從系統(tǒng)架構來分類，目前的典型的服務器可以分為大體系結構，即非一致存儲訪問結構，對稱多處理器結構，以及海量并行處理結構 。本文就將它們的特征分別進行了描述。

　　1. SMP（Symmetric Multi-Processor）

　　SMP （Symmetric Multi Processing），對稱多處理系統(tǒng)內有許多緊耦合多處理器，在這樣的系統(tǒng)中，所有的CPU共享全部資源，如總線，內存和I/O系統(tǒng)等，操作系統(tǒng)或管理數(shù)據(jù)庫的復本只有一個，這種系統(tǒng)有一個最大的特點就是共享所有資源。多個CPU之間沒有區(qū)別，平等地訪問內存、外設、一個操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)管理著一個隊列，每個處理器依次處理隊列中的進程。如果兩個處理器同時請求訪問一個資源（例如同一段內存地址），由硬件、軟件的鎖機制去解決資源爭用問題。Access to RAM is serialized; this and cache coherency issues causes performance to lag slightly behind the number of additional processors in the system.

　　所謂對稱多處理器結構，是指服務器中多個 CPU 對稱工作，無主次或從屬關系。各 CPU 共享相同的物理內存，每個 CPU 訪問內存中的任何地址所需時間是相同的，因此 SMP 也被稱為一致存儲器訪問結構 （UMA ： Uniform Memory Access） 。對 SMP 服務器進行擴展的方式包括增加內存、使用更快的 CPU 、增加 CPU 、擴充 I/O（ 槽口數(shù)與總線數(shù) ） 以及添加更多的外部設備 （ 通常是磁盤存儲 ） 。

　　SMP 服務器的主要特征是共享，系統(tǒng)中所有資源 （CPU 、內存、 I/O 等 ） 都是共享的。也正是由于這種特征，導致了 SMP 服務器的主要問題，那就是它的擴展能力非常有限。對于 SMP 服務器而言，每一個共享的環(huán)節(jié)都可能造成 SMP 服務器擴展時的瓶頸，而最受限制的則是內存。由于每個 CPU 必須通過相同的內存總線訪問相同的內存資源，因此隨著 CPU 數(shù)量的增加，內存訪問沖突將迅速增加，最終會造成 CPU 資源的浪費，使 CPU 性能的有效性大大降低。實驗證明， SMP 服務器 CPU 利用率最好的情況是 2 至 4 個 CPU 。

　　圖 1.SMP 服務器 CPU 利用率狀態(tài)

　　2. NUMA（Non-Uniform Memory Access）

　　由于 SMP 在擴展能力上的限制，人們開始探究如何進行有效地擴展從而構建大型系統(tǒng)的技術， NUMA 就是這種努力下的結果之一。利用 NUMA 技術，可以把幾十個 CPU（ 甚至上百個 CPU） 組合在一個服務器內。其 CPU 模塊結構如圖 2 所示：

　　圖 2.NUMA 服務器 CPU 模塊結構

　　NUMA 服務器的基本特征是具有多個 CPU 模塊，每個 CPU 模塊由多個 CPU（ 如 4 個 ） 組成，并且具有獨立的本地內存、 I/O 槽口等。由于其節(jié)點之間可以通過互聯(lián)模塊 （ 如稱為 Crossbar Switch） 進行連接和信息交互，因此每個 CPU 可以訪問整個系統(tǒng)的內存 （ 這是 NUMA 系統(tǒng)與 MPP 系統(tǒng)的重要差別 ） 。顯然，訪問本地內存的速度將遠遠高于訪問遠地內存 （ 系統(tǒng)內其它節(jié)點的內存 ） 的速度，這也是非一致存儲訪問 NUMA 的由來。由于這個特點，為了更好地發(fā)揮系統(tǒng)性能，開發(fā)應用程序時需要盡量減少不同 CPU 模塊之間的信息交互。

　　利用 NUMA 技術，可以較好地解決原來 SMP 系統(tǒng)的擴展問題，在一個物理服務器內可以支持上百個 CPU 。比較典型的 NUMA 服務器的例子包括 HP 的 Superdome 、 SUN15K 、 IBMp690 等。

　　但 NUMA 技術同樣有一定缺陷，由于訪問遠地內存的延時遠遠超過本地內存，因此當 CPU 數(shù)量增加時，系統(tǒng)性能無法線性增加。如 HP 公司發(fā)布 Superdome 服務器時，曾公布了它與 HP 其它 UNIX 服務器的相對性能值，結果發(fā)現(xiàn)， 64 路 CPU 的 Superdome （NUMA 結構 ） 的相對性能值是 20 ，而 8 路 N4000（ 共享的 SMP 結構 ） 的相對性能值是 6.3 。從這個結果可以看到， 8 倍數(shù)量的 CPU 換來的只是 3 倍性能的提升。

　　3. MPP（Massive Parallel Processing）

　　和 NUMA 不同， MPP 提供了另外一種進行系統(tǒng)擴展的方式，它由多個 SMP 服務器通過一定的節(jié)點互聯(lián)網(wǎng)絡進行連接，協(xié)同工作，完成相同的任務，從用戶的角度來看是一個服務器系統(tǒng)。其基本特征是由多個 SMP 服務器 （ 每個 SMP 服務器稱節(jié)點 ） 通過節(jié)點互聯(lián)網(wǎng)絡連接而成，每個節(jié)點只訪問自己的本地資源 （ 內存、存儲等 ） ，是一種完全無共享 （Share Nothing） 結構，因而擴展能力最好，理論上其擴展無限制，目前的技術可實現(xiàn) 512 個節(jié)點互聯(lián)，數(shù)千個 CPU 。目前業(yè)界對節(jié)點互聯(lián)網(wǎng)絡暫無標準，如 NCR 的 Bynet ， IBM 的 SPSwitch ，它們都采用了不同的內部實現(xiàn)機制。但節(jié)點互聯(lián)網(wǎng)僅供 MPP 服務器內部使用，對用戶而言是透明的。

　　在 MPP 系統(tǒng)中，每個 SMP 節(jié)點也可以運行自己的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等。但和 NUMA 不同的是，它不存在異地內存訪問的問題。換言之，每個節(jié)點內的 CPU 不能訪問另一個節(jié)點的內存。節(jié)點之間的信息交互是通過節(jié)點互聯(lián)網(wǎng)絡實現(xiàn)的，這個過程一般稱為數(shù)據(jù)重分配 （Data Redistribution） 。

　　但是 MPP 服務器需要一種復雜的機制來調度和平衡各個節(jié)點的負載和并行處理過程。目前一些基于 MPP 技術的服務器往往通過系統(tǒng)級軟件 （ 如數(shù)據(jù)庫 ） 來屏蔽這種復雜性。舉例來說， NCR 的 Teradata 就是基于 MPP 技術的一個關系數(shù)據(jù)庫軟件，基于此數(shù)據(jù)庫來開發(fā)應用時，不管后臺服務器由多少個節(jié)點組成，開發(fā)人員所面對的都是同一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，而不需要考慮如何調度其中某幾個節(jié)點的負載。

　　MPP （Massively Parallel Processing），大規(guī)模并行處理系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)是由許多松耦合的處理單元組成的，要注意的是這里指的是處理單元而不是處理器。每個單元內的CPU都有自己私有的資源，如總線，內存，硬盤等。在每個單元內都有操作系統(tǒng)和管理數(shù)據(jù)庫的實例復本。這種結構最大的特點在于不共享資源。

　　4. 三種體系架構之間的差異

　　4.1 SMP系統(tǒng)與MPP系統(tǒng)比較

　　既然有兩種結構，那它們各有什么特點呢？采用什么結構比較合適呢？通常情況下，MPP系統(tǒng)因為要在不同處理單元之間傳送信息（請注意上圖），所以它的效率要比SMP要差一點，但是這也不是絕對的，因為MPP系統(tǒng)不共享資源，因此對它而言，資源比SMP要多，當需要處理的事務達到一定規(guī)模時，MPP的效率要比SMP好。這就是看通信時間占用計算時間的比例而定，如果通信時間比較多，那MPP系統(tǒng)就不占優(yōu)勢了，相反，如果通信時間比較少，那MPP系統(tǒng)可以充分發(fā)揮資源的優(yōu)勢，達到高效率。當前使用的OTLP程序中，用戶訪問一個中心數(shù)據(jù)庫，如果采用SMP系統(tǒng)結構，它的效率要比采用MPP結構要快得多。而MPP系統(tǒng)在決策支持和數(shù)據(jù)挖掘方面顯示了優(yōu)勢，可以這樣說，如果操作相互之間沒有什么關系，處理單元之間需要進行的通信比較少，那采用MPP系統(tǒng)就要好，相反就不合適了。

　　通過上面兩個圖我們可以看到，對于SMP來說，制約它速度的一個關鍵因素就是那個共享的總線，因此對于DSS程序來說，只能選擇MPP，而不能選擇SMP，當大型程序的處理要求大于共享總線時，總線就沒有能力進行處理了，這時SMP系統(tǒng)就不行了。當然了，兩個結構互有優(yōu)缺點，如果能夠將兩種結合起來取長補短，當然最好了。

　　4.2 NUMA 與 MPP 的區(qū)別

　　從架構來看， NUMA 與 MPP 具有許多相似之處：它們都由多個節(jié)點組成，每個節(jié)點都具有自己的 CPU 、內存、 I/O ，節(jié)點之間都可以通過節(jié)點互聯(lián)機制進行信息交互。那么它們的區(qū)別在哪里？通過分析下面 NUMA 和 MPP 服務器的內部架構和工作原理不難發(fā)現(xiàn)其差異所在。

　　首先是節(jié)點互聯(lián)機制不同， NUMA 的節(jié)點互聯(lián)機制是在同一個物理服務器內部實現(xiàn)的，當某個 CPU 需要進行遠地內存訪問時，它必須等待，這也是 NUMA 服務器無法實現(xiàn) CPU 增加時性能線性擴展的主要原因。而 MPP 的節(jié)點互聯(lián)機制是在不同的 SMP 服務器外部通過 I/O 實現(xiàn)的，每個節(jié)點只訪問本地內存和存儲，節(jié)點之間的信息交互與節(jié)點本身的處理是并行進行的。因此 MPP 在增加節(jié)點時性能基本上可以實現(xiàn)線性擴展。

　　其次是內存訪問機制不同。在 NUMA 服務器內部，任何一個 CPU 可以訪問整個系統(tǒng)的內存，但遠地訪問的性能遠遠低于本地內存訪問，因此在開發(fā)應用程序時應該盡量避免遠地內存訪問。在 MPP 服務器中，每個節(jié)點只訪問本地內存，不存在遠地內存訪問的問題。

　　圖 3.MPP 服務器架構圖

　　數(shù)據(jù)倉庫的選擇

　　哪種服務器更加適應數(shù)據(jù)倉庫環(huán)境？這需要從數(shù)據(jù)倉庫環(huán)境本身的負載特征入手。眾所周知，典型的數(shù)據(jù)倉庫環(huán)境具有大量復雜的數(shù)據(jù)處理和綜合分析，要求系統(tǒng)具有很高的 I/O 處理能力，并且存儲系統(tǒng)需要提供足夠的 I/O 帶寬與之匹配。而一個典型的 OLTP 系統(tǒng)則以聯(lián)機事務處理為主，每個交易所涉及的數(shù)據(jù)不多，要求系統(tǒng)具有很高的事務處理能力，能夠在單位時間里處理盡量多的交易。顯然這兩種應用環(huán)境的負載特征完全不同。

　　從 NUMA 架構來看，它可以在一個物理服務器內集成許多 CPU ，使系統(tǒng)具有較高的事務處理能力，由于遠地內存訪問時延遠長于本地內存訪問，因此需要盡量減少不同 CPU 模塊之間的數(shù)據(jù)交互。顯然， NUMA 架構更適用于 OLTP 事務處理環(huán)境，當用于數(shù)據(jù)倉庫環(huán)境時，由于大量復雜的數(shù)據(jù)處理必然導致大量的數(shù)據(jù)交互，將使 CPU 的利用率大大降低。

　　相對而言， MPP 服務器架構的并行處理能力更優(yōu)越，更適合于復雜的數(shù)據(jù)綜合分析與處理環(huán)境。當然，它需要借助于支持 MPP 技術的關系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來屏蔽節(jié)點之間負載平衡與調度的復雜性。另外，這種并行處理能力也與節(jié)點互聯(lián)網(wǎng)絡有很大的關系。顯然，適應于數(shù)據(jù)倉庫環(huán)境的 MPP 服務器，其節(jié)點互聯(lián)網(wǎng)絡的 I/O 性能應該非常突出，才能充分發(fā)揮整個系統(tǒng)的性能。

　　4.3 NUMA、MPP、SMP之間性能的區(qū)別

　　NUMA的節(jié)點互聯(lián)機制是在同一個物理服務器內部實現(xiàn)的，當某個CPU需要進行遠地內存訪問時，它必須等待，這也是NUMA服務器無法實現(xiàn)CPU增加時性能線性擴展。

　　MPP的節(jié)點互聯(lián)機制是在不同的SMP服務器外部通過I/O實現(xiàn)的，每個節(jié)點只訪問本地內存和存儲，節(jié)點之間的信息交互與節(jié)點本身的處理是并行進行的。因此MPP在增加節(jié)點時性能基本上可以實現(xiàn)線性擴展。

　　SMP所有的CPU資源是共享的，因此完全實現(xiàn)線性擴展。

　　4.4 NUMA、MPP、SMP之間擴展的區(qū)別

　　NUMA理論上可以無限擴展，目前技術比較成熟的能夠支持上百個CPU進行擴展。如HP的SUPERDOME。

　　MPP理論上也可以實現(xiàn)無限擴展，目前技術比較成熟的能夠支持512個節(jié)點，數(shù)千個CPU進行擴展。

　　SMP擴展能力很差，目前2個到4個CPU的利用率最好，但是IBM的BOOK技術，能夠將CPU擴展到8個。

　　MPP是由多個SMP構成，多個SMP服務器通過一定的節(jié)點互聯(lián)網(wǎng)絡進行連接，協(xié)同工作，完成相同的任務。

　　4.5 MPP和SMP、NUMA應用之間的區(qū)別

　　MPP的優(yōu)勢：

　　MPP系統(tǒng)不共享資源，因此對它而言，資源比SMP要多，當需要處理的事務達到一定規(guī)模時，MPP的效率要比SMP好。由于MPP系統(tǒng)因為要在不同處理單元之間傳送信息，在通訊時間少的時候，那MPP系統(tǒng)可以充分發(fā)揮資源的優(yōu)勢，達到高效率。也就是說：操作相互之間沒有什么關系，處理單元之間需要進行的通信比較少，那采用MPP系統(tǒng)就要好。因此，MPP系統(tǒng)在決策支持和數(shù)據(jù)挖掘方面顯示了優(yōu)勢。

　　SMP的優(yōu)勢：

　　MPP系統(tǒng)因為要在不同處理單元之間傳送信息，所以它的效率要比SMP要差一點。在通訊時間多的時候，那MPP系統(tǒng)可以充分發(fā)揮資源的優(yōu)勢。因此當前使用的OTLP程序中，用戶訪問一個中心數(shù)據(jù)庫，如果采用SMP系統(tǒng)結構，它的效率要比采用MPP結構要快得多。

　　NUMA架構的優(yōu)勢：

　　NUMA架構來看，它可以在一個物理服務器內集成許多CPU，使系統(tǒng)具有較高的事務處理能力，由于遠地內存訪問時延遠長于本地內存訪問，因此需要盡量減少不同CPU模塊之間的數(shù)據(jù)交互。顯然，NUMA架構更適用于OLTP事務處理環(huán)境，當用于數(shù)據(jù)倉庫環(huán)境時，由于大量復雜的數(shù)據(jù)處理必然導致大量的數(shù)據(jù)交互，將使CPU的利用率大大降低。