Construindo Supercomputadores com Linux - Resumido versão 29-05-13

Construindo Supercomputadores com Linux - Resumido

versão 29-05-13

2 - Cluster de Computadores

• Quando se utilizam dois ou mais computadores em conjunto para resolver um problema, você tem um cluster, que do inglês significa agrupamento

Categorias dos Clusters

• Alta Disponibilidade (HA - High Availability)– Os clusters HA tem a finalidade de manter um

determinado serviço de forma segura o maior tempo possível

• Alto Desempenho (HPC - High Performance Computing)– configuração designada a prover grande poder

computacional do que somente um único computador poderia oferecer em capacidade de processamento

Alta Disponibilidade

• alta disponibilidade garantir a continuidade de operação do sistema de serviços de rede, armazenamento de dados ou processamento, mesmo se houver falhas em um ou mais dispositivos, sejam eles hardware ou software

Clusters de Alta Disponibilidade

• Nos clusters de alta disponibilidade os equipamentos são utilizados em conjunto para manter um serviço ou equipamento sempre ativo, replicando serviços e servidores, o que evita máquinas paradas, ociosas, esperando o outro equipamento ou serviço paralisar, passando as demais a responder por ela normalmente

Vantagens em usar Cluster de Computadores

• Alto Desempenho

• Escalabilidade

• Tolerância a Falhas

• Baixo custo

• Independência de fornecedores

Aplicabilidades

• Servidores da Internet• Segurança• Bases de Dados• Computação Gráfica• Aerodinâmica• Análise de elementos finitos• Aplicações em sensoriamento remoto• Inteligência Artificial e automação• Engenharia Genética

Aplicabilidades (2)

• Exploração sísmica

• oceanografia e astrofísica

• previsão do tempo

• pesquisa militares

• problemas de pesquisas básicas

• segurança de reatores nucleares

Divisão dos clusters segundo a sua propriedade

• dedicados utilizam seus nós exclusivamente para computação paralela

• não-dedicados as aplicações são executadas baseadas na ociosidade das estações de trabalho

Cluster Beowulf (1994)

• 16 computadores pessoais - microprcessador 486

• sistema operacional Linux

• rede padrão Ethernet (10Mbps)

• marca de 70 megaflops (70 milhões de operações de ponto flutuante por segundo)

• custo: aproximadamente US$ 50,000.00

Característica chave de um cluster Beowulf

• uso do SO Linux

• uso das bibliotecas de troca de mensagens (PVM e MPI) - de livre distribuição

• “Faça você mesmo o seu próprio supercomputador”

O Cluster Beowulf pode ser dividido em duas classes

• Cluster Classe I

• Cluster Classe II

Cluster Beowulf

• Um cluster Beowulf é construído de vários nós escravos (back-end) controlados por um computador principal (front-end), ao qual se tem acesso direto, ligados por uma rede fast ethernet e fazendo um gateway entre o cluster e uma rede local (LAN)

Cluster Beowulf

• o computador principal é o responsável pela distribuição das tarefas

• os computadores escravos limitam-se a processar os cálculos que lhe são enviados

Principais componentes de um cluster de computadores

• Nó ou node• Sistema Operacional• Rede Local• Protocolos• cluster middleware• Ferramentas de Comunicação• Sistemas de Arquivos Paralelos

– PVFS2– Lustre– PNFS– GPFS

3 - Construindo um Cluster de Alto Desempenho

Tipos de Cluster

• Cluster Homogêneo todos os seus nós possuem as mesmas características e a mesma rede de comunicação

• Cluster Heterogêneo seus nós possuem diferentes características ou diferentes redes de comunicação entre grupos de máquinas

Top 500

Veja o link para a lista dos 500 maiores supercomputadores da atualidade

http://www.top500.org/

5 - Configurando o Cluster

Roteiro de Configuração

• Configuração dos endereços lógicos (IP) para o controlador mestre e os nós computacionais

• Projetar um ambiente de resolução de nomes, podendo ser utilizado arquivo hosts, NIS ou DNS

• Criar o relacionamento de confiança entre as máquinas

Roteiro de Configuração

• Permitir o uso de comandos remotos para colocar as aplicações em execução nos nós

• Distribuir o sistema de arquivos do controlador mestre para os nós escravos via NFS

• Instalar uma aplicação que permita o gerenciamento dos nós

Roteiro de Configuração

• Instalação das principais bibliotecas de passagem de mensagens; PVM MPI

• Instalar sistemas de gerenciamento de recursos para aproveitar nós ociosos no cluster

• Instalar bibliotecas de otimização do sistema• Criar um ambiente propicio para um sistema de

arquivos de alta performance para processos de I/O

• Instalar linguagens, compiladores, depuradores, visualizadores

1º Passo: definir os endereços IP

Neste passo vamos configurar os endereços IPs das máquinas que formarão o cluster

• Vamos usar o endereço de rede 192.168.7.x

• Máscara de rede: 255.255.255.0

• Criar uma interface lógica

ifconfig eth0:1 192.168.7.x netmask 255.255.255.0

1º Passo (b) - Estabelecendo o nome dos hosts

• Edite o arquivo /etc/sysconfig/network e altere a variável HOSTNAME=mestre.meudominio.com.br

• Obs: cada host deverá ter seu próprio nome: mestre, escravo1, escravo2, ...

2º Passo: Definição dos hosts

A função do arquivo hosts é resolver o nome da máquina no endereço lógico de rede (IP)

• alterar o arquivo /etc/hosts para resolver o nome das máquinas

Exemplo:192.168.7.71 mestre.meudominio.com.br mestre

192.168.7.72 escravo1.meudominio.com.br escravo1

192.168.7.73 escravo2.meudominio.com.br escravo2

3º Passo: Configuração de relacionamento de confiança

• Configurar o relacionamento de confiança entre os hosts

• Ele define a relação de confiança entre os hosts através da equivalência, sem haver necessidade de autenticação por senha

/etc/hosts.equiv

mestreescravo1escravo2

4º Passo: o arquivo .rhosts

• Esse arquivo deverá constar em cada diretório de trabalho do usuário como /home e /root

• Esse arquivo será usado pelo protocolo RSH para execução de comandos remotos e por algumas aplicações de monitoramento

• Ele deverá ser criado nos diretórios: /home e /root

.rhostsmestreescravo1escravo2

5º Passo - habilitação do servidor RSH

• Execute o ntsysv e habilite os serviços de rexec, rlogin e rsh

Servidor RSH

• Inclui as seguintes funções:– emulador de terminal de comandos (rlogin)– execução remota de comandos (rexec)– copia remota de arquivos (rcp)

6º Passo - Configuração dos dispositivos para conexão

O arquivo /etc/securetty permite especificar quais dispositivos tty que o usuário root pode conectar-se

• O formato do arquivo /etc/securetty é a lista de dispositivo tty onde a conexão é permitida

• Acrescentar as entradas abaixo ao final do arquivo /etc/securetty :rsh

rlogin

7º Passo - Habilitar os comando “R”

Inicie o xinetd.

Ele poderá ser iniciado através do comando:# service xinetd start

Outra opção para iniciar o xinetd é ir até diretório /etc/rc.d/init.d e iniciar o xinetd com o comando ./xinetd para que , toda vez que ao iniciar, o supervisor seja carregado automaticamente

8º Passo - Replicação

• Os arquivos /etc/hosts, /etc/hosts.equiv, /etc/securettty e /home/.rhosts e /root/.rhosts devem ser replicados em todos os computadores que formam o cluster

6 - Gerenciando os Clusters

• Ferramentas:– bWatch - permite o monitoramento remoto

dos nós do cluster– Ganglia - é uma ferramenta distribuída que

permite monitorar sistemas de alto desempenho de computação

– Nagios - Gerencia Servidores e Serviços

bWatch (Beowulf Watch)

• Permite o monitoramento remoto dos nós do cluster– monitoramento de carga– uso de memória

• Script escrito em Tcl/Tk (linguagem de programação de scripts)

Pré-requisitos para uso do bWatch

• assume que na máquina onde ele está sendo executado ele tenha acesso remoto via rsh a todos os computadores do cluster

• assume também que o interpretador wish (do Tcl/Tk) esteja em /usr/bin/wish

Instalação do bWatch

• O site do bWatch localiza-se em: http://bwatch.sourceforge.net/

• crie o diretório /usr/local/bWatch-1.1.0.a

• copie o arquivo bWatch-1.1.0a.tar.gz para o diretório /usr/local/bWatch-1.1.0a onde você instala suas aplicações

# cd /usr/local/bWatch-1.1.0a# tar zxvf bWatch-1.1.0a.tar.gz

Instalação do bWatch

• Edite o arquivo Makefile• Altere wishx por wish• Digite make bwatch• Inicie a aplicação usando bWatch.tcl (somente

após esse passo é que será criado o arquivo ~/.bWatchrc.tcl)

• Faça o make install para instalá-lo em /usr/local/bin

• Altere a variável listOfHosts localizado no arquivo ~/.bWatchrc.tcl (/root/.bWatchrc.tcl)

Instalação do bWatch

• Liste o nome da cada host que será monitorado

• Exemplo:set listOfHosts { mestre escravo1 escravo2 escrado3 }

Ganglia

• O Ganglia é uma ferramenta distribuída que permite monitorar sistemas de alto desempenho de computação

• É um projeto open source hospedado em http://ganglia.sourceforge.net

Ganglia

• Ganglia Monitor Daemon (gmond) aplicação principal de monitoramento do Ganglia

• Ganglia Meta Daemon (gmetad) executado na máquina central coletando e armazenando as informações de estados dos nós

• Ganglia Metad Web Interface

Ganglia Monitor Daemon (gmond)

• deve ser instalado em todos os nós do cluster que desejamos monitorar

• principais características:

Ganglia Meta Daemon (gmetad)

– Deve ser instalado e executado no webfrontend

– funções: • reunir todos os dados de cada gmond dos nós• armazenar as informações em um banco de dados• fazer o resumo de todos as informações para ser

apresentado pelo nó de gerência

Ganglia Metad Web Interface

• utiliza um servidor web

• páginas são dinâmicas

• escrito em PHP

Programas

• gmond executado em cada nó do cluster

• gmetad é executado na máquina central coletando todas as informações de estado dos nós

• gstat conecta ao gmond e lista as informações de saída dos nós do cluster

• gexec

Passo 0

Instalação dos arquivos de dependência:# rpm -ivh rrdtool-1.2.30-1.el4.wrl.i386.rpm

# rpm -ivh rrdtool-python-1.2.30-1.el4.wrl.i386.rpm

Passo 1 - Instalação do gmond

• Instalar o gmond em todas as máquinas do cluster

# rpm -ivh ganglia-3.0.6-1.el4.i386.rpm

# rpm -ivh ganglia-gmond-3.0.6-1.el4.i386.rpm

Passo 1-a - Configuração do gmond

Abrir o arquivo /etc/gmond.conf e alterar os parâmetros name e owner dentro da “tag” cluster

name=“MyCluster” este nome deve ser único pois identifica o cluster

owner=“Mauro”

Passo 1-b - Iniciar o serviço gmond

Levantar o processo em todas as máquinas# service gmond start

Passo 2 - Instalação do gmetad

• Instalar o gmetad apenas no host mestre# rpm -ivh ganglia-gmetad-3.0.6-1.el4.i386.rpm

Passo 2-a - Configuração do gmetad

Abrir o arquivo de configuração: /etc/gmetad.conf

• Alterar o parâmetro:

data_source “MyCluster” localhost• Alterar o parâmetro:

gridname “MyGrid”• Levantar o processo daemon no nó de gerencia

# service gmetad start

Passo 3 - Configuração do Ganglia Frontend

# rpm -ivh ganglia-web-3.0.6-1.el4.noarch.rpm

Inicie o serviço de httpd# service httpd starte marque o serviço para inicializar

automaticamente quando se inicia o host# ntsysvmarcar httpd para iniciar

• Abra o navegador em: http://localhost/ganglia

Passo 4 - Marcar os daemons para execução

Execute o comando ntsysv:

# ntsysv

selecione e marque os serviços gmond e gmetad (se instalado) para que sejam iniciados automaticamente

# service gmond restart

# service gmetad restart (se necessário)

Verificar /var/log/messages se há alguma mensagem de erro

Programação Paralela

PVM - Máquina Virtual Paralela

• O PVM é uma biblioteca de programação paralela por passagem de mensagens para facilitar o campo de computação paralela homogênea

• o PVM já encontra suporte em linguagens como: Java, Python, Perl, além das linguagens tradicionais como C, C++ e Fortran

Componentes do PVM

• Composto por duas partes:– primeira parte: daemon pvmd3– segunda parte: biblioteca de rotinas PVM

PVM

• O software PVM deve ser instalado especificamente em cada máquina que é para ser usada em sua “máquina virtual”

• $PVM_ROOT/lib

• $PVM_ROOT/bin

Alguns diretórios importantes são:

• bin/$PVM_ARCH/

• conf/

• console/

• doc/

• examples/

• gexamples/

• hoster/

Alguns diretórios importantes são:

• include/

• lib/

• lib/$PVM_ARCH/

• libfpvm/

• man/man[13]/

• misc/

• patches/

Alguns diretórios importantes são:

• pvmgs/• rm/• shmd/• src/• src/$PVM_ARCH/• tasker/• tracer/• xep/

PVM

• pvmd3 daemon executable

• pvm o programa de console

• libpvm3.a (biblioteca de funções em C)

• libfpvm3.a (biblioteca de funções em Fortran)

• As bibliotecas e executáveis são instalados em:

$PVM_ROOT/lib/$PVM_ARCH

PVM

• os scripts $PVM_ROOT/lib/pvm e $PVM_ROOT/lib/pvmd são usados para iniciar o console e o daemon PVM

• O PVM poderá ser configurado para usar o ssh ao invés do rsh

Instalando e configurando o PVM

Criar o arquivo pvm.sh em /etc/profile.d

export PVM_ROOT=/usr/share/pvm3export PVM_ARCH=LINUXexport PATH=$PATH:$PVM_ROOT/lib:

$PVM_ROOT/lib/$PVM_ARCHexport PATH=$PATH:$PVM_ROOT/lib/pvmdexport XPVM_ROOT=/usr/share/pvm3/xpvm

Instalando e configurando o PVM

• altere a permissão do arquivo /etc/profile.d/pvm.sh para 755

# chmod 0755 /etc/profile.d/pvm.sh

Instalando e configurando o PVM

• Criar no diretório /root o arquivo /root/.xpvm_hosts e o arquivo pvmhosts com o seguinte conteúdo:

/root/.xpvm_hostsmestreescravo1escravo2

/root/pvmhostsmestreescravo1escravo2

Utilizando o PVM

Execute o PVM:

#pvm

pvm>add mestre

pvm>add escravo1

pvm>add escravo2

O comando add adiciona os hosts a máquina virtual do PVM

Comandos

• halt encerra todos os processos do PVM, inclusive o próprio PVM

• delete host exclui uma máquina do front-end• conf lista a configuração das máquinas

virtuais– hostname– dtiv (pvmd task id - identificador da tarefa pvmd)– arch (tipo de arquitetura)– speed (velocidade relativa)

Comandos

• help mostra todos os comandos e suas funções– help comando

• id exibe o id do console• jobs lista os processos em execução• kill usado para encerrar os processos do PVM• mstat exibe o status dos hosts especificados• ps -a lista todos os processos na máquina virtual, sua

localização, seus id’s e os pais dos id’s• quit sai do console• reset encerra todos os processos exceto os consoles

e reinicia as tabelas internas e filas de mensagens do PVM

Comandos

• setenv exibe ou seta variáveis de ambiente

• sig emite um sinal a tarefa

• spawn inicia uma aplicação no PVM

Compilando os programas exemplos

• Vá para o diretório $PVM_ROOT/examples

• Todos os exemplos assumem que pvm está instalado e rodando concorrentemente

Exemplo: hello + hello_other

• Dois programas que cooperam - mostra como criar uma nova tarefa e passar (trocar) mensagens entre as tarefas

• Para compilar:# aimk hello hello_other

Os arquivos serão gerados em: $PVM_ROOT/bin/LINUX

# hello

Observação

• Os programas deverão ser compilados tanto nas máquinas mestre quanto nas máquinas escravo

Exemplo: hello + hello_other

• Como executar a partir do console pvm:

pvm> spawn hello

Exemplo de saída:

i’m t40002

from t40003: hello, world from escravo1

Exemplo de Execução (1)[root@mestre LINUX]# pvmpvmd already running.pvm> confconf3 hosts, 1 data format HOST DTID ARCH SPEED DSIG mestre.mltech.com.br 40000 LINUX 1000 0x00408841 escravo1 80000 LINUX 1000 0x00408841 escravo2 c0000 LINUX 1000 0x00408841pvm> ididt4000a

Exemplo de Execução (2)pvm> spwan -> hellospawn -> hello[1]1 successfult80004pvm> [1:t80004] i'm t80004[1:t80004] from tc0003: hello, world from

escravo2.mltech.com.br[1:tc0003] EOF[1:t80004] EOF[1] finished

Outros exemplos

• Vejam outros exemplos no arquivo $PVM_ROOT/examples/Readme

Utilizando o XPVM

• É uma interface gráfica desenvolvida para mostrar informações, combinando a capacidade do PVM console com todas as vantagens de uma ambiente gráfico e um único nível de depurador de fácil utilização na interface X-Windows

XPVM - Instalação

#yum install pvm-gui

#xpvm

Obs: a instalação default não está funcionando - Alguém se habilita a consertar o problema ?

Links

• https://www.millennium.berkeley.edu/

Ferramenta RRDTool - usada pelo Ganglia– http://www.rrdtool.com/

– http://oss.oetiker.ch/rrdtool/

• gexec– http://ganglia.info/talks/lug_lbl_talk/index.html– http://www.theether.org/gexec/

Links

• MPICH– http://www.mcs.anl.gov/research/projects/mpi/– http://www.mcs.anl.gov/research/projects/

mpi/mpich1/docs/mpichman-chp4/mpichman-chp4.htm

– ftp://ftp.mcs.anl.gov/pub/mpi/ 1.2.7

• Atlas– http://math-atlas.sourceforge.net/

Links

• FFTW– http://www.fftw.org/

• PVM (Parallel Virtual Machine)– http://www.csm.ornl.gov/pvm/

• LAM (Local Area Multicomputer)– http://www.lam-mpi.org/

• Open-MPI– http://www.open-mpi.org/

Links

• http://www.rocketcalc.com/vct/4.html

• XMTV– http://www.lam-mpi.org/software/xmtv/

• Open-MPI– http://www.open-mpi.org/software/ompi/v1.3/

• OpenMP– http://scv.bu.edu/documentation/tutorials/

OpenMP/

Instalação

• criar o arquivo /etc/yum.repos.d/DVDlocal.repo com o seguinte conteúdo:

[DVDlocal]

name=Repositorio Local

baseurl=http://10.0.10.177/repo

enabled=1

gpgcheck=0

Instalação

• garantir que a variável http_proxy não esteja habilitada

• execute o comando abaixo:

#unset http_proxy

Crie o diretório temp no diretório /etc/yum.repos.d

Mova os arquivos CentOS-Base, CentOS-Media localizados em /etc/yum.repos.d para o diretório temp