加节点时性能基本上可以实现线性扩展。

其次是内存访问机制不同。在 NUMA 服务器内部，任何一个 CPU 可以访问整个系统的内存，但远地访问的性能远远低于本地内存访问，因此在开发应用程序时应该尽量避免远地内存访问。在 MPP 服务器中，每个节点只访问本地内存，不存在远地内存访问的问题。

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图3.MPP 服务器架构图

**数据仓库的选择**

哪种服务器更加适应数据仓库环境？这需要从数据仓库环境本身的负载特征入手。众所周知，典型的数据仓库环境具有大量复杂的数据处理和综合分析，要求系统具有很高的 I/O 处理能力，并且存储系统需要提供足够的 I/O 带宽与之匹配。而一个典型的 OLTP 系统则以联机事务处理为主，每个交易所涉及的数据不多，要求系统具有很高的事务处理能力，能够在单位时间里处理尽量多的交易。显然这两种应用环境的负载特征完全不同。

从 NUMA 架构来看，它可以在一个物理服务器内集成许多 CPU ，使系统具有较高的事务处理能力，由于远地内存访问时延远长于本地内存访问，因此需要尽量减少不同 CPU 模块之间的数据交互。显然， NUMA 架构更适用于 OLTP 事务处理环境，当用于数据仓库环境时，由于大量复杂的数据处理必然导致大量的数据交互，将使 CPU 的利用率大大降低。

相对而言， MPP 服务器架构的并行处理能力更优越，更适合于复杂的数据综合分析与处理环境。当然，它需要借助于支持 MPP 技术的关系数据库系统来屏蔽节点之间负载平衡与调度的复杂性。另外，这种并行处理能力也与节点互联网络有很大的关系。显然，适应于数据仓库环境的 MPP 服务器，其节点互联网络的 I/O 性能应该非常突出，才能充分发挥整个系统的性能。

#### **4.3 NUMA、MPP、SMP 之间性能的区别** ####

NUMA的节点互联机制是在同一个物理服务器内部实现的，当某个CPU需要进行远地内存访问时，它必须等待，这也是NUMA服务器无法实现CPU增加时性能线性扩展。

MPP的节点互联机制是在不同的SMP服务器外部通过I/O实现的，每个节点只访问本地内存和存储，节点之间的信息交互与节点本身的处理是并行进行的。因此MPP在增加节点时性能基本上可以实现线性扩展。

SMP所有的CPU资源是共享的，因此完全实现线性扩展。

#### **4.4 NUMA、MPP、SMP之间扩展的区别** ####

NUMA理论上可以无限扩展，目前技术比较成熟的能够支持上百个CPU进行扩展。如HP的SUPERDOME。

MPP理论上也可以实现无限扩展，目前技术比较成熟的能够支持512个节点，数千个CPU进行扩展。

SMP扩展能力很差，目前2个到4个CPU的利用率最好，但是IBM的BOOK技术，能够将CPU扩展到8个。

MPP是由多个SMP构成，多个SMP服务器通过一定的节点互联网络进行连接，协同工作，完成相同的任务。

#### **4.5 MPP 和 SMP、NUMA 应用之间的区别** ####

*  MPP 的优势：

MPP系统不共享资源，因此对它而言，资源比SMP要多，当需要处理的事务达到一定规模时，MPP的效率要比SMP好。由于MPP系统因为要在不同处理单元之间传送信息，在通讯时间少的时候，那MPP系统可以充分发挥资源的优势，达到高效率。也就是说：操作相互之间没有什么关系，处理单元之间需要进行的通信比较少，那采用MPP系统就要好。因此，**MPP 系统在决策支持和数据挖掘方面显示了优势。**

*  SMP 的优势：

MPP系统因为要在不同处理单元之间传送信息，所以它的效率要比SMP要差一点。在通讯时间多的时候，那MPP系统可以充分发挥资源的优势。**因此当前使用的OTLP程序中，用户访问一个中心数据库，如果采用SMP系统结构，它的效率要比采用MPP结构要快得多。**

*  NUMA 架构的优势：

NUMA 架构来看，它可以在一个物理服务器内集成许多CPU，使系统具有较高的事务处理能力，由于远地内存访问时延远长于本地内存访问，因此需要尽量减少不同CPU模块之间的数据交互。显然，NUMA架构更适用于OLTP事务处理环境，当用于数据仓库环境时，由于大量复杂的数据处理必然导致大量的数据交互，将使CPU的利用率大大降低。

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