Clusters en Linux. * Jorge Castellanos - ** Julio Ortega - * FACYT-UC Computación ** IUPSM Sistemas

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1 Clusters en Linux * Jorge Castellanos - ** Julio Ortega - * FACYT-UC Computación ** IUPSM Sistemas

2 Agenda Motivación Definiciones Cluster Beowulf Hardware Herramientas de software Mosix Clusters en Carabobo Conclusiones

3 Motivación La VELOCIDAD en computación no solo es conveniencia Los computadores más rápidos nos permiten resolver problemas más grandes, y a encontrar las soluciones más rápidamente, con mayor precisión y a más bajo costo En las ciencias esto significa la diferencia entre ser el primero en publicar y no publicar, puede determinar quién es el primero en la oficina de patentes En predicción meteorológica puede significar miles de vidas que se pueden salvar por una predicción oportuna

4 Para qué utilizar los supercomputadores? Resolver problemas tecnológicos usando: modelado computacional, simulación y análisis Aero espacial Genoma Humano Sistemas de Predicción Meteorológica Sistemas Geofísicos Diseño mecánico y Análisis (CAD/CAM)

5 Un poco de historia... La era moderna de la computación se inició en 1945 Hasta 1985 los computadores fueron grandes y costosos A mediados de los '80 ocurren sucesos importantes: Desarrollo de microprocesadores potentes (16, 32 y 64 bits) con el poder de un mainframe Invención de LAN de alta velocidad Como resultado se tiene la posibilidad de construir redes de máquinas (sistemas distribuidos) en contraste con los mainframes centralizados

6 Tendencias tecnológicas...

7 Listado de los 500 supercomputadores más rápidos del mundo Rmax: Se obtiene de la prueba Linpack MPP (GFlops) Rpico: Valor teórico máximo (GFlops) Se actualiza dos veces por año Estos son los 5 supercomputadores más rápidos Posición Pais/Año Computador/Procesadores/Fabricante 1 USA 2005 BlueGene/L IBM 2 USA 2005 BGW IBM 3 USA 2004 Columbia SGI 4 Japón 2002 Earth-Simulator 5120 NEC 5 España 2005 MareNostrum 4800 IBM Junio 2005 Rmax/Rpico

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10 Qué es un supercomputador? Un supercomputador es un sistema de hardware y software con una alta capacidad de cómputo medida en Flops (Operaciones de punto flotante por segundo) Imagen arrecha de un supercomputador. BlueGene/L

11 Tendencias Tecnológicas... El desempeño de las PCs/Estaciones de Trabajo actuales es similar al de los Supercomputadores de hace 10 años Microprocesadores (50% a 100% por año) Redes de Interconexión (Gigabit, Infiniband, 10 Gigabit, Myrinet..) Sistemas Operativos (Unix, Linux, BSD) Ambientes de Programación Aplicaciones La velocidad en el avance tecnológico y las mejoras en los componentes genéricos es muy alta

12 Paralelismo Es el uso simultáneo de más de un procesador para resolver un problema Es la capacidad de muchos hilos de control independientes para hacer progreso simultáneo hacia la terminación de un trabajo Según la taxonomía de Flynn: Secuenciales (SISD): El procesador ejecuta una instrucción sobre un dato al mismo tiempo Simple Instrucción/Múltiples Datos (SIMD): Cuando el procesador ejecuta la misma instrucción sobre múltiples datos al mismo tiempo Múltiples Instrucciones/Múltiples Datos (MIMD): Se tienen múltiples procesadores ejecutando diferentes instrucciones sobre múltiples datos Los CPUs pueden realizar ejecución simultánea ó cooperativa para resolver un problema

13 Escalabilidad, disponibilidad, fiabilidad Escalabilidad: capacidad de un equipo para hacer frente a volúmenes de trabajo cada vez mayores sin dejar de prestar un nivel de rendimiento aceptable Escalabilidad del hardware (escalamiento vertical): utilización de un gran equipo cuya capacidad aumenta a medida que lo exige la carga de trabajo existente Escalabilidad del software (escalamiento horizontal): capacidad de un sistema de software para manejar un incremento significativo en la carga de trabajo, de forma que los usuarios obtienen un desempeño aceptable Disponibilidad: calidad de estar presente, listo para su uso, a mano, accesible Fiabilidad: probabilidad de un funcionamiento correcto

14 Arquitecturas de Computadoras Paralelas en Competencia Computadores Vectoriales (VC) - sistemas propietarios Rompen la barrera tecnológica necesaria para que emerja la ciencia de la computación, sin ser una respuesta completa Multiprocesamiento Simétrico (SMP) No son escalables Procesadores Paralelos (MPP - Massively Parallel Processing) sistemas propietarios Alto precio y baja relación de desempeño/precio Sistemas Distribuidos Usabilidad reducida y con dificultades para alcanzar paralelismo de alto desempeño Clusters - ganando popularidad High Performance Computing >> Supercomputación de bajo costo High Availability Computing >> Aplicaciones con misión crítica

15 Alternativas de Recursos para Supercomputación... Una Necesidad No es posible costear máquinas Big Iron Debido a su alto precio y corta vida útil. Recorte en los fondos Paradoja: El tiempo necesario para desarrollar una aplicación paralela Grand Challenge es igual a: La mitad de la vida útil de un Supercomputador Paralelo.

16 Qué es un cluster? Un cluster es un grupo de equipos independientes que ejecutan una serie de aplicaciones de forma conjunta y aparecen ante clientes y aplicaciones como un solo sistema Los clusters permiten aumentar la escalabilidad, disponibilidad y fiabilidad de múltiples niveles de red

17 Cluster Beowulf Cluster Beowulf no es un paquete software especial, ni una nueva topología de red, ni un núcleo modificado Beowulf es una tecnología para agrupar computadores basados en el sistema operativo Linux para formar un supercomputador virtual paralelo En 1994 bajo el patrocinio del proyecto ESS del Centro de la Excelencia en Ciencias de los Datos y de la Información del Espacio (CESDIS), Thomas Sterling y Don Becker crearon el primer cluster Beowulf con fines de investigación Beowulf: es un texto en inglés antiguo de antes del siglo X que describe las aventuras de un gran guerrero escandinavo del siglo VI que tenía la fuerza de varios guerreros juntos

18 Cluster Beowulf Beowulf posee una arquitectura basada en multicomputadores la cual puede ser utilizada para la computación paralela Este sistema consiste de un nodo maestro y de uno o más nodos esclavos conectados a través de una red Ethernet u otra topología de red Está construido con componentes hardware comunes en el mercado, similar a cualquier PC capaz de ejecutar Linux, con tarjetas de red y switches estándar Beowulf se comporta más como una sola máquina que como muchas estaciones de trabajo conectadas (COW: Cluster of Workstations)

19 Cadena Alimenticia del Computador (presente y futuro) Mainframes, Supercomputadores, y MPPs

20 Arquitectura de un Cluster Beowulf El nodo maestro controla el cluster entero y presta servicios de sistemas de archivos a los nodos esclavos La consola del cluster y la conexión hacia el exterior se hace desde el nodo maestro En la mayoría de los casos los nodos esclavos de un sistema Beowulf son estaciones simples Los nodos esclavos se configuran y controlan desde el nodo maestro y hacen solamente lo que éste les indica

21 Arquitectura de un Cluster Beowulf

22 Los clusters son una mejor alternativa! Existe la disponibilidad de componentes genéricos que permiten Supercomputación Se amoldan bastante bien a la forma de conseguir fondos hoy en día Se pueden beneficiar de nuevos avances tecnológicos VLSI, CPUs, redes, discos duros, memoria, caché, Sistema Operativo, herramientas de programación, aplicaciones

23 Lo mejor de ambos mundos! Computación de alto desempeño (HPC) Gran poder computacional Reducir tiempo de cómputo Resolver grandes problemas científicos Almacenar y procesar grandes cantidades de datos Computación de alta disponibilidad (HA) Servicio extremadamente confiable Tolerante a fallas Sistemas de misión crítica Una máquina puede reemplazar a otra en caso de falla Existe redundancia de datos entre las máquinas para minimizar las pérdidas por fallas

24 Ventanas de Oportunidades MPP/DSM: (Massively Parallel Processing / Distributed Shared Memory) Cómputo a través de múltiples sistemas: paralelo Memoria distribuida: Aprovecha memoria sin uso en otros nodos Software RAID: Para aprovechar el espacio en disco sin uso en otros nodos e incorporarlos a un conjunto compartido entre todos los nodos de un cluster Comunicación Multi-direccional: Comunicación a múltiples tipos redes: Ethernet, ATM, Myrinet e Infiniband...

25 Oportunidades Disposición de Clusters: Clusters Empresariales Conjunto compartido de recursos: Procesadores, Memoria, Discos Interconexión Garantiza al menos una estación Proveen gran % de recursos de trabajo a cada individuo colectivos a algunos individuos (cuando están activos) en cualquier momento

26 Hardware S.O. Linux se ejecuta en... PCs (x86/amd64/m68k/ppc) Workstations (Alpha/MIPS/Itanium2) SMPs Clusters de Clusters (Constelaciones) Soporte de interconexión en Linux con... Gigabit Ethernet (1Gbps) / 10 Gigabit Ethernet (10 Gbps) SCI (Dolphin - MPI- 12micro-sec latency) ATM Infiniband Myrinet (1.2Gbps) Digital Memory Channel FDDI

27 Herramientas de desarrollo Compiladores C / C ++ / Java Debuggers DDD Herramientas de Análisis de Desempeño Netperf Netpipe HPL Herramientas de Visualización Ganglia

28 Netperf

29 Netpipe

30 High Performance Linpack HPL Implementación Portable del Análisis de Rendimiento (Benchmarking) para computadores de memoria distribuida El Software HPL resuelve un sistema lineal denso (aleatorio) en aritmética de doble precisión (64 bits) Suministra una prueba y un programa de medición del tiempo para cuantificar la precisión de la solución obtenida y el tiempo que toma realizarla El mejor rendimiento obtenido de este software depende del poder de calculo del CPU, del comportamiento de la memoria del sistema y de su red de interconexión

31 Resultados del HPL

32 Ganglia

33 Ambientes de Programación Threads (PCs, SMPs, NOW..) POSIX Threads Java Threads MPICH / LAM-MPI PVM MOSIX

34 Multicomputer OS for UNIX (MOSIX) Es un módulo (capa) de S.O. que provee a las aplicaciones con la ilusión de estar trabajando en un sistema simple Las operaciones remotas se realizan como locales Transparente desde el punto de vista de la aplicación - no cambia la interfaz de usuario Aplicación PVM / MPI / RSH MO Hardware/SO S IX

35 MOSIX es la herramienta principal Migración de Procesos que permite transferir =>> cualquier proceso, a cualquier sitio, en cualquier momento Supervisado por algoritmos distribuidos que responden en línea a la disponibilidad de recursos globales (transparente al usuario) Balance de Carga - migra procesos desde nodos sobre-cargados a poco cargados Balance de Memoria - migra procesos desde un nodo que tiene su memoria agotada, para prevenir paging/swapping

36 Aplicaciones Secuenciales (se benefician del Cluster) Paralelas / Distribuidas (Aplicaciones para Clusters) Aplicaciones Grand Challenge Predicción del Tiempo Atmosférico Química Cuántica Modelado en Biología Molecular Ingeniería (CAD/CAM) Modelado matemático de océanos Simulación Bases de Datos Paralelas y Distribuidas, servidores web,data-mining

37 Middleware para Clusters Residen entre el SO y Aplicaciones y ofrecen infraestructura para soportar: Sistema de Imagen Única (SSI) Disponibilidad del Sistema (SA) SSI: hace que una colección de máquinas parezca una sola (visión globalizada de los recursos) SA: Check pointing y migración de procesos

38 Principales aspectos en el diseño de Clusters Escalabilidad (física y de aplicaciones) Disponibilidad mejorada (tolerancia a fallos) Imagen de Sistema Único (OpenMOSIX) Velocidad de Comunicación (redes y protocolos) Balanceo de Carga (CPU, Red, Memoria, Disco) Seguridad (clusters de clusters) Ambiente Distribuido (aspectos sociales) Gestión (administración y control) Programabilidad (API simple de ser requerida) Aplicabilidad

39 Clusters en Carabobo Universidad de Carabobo FACYT Babilonia (Linux 64 bits) 16 nodos Sunfire V20z de doble procesador AMD Opteron 244 para un total de 32 procesadores, con 2G de memoria c/u Nodo de Administración y Monitoreo Sunfire v20z con 1G de memoria Interconectados con Ethernet 1000/1000 Poder de Cómputo Aproximado: 100 Gflops (No Oficial)

40 Clusters en Carabobo Universidad de Carabobo FACYT Mangosta (Linux 32 bits) Cluster tipo Beowulf formado por 15 nodos con procesadores Intel Pentium 4, con 1G de memoria c/u Interconectados con Ethernet 100/1000 Poder de Cómputo Aproximado: 40 Gflops

41 Clusters en Carabobo Universidad de Carabobo Facultad de Ingeniería Nimbus (Linux 32 bits) 5 nodos con procesadores Intel Pentium 4, con 256M de memoria c/u Nodo de Administración y Monitoreo con 512M de memoria Interconectados con Ethernet 1000 Poder de Cómputo Aproximado: 10 Gflops

42 Clusters en Carabobo Proyectos Cluster en Desarrollo Mangostita (Linux 32 bits) Actualmente con 2 nodos con procesadores Intel Pentium 4, con 1G de memoria c/u Interconectados con Ethernet 100/1000 Poder de Cómputo Aproximado: 6.2 Gflops

43 Quienes han adoptado la visión Cluster?

44 Conclusiones Los Clusters son prometedores... Resuelven la paradoja del procesamiento paralelo Ofrecen un crecimiento incremental que coincide con políticas de recursos limitados Nuevas tendencias en tecnología de hardware y software harán aún más prometedores los clusters y llenarán la brecha SSI (Single System Image) Cada día hay más Supercomputadores basados en Cluster Linux en diversas áreas Nuestro país no escapa a esta realidad: PDVSA tiene proyectada la construcción de un Cluster basado en Linux

45 Referencias Site del top 500, supercomputadores más poderosos, estado del arte en supercomputación: Referencia obligada para obtener programas de medición de desempeño en clusters y supercomputadores: El proyecto Beowulf: El proyecto Mosix: Dr Jack Dongarra, reconocido experto en supercomputación, material de presentaciones: Dr. Rajkumar Buyya, reconocido experto en clusters, muchas referencias y presentaciones: Site del cluster mangosta (Dr. Freddy Perozo):

46 Clusters en Linux Preguntas?

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