““COMPUTACIÓN DISTRIBUIDA Y SU COMPUTACIÓN DISTRIBUIDA Y SU APLICACIÓN TECNOLÓGICA PARA APLICACIÓN TECNOLÓGICA PARA INCREMENTAR LA EFICIENCIA DEL INCREMENTAR LA EFICIENCIA DEL
USO DE RECURSOS USO DE RECURSOS INFORMÁTICOS EN RED DE LA INFORMÁTICOS EN RED DE LA
ESPOL”ESPOL”
Luis Vargas V.
Gonzalo Luzardo M.
AgendaAgenda
• Antecedentes.• Problema y solución.• Posibles alternativas.• Diseño.• Implementación. • Pruebas y resultados.• Demostración.• Conclusiones y recomendaciones.
AntecedentesAntecedentes
• Existen proyectos de investigación que deben analizar gran cantidad de datos; renderización de imágenes, simulación de fenómenos naturales, redes neuronales, son algunos ejemplos.
• Necesitan computadoras de gran capacidad de procesamiento.
AntecedentesAntecedentes
• LA IBM BLUE GENE/L , utilizada para aplicaciones de hidrodinámica, química cuántica, dinámica molecular, astronomía e investigación espacial, y modelado climático.
Su construcción tuvo un costo aproximado de 150 millones de dólares.
AntecedentesAntecedentes
• Existen otras alternativas que permiten unir el poder de procesamiento de un conjunto de computadoras disponibles en una red.
• Este nuevo paradigma se llama Computación Distribuida.
Computación DistribuidaComputación Distribuida
• La computación distribuida, es un nuevo modelo para resolver problemas de computación masiva utilizando un gran número de computadoras conectadas entre sí mediante una red.
• Dividir el trabajo entre varios computadoras, logrando de esta forma mejorar los tiempos de respuesta de procesamiento.
TerminologíasTerminologías
• Aceleración (Speedup).- Relaciona los tiempos de ejecución de algoritmos secuenciales vs. Paralelos
• Eficiencia.- Relación entre la aceleración de una ejecución paralela y el número de procesadores
• Escalabilidad.- Si al aumentar el tamaño del problema, el desempeño por procesador se mantiene.
Problema actual en la ESPOLProblema actual en la ESPOL
• Las unidades no disponen de una plataforma que permita el análisis extensivo de datos.
• Esto limita el desarrollo de nuevos proyectos que necesitan procesar una gran cantidad de información en un tiempo razonable.
• Simulación, procesamiento de imágenes, biotecnología, pronóstico del tiempo, modelado financiero, inteligencia de negocios, son algunas aplicaciones que requieren de gran poder de procesamiento.
¿Qué nos ofrece la ESPOL?¿Qué nos ofrece la ESPOL?
• La ESPOL cuenta actualmente con una gran cantidad de recursos informáticos (computadoras).
• La mayor parte realizan tareas de aplicaciones sencillas tales como procesadores de texto, hojas de cálculo, navegadores, correo, entre otras.
• Algunas de estas computadoras se encuentran inactivas una cantidad considerable del tiempo.
• En su mayoría se encuentran conectadas en red.
SoluciónSolución
• En base a esta realidad, nace la idea de unir estos recursos informáticos, para formar una “Computadora Virtual” de gran capacidad de procesamiento.
ObjetivosObjetivos
• Generar un sistema de computación distribuida que use los ciclos ociosos de las computadoras en ESPOL.
• Proveer las herramientas necesarias, que permitan explotar un sistema distribuido para su uso en la investigación y el desarrollo.
• Desarrollar una aplicación que explote las capacidades del supercomputador y demuestre sus posibles usos en la investigación.
Características del sistemaCaracterísticas del sistema
• Dividir un problema en tareas más pequeñas y distribuirlas entre un grupo de computadoras.
• Independiente de la plataforma.• Tolerante a fallos.• Seguro.• Procesamiento controlado. • Ser adaptable en el desarrollo de diferentes
tipos de aplicaciones distribuidas. • Proveer de herramientas que faciliten la
creación de aplicaciones distribuidas.
HardwareHardware
• Computadoras de alto rendimiento – más de 2 millones dólares, 148 megaflops.
• Supercomputadoras – más de 100 millones dólares, 280.600 gigaflops.
• Clusters de alto rendimiento – económico y escalable, 1.2 millones dólares, 350 gigaflops – Clusters dedicados y no dedicados
(computación zombi).
MiddlewareMiddleware
• PVM– Explota la heterogeneidad natural de las
computadoras.– Es portable.– Detalles de paralelización de forma explícita.– No es configurable por usuario.
• MPI– Estándar definido para sistemas MPPs inicialmente.– Es portable.– Nodos de cómputo no pueden ser agregados o
quitados de manera dinámica.– No es interoperable.
BOINCBOINC
• Comparte poder computacional con muchas aplicaciones.
• Distribuye tareas entre los nodos del cluster.
• Arquitectura heterogénea.
• Seguro, tolerante a fallos, escalable.
• Configurable para usuarios.
• Código abierto.
Selección de las alternativas más apropiadasSelección de las alternativas más apropiadas
• Cluster de alto rendimiento– Económico, usa computadoras disponibles.– No es dedicado.– Fácil de construir.
• Middleware BOINC– Alta escalabilidad.– Independiente de la plataforma.– Administra más de una aplicación distribuida.– Permite una fácil configuración de nodos.
Diseño LógicoDiseño Lógico
CLIENTE
APLICACIÓN DISTRIBUIDA
1 1
TRABAJOA REALIZAR
RESULTADO
1
1
APLICACIÓN DISTRIBUIDA
SERVIDOR
APLICACIÓN DISTRIBUIDA
TRABAJO A REALIZAR
1 2 3
RESULTADOS OBTENIDOS
1
Diseño LógicoDiseño Lógico
• Servidor– Divide el problema en unidades de trabajo (más pequeñas).– Distribuye estas unidades entre un grupo de computadores.– Administra el procesamiento.– Analiza los resultados.
• Cliente– Descarga aplicaciones distribuidas y unidades de trabajo.– Procesa las unidades de trabajo mediante la aplicación
distribuida.– Muestra detalles del procesamiento.– Envía los resultados al servidor.
Diseño físicoDiseño físicoSUPERCOMPUTADOR VIRTUAL
RE
D D
E L
A E
SP
OLRED DEL CTI
SERVIDOR
Internet
CLIENTE CLIENTE
CLIENTE CLIENTE CLIENTE
CLIENTECLIENTE
CLIENTE CLIENTE
CLIENTE
• El servidor se conecta a la red del CTI, posee una IP pública y un dominio registrado.
• Clientes se conectan al servidor a través de la red del CTI, del backbone de la ESPOL o Internet.
Diseño del servidorDiseño del servidor
• Base de datos.
• Servidor de tareas.
• Servidor de datos.
• Servidor Web.
• Utilidades y programas.
• Componentes propios de una aplicación.
SERVIDOR
SERVIDOR DE TAREAS
ADMINISTRADOR
SERVIDOR WEB
SERVIDOR DE DATOS
Base de Datos
COMPONENTES DE UNA APLICACIÓN
USUARIO
UTILIDADES Y PROGRAMAS
Base de datosBase de datos
• Almacena información relevante del sistema tales como clientes (nodos), unidades de trabajo, resultados, aplicaciones, entre otros.
Servidor de tareasServidor de tareas
• Interactúa de manera directa con el cliente (primera comunicación).• Asigna trabajo al cliente.
• Intercambia mensajes con el servidor de tareas, a través del
protocolo HTTP, usando archivos XML como mensajes. – Una descripción de trabajo que debe ser procesado.
– La ubicación del servidor de datos, en donde se almacenan los archivos de entrada y salida del procesamiento.
SERVIDOR
USUARIO
Base de Datos
SERVIDOR DE TAREAS
CLIENTE
PROTOCOLO HTTP
XML
Servidor de datosServidor de datos
• Almacena tanto los archivos entrada y archivos de salida de la aplicación distribuida.
SERVIDOR
USUARIO
SERVIDOR DE DATOSCLIENTE
ARCHIVOS DE ENTRADA
ARCHIVOS DE SALIDA
ARCHIVOS DE ENTRADA Y SALIDA PARA UNA APLICACIÓN ESPECÍFICA
APLICACIÓN PARA EL
ENVIO DE RESULTADOS
XML
PROTOCOLO HTTP
011010101101110
ejecutables
.lib
.dlllibrerías imágenes
resultados
HTTP GET
EJECUTABLES Y ARCHIVOS
PETICIÓN DE ENVÍO
PROTOCOLO
PREDEFINIDO
RESPUESTA
unidades de trabajo
Componentes de una aplicaciónComponentes de una aplicación
• Son aquellos programas que ejecutan acciones de una aplicación distribuida en particular.– Generar trabajo de cómputo.– Verificar y validar los resultados de cómputo.– Asimilar. – Verificar.
Utilidades y programasUtilidades y programas
• Componentes propios del sistema que nos ayudan a administrar el sistema en su totalidad.
• Suministrar controles para inicializar, detener, reiniciar y verificar el estatus del servidor.
• Suministrar aplicaciones para facilitar la incorporación de aplicaciones distribuidas al sistema y archivos relacionados a ésta.
• Crear trabajo para ser procesado. • Borrar los archivos que no son necesarios para
prevenir errores por insuficiencia de espacio en el disco.
Interacción entre los componentesInteracción entre los componentesSERVIDOR
SERVIDOR DE DATOS
ARCHIVOS DE ENTRADA
ARCHIVOS DE SALIDA
ARCHIVOS DE ENTRADA Y SALIDA PARA UNA APLICACIÓN ESPECÍFICA
011010101101110
ejecutables
.lib .dll
librerías imágenes
resultados
COMPONENTES DE UNA APLICACIÓN
REPOSITORIO DE TRABAJO COMPUTACIONAL
UTILIDADES Y PROGRAMAS
GENERADOR DE TRABAJO DE CÓMPUTO
CREADOR DE UNIDADES DE TRABAJO
VALIDADOR
Unidades de trabajo
PROBLEMA A SER RESUELTO
PROBLEMA DE GRAN DESAFÍO
Divide el problema en varias tareas más pequeñas
LE
CT
UR
A D
E T
RA
BA
JO C
OM
PU
TA
CIO
NA
L
APLICACIÓN DISTRIBUIDA
011010101101110
ejecutables
.lib .dll
librerías
imágenes
EN
VÍO
DE
UN
IDA
DE
S D
E T
RA
BA
JO
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TU
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IZA
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A T
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LA
DE
UN
IDA
DE
S D
ET
RA
BA
JO Y
RE
SU
LT
AD
OS
ASIMILADOR
LLAMADAS A PROCESOS DE UNA APLICACIÓN
Ejecuta llamadas a procesos propios de una aplicación
Base de Datos
CONTROLES DE ADMINISTRACIÓN
<start>, <restart>, <stop>, <status>
Finalización de procesamiento de
una unidad de trabajo
Validación de resultados
ELIMINACIÓN DE ARCHIVOS
Elimina archivos no necesarios
Genera unidades a partir del
repositorio de trabajos
UTILIDADES
LLA
MA
DA
S A
PR
OC
ES
OS
Agregar aplicaciones junto con sus archivos,
entre otras.VERIFICAR SI SE HA
ENCONTRADO LA SOLUCIÓN
Servidor WebServidor Web
• Interfase Web para el administrador.
• interfase Web para los usuarios SERVIDOR
USUARIO
SERVIDOR WEB
INTERFACE WEB PARA LOS USUARIOS
Base de Datos INTERFACE WEB PARA
EL ADMINISTRADORADMINISTRADOR
Diseño del clienteDiseño del cliente
• Encargado, entre otras cosas, de procesar las unidades de trabajo, y retornar al servidor los resultados computacionales obtenidos.
SISTEMA CLIENTE
USUARIO
INTERFAZ GRÁFICA
NÚCLEO DEL CLIENTE
APLICACIÓN DISTRIBUIDA
Núcleo del clienteNúcleo del cliente
• Encargado de la comunicación con el servidor y llevar el control sobre el procesamiento que se está ejecutando en la estación cliente.
• Obtiene datos específicos de la estación de trabajo para ser enviados al servidor.– Obtener las características generales.– Rendimiento del CPU.– Recursos disponibles.
• Inicia la aplicación distribuida para procesar trabajo, o la reinicia si fue suspendida.
• Suspende la aplicación distribuida.• Inicia la transferencia de archivos.• Elimina archivos si es necesario.
Núcleo del clienteNúcleo del clienteCLIENTE
NÚCLEO DEL
CLIENTE
SERVIDOR
SERVIDOR DE TAREAS
SERVIDOR DE DATOS
RESPUESTA
ARCHIVOS DEENTRADA
ARCHIVOS DESALIDA
PETICIÓN
HTTP GET
RESPUESTA
PETICIÓN DE TRANSFERENCIA
APLICACIÓN DISTRIBUIDA
ARCHIVOS DE SALIDA
ARCHIVOS DE ENTRADA
TRANSFERENCIA
TRANSFERENCIA
• Pide trabajo para procesar.
• Descarga las unidades de trabajo.
• Envía los resultados.
• Notifica el procesamiento.
• Pide más trabajo
Aplicación distribuidaAplicación distribuida
• Encargada de procesar las unidades de trabajo provenientes del servidor de tareas.
• Utiliza los archivos de entrada.
• Genera archivos de salida.
SISTEMA CLIENTE
Directorio de ejecución Directorio de aplicaciones
APLICACIÓN DISTRIBUIDA
ARCHIVOS DE SALIDA
ARCHIVOS DE ENTRADA
ESTADO DEL
PROCESAMIENTO
APLICACIÓN DISTRIBUIDA
ARCHIVOS DE ENTRADA
NÚCLEO DEL CLIENTE
INTERFAZ GRÁFICA
ESTADO DEL PROCESAMIENTO
LLA
MA
DA
S
RE
ITE
RA
DA
S
Aplicación distribuidaAplicación distribuida
• Módulo de procesamiento. Procesa las unidades de trabajo y retornar un resultado computacional.
• Módulo de presentación gráfica. Muestra información gráfica relevante al procesamiento.
SISTEMA CLIENTE
APLICACIÓN DSITRIBUIDA
MODULO DE PROCESAMIENTO
APLICACIÓN DISTRIBUIDA
ARCHIVOS DE SALIDA
ARCHIVOS DE ENTRADA
MODULO DE PRESENTACIÓN GRÁFICA
PROCESAMIENTO DE DATOS
LIBRERÍAS GRÁFICAS
estado
Interfaz gráficaInterfaz gráfica
• Encargada de hacer reiteradas llamadas al núcleo cliente para comenzar su ejecución, y llevar control sobre las acciones que éste se encuentre realizando en la estación de trabajo.
• Instalada en el cliente.
ServidorServidor
Procesador Intel Pentium 4 2.80GHz Socket 478 Bus 800 MHz
Placa base Intel D875 PBZLK P4 RAID 800 MHz, LAN Gigabit
Memoria RAM 1024 MB DDR PC 400 KINGSTON
Disco Duro 120 GB Serial ATA 7200 RPM
Video NVIDIA GFORCE 5200 128 MB
CDROM CDR 52x
Periféricos Unidad Floppy 3 1!2” , Mouse óptico,
Teclado Multimedia
Monitor Samsung 15”
PRECIO 1355 USD
(a) Servidor (b) Vista interna del servidor.
Instalación y configuración del servidorInstalación y configuración del servidor
• Sistema operativo Fedora Core 2.• Agente de transporte de correo Sendmail.• Servidor Web Apache II.• PHP.• Base de datos MySQL, PHPMySQL.• Python, PyXML.• Configuración del Firewall, permitir conexiones con el Internet a
través de los puertos: 22 para ssh, 80 para htttp y 443 para https; conexiones locales con los puertos 3306 para MySQL y 21 para sendmail.
• IP pública 200.10.150.5 y dominio supercomp.cti.espol.edu.ec.• Configurado para que salga la Internet a través de la red del CTI.
Instalación y configuración de BOINCInstalación y configuración de BOINC
• Versión 3.04.• Archivos fuentes
compilados y luego instalados en el servidor.
• Se modificaron los archivos util.inc y countries.inc de la carpeta html.
• Conectado a la red del CTI.
Instalación y configuración de los clientesInstalación y configuración de los clientes
• Sistema cliente BOINC versión 3.05.
• El cliente fue instalado en cada una de las cinco computadoras cliente de prueba, tres máquinas de ellas pertenecientes al Centro de Tecnologías de Información (CTI) y dos máquinas particulares conectadas al Internet.
• Registro de clientes al sistema distribuido.
• Configuración de clientes para procesar las unidades de trabajo usando los ciclos ociosos.
RED DEL CTI
SERVIDOR
SWITCH Principal CTICAPA 3
SWITCH 3ComGigabit Ethernet
BACKBONE DE LA ESPOL
200.10.150.5
Internet
Portátil
Rea
Sagitario
Computadora deescritorio
Titán
Objetivos de la implementaciónObjetivos de la implementación
• Probar el funcionamiento del sistema.
• Evaluar el rendimiento y escalabilidad de nuestro sistema distribuido.
Esta aplicación distribuida, además de ser paralelizable, debía buscar la solución a un problema
de gran desafío computacional, el cual una computadora común no lo pueda realizar o le tome demasiado tiempo.
Descifrado (desencriptación) de claves RSA
Descifrado de claves RSADescifrado de claves RSA
• Obtener una clave pública a través de una clave privada.
• Basado en la dificultad de factorizar un valor extremadamente grande (64, 128 dígitos, por ejemplo), generado por la multiplicación de dos números primos grandes.
• Según la Criba de Eratóstenes, los factores de un número n, para un número n = p x q
• tenemos que o bien p< o bien q <
n
n n
SoluciónSolución
• El objetivo general consiste en dividir raíz de n en rangos mucho más pequeños y manejables en términos de procesamiento, los cuales serán asignados a los clientes.
• A cada cliente se le asignará un rango de búsqueda diferente.
• El cliente realizará divisiones sucesivas sólo dentro de su rango asignado.
n
Generador de archivos de entradaGenerador de archivos de entrada
• Denominado rsasplitter.• Divide raíz de n en rangos y genera los archivos de
entrada para la aplicación. • Estos archivos de entrada serán convertidos en
unidades de trabajo.
n: Representa el valor n de la clave pública, un numero de N dígitos.ninicial: Rango desde donde se comienza a hacer las divisiones sucesivas.nfinal: Rango hasta donde se realizan las divisiones sucesivas.
n
ninicial
nfinal
Aplicación distribuidaAplicación distribuida
• Denominada rsadecrypt.• Lee un archivo de entrada.• Busca un factor primo en el rango especificado en el archivo de entrada,
usando el método de divisiones sucesivas (fuerza bruta).• Se detiene si encontró el factor primo o si termino de buscar dentro del
rango.• Genera un resultado computacional.
nfinal: Hasta que numero llegó el cliente a procesar.estado: El estado del resultado, 1 si logró encontrar la clave privada, 0 si no encontró.
nfinal
estado
Aplicación distribuida – Parte gráficaAplicación distribuida – Parte gráfica
• Muestra datos relevantes del procesamiento que le cliente esta realizando.
• Mostrado como protector de pantalla
Interacción entre los componentesInteracción entre los componentesCLIENTE
rsadecrypt
rsadecrypt
Rango_1 Out_1
TRABAJOA REALIZAR
RESULTADO
Rango_1 rsadecript
SERVIDOR
SERVIDOR DE DATOS
rsadecrypt
TRABAJO A REALIZAR
Rango_1 Rango_2 Rango_n...
ADMINISTRADOR
Rango_1 Rango_2 ….. Rango_n
Número n dividido en rangos más pequeños
Clave pública (n,e)
RESULTADOS
Out_1
Búsqueda de un resultado cuyo estado sea igual a 1
Out_1
rsasplitter
Protector de pantalla
Clave buscadaRangoPorcentaje completadoLogo ESPOL
Pruebas de funcionamientoPruebas de funcionamiento
• Aplicación distribuida para descifrado de claves RSA, para encontrar los factores primos a partir del valor N de la clave pública.
• Se crearon los archivos de entrada para la aplicación distribuida -- rsasplitter
Datos para N = 12 dígitos
• Valor de N = 700933509247.
• Factor primo encontrado= 760531.
• Unidades de Trabajo creadas = 5.
Rango #1: Rango #2: Rango #3:
Desde: 1Hasta: 167443
Desde: 167444Hasta: 334886
Desde: 334887Hasta: 502329
Rango #4: Rango #5:
Desde: 502330Hasta: 669772
Desde: 669773Hasta: 837217
Datos para N = 14 dígitos
• Valor de N = 37095613506571.
• Factor primo encontrado = 5393053.
• Unidades de Trabajo creadas = 5.
Rango #1: Rango #2: Rango #3:
Desde: 1Hasta: 1218123
Desde: 1218124Hasta: 2436246
Desde: 2436247Hasta: 3654369
Rango #4: Rango #5:
Desde: 3654370Hasta: 4872492
Desde: 4872493Hasta: 6090616
Pruebas de funcionamientoPruebas de funcionamiento
• Se crean las plantillas tanto para las unidades de trabajo, como para los resultados.
• Se observa como cada cliente se comunicó con el servidor de tareas, descargó las unidades de trabajo e inició el procesamiento.
ResultadosResultados
• Se utilizó como parámetro el tiempo (en minutos) necesario para la obtención del factor primo del número N.
• Se incrementó de 1 a 5 el número de computadoras clientes para la distribución del procesamiento.
Resultados para N = 12 dígitosResultados para N = 12 dígitos
70
38
4
1922
0
10
20
30
40
50
60
70
80
1 2 3 4 5
Computadoras
Tie
mp
o(m
in)
Número de Computadoras
Num/segTiempo en
minutos
1 181 70
2 333 38
3 576 22
4 667 19
5 3168 4
Resultados para N = 14 dígitosResultados para N = 14 dígitos
Número de Computadoras
Num/segTiempo en
minutos
1 345 260
2 642 140
3 1123 80
4 1284 70
5 4730 19
260
140
70
19
80
0
50
100
150
200
250
300
1 2 3 4 5
Computadoras
Tie
mp
o(m
in)
ResultadosResultados
• Los resultados reflejan la alta escalabilidad del sistema de procesamiento distribuido.
• Al incrementar el número de computadoras, se disminuye el tiempo en obtener el resultado.
• Tomar en consideración, que el número de unidades a ser creadas debe ser mayor o igual al número de clientes en el sistema.
No distribuidoNo distribuido
ComputadoraN=12 N=14
Num/seg T (min) Num/seg T (min)
1 186 68 360 249
2 186 68 393 258
3 218 64 413 230
4 232 60 457 222
5 101 138 201 505
Promedio 192 80 374 292
La ejecución se realizó en 5 distintas computadoras independientes
Aceleración y EficienciaAceleración y Eficiencia
Aceleración (Speedup)
# Computadoras N=12 N=14
1 0.78 0.75
2 1.44 1.41
3 2.48 2.46
4 2.88 2.81
5 13.65 10.35
ACELERACIÓN (SPEEDUP)
0
5
10
15
1 2 3 4 5
Computadoras
Tie
mp
o
SpeedUp N=12SpeedUp N=14
EFICIENCIA
0%
50%
100%
150%
200%
250%
300%
1 2 3 4 5
ComputadorasEficiencia N=12
Eficiencia N=14
ConclusionesConclusiones
• Es una alternativa efectiva dentro de la ESPOL, con costos de instalación y operación bajos, y resultados bastante aceptables.
• Puede superar en poder de procesamiento a sistemas de súper cómputo convencionales.
• Es altamente escalable.
• Protector de pantalla con muchos gráficos, hace que disminuya su capacidad de procesamiento.
ConclusionesConclusiones
• La aceleración también depende del tiempo de comunicación con las estaciones.
• Se pueden aprovechar de manera efectiva los ciclos ociosos de las computadoras, logrando contribuir en la búsqueda de soluciones a grandes problemas de procesamiento.
RecomendacionesRecomendaciones
• Promocionar a nivel interno y externo el servicio de computación distribuida desarrollado.
• Brindar cursos o talleres de la computación distribuida a los investigadores y profesores de la ESPOL.
• Promover a la comunidad científica de la ESPOL e investigadores externos, el desarrollo de aplicaciones distribuidas
RecomendacionesRecomendaciones
• Incorporar dentro de la materia “Sistemas Distribuidos” el concepto de Computación Voluntaria y desarrollar proyectos utilizando la plataforma BOINC.
• Proponer la creación a futuro de un centro de alto rendimiento computacional.
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