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1 Infraestructuras de almacenamiento de datos para plataformas de cómputo intensivo Red Gallega de Computación de Altas Prestaciones David Expósito Singh

2 Contenidos Introducción Sistemas de almacenamiento Sistemas de ficheros paralelos E/S en grandes infraestructuras de cómputo 2

3 Contenidos Introducción Sistemas de almacenamiento Sistemas de ficheros paralelos E/S en grandes infraestructuras de cómputo 3

4 La Entrada/Salida Por qué invertir recursos en una infraestructura de E/S de alto rendimiento? 4

5 Ley de Amdahl incluye la E/S speedup (p) <= 1 / (s + (1 - s) / p) 250 Sin E/S Con E/S 200 Spe eedup Número de procesadores 5

6 La Entrada/Salida Por qué invertir recursos en una infraestructura de E/S? 1. Clusters: Mejorar el rendimiento de aplicaciones paralelas E/S paralela (MPI-I/O). 2. Mainframes: Mejorar las prestaciones de la plataforma Acceso concurrente a la E/S por múltiples aplicaciones. 3. Grids: acceso compartido al sistema de almacenamiento por varios clusters. 4. Ventajas de administración: copias seguridad distribuidas, virtualización de discos, escalabilidad, mecanismos de locking, etc. 6

7 Dispositivos de almacenamiento Discos magnéticos Discos ópticos Unidades de cinta Memorias flash 7

8 Qué ofrece un disco? Acceso a bloques 8

9 Volúmenes Volumen: conjunto coherente de metainformación y datos. Varios sistemas de ficheros-un disco Varios discos-un sistema de ficheros 9

10 Discos RAID Hay varios tipos de RAID: Niveles básicos: RAID 0: distribución de bloques (stripping) sin tolerancia a fallos RAID 1: discos espejos (mirroring)( ) RAID 2: entrelazados a nivel de bit con Hamming RAID 3: entrelazados de bits con información redundante (paridad) RAID 4: distribución de bloques con disco de paridad RAID 5: distribución de bloques con paridad distribuida RAID 6: distribución de bloques con paridad doble y distribuida Combinaciones: RAID 10: Stripping y mirroring (RAID 0 y 1) RAID 51: Combinación de RAID 5 y RAID 1 Etc. 10

11 RAID 1 RAID 1 (mirroring) Tolerancia a fallos: b 1 Disco 1 Disco 2 1 fallo Rendimiento: b 3 Mayor ancho de banda en b 2 operaciones de lectura. b 3 Capacidad: 50% del total b 2 Visión lógica (b = bloque) b 1 b 1 b 2 b3 Visión física: Bloques replicados 11

12 RAID 5 RAID 5 (striping with distributed parity) Stripping a nivel de bloque Stripping de la paridad Disco 1 Disco 2 La paridad no está en el disco b 0 b que tiene los bloques asociados. Tolerancia a fallos: 1 fallo No existe cuello de botella en acceso a paridad. Capacidad: 100*(n-1)/n % del total. b 1 b 2 b 3 b 4 b 5 Visión lógica (b = bloque) b 2 b 1 P 23 P 45 b 4 Visión física Disco P P 01 b 3 b 5 12

13 Contenidos Introducción Sistemas de almacenamiento Sistemas de ficheros paralelos E/S en grandes infraestructuras de cómputo 13

14 Sistemas de almacenamiento Infraestructura tradicional Discos conectados a los servidores DAS (Direct Attached Storage) Redes de almacenamiento NAS (Network Attached Storage) SAN (Storage Area Networks) 14

15 Infraestructura tradicional: DAS Conexión directa al servidor Clientes heterogéneos Servidores 15

16 NAS (Network Attached Storage) ) Dispositivo de almacenamiento con conexión directa a la red Almacenamiento Servidor LAN Protocolos estándar NFS CIFS HTTP NAS 16

17 Consolidación del almacenamiento con NAS 17

18 Ejemplo: NFS /home /a /b NFS server /home /a /b LAN /home /a /b /home /a /b Exporta un directorio Montan el directorio remoto 18

19 NAS Ventajas: Infraestructura de cómputo y almacenamiento independiente Acceso compartido a dispositivos de almacenamiento Inconvenientes: Saturación de servidores y LAN en las copias de seguridad Coste Mala utilización de los recursos Escalabilidad 50% 50% 95% 19

20 Problemas de rendimiento y escalabilidad Los servidores de E/S pueden convertirse en un cuello de botella Solución no escalable Solución 14 Utilizar más servidores de E/S Particionar ancho d e banda agre egado (MB/s) Número de clientes 20

21 SAN SAN (Storage Area Network): ) Red dedicada de alta velocidad para la conectividad entre los servidores y los dispositivos de almacenamiento Clientes Servidores Almacenamiento LAN RED 21

22 Storage area networks Ventajas: Alto rendimiento y escalabilidad Gestión del almacenamiento centralizada. Backup centralizado Consolidación de servidores y virtualización del almacenamiento Fácil conexión Soluciones de alta disponibilidad Permite aislar tráfico de mantenimiento y backup (cerca del 60% del tráfico en muchos casos) 22

23 NAS vs SAN Network Attached Storage (NAS) CIFS y NFS Acceso a nivel de fichero Solución más económica Peor ancho de banda y más latencia Storage Area Networks (SANs): Fibre Channel Acceso a nivel de bloque Solución costosa Alto ancho de banda y baja latencia 23

24 Conectividad Fibre Channel IP iscsi ifcp FCIP Transmisión de bloques SCSI-3 en paquetes TCP/IP Interconecta dispositivos FC a través de TCP/IP Encapsula tramas FC sobre TCP/IP InfiniBand 24

25 Escenario mixto iscsi y Fibre Channel Edificio A Edificio B Windows server Almacenamiento Secundario. LAN iscsi SAN Router FC/iSCSI. Fibre Channel DISK DISK DISK DISK UNIX server Almacenamiento Primario FC. 25

26 Contenidos Introducción Sistemas de almacenamiento Sistemas de ficheros paralelos E/S en grandes infraestructuras de cómputo 26

27 Sistemas de ficheros paralelos Parallel File Systems Dos arquitecturas: Asimétricas: PVFS2 y Lustre Simétricas: GPFS 27

28 PVFS Parallel Virtual File System Sistema de ficheros paralelo Clusters Linux Plataformas Blue Gene Espacio de nombres global Diseñado para un alto rendimiento de accesos concurrentes Acceso mediante POSIX, MPI I/O o librería propia Aparece a los clientes del mismo modo que discos locales o NFS 28

29 Arquitectura de PVFS Arquitectura cliente-servidor id Dos tipos de servidores: Servidores de metadatos (mgr): contienen metadatos del fichero y estructura del directorio Servidores de E/S (iod): orquestan el movimiento de datos entre los clientes y dispositivos iti de E/S locales l MGR IOD IOD IOD 29

30 Lustre Sistema de ficheros paralelo global Rápido y escalable Soporte a decenas de miles de clientes Soportado por Sun Microsystems Acceso mediante POSIX, MPI I/O o librería Distribuido yparalelo Expandible Se pueden añadir servidores de almacenamiento o discos Basado en objetos Contenedor de datos y metadatos Almacena la distribución física y lógica del fichero 30

31 Lustre: mecanismo de acceso a fichero 31

32 GPFS Sistema de ficheros paralelo basado en modelo SAN Nodos de GPFS File System Todos los datos y metadatos son accedidos por SAN SAN Paralelo: datos y metadatos fluyen de todos los nodos de cómputo a todos los discos. Discos compartidos 32

33 GPFS Alta capacidad: Gran número de discos (más de 4000) en un sistema de ficheros Alto ancho de banda en el acceso a un fichero Fichero distribuido Permite lectura/escrituras simultáneas en el mismo fichero Alta disponibilidad Nodos de cómputo: recuperación de consistencia después de fallo Datos: RAID o replicación interna Mecanismos de locking distribuidos. Prestaciones avanzadas Mapeo de ficheros a memoria Soporte multicluster sobre WAN 33

34 Contenidos Introducción Sistemas de almacenamiento Sistemas de ficheros paralelos E/S en grandes infraestructuras de cómputo 34

35 Organización de un centro de cómputo Usuarios switch NAS Aplicaciones networking adapter LAN Ethernet block storage adapter switch clustering adapter Block Storage Fibre Channel SAN switch Clustering Myrinet, Quadrics, InfiniBand, etc. 35

36 Almacenamiento en redes WAN Datos globales Continuidad del negocio Diversificación del negocio Caching de datos cercanos a su uso Transferencias basadas en IP, iscsi, FCIP Data Center A Data Center B SAN SAN 36

37 Arquitectura del Blue Gene Rack Sistema Hasta 256 racks 32 Node Cards Hasta 64x10 GigE I/O links Quad-Core PowerPC Node Card 32 Compute Cards Hasta 2 I/O cards up to 3.56 PF/s 512 or 1024 TB Compute Card 1 chip, 20 DRAMs 14 TF/s 2 or 4 TB Chip 4 procesadores 13.6 GF/s 8 MB EDRAM 13.6 GF/s 2 or 4 GB DDR2 435 GF/s 64 or 128 GB El sistema escala de 1 a 256 racks: 3.56 PF/s 37

38 Software: organización jerárquica del Blue Gene Nodos de cómputo: dedicados a la ejecución de aplicaciones de usuarios. Simple compute node kernel (CNK) Nodos de E/S: ejecutan Linux y proporcionan servicios del S.O: ficheros, sockets, ejecución procesos, señales, depurado y terminación. ió Nodos de servicio: implemente los servicios de gestión del S.O. (heart beating, monitorización, reiniciado del nodo) transparentes a las aplicaciones. 38

39 Redes de comunicaciones en el Blue Gene Toroidal Sólo nodos de cómputo Accedida por aplicaciones Colectiva Nodos de cómputo y de E/S Accedida por aplicaciones Barrera Nodos de cómputo y de E/S Operaciones de sincronización < 1usec para 72 racks Used to synchronize time bases Accedida por aplicaciones 10Gb Ethernet funcional Sólo nodos de E/S 1Gb Ethernet t de control Accedida por nodos de servicios Red de reloj Única fuente de reloj para todos los componentes 39

40 Arquitectura del Blue Gene Nodos cómputo Nodos de E/S Nodos de almacenamiento Almacenamiento pset 10 GB Myrinet Red de servicio Nodos front-end Red toroidal 40

41 Blue Gene/P del Argonne National Lab Red Infinibad entre servidores de almacenamiento y dispositivos de almacenamiento. RAID 6 DDN9900 tiene 2 con 4 puertos Infiniband cada uno Se conecta con 8 servidores de almacenamiento (7 servidores pueden fallar) Un controlador puede fallar Puede utilizar GPFS, PVFS2, Lustre 41

42 Sistema operativo Nodos d de cómputo: S.O. dedicado di d (CNK) Nodos de E/S: S.O. dedicado Nodos Front-end : S.O. convencional Nodos de servicio: S.O. convencional 42

43 CNK Compute Node Kernel Consume 1MB Espacio de memoria Único espacio de memoria 511/1023MB Dos espacios de memoria de 255/511MB No memoria virtual ni páginas Carga en modo push: 1NCl lee el ejecutable del sistema de ficheros y se lo envía a los otros procesadores. Única imagen cargada. 43

44 CNK No planificación (único proceso). No gestión de memoria (No se usa la TLB) No hay servicios de E/S locales. Nivel de usuario hasta que: Se realiza llamada al sistema. Interrupciones hardware: timer (solicitada i por la aplicación), ió eventos anormales. Llamada al sistema Simple: Se gestiona localmente: alarmas, obtener hora, medida tiempo. Compleja: enviada a los nodos de E/S. 44

45 Nodos de E/S Niveles completos del protocolo TCP/IP Sistemas de ficheros soportados: NFS, GPFS, Lustre, PVFS Proceso principal: p Control y demonio de E/S (CIOD) Ejecución de un trabajo Job manager envía solicitud al nodo de servicio. Nodo de servicio contacta con el demonio de E/S (CIOD) CIOD envía el ejecutable a todos los procesos 45

46 Acceso al sistema de ficheros 46

47 Estándares y organizaciones Storage Networking Industry Association o Fibre Channel Industry Association fb h SCSI Trade Association International Committee for Information Technology Standards Information Storage Industry Consortium Internet Engineering Task Force 47

48 Referencias Designing a highly-scalable operating system: the Blue Gene/L story Proceedings of the 2006 ACM/IEEE conference on Supercomputing W. Feng; The Green500 List: Year One; HPPAC at IPDPS; May 25,

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