Introducción. TEMA 3: Clusters de Computadores Personales

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1 Introducción TEMA 3: Clusters de Computadores Personales Laboratorio de Arquitecturas Avanzadas de Computadores 5º de Ingeniería Superior de Informática 2008/09 Alberto Sánchez Marcos Novalbos Aplicaciones que requieren: Grandes capacidades de cómputo: Física de partículas, aerodinámica, genómica,... Tradicionalmente alcanzadas por medio de supercomputadores Los avances tecnológicos no satisfacen las necesidades Necesidades de alta disponibilidad: Sistemas transaccionales de producción, banca, facturación,... No mucho cómputo, pero siempre debe estar disponible LAAC 2008/09 2 Introducción Introducción Computación de altas prestaciones: resolver problemas muy costosos computacionalmente minimizando el tiempo de respuesta Para hacer algo más rápidamente se puede: Trabajar más duro => mejoras en la tecnología. Trabajar más inteligentemente => optimización de los algoritmos. Buscar ayuda => procesamiento paralelo. Parallelism is the wave of the future and always will be LAAC 2008/09 3 La computación paralela es un método por el que se dividen grandes problemas en componentes más pequeños, llamados tareas o procesos, que pueden resolverse en paralelo Esta solución surge como una respuesta de la arquitectura de computadores a las crecientes demandas de potencia de cómputo de los usuarios Tienen una influencia clave el bajo coste de los equipos y el gran desarrollo tecnológico (Ley de Moore) LAAC 2008/09 4

2 Top500 Fabricantes Nov 2007 LAAC 2008/09 5 LAAC 2008/09 6 Interconexión (Nov 2007) Sistemas operativos (Nov 2007) Rendimiento LAAC 2008/09 7 LAAC 2008/09 8

3 Areas de aplicación (Nov 2007) Arquitecturas (Nov 2007) Rendimiento (Nov 2007) LAAC 2008/09 9 LAAC 2008/09 10 Computación n distribuida Computación distribuida => Conjunto de computadores conectados mediante una red de comunicación que trabajan de forma conjunta para resolver un problema común Alternativa a las MPP Potencia de cómputo similar mediante redes de altas prestaciones a un MPP Coste muy inferior Evolución de las arquitecturas Supremacía de los sistemas cluster sobre otras arquitecturas LAAC 2008/09 11 LAAC 2008/09 12

4 Definición de Cluster Motivos de Aparición Un cluster es un tipo de computador paralelo o distribuido que consiste en un conjunto de computadores independientes pero interconectados entre sí que trabajan conjuntamente como un único recurso para resolver un problema común Multiprocesador casero : utiliza componentes comerciales, baratos y potentes Hub IBM Compatible IBM Compatible Workstation Ethernet Workstation Workstation IBM Compatible Workstation Importantes avances en la tecnología y arquitectura de los microprocesadores han llevado a una gran evolución de sus prestaciones LAAC 2008/09 13 LAAC 2008/09 14 Motivos de Aparición Ley de Moore Motivos de Aparición Protocolos y redes de comunicación estándares de alto rendimiento: Ethernet Fast Gigabit Infiniband Myrinet Ethernet Ethernet Ancho de 10 Mbps 100 Mbps 1000 Mbps 2000, 8000, 1300 a 2000 Banda (pico) Mbps Nº nodos Topología Medio de Transmisión Bus/ estrella Bus/ estrella Estrella Estrella Estrella Cobre Cobre Cobre/fibra Cobre/fibra Cobre/fibra LAAC 2008/09 15 Las mejoras conseguidas llevan a una reducción del coste de los componentes LAAC 2008/09 16

5 Computación con Clusters Alternativa los supercomputadores En lugar de aproximaciones MPP: Hardware específico. Alto coste. Desarrollo hardware lento. Desarrollo software doloroso. Se pueden usar equipos de propósito general (PCs): Commodity hardware. Coste reducido. Desarrollo hardware rápido. Desarrollo software aun más doloroso. LAAC 2008/09 17 Esquemas de clasificación Los clusters se pueden clasificar atendiendo a diversos factores: Según la aplicación. Clusters de alto rendimiento: diseñados para la implementación de aplicaciones de alto coste computacional. Clusters de alta fiabilidad: diseñado para aplicaciones críticas, en las que lo importante es la disponibilidad más que el rendimiento. Según el propietario de los nodos: Clusters dedicados: las aplicaciones paralelas se ejecutan en todo el sistema, sin ningún tipo de restricción. Clusters no dedicados: cada nodo tiene un propietario y las aplicaciones paralelas se ejecutan en el tiempo en que los nodos están ociosos (ciclos libres). Configuración del cluster: Clusters homogéneos: la arquitectura (hardware y software) de todos los nodos es la misma. Clusters heterogéneos: los nodos tienen diferentes características, en cuanto a hardware o software. LAAC 2008/09 18 Característica MPP SMP/CC-NUMA Cluster Número de Nodos Complejidad de los Nodos Comunicación inter nodo Planificación de trabajos O(100)-O(1000) O(10)-O(100) O(100) o menos Grano medio/fino Paso de mensajes/ DSM Cola de procesos única (en host) Grano medio/grueso Memoria compartida o DSM Cola de procesos única Grano medio Paso de mensajes Colas múltiples coordinadas Soporte SSI Parcialmente Siempre Deseable Tipo y copias de SO Espacio de direcciones Seguridad internodo N x (µkernels, por capas, monolíticos) Múltiple o único (para DSM) Monolítico: SMPs Varios: NUMA Único N x (homogéneas o µkernels) Múltiple o único Innecesaria Innecesaria Sólo si expuesto Propietario Una organización Una organización Una organización 19 Ejemplos de Clusters LAAC 2008/09 20

6 Ejemplos de Clusters Ejemplos de Clusters LAAC 2008/09 21 LAAC 2008/09 22 Ejemplos de Clusters Ejemplos de Clusters LAAC 2008/09 23 LAAC 2008/09 24

7 Ejemplos de Clusters Magerit (Top 86) BladeCenter JS20 Cluster, PPC 970, 2.2 GHz (IBM) 2408 Procesadores TFlops (LINPACK) 4 TB RAM 65 TB Disco (GPFS) Red Myrinet x 6 Switches GigaEthernet x 2 Switches Ejemplos de Clusters Marenostrum (Top 13) BladeCenter JS21 Cluster, PPC 970, 2.3 GHz (IBM) Procesadores TFlops (LINPACK) 20 TB RAM 280 TB Disco (GPFS) Red Myrinet x 12 Switches GigaEthernet x 5 Switches LAAC 2008/09 25 LAAC 2008/09 26 Ejemplos de Clusters Laurence Livermore Laboratory (Top 1) BlueGene/L, PPC 440, 700 MHz (IBM) Procesadores 596 TFlops (LINPACK) 73 TB RAM 900 TB Disco (GPFS) Red toroidal 3D Red colectiva Red de interrupción LAAC 2008/09 27 Ventajas Relación coste/prestaciones. Flexibilidad. Disponibilidad. Escalabilidad. Crecimiento por incrementos Incorporación de tecnología punta. Heterogeneidad. LAAC 2008/09 28

8 Inconvenientes Arquitectura de un cluster Existen todavía varios problemas propios de estos sistemas: Software. Problemas de administración y gestión. Memoria físicamente distribuida => utilización menos eficiente. Varias copias del sistema operativo. La red es el cuello de botella del sistema. Un cluster está formado por nodos de cómputo y una red de comunicación. Un nodo del cluster puede ser un ordenador convencional con su propia memoria, sistema de I/O y su propio sistema operativo. Los nodos pueden estar incluidos en una sola cabina (rack) o físicamente separados y conectados por una LAN. LAAC 2008/09 29 LAAC 2008/09 30 Arquitectura de un cluster Los componentes que forman un sistema de este tipo son los siguientes: Un conjunto de ordenadores de altas prestaciones. Redes de interconexión de altas prestaciones (Myrinet, Gigabit, Infiniband). Tarjetas de conexión a red de alta velocidad. Protocolos y servicios de comunicación de alta velocidad. Middleware, compuesto de dos subniveles de software: La imagen de sistema única (SSI: Single System Image) que ofrece a los usuarios un acceso unificados todos los recursos del sistema. Disponibilidad del sistema que permite servicios como puntos de chequeo, recuperación de fallos, soporte para tolerancia a fallos. Entornos y herramientas de programación paralela, compiladores paralelos, Java, PVM, MPI. LAAC 2008/09 31 Arquitectura de un cluster LAAC 2008/09 32

9 Middleware Middleware La imagen de sistema único (SSI) proporciona al usuario una visión unificada del cluster como un único recurso o sistema de cómputo. Esta imagen está soportada por el nivel midlleware que está entre el sistema operativo y las aplicaciones de usuario y tiene básicamente dos subsistemas: Infraestructura de imagen de sistema único: que junto al sistema operativo está presenta en todos los nodos y proporciona un acceso unificado a todos los recursos del sistema. Infraestructura de disponibilidad del sistema: que posibilita servicios propios del cluster como puntos de chequeo, recuperación automática de fallos y soporte para tolerancia a fallos. Objetivos del middleware: Presentar una completa transparencia al usuario de forma que este no tenga que preocuparse de detalles debajo nivel Escalabilidad del sistema Disponibilidad del sistema para soportar las aplicaciones de los usuarios LAAC 2008/09 33 LAAC 2008/09 34 Middleware MOSIX Herramienta para la gestión de clusters que proporciona imagen de sistema único Sistema distribuido Consiste en un parche de Linux para migrar procesos bajo condiciones de carga y varias herramientas de usuario también parcheadas. Originalmente bajo GPL, ahora OpenMOSIX. [http://www.openmosix.org] Diseño o de un Cluster Consideraciones de diseño: Maximizar relación precio/prestaciones. Asegurar la disponibilidad. Restringido a un presupuesto. Un cluster está formado por elementos principales: Nodos de cómputo. Red de comunicación. LAAC 2008/09 35 LAAC 2008/09 36

10 Diseño o de un Cluster Diseño o de un Cluster El requisito fundamental para el diseño de un cluster es: Diseñar un supercomputador con un coste reducido. Metodología abajo-arriba de diseño: Requisitos de rendimiento. Hardware Sistema operativo Middleware Aplicaciones: incluyendo la programación. LAAC 2008/09 37 LAAC 2008/09 38 Diseño o de un cluster Diseño o de un Cluster Requisitos de rendimiento Problemas para obtener el máximo rendimiento de un computador paralelo: Hardware: procesadores inactivos debido a conflictos en acceso a memoria y comunicaciones. Sistema operativo: problemas de ineficiencia en planificadores, sistemas de ficheros y asignación de memoria. Middleware: distribución y coordinación de tareas ineficiente, latencias de comunicación altas. Aplicaciones: algoritmos e implementaciones ineficientes que no explotan el paralelismo inherente de los problemas. LAAC 2008/09 39 Nodos de cómputo: Procesador. Número de procesadores por nodo. Prestaciones del procesador. Memoria Cache. Memoria. Capacidad memoria por nodo. Velocidad del bus de memoria. Cantidad de memoria cache de nivel 2. Disco. Capacidad de almacenamiento necesaria. Velocidad de acceso. Posibilidad de utilizar RAID de discos. LAAC 2008/09 40

11 Diseño o de un Cluster Red de Comunicaciones (I): Prestaciones: Ancho de banda. Latencia. Sobrecarga emisor y receptor. Medios de transmisión: Cobre Fibra óptica Elementos de interconexión: Concentradores (Hubs). Conmutadores (Switches). Diseño o de un Cluster Red de Comunicaciones: Topología: Número de elementos de interconexión. Forma de interconexión. Tarjeta de red: Conexión con el nodo. Capacidad de proceso. Utilización de estándares: Bajo coste. Estabilidad. Independencia de fabricantes. LAAC 2008/09 41 LAAC 2008/09 42 Diseño o de un Cluster Diseño o de un Cluster High Speed Network High Speed Network File Server File Server Service Network External Network gateway Front-end Front-end External Network LAAC 2008/09 43 LAAC 2008/09 44

12 Aplicaciones más comunes Aplicaciones de e-ciencia. El paralelismo consiste en millones de tareas completamente independientes Alta disponibilidad Aplicaciones de base de datos Caso de uso: Google Debido a su gran relación precio/prestaciones y escalabilidad Cálculo científico. Permite a pequeños grupos disponer de multicomputadores LAAC 2008/09 45 LAAC 2008/09 46 Google Objetivos de diseño: Características: LAAC 2008/09 Escalabilidad. Alta disponibilidad. Asegurar tiempo de respuesta máximo. Gran ancho de banda procesadores discos => 1 petabyte. Replicado en varios puntos geográficos distintos. 47 LAAC 2008/09 48

13 Google Google Cada cluster 359 racks: servidores CPUs ( GHz) GB memoria Tbytes (2 PB aprox) Cada cluster: 40 millones de peticiones diarias 20 datacenters servidores LAAC 2008/09 49 LAAC 2008/09 50 Google Google Nodos de cómputo Cada Rack tiene 90 Pcs biprocesador. Procesador modesto : 2GHz 2 GB de SDRAM. 80 GBs. Sistema operativo Linux. Cada 3 meses se actualiza algún componente: procesador, memoria, discos. Red de comunicaciones: Dos enlaces a Internet de 2488 Mbps. Cada rack tiene 4 enlaces de 1 Gbps. Utiliza cables de cobre Categoría5. Coste: 4,5 a 6 Millones de dólares. Disponibilidad: Depende bastante de la localización geográfica Software: 20 nodos deben ser reiniciados al día. 2-3% de PCs reemplazados por año. LAAC 2008/09 51 LAAC 2008/09 52

14 Bibliografía Dudas, comentarios,. Bibliografía: Hennesy-Patterson (2002) Pfisrter (1998) Sterling (1999), Cluster Computing. Rajkumar Buyya. Prentice Hall. LAAC 2008/09 53 LAAC 2008/09 54

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