使用树莓派集群进行并行与分布式计算

自树莓派发布以来，创作者们已经基于这款袖珍型单芯片系统进行了无数的计算机科学教育项目。这些项目包括许多探索低成本树莓派集群的项目，以介绍并行与分布式计算 (PDC) 的概念。

英国开放大学 (OU) 为不同年龄、经验和背景的学生提供远程教育，这提出了一些在更传统的大学中不会面临的问题。英国开放大学使用树莓派集群向远程学习学生介绍 PDC 概念的实验始于 2019 年，并在学术论文中有所介绍，但值得更广泛地为人所知。

该项目使用基于 OctaPi 指南的树莓派集群，该指南根据知识共享许可协议由 GCHQ 发布。八个树莓派通过路由器和交换机连接在私有网络中。其中一个树莓派充当主节点，而其他树莓派则充当服务器，将结果返回给主设备。用 Python 编写的程序在主树莓派上运行，dispy 软件包将活动分配到集群中的各个核心。

已经为集群开发了三个程序，您可以从 Git 仓库下载它们。

其中两个程序是基于文本的，并与搜索问题相关联：旅行推销员问题和密码哈希。作为完整的搜索问题，这些非常适合教授 PDC 概念。第三个程序是图形化的。图像合成器接受三个图像作为输入，这些图像具有不重叠的遮挡物。它通过比较三个图像之间逐像素的 RGBA 值并选择中位数来构建没有遮挡物的图像。

使用集群

开放大学是一所远程学习机构，因此学生通过网页界面访问集群。远程访问集群使用大学的 OpenSTEM Labs 基础设施。十个集群（八个用 Pi 4 构建，两个用 Pi 3B+ 构建）安装在机架中，每个集群都配有网络摄像头。

学生选择要运行的程序、要使用的核心数量以及所选程序的参数。作为输出，他们可以看到程序在单个树莓派上运行的时间与在集群上使用所选核心数量运行的时间的比较。学生还可以看到程序的输出，无论是密码哈希结果、最小和最大旅行推销员路线，还是无遮挡图像。

图片来源：

（Peter Cheer，CC BY-SA 4.0）

网络摄像头显示集群的实时流。主树莓派有一个 LED 显示屏，用于显示程序运行时的状态。网络摄像头清楚地向学生表明，他们正在使用真正的专用硬件进行实验，而不是获得模拟或预先录制的结果。

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（Peter Cheer，CC BY-SA 4.0）

每个程序都有两个与之相关的活动，说明了程序设计和 PDC 操作的不同方面。主要的学习要点之一是 PDC 计算可以提供显著的性能优势，但代价是划分和分配问题以及反向重组结果所花费的时间和资源。第二个学习要点是效率受到程序设计的显著影响。

学生们喜欢它

目前，树莓派集群的使用是可选的。然而，根据目前的发现，学生们很喜欢它，并且对能够远程访问物理硬件感到有动力。

一位学生说：“能够使用真正的集群而不是虚拟化的集群，这真的很有趣。”

另一位补充说：“能够真正看到集群工作并看到使用多个核心的实际效果，这真的很令人兴奋。能够亲自尝试一下，而不仅仅是阅读关于它的理论，这真是太棒了！”

学生们正在使用集群来进行旨在教授 PDC 原理的学习活动，而不是编写和运行他们自己的程序。为开放远程大学学生开发低成本树莓派集群的经验证明了远程实践活动在教授 PDC 概念和吸引学生方面的益处。

当我向该项目背后的团队成员之一 Daniel Gooch 询问此事时，他说：“对我来说，我们的不同之处在于，我们采用了现有的一套树莓派指南，并致力于整合额外的包装材料，以确保它能够应对我们运营的距离和规模。”