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

Hot-Spot Avoidance With Multi-Pathing Over Infiniband: An MPI Perspective

Large scale InfiniBand clusters are becoming increasingly popular, as reflected by the TOP 500 Supercomputer rankings. At the same time, fat tree has become a popular interconnection topology for these clusters, since it allows multiple paths to be available in between a pair of nodes. However, even with fat tree, hot-spots may occur in the network depending upon the route configuration between end nodes and communication pattern(s) in the application. To make matters worse, the deterministic routing nature of InfiniBand limits the application from effective use of multiple paths transparently and avoid the hot-spots in the network. Simulation based studies for switches and adapters to implement congestion control have been proposed in the literature. However, these studies have focused on providing congestion control for the communication path, and not on utilizing multiple paths in the network for hot-spot avoidance. In this paper, we design an MPI functionality, which provides hot-spot avoidance for different communications, without a priori knowledge of the pattern. We leverage LMC (LID Mask Count) mechanism of InfiniBand to create multiple paths in the network and present the design issues (scheduling policies, selecting number of paths, scalability aspects) of our design. We implement our design and evaluate it with Pallas collective communication and MPI applications. On an InfiniBand cluster with 48 processes, collective operations like MPI All-to-all Personalized and MPI Reduce Scatter show an improvement of 27% and 19% respectively. Our evaluation with MPI applications like NAS Parallel Benchmarks and PSTSWM on 64 processes shows significant improvement in execution time with this functionality

Control de congestión adaptativo en redes Infiniband

El uso de recursos compartidos en las redes de interconexión de alta performance puede provocar situaciones de congestión de mensajes que degradan notablemente las prestaciones, aumentando la latencia de trasporte y disminuyendo la utilización de la red. Hasta el momento las técnicas que intentan solucionar este problema utilizan la regulación de la inyección de mensajes. Esta limitación de la inyección traslada la contención de mensajes desde los conmutadores hacia los nodos fuente, incrementando el valor de la latencia promedio global, pudiendo alcanzar valores muy elevados. En este trabajo, proponemos una técnica de control de congestión para redes InfiniBand basada en un mecanismo de encaminamiento adaptativo que distribuye el volumen de comunicaciones entre diversas trayectorias alternativas quitando carga de la zona de congestión, lo que permite eliminarla. La experimentación realizada muestra la mejora obtenida en latencia y throughput, respecto al mecanismo de control de congestión original de InfiniBand basado en la regulación de la inyección. El mecanismo propuesto es totalmente compatible y no requiere que se modifique ningún aspecto de la especificación, debido a que se utilizan componentes de gestión definidos en el estándar InfiniBand

Low-Memory Techniques for Routing and Fault-Tolerance on the Fat-Tree Topology

Actualmente, los clústeres de PCs están considerados como una alternativa eficiente a la hora de construir supercomputadores en los que miles de nodos de computación se conectan mediante una red de interconexión. La red de interconexión tiene que ser diseñada cuidadosamente, puesto que tiene una gran influencia sobre las prestaciones globales del sistema. Dos de los principales parámetros de diseño de las redes de interconexión son la topología y el encaminamiento. La topología define la interconexión de los elementos de la red entre sí, y entre éstos y los nodos de computación. Por su parte, el encaminamiento define los caminos que siguen los paquetes a través de la red. Las prestaciones han sido tradicionalmente la principal métrica a la hora de evaluar las redes de interconexión. Sin embargo, hoy en día hay que considerar dos métricas adicionales: el coste y la tolerancia a fallos. Las redes de interconexión además de escalar en prestaciones también deben hacerlo en coste. Es decir, no sólo tienen que mantener su productividad conforme aumenta el tamaño de la red, sino que tienen que hacerlo sin incrementar sobremanera su coste. Por otra parte, conforme se incrementa el número de nodos en las máquinas de tipo clúster, la red de interconexión debe crecer en concordancia. Este incremento en el número de elementos de la red de interconexión aumenta la probabilidad de aparición de fallos, y por lo tanto, la tolerancia a fallos es prácticamente obligatoria para las redes de interconexión actuales. Esta tesis se centra en la topología fat-tree, ya que es una de las topologías más comúnmente usadas en los clústeres. El objetivo de esta tesis es aprovechar sus características particulares para proporcionar tolerancia a fallos y un algoritmo de encaminamiento capaz de equilibrar la carga de la red proporcionando una buena solución de compromiso entre las prestaciones y el coste.Gómez Requena, C. (2010). Low-Memory Techniques for Routing and Fault-Tolerance on the Fat-Tree Topology [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8856Palanci

SpECTRE: A Task-based Discontinuous Galerkin Code for Relativistic Astrophysics

We introduce a new relativistic astrophysics code, SpECTRE, that combines a discontinuous Galerkin method with a task-based parallelism model. SpECTRE's goal is to achieve more accurate solutions for challenging relativistic astrophysics problems such as core-collapse supernovae and binary neutron star mergers. The robustness of the discontinuous Galerkin method allows for the use of high-resolution shock capturing methods in regions where (relativistic) shocks are found, while exploiting high-order accuracy in smooth regions. A task-based parallelism model allows efficient use of the largest supercomputers for problems with a heterogeneous workload over disparate spatial and temporal scales. We argue that the locality and algorithmic structure of discontinuous Galerkin methods will exhibit good scalability within a task-based parallelism framework. We demonstrate the code on a wide variety of challenging benchmark problems in (non)-relativistic (magneto)-hydrodynamics. We demonstrate the code's scalability including its strong scaling on the NCSA Blue Waters supercomputer up to the machine's full capacity of 22,380 nodes using 671,400 threads.Comment: 41 pages, 13 figures, and 7 tables. Ancillary data contains simulation input file

Janus : a framework to boost HPC applications in the cloud based on just-in-time and SDN/openFlow path provisioning

Data centers, clusters, and grids have historically supported High-Performance Computing (HPC) applications. Due to the high capital and operational expenditures associated with such infrastructures, we have witnessed consistent efforts to run HPC applications in the cloud in the recent past. The potential advantages of this shift include higher scalability and lower costs. If, on the one hand, app instantiation – through customized Virtual Machines (VMs) – is a well-studied issue, on the other, the network still represents a significant bottleneck. When switching HPC applications to be executed on the cloud, we lose control of where VMs will be positioned and of the paths that will be traversed for processes to communicate with one another. To bridge this gap, we present Janus, a framework for dynamic, just-in-time path provisioning in cloud infrastructures. By leveraging emerging software-defined networking principles, the framework allows for an HPC application, once deployed, to have interprocess communication paths configured upon usage based on least-used network links (instead of resorting to shortest, pre-computed paths). Janus is fully configurable to cope with different operating parameters and communication strategies, providing a rich ecosystem for application execution speed up. Through an extensive experimental evaluation, we provide evidence that the proposed framework can lead to significant gains regarding runtime. Moreover, we show what one can expect in terms of system overheads, providing essential insights on how better benefiting from Janus.Data centers, clusters e grid têm historicamente suporte para aplicações de computação de alto desempenho (HPC). Devido aos altos gastos de capital e operacionais associados a essas infraestruturas, presenciamos esforços consistentes para executar aplicações HPC na nuvem, recentemente. As vantagens potenciais dessa mudança incluem maior escalabilidade e baixos custos de manutenção. Se, por um lado, a instanciação de aplicações - por meio de máquinas virtuais (VMs) personalizadas - é um problema muito estudado, por outro, a rede ainda representa um gargalo significativo. Ao alternar as aplicações HPC para serem executados na nuvem, perdemos o controle de onde as VMs serão posicionadas e dos caminhos que serão percorridos para que os processos se comuniquem entre si. Para preencher essa lacuna, apresentamos Janus, uma estrutura para provisionamento de caminho dinâmico e just-in-time em infraestruturas de nuvem. Aproveitando os princípios de rede definidos por software emergentes, a estrutura permite que uma aplicação HPC, uma vez inicializada, tenha caminhos de comunicação entre processos configurados com base na utilização dos links de rede menos congestionados (em vez de recorrer a caminhos pré-computados mais curtos). Janus é totalmente configurável para lidar com diferentes parâmetros operacionais e estratégias de comunicação, fornecendo um rico ecossistema para acelerar a execução das aplicações. Por meio de uma extensa avaliação experimental, fornecemos evidências de que o framework proposto pode levar a ganhos significativos em relação ao tempo de execução. Além disso, mostramos o que se pode esperar em termos de sobrecarga do sistema, fornecendo insights essenciais sobre como obter melhor proveito do Janus

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