Influência da comunicação no rendimento de uma renderização de imagem utilizando uma máquina paralela virtual baseada em redes ATM e Ethernet

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1 Influência da comunicação no rendimento de uma renderização de imagem utilizando uma máquina paralela virtual baseada em redes ATM e Ethernet Marcelo Souza, Josemar Souza. ) Universidade Católica do Salvador Curso de Informática Salvador, Bahia, Brasil. CEBACAD - Salvador Centro Baiano de Computação de Alto Desempenho Salvador, Bahia Brasil Resumo: Este artigo apresenta a avaliação da influência da comunicação no desempenho da renderização de uma imagem utilizando o software PVMPov em uma máquina paralela virtual de estações de trabalho. Foi utilizada a estrutura de Rede do projeto REMAV Salvador, criando - se um cluster de estações de trabalho em diferentes localidades a fim de avaliar o desempenho (performance ) dessa máquina utilizando - se de uma rede padrão ATM em comparação a uma rede Ethernet. Abstract : This article brings the presentation of the comunication influence on the image - rendering utilizing the PVMPov software in a network based virtual parallel machine. This work was supplied by the REMAV- Salvador project structure, building machines clusters at several localities in order to evaluate the efficience ( performance ) of that machine using a ATM standart net confronted to a machine using a Ethernet standart net Palavras chave: ATM, Ethernet, REMAV, PVM, POVRay, PVMPov, Renderização, NOW, SPMD, Redes de Computadores, Sistemas Homogêneos, Computação Paralela, Linux, Cluster. Key words : ATM, Ethernet, REMAV, PVM, POVRay, PVMPov, Rendering, NOW, SPMD, computers networks, Homogeneity systems, parallel computing, Linux, Cluster. 1 - Introdução Computação Paralela refere- se ao conceito de aumento de velocidade na execução de um programa através da divisão deste em pequenos fragmentos que são distribuídos e processados paralelamente, cada fragmento em um processador. Com isto obtemos um ganho de performance na execução de uma tarefa. A premissa é a de que se

2 executando uma tarefa dividida entre vários processadores conseguirá executa- la muito mais rápido [1]. Esses sistemas são compostos por vários processadores que operam concorrentemente, cooperando na execução de uma determinada tarefa. Nas chamadas arquiteturas paralelas o objetivo principal é o aumento da capacidade de processamento, utilizando o potencial oferecido por um grande número de processadores [2]. Apesar de se observar um grande aumento na demanda por aplicações paralelas, a utilização do processamento seqüencial assumiu um grande crescimento no decorrer dos anos, sendo as máquinas que utilizam esta tecnologia as mais divulgadas no mercado. Podemos apontar como principal responsável pelo uso em massa desses equipamentos o baixo custo de aquisição, haja visto que um computador verdadeiramente paralelo é muito mais caro do que computadores seqüenciais. Isto torna mais difícil o acesso de usuários de pequeno porte a um hardware originalmente paralelo [3]. As máquinas paralelas virtuais de estações de trabalho (MPV), também conhecidas como NOW (Network of Workstation), utilizam as redes de computadores comerciais, locais e/ou remotas para paralelizar suas transações. Utiliza um software que permite que um conjunto heterogêneo ou homogêneo de computadores (série, paralelos ou vetoriais) seja visto como uma única máquina. Dentre outros softwares poderemos utilizar o Parallel Virtual Machine (PVM) [4]. PVM é um sistema de passagem de mensagem que habilita uma rede de computadores para ser utilizada como um único sistema de memória distribuída, é um software que permite que um conjunto heterogêneo ou homogêneo de computadores seja visto como uma única máquina, sendo a portabilidade uma de suas características principais as bibliotecas de rotinas de comunicação entre processos são standard de fato [5]. A independência de plataforma que o PVM disponibiliza é indubitavelmente interessante; um software pode ser executado em ambientes diferentes, este fato gera segurança para desenvolvedores de software criarem aplicações paralelas, tendo em vista a portabilidade possível [6]. 1.1 PVMPov PVMPov é a junção do Software Persistence of Vision Raytracer (POVRay) com o PVM. POV- Ray é um software de raytracing 3d de código aberto, desenvolvido apartir do DKBTrace 2.12 (escrito pôr David K. Buck e Aaron A. Collins) por um grupo chamado POV- Team. O software POV- Ray com base em informações fornecidas pôr um arquivo texto simula luzes que interagem com um objeto definido para criar um efeito tridimensional, esses processos são chamados de renderização. O PVMPov é um atualização de código aberto que da a habilidade ao POVRay de distribuir a renderização no cluster heterogêneo ou homogêneo criado pelo PVM [7]. Utilizando o modelo do PVM, tem- se um mestre e vários trabalhadores. O mestre é responsável por dividir a imagem em pequenos blocos, que são distribuídos entre os trabalhadores balanceando sua carga

3 automaticamente. Quando o trabalhador termina seu bloco ele envia este para o mestre que combina tudo em uma forma final. Se algum trabalhador falhar em sua tarefa é possível que o PVMPov complete a renderização. 2 Neces sidade de uma Rede de Alta Velocidade A rede numa MPV serve como barramento para a comunicação entre as máquinas pertencentes ao cluster, dependendo da aplicação que está sendo executada e de como ela foi desenvolvida tem- se a necessidade de uma grande largura banda e de grande disponibilidade da rede. Criando- se um cluster com algumas dezenas de máquinas, a quantidade de mensagens passadas entre elas pode ser um empecilho no aumento de processos, não se pode perder tempo na transmissão de mensagens entres as máquinas do cluster, o processador ficaria ocioso neste tempo, perdendo assim parte da força da MPV. 3. Metodologia utilizada nos experimento s Foi utilizada para os experimentos a rede de alta velocidade do Projeto REMAV- Salvador, que utiliza o padrão de redes ATM. A REMAV- Salvador, Rede Metropolitana de Alta Velocidade Salvador, é o resultado do esforço de seis instituições sediadas nesta capital (Salvador, Bahia, Brasil), todas com larga experiência na construção de redes corporativas e que se consorciaram para montar uma infra- estrutura de alta velocidade que permita o desenvolvimento de novos experimentos e ofereça condições para colocar em prática uma série de projetos já em andamento na área de geoprocessamento, educação a distância, telemedicina, cursos, bibliotecas virtuais, entre outros. ATM é uma tecnologia baseada na segmentação e transmissão (comutação) da informação em pequenos pacotes de tamanho fixo chamados de célula, tendo com principal característica uma comutação rápida de pacotes [8]. A Rede ATM do Projeto REMAV- Salvador possibilita não só uma grande largura de banda mais parâmetros de QoS (Qualidade de Serviço) que nada mais é do que a possibilidade de se estabelecer parâmetros de qualidade entre as pontas e no trajeto das células como tamanho mínimo de largura necessário, melhor caminho, etc. dentro do cluster ganhando assim uma maior velocidade e segurança no trafico de dados. Uma das grandes vantagens da Rede ATM é a de poder interligar pontos distantes a grande velocidade [9]. O projeto em sua fase final pretende a criação de uma MPV entre instituições parceiras (Universidade Católica do Salvador (UCSal), Universidade Federal da Bahia (UFBa), Governo do Estado da Bahia, Telemar, Companhia de Desenvolvimento da Região Metropolitana de Salvador (CONDER), Prefeitura Municipal do Salvador (PMS)). Experimentos foram e estão sendo feitos utilizando máquinas de duas instituições (UCSal e UFBa) parceiras, que estão interligadas através de Rede de Fibra Ótica utilizando a tecnologia de redes ATM a 155 Mbps do Projeto REMAV- Salvador (Fig. 1)

4 Fig. 1 - Rede do projeto REMAV- Salvador 3. Experimentos realizados Foram realizados experimentos com o PVMPov que automaticamente balanceia sua carga dentro do cluster, vale salientar que sendo a o cluster homogêneo não houve necessidade de balanceamento. Foi criado um cluster com três máquinas homogêneas. Primeiramente foi utilizada uma rede Padrão Ethernet de 10Mbps com três máquinas utilizando a ligação ATM entre as instituições envolvidas nos testes (UCSal e UFBa ) somente como backbone. Logo depois foi utilizado uma Rede Padrão ATM (com placas de rede a 25Mbps em cada máquina) fazendo uso das mesmas máquinas do primeiro teste. Nos experimentos sobre ATM fez- se uso de duas máquinas localizadas na UCSal e duas na UFBa interligadas por um switch ATM de 155Mbps, sendo que a velocidade de interligação ficou limitada a 25Mbps devido a limitação das placas de rede de 25 Mbps. Foi utilizado o arquivo de texto skyvase.pov contido no pacote do software PVMPov e que contém as informações para a renderização nos experimentos. O PVMPov lê o arquivo texto que contém as informações descrevendo o objeto e a luz em cena e gera uma imagem do ponto de vista da câmera, descrito dentro do arquivo texto. Diferentes resoluções de imagem, selecionadas antes da renderização, geraram uma maior quantidade de processo a fim de avaliar tráfegos variados criado com a maior quantidade de processo, com isto foi possível avaliar a eficiência do conjunto. Às resoluções da imagem utilizadas foram, 640 x 480, 800 x 600, 1024 x 768 e 2048 x Implementação Para a implementação da MPV, utilizou- se como sistema operacional o Linux (Kernel 2.2.9), utilitários para rede ATM (ATM on Linux v0.59), bibliotecas PVM (PVM v3.4.3), POVRay 3.1 Patched PVMPov 3.1g e protocolos Tcp/Ip. Na utilização da Rede ATM optou- se pelo uso de LANE (Lan Emulation) que simula uma rede Ethernet em cima da rede ATM (Tab.1) (Fig. 2).

5 - Trabalhadores (PVM, responsáv ei s pôr todo o process o) Host: icaro (UFBa) IP: Net Mask: CPU: Intel Pentium 166 Mhz Memória: 16 Mb Cache: 512k HD: IDE 2.1 GB Ethernet: 10 Mbps ATM: 25Mbps Host: hermes (UCSal) IP: Net Mask: CPU: Intel Pentium 166 Mhz Memória: 16 Mb Cache: 512k HD: IDE GB Ethernet: 10 Mbps ATM: 25 Mbps Host: perseu (UCSal) IP: Net Mask: CPU: Intel Pentium 166 Mhz Memória: 16 Mb Cache: 512k HD: IDE 2.1 GB Ethernet: 10Mbps ATM: 25 Mbps - Mestre (Administrar o Cluster. Não envol vid o no trabalho) Host: gandalf (UFBa) IP: Net Mask: CPU: Intel Celeron 466 Mhz Memória: 64 Mb Cache: 128k HD: IDE 5.1 GB Ethernet: 10 Mbps ATM: 25Mbps Tab. 1 Especificação das máquinas Fig. 2 - Ambiente dos experiment os 5. Resultados obtidos Nas Tab. 2 e 3 e Fig. 3, 4 e 5, são mostrados os resultados obtidos nos experimentos: Imagem Máquina 640x x x x1536

6 Skyvase.pov PVM- ATM Tab. 2 PVMPov sobre cluster PVM- ATM. Tempo (seg) PVMPov sobre cluster PVM-ATM PVM-ATM 640x x x x1536 Fig. 3 PVMPov sobre cluster PVM- ATM Imagem Máquina 640x48 800x x x Skyvase.pov PVM- Ethernet Tab. 3 PVMPov sobre cluster PVM- Ethernet. PVMPov sobre cluster PVM-Ethernet Tempo (seg) x x x x1536 PVM-Ethernet

7 Fig. 4 PVMPov sobre cluster PVM- Ethernet. Imagem Máquina 640x48 800x x x Skyvase.pov PVM- ATM Skyvase.pov PVM- Ethernet Tab. 4 PVMPov sobre cluster PVM- ATM / PVM- Ethernet PVMPov sobre cluster PVM-ATM / PVM-Ethernet Tempo (seg) x x x x1536 PVM-ATM PVM-Ethernet Fig. 5 PVMPov sobre cluster PVM- ATM / PVM- Ethernet 6. Conclusõe s Não se obteve ganho significativo de performance quando utilizando a rede padrão ATM a 25 MBps em comparação a uma rede padrão Ethernet a 10 MBps. São necessários mais experimentos utilizando diferentes cenários com uma quantidade maior de máquinas no cluster afim de melhor ser avaliado a eficiência em uma rede ATM de alta velocidade. Implementações de tecnologias para melhora de transmissão das redes ATM precisam ser testadas e avaliadas. No entanto provou- se ser possível à utilização e criação de MPV utilizando redes ATM. Para melhor avaliação na criação do cluster entre as REMAV do Brasil experimentos serão feitos. 7. Trabalho futuro Muitos experimentos ainda são necessários para se avaliar as vantagens de uma Rede ATM na criação de uma MPV. Novos experimentos serão feitos considerando diferentes configurações de redes: Classical IP : IP diretamente sobre ATM sobre a camada de dados do ATM AAL5.

8 LANE com MPOA: Com conexões ATM fim- a- fim podendo ser estabelecidas entre máquinas de um cluster pertencentes a ELANS (Redes Emuladas em ATM) diferentes. As MPV são excelentes alternativas para instituições que buscam um alto poder de processamento de dados em menor espaço de tempo, mas que não dispõem de recursos para obter uma máquina paralela convencional. Com a existência do Projeto REMAV em todo território Brasileiro, a possibilidade de criação de MPV s entre as instituições parceiras é uma realidade que precisa ser analisada e explorada; caso seja provada a viabilidade. Estando ainda em desenvolvimento os drivers e utilitários para redes ATM em plataforma Linux o sistema operacional adotado na criação dessa máquina paralela virtual, ainda não é possível obter dados concretos sobre sua real eficiência. Mais experimentos serão feitos em busca de melhorias. 6. Referências [1] Dietz, Hank Linux Parallel Processing How To. 5 January /www.ldp.org [2] Sterling, Thomas L. Salmon, John. Becker, Donald J. e Savaresse, Daniel F. How to build a Beowulf: a guide to the implementation and aplication of PC clusters. Massachusetts Institute of Technology [3] Souza, Josemar. Luque, Emilio. Rexachs, Dolores Análise da distribuição de carga em um cluster heterogêneo. VI Congresso Argentino de Ciencias de la Computación CACIC 2000, Universidad Nacional de la Patagonia San Juan Bosco UNP, Ushuaia, Tierra del Fuego, Argentina. Anais [4] Geist, Al. Beguelin, Adam. Dongarra, Jack. Wicheng, Jiang. Mancheck, Robert. Sunderam, Vaidy. PVM 3 User s Guide and Reference Manual. Prepared by the Oak Ridge National Laboratory [5] Dongarra, Jack ; Emilio Luque, Tomàs Margalef (Eds.). Recent Advances in Parallel Virtual Machine and Message Passing Interface. 6 th European PVM/MPI User s Group Meeting. Barcelona, Spain. Proceeding [6] Souza, Josemar R. de. Influencia de la comunicación en el rendimimiento de un sistema de computación paralela, basado en redes de estaciones de trabajo. Arquitetura de Computadores e Processamento Paralelo. Universidade Autônoma de Barcelona, - UAB Tese de Mestrado. [7] Flierl, Jakob PVMPov HOWTO Revision 0.1 September 2000 Revised [8] /www.atmforum.com, 25/01/2001, 10:30. [9] Souza, Marcelo. Souza, Josemar. Micheli, Milena. Influência da comunicação no rendimento de uma máquina paralela virtual baseada em Redes ATM I Workshop Aplicações Internet2, MetroPOA PUCRS, Porto Alegre, Rio Grande do Sul, Brasil. Anais 2000.

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