Performance analysis and improvement of InfiniBand networks. Modelling and effective Quality-of-Service mechanisms for interconnection networks in cluster computing systems.

The InfiniBand Architecture (IBA) network has been proposed as a new industrial standard with high-bandwidth and low-latency suitable for constructing high-performance interconnected cluster computing systems. This architecture replaces the traditional bus-based interconnection with a switch-based network for the server Input-Output (I/O) and inter-processor communications. The efficient Quality-of-Service (QoS) mechanism is fundamental to ensure the import at QoS metrics, such as maximum throughput and minimum latency, leaving aside other aspects like guarantee to reduce the delay, blocking probability, and mean queue length, etc. Performance modelling and analysis has been and continues to be of great theoretical and practical importance in the design and development of communication networks. This thesis aims to investigate efficient and cost-effective QoS mechanisms for performance analysis and improvement of InfiniBand networks in cluster-based computing systems. Firstly, a rate-based source-response link-by-link admission and congestion control function with improved Explicit Congestion Notification (ECN) packet marking scheme is developed. This function adopts the rate control to reduce congestion of multiple-class traffic. Secondly, a credit-based flow control scheme is presented to reduce the mean queue length, throughput and response time of the system. In order to evaluate the performance of this scheme, a new queueing network model is developed. Theoretical analysis and simulation experiments show that these two schemes are quite effective and suitable for InfiniBand networks. Finally, to obtain a thorough and deep understanding of the performance attributes of InfiniBand Architecture network, two efficient threshold function flow control mechanisms are proposed to enhance the QoS of InfiniBand networks; one is Entry Threshold that sets the threshold for each entry in the arbitration table, and other is Arrival Job Threshold that sets the threshold based on the number of jobs in each Virtual Lane. Furthermore, the principle of Maximum Entropy is adopted to analyse these two new mechanisms with the Generalized Exponential (GE)-Type distribution for modelling the inter-arrival times and service times of the input traffic. Extensive simulation experiments are conducted to validate the accuracy of the analytical models

Efficient Q. S support for higt-performance interconnects

Las redes de interconexión son un componente clave en un gran número de sistemas. Los mecanismos de calidad de servicio (qos) son responsables de asegurar que se alcanza un cierto rendimiento en la red. Las soluciones tradicionales para ofrecer qos en redes de interconexión de altas prestaciones normalmente se basan en arquitecturas complejas. El principal objetivo de esta tesis es investigar si podemos ofrecer mecanismos eficientes de qos. Nuestro propósito es alcanzar un soporte completo de qos con el mínimo de recursos. Para ello, se identifican redundancias en los mecanismos propuestos de qos y son eliminados sin afectar al rendimiento. Esta tesis consta de tres partes. En la primera comenzamos con las propuestas tradicionales de qos a nivel de clase de tráfico. En la segunda parte, proponemos como adaptar los mecanismos de qos basados en deadlines para redes de interconexión de altas prestaciones. Por último, también investigamos la interacción de los mecanismos de qos con el control de congestión

Non-minimal adaptive routing for efficient interconnection networks

RESUMEN: La red de interconexión es un concepto clave de los sistemas de computación paralelos. El primer aspecto que define una red de interconexión es su topología. Habitualmente, las redes escalables y eficientes en términos de coste y consumo energético tienen bajo diámetro y se basan en topologías que encaran el límite de Moore y en las que no hay diversidad de caminos mínimos. Una vez definida la topología, quedando implícitamente definidos los límites de rendimiento de la red, es necesario diseñar un algoritmo de enrutamiento que se acerque lo máximo posible a esos límites y debido a la ausencia de caminos mínimos, este además debe explotar los caminos no mínimos cuando el tráfico es adverso. Estos algoritmos de enrutamiento habitualmente seleccionan entre rutas mínimas y no mínimas en base a las condiciones de la red. Las rutas no mínimas habitualmente se basan en el algoritmo de balanceo de carga propuesto por Valiant, esto implica que doblan la longitud de las rutas mínimas y por lo tanto, la latencia soportada por los paquetes se incrementa. En cuanto a la tecnología, desde su introducción en entornos HPC a principios de los años 2000, Ethernet ha sido usado en un porcentaje representativo de los sistemas. Esta tesis introduce una implementación realista y competitiva de una red escalable y sin pérdidas basada en dispositivos de red Ethernet commodity, considerando topologías de bajo diámetro y bajo consumo energético y logrando un ahorro energético de hasta un 54%. Además, propone un enrutamiento sobre la citada arquitectura, en adelante QCN-Switch, el cual selecciona entre rutas mínimas y no mínimas basado en notificaciones de congestión explícitas. Una vez implementada la decisión de enrutar siguiendo rutas no mínimas, se introduce un enrutamiento adaptativo en fuente capaz de adaptar el número de saltos en las rutas no mínimas. Este enrutamiento, en adelante ACOR, es agnóstico de la topología y mejora la latencia en hasta un 28%. Finalmente, se introduce un enrutamiento dependiente de la topología, en adelante LIAN, que optimiza el número de saltos de las rutas no mínimas basado en las condiciones de la red. Los resultados de su evaluación muestran que obtiene una latencia cuasi óptima y mejora el rendimiento de algoritmos de enrutamiento actuales reduciendo la latencia en hasta un 30% y obteniendo un rendimiento estable y equitativo.ABSTRACT: Interconnection network is a key concept of any parallel computing system. The first aspect to define an interconnection network is its topology. Typically, power and cost-efficient scalable networks with low diameter rely on topologies that approach the Moore bound in which there is no minimal path diversity. Once the topology is defined, the performance bounds of the network are determined consequently, so a suitable routing algorithm should be designed to accomplish as much as possible of those limits and, due to the lack of minimal path diversity, it must exploit non-minimal paths when the traffic pattern is adversarial. These routing algorithms usually select between minimal and non-minimal paths based on the network conditions, where the non-minimal paths are built according to Valiant load-balancing algorithm. This implies that these paths double the length of minimal ones and then the latency supported by packets increases. Regarding the technology, from its introduction in HPC systems in the early 2000s, Ethernet has been used in a significant fraction of the systems. This dissertation introduces a realistic and competitive implementation of a scalable lossless Ethernet network for HPC environments considering low-diameter and low-power topologies. This allows for up to 54% power savings. Furthermore, it proposes a routing upon the cited architecture, hereon QCN-Switch, which selects between minimal and non-minimal paths per packet based on explicit congestion notifications instead of credits. Once the miss-routing decision is implemented, it introduces two mechanisms regarding the selection of the intermediate switch to develop a source adaptive routing algorithm capable of adapting the number of hops in the non-minimal paths. This routing, hereon ACOR, is topology-agnostic and improves average latency in all cases up to 28%. Finally, a topology-dependent routing, hereon LIAN, is introduced to optimize the number of hops in the non-minimal paths based on the network live conditions. Evaluations show that LIAN obtains almost-optimal latency and outperforms state-of-the-art adaptive routing algorithms, reducing latency by up to 30.0% and providing stable throughput and fairness.This work has been supported by the Spanish Ministry of Education, Culture and Sports under grant FPU14/02253, the Spanish Ministry of Economy, Industry and Competitiveness under contracts TIN2010-21291-C02-02, TIN2013-46957-C2-2-P, and TIN2013-46957-C2-2-P (AEI/FEDER, UE), the Spanish Research Agency under contract PID2019-105660RBC22/AEI/10.13039/501100011033, the European Union under agreements FP7-ICT-2011- 7-288777 (Mont-Blanc 1) and FP7-ICT-2013-10-610402 (Mont-Blanc 2), the University of Cantabria under project PAR.30.P072.64004, and by the European HiPEAC Network of Excellence through an internship grant supported by the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program under grant agreement No. H2020-ICT-2015-687689

DESIGN OF EFFICIENT PACKET MARKING-BASED CONGESTION MANAGEMENT TECHNIQUES FOR CLUSTER INTERCONNECTS

El crecimiento de los computadores paralelos basados en redes de altas prestaciones ha aumentado el interés y esfuerzo de la comunidad investigadora en desarrollar nuevas técnicas que permitan obtener el mejor rendimiento de estas redes. En particular, el desarrollo de nuevas técnicas que permitan un encaminamiento eficiente y que reduzcan la latencia de los paquetes, aumentando así la productividad de la red. Sin embargo, una alta tasa de utilización de la red podría conllevar el que se conoce como "congestión de red", el cual puede causar una degradación del rendimiento. El control de la congestión en redes multietapa es un problema importante que no está completamente resuelto. Con el fin de evitar la degradación del rendimiento de la red cuando aparece congestión, se han propuesto diferentes mecanismos para el control de la congestión. Muchos de estos mecanismos están basados en notificación explícita de la congestión. Para este propósito, los switches detectan congestión y dependiendo de la estrategia aplicada, los paquetes son marcados con la finalidad de advertir a los nodos origenes. Como respuesta, los nodos origenes aplican acciones correctivas para ajustar su tasa de inyección de paquetes. El propósito de esta tesis es analizar las diferentes estratégias de detección y corrección de la congestión en redes multietapa, y proponer nuevos mecanismos de control de la congestión encaminados a este tipo de redes sin descarte de paquetes. Las nuevas propuestas están basadas en una estrategia más refinada de marcaje de paquetes en combinación con un conjunto de acciones correctivas justas que harán al mecanismo capaz de controlar la congestión de manera efectiva con independencia del grado de congestión y de las condiciones de tráfico.Ferrer Pérez, JL. (2012). DESIGN OF EFFICIENT PACKET MARKING-BASED CONGESTION MANAGEMENT TECHNIQUES FOR CLUSTER INTERCONNECTS [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/18197Palanci

Efficient mechanisms to provide fault tolerance in interconnection networks for pc clusters

Actualmente, los clusters de PC son un alternativa rentable a los computadores paralelos. En estos sistemas, miles de componentes (procesadores y/o discos duros) se conectan a través de redes de interconexión de altas prestaciones. Entre las tecnologías de red actualmente disponibles para construir clusters, InfiniBand (IBA) ha emergido como un nuevo estándar de interconexión para clusters. De hecho, ha sido adoptado por muchos de los sistemas más potentes construidos actualmente (lista top500). A medida que el número de nodos aumenta en estos sistemas, la red de interconexión también crece. Junto con el aumento del número de componentes la probabilidad de averías aumenta dramáticamente, y así, la tolerancia a fallos en el sistema en general, y de la red de interconexión en particular, se convierte en una necesidad. Desafortunadamente, la mayor parte de las estrategias de encaminamiento tolerantes a fallos propuestas para los computadores masivamente paralelos no pueden ser aplicadas porque el encaminamiento y las transiciones de canal virtual son deterministas en IBA, lo que impide que los paquetes eviten los fallos. Por lo tanto, son necesarias nuevas estrategias para tolerar fallos. Por ello, esta tesis se centra en proporcionar los niveles adecuados de tolerancia a fallos a los clusters de PC, y en particular a las redes IBA. En esta tesis proponemos y evaluamos varios mecanismos adecuados para las redes de interconexión para clusters. El primer mecanismo para proporcionar tolerancia a fallos en IBA (al que nos referimos como encaminamiento tolerante a fallos basado en transiciones; TFTR) consiste en usar varias rutas disjuntas entre cada par de nodos origen-destino y seleccionar la ruta apropiada en el nodo fuente usando el mecanismo APM proporcionado por IBA. Consiste en migrar las rutas afectadas por el fallo a las rutas alternativas sin fallos. Sin embargo, con este fin, es necesario un algoritmo eficiente de encaminamiento capaz de proporcionar suficientesMontañana Aliaga, JM. (2008). Efficient mechanisms to provide fault tolerance in interconnection networks for pc clusters [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/2603Palanci

Acceleration of the hardware-software interface of a communication device for parallel systems

During the last decades the ever growing need for computational power fostered the development of parallel computer architectures. Applications need to be parallelized and optimized to be able to exploit modern system architectures. Today, scalability of applications is more and more limited both by development resources, as programming of complex parallel applications becomes increasingly demanding, and by the fundamental scalability issues introduced by the cost of communication in distributed memory systems. Lowering the latency of communication is mandatory to increase scalability and serves as an enabling technology for programming of distributed memory systems at a higher abstraction layer using higher degrees of compiler driven automation. At the same time it can increase performance of such systems in general. In this work, the software/hardware interface and the network interface controller functions of the EXTOLL network architecture, which is specifically designed to satisfy the needs of low-latency networking for high-performance computing, is presented. Several new architectural contributions are made in this thesis, namely a new efficient method for virtual-tophysical address-translation named ATU and a novel method to issue operations to a virtual device in an optimal way which has been termed Transactional I/O. This new method needs changes in the architecture of the host CPU the device is connected to. Two additional methods that emulate most of the characteristics of Transactional I/O are developed and employed in the development of the EXTOLL hardware to facilitate usage together with contemporary CPUs. These new methods heavily leverage properties of the HyperTransport interface used to connect the device to the CPU. Finally, this thesis also introduces an optimized remote-memory-access architecture for efficient split-phase transactions and atomic operations. The complete architecture has been prototyped using FPGA technology enabling a more precise analysis and verification than is possible using simulation alone. The resulting design utilizes 95 % of a 90 nm FPGA device and reaches speeds of 200 MHz and 156 MHz in the different clock domains of the design. The EXTOLL software stack is developed and a performance evaluation of the software using the EXTOLL hardware is performed. The performance evaluation shows an excellent start-up latency value of 1.3 μs, which competes with the most advanced networks available, in spite of the technological performance handicap encountered by FPGA technology. The resulting network is, to the best of the knowledge of the author, the fastest FPGA-based interconnection network for commodity processors ever built