JUAN CARLOS TORRES JOSE ALBEIRO CUESTA MENA GERMAN VARGAS FUNDACION UNIVERSITARIA KONRAD LORENZ

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1 ANALISIS DE UNA ESTRATEGIA OPTIMA DE PARTICION DE ARCHIVOS PARA PROCESAMIENTO EN UN CLUSTER BASADO EN COMPUTACION PARALELA- CASO ARCHIVO DE RESPUESTAS DE UN EXAMEN JUAN CARLOS TORRES JOSE ALBEIRO CUESTA MENA GERMAN VARGAS FUNDACION UNIVERSITARIA KONRAD LORENZ ESPECIALIZACION EN INFORMATICA Y CIENCIAS DE LA COMPUTACION FACULTAD DE INGENIERIA BOGOTA. D. C 2006

2 ANALISI DE UNA ESTRATEGIA OPTIMA DE PARTICION DE ARCHIVOS PARA PROCESAMIENTO EN UN CLUSTER BASADO EN COMPUTACION PARALELA- CASO ARCHIVO DE RESPUESTAS DE UN EXAMEN JUAN CARLOS TORRES JOSE ALBEIRO CUESTA MENA GERMAN VARGAS TRABAJO FINAL PARA OPTAR AL TITULO DE ESPECIALISTA EN INFORMATICA Y CIENCIAS DE LA COMPUTACION Director Dr. MATEO G. LEZCANO BRITO Director del Centro de Estudios de Informática (CEI) Universidad Central de Las Villas (UCLV) Cuba FUNDACION UNIVERSITARIA KONRAD LORENZ ESPECIALIZACION EN INFORMATICA Y CIENCIAS DE LA COMPUTACION FACULTAD DE INGENIERIA BOGOTA. D. C 2006

3 NOTA DE ACEPTACION Director del Trabajo Bogota,D.C

4 AGRADECIMIENTOS A Dios, por darnos la oportunidad de aprender, sentir, amar.de Vivir. Al Dr. Mateo G. Lezcano Brito, Director del Trabajo Final, por su valiosa orientación, sus enseñanzas y su calidad humana. A nuestras Familias por su incondicional apoyo y confianza. 4

5 INDICE 1. ANALISIS DE LA SITUACION ACTUAL DE LOS SISTEMAS DE PROCESAMIENTO PARALELO CALCULO PARALELO COMPUTADORAS CUANTICAS QUÉ ES PARALELISMO PROGRAMACION SECUENCIAL PROGRAMACION PARALELA ANALISIS Y SELECCIÓN DE LA TECNOLOGIA DE SOFTWARE PARA LA IMPLEMENTACION DE LOS ALGORITMOS SECUENCIAL Y PARALELO MPI COMUNICACIONES COLECTIVAS EN MPI MPI_Barrier MPI_Bcast MPI_Gather MPI_Scatter MPI_Reduce IDENTIFICACION DE LOS USUARIOS POTENCIALES EXAMENES DE ESTADO PROPOSITO DEL EXAMEN DE ESTADO COMPONENTES DEL EXAMEN ESTRUCTURA DEL EXAMEN SESIONES DE APLICACIÓN DEL EXAMEN TIPOS DE PREGUNTAS PREGUNTAS DE SELECCIÓN MÚLTIPLE CON ÚNICA RESPUESTA- TIPO I PREGUNTAS DE SELECCIÓN MÚLTIPLE CON MÚLTIPLE RESPUESTA - TIPO IV PREGUNTAS DE SELECCIÓN MÚLTIPLE CON MÚLTIPLE RESPUESTA VÁLIDA -TIPO X EXAMENES DE ADMISION ESTRUCTURA DE LA PRUEBA APLICADA PARA LA ADMISIÓN DE ASPIRANTES AL PRIMER SEMESTRE DE TIEMPO QUE DURA EL PROCESO IDENTIFICACION DE LOS SERVICIOS QUE REQUIEREN Y SU PARTICIPACION EN EL FUNCIONAMIENTO DEL MISMO _ 40 5

6 4.1 PROGRAMACION DE APLICACIONES PARALELAS CON MPI (Message Passing Interface) CLUSTER DE COMPUTADORAS COMPONENTES DE UN CLUSTER NODOS SISTEMA OPERATIVO CONEXIONES DE RED MIDDLEWARE DEFINICION DE LOS PARÁMETROS DEL ANÁLISIS ESTADÍSTICO DEL MODELO VARIABLES DE ENTRADA DE LOS ARCHIVOS VARIABLES DE SALIDA MODELO ESTADÍSTICO DEFINICION DEL MODELO COMPUTACIONAL ESTRATEGIA DE PARTICIONAMIENTO POR FILAS ESTRATEGIA DE PARTICIONAMIENTO POR COLUMNAS ESTRATEGIA DE PARTICIONAMIENTO POR SUB-MATRICES TECNICA DE DIVISION PROPUESTA Opción 1. Particionar de forma recursiva, combinando resultados _ Opción 2. Particionamiento Lineal por rangos IMPLEMENTACION DE LOS ALGORITMOS SECUENCIAL Y PARALELO IMPLEMENTACION DEL ALGORITMO SECUENCIAL ARCHIVO DATA.TXT ARCHIVO CLAVE.TXT ARCHIVO PREGUNTAS.TXT ARCHIVO RESPUESTAS.TXT CODIGO EN LENGUAJE C IMPLEMENTACION DEL ALGORITMO EN PARALELO LINEAS DE CODIGO ELABORACION DEL MODELO CONCEPTUAL DEL SISTEMA: CLUSTER Y PARTICIONAMIENTO DE ARCHIVO EJECUCION DE ALGORITMOS Y TOMA DE RESULTADOS, VARIAS CORRIDAS, VARIACION DE VARIABLES,VARIAS ESTRATEGIAS DE PARTICIONAMIENTO TABULACION Y ORDENAMIENTO DE LOS RESULTADOS 72

7 11. ANALISIS E INTERPRETACION ESTADISTICA, EVALUACION CRITICA DEL MODELO CONCLUSIONES BIBLIOGRAFIA 75

8 INDICE FIGURAS Figura 1. Un registro de 3 Qubits tiene 8 estados a la vez Figura 2. Un registro tres-qubit puede representar 8 estados clásicos simultáneamente Figura 3.Funcionamiento ejecutado en Fase Figura 4. Ubicación de MPI en el proceso de programación de aplicaciones paralelas Figura 5 Particionamiento de forma recursiva, combinando resultados.. 57 Figura 6. Particionamiento de forma lineal... 58

9 INDICE TABLAS Tabla 1. Contenido del registro B, cuando N=15 y X=

10 INDICE GRAFICA GRAFICA.1 NUMERO DE ESTUDIANTES QUE PRESENTAN EL EXAMEN 33 GRAFICA. 2 NUMERO DE ESTUDIANTES QUE PRESENTAN EL EXAMEN Gráfica 3. Comparativo de Ejecución de Algoritmos Gráfica 4. Ejecución de Algoritmos Secuencial y Paralelo... 73

11 OBJETIVO GENERAL Se realiza un análisis de varias estrategias para definir un modelo de partición de un archivo (respuestas a un examen) que es procesado por un Sistema de Procesamiento Paralelo, esto es, un Sistema de Computadoras con varios procesadores que se usan de forma simultánea. El análisis detalla la estrategia de partición del comportamiento interno del Sistema en términos conceptuales, especificando subsistemas, entidades y relaciones relevantes para la arquitectura del Sistema. Estrategia de trabajo Se identifica la infraestructura tecnológica en la que potencialmente se soporta el Sistema y se asegura que el modelamiento sea consecuente con el diagnóstico realizado. Se analiza y selecciona la tecnología de software para la realización del proyecto, en principio se analiza: MPI Librerías de C. Clusterix (Simulación de Sistema paralelo) Golden T3E. Centro de Computo o Similar para procesamiento paralelo real no simulado Se identifican los usuarios potenciales del sistema, los servicios que requieren y su participación en el funcionamiento del mismo, tomando como caso particular la calificación de exámenes de Admisión de una Universidad. Se analiza los requerimientos del sistema desde una perspectiva conceptual, en lo referente a seguridad, privacidad, desempeño, servicios soportados, escalabilidad, etc., detallando fondo y forma de los subsistemas y componentes involucrados en ellas. Se recopila información acerca de tecnologías disponibles actualmente en el mercado que puedan aportar elementos para el diseño e implementación del sistema y se establece un marco comparativo que describe la forma en que se puede utilizar, enumerando ventajas y desventajas. Se define varias estrategias para el particionamiento del archivo de respuestas, a partir del análisis estadístico que toma en cuenta aspectos como número de tareas en el Cluster, número de máquinas disponibles, Unidades de CPU disponibles, Carga y Balance, entre otos.

12 Se analiza estadísticamente los resultados para elaborar un modelo básico a partir de las estrategias usadas en el particionamiento del archivo de respuestas.

13 INTRODUCCION El presente trabajo se realiza con el objeto de exponer cómo se pueden poner en práctica los conocimientos adquiridos en una de las materias de la especialización, con una aplicación que califica un examen de admisión de la Universidad Nacional de Colombia Para realizar este trabajo se cuenta con la colaboración de algunos ingenieros de la prestigiosa Universidad Nacional de Colombia. Se analiza, cual es la situación actual, de los procesos realizados secuencialmente y se presenta la propuesta para realizarlos en paralelo. Para el desarrollo del trabajo se realizan las siguientes actividades: 1. Análisis de la situación actual de los Sistemas de Procesamiento Paralelo. 2. Análisis y selección de la tecnología de software para la implementación de los algoritmos secuencial y paralelo. 3. Identificación de los usuarios potenciales del sistema. 4. Identificación de los servicios que requieren y su participación en el funcionamiento del mismo. 5. Definición de los parámetros de análisis estadístico del Modelo. 6. Definición de un modelo computacional, con la definición de varias estrategias para el particionamiento del archivo de respuestas. 7. Implementación de los algoritmos secuencial y paralelo. 8. Elaboración del modelo conceptual del sistema: Cluster y particionamiento de archivo. 9. Ejecución de algoritmos y toma de resultados varias corridas, variación de variables varias estrategias de particionamiento. 10. Tabulación y ordenamiento de los resultados. 11. Análisis e interpretación estadística, evaluación critica del modelo. 12. Elaboración de conclusiones y recomendaciones.

14 1. ANALISIS DE LA SITUACION ACTUAL DE LOS SISTEMAS DE PROCESAMIENTO PARALELO Existen diferentes clases de problemas que requieren un procesamiento más rápido que el ejecutado en máquinas secuénciales, con algoritmos secuénciales: Problemas de simulación y modelación: Basados en aproximaciones sucesivas Más cálculo, más precisión Problemas dependientes de los cálculos y manipulación de grandes cantidades de datos: Procesamiento de señal e imágenes Rendering de imágenes Base de datos Sísmica Problemas de cómputo intensivo: Modelaje de clima Dinámica de fluidos Dinámica de población Genoma Humano Simulación de yacimientos petrolíferos Todas estas aplicaciones requieren de algoritmos paralelos corriendo en máquinas con procesamiento paralelo. 1.1 CALCULO PARALELO El cálculo paralelo requiere: Múltiples procesadores Red Ambiente para crear y administrar el procesamiento en paralelo Sistema operativo 14

15 Paradigma de programación en paralelo Paso de mensajes MPI PVM Paralelismo de datos Fortran 90 / High Performance Fortran Otros OpenMP Un algoritmo paralelo y un programa paralelo (La descomposición de un problema en partes para que puedan hacerse sobre múltiples procesos) 1.2 COMPUTADORAS CUANTICAS En 1981, el célebre físico Richard Feynman estableció teóricamente que cualquier sistema físico podría ser simulado en una computadora cuántica. En ese tiempo, sin embargo, nadie podía ni siquiera imaginar como fabricar una. Las computadoras digitales funcionan en base al sistema binario de ceros y unos, y mientras que guardar un 0 o un 1 implica usar millones y millones de partículas, en las máquinas cuánticas cada bit dependerá de una única partícula que se llamará qubit, la cual según la mecánica cuántica no siempre está a la izquierda o a la derecha (en 0 o en 1), a veces está en ambos estados a la vez (paradoja de gato de Schroedinger), es 0 y 1, todo al mismo tiempo. El doctor Feynman y otros investigadores teorizaron que una computadora cuántica podría utilizar tal indeterminación. Por ejemplo, coordinando solamente 100 qubits se podrían representar los trillones de trillones de números binarios. Eso significa que una computadora cuántica teóricamente podría procesar varios fragmentos de datos al mismo tiempo generando una velocidad informática impresionante. Lo más parecido a eso que hay hoy día son las computadoras que funcionan en paralelo. Los dispositivos que se utilizarán para procesar la información serían partículas individuales: Átomos, moléculas de tamaño atómico, fotones, etc. Todas estas partículas también tienen la propiedad de contar con, al menos, dos estados. Así por ejemplo, en el caso del átomo se podrían utilizar dos de sus niveles energéticos; en el caso de los fotones de luz se podría utilizar su polarización, etc. Una computadora de este tipo podría ejecutar todos los cálculos posibles de una sola vez. 15

16 Figura 1. Un registro de 3 Qubits tiene 8 estados a la vez. Qué cosas podría hacer esta computadora cuántica? En 1994, Peter Shor de los laboratorios Bell propuso un algoritmo cuántico que factoriza números en un tiempo polinómico (y no exponencial como los algoritmos actuales), con lo cual la computadora cuántica será capaz de descomponer en números primos códigos de seguridad de 400 dígitos, en menos de una hora. Operación que a una computadora actual le demandaría el mismo tiempo que tardó en formarse el Universo, unos 15 mil millones de años. Con ella, los métodos de encriptación -que permiten enviar mensajes secretos de computadora a computadora colapsarán. Pero de igual manera proveerá una solución prácticamente imposible de violar para los amantes de lo ajeno. Es importante notar que una computadora cuántica no necesariamente hará mejor todas las cosas que hace una computadora clásica, ya que la primera mostrará su superioridad cuando se necesita usar algoritmos que aprovechan su poder de paralelismo cuántico. Sobre la búsqueda en base de datos se sabe que para localizar un dato en una base de datos no ordenada de N elementos se requiere en promedio N/2 intentos. En 1997, Grover de los laboratorios Bell publica un algoritmo de búsqueda cuántico, con el cual se podría realizar lo anterior en un número de intentos igual a la raíz cuadrada de N. Las computadoras cuánticas no son sólo una teoría: El desafío involucra al Massachussets Institute of Technology (MIT), a la Oxford University, a IBM y Hewlett- Packard e incluso el gobierno norteamericano que encargó el desarrollo de una computadora cuántica a Los Álamos National Laboratory. Un equipo de Los Álamos National Laboratory demostró una computadora cuántica de siete qubits. Este tipo de artefactos basados en resonancia magnética nuclear son por lo pronto muy aparatosos para uso práctico, pero los 16

17 investigadores se muestran muy optimistas con los avances. Mientras tanto, Isaac Chuang, de IBM y su equipo se enfocan en una nueva forma para fabricar una computadora cuántica utilizando núcleos atómicos de moléculas orgánicas. Algoritmo de Shor: Éste es un algoritmo inventado por Peter Shor en 1995 que puede ser usado para factorizar rápidamente números grandes. Si alguna vez se lleva a cabo tendrá un efecto profundo en criptografía. El Riesgo - Encryption de llave pública: Éste es actualmente el método más normalmente usado para enviar datos encriptados. Trabaja usando dos llaves, una pública y una privada. La llave pública es usada para encriptar la data, mientras la llave privada es usada para desencriptar la data. La llave pública puede ser fácilmente obtenida de la llave privada pero no lo contrario. De cualquier modo, él que ha adquirido su llave pública puede en principio calcular su llave privada porque ambas están matemáticamente relacionadas. Para hacerlo así es necesario factorizar la llave pública, una tarea que se considera difícil. Por ejemplo multiplicar 1234 por 3433 es fácil de resolver, pero calcular los factores de no es fácil. La dificultad de factorizar un número crece rápidamente con dígitos adicionales. Tomó 8 meses y 1600 usuarios de Internet obtener RSA 129 (un número con 129 dígitos). Tomaría más que la edad del universo calcular RSA 140. De cualquier modo, usando una computadora cuántica, que corre el algoritmo de Shor, el número de dígitos en la llave tiene efecto pequeño en la dificultad del problema. Obtener RSA 140 tomaría segundos. El algoritmo de Shor Un ejemplo: -El propósito de esta sección es ilustrar los pasos básicos envueltos en el algoritmo de Shor. Para comprenderlo se considera un ejemplo relativamente fácil, el problema de hallar los factores primos del número 15. El algoritmo consta de tres pasos importantes, se presentará esta explicación en 3 fases. Fase 1: La primera fase del algoritmo es poner un registro de memoria en una superposición coherente de todos sus estados posibles. La letra Q será usada para denotar un qubit que está en el estado coherente. 17

18 Figura 2. Un registro tres-qubit puede representar 8 estados clásicos simultáneamente. Cuando un qubit está en el estado coherente, se puede pensar en la existencia de dos universos diferentes. En un universo existe como un 1 y en el otro existe como un 0. Extendiendo esta idea al registro de 3 bits podemos imaginar que el registro existe en 8 universos diferentes, uno por cada uno de los estados clásicos que podría representar (i.e. 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111). Para tener el número 15, se necesita un cuarto bit (capaz de representar los números 0 a 15 simultáneamente en el estado coherente). Un cálculo ejecutado en el registro se puede pensar como un grupo entero de cálculos ejecutados en paralelo, uno en cada universo. En efecto un cálculo ejecutado en el registro es un cálculo ejecutado en cada valor posible que un registro puede representar. Fase 2 La segunda fase del algoritmo ejecuta un cálculo usando el registro. Los detalles de cuales son, es como sigue: - El número N es el número que deseamos factorizar, N = Un número al azar X se escoge, donde 1<X<N-1. - X es elevado a la potencia contenida en el registro (registro A) y entonces dividido por N. - El resto de esta operación se pone en un segundo registro de 4 bits (registro B). Después de ejecutar esta operación, el registro B contiene la superposición de cada uno de los universos resultantes. Esto se ilustra mejor con un ejemplo, si 18

19 escogemos X igual a 2, entonces el contenido del registro B, por cada valor posible en el registro A es como sigue: Figura 3.Funcionamiento ejecutado en Fase 2 Tabla 1. Contenido del registro B, cuando N=15 y X=2. Fase 3 La fase final es quizás la más difícil de seguir. La frecuencia de repetición, f, puede ser encontrada usando una computadora cuántica. El valor resultante para f es entonces usado en la siguiente ecuación para calcular un posible factor. Figura 4. Ecuación usada para calcular el factor. 19

20 -En nuestro ejemplo el valor f=4 da una respuesta correcta de QUÉ ES PARALELISMO Una estrategia para ejecutar grandes tareas complejas, de forma más rápida. Una tarea grande puede ser ejecutada serialmente (un paso seguido de otro) o puede descomponerse en tareas más pequeñas para ser ejecutadas simultáneamente, es decir, en paralelo. El paralelismo se hace: Descomponiendo las tareas en tareas más pequeñas Asignando las tareas divididas a múltiples procesos para trabajar simultáneamente Coordinando los procesos. 1.4 PROGRAMACION SECUENCIAL Tradicionalmente, los programas han sido escritos para computadores seriales y se asocian a las siguientes características: Se ejecuta una sola instrucción en cada instante de tiempo Se usa un solo procesador La velocidad de procesamiento depende de la rapidez con que se puedan mover los datos a través del Hardware. 1.5 PROGRAMACION PARALELA La programación en paralelo involucra: Descomponer un algoritmo o datos en partes Distribuir las partes como tareas, las cuales son trabajadas en múltiples procesadores simultáneamente Coordinar el trabajo y la comunicación de estos procesadores Consideraciones de la programación en paralelo: El tipo de arquitectura paralela que está siendo usada El tipo de comunicación que está siendo usada 20

21 2. ANALISIS Y SELECCIÓN DE LA TECNOLOGIA DE SOFTWARE PARA LA IMPLEMENTACION DE LOS ALGORITMOS SECUENCIAL Y PARALELO Para la realización de este trabajo se hará uso de MPI 2.1 MPI MPI, es una interfaz de paso de mensajes para hacer cálculos paralelos, su nombre se deriva de sus siglas en inglés (Message Passing Interface). Es una biblioteca de funciones y subrutinas que pueden usarse en programas C, FORTRAN y C++. Con el uso de MPI en programas que modelan algún fenómeno o proceso de Ciencias e Ingeniería, se intenta explotar la existencia de múltiples procesadores a través del pase de mensajes. MPI se desarrolló en los años por un grupo de investigadores de la Industria y la comunidad académica. Hoy en día MPI es una biblioteca estándar en la programación paralela basada en el paso de mensajes. 2.2 COMUNICACIONES COLECTIVAS EN MPI Comunicaciones colectivas (involucran todos los procesos de un grupo). MPI ofrece una grán variedad de este tipo de comunicaciones. MPI_Barrier - Sincronización mediante barrera MPI_Bcast - mandar datos a todos los procesos MPI_Gather - obtener datos de todos los procesos MPI_Scatter - repartir datos sobre todos los procesos MPI_Reduce - realizar operación (suma, máximo) sobre todos los procesos 21

22 MPI_Barrier MPI_Barrier Bloquea hasta que todos los procesos han alcanzado esta rutina #include "mpi.h" int MPI_Barrier (MPI_Comm comm... ) Input: Comm comunicador (handle) Nota: Esta función es útil para asegurar que todos los procesos se encuentran en un cierto estado antes de seguir en el cálculo. MPI_Bcast MPI_Bcast mandar datos a todos los procesos #include "mpi.h" int MPI_Bcast ( void *buffer, int count, MPI_Datatype datatype, int root, MPI_Comm comm ) Input/Output: Buffer dirección de los datos Input: Count Datatype Root Comm cantidad de elementos en buffer tipo de datos rango del proceso que contiene los datos que serán replicados Comunicador Nota: Una vez terminada la llamada todos los procesos disponen de los mismos datos que root en buffer. Esta función se suele utilizar para comunicar valores iniciales de un cálculo a todos los procesos si el proceso root se encarga de la entrada salida. 22

23 MPI_Gather MPI_Gather Obtener datos de todos los procesos #include "mpi.h" int MPI_Gather ( void *sendbuf, int sendcnt, MPI_Datatype sendtype, void *recvbuf, int recvcount, MPI_Datatype recvtype, int root, MPI_Comm comm ) Input: sendbuf sendcount sendtype datos que manda cada proceso cantidad de elementos en sendbuf tipo de datos en sendbuf Output: recvbuf aqui root recibe los datos Input: recvcount recvtype root comm número de elementos en cada receive(=sendcount) tipo de datos a recibir rango del proceso root Comunicador Notas: Todos los procesos (root incluido) mandan su sendbuf a root. En recvbuf de root se guardan estos datos ordenados por el rango del proceso que los ha mandado. recvbuf se ignora en todos los procesos menos root. En root, recvbuf debe ser lo suficientemente grande para guardar np*recvcount datos, si np es la cantidad de procesos. MPI_Scatter MPI_Scatter Repartir datos sobre todos los procesos #include "mpi.h" 23

24 int MPI_Scatter ( void *sendbuf, int sendcnt, MPI_Datatype sendtype, void *recvbuf, int recvcnt, MPI_Datatype recvtype, int root, MPI_Comm comm ) Input: sendbuf sendcnt sendtype datos que manda root cantidad de elementos en sendbuf tipo de datos en sendbuf Output: recvbuf aquí cada proceso recibe los datos Input: recvcnt recvtype root comm cantidad de elementos en cada receive(=sendcount) tipo de datos a recibir rango del proceso root Comunicador Nota: Esta función es la "inversa" de MPI_Gather. sendbuf se reparte en np segmentos iguales y se manda a todos los procesos (root incluido) por orden de rango. sendbuf se ignora en todos los procesos menos root. MPI_Reduce MPI_Reduce Hace una operación sobre todos los procesos #include "mpi.h" int MPI_Reduce ( void *sendbuf, void *recvbuf, int count, MPI_Datatype datatype, MPI_Op op, int root, MPI_Comm comm ) Input: sendbuf datos a los que se aplicará la reducción Output: recvbuf resultado de la operación en root 24

25 Input: Count Datatype Op root comm cantidad de elementos en sendbuf tipo de datos en sendbuf operación a realizar sobre elementos de sendbuf rango del proceso root Comunicador Nota: Esta función puede utilizarse por ejemplo para calcular la suma de un número que se tiene en cada proceso y se requiere la suma en root. Las siguiente operaciones están previstos: MPI_MAX (máximo), MPI_MIN (mínimo), MPI_SUM (suma), MPI_PROD (producto) MPI_LAND (AND lógico), MPI_LOR (OR lógico), MPI_LXOR (XOR lógico), MPI_BAND (AND binario), MPI_BOR (OR binario) MPI_BXOR (XOR binario), MPI_MAXLOC y MPI_MINLOC. Si sendbuf es un vector, la operación se realiza para cada elemento de sendbuf. 25

26 3.. IDENTIFICACION DE LOS USUARIOS POTENCIALES 3.1 EXAMENES DE ESTADO El Examen de Estado que aplica el ICFES, desde marzo del 2000, es el resultado de un proceso que se inició en 1995, durante el cual se han desarrollado los fundamentos teóricos de la propuesta, las especificaciones de los instrumentos de evaluación y se han replanteado la elaboración y aplicación de los mismos. Este proceso de transformación general se desarrolla en el siguiente contexto: La renovación de propósitos educativos fundamentales del país generada en la Constitución Política de 1991 y la Ley General de Educación (Ley 115/94). Las recomendaciones de la Misión para la Modernización de la Universidad Pública y la Misión de Ciencia, Educación y Desarrollo. Los cambios e innovaciones que se producen en el contexto mundial de las disciplinas que conforman el Examen y la introducción de nuevos modelos piscométricos para la medición y evaluación educativa. Las nuevas exigencias culturales, sociales, políticas y económicas surgidas en el contexto de la globalización. El trabajo interno realizado por el ICFES durante los años que lleva aplicándose el examen. Los avances de este tipo de pruebas en el ámbito internacional. La investigación iniciada en el ICFES desde 1991, como parte del proceso de Evaluación de la Calidad de la Educación, en la que se desarrollan las pruebas que el país conoce como SABER. PROPOSITO DEL EXAMEN DE ESTADO Son propósitos del Examen de Estado: 26

27 Servir como un criterio para el Ingreso a la Educación Superior. Informar a los estudiantes acerca de sus competencias en cada una de las áreas evaluadas, con el ánimo de aportar elementos para la orientación de su opción profesional. Apoyar los procesos de autoevaluación y mejoramiento permanente de las instituciones escolares. Constituirse en base e instrumento para el desarrollo de investigaciones y estudios de carácter cultural, social y educativo. Servir de criterio para otorgar beneficios educativos. COMPONENTES DEL EXAMEN La evaluación se realiza a través de dos componentes: Un núcleo común que indaga competencias básicas en áreas fundamentales de la Educación Básica y Media. Un componente flexible que permite al estudiante poner en acción sus competencias en niveles de mayor complejidad (profundización) o frente a problemáticas actuales (interdisciplinario). 27

28 ESTRUCTURA DEL EXAMEN SESIONES DE APLICACIÓN DEL EXAMEN SESIÓN PRUEBA NÚMERO DE PREGUNTAS TIEMPO DISPONIBLE PRIMERA Mañana del Sábado SEGUNDA Tarde del Sábado Biología 35 1 hora Matemáticas 35 1 hora Filosofía 35 1 hora Profundización minutos Física 35 1 hora Historia 35 1 hora Idioma Extranjero 35 1 hora Profundización minutos TERCERA Química 35 1 hora Lenguaje 35 1 hora 28

29 Mañana del Domingo Geografía 35 1 hora Profundización minutos Interdisciplinar minutos Las competencias que se evalúan en las tres pruebas son las siguientes: Competencia para interpretar situaciones Engloba todas las acciones orientadas a la comprensión de situacionesproblema en ciencias. En particular se incluye la interpretación gráfica como fundamental, ya que permite poner en términos sencillos algunos asuntos que pueden ser muy complejos. Involucra acciones como identificar el esquema ilustrativo correspondiente a una situación; identificar y describir problemáticas en términos de las categorías de las ciencias; describir en términos gráficos o simbólicos el estado, las interacciones o la dinámica de una situación; deducir relaciones entre variables involucradas en una situación a partir de un enunciado, de un esquema gráfico o de una tabla. Competencia para establecer condiciones Engloba todas las acciones que permiten plantear claramente un problema que hay que solucionar, ubicarlo en un referente teórico y seleccionar los elementos relevantes para su análisis y solución. Involucra acciones como plantear afirmaciones válidas y pertinentes para el análisis y la solución de una situación-problema y establecer relaciones cualitativas y cuantitativas entre las diferentes variables y magnitudes involucradas. 29

30 Competencia para plantear hipótesis y regularidades Engloba las acciones que permiten proponer nuevas relaciones a partir de una situación dada, explicar dichas relaciones, encontrar un patrón que vincule diferentes situaciones y proponer nuevos problemas. Involucra acciones como plantear relaciones entre variables para que un evento físico, biológico o químico pueda ocurrir; predecir lo que puede ocurrir en una situación, dadas unas condiciones iniciales; encontrar relaciones comunes a diferentes situaciones aparentemente desconectadas. TIPOS DE PREGUNTAS PREGUNTAS DE SELECCIÓN MÚLTIPLE CON ÚNICA RESPUESTA- TIPO I Estas preguntas, utilizadas en todas las pruebas, se desarrollan en torno a una idea o a un problema y constan de un enunciado y cuatro opciones de respuesta. Se recomienda leer cuidadosamente el enunciado y, después de analizarlo, escoger entre las opciones la que se considera correcta. 30

31 PREGUNTAS DE SELECCIÓN MÚLTIPLE CON MÚLTIPLE RESPUESTA - TIPO IV Estas preguntas, utilizadas en las pruebas de Historia, Geografía, Filosofía, Violencia y Sociedad, constan de un enunciado, cuatro posibles consecuencias, aplicaciones o condiciones relacionadas con el enunciado (numeradas de 1 a 4) y cuatro opciones de respuesta (A, B, C, D), resultantes de cuatro posibles combinaciones así: EJEMPLO Para Durkheim, la sociología no deber ser una filosofía de la historia que pretenda descubrir las leyes generales que guían la marcha del progreso de la humanidad, su tarea consiste en tomar los hechos sociales como objetos de investigación y, tratándolos como cosas, buscar la causa determinante de esos hechos entre los demás hechos sociales y no entre los hechos de la conciencia individual. Así, la sociología se convierte en una ciencia autónoma porque 1. consigue separarse de toda ciencia existente y abrirse un nuevo rumbo 2. encuentra que su objeto particular y concreto es el hecho social 3. descubre que el desarrollo de la sociedad depende del proceso histórico del hombre 4. rompe el esquema universalista de la filosofía en el estudio de los fenómenos sociales Las opciones 2 y 4 son correctas por lo cual debe marcar en su Hoja de Respuestas: 31

32 PREGUNTAS DE SELECCIÓN MÚLTIPLE CON MÚLTIPLE RESPUESTA VÁLIDA -TIPO X Estas preguntas utilizadas en las pruebas de Matemáticas (núcleo común) y Lenguaje (profundización), constan de: Una situación, que puede ser una gráfica, una tabla, un texto o una combinación de ellos. Un enunciado problema, que puede estar dado en forma afirmativa o interrogativa. Cuatro opciones de respuesta. Recuerde que puede encontrar varias opciones válidas para solucionar el enunciado problema; usted debe seleccionar entre estas opciones sólo una: la que considere da respuesta manera más precisa o estructurada, a las condiciones particulares de la situación en el contexto evaluado. EJEMPLO Se pide realizar la gráfica de la función Es correcta la gráfica? f(x) = -x 2 + 3x 2 Ana realiza la siguiente A. si, porque el punto (2,0) pertenece a la gráfica y f(2) = 0 B. no, porque la gráfica no corresponde a una parábola y f(x) sí C. si, porque el rango de la gráfica y la función tienen valores reales positivos 32

33 D. no, porque el signo de la mayor potencia de f(x) es negativo, luego su representación gráfica debe ir hacia abajo En este ejemplo, las opciones B y D dan respuesta al problema, ya que ambas dan razones por las cuales la gráfica dibujada no corresponde a la función planteada en el enunciado; sin embargo, usted debe seleccionar sólo una, la opción que considere relaciona de manera más estructurada el concepto matemático, en este caso, el concepto de función cuadrática con las condiciones particulares de la situación. La clave es la opción D, dado que en ésta se realiza un análisis más detallado de las características de la función cuadrática f(x) = -x 2 + 3x 2 en relación con la gráfica; por lo tanto, usted debe rellenar en su hoja de respuestas el ovalo correspondiente a la letra D. GRAFICA.1 NUMERO DE ESTUDIANTES QUE PRESENTAN EL EXAMEN CALENDARIO B M I L E S AÑO ESTUDIANTES GRADO 11 BACH.AÑOS ANTERIORES GRAFICA. 2 NUMERO DE ESTUDIANTES QUE PRESENTAN EL EXAMEN 33

34 CALENDARIO A M I L E S AÑO ESTUDIANTE GRADO 11 BACH.AÑOS ANTERIORES 3.2 EXAMENES DE ADMISION UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA ESTRUCTURA DE LA PRUEBA APLICADA PARA LA ADMISIÓN DE ASPIRANTES AL PRIMER SEMESTRE DE 2006 Pregunta Estrategia de Evaluación Componente Opción Correcta 1 Comprensión de Texto Sociales B 2 Comprensión de Texto Análisis Textual C 3 Comprensión de Texto Matemáticas A 4 Comprensión de Texto Matemáticas D 5 Comprensión de Texto Ciencias A 6 Análisis de Gráficas Sociales D 7 Comprensión de Texto Ciencias C 8 Contextualización de Conceptos Sociales B 9 Análisis de Gráficas Sociales D 10 Análisis de Gráficas Sociales A 11 Comprensión de Texto Ciencias B 12 Comprensión de Texto Ciencias C 34

35 13 Análisis de Gráficas Matemáticas C 14 Análisis de Gráficas Matemáticas B 15 Comprensión de Texto Sociales D 16 Comprensión de Texto Sociales Z 17 Comprensión de Texto Sociales C 18 Comprensión de Texto Análisis Textual A 19 Comprensión de Texto Análisis Textual B 20 Comprensión de Texto Análisis Textual D 21 Comprensión de Texto Análisis Textual B 22 Comprensión de Texto Análisis Textual D 23 Comprensión de Texto Sociales C 24 Análisis de Gráficas Ciencias A 25 Comprensión de Texto Ciencias D 26 Comprensión de Texto Ciencias B 27 Comprensión de Texto Matemáticas Z 28 Comprensión de Texto Matemáticas C 29 Comprensión de Texto Sociales A 30 Comprensión de Texto Sociales C 31 Comprensión de Texto Sociales D 32 Comprensión de Texto Análisis Textual B 33 Comprensión de Texto Sociales A 34 Comprensión de Texto Sociales B 35 Comprensión de Texto Matemáticas A 36 Comprensión de Texto Ciencias D 37 Comprensión de Texto Ciencias D 38 Comprensión de Texto Ciencias A 39 Comprensión de Texto Matemáticas B 40 Comprensión de Texto Análisis Textual D 41 Comprensión de Texto Matemáticas B 42 Comprensión de Texto Matemáticas C 43 Comprensión de Texto Matemáticas Z 35

36 44 Comprensión de Texto Matemáticas A 45 Comprensión de Texto Sociales D 46 Comprensión de Texto Ciencias A 47 Comprensión de Texto Análisis Textual C 48 Comprensión de Texto Análisis Textual B 49 Comprensión de Texto Análisis Textual A 50 Comprensión de Texto Análisis Textual D 51 Comprensión de Texto Análisis Textual C 52 Comprensión de Texto Análisis Textual A 53 Comprensión de Texto Análisis Textual B 54 Contextualización de Conceptos Matemáticas A 55 Contextualización de Conceptos Matemáticas C 56 Contextualización de Conceptos Matemáticas B 57 Contextualización de Conceptos Matemáticas D 58 Contextualización de Conceptos Matemáticas B 59 Contextualización de Conceptos Matemáticas D 60 Contextualización de Conceptos Matemáticas A 61 Contextualización de Conceptos Matemáticas C 62 Contextualización de Conceptos Matemáticas D 63 Contextualización de Conceptos Matemáticas A 64 Contextualización de Conceptos Matemáticas C 65 Contextualización de Conceptos Matemáticas B 66 Contextualización de Conceptos Matemáticas C 67 Contextualización de Conceptos Matemáticas B 68 Contextualización de Conceptos Matemáticas D 69 Análisis de Gráficas Matemáticas A 70 Análisis de Gráficas Matemáticas A 71 Análisis de Gráficas Matemáticas D 72 Contextualización de Conceptos Ciencias B 73 Contextualización de Conceptos Ciencias D 74 Contextualización de Conceptos Ciencias A 36

37 75 Contextualización de Conceptos Ciencias D 76 Contextualización de Conceptos Ciencias A 77 Análisis de Gráficas Ciencias D 78 Análisis de Gráficas Ciencias B 79 Contextualización de Conceptos Ciencias C 80 Contextualización de Conceptos Ciencias D 81 Contextualización de Conceptos Ciencias A 82 Contextualización de Conceptos Ciencias C 83 Contextualización de Conceptos Ciencias B 84 Análisis de Gráficas Ciencias C 85 Análisis de Gráficas Ciencias A 86 Contextualización de Conceptos Ciencias D 87 Contextualización de Conceptos Ciencias B 88 Contextualización de Conceptos Ciencias A 89 Contextualización de Conceptos Ciencias B 90 Contextualización de Conceptos Ciencias D 91 Contextualización de Conceptos Sociales B 92 Contextualización de Conceptos Sociales D 93 Contextualización de Conceptos Sociales C 94 Contextualización de Conceptos Sociales A 95 Contextualización de Conceptos Sociales C 96 Contextualización de Conceptos Sociales A 97 Contextualización de Conceptos Sociales B 98 Contextualización de Conceptos Sociales D 99 Contextualización de Conceptos Sociales A 100 Contextualización de Conceptos Sociales B 101 Contextualización de Conceptos Sociales D 102 Contextualización de Conceptos Sociales C 103 Contextualización de Conceptos Sociales D 104 Contextualización de Conceptos Sociales C 105 Contextualización de Conceptos Sociales A 37

38 106 Análisis de Gráficas Análisis de la Imagen D 107 Análisis de Gráficas Análisis de la Imagen B 108 Análisis de Gráficas Análisis de la Imagen B 109 Análisis de Gráficas Análisis de la Imagen A 110 Análisis de Gráficas Análisis de la Imagen C 111 Análisis de Gráficas Análisis de la Imagen D 112 Análisis de Gráficas Análisis de la Imagen C 113 Análisis de Gráficas Análisis de la Imagen A 114 Análisis de Gráficas Análisis de la Imagen B 115 Análisis de Gráficas Análisis de la Imagen A 116 Análisis de Gráficas Análisis de la Imagen D 117 Análisis de Gráficas Análisis de la Imagen C 118 Análisis de Gráficas Análisis de la Imagen A 119 Análisis de Gráficas Análisis de la Imagen C 120 Análisis de Gráficas Análisis de la Imagen Z Calendario TIEMPO QUE DURA EL PROCESO Domingo, 19 de febrero de 2006 Regional: Diarios "El Colombiano", "La Patria" y "El País" Domingo, 26 de febrero de 2006 Pago en Bancos: A partir del 22 de febrero de 2006 Formalización de la Inscripción Del 22 de febrero al 20 de marzo durante las 24 horas y el 21 de marzo hasta las 16 horas 38

39 Examen de Admisión 29 de abril de 2006 Resultados del Examen de Admisión y convocados a Exámenes Específicos 9 de mayo de 2006, Vía Internet 14 de mayo de 2006, Diario "El Tiempo" Pruebas para Carreras con Exámenes Específicos 11 y 12 de mayo de 2006 Listado de admitidos a Carreras con Exámenes Específicos 22 de mayo de 2006, Vía Internet Todo el proceso desde la publicación en los diferentes diarios hasta que sale la lista de admitidos es de 101 días y entre la fecha que se presenta el examen y la publicación de los resultados es de 10 días. 39

40 4. IDENTIFICACION DE LOS SERVICIOS QUE REQUIEREN Y SU PARTICIPACION EN EL FUNCIONAMIENTO DEL MISMO 4.1 PROGRAMACION DE APLICACIONES PARALELAS CON MPI (Message Passing Interface) MPI (Message Passing Interface) es un Interfaz estandarizada para la realización de aplicaciones paralelas basadas en paso de mensajes. El modelo de programación que subyace tras MPI es MIMD (Múltiple Instruction streams, Múltiple Data streams) aunque se dan especiales facilidades para la utilización del modelo SPMD (Single Program Múltiple Data), un caso particular de MIMD en el que todos los procesos ejecutan el mismo programa, aunque no necesariamente la misma instrucción al mismo tiempo. MPI es, como su nombre indica, un interfaz, lo que quiere decir que el estándar no exige una determinada implementación del mismo. Lo importante es dar al programador una colección de funciones para que éste diseñe su aplicación, sin que tenga necesariamente que conocer el hardware concreto sobre el que se va a ejecutar, ni la forma en la que se han implementado las funciones que emplea. Hw MPI Aplicación Sw Figura 4. Ubicación de MPI en el proceso de programación de aplicaciones paralelas. 40

41 MPI ha sido desarrollado por el MPI Forum, un grupo formado por investigadores de universidades, laboratorios y empresas involucrados en la computación de altas prestaciones. Los objetivos fundamentales del MPI son los siguientes: 1. Definir un entorno de programación único que garantice la portabilidad de las aplicaciones paralelas. 2. Definir totalmente el interfaz de programación, sin especificar cómo debe ser la implementación del mismo. 3. Ofrecer implementaciones de calidad, de dominio público, para favorecer la extensión del estándar. 4. Convencer a los fabricantes de computadores paralelos para que ofrezcan versiones de MPI optimizadas para sus máquinas (lo que ya han hecho fabricantes como IBM y Silicon Graphics). Los elementos básicos de MPI son una definición de un interfaz de programación independiente de lenguajes, más una colección de bindings o concreciones de ese interfaz para los lenguajes de programación más extendidos en la comunidad usuaria de computadores paralelos: C y FORTRAN. Un programador que quiera emplear MPI para sus proyectos trabajará con una implementación concreta de MPI, que constará de, al menos, estos elementos: Si va a usar el lenguaje C, una biblioteca de funciones para ese lenguaje, más el fichero de cabecera mpi.h con las definiciones de esas funciones y de una colección de constantes y macros. Si va a usar el lenguaje Fortran, una biblioteca de funciones FORTRAN mas el fichero mpif.h. Comandos para compilación, típicamente mpicc, mpif77, que son versiones de los comandos de compilación habituales (cc, f77) que incorporan automáticamente las bibliotecas MPI. Comandos para la ejecución de aplicaciones paralelas, típicamente mpirun. 41

42 Herramientas para monitorización y depuración. MPI no es, evidentemente, el único entorno disponible para la elaboración de Aplicaciones paralelas. Existen muchas alternativas, entre las que destacamos las siguientes: Utilizar las bibliotecas de programación propias del computador paralelo disponible: NX en el Intel Paragon, MPL en el IBM SP2, etc. PVM (Parallel Virtual Machine): de características similares a MPI, se desarrolló con la idea de hacer que una red de estaciones de trabajo funcione como un multicomputador. Funciona también en multicomputadores, normalmente como una capa de software encima del mecanismo de comunicaciones nativo. Usar, si es posible, lenguajes de programación paralelos (FORTRAN 90) o secuénciales (C, FORTRAN 77) con directivas de paralelismo. Usar lenguajes secuénciales junto con compiladores que paralelicen automáticamente. MPI está aún en sus comienzos, y aunque se está haciendo un hueco creciente en la comunidad de programadores de aplicaciones científicas paralelas, no es probable que desplace a corto plazo a los entornos de programación ya existentes (como los anteriormente citados) o impida la aparición de otros nuevos. El MPI Forum es consciente de que MPI todavía adolece de algunas limitaciones, e incluso ha identificado bastantes de ellas: Entrada/salida: no se establece un mecanismo estandarizado de E/S paralela. Creación dinámica de procesos. MPI asume un número de procesos constante, establecido al arrancar la aplicación. Variables compartidas. El modelo de comunicación estandarizado por MPI sólo tiene en cuenta el paso de mensajes. Bindings para otros lenguajes, además de C y FORTRAN. Se piensa, en concreto, en C++ y Ada. 42

43 Soporte para aplicaciones de tiempo real. MPI no recoge en ningún punto restricciones de tiempo real. Interfaces gráficos. No se define ningún aspecto relacionado con la interacción mediante GUIs con una aplicación paralela. Como ya se ha comentado, MPI está especialmente diseñado para desarrollar aplicaciones SPMD. Al arrancar una aplicación se lanzan en paralelo N copias del mismo programa (procesos). Estos procesos no avanzan sincronizados instrucción a instrucción sino que la sincronización, cuando sea necesaria, tiene que ser explícita. Los procesos tienen un espacio de memoria completamente separado. El intercambio de información, así como la sincronización, se hacen mediante paso de mensajes. Se dispone de funciones de comunicación punto a punto (que involucran sólo a dos procesos), y de funciones u operaciones colectivas (que involucran a múltiples procesos). Los procesos pueden agruparse y formar comunicadores, lo que permite una definición del ámbito de las operaciones colectivas, así como un diseño modular. La estructura típica de un programa MPI, usando el binding para C, es la siguiente: # include "mpi.h" main (int argc, char **argv) int nproc; /* Número de procesos */ int yo; /* Mi dirección: 0<=yo<=(nproc-1) */ MPI_Init(&argc, &argv); MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &nproc); MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &yo); /* CUERPO DEL PROGRAMA */ MPI_Finalize(); 43

44 Este segmento de código presenta cuatro de las funciones más utilizadas de MPI: MPI_Init() para iniciar la aplicación paralela, MPI_Comm_size() para averiguar el número de procesos que participan en la aplicación, MPI_Comm_rank(), para que cada proceso averigüe su dirección (identificador) dentro de la colección de procesos que componen la aplicación, y MPI_Finalize() para dar por finalizada la aplicación. int MPI_Init(int *argc, char ***argv); int MPI_Comm_size (MPI_Comm comm, int *size); int MPI_Comm_rank (MPI_Comm comm, int *rank); int MPI_Finalize(void); El ejemplo sirve también para que se preste atención a algunas convenciones de MPI. Los nombres de todas las funciones empiezan con MPI_, la primera letra que sigue siempre es mayúscula, y el resto son minúsculas. La mayor parte de las funciones MPI devuelven un entero, que es un diagnóstico. Si el valor devuelto es MPI_SUCCESS, la función se ha realizado con éxito. No se han estandarizado otros posibles valores. La palabra clave MPI_COMM_WORLD hace referencia al comunicador universal, un comunicador predefinido por MPI que incluye a todos los procesos de la aplicación. Todas las funciones de comunicación de MPI necesitan como argumento un comunicador. 4.2 CLUSTER DE COMPUTADORAS El término de cluster (denominado algunas veces "granja") se aplica a los conjuntos o conglomerados de computadoras construidos utilizando componentes de hardware comunes y, la mayor parte de las veces, software libre. Ellos juegan hoy en día un papel importante en la solución de problemas de las ciencias, las ingenierías y del comercio moderno. 44

45 La tecnología de clusters ha evolucionado en apoyo de actividades que van desde aplicaciones de supercómputo y software de misiones críticas, servidores Web y comercio electrónico, hasta bases de datos de alto rendimiento, entre otros usos. El cómputo con clusters surge como resultado de la convergencia de varias tendencias actuales que incluyen la disponibilidad de microprocesadores económicos de alto rendimiento y redes de alta velocidad, el desarrollo de herramientas de software para cómputo distribuido de alto rendimiento, así como la creciente necesidad de potencia computacional para aplicaciones que la requieran. Simplemente, cluster es un grupo de múltiples ordenadores unidos mediante una red de alta velocidad, de tal forma que el conjunto es visto como un único ordenador, más potente que los comunes de escritorio. De un cluster se espera que presente combinaciones de los siguientes servicios: 1. Alto rendimiento (High Performance) 2. Alta disponibilidad (High Availability) 3. Equilibrio de carga (Load Balancing) 4. Escalabilidad (Scalability) Los ordenadores del cluster pueden tener, todos, la misma configuración de hardware y sistema operativo (cluster homogéneo), diferente rendimiento pero con arquitecturas y sistemas operativos similares (cluster semi-homogéneo), o tener diferente hardware y sistema operativo (cluster heterogéneo), lo que hace más fácil y económica su construcción. Para que un cluster funcione como tal, no basta solo con conectar entre sí los ordenadores, sino que es necesario proveer un sistema de manejo del cluster, el cual se encargue de interactuar con el usuario y los procesos que corren en él para optimizar el funcionamiento. 45

46 4.3 COMPONENTES DE UN CLUSTER En general, un cluster necesita de varios componentes de software y hardware para poder funcionar. A saber: Nodos (los ordenadores o servidores) Sistemas Operativos Conexiones de Red Middleware (capa de abstracción entre el usuario y los sistemas operativos) Protocolos de Comunicación y servicios. Aplicaciones (pueden ser paralelas o no) 4.4 NODOS Pueden ser simples ordenadores, sistemas multi procesador o estaciones de trabajo (workstations). 4.5 SISTEMA OPERATIVO Debe ser de fácil uso y acceso y permitir además múltiples procesos y usuarios. Ejemplos: GNU/Linux Unix Solaris Windows NT Windows 2000 Server Windows 2003 Server Cluster OS's especiales Mac OS X 46

47 4.6 CONEXIONES DE RED Los nodos de un cluster pueden conectarse mediante una simple red Ethernet con placas comunes (network adapters o NIC'S), o utilizarse tecnologías especiales de alta velocidad como Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Myrinet, Infiniband, SCI, etc. 4.7 MIDDLEWARE El middleware es un software que generalmente actúa entre el sistema operativo y las aplicaciones con la finalidad de proveer a un cluster lo siguiente: Una interfaz única de acceso al sistema, denominada SSI (Single System Image), la cual genera la sensación al usuario de que utiliza un único ordenador muy potente; Herramientas para la optimización y mantenimiento del sistema: migración de procesos, checkpoint-restart (congelar uno o varios procesos, mudarlos de servidor y continuar su funcionamiento en el nuevo host), balanceo de carga, tolerancia a fallos, etc.; Escalabilidad: debe poder detectar automáticamente nuevos servidores conectados al cluster para proceder a su utilización. Existen diversos tipos de middleware, como por ejemplo: MOSIX, OpenMOSIX, Cóndor, OpenSSI, etc. El middleware recibe los trabajos entrantes al cluster y los redistribuye de manera que el proceso se ejecute más rápido y el sistema no sufra sobrecargas en un servidor. Esto se realiza mediante políticas definidas en el sistema (automáticamente o por un administrador) que le indican dónde y cómo debe distribuir los procesos, por un sistema de monitorización, el cual controla la carga de cada CPU y la cantidad de procesos en él. 47

48 El middleware también debe poder migrar procesos entre servidores con distintas finalidades: Balancear la carga: si un servidor está muy cargado de procesos y otro está ocioso, pueden transferirse procesos a este último para liberar de carga al primero y optimizar el funcionamiento; Mantenimiento de servidores: si hay procesos corriendo en un servidor que necesita mantenimiento o una actualización, es posible migrar los procesos a otro servidor y proceder a desconectar del cluster al primero; Priorización de trabajos: en caso de tener varios procesos corriendo en el cluster, pero uno de ellos de mayor importancia que los demás, puede migrarse este proceso a los servidores que posean más o mejores recursos para acelerar su procesamiento. 48