INSTITUTO DE BIOCOMPUTACIÓN Y FÍSICA DE SISTEMAS COMPLEJOS CURSO CLUSTERS & GRID COMPUTING EN ENTORNOS DE SOFTWARE LIBRE.

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1 CURSO CLUSTERS & GRID COMPUTING EN ENTORNOS DE SOFTWARE LIBRE Bienvenida Alfonso Tarancón Lafita Profesor Secretario del Instituto de Biocomputación y Física de Sistemas Complejos 28, 29 y 30 de Noviembre 2005

2 Nuestras líneas de trabajo

3 Nuestras líneas de trabajo

4 Panorama Nacional y posicionamiento del BIFI Red de Centros asociada en la iniciativa IrisGRID Clusters de tamaño medio-grande BIFI (Zaragoza), IFCA (Santander) ~ 2.5 Teraflop/s CESGA (Santiago), CESCA (Barcelona), Ciemat (Madrid) ~ 1.5 Teraflop/s Centros de almacenamiento masivo (> 1000 Terabytes)» PIC (Barcelona)» IFCA (Santander)» IFIC (Valencia)

5

6 CURSO CLUSTERS & GRID COMPUTING EN ENTORNOS DE SOFTWARE LIBRE I. Clusters bajo Linux Isabel Campos Plasencia Responsable de Proyectos de Computación 28, 29 y 30 de Noviembre 2005

7 Esquema Qué es un cluster Linux? Cuáles son los parámetros que lo definen Subsistema procesador-memoria Red de comunicaciones Almacenamiento de datos en clusters Administración de Clusters

8 Qué es un cluster bajo Linux? Conjunto de ordenadores conectados a través de la red (Fast-Ethernet, Gigabit-Ethernet, Myrinet, Infiniband...) Linux como Sistema Operativo Administrativamente y a nivel de usuario se entiende como una única maquina Uno (o más) nodos interactivos Sistema Batch para la gestión de trabajos Uno o varios sistemas de ficheros comunes para todas las maquinas (Ejemplo: /usr/local/sys/aplicaciones, /data/output/,... son accesibles desde todas las maquinas de un modo coherente)

9 Hardware & Software Hardware Software Red Procesador RAM Input/Output Filesystem Aplicaciones Drivers Sistema Usuario Subsistema RAM-CPU Módulos Placa Base Sistema Operativo

10 Clusters bajo Linux Configuración modelo Administrador Nodo interactivo Red Cluster Nodo servidor Usuario Nodos de computación

11 Clusters bajo Linux Configuración modelo: Red del cluster Nodos secuenciales Nodos Paralelos Switch Switch Red Interna Red exterior

12 Clusters bajo Linux Parámetros generales Elección del Sistema (Procesador, Memoria, Chipset,...) Condicionado al tipo de trabajo que se pretenda ejecutar Simulaciones Numéricas Análisis de grandes cantidades de datos... Benchmark: medir la eficiencia de las aplicaciones típicas (Mflop/s y Mbytes/s) en distintos sistemas Decidir cómo interconectamos los nodos Switch general para todo el cluster (Gigabit Eth. o Fast Eth.) Switch específico para el sector paralelo del cluster» Medir cuales son las necesidades grosso modo de los programas que se planea correr en paralelo Benchmarking

13 El subsistema CPU-RAM Debe optimizar el tipo de programas para los que se quiere usar el cluster (mono-procesador o memoria compartida) Frecuencia de la CPU (~ 3 GHz) Cuántas y tipo de Caches L1/L2/L3 Cuánta y tipo de Memoria RAM (1-2GB) Frecuencia de transmisión de datos del Bus del Sistema (ej. 533, 800MHz, 1GHz) Placa base adecuada,...

14 El subsistema CPU-RAM Un Xeon a 3,40GHz tiene un potencial de más de 12GFlop/sg pero en la práctica sólo programas muy optimizados alcanzan entre 3-4 GigaFlop/sg. CPU Un bus a 800MHz a 64bits puede transmitir un máximo de 5.4GBytes/sg RAM Anchura de Banda - La velocidad de transmisión de datos de la RAM a la CPU limita la potencia del procesador

15 Cómo se mide la Anchura de Banda entre CPU y RAM #define N float A[N],B[N],C[N]; for(iter=0;iter<niter;iter++) for(i=0;i<n;i++) A[i] = B[i] + C[i] * D[i] RINF Benchmark 1-3 ns (1K) 2-8 ns (8-128K) 5-12 ns (0.5-8M) 10-60ns (64M-4GB)

16 Benchmark RINF Curva de potencia del P4-3,06 GHz 6 Medidas Pico: 3066 MFlop/s Memoria: 189MFlop/s

17 CURSO CLUSTERS & GRID COMPUTING EN ENTORNOS DE SOFTWARE LIBRE Multi-threading, Simultaneous Multi-threading, Hyperthreading: el camino hacia el Dual Core 28, 29 y 30 de Noviembre 2005

18 Single-thread CPU Creando la ilusión de la multi tarea El OS carga procesos en RAM: running jobs Cada proceso se compone de uno o mas threads (procesos elementales) Cada time slice el OS envia a la CPU el contexto necesario para ejecutar un thread No puede haber mas de un thread cargado en la CPU Muchos slots de ejecucion quedan desaprovechados

19 Single-thread CPU en memoria compartida Maquinas con procesadores en modo memoria compartida pueden ejecutar mas de un thread cada time slice

20 Super-threaded CPU Superthreaded (o multi-) CPUs pueden contener mas de un thread en cada time slice Las unidades de ejecucion pueden ejecutar solo un thread cada time slice

21 Intel SMT: Hyperthreading Las unidades de ejecucion de la CPU pueden ejecutar dos threads cada time slice

22 Qué implica a nivel de la arquitectura del procesador? Hyperthreading (marca Intel) Recursos duplicados» Register renaming logic» Instruction Pointer» ITLB,... Recursos repartidos» Re-order buffers» Load/store buffers» Scheduling queues, uop queue, etc... Doble numero de registros Recursos compartidos» Caches (!!)» Execution Units (!!)» Varios registros Cuidado!!!

23 Cómo se hace el Dual Core? Recursos duplicados Register renaming logic Instruction Pointer, ITLB,... Re-order buffers Load/store buffers Scheduling queues, uop queue. Execution Units Caches internas al Procesador (L1) Recursos compartidos Caches externas (a veces L2 y L3) CPU0 CPU1 L2/L3 RAM

24 CURSO CLUSTERS & GRID COMPUTING EN ENTORNOS DE SOFTWARE LIBRE Redes de Comunicaciones para la intercomunicación en clusters 28, 29 y 30 de Noviembre 2005

25 Factores a tener en cuenta en la red interna del cluster Durante el cálculo necesitan intercambiar datos a través de la red de procesadores que conforma el cluster Cuánto y con qué Frecuencia necesita el programa comunicar? Cantidad La respuesta fija los parametros de la RED que necesitamos MB/s Frecuencia Ancho de Banda? Latencia

26 Transmisión de datos en un PC Concepto 1: Bus Qué es un bus? Conjunto de cables a través de los cuales se conectan todos los componentes internos del PC a la CPU y a la memoria principal Parámetros que definen el Bus Anchura: 32-bit, o 64-bit Frecuencia del Reloj en MHz: Cuántas veces por segundo es capaz de enviar el Bus esos 64-bits Partes de un Bus Data Bus: transmite datos Address Bus: contiene la informacion sobre dónde van esos datos Qué es el Bus Local? Es un Bus que se usa para datos que requieren una velocidad de transmisión especialmente rápida. El Bus local está directamente conectado al procesador

27 El estándar de Bus local: PCI El bus PCI se introdujo a principios de los 90 Desarrollado por Intel: 32-bits a 33MHz Ha desplazado al bus ISA completamente La versión común para mercado doméstico es el bus PCI-X: interface de 64-bits a 133 MHz velocidad de transmisión de 1 GByte/s Desarrollado por IBM, HP y Compaq para aumentar la Anchura de banda de dispositivos de Gigabit Ethernet y Fibra Optica

28 Interface de transmisión de datos

29 Interface de I/O

30 De PCI-X a PCI Express PCI-X es suficiente para el mercado doméstico, pero no para los servidores de I/O profesionales Ej: Máquinas Multiprocesador de 64-bits Ha desarrollado Hypertransport Opteron Desarrolla PCI Express Itaniums, Xeons

31 Interface de I/O: PCI Express Slot PCI Express Bancos de RAM Xeon EMT64

32 Elección de la red del cluster Cuáles son las alternativas? I. Gigabit Ethernet (1 Gb) Latencias del orden de los 100 microseg. Ancho de Banda en el rango MB/s Precio: 150 /puerto + Switch ( > 5000 ) II. Myrinet 2000 (2 Gb) Latencias entorno a 10 microseg. Ancho de Banda medidos entorno a 300 MB/s Precio: 1200 por tarjeta + Switch (~ 12,000 / 32 puertos) III. Infiniband (20 Gb + 20 Gb bidireccional) Latencias entorno a 2-3 microseg. Ancho de Banda medido entorno a 1GB/s Precio: ~ 18,000 / 32 puertos IV. Soluciones mixtas Hardware/Software GE + ParaStation 4 (software con licencia)

33 Proceso de decisión: Red Myrinet Componentes de una red Myrinet (Myrinet 2000) Cada nodo tiene una tarjeta PCI-X con una o dos conexiones (490MB/s y 900 MB/s respectivamente) Las tarjetas se conectan con un cable Myrinet (fibra óptica) a un switch multi-puerto (hasta 32 puertos por switch). Para redes mayores: combinaciones de switches (Myrinet Network in a box) Software Myrinet Detecta la red Myrinet presente de manera automática (no hay que configurar el switch) GM: software de paso de mensajes de bajo nivel sobre el que funcionan aplicaciones de alto nivel como MPI Lo último de Myricom: Myri 10-G Está conectado a un slot PCI-Express Las links de conexión son de 10 Gbits El switch de comunicaciones es un Myrinet-10Gigabit

34 Red Myrinet: Fotos

35 Ejemplo de Myrinet Mare Nostrum en el Centro de Computación de Barcelona: Myrinet 2000

36 Ejemplo de Benchmark: Anchura de Banda en el intercambio de paquetes

37 Red Infiniband Tecnología que trata de dar respuesta a las necesidades de I/O Compartidas en clusters de ordenadores conectados a Storage Area Networks desconectar el I/O al exterior, del resto de procesos de la máquina

38 Arquitectura de Infiniband

39 Infiniband System Bus Hub Link Slot PCI-X Pentium 4 System Logic South Bridge HCA Switch 8Gb/s PCI Express 4X 20Gb/s Pentium 4 System Logic South Bridge 20Gb/s Express HCA Switch 20Gb/s 4X 20Gb/s PCI Express Pentium 4 System Logic I/O Bridge Con HCA Switch 80 Gb/s 12X 60Gb/s

40 Integración de Infiniband

41 Infiniband: prestaciones

42 Infiniband sobre PCI Express IB PCI-Express IB PCI-X Myrinet 2000

43 CURSO CLUSTERS & GRID COMPUTING EN ENTORNOS DE SOFTWARE LIBRE Mecanismos de almacenamiento de datos en clusters bajo Linux 28, 29 y 30 de Noviembre 2005

44 Almacenamiento de datos Ordenador Disco Duro Qué hay que almacenar y dónde? Sistema Operativo y software de sistema (orden MegaB) Servidor y nodos del cluster Aplicaciones de trabajo (orden MegaB - GigaB) Instaladas en el Servidor Accesibles desde todo el cluster Escritura de resultados de trabajo (orden GigaB - TeraB) Globalmente accesible desde todo el cluster Adaptado a la escritura masiva de datos

45 Almacenamiento de datos El problema principal es la escritura masiva de datos La imagen convencional de un Disco duro como almacén de datos no nos sirve Ordenador Disco Duro Los ficheros de output tienen que ser globalmente accesibles de modo coherente en todo el cluster

46 Almacenamiento: Concepto I Sistemas de ficheros locales: ext2, XFS, NTFS, JFS,... Disco duro como almacén de datos (incluídos los sistemas RAID!) Logical Volume Manager (LVM) Ordenador Disco Duro Facilita el mantenimiento de sistemas de ficheros Ej: Añadir o quitar discos en caliente Reparto (stripping) en varios discos LVM SISTEMA OPERATIVO

47 Almacenamiento: Concepto II NFS Network File System Principio Cliente-Servidor /home /a /b /home /a /b Red de ordenadores El servidor NFS... /home /a /b /home /a /b Clientes NFS... exporta el sistema de ficheros......desde su disco duro

48 Un cluster funcionando con NFS El nodo interactivo y los nodos de computación son los clientes NFS /home /datos/output /data/protein El servidor del cluster es el servidor NFS El servidor de NFS /home /datos/output /data/protein...a los Clientes NFS Red del Cluster /home /datos/output /data/protein... exporta el sistema de ficheros......desde su disco duro

49 NFS a nivel de daemons El servidor NFS... nfsserver portmapd daemons Exporta /home Fichero /etc/exports: /home \ mydomain.unizar.es(rw,no_root_squash,sync) Clientes NFS Fichero /etc/fstab: servidor:/home /home nfs rsize=8192,wsize=8192,timeo=14,intr

50 Esto es sólo el principio de la historia... Problema básico: Un servidor haciendo todo el trabajo de input/output se sobrecarga cuando hay muchos nodos ( cuántos son muchos? ) NFS no escala con el número de nodos (solo reparte los recursos) Solución: Añadir más servidores para recoger el input/output Con NFS sería penoso gestionar el sistema: Los datos no se repartirían equitativamente entre los servidores nodo1,..nodo20 ioserver1,... nodo80,...nodo100 ioserver5 Hay que distribuir los datos de manera equitativa sobre varios servidores ( Sistema de ficheros paralelo ) de modo automático

51 Cómo funcionan los sistemas de ficheros paralelos? En UNIX cada fichero tiene asociado un inode Estructura que contiene toda la informacion relativa al fichero: device, permisos, usuario, localizacion en el disco de los bloques que forman el fichero. Tamaño defecto del bloque: 512, 1024, bits Filesystems como EXT2 escriben todos los bloques de información que contiene un fichero al mismo device: /dev/hda Los sistemas de ficheros paralelos son capaces de escribir bloques de información de un mismo fichero a diferentes devices: por ejemplo a varios discos /dev/hda, El mayor problema hoy en día en el mundo de los Clusters de alto rendimiento es el de los Sistemas de Ficheros Paralelos

52 El Parallel Virtual Filesystem: PVFS Solución Open Source PVFS (Parallel Virtual Filesystem) Distribución de datos sobre varios servers. Uno hace de servidor central (Metadata-Server) que organiza lógicamente donde va a parar cada fichero Nodos del cluster: Clientes PVFS Red Cluster Donde? Servidor: Metadata- Server Servidores de input/output: Dataservers PVFS

53 PVFS: Componentes Servidor Metadata Hay una máquina que actúa de servidor del PVFS Mantiene la información lógica sobre los ficheros Almacenada en una partición (/pvfs-meta de 50MB 1TB de datos) Servidores de I/O Se pueden usar varias máquinas (optimización) Almacenan los datos del PVFS creando ficheros en los sistemas de ficheros locales (ej. Ext2fs) Clientes Acceden al sistema de ficheros PVFS de forma transparente al usuario Contactan con el servidor metadata y los servidores de I/O para operar en ficheros

54 PVFS: Flujo de datos Escritura Nodos del Cluster Red Cluster Servidor Metadata Lectura Servidores de I/O

55 PVFS: Estructura y Daemons Servidores de input-output iod iod /pvfs-data mgr pvfsd /pvfs-meta (50MB) mount /pvfs /pvfs-data Nodos del cluster (clientes)

56 PVFS en el BIFI io1,,io6 PVFS (meta)data Nodos del cluster: node01,,node TB Espacio scratch global de 1.5TB /pvfs/username para cada usuario

57 Cómo se organiza entonces un cluster? Sistema Operativo: discos locales Aplicaciones Científicas Disco local del servidor y exportado por NFS a todos los nodos Input/Output masivo NFS Sistemas de Ficheros Paralelos

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