Sistemas Distribuídos Introdução a Sistemas Distribuídos 25/4/[email protected] São Paulo, 2011 Universidade Paulista (UNIP) Clusters de

Sistemas DistribuídosSistemas DistribuídosIn

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27/04/23 [email protected] 1

São Paulo, 2011São Paulo, 2011

Universidade Paulista (UNIP)Universidade Paulista (UNIP)

Clusters de computadores (introdução, Clusters de computadores (introdução, conceitos e implementação)conceitos e implementação)

Prof. MSc. Vladimir CameloProf. MSc. Vladimir [email protected]

mailto:[email protected]

http://www3.unip.br/


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Um Um clustercluster pode ser definido como um conjunto de nós pode ser definido como um conjunto de nós

((processadoresprocessadores) autônomos, que interligados comportam-se como um ) autônomos, que interligados comportam-se como um

sistema único, do inglês, significa agrupamento, aglomerado ou sistema único, do inglês, significa agrupamento, aglomerado ou

concentraçãoconcentração (Pitanga, 2004) (Pitanga, 2004)..

Também chamado de Também chamado de ClusteringClustering (quando visto em um contexto mais (quando visto em um contexto mais

abrangente);abrangente);

Definição de ClusterDefinição de Cluster

PITANGA, Marcos. Construindo supercomputadores com linux. 2ª edição. Rio de Janeiro: Brasport Livros e Multimídia Ltda, 2004. 292p.



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Um sistema único (Um sistema único (paralelo ou distribuídoparalelo ou distribuído) independente de ser ) independente de ser

composto por vários processadores ou recursos geograficamente composto por vários processadores ou recursos geograficamente

distribuídos, deve comportar-se como um sistema centralizado do distribuídos, deve comportar-se como um sistema centralizado do

ponto de vista do usuário.ponto de vista do usuário.

Todos os aspectos relativos à distribuição de dados, tarefas, Todos os aspectos relativos à distribuição de dados, tarefas,

comunicação e sincronização entre tarefas e a organização física do comunicação e sincronização entre tarefas e a organização física do

sistema devem ser abstraídos do usuário.sistema devem ser abstraídos do usuário.





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Está técnica de abstrair do usuário detalhes de implementação é Está técnica de abstrair do usuário detalhes de implementação é conhecido como conhecido como Imagem Única do Sistema ou SSI (Single System Imagem Única do Sistema ou SSI (Single System Image).Image).

Os Clusters de Computadores são máquinas construídas com a Os Clusters de Computadores são máquinas construídas com a utilização de dois ou mais microcomputadores comuns interligados por utilização de dois ou mais microcomputadores comuns interligados por uma rede de interconexão, que trabalham juntos para resolver um uma rede de interconexão, que trabalham juntos para resolver um problema.problema.




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Exigência cada vez maior por parte das empresas no poder de Exigência cada vez maior por parte das empresas no poder de processamento;processamento;

Somente supercomputadores possuíam grande poder de Somente supercomputadores possuíam grande poder de processamento no passado;processamento no passado;

Com a evolução da Tecnologia da Informação (TI) e das estruturas de Com a evolução da Tecnologia da Informação (TI) e das estruturas de redes locais isso hoje já é possível sem o uso de um redes locais isso hoje já é possível sem o uso de um supercomputador;supercomputador;

Motivação para a construção de ClusterMotivação para a construção de Cluster



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Os clusters podem ser formados por computadores dedicados ou Os clusters podem ser formados por computadores dedicados ou

agrupados fisicamente em um ambiente ou formados ainda através de agrupados fisicamente em um ambiente ou formados ainda através de

uma conexão virtual de computadores espalhados em uma rede.uma conexão virtual de computadores espalhados em uma rede.

Devem ser utilizados softwares apropriados para auxiliar as estações Devem ser utilizados softwares apropriados para auxiliar as estações

distribuídas ao longo da rede para que possam servir a solicitações de distribuídas ao longo da rede para que possam servir a solicitações de

terceiros como seus recursos computacionais (Dantas, 2006).terceiros como seus recursos computacionais (Dantas, 2006).

Aplicativos agrupados foram desenvolvidos para gerenciar uma carga Aplicativos agrupados foram desenvolvidos para gerenciar uma carga

maior de dados.maior de dados.

DANTAS, Mario. Ambientes Distribuídos de Alto Desempenho: Clusters e Grades Computacionais. [S.1:Portal Brasileiro sobre computação de alto desempenho, 2006. Disponível em: http://www.gridcomputing.com.br/tiki-index.php?page=Getting%20Started. Acesso em: 25 Julho 2009.

IntroduçãoIntrodução

http://www.gridcomputing.com.br/tiki-index.php?page=Getting%20Started



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Conforme Bookman (2003), “a prática de distribuir atributos a partir de Conforme Bookman (2003), “a prática de distribuir atributos a partir de

um único aplicativo por muitos computadores não apenas melhora o um único aplicativo por muitos computadores não apenas melhora o

desempenho, mas também cria redundância, no caso de falhas”. desempenho, mas também cria redundância, no caso de falhas”.

IntroduçãoIntrodução

BOOKMAN, Charles. Agrupamento de computadores em Linux: aprenda a construir e manter grupos de computadores com Linux. Rio de Janeiro: Ciência Moderna, 2003. 240p.



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Os clusters podem ser divididos em 3 categorias básicas:Os clusters podem ser divididos em 3 categorias básicas:

Alta Disponibilidade (High Availability - HA)Alta Disponibilidade (High Availability - HA)

Alta Desempenho de Computação (High Performance Computing - Alta Desempenho de Computação (High Performance Computing -

HPC) (Pitanga, 2004).HPC) (Pitanga, 2004).

Balanceamento de Carga (Horizontal Scaling – HS)Balanceamento de Carga (Horizontal Scaling – HS)

PITANGA, Marcos. Construindo supercomputadores com linux. 2ª edição. Rio de Janeiro: Brasport Livros e Multimídia Ltda, 2004. 292p.

EspecificaçãoEspecificação



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É normalmente construído com a intenção de fornecer um ambiente É normalmente construído com a intenção de fornecer um ambiente

seguro contra falhas (seguro contra falhas (fail safefail safe) utilizando-se da redundância de ) utilizando-se da redundância de

componentes (componentes (hardware, software, serviços de rede ou de hardware, software, serviços de rede ou de

interconectividade ou interoperabilidadeinterconectividade ou interoperabilidade).).

Em outras palavras, fornecer um ambiente computacional onde a falha Em outras palavras, fornecer um ambiente computacional onde a falha

de um ou mais componentes não irá afetar significativamente a de um ou mais componentes não irá afetar significativamente a

disponibilidade do ambiente de computação ou aplicações que disponibilidade do ambiente de computação ou aplicações que

estejam sendo usadas. estejam sendo usadas.

Cluster de Alta DisponibilidadeCluster de Alta Disponibilidade



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É projetado para fornecer maior poder de computação para a solução É projetado para fornecer maior poder de computação para a solução

de um problema. Está relacionado com aplicações científicas, de de um problema. Está relacionado com aplicações científicas, de

simulação ou de manipulação de imagens.simulação ou de manipulação de imagens.

O usuário interage com um nó específico para iniciar ou escalonar O usuário interage com um nó específico para iniciar ou escalonar

uma atividade que deverá ser executada.uma atividade que deverá ser executada.

A aplicação, juntamente com as funções internas do A aplicação, juntamente com as funções internas do clustercluster, irá , irá

determinar como a atividade será dividida e enviada para cada determinar como a atividade será dividida e enviada para cada

elemento que compõe o ambiente computacional, buscando extrair elemento que compõe o ambiente computacional, buscando extrair

uma maior vantagem dos recursos disponíveis. uma maior vantagem dos recursos disponíveis.

Cluster com Alta Desempenho Cluster com Alta Desempenho computacionalcomputacional



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É utilizado para fornecer uma interface simplificada para um conjunto É utilizado para fornecer uma interface simplificada para um conjunto

de recursos que podem aumentar ou diminuir no balanceamento de de recursos que podem aumentar ou diminuir no balanceamento de

carga com o passar do tempo e conforme a necessidade por carga com o passar do tempo e conforme a necessidade por

processamento do cliente.processamento do cliente.

Neste tipo de Neste tipo de clustercluster, estão implícitos os conceitos da alta , estão implícitos os conceitos da alta

disponibilidade (com a redundância de componentes) e de alto disponibilidade (com a redundância de componentes) e de alto

desempenho de computação (com a distribuição das tarefas desempenho de computação (com a distribuição das tarefas

completas pelos vários componentes replicados).completas pelos vários componentes replicados).

Cluster de Balanceamento de CargaCluster de Balanceamento de Carga



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Este aumento ou diminuição de recursos no balanceamento de carga Este aumento ou diminuição de recursos no balanceamento de carga

é mais que um simples redirecionamento do tráfego dos clientes para é mais que um simples redirecionamento do tráfego dos clientes para

outros servidores.outros servidores.

Existem 3 métodos básicos de balanceamento de carga, que são:Existem 3 métodos básicos de balanceamento de carga, que são:

Least ConnectionsLeast Connections

Round RobinRound Robin

Weighted FairWeighted Fair

Cluster de Balanceamento de CargaCluster de Balanceamento de Carga



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No Balanceamento de carga Lest Connection as requisições são No Balanceamento de carga Lest Connection as requisições são

redirecionadas para o servidor baseado no menor número de redirecionadas para o servidor baseado no menor número de

requisições/conexões no momento. requisições/conexões no momento.

Least ConnectionsLeast ConnectionsCluster de Balanceamento de CargaCluster de Balanceamento de Carga



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No Balanceamento de carga Round Robin as requisições são sempre No Balanceamento de carga Round Robin as requisições são sempre

direcionadas para o próximo servidor disponível de uma forma circular;direcionadas para o próximo servidor disponível de uma forma circular;

Round RobinRound RobinCluster de Balanceamento de CargaCluster de Balanceamento de Carga



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No Balanceamento de carga Weighted Fair os pedidos são dirigidos No Balanceamento de carga Weighted Fair os pedidos são dirigidos

para os servidores baseados na carga de requisições de cada um e na para os servidores baseados na carga de requisições de cada um e na

capacidade de resposta dos mesmos (performance do servidor capacidade de resposta dos mesmos (performance do servidor

disponível) disponível)

Weighted FairWeighted FairCluster de Balanceamento de CargaCluster de Balanceamento de Carga



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Os clusters são utilizados em aplicações de missão crítica e Os clusters são utilizados em aplicações de missão crítica e

costumam ter meios eficientes de proteção e de detecção de falhas.costumam ter meios eficientes de proteção e de detecção de falhas.

É muito usado na internet, em servidores web e de e-mail, comércio É muito usado na internet, em servidores web e de e-mail, comércio

eletrônico e em bancos de dados distribuídos.eletrônico e em bancos de dados distribuídos.

ALECRIM, Emerson. Cluster: Principais conceitos. Info Wester, 2004. Disponível em: www.infowester.com/cluster.php. Acesso em: 25 julho de 2009.

Utilização de ClustersUtilização de Clusters

http://www.infowester.com/cluster.php



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Disponibilidade: Disponibilidade: tempo em que determinado sistema permanece tempo em que determinado sistema permanece

ativo e em condições de uso.ativo e em condições de uso.

Alta disponibilidade: Alta disponibilidade: sistemas que praticamente não param de sistemas que praticamente não param de

funcionar.funcionar.

Alta performanceAlta performance:: distribuição equilibrada de processamento aos nós distribuição equilibrada de processamento aos nós

(computadores) do cluster.(computadores) do cluster.

ALECRIM, Emerson. Cluster: Principais conceitos. Info Wester, 2004. Disponível em: www.infowester.com/cluster.php. Acesso em: 25 julho de 2009.

Principais características de um ClustersPrincipais características de um Clusters

http://www.infowester.com/cluster.php



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Algumas características devem ser observadas durante o processo de Algumas características devem ser observadas durante o processo de

construção de um sistema distribuído, como pro exemplo:construção de um sistema distribuído, como pro exemplo:

Características físicas:Características físicas:

Salas apropriadas;Salas apropriadas;

Sistemas de refrigeração;Sistemas de refrigeração;

Instalações elétricas;Instalações elétricas;

Espaço adequado;Espaço adequado;

Considerações de projetoConsiderações de projeto



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Arquitetura de hardware e software do sistema:Arquitetura de hardware e software do sistema:

Homogêneo versus heterogêneo;Homogêneo versus heterogêneo;

Arquitetura de rede para o sistema distribuído:Arquitetura de rede para o sistema distribuído:

Tipo de arquitetura de rede;Tipo de arquitetura de rede;

Cabeamento.Cabeamento.




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Sistema operacional:Sistema operacional:

Plataforma aberta versus plataforma fechada;Plataforma aberta versus plataforma fechada;

Middleware:Middleware:

Bibliotecas baseadas em troca de mensagens.Bibliotecas baseadas em troca de mensagens.

Software de gerenciamento:Software de gerenciamento:

Utilização de arquitetura aberta versus arquitetura fechada.Utilização de arquitetura aberta versus arquitetura fechada.




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O princípio de funcionamento:O princípio de funcionamento:

Distribuição:Distribuição:

O servidor divide as tarefas em suas partes independentes O servidor divide as tarefas em suas partes independentes

(ditas concorrentes) e distribuí para os clientes.(ditas concorrentes) e distribuí para os clientes.

O servidor envia e recebe mensagens (e dados) para os O servidor envia e recebe mensagens (e dados) para os

diversos clientes passando pelo switch.diversos clientes passando pelo switch.

Funcionamento de ClustersFuncionamento de Clusters



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Processamento e troca de mensagens entre clientes:Processamento e troca de mensagens entre clientes:

Cada cliente recebe as mensagens e um conjunto de dados a Cada cliente recebe as mensagens e um conjunto de dados a

serem processados.serem processados.

A seguir realiza o processamento solicitado.A seguir realiza o processamento solicitado.

Podem ocorrer trocas de mensagens entre os diversos Podem ocorrer trocas de mensagens entre os diversos

clientes.clientes.




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Conclusão:Conclusão:

Concluído o processamento, os resultados são enviados para Concluído o processamento, os resultados são enviados para

o servidor, que agrupa os resultados e finaliza o o servidor, que agrupa os resultados e finaliza o

processamentoprocessamento




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Os clusters podem ser utilizados para uma infinidade de aplicações Os clusters podem ser utilizados para uma infinidade de aplicações

diferentes em diversas áreas.diferentes em diversas áreas.

As principais aplicações que utilizam clusters são aquelas que As principais aplicações que utilizam clusters são aquelas que

precisam de processamento pesado.precisam de processamento pesado.

Aplicações para ClustersAplicações para Clusters



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Tipos de aplicações:Tipos de aplicações:

Previsão meteorológica (previsão do tempo e condições Previsão meteorológica (previsão do tempo e condições

climáticas);climáticas);

Simulações geotérmicas (ou seja, simulação de eventos no solo);Simulações geotérmicas (ou seja, simulação de eventos no solo);

Renderização de efeitos especiais (muito usado em filmes, Renderização de efeitos especiais (muito usado em filmes,

games);games);

Simulações financeiras;Simulações financeiras;

Distribuição de carga;Distribuição de carga;

Ouras.Ouras.




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Aplicações críticas:Aplicações críticas:

são aplicações que não podem parar de funcionar ou não podem são aplicações que não podem parar de funcionar ou não podem

perder dados (por exemplo, sistemas de bancos), podem utilizar perder dados (por exemplo, sistemas de bancos), podem utilizar

as tecnologias de cluster, desde que devidamente configurados as tecnologias de cluster, desde que devidamente configurados

para não serem sujeitas a falhas graves que acarretem em para não serem sujeitas a falhas graves que acarretem em

interrupção do sistema como um todo.interrupção do sistema como um todo.

O cluster deve contar com nobreaks ou geradores que garantam o O cluster deve contar com nobreaks ou geradores que garantam o

funcionamento do sistema mesmo nos casos de queda de energia, funcionamento do sistema mesmo nos casos de queda de energia,

além de meios de manutenção e detecção de falhas eficientes.além de meios de manutenção e detecção de falhas eficientes.




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Gerenciamento de cluster pode ser considerado qualquer tarefa que Gerenciamento de cluster pode ser considerado qualquer tarefa que

disponibilize um bom aproveitamento dos recursos de um cluster;disponibilize um bom aproveitamento dos recursos de um cluster;

Deve prover mecanismos que auxiliem a administração dos nós de Deve prover mecanismos que auxiliem a administração dos nós de

forma integrada.forma integrada.

Gerenciamento de ClustersGerenciamento de Clusters



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A instalação e configuração individual de cada sistema operacional A instalação e configuração individual de cada sistema operacional

para cada máquina pode levar muito tempo.para cada máquina pode levar muito tempo.

No as máquinas utilizam o mesmo sistema operacional;No as máquinas utilizam o mesmo sistema operacional;

Podem ser utilizadas ferramentas automáticas, tais como:Podem ser utilizadas ferramentas automáticas, tais como:

Kickstart: sistema desenvolvido para RedHat Linux que possibilita colocar Kickstart: sistema desenvolvido para RedHat Linux que possibilita colocar

todas as seleções que o usuário faria na instalação manual.todas as seleções que o usuário faria na instalação manual.

FAI (Fully Automatic Installation): é um conjunto de scripts e arquivos de FAI (Fully Automatic Installation): é um conjunto de scripts e arquivos de

configuração para instalação automatizada de sistema Debian Linux em configuração para instalação automatizada de sistema Debian Linux em

um agregado com um grande número de nós.um agregado com um grande número de nós.


Claudio Schepke, Tiarajú A. Diverio, Marcelo V. Neves, Andrea S. Charão .Panorama de ferramentas para gerenciamento de clusters. http://www.inf.ufrgs.br/~cschepke/mestrado/wsppd05.pdf - Acessado em 03 de fevereiro de 2011

http://www.inf.ufrgs.br/~cschepke/mestrado/wsppd05.pdf



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Replicator: outro recurso desenvolvido exclusivamente para sistemas Replicator: outro recurso desenvolvido exclusivamente para sistemas

Debian Linux, funcionando como um duplicador de instalação.Debian Linux, funcionando como um duplicador de instalação.

ALICE: é um sistema para SuSE Linux que possibilita instalar e configurar ALICE: é um sistema para SuSE Linux que possibilita instalar e configurar

várias máquinas automaticamente com o mínimo possível de interação várias máquinas automaticamente com o mínimo possível de interação

humana.humana.

OSCAR (Open Source Cluster Application Resources): É um ambiente OSCAR (Open Source Cluster Application Resources): É um ambiente

para a instalação, configuração e gerenciamento de clusters.para a instalação, configuração e gerenciamento de clusters.






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Ka-deploy: é uma ferramenta que faz parte do Ka Clustering Tools, que Ka-deploy: é uma ferramenta que faz parte do Ka Clustering Tools, que

possibilita replicar uma máquina Linux muitas vezes ao mesmo tempo.possibilita replicar uma máquina Linux muitas vezes ao mesmo tempo.

ClusterWorx: é outro exemplo de ferramenta para auxiliar o processo de ClusterWorx: é outro exemplo de ferramenta para auxiliar o processo de

carga remota. Ele foi desenvolvido pela Linux NetworX, possuindo carga remota. Ele foi desenvolvido pela Linux NetworX, possuindo

também um gerenciador de imagens.também um gerenciador de imagens.






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Os principais são:Os principais são:

Cluster BeowulfCluster Beowulf

Cluster de “workstations”Cluster de “workstations”

Tipos de ClustersTipos de Clusters



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É uma tecnologia de cluster que agrupa computadores rodando É uma tecnologia de cluster que agrupa computadores rodando

Sistema Operacional baseado no GNU/Linux para formar um Sistema Operacional baseado no GNU/Linux para formar um

supercomputador virtual via processamento paralelo (distribuído).supercomputador virtual via processamento paralelo (distribuído).

Daniel Ridge, Donald Becker, P. M. T. S. B. Merkey, P. Harnessing the power of parallelism in a pile-of-pcs. IEEE Aerospace. 1997.Donald J. Becker, Thomas Sterling, D. S. B. F. K. O. Communication overhead for space science applications on thebeowulf parallel workstation. High Performance Distributed Computing. 1995.Radajewski, J. Eadline, D. Beowulf Howto. http://www.sci.usq.edu.au/staff/jacek/beowulf/BDP. 1998. SANTOS, L. O. E.,

Clusters BeowulfClusters Beowulf



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Requisitos necessários para a implementação de um Cluster do tipo Requisitos necessários para a implementação de um Cluster do tipo

Beowulf:Beowulf:

Conjunto de computadores (sem teclado, sem monitor e sem Conjunto de computadores (sem teclado, sem monitor e sem

mouse) conectados em rede para processamento paralelo mouse) conectados em rede para processamento paralelo (uso (uso

exclusivo). Requer o uso de uma biblioteca de troca de exclusivo). Requer o uso de uma biblioteca de troca de

mensagens como PVM ou MPI, ou o uso de múltiplos processos mensagens como PVM ou MPI, ou o uso de múltiplos processos

com o OpenMosix.com o OpenMosix.

Daniel Ridge, Donald Becker, P. M. T. S. B. Merkey, P. Harnessing the power of parallelism in a pile-of-pcs. IEEE Aerospace. 1997.Donald J. Becker, Thomas Sterling, D. S. B. F. K. O. Communication overhead for space science applications on thebeowulf parallel workstation. High Performance Distributed Computing. 1995.Radajewski, J. Eadline, D. Beowulf Howto. http://www.sci.usq.edu.au/staff/jacek/beowulf/BDP. 1998. SANTOS, L. O. E.,




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As principais vantagens na utilização de um Cluster Beowulf são:As principais vantagens na utilização de um Cluster Beowulf são:

Manutenção facilitada;Manutenção facilitada;

Redução do número de problemas ocasionados pela instalação de Redução do número de problemas ocasionados pela instalação de

pacotes desnecessários;pacotes desnecessários;

Menor custo das máquinas e de manutenção.Menor custo das máquinas e de manutenção.

As principais desvantagens são:As principais desvantagens são:

As máquinas tem seu uso limitado ao processamento definido pelo As máquinas tem seu uso limitado ao processamento definido pelo

servidor.servidor.Daniel Ridge, Donald Becker, P. M. T. S. B. Merkey, P. Harnessing the power of parallelism in a pile-of-pcs. IEEE Aerospace. 1997.Donald J. Becker, Thomas Sterling, D. S. B. F. K. O. Communication overhead for space science applications on thebeowulf parallel workstation. High Performance Distributed Computing. 1995.Radajewski, J. Eadline, D. Beowulf Howto. http://www.sci.usq.edu.au/staff/jacek/beowulf/BDP. 1998. SANTOS, L. O. E.,




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Exemplo de um Cluster BeowulfExemplo de um Cluster Beowulf



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Exemplo de um Cluster Beowulf (PS3)Exemplo de um Cluster Beowulf (PS3)


http://blog.us.playstation.com/2007/08/08/behind-the-curtain-the-warhawk-servers/


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Unicamp usa PlayStation 3 para realizar Unicamp usa PlayStation 3 para realizar pesquisas.pesquisas.

Projeto de biologia tem 12 videogames Projeto de biologia tem 12 videogames que fazem cálculos científicos.que fazem cálculos científicos.

Console da Sony tem melhor Console da Sony tem melhor custo/benefício que servidores comuns, custo/benefício que servidores comuns, diz especialista.diz especialista.


http://g1.globo.com/Noticias/Tecnologia/0,,MUL146410-6174,00-UNICAMP+USA+PLAYSTATION+PARA+REALIZAR+PESQUISAS.html - acessado em 03 de fevereiro de 2011

http://g1.globo.com/Noticias/Tecnologia/0,,MUL146410-6174,00-UNICAMP+USA+PLAYSTATION+PARA+REALIZAR+PESQUISAS.html





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PPPL ScientificPPPL ScientificComputingComputing

ClusterCluster




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Além de proporcionar benefícios financeiros, os Clusters Beowulf Além de proporcionar benefícios financeiros, os Clusters Beowulf

possuem as seguintes características:possuem as seguintes características:

Escalabilidade absoluta:Escalabilidade absoluta:

É possível conseguir um clusters com poder de É possível conseguir um clusters com poder de

processamento superior à maior máquina individual existente processamento superior à maior máquina individual existente

hoje.hoje.




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Escalabilidade incremental:Escalabilidade incremental:

Mais máquinas podem ser adicionadas – acopladas ao cluster, Mais máquinas podem ser adicionadas – acopladas ao cluster,

se desejadas pelo usuário, para aumentar o poder de se desejadas pelo usuário, para aumentar o poder de

processamento como um todo. Este acoplamento pode ser processamento como um todo. Este acoplamento pode ser

feito de forma gradual não impactando no sistema.feito de forma gradual não impactando no sistema.




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Alta disponibilidade:Alta disponibilidade:

Como cada computador do cluster é completo, a falha de um Como cada computador do cluster é completo, a falha de um

nó (computador) não compromete o funcionamento do cluster nó (computador) não compromete o funcionamento do cluster

como um todo, basta apenas trocar este nó por outro.como um todo, basta apenas trocar este nó por outro.




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Atualização com a tecnologia de ponta:Atualização com a tecnologia de ponta:

Como seus nós são construídos com computadores comuns, Como seus nós são construídos com computadores comuns,

pode-se aplicar os melhores tipos de material disponíveis hoje pode-se aplicar os melhores tipos de material disponíveis hoje

no mercado.no mercado.




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Flexibilidade de configuração:Flexibilidade de configuração:

Se a aplicação utilizar intensamente a rede para passagem de Se a aplicação utilizar intensamente a rede para passagem de

mensagens, parte do orçamento pode ser direcionada a mensagens, parte do orçamento pode ser direcionada a

oferecer uma infra-estrutura que melhore o meio de oferecer uma infra-estrutura que melhore o meio de

interconexão.interconexão.




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É um conjunto de computadores completos (com teclado, monitor, É um conjunto de computadores completos (com teclado, monitor,

mouse), conectados em rede, e que cumprem duas funções:mouse), conectados em rede, e que cumprem duas funções:

O uso diário, com diversos tipos de programas como O uso diário, com diversos tipos de programas como

processadores de texto e planilhas; eprocessadores de texto e planilhas; e

O uso para processamento paralelo pesado no final do dia e/ou O uso para processamento paralelo pesado no final do dia e/ou

nos fins de semana.nos fins de semana.

Cluster WorkstationsCluster Workstations



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Os requisitos necessários para montar um Cluster do tipo Workstation Os requisitos necessários para montar um Cluster do tipo Workstation

são:são:

As máquinas devem ser completas e independentes.As máquinas devem ser completas e independentes.

Requer o uso de uma biblioteca de troca de mensagens como Requer o uso de uma biblioteca de troca de mensagens como

PVM ou MPI, ou o uso de múltiplos processos com o OpenMosix.PVM ou MPI, ou o uso de múltiplos processos com o OpenMosix.




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As principais vantagens de um cluster workstation são:As principais vantagens de um cluster workstation são:

Possibilita o uso das máquinas por diferentes usuários para Possibilita o uso das máquinas por diferentes usuários para

realização de suas tarefas rotineiras, não ficando dedicado apenas realização de suas tarefas rotineiras, não ficando dedicado apenas

a uma tarefa.a uma tarefa.




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As principais desvantagens são:As principais desvantagens são:

Como vários usuários estão utilizando os processadores para Como vários usuários estão utilizando os processadores para

outras tarefas, o desempenho do sistema é reduzido.outras tarefas, o desempenho do sistema é reduzido.

Na prática reduz o uso do cluster ao final do dia e nos fins de Na prática reduz o uso do cluster ao final do dia e nos fins de

semana.semana.

Tem um custo maior por máquina e maiores problemas com a Tem um custo maior por máquina e maiores problemas com a

manutenção do sistema.manutenção do sistema.




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MMulticomputer ulticomputer OOperating perating SSystem for UNystem for UNIXIX (MOSIX) (MOSIX)

Principal característica:Principal característica:

Fazer com que o cluster se comporte como um grande e único Fazer com que o cluster se comporte como um grande e único

supercomputador lançando mão da migração preemptiva de supercomputador lançando mão da migração preemptiva de

processos e balanceamento dinâmico de carga;processos e balanceamento dinâmico de carga;

Migração Preemptiva:Migração Preemptiva:

Faz com que um processo em um nó com poucos recursos seja Faz com que um processo em um nó com poucos recursos seja

transportado para outro nó que tenha maior disponibilidade, transportado para outro nó que tenha maior disponibilidade,

melhorando, assim, o desempenho do sistema e utilizando assim melhorando, assim, o desempenho do sistema e utilizando assim

o máximo de seu poder de processamento.o máximo de seu poder de processamento.

Cluster MosixCluster Mosix



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No cluster Mosix não existe um nó mestre que controla os outros nós No cluster Mosix não existe um nó mestre que controla os outros nós

do clusterdo cluster;;

Este tipo de cluster utiliza algoritmos descentralizados para gerenciar Este tipo de cluster utiliza algoritmos descentralizados para gerenciar

o processo de cargao processo de carga;;

A grande vantagem deste tipo de carga esta na possibilidade de incluir A grande vantagem deste tipo de carga esta na possibilidade de incluir

ou remover um computador do cluster sem que o desempenho seja ou remover um computador do cluster sem que o desempenho seja

afetado e nenhum distúrbio seja notado no conjunto.afetado e nenhum distúrbio seja notado no conjunto.

Possui ainda algoritmos que monitoram e identificam qual a velocidade Possui ainda algoritmos que monitoram e identificam qual a velocidade

dos nós, a memória livre disponível, a carga da CPU, a comunicação dos nós, a memória livre disponível, a carga da CPU, a comunicação

interprocessos (IPC) e a velocidade de acesso de cada processo.interprocessos (IPC) e a velocidade de acesso de cada processo.

Cluster MosixCluster Mosix



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São máquinas capazes de executar mais de uma tarefa ao mesmo São máquinas capazes de executar mais de uma tarefa ao mesmo

tempo.tempo.

Com o avanço do processamento paralelo, foram propostas inúmeras Com o avanço do processamento paralelo, foram propostas inúmeras

arquiteturas, cada uma apresentando características diferentes.arquiteturas, cada uma apresentando características diferentes.

A classificação de Flynn (1972), embora muito antiga, é amplamente A classificação de Flynn (1972), embora muito antiga, é amplamente

adotada internacionalmente e baseia-se no fluxo de instruções e no adotada internacionalmente e baseia-se no fluxo de instruções e no

fluxo de dados.fluxo de dados.

FLYNN, M. J. Some Computer Organizations and Their Effectiveness, IEEE Transactions on Computers, 1972.

Arquiteturas ParalelasArquiteturas Paralelas



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A classificação de Flynn (1972) divide em quatro as arquitetura, sendo A classificação de Flynn (1972) divide em quatro as arquitetura, sendo

estas:estas:

SISD (Single Instruction stream over a Single Data stream)SISD (Single Instruction stream over a Single Data stream)

SIMD (Single Instruction stream over a Multiple Data stream)SIMD (Single Instruction stream over a Multiple Data stream)

MISD (Multiple Instruction over a Single Data stream)MISD (Multiple Instruction over a Single Data stream)

MIMD (Multiple Instruction over a Multiple Data stream)MIMD (Multiple Instruction over a Multiple Data stream)

Arquiteturas ParalelasArquiteturas Paralelas

FLYNN, M. J. Some Computer Organizations and Their Effectiveness, IEEE Transactions on Computers, 1972.



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A categoria SISD (Única Instrução e Único Dado)A categoria SISD (Única Instrução e Único Dado)

Possui um fluxo de instruções (da Unidade de controle para a Possui um fluxo de instruções (da Unidade de controle para a

Unidade de Processamento e da Memória para a Unidade de Unidade de Processamento e da Memória para a Unidade de

Controle) e um fluxo de dados (da Unidade de processamento Controle) e um fluxo de dados (da Unidade de processamento

para a Memória).para a Memória).

Arquitetura SISDArquitetura SISD



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Nesta categoria estão as clássicas máquinas de Von Neumann.Nesta categoria estão as clássicas máquinas de Von Neumann.

A execução é seqüencial, embora uma possível execução A execução é seqüencial, embora uma possível execução pipeline pipeline

possa existir dentro do processador.possa existir dentro do processador.

Pode existir mais de uma unidade funcional (co-processadores), mas Pode existir mais de uma unidade funcional (co-processadores), mas

mesmo assim todos estão subordinados a uma única unidade de mesmo assim todos estão subordinados a uma única unidade de

controle.controle.




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PUC, Pontifica Universidade Católica, Computação Paralela e Plataformas Não Convencionais. Disponível em http://www.inf.pucpcaldas.br/~morselli/pesquisa/compparal.htm. Acessado em 25 julho de 2009




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A categoria SIMD (Única Instrução e Múltiplos Dados) apresenta um A categoria SIMD (Única Instrução e Múltiplos Dados) apresenta um

único fluxo de instruções atuando sobre vários fluxos de dados único fluxo de instruções atuando sobre vários fluxos de dados

diferentes.diferentes.

Esta arquitetura possui várias unidades de processamento Esta arquitetura possui várias unidades de processamento

supervisionadas por uma única unidade de controle. Isso faz com que supervisionadas por uma única unidade de controle. Isso faz com que

todos os elementos de processamento executem as mesmas todos os elementos de processamento executem as mesmas

instruções sobre dados diferentes.instruções sobre dados diferentes.

CALÔNEGO, N., Parallel Programming Tool-Kit, Anais do I Workshop de Sistemas Distribuídos, Universidade Federal da Bahia, 1996.

Arquitetura SIMDArquitetura SIMD



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Processadores matriciais são exemplos dessa categoria (Calônego, Processadores matriciais são exemplos dessa categoria (Calônego,

1996).1996).

A memória utilizada pode ser compartilhada, ou seja, pode ser comum A memória utilizada pode ser compartilhada, ou seja, pode ser comum

a todas as unidades de processamento; ou distribuída, onde cada a todas as unidades de processamento; ou distribuída, onde cada

unidade de processamento possui o seu próprio espaço para unidade de processamento possui o seu próprio espaço para

endereçamento da memória.endereçamento da memória.


CALÔNEGO, N., Parallel Programming Tool-Kit, Anais do I Workshop de Sistemas Distribuídos, Universidade Federal da Bahia, 1996.



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A categoria MISD (Múltiplas Instruções e Dado Simples) é A categoria MISD (Múltiplas Instruções e Dado Simples) é

caracterizada por representar múltiplos fluxos de instruções para um caracterizada por representar múltiplos fluxos de instruções para um

único fluxo de dados.único fluxo de dados.

O fluxo de dados passa por todas as unidades de processamento, O fluxo de dados passa por todas as unidades de processamento,

sendo que o resultado proveniente de uma unidade de processamento sendo que o resultado proveniente de uma unidade de processamento

seria a entrada para a próxima unidade.seria a entrada para a próxima unidade.

Não há, na literatura disponível, exemplos consolidados de máquinas Não há, na literatura disponível, exemplos consolidados de máquinas

MISD.MISD.

Arquitetura MISDArquitetura MISD



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Arquitetura MISDArquitetura MISD



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A categoria MIMD (Múltiplas Instruções e Múltiplos Dados) é composta A categoria MIMD (Múltiplas Instruções e Múltiplos Dados) é composta

por múltiplos fluxos de instruções e múltiplos fluxos de dados.por múltiplos fluxos de instruções e múltiplos fluxos de dados.

Cada unidade de processamento atua sobre um conjunto de dados Cada unidade de processamento atua sobre um conjunto de dados

diferente e possui uma unidade de controle que a supervisiona.diferente e possui uma unidade de controle que a supervisiona.

Podem ser fraca ou fortemente acoplados, dependendo do grau de Podem ser fraca ou fortemente acoplados, dependendo do grau de

interação existente entre os processadores.interação existente entre os processadores.

Arquitetura MIMDArquitetura MIMD



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Máquinas fortemente acopladas possuem baixa latência no envio de Máquinas fortemente acopladas possuem baixa latência no envio de

mensagens e alta taxa de transmissão, o oposto de máquinas mensagens e alta taxa de transmissão, o oposto de máquinas

fracamente acopladas.fracamente acopladas.

Sistemas fortemente acoplados são usados como sistemas paralelos, Sistemas fortemente acoplados são usados como sistemas paralelos,

trabalhando em um único problema e são multiprocessadores.trabalhando em um único problema e são multiprocessadores.

Sistemas fracamente acoplados são utilizados como um sistema Sistemas fracamente acoplados são utilizados como um sistema

distribuído, trabalhando em diversos problemas e são distribuído, trabalhando em diversos problemas e são

multicomputadores.multicomputadores.




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o reflexo na água implementado no Quake4o reflexo na água implementado no Quake4




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Filme o senhor dos anéisFilme o senhor dos anéis




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Imagem 3D de uma casa de campo Imagem 3D de uma casa de campo




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Linux Cluster at Purdue Universitty. http://www.wordiq.com/definition/Image:PurdueLinuxComputerCluster.jpg.



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Em diagrama de um cluster.Em diagrama de um cluster. Em Cluster do Numerical Em Cluster do Numerical Aerospace Simulation Facility Aerospace Simulation Facility

NASA Ames.NASA Ames.

Exemplo de clustersExemplo de clusters



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O Avalon é um cluster de 140 máquinas Alpha 533 MHz, localizado no O Avalon é um cluster de 140 máquinas Alpha 533 MHz, localizado no

Laboratório Nacional de Los Alamos, nos Estados Unidos.Laboratório Nacional de Los Alamos, nos Estados Unidos.

Esse computador já foi o 113º no TOP500, a lista das 500 máquinas Esse computador já foi o 113º no TOP500, a lista das 500 máquinas

mais rápidas do mundo.mais rápidas do mundo.

O fato de o Avalon ter custado uma fração do preço de seus O fato de o Avalon ter custado uma fração do preço de seus

concorrentes próximos no ranking, mesmo usando máquinas de alta concorrentes próximos no ranking, mesmo usando máquinas de alta

qualidade, é um testemunho da vantagem da solução de qualidade, é um testemunho da vantagem da solução de

processamento pesado usando clusters.processamento pesado usando clusters.

O Avalon é formado com Switch 3com superstack II 3900 36 portas-O Avalon é formado com Switch 3com superstack II 3900 36 portas-

fast ethernet switch.fast ethernet switch.




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Inicialmente contava com 70 máquinas Alpha 533Mhz, obtendo o Inicialmente contava com 70 máquinas Alpha 533Mhz, obtendo o

mesmo desempenho de um computador paralelo com 64 mesmo desempenho de um computador paralelo com 64

processadores a 195Mhz (que custava na época 1.8 milhões de processadores a 195Mhz (que custava na época 1.8 milhões de

dólares).dólares).

Usa o GNU/Linux da Red Hat, o pacote de compilação egcs-1.1b e a Usa o GNU/Linux da Red Hat, o pacote de compilação egcs-1.1b e a

biblioteca MPICH.biblioteca MPICH.

Os autores indicam a necessidade de um sistema de cooling Os autores indicam a necessidade de um sistema de cooling

(resfriamento) de melhor qualidade em cada máquina, além de uma (resfriamento) de melhor qualidade em cada máquina, além de uma

rede elétrica dedicada, adaptado de um cluster. rede elétrica dedicada, adaptado de um cluster.




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http://guialivre.governoeletronico.gov.br/guiaonline/downloads/guiacluster.pdf - Governo Eletrônico

Referências sobre ClusterReferências sobre Cluster

http://www.ieeetfcc.org/ - IEEE Computer Society Task Force on Cluster Computing!



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São Paulo, 2011São Paulo, 2011

Universidade Paulista (UNIP)Universidade Paulista (UNIP)

Clusters de computadores (introdução, Clusters de computadores (introdução, conceitos e implementação)conceitos e implementação)

Prof. MSc. Vladimir CameloProf. MSc. Vladimir [email protected] [email protected]


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Sistemas Distribuídos Introdução a Sistemas Distribuídos 25/4/[email protected] São Paulo, 2011 Universidade Paulista (UNIP) Clusters de