PROPOSTA DE UM PROTOCOLO LEVE PARA CLUSTERS DE COMPUTADORES

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE INFORMÁTICA PROJETO DE GRADUAÇÃO PROPOSTA DE UM PROTOCOLO LEVE PARA CLUSTERS DE COMPUTADORES JOSÉ CARLOS CAMPANA FILHO

2 VITÓRIA ES 05/2002 José Carlos Campana Filho PROPOSTA DE UM PROTOCOLO LEVE PARA CLUSTERS DE COMPUTADORES Parte manuscrita do Projeto de Graduação do aluno José Carlos Campana Filho, apresentado como requisito para requerer o grau de bacharel em Ciência da Computação pela Universidade Federal do Espírito Santo.

3 VITÓRIA ES 05/2002 JOSÉ CARLOS CAMPANA FILHO PROPOSTA DE UM PROTOCOLO LEVE PARA CLUSTERS DE COMPUTADORES COMISSÃO EXAMINADORA: Prof. Msc Sérgio A. Andrade de Freitas Orientador Prof. Dr. Neyval Costa Reis Júnior Examinador Profa. Dra. Lúcia Catabriga Examinadora Vitória - ES, 06/05/2002

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5 dedicatória Aos meus pais.

6 agradecimentos Agradeço a Sérgio A. Andrade de Freitas, meu orientador, pela ajuda prestada na elaboração dos algoritmos desenvolvidos para este projeto de graduação e que cumpriu seu papel de maneira exemplar.

7 SUMÁRIO DEDICATÓRIA...I AGRADECIMENTOS...II SUMÁRIO...III RESUMO...VI CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO...7 CAPÍTULO 2 - CLUSTERS CAMADAS DE UM CLUSTER Cluster de carga balanceada Web server cluster Application server cluster Database server cluster Cluster Beowulf Arquitetura de Cluster Usuário Controle Gerenciamento Armazenamento Instalação Computação (Cálculo) Arquitetura de rede Tecnologias Switch Como projetar a rede cluster Acesso remoto/equinox terminal server Arquitetura de Software Sistema Operacional Sistema de arquivo Sistema de arquivo paralelo Parallel Virtual Machine (PVM) Máquina Virtual Paralela...21

8 Message Passing Interface (MPI) Interface por Passagem de Mensagem OpenMP Gerenciamento de Recursos Gerenciamento do trabalho Gerenciador de recursos Job scheduler/policy manager...24 CAPÍTULO 3 TCP/IP E RTP Introdução Arquitetura TCP/IP A camada de Aplicação A camada de Transporte A camada Inter-Redes ou Internet A camada Host-Rede (Físico) Protocolo TCP Funções do TCP Formato do Cabeçalho do TCP [4] Protocolo IP Desvantagens do IP Formato do cabeçalho IP [4] Funcionamento do TCP/IP Nível TCP Nível IP Fragmentação de datagramas e Reagrupamento RTP (Real Time Protocol) RTCP (RTP Control Protocol)...44 CAPÍTULO 4 O PROTOCOLO TCP-CAMP Introdução TCP-Camp mínimo Vantagens Desvantagens...50

9 4.3 - TCP-Camp Vantagens Desvantagens TCP-Camp com janela variável (JV) Vantagens Desvantagens TCP-Camp com campo de dados variável (CDV) Vantagens Desvantagens Análise Final...60 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS...61 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...62

10 Resumo O objetivo deste Projeto de Graduação é a elaboração de um protocolo de transporte leve para clusters de computadores, para aumentar a performance de transmissão de dados e com isso tornar mais rápida a execução de aplicações paralelas.

11 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO O presente texto apresenta uma proposta de um protocolo de transporte leve para clusters de computadores denominado TCP-Camp. Tal protocolo foi criado tendo por base o protocolo TCP/IP [2] [3] [4] e o protocolo RTP (para multimídia) [5]. A principal motivação para esta proposta é que em breve teremos no Departamento de Informática um cluster de 48 máquinas, o qual será ostensivamente usado por diversos grupos de pesquisa e em diversos níveis: estudo de arquitetura, desenvolvimento de aplicações paralelas e testes. Principalmente ao nível de testes e desenvolvimento de aplicações paralelas, faz-se necessário a execução o mais rápida o possível, o que em grande parte demanda tempo de máquina, mas que tem com um de seus gargalos a velocidade da troca de mensagens entre os diversos nodos de computadores que compõem o cluster. É fácil perceber que se o protocolo de transporte for pesado (com grandes cabeçalhos nos pacotes de transporte e com protocolos muito redundantes) logo a transmissão de mensagens através da rede será lenta, acarretando um atraso na execução da aplicação ou teste como um todo. Vale aqui ressaltar, por motivos de comparação, que a rede de comunicação do cluster comporta-se, por analogia, como o barramento interno de um computador e o cluster pode ser comparado a um grande computador com múltiplos processadores. Esta monografia esta assim estruturada: no capítulo 2 são apresentados os conceitos fundamentais de um cluster de computadores, no capítulo 3 são apresentados os protocolos TCP/IP e RTP, no capítulo 4 é apresentado o TCP-Camp e suas diversas variantes e são feitos os testes de desempenho comparativos com o TCP/IP. Finalmente no capítulo 5 são apresentadas as conclusões e algumas propostas de trabalhos futuros.

12 CAPÍTULO 2 - CLUSTERS Sempre que se tem dois ou mais computadores juntos para resolver um problema, se tem um cluster. Todos os clusters [1] caem basicamente em duas grandes categorias: High Availability (HA) ou Alta Eficácia, e High-Performance Computing (HPC) ou Computação de Alta Performance. O cluster HA é proposto para fornecer serviços de extrema confiança. E o HPC é uma configuração de cluster projetada para fornecer uma potência computacional maior do que um computador sozinho poderia fornecer. 2.1 Camadas de um Cluster Uma rede típica de cluster, como mostra a figura 2.1, é formada por várias camadas: figura 2.1 Cluster genérico

13 Cluster de carga balanceada No alto do diagrama da figura 2.1 está a Internet. Note que há múltiplas conexões redundantes. Estas irão amarrar dentro de um método de carga balanceada, através de hardware dedicado ou através dos vários produtos de software, tais como o Linux Virtual Server (LVS) Web server cluster A camada seguinte é onde os servidores de rede residem. Este é simplesmente um grupo de máquinas rodando uma aplicação do servidor Web, tal como Apache. Estes servidores podem apresentar páginas estáticas ou podem ter a infra-estrutura do núcleo das páginas mais complexas com conteúdo dinâmico. Se um servidor falhar, isto será notado pelos equilibradores de carga, e as requisições futuras serão enviadas para outros servidores. Se a carga aumentar dramaticamente, os servidores adicionais podem facilmente ser adicionados Application server cluster É na camada de aplicação que o código do servidor é executado. O servidor Java TM é mantido e executado nesta camada. Este será geralmente um tipo de solução de alta eficácia. Neste nível, é ainda razoavelmente fácil adicionar máquinas adicionais para aumentar a capacidade Database server cluster Finalmente a camada da base de dados. Esta camada requer geralmente alguma forma de solução de HA. Não é difícil, usando os procedimentos esboçados acima, criar uma base de dados robusta, com elevada eficácia para o backend usando Linux e várias escolhas para bases de dados, tais como DB2 ou MySQL. É razoavelmente difícil aumentar a capacidade neste nível sem algum estudo e planejamento no começo. Note também que, no espaço do servidor Web, essas várias camadas podem ser combinadas em uma máquina ou em um par das máquinas.

14 2.2 - Cluster Beowulf figura Componentes do Cluster Beowulf O Beowulf é baseado principalmente no hardware, no software, e nos padrões do produto. É uma das arquiteturas usadas quando as aplicações de computação intensiva são essenciais para um resultado bem sucedido. É uma união de diversos componentes que, se ajustado e selecionado apropriadamente, podem acelerar a execução de uma aplicação bem escrita. Uma visão lógica da arquitetura de Beowulf é ilustrada na figura 2.2. Os sistemas de Beowulf podem ser construídos usando partes diferentes de hardware e de software. Clusters Beowulf são classificados como: CLASSE I: Construído inteiramente usando o hardware e o software do fabricante. As vantagens são o preço, e o uso da tecnologia padrão (SCSI,Ethernet, IDE). 0

15 CLASSE II: Construído não necessariamente usando o hardware e o software do fabricante sozinho. O desempenho é melhor do que o da CLASSE I. A escolha deve ser baseada no orçamento e nas necessidades que você tem; A CLASSE II não é necessariamente a melhor escolha. Os programas de Beowulf são escritos geralmente usando linguagens tais como C e FORTRAN, e usam a passagem de mensagem para conseguir a computação paralela. Um cluster de Beowulf pode ser tão simples quanto dois computadores ligados em rede, cada um rodando Linux e compartilhando um sistema de arquivo através do NFS e usando o comando rsh (shell remoto). Ou pode ser tão complicado quanto 1024 nós com uma velocidade elevada, rede de baixa latência consistindo de nós de gerência e de mestre da rede, e assim por diante Arquitetura de Cluster Esta seção mostra quais componentes existem em um cluster Beowulf, para cada função de nó para a arquitetura de rede. É mostrado um exemplo de como um cluster Beowulf pode ser projetado na Figura

16 Figura 2.3 Exemplo de Cluster Beowulf no Linux Os nós do cluster podem ser divididos baseados em sua função. É importante notar que estas funções podem residir em uma ou mais máquinas. Em um cluster pequeno, todas as funções estarão provavelmente em uma máquina. Em clusters maiores, elas podem ser divididas em muitas unidades. Em clusters muito grandes, uma única função pode ser espalhada através de diversos nós similares. Segue a lista de funções e estrutura dos nós: Usuário; Controle; 2

17 Gerenciamento; Armazenamento; Instalação; Nó de computação Usuário O nó do usuário é a passagem para que o mundo exterior alcance o cluster. Os Usuários logam em uma sessão geralmente na máquina do nó do usuário e compila ou executa seus trabalhos. É preciso ter um ótimo hardware neste nó. Se houver falha, os usuários não podem acessar o cluster. O nó do usuário pode também estar no mesmo servidor que é usado para a gerência ou a instalação Controle O nó de controle pode estar na mesma máquina que cuida de funções de gerência e de instalação. É responsável de controlar os trabalhos. A função de controle pode ser alocada em um dos nós de cálculo ou em qualquer outra máquina responsável para controlar ou gerenciar o cluster. O nó de controle fornece serviços tais como o Protocolo de Configuração Dinâmica de Host (DHCP), o Sistema de Nome de Domínio (DNS), e o Sistema de Arquivos de Rede (NFS). Além disso, o sistema de grupo portátil (PBS) e o escalonador são instalados geralmente nesta máquina. É necessária uma grande preocupação para este hardware e para os dados porque, ao contrário dos nós do cálculo, a falha do nó de controle pode afetar a disponibilidade inteira do cluster Gerenciamento A gerência é a função que gerencia e controla o cluster e seus componentes, por exemplo, switches. Pode estar presente em máquinas dedicadas chamadas nós de gerência, ou, por razões de orçamento, em uma máquina com outras funções, tais como mestre, instalação, e os nós de cálculo. Pode também ser encontrada em uma área local virtual da rede dedicada 3

18 (VLAN), definida como gerenciamento, e acessível somente pelo administrador (para razões da segurança). Pode haver mais de um nó da gerência em um cluster, como em clusters grandes; depende de quantos nós e componentes se necessita gerenciar. O gerente de cluster faz o controle dos nós e coleta alarmes do Simple Network Management Protocol (SNMP). Assim como para os nós de controle, é preciso para este nó um hardware seguro, pois a falha do nó de gerenciamento pode afetar a disponibilidade inteira do cluster Armazenamento A função de armazenamento é executada por máquinas dedicadas e é responsável para armazenar quantidades grandes de dados necessitados pelas aplicações que funcionam em nós de cálculo. Os nós que executam esta função são chamados geralmente nós de armazenamento. É recomendado equipar nós do armazenamento com: Controladores ServeRAID que dão a proteção dos dados usando um dos diferentes níveis RAID disponíveis; Canal de filamento, para velocidade e taxa de transferência melhor; Ethernet 10/100Mbit, para eventualmente conectar a uma gerência VLAN ou rede Instalação O nó da instalação é responsável para a instalação dos nós de cálculo e é consultado às vezes como um servidor ou nó de plataforma. É geralmente um servidor que exporta um sistema de arquivo contendo o sistema operacional, bibliotecas e todo o software necessário para os nós de cálculo. Tem geralmente um adaptador PCI Gigabit Ethernet que permite mais largura de banda e acelera a instalação do cluster. Um servidor de instalação compartilha geralmente de um sistema de arquivo que possa ser acessado via NFS, da web ou do File Transfer Protocol (ftp). É onde o sistema operacional e o software relevante necessitado para que cada nó de cálculo trabalhe são instalados. O nó de instalação pode também ser configurado como um nó de cálculo desde que realize computações. É o único nó na rede pública, visto que os usuários necessitam acessá-lo para poder executar seus trabalhos. 4

19 Computação (Cálculo) A função ou o nó de cálculo é o coração computacional do cluster. Sua atividade principal é executar os cálculos. A função do cálculo é chamada geralmente de nó de cálculo, especialmente para clusters grandes, porque esta função é atribuída às máquinas dedicadas. A escolha de hardware e os parâmetros da configuração do nó de cálculo devem ser baseados nas aplicações que serão executadas no sistema. As seguintes características devem ser consideradas: Tipo de processador; Tamanho e velocidade de cache nível 2; Número de processador por nó; Velocidade do barramento front-side; Escalabilidade do subsistema de memória; Velocidade do barramento PCI. A aplicação interfere na decisão de como construir os nós de cálculo. Por exemplo, se o nó do cálculo for requerido para acessar freqüentemente o cache, o tamanho do subsistema de cache nível 2 e da memória deve ser considerado; um cache grande pode elevar o desempenho. Entretanto, algumas experiências mostram que se sua aplicação puder caber no cache nível 2 e não necessitar acessar freqüentemente o subsistema da memória, o desempenho do nó de cálculo aumenta. Por outro lado, as aplicações que usam grandes quantidades de memória irão se beneficiar de um processador, sistema de barramento, e subsistema de memória mais rápidos. Do ponto de vista do desempenho do processador, o ideal é um processador por um nó de cálculo. Se tiver limitações de orçamento, o recomendado é usar uma máquina SMP. Nos termos da relação do desempenho e preço, uma máquina SMP com dois processadores é melhor do que uma máquina com três ou quatro. O escalonador interno do Linux determina como estes CPUs são compartilhados. Não se pode atribuir uma tarefa específica a um processador específico de SMP. Pode-se, entretanto, começar dois processos independentes ou uma thread e esperar para ver um aumento do desempenho sobre um sistema de uma simples CPU. 5

20 O Hardware de elevada eficácia não é tão importante quanto nas outras partes do cluster. Se houver uma falha no nó, perde-se apenas uma parte do trabalho que pode ser executado mais tarde em um outro nó. Se sua aplicação usar a passagem de mensagem, ou se a aplicação requerer transferência de partes grandes de dados através da rede, pode-se querer considerar adaptadores PCI Gigabit ou Myrinet. Neste caso, é recomendado escolher máquinas com 64-bit, barramento PCI 66MHz para conseguir o máximo desempenho do barramento desses adaptadores. É possível que um nó de cálculo pode ter o controle de outras funções também, tais como: controle, instalação e gerência. É desejável condensar funções múltiplas no mesmo nó se seu orçamento for um fator importante, ou para pequenos clusters Arquitetura de rede Network é a conversão de um grupo das máquinas em um único sistema. O networking em clusters de Beowulf é muito importante. A maior demanda de comunicação ocorre entre os nós de cálculo. Devido à demanda de comunicação entre nós de cálculo, o desempenho da rede é um tópico muito importante a ser considerado em um tipo Beowulf de cluster. Dependendo das características dos programas que estão sendo executados, as redes de elevada largura de banda, velocidade e baixa latência podem ser requeridas. A comunicação da rede determinará a classe Beowulf do sistema e o grau de complexidade na construção de programas eficientes. Os gargalos preliminares de Beowulf são a travessia da largura de banda da rede, latência, e sincronização global Tecnologias É mostrado abaixo algumas tecnologias e protocolos usados na comunicação interprocesso de um cluster Beowulf: Fast Ethernet Gigabit Ethernet Myrinet 6

21 Switch A demanda para larguras de banda elevadas e o crescente número dos nós na mesma rede são as razões as mais importantes para o uso de um switch. Um switch aceita pacotes em fios de par trançado dos nós e não os transmite a todos os nós conectados para determinar quem é o receptor, como um hub faz. Ao invés, um switch usa o campo de endereço do destino do pacote para determinar quem é o receptor e envia o pacote somente para ele. Entretanto, como o número dos nós em um cluster aumenta, um switch não pode ser suficiente. Cada nó deve poder se comunicar com todos os outros nós do cluster na mesma rede sem ter roteadores no caminho, porque os roteadores podem afetar o desempenho Como projetar a rede cluster O cluster necessita uma topologia da rede a fim de poder se comunicar entre os nós (bem como com o resto do mundo). Os componentes da rede cluster podem ser resumidos como: IPC: para permitir que os nós passem mensagens e bloco de dados; Gerenciamento: para satisfer a todas as necessidades dos administradores do cluster; Cluster: usado somente para o I/O e tráfego do trabalho. público: pela necessidade de uma maneira de se comunicar à rede LAN ou de área larga (WAN) a fim ter o acesso ao cluster. É preciso decidir o que fazer para sua rede: topologia de rede simples, onde o cálculo, o mestre, a instalação, e os nós de armazenamento estão todos conectados dividir sua rede em diversas redes de área local virtuais (VLANs). É criado geralmente diversas VLANs. Para fazer isto, é preciso um swicth inteligente ou de nível 2 capaz de controlar uma rede virtual, isto é, a habilidade de configurar topologias lógicas no alto da infra-estrutura física da rede. A VLAN oferece benefícios em termos da eficiência no uso da largura de banda, da flexibilidade, do desempenho, e da segurança. Do ponto de vista lógico, a tecnologia VLAN é uma segmentação da rede em domínios diferentes da transmissão de modo que os pacotes sejam comutados somente entre as portas designadas para ser parte da mesma VLAN. 7

22 A figura 2.4 mostra as seguintes VLAN s: Gerenciamento: Esta VLAN é usada para acessar Myrinet ou outro switch da camada 2 usado para o IPC, Rede do Processador de Serviço, e o Equinox TM (somente para fins da gerência). Telnet e SNMP são usados controlar o swicth, Equinox e a Rede do Processador de Serviço. Esta VLAN é isolada geralmente por razões de segurança. Cluster: Os nós de cálculo e de armazenamento usam esta VLAN somente para o tráfego de I/O. O nó mestre usa esta rede somente para a gerência do cluster e instalação. Público: O nó mestre é conectado a esta rede para o acesso de usuário e abertura de trabalho. Rede do Processador de Serviço: Uma ligação Ethernet ao Processador de Serviço; usado para finalidades da gerência. Figura 2.4: esquema de rede de cluster Beowulf Acesso remoto/equinox terminal server O sistema operacional Linux, como todos os sistemas operacionais baseados em UNIX antes dele, fala em um nível muito baixo à porta serial na máquina. Um nível extremamente elevado do controle remoto está disponível através desta porta serial. A gerência remota do sistema operacional é facilitada pelo uso de um terminal de servidor. 8

23 O terminal de servidor conecta à porta serial em cada nó de cálculo e nos permite ao telnet, ou compartilha, esta porta de comunicações. Pode-se remotamente acessar o sistema operacional de algum e todos nós de calculo usando o terminal de servidor Arquitetura de Software Para desenvolver e rodar aplicações em um cluster são necessários muitos componentes de software: Sistema Operacional Drivers de dispositivo Bibliotecas Ferramentas de desenvolvimento e debugger Compiladores Ferramentas de recursos de gerenciamento Sistema Operacional Um sistema operacional executa diversas tarefas, como reconhecer a entrada do teclado, emitindo a saída na tela, controlando dispositivos periféricos, e mantendo-se a par de arquivos e de diretórios no disco. Diversos sistemas operacionais podem ser usados para criar um cluster de Beowulf e Linux é um deles Sistema de arquivo O sistema de arquivo é a parte principal de todo o sistema operacional; é um repositório para programas e dados. O sistema de arquivo tem dois significados separados em Linux: pode ser o conceito de uma hierarquia do diretório raiz, com as partições diferentes montadas sob o diretório de raiz. Não há nenhuma letra, como com Microsoft Windows, para identificar as partições, e tudo é visto como um arquivo. que pode consultar aos formatos específicos para representar arquivos ou diretórios em um disco ou em uma memória, por exemplo, em EXT2 e em JFS. Em um ambiente de cluster, faz sentido falar sobre sistemas de arquivos distribuídos. Cada nó de Beowulf, se não é um cliente sem disco, têm um sistema de arquivo local que 9

24 possa necessitar acessar os processos que executam nos outros nós. Esta é a razão básica para usar um sistema de arquivo distribuído em um cluster de Beowulf. Um sistema de arquivo distribuído tem as características que o distinguem de um sistema de arquivo local: Transparência da rede: arquivos remotos e locais podem ser acessados usando a mesma chamada ao sistema Transparência da localização: O nome do arquivo não é limitado a sua localização, porque o servidor que o contem não é parte do caminho. Independência de localização: Se a posição física do arquivo mudar, seu nome não muda necessariamente, porque o nome do servidor que o contém o não é parte do caminho do arquivo Sistema de arquivo paralelo Uma área crítica que onde os clusters em Linux tinham era a falta de suporte ao sistema de arquivo paralelo, que é essencial para o alto desempenho de I/O. Os sistemas de arquivo locais trabalham por um lado criando um mapa entre os blocos encontrados nos dispositivos de armazenamento e por outro em arquivos e em diretórios. Por causa disto, os dispositivos são vistos como locais e não compartilhados, assim não há necessidade de o sistema de arquivo reforçar a semântica de dispositivo compartilhado. Para melhorar o desempenho do sistema de arquivo, pode-se melhorar o caching e combinar operações de sistema de arquivo para reduzir o número de acessos ao disco requeridos para cada operação de sistema de arquivo. As tecnologias atuais permitem que as múltiplas máquinas compartilhem os dispositivos de armazenamento. Os sistemas de arquivos que permitem que estas máquinas montem simultaneamente e acessem arquivos nestes dispositivos compartilhados são chamados sistemas de arquivos de disco compartilhado. Ao contrário dos sistemas de arquivos distribuídos tradicionais onde o servidor controla os dispositivos e é o foco de todos os dados compartilhados. Uma abordagem de sistema de arquivo de dispositivo compartilhado oferece muitas vantagens em relação ao tradicional sistema de arquivo do cliente-servidor: Aumento da disponibilidade do sistema de arquivo: não há um ponto de falha no host porque o sistema de arquivo é ainda acessível a outros hosts. 0

25 Equilíbrio da carga: o cliente pode acessar qualquer bloco de dados em qualquer dispositivo de armazenamento. Escalabilidade na capacidade, conectividade, e largura de banda pode ser conseguida sem as limitações inerentes nos sistemas de arquivo da rede, tais como o NFS, que são projetados em torno de um servidor centralizado. Os sistemas de arquivos paralelos são vitais para aplicações paralelas de I/O intensivo. Os sistemas de arquivos globais (GFS) e os sistemas de arquivos virtuais paralelos (PVFS) são disponíveis atualmente, e a IBM planeja executar os sistemas de arquivos paralelos gerais (GPFS) para a plataforma Linux Comunicação entre processos (IPC) Uma comunicação entre processos (IPC) é a troca dos dados entre um processo e outro, seja na rede ou no mesmo computador. A troca dos dados implica em um protocolo que garanta que uma resposta ocorra para cada requisição. As tecnologias apresentadas na subseção de Tecnologias são apropriadas para o IPC. É recomendado usar uma largura de banda elevada e uma tecnologia de baixa latência, tal como Myrinet ou Giganet, com uma aplicação que use a troca de mensagem entre processadores em placas-mãe diferentes. O Fast Ethernet é adequado onde o trabalho da rede não é um gargalo. O IPC é um elemento que é levado em conta nas definições dos níveis e classes de um cluster Beowulf Parallel Virtual Machine (PVM) Máquina Virtual Paralela PVM é uma interface de programação de aplicação (API) que facilita a computação paralela. PVM é projetado para o uso através de cluster. Ao codificar uma aplicação usando o PVM API, tem-se então uma aplicação que funciona em um cluster. Neste ambiente, uma máquina executa o console PVM. O console PVM está ciente de todos os nós disponíveis a ele. Um trabalho é submetido ao console PVM onde é distribuído através dos nós PVM. Os resultados são retornados ao console PVM e recompilado em um resultado completo. PVM é muito eficiente para os trabalhos que podem ser feitos em um ambiente pouco acoplado, isto é, aqueles que podem ser feitos em partes individuais. Há outras soluções que são provavelmente mais satisfatórias para trabalhos com exigências mais estritas de uma comunicação. 1

26 Message Passing Interface (MPI) Interface por Passagem de Mensagem As especificações MPI são usadas geralmente onde há necessidade de uma camada lógica da estrutura para uma camada física de uma comunicação, por exemplo, quando as aplicações necessitam interagir com diversos CPUs em placas-mãe diferentes. MPI é uma especificação padrão de bibliotecas de passagem de mensagem para escrita de programas paralelos. A passagem de mensagem foi adotada extensamente por causa de sua associação próxima com os atributos físicos da arquitetura de SMP. A passagem da mensagem suporta uma interação entre processos seqüenciais. Um ou mais processos rodam em cada processador e eles interagem via mensagens conduzidas através da rede física. MPICH é a implementação mais portável e mais usada especificação de MPI para uma grande variedade de ambientes paralelos e de computação distribuída. O uso de MPICH é particularmente popular em redes da estação de trabalho e nos cluster Beowulf heterogêneos, onde nenhuma implementação do vendedor está disponível. O paradigma de programação passagem de mensagem supõe que um programa de aplicação está dividido em diversas tarefas, cada tarefa tem seus próprios dados privados e espaço de endereçamento. Não há nenhum dado global compartilhado entre tarefas do programa. Toda a sincronização e comunicação entre as tarefas são realizadas por chamadas explícitas à biblioteca entre tarefas, tais como a MPI_RECEIVE e MPI_SEND. Como o programador tem o controle total sobre a interação da tarefa, uma melhor escalabilidade pode ser conseguida projetando a sincronização e a comunicação entre tarefas corretamente, mais do que todas outras técnicas de paralelização usadas hoje OpenMP O PVM e o MPI são projetados especificamente para trabalhar em um cluster. OpenMP é projetado para trabalhar em uma máquina de multi-processadores simétricos (SMP). No modelo SMP, os processadores têm um espaço de endereço compartilhado da memória, que pode ser usado para transportar mensagens. OpenMP usa este espaço de endereço compartilhado da memória e é conseqüentemente muito eficiente no ambiente SMP. Entretanto, não é útil em um ambiente de cluster. Contudo em determinadas situações, OpenMP pode ser combinado com o MPI ou o PVM para utilizar ambos o SMP e ambientes de cluster. 2

27 Gerenciamento de Recursos Do ponto de vista do usuário, um cluster é como todos os outros servidores ou PC. O usuário se loga e executa programas interativos. Isto é verdade para todos os usuários que acessem o mesmo cluster. Entretanto, deve-se manter baixo o uso intenso por indivíduos; se muitos dos recursos de clusters forem usados ao mesmo tempo, o desempenho irá diminuir. O escalonador é responsável pela gerência de recurso no cluster. Embora seja possível executar um trabalho que use todos os recursos disponíveis, um trabalho usa tipicamente muito menos recursos do que usaria. Com o escalonador, você especifica quantos nós você necessita e quanto tempo é esperado que seu trabalho rode (junto com várias outras informações). O escalonador então organiza a melhor maneira para executar o trabalho, tentando manter o cluster o máximo uso possível em todo o tempo Gerenciamento do trabalho Os clusters Beowulf requerem um mecanismo para controlar e programar os trabalhos e a carga de trabalho de diferentes usuários. A idéia é utilizar a máxima eficiência possível em um dado tempo e hardware. Isto assegura o uso otimizado do tempo do cálculo do cluster e obterá resultados tão rapidamente quanto possível Gerenciador de recursos É essencial que o usuário possa pedir um nó computacional apropriado para uma dada tarefa. Para permitir que isso aconteça, o gerenciador de recursos coordena as ações de todos os outros componentes no sistema mantendo uma base de dados de todos recursos, requisições submetidas, e trabalho rodando. Em um ambiente heterogêneo, é importante que o gerenciador de recursos conserve seu mais poderoso recurso o maior tempo possível, a menos que tenha sido especificamente requerido. É necessário também fornecer algum nível de redundância para problemas com a falha computacional do nó e escalonar centenas de trabalhos em milhares de nós. Deve também suportar os ganchos para a acumulação de máquinas múltiplas em locais diferentes. 3

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