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1 Proposta de Aplicabilidade de um Aglomerado Heterogêneo de Computadores de Alto Desempenho com Balanceamento de Carga a fim de Reduzir o Problema do Limite da Freqüência de Clock Gabriela Batista Leão 1, Fabian Corrêa Cardoso 1 1 Departamento de Computação Fundação do Ensino Superior de Rio Verde (Fesurv) Fazenda Fontes do Saber C.P.: Rio Verde GO Brazil Abstract. This paper deals with the proposal of implantation of a grouping of computers combining the philosophy master-slave with load balancing between the masters, with the intention of being an option to the limit of the frequency of clock. Resumo. Este artigo trata da proposta de implantação de um agrupamento de computadores combinando a filosofia mestre-escravo com balanceamento de carga entre os mestres, com o intuito de ser uma opção ao limite da freqüência de clock. 1. A Constante Busca pelo Alto Desempenho e suas Limitações Físicas quanto ao Limite da Freqüência de Clock Proporcionada pelas Arquiteturas Contemporâneas Computadores surgiram como máquinas capazes de realizar proezas matemáticas em um tempo exíguo ou muito curto. Surgiram graças a necessidades, cada vez maiores, de novas tecnologias, especialmente no espaço de tempo compreendido entre o final da primeira e segunda grande guerras mundiais. Esta necessidade já havia se feito presente no período das Grandes Navegações, porém a época histórica era outra e os avanços que houveram foram poucos, a tecnologia somente pode se fazer presente após o surgimento da Revolução Industrial. Décadas após, Charles Babbage desenvolveria seu Analitical Engine, porém a tecnologia ainda não chegara ao ponto que ele precisava para pôr em prática o que poderia ter sido o primeiro computador mecânico da história da humanidade. A tecnologia, na verdade, somente amadureceu o suficiente após a primeira grande guerra, alguns matemáticos contribuíram para isto, como Church e Turing, entre outros, mas o surgimento do primeiro computador completamente eletrônico somente veio acontecer em 1948, com o aparecimento do ENIAC, após o final da segunda grande guerra, embora durante a mesma os computadores eletromecânicos tenham jogado um papel decisivo no desenrolar dos acontecimentos. Com o advento dos transistores em 1947, no Bell Labs, computadores que antes eram considerados máquinas de luxo tornaram-se acessíveis a usuários finais, pois o principal componente dos transistores é o silício, elemento químico encontrado em maior abundância no mundo. Cerca de 26% da crosta terrestre é composta por silício [Saffioti 1968].

2 Portanto, o desenvolvimento arquitetural e organizacional voltou-se à projeção de computadores que atendessem aos usuários finais já que estes compunham o maior mercado. Com esse novo paradigma, surge também a necessidade de implementar instruções capazes de suportar aplicações de natureza não-científicas contrapondo-se às arquiteturas outrora utilizadas apenas para cálculos que exigiam grande poder de processamento, como operações matriciais e vetoriais, por exemplo. O grande avanço da miniaturização de transistores possibilitou a integração de vários destes em uma única cápsula, denominada chip. Mais tarde, com o aperfeiçoamento da integração de transistores surgiu a integração em larga escala que permitiu a alocação de vários chips dentro de um único. Nasce então o microprocessador e com ele várias vantagens como: menor aquecimento se comparado às válvulas, seu baixo custo e sua facilidade na transmissão e recepção de elétrons por ser um elemento semicondutor pertencente ao grupo dos semimetais segundo o químico russo Dimitri Mendelev [Saffioti 1968]. Além disso, o uso de transistores permite um maior desempenho quando do processamento de instruções já que a temperatura interna ao computador foi reduzida pela aplicação de circuitos elétricos ao invés de válvulas ou relés [Tanenbaum 2001]. Gradativamente, todos os tipos de arquiteturas aderiram ao uso de microprocessadores, pois apresentavam ótimo custo-benefício o que agradava o mercado dos usuários finais. A partir daí, os enormes mainframes foram substituídos por multiprocessadores compostos por um pequeno número de microprocessadores comerciais, por sua vez mais baratos; além disso, o surgimento de servidores robustos fez com que os minicomputadores caíssem em desuso; e também os supercomputadores estão sendo substituídos por uma coleção de computadores que apresentam custodesempenho melhor [Henessy 2003]. Buscando sempre um maior desempenho surgiu o conceito de paralelismo ao nível de instruções que consiste no processamento simultâneo de instruções. Porém, tal política de paralelismo de baixo nível tornou-se inviável verificando-se que com o acréscimo de N instruções, em paralelo, a complexidade durante o projeto da arquitetura em questão era quadrática (n²). Em contrapartida havia outra forma de paralelismo de baixo nível, ao nível de processadores. Dentre os computadores que adotam tal paralelismo, estão as máquinas de processamento simétrico (Symetric Multiprocessing- SMP), nestas há a coexistência de vários processadores, geralmente de dois a oito, na mesma placa-mãe onde cada qual compartilha todos os seus recursos por meio de uma memória compartilhada (shared memory) através de hardware dedicado. Máquinas SMP fazem uso do acrônimo: dividir para conquistar no qual um processo pode ser divido em tantas partes quanto o número de processadores e estes executam de forma síncrona as partes do processo a eles delegadas em um tempo relativamente menor, se comparado a uma máquina monoprocessada. A maior desvantagem deste tipo de arquitetura é a limitação quanto a escalabilidade já que a memória é do tipo compartilhada. Tal fator limita, também, a velocidade da freqüência de clock [Tanenbaum 2003]. Há um problema em comum a estes dois tipos de paralelismo: o limite da velocidade da freqüência de clock, pois como todas as arquiteturas são baseadas em hardware há transmissão de impulsos elétricos pelos transistores através do barramento. Tais impulsos geram interrupções que orientam o processador a realizar as tarefas de

3 acordo com as devidas operações requisitadas pelo sistema operacional. Entretanto, um elétron gasta um tempo t para ser transmitido de um transistor a outro onde t é diferente de zero. Como alternativa a este limite foi desenvolvido, no âmbito da arquitetura de sistemas operacionais distribuídos, um novo paradigma onde há o compartilhamento de recursos entre computadores através de troca de mensagens via rede, haja visto que cada máquina possui sua própria memória local, comumente chamada de memória distribuída (distributed memory) e seus próprios recursos como processadores, por exemplo. Com isso, a escalabilidade é ditada apenas pela largura de banda-passante do padrão de rede utilizado e sua latência permitindo uma maior flexibilidade quanto ao acréscimo ou remoção de máquinas ao longo do agrupamento permitindo a adaptação da velocidade da freqüência de clock desejada. Este novo paradigma recebe o nome de cluster que é denominado, com freqüência, como aglomerado ou agrupamento de computadores. 2. Concepções Elementares de Aglomerados de Computadores Podemos conceituar cluster como um agrupamento com dois ou mais computadores de mesma ou diferente configuração trabalhando em conjunto e colaborando uns com os outros na execução de tarefas aparentando ser uma única máquina e, portanto, agindo de forma transparente ao usuário, isto é, este último não percebe (tampouco se preocupa) que sejam duas ou mais máquinas agrupadas trabalhando em conjunto. O motivo de ser imperceptível ao usuário deve-se ao conceito de imagem única. 2.1 Conceito de Imagem Única O principal objetivo do conceito de System Single Image (SSI) é tornar a arquitetura do sistema transparente ao usuário, ou seja, em nenhum momento o usuário deve perceber ou preocupar-se com a existência das máquinas que formam o agrupamento, seja em seu funcionamento normal ou mesmo quando uma delas falhar. Neste último caso, o intuito é fazer com que os serviços oferecidos pelo aglomerado continuem disponíveis. Além disso, o usuário não deve se preocupar onde e como os processos estão sendo executados ao longo do cluster. Portanto, não há necessidade de haverem periféricos de interface homem-máquina em todos os nós do agrupamento possibilitando a redução de custos durante a implantação do mesmo. Apenas o nó onde o usuário está logado deve prover acesso a tais periféricos. Em agrupamentos cuja arquitetura é centralizada, ou seja, um nó central é responsável por todo o controle e gerência do sistema, o sistema de imagem única é provido por este nó que intercepta as várias partes do processo em execução sem que o usuário perceba. A distribuição de tarefas aos outros nós é realizada pelo nó central (mestre) e este também será responsável pela recepção do processamento de todas as requisições realizadas pelos nós escravos. Existem também arquiteturas descentralizadas cujos nós são mestres para si e escravos para os outros. O sistema de imagem única da arquitetura em questão é provido através da camada de adaptação cuja função é interceptar os processos ao longo do cluster tendo em vista a migração de processos de um nó a outro. A descentralização de um sistema clusterizado não permite que uma máquina central tenha controle sobre

4 as demais. Eis aí o motivo para a aplicabilidade de uma camada especial, a camada de adaptação. 2.2 Tipos de Agrupamento de Computadores A tipificação dos agrupamentos de computadores é dada principalmente pela aplicabilidade solicitada pelo usuário. Clusters HPC (High Performance Computing) são destinados à execução de tarefas grandes e complexas que exijam alto processamento em um certo ínterim. Atualmente, os supercomputadores estão sendo substituídos por aglomerados de computadores. Um dos motivos é a redução de custos já que um cluster pode processar o mesmo volume de dados que um supercomputador com um investimento 40% menor deste último. Além disso, os componentes de prateleira (Component Of Table-COTs), são muito utilizados em clusters e por serem produzidos em larga escala são mais baratos do que os componentes de um supercomputador. Contudo, o maior mercado é ainda o de desktops, portanto a velocidade de evolução dos COTs é ascendente se comparada à evolução dos componentes formadores dos supercomputadores. Em clusters de alto desempenho a regra é procurar processar volumes de dados cada vez maiores em um tempo cada vez menor. A este fim destina-se o processamento concorrente de processos ou de partes dele. Agrupamentos do tipo HPC suportados por arquiteturas centralizadas devem possuir mais de dois nós sendo que um deles chamado de nó mestre é responsável pelo controle e gerenciamento dos outros nós (escravos) ao longo do cluster. Os nós escravos são responsáveis pela execução das tarefas a eles delegadas pelo nó mestre. Este recebe todo o processamento das requisições provido pelos escravos. Devemos salientar que o nó mestre deve ser projetado para evitar que o fluxo da troca de mensagens internós não seja maior do que o tempo gasto no processamento da tarefa. Outro fator importante é a sincronização dos nós, ou seja, quando um processo é dividido podemos perceber que algumas partes deste processo dependem umas das outras, tal dependência é chamada granulosidade. Com isso, o nó mestre deve coordenar o processamento de cada nó e ainda fazer com que cada resposta recebida seja ordenada de forma a não permitir inconsistência no resultado final. Os clusters de arquitetura descentralizada têm como principal desvantagem a não divisão de processos já que cada nó é independente não havendo um que controle todos os outros. De fato um agrupamento que adote tal arquitetura terá um desempenho inferior ao de um suportado pela arquitetura centralizada (mestre-escravo). Porém, se um nó de um aglomerado cujo sistema é descentralizado cair, o impacto causado em todo o aglomerado é bem menor se compararmos a um cluster cuja arquitetura é do tipo centralizada. Aqui se o nó controlador cair todo o cluster cai em desuso. Em serviços de ISP (Internet Service Provider) há uma grande utilização de agrupamentos de computadores de alta disponibilidade (High Availability-HA) cuja função é manter todos os serviços providos pelo cluster disponíveis de forma quase ininterrupta. Não há uma total disponibilidade de serviços haja visto uma certa ineficiência da qualidade de serviço (Quality of Service-QOS) oferecida atualmente, ou seja, não há garantia que um dado chegará a seu destino em um exato momento. Com isso, um cluster HA é projetado de acordo com um número de noves adequados à disponibilidade desejada. Um cluster dotado de apenas um nove provê disponibilidade

5 de até 90% de seus serviços; um cluster cujo número de noves é de dois fornece a disponibilidade de até 99% e assim sucessivamente. A fim de manter a alta disponibilidade de um agrupamento faz-se mister a redundância de hardware e reconfiguração de software para que os pontos únicos de falha (Single Point of Faliure-SPOF) do sistema sejam reduzidos. [Bookman 2003] Clusters de balanceamento de carga (Load Balancing-LB) são utilizados para a distribuição igualitária de processos ou requisições aos nós do cluster. Evidentemente, faz-se necessária uma boa política de escalonamento de processos onde um dos fatores vitais para o bom projeto deste tipo de cluster é a escolha dos escalonadores de processos que serão utilizados. Como principal característica, o escalonador deve ser preemptivo a fim de evitar a estagnação (postergação) de requisições. Além disso, devemos optar por escalonadores que de certa forma distribuam justamente os processos tendo em vista a freqüência de clock de cada nó e a disponibilidade de recursos. O escalonador mais utilizado é o Weighted Fair, pois este apresenta tais características aqui apresentadas. Aglomerados do tipo Combo (Combined Load Balancing and High Availability), como o próprio nome já diz, é a hibridização dos clusters HA e LB. Tal tipo de cluster é muito utilizado em serviços de missão crítica e de servidores de , pois tais serviços não podem para e recebem um grande fluxo de requisições. Salientamos que o balanceamento de carga é uma forma de aumentar a alta disponibilidade já que há redução da sobrecarga de requisições sobre os nós do sistema. 3. O Intuito da Pesquisa Propomos um estudo minucioso de clusters de alto desempenho dotados de arquitetura centralizada comparando-os, e assim medindo o desempenho de cada um, segundo a Lei de Amdahl que mede a aceleração (speedup) do processamento de dados quando da otimização de algum recurso. Essa Lei prega que o speedup é calculado pela divisão da porcentagem seqüencial pela porcentagem paralelizada, otimizada, do sistema em questão. Implantaremos três clusters sendo que dois deles apresentam arquitetura centralizada e enfrentam um problema em comum: a vulnerabilidade à indisponibilidade de serviços. Isto ocorre porque todo o agrupamento é controlado por apenas um nó e se este vier a cair todo o cluster cairá em desuso. O primeiro agrupamento possuirá três nós sendo um mestre e dois escravos. A principal configuração deste cluster será: memória de 256 MB RAM DIMM, 10GB de HD, processador AMD Duron 700MHz, placa mãe PC CHIPS M805, duas placas de rede Realtek rtc 8139c 10/100 para o nó mestre e 64MB RAM DIMM, ausente de HD, processador AMD K MHz, placa mãe PC CHIPS M805 e uma placa de rede Realtek rtc 8139c 10/100 para os escravos. Implantaremos o segundo aglomerado com o intuito de provarmos um aumento do speedup e da escabilidade. Para isso, utilizaremos seis nós sendo um mestre e cinco escravos cuja configuração será: memória de 256 MB RAM DIMM, 10GB de HD, processador AMD Duron 700MHz, placa mãe PC CHIPS M805, duas placas de rede Realtek rtc 8139c 10/100 para o mestre e para os escravos serão utilizadas memória de 64MB RAM DIMM, ausente de HD, processador AMD K MHz, placa mãe PC CHIPS M805 e uma placa de rede Realtek rtc 8139c 10/100.

6 O terceiro possuirá uma arquitetura atípica, pois este será suportado por dois mestres que realizarão balanceamento de carga entre si onde cada qual possui dois escravos. Esta decisão foi tomada mediante a um estudo conciso sobre as conseqüências das arquiteturas centralizadas e descentralizadas. Percebemos que nesta última não há divisão de um processo em várias partes e isso torna o desempenho do cluster pior do que um agrupamento que utilize a arquitetura centralizada. Além disso, o preço que se paga pela não divisão de processos é a ociosidade de alguns nós do aglomerado quando este processa um número de processos inferior ao número de nós do cluster. As principais configurações deste cluster serão idênticas às configurações dos dois primeiros. A maior desvantagem de um cluster de alto desempenho de arquitetura centralizada é a maior suscetibilidade à indisponibilidade de serviços haja visto que todo o controle e gerenciamento do agrupamento é realizado por apenas um nó. Caso este seja sobrecarregado por um grande número de requisições, ele tende a falhar. Portanto o cluster proposto tem a arquitetura semi centralizada, ou seja, há dois mestres, ao invés de apenas um, que trata do controle do processamento das requisições. Se por ventura um dos nós falhar, este leva consigo apenas dois escravos proporcionando a continuidade do processamento das requisições. O sistema operacional utilizado será o Linux Slackware 10 por possuir códigofonte aberto e ter núcleo (kernel) monolítico modular. Tais características provêem a adaptação do sistema operacional atendendo às necessidades de cada máquina do cluster, um maior desempenho pela ausência de troca de mensagens entre os módulos que compõem o núcleo do sistema operacional e o carregamento, ou não, de módulos do kernel quando necessário, respectivamente. Além disso, a escalabilidade de um agrupamento suportado pelo sistema operacional Linux é dependente apenas da latência e banda-passante da rede utilizada. Caso optássemos por um sistema operacional de código-fonte fechado como o Windows NT 5.0, por exemplo, teríamos que obedecer a um certo limite de nós que poderiam ser alocados ao cluster que neste caso é de 32 máquinas. Tal limitação impediria um futuro acréscimo de nós ao aglomerado [Oliveira 2001]. O padrão de rede utilizado será o Fast Ethernet por apresentar um bom custobenefício. A latência deste padrão é de 10µs e sua banda-passante é de 100Mbps. Sabemos que tal padrão possui alta latência e baixa banda-passante se comparado a padrões dedicados a aglomerados de computadores como o HIPPI que possui bandapassante de 1,6 Gbps, em modo full duplex, e latência de apenas 3 µs. Mas este padrão se torna inviável, pois é baseado em fibra ótica o que o torna muito caro. Como biblioteca de troca de mensagens (message passing) utilizaremos a MPI (Message Passing Interface) por apresentar uma estrutura baseada em communicators aumentando de forma significante a segurança durante a transmissão de mensagens dificultando o extravio de pacotes. Além disso, tal biblioteca foi desenvolvida especialmente para agrupamentos de computadores oferecendo assim um desempenho superior a aglomerados que utilizem outro tipo de message passing, como o PVM (Parallel Virtual Machine), por exemplo [Kusel 2004]. 4. Conclusão A proposta se encontra em fase inicial de desenvolvimento. Temos boas expectativas quanto ao projeto, pois este colaborará com a comunidade científica haja visto que o

7 sistema operacional utilizado é de código-fonte aberto tornando possível a alteração e estudo deste tipo de cluster. Devemos ressaltar que aglomerados de computadores são uma grande tendência porque os COTs são baratos e sua evolução ocorre de forma mais veloz se comparada a componentes de supercomputadores. Por ser uma solução extremamente viável, aglomerados que possuam centenas de nós podem ser implantados para o processamento massivo de dados. Estamos prevendo alguns problemas quanto à troca de mensagens extra que ocorre durante o balanceamento de carga do terceiro cluster. Porém, tal problema poderá ser compensado pela redução da sobrecarga de requisições em um certo nó. A arquitetura proposta trata da eventual redução do problema do limite da freqüência de clock e provê a conciliação de alto desempenho com redução da suscetibilidade da indisponibilidade de serviços apresentadas em clusters de arquitetura descentralizada. Referências Bookman, C. (2003) Agrupamento de Computadores em Linux Aprenda a construir e manter grupos de computadores com Linux, Ciência Moderna, Rio de Janeiro Henessy, J. L. e Patterson, D. A. (2003) Arquitetura de Computadores Uma Abordagem Quantitativa, Campus, Rio de Janeiro. Küsel, R. (2004) Curso de MPI, Janeiro Oliveira, Rômulo Silva de, Carissimi, Alexandre da Silva, Toscani, Simão Sirineo., (2001) Sistemas Operacionais, 2ª. edição, Sagra Luzzatto, Porto Alegre. Saffioti, W. (1968) Fundamentos de Química, Companhia Editora Nacional, São Paulo. Tanenbaum, A. S. (2001) Organização Estruturada de Computadores, Livros Técnicos e Científicos, Rio de Janeiro. Tanenbaum, A. S. (2003) Sistemas Operacionais Modernos, Prentice-Hall, Rio de Janeiro.

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