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
mestre
escravo1
escravo2
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
.rhosts
mestre
escravo1
escravo2
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/bWatch1.1.0.a
• copie o arquivo bWatch-1.1.0a.tar.gz
para o diretório /usr/local/bWatch1.1.0a 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-1.2.301.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 start
e marque o serviço para inicializar
automaticamente quando se inicia o host
# ntsysv
marcar 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
$PVM_ROOT/lib/pvmd são usados para
iniciar o console e o daemon PVM
• O PVM poderá ser configurado para usar
o ssh ao invés do rsh
Instalando e configurando o PVM
Criar o arquivo pvm.sh em /etc/profile.d
export PVM_ROOT=/usr/share/pvm3
export PVM_ARCH=LINUX
export
PATH=$PATH:$PVM_ROOT/lib:$PVM_ROOT/lib
/$PVM_ARCH
export PATH=$PATH:$PVM_ROOT/lib/pvmd
export 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_hosts
mestre
escravo1
escravo2
/root/pvmhosts
mestre
escravo1
escravo2
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]# pvm
pvmd already running.
pvm> conf
conf
3 hosts, 1 data format
HOST
mestre.mltech.com.br
escravo1
escravo2
pvm> id
id
t4000a
DTID
40000
80000
c0000
ARCH
LINUX
LINUX
LINUX
SPEED
DSIG
1000 0x00408841
1000 0x00408841
1000 0x00408841
Exemplo de Execução (2)
pvm> spwan -> hello
spawn -> hello
[1]
1 successful
t80004
pvm> [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/mpichmanchp4.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/Ope
nMP/
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, CentOSMedia localizados em /etc/yum.repos.d
para o diretório temp