ES2303742B1 - COMMUNICATIONS SYSTEM TO EXECUTE PARALLEL TASKS BY PERSONAL COMPUTERS. - Google Patents
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Abstract
Sistema de comunicaciones para ejecutar tareas en paralelo mediante ordenadores personales.Communications system to execute tasks in parallel through personal computers.
Comprende un nodo maestro (19) y una pluralidad de nodos esclavos (20) que están interconectados entre sí mediante una primera red de comunicaciones (27) y una segunda red de comunicaciones (28) para dividir los diferentes intercambios de información entre los nodos sobre las dos redes, de forma que se aísla el tráfico de información de gestión respecto del tráfico originado entre los nodos esclavos (20) como consecuencia de la ejecución en paralelo de un conjunto de subprocesos, reduciéndose los tiempos de ejecución.It comprises a master node (19) and a plurality of slave nodes (20) that are interconnected with each other by a first communications network (27) and a second network of communications (28) to divide the different exchanges of information between the nodes about the two networks, so that isolates traffic management information from traffic originated between slave nodes (20) as a result of the parallel execution of a set of threads, reducing The execution times.
La invención es preferentemente aplicable en el proceso de cálculos científicos.The invention is preferably applicable in the Scientific calculation process.
Description
Sistema de comunicaciones para ejecutar tareas en paralelo mediante ordenadores personales.Communications system to execute tasks in parallel through personal computers.
La invención tiene por objeto mejorar la eficiencia de ejecución de tareas en paralelo realizadas por ordenadores personales.The invention aims to improve the efficiency of execution of parallel tasks performed by personal computers
La invención es aplicable en el sector de la interconexión de aparatos procesadores de datos.The invention is applicable in the field of interconnection of data processing devices.
El conjunto (cluster) de ordenadores personales para ejecutar tareas en grupo es un método muy usado, por su bajo coste frente a los ordenadores multiprocesadores, en el ámbito científico para realizar simulaciones con modelos numéricos que requieren un considerable esfuerzo computacional. A cada uno de los ordenadores personales que forman el cluster se les denomina nodos, uno maestro que es el que tiene instalado el sistema operativo y el resto esclavos, estando todos ellos conectados entre sí mediante una red de comunicaciones. El concepto que se aplica en estos sistemas consiste en dividir la ejecución de una tarea o proceso en varios subprocesos, localizados en diferentes nodos, teniendo cada uno de ellos una copia del programa inicial con sus propias variables más la información de carácter local que se emplea en las comunicaciones, como por ejemplo identificación del subproceso y de los subprocesos vecinos.The cluster of personal computers to execute group tasks is a widely used method, due to its low cost versus multiprocessor computers, in the field scientist to perform simulations with numerical models that They require considerable computational effort. To each of the personal computers that form the cluster are called nodes, one master who has the operating system installed and the rest slaves, all of them being connected to each other by A communications network The concept that applies in these systems consists of dividing the execution of a task or process into several threads, located in different nodes, having each one of them a copy of the initial program with their own variables plus the local information used in the communications, such as thread identification and neighboring threads.
Las comunicaciones entre los diferentes subprocesos es lo que más afecta a la ejecución de una tarea asignada a una agrupación de ordenadores personales, por lo que el factor más importante a tener en cuenta es la topología de la red, aunque este factor no es el único, ya que el tiempo de ejecución de la tarea también se ve afectado por el tráfico de gestión del sistema operativo entre el nodo maestro y los esclavos. Una alternativa para atenuar los efectos de este tipo de tráfico es el diseño de un sistema de ficheros específico para agrupaciones de ordenadores. Sin embargo este tipo de soluciones normalmente requiere un complicado protocolo de mensajes entre procesos que da lugar a una considerable pérdida de eficiencia en las comunicaciones.Communications between the different threads is what most affects the execution of a task assigned to a group of personal computers, so the The most important factor to consider is the network topology, although this factor is not the only one, since the runtime of the task is also affected by the management traffic of the operating system between the master node and the slaves. A alternative to mitigate the effects of this type of traffic is the design of a specific file system for clusters of computers. However, these types of solutions normally requires a complicated protocol of messages between processes that gives leading to a considerable loss of efficiency in communications
La presente invención propone una solución a la necesidad de eliminar la interferencia del tráfico de gestión con las comunicaciones entre procesos para que el tiempo de ejecución de una aplicación no se vea afectado.The present invention proposes a solution to the need to eliminate interference from management traffic with interprocess communications so that runtime of an application is not affected.
Para conseguir los objetivos anteriormente indicados, la invención, al igual que los sistemas convencionales, comprende una pluralidad de ordenadores, uno de los cuales es un nodo maestro y el resto nodos esclavos, estando todos ellos interconectados mediante una primera red de comunicaciones; y se caracteriza porque tanto el nodo maestro como los nodos esclavos comprenden medios para enviar por dicha primera red de comunicaciones información de gobierno del arranque de los nodos esclavos, información del mantenimiento remoto de los ficheros de los nodos esclavos e información de realización de tareas automáticas; habiéndose previsto, además, que tanto el nodo maestro como los nodos esclavos estén conectados a una segunda red de comunicaciones y comprenden medios para enviar por dicha segunda red de comunicaciones información de intercambio entre los distintos nodos maestro y esclavos para ejecutar sincronizada y cooperativamente los diferentes subprocesos que determinan la tarea a realizar, e información de migración de subprocesos desde el nodo maestro a los nodos esclavos, para conseguir el reparto equitativo de procesado en todos los nodos esclavos.To achieve the objectives above indicated, the invention, like conventional systems, it comprises a plurality of computers, one of which is a master node and the rest slave nodes, all of them being interconnected through a first communications network; and characterized because both the master node and the slave nodes comprise means for sending by said first network of communications government information of node startup slaves, information on the remote maintenance of the files of slave nodes and task completion information automatic; having also planned that both the master node as the slave nodes are connected to a second network of communications and comprise means to send by said second communications network information exchange between different master and slave nodes to execute synchronized and cooperatively the different threads that determine the task to perform, and thread migration information from the node master to slave nodes, to get the fair share of processing on all slave nodes.
Esta estructura tiene la gran ventaja de que se permite aislar el tráfico de gestión entre el nodo maestro y los esclavos, respecto del tráfico originado entre los nodos como consecuencia de la ejecución en paralelo de un conjunto de subprocesos, lo que determina un menor tiempo de ejecución de los mismos.This structure has the great advantage of being it allows to isolate the management traffic between the master node and the slaves, regarding traffic originating between nodes as consequence of the parallel execution of a set of threads, which determines a shorter runtime of the same.
Tal y como ya fue comentado anteriormente, la invención es preferentemente aplicable en el proceso de cálculos científicos, en cuyo caso la separación de los subprocesos determina que las comunicaciones entre nodos durante el proceso de cálculo, principal factor de ralentización, sean completamente independientes del resto de tareas, lo que proporciona una mayor eficacia y menor tiempo de ejecución del cálculo a realizar por cada nodo esclavo. Si se tiene en cuenta que los actuales algoritmos científicos y estrategias de descomposición de dominios problema requieren un intercambio de datos entre los nodos muy intenso, la reducción del tiempo de ejecución en paralelo es muy apreciable, y todo ello sin incrementar en exceso el coste de construcción del sistema.As previously mentioned, the invention is preferably applicable in the calculation process scientists, in which case the separation of threads determines that communications between nodes during the process of calculation, main slowing factor, be completely independent of the rest of the tasks, which provides greater efficiency and shorter execution time of the calculation to be performed by Each slave node. If you consider that the current scientific algorithms and domain decomposition strategies problem require a data exchange between nodes very intense, the reduction in parallel runtime is very appreciable, and all this without excessively increasing the cost of System construction
La primera red de comunicaciones es una red de baja velocidad, preferentemente a 100 Mbps.The first communications network is a network of Low speed, preferably at 100 Mbps.
En cambio la segunda red de comunicaciones es de alta velocidad, preferentemente a 1 Gbps.On the other hand, the second communications network is high speed, preferably at 1 Gbps.
Los medios previstos en el nodo maestro para enviar información por dicha primera red de comunicaciones, comprenden: un módulo emisor de ficheros para envío de información a los nodos esclavos; un módulo generador de información de arranque de cada nodo esclavo, un módulo emisor de direcciones IP (protocolo de Internet) dinámicas y un módulo emisor de exportación de sistemas de ficheros de los nodos esclavos; en tanto que los medios de los nodos esclavos para recibir información por dicha primera red de comunicaciones, comprenden un módulo receptor de ficheros para recepción de información del nodo maestro, un módulo de recepción de información de arranque, un módulo de recepción de las direcciones IP asignadas a cada nodo y un módulo de recepción de los ficheros exportados de los nodos esclavos para importar dichos ficheros y realizar labores de mantenimiento.The means provided in the master node for send information through said first communications network, They include: a module for sending files for sending information to the slave nodes; an information generator module of boot of each slave node, an IP address sender module (Internet protocol) dynamics and an export sender module of file systems of the slave nodes; while the means of slave nodes to receive information by said first communications network, they comprise a receiver module of files for receiving information from the master node, a module for receiving boot information, a module for receiving the IP addresses assigned to each node and a receiving module of the exported files of the slave nodes to import these files and perform maintenance work.
Respecto a los medios del nodo maestro para enviar información por la segunda red de comunicaciones, comprenden un módulo emisor de información de intercambio entre los nodos y un módulo emisor de información para migración de procesos, en tanto que los medios de los nodos esclavos para recibir información por la segunda red de comunicaciones, comprenden un receptor de información de intercambio entre los nodos y un receptor de información para migración de procesos.Regarding the means of the master node for send information through the second communications network, They include a module for the exchange of information between the nodes and an information transmitter module for process migration, while the means of slave nodes to receive information by the second communications network, comprise a receiver of exchange information between the nodes and a Information receiver for process migration.
A continuación para facilitar una mejor comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante de la misma, se acompañan una serie de figuras en las que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la invención.Next to facilitate a better understanding of this descriptive report and being an integral part of the same, they accompany a series of figures in which with illustrative and non-limiting nature the object has been represented of the invention.
Figura 1.- Muestra una representación esquemática de la interconexión de los nodos esclavos y nodo maestro mediante dos redes de comunicación.Figure 1.- Shows a representation schematic of the interconnection of the slave and node nodes Master through two communication networks.
Figura 2.- Muestra un diagrama de bloques funcional de la configuración del nodo maestro y nodos esclavos para su conexión a la primera red de comunicaciones. En esta figura, únicamente se ha representado un solo nodo esclavo para facilitar la comprensión de la descripción, pero obviamente, y tal y como se muestra en la figura 1, la conexión se realiza a una pluralidad de nodos esclavos.Figure 2.- Shows a block diagram Functional configuration of the master node and slave nodes for connection to the first communications network. In this figure, only a single slave node has been represented for facilitate the understanding of the description, but obviously, and such and as shown in figure 1, the connection is made to a plurality of slave nodes.
Figura 3.- Muestra un diagrama de bloques funcional de la configuración del nodo maestro y nodos esclavos para su conexión a la segunda red de comunicaciones. En esta figura se ha representado únicamente la conexión a un solo nodo esclavo, pero obviamente, tal y como se muestra en la figura 1, la conexión se realiza a una pluralidad de nodos esclavos.Figure 3.- Shows a block diagram Functional configuration of the master node and slave nodes for connection to the second communications network. In this figure only the connection to a single slave node has been represented, but obviously, as shown in figure 1, the connection it is done to a plurality of slave nodes.
A continuación se realiza una descripción de la invención basada en las figuras anteriormente comentadas.Below is a description of the invention based on the figures discussed above.
El sistema de la invención comprende una pluralidad de ordenadores personales, uno de los cuales es un nodo maestro 19 y el resto nodos esclavos 20, para permitir dividir la ejecución de una tarea o proceso en diferentes subtareas o subprocesos asignados a cada uno de los nodos esclavos y permitir realizar simulaciones con modelos numéricos que requieren un considerable esfuerzo computacional.The system of the invention comprises a plurality of personal computers, one of which is a node master 19 and the rest slave nodes 20, to allow splitting the execution of a task or process in different subtasks or threads assigned to each of the slave nodes and allow perform simulations with numerical models that require a considerable computational effort.
La principal novedad de la invención reside en el hecho de que los distintos nodos esclavos 20 y maestro 19 se interconectan entre sí mediante una primera red de comunicaciones 27 y mediante una segunda red de comunicaciones 28 para eliminar interferencias entre el tráfico realizado para el control del sistema y el tráfico generado para la ejecución de los diferentes subprocesos por parte de los nodos esclavos 20, de forma que el tiempo de ejecución de los subprocesos se reduce considerablemente.The main novelty of the invention lies in the fact that the various slave nodes 20 and master 19 are interconnect with each other through a first communications network 27 and through a second communications network 28 to eliminate interferences between the traffic made for the control of system and the traffic generated for the execution of the different threads by slave nodes 20, so that the thread execution time is reduced considerably.
La primera red de comunicaciones 27 es una red de baja velocidad a 100 Mbps. Para realizar esta conexión el nodo maestro 19 comprende un módulo emisor de ficheros 1 que realiza el envío de información desde el nodo maestro 19 a los nodos esclavos 20 mediante una conexión 12. Además el nodo maestro 19 comprende un módulo emisor del cargador de arranque 2 que está conectado 10 al módulo emisor de ficheros 1 para enviar a los nodos esclavos 20 la información correspondiente al arranque de cada uno de ellos y además enviar el núcleo del sistema operativo para los mismos.The first communication network 27 is a network low speed at 100 Mbps. To make this connection the node master 19 comprises a file emitter module 1 that performs the sending information from master node 19 to slave nodes 20 via a connection 12. In addition the master node 19 comprises a starter charger 2 emitter module that is connected 10 to the file issuer module 1 to send to slave nodes 20 the information corresponding to the start of each one of them and also send the core of the operating system for them.
El nodo maestro 19 está dotado de un módulo emisor de direcciones IP dinámicas 3 que por un lado está conectado 11 al módulo 2 y por otro lado está conectado 9 al módulo 1.The master node 19 is provided with a module issuer of dynamic IP addresses 3 which on the one hand is connected 11 to module 2 and on the other hand 9 is connected to module 1.
El nodo maestro 19 también comprende un módulo emisor 4 del sistema de ficheros de los nodos esclavos, que está conectado 15 a dichos nodos esclavos 20, para lo que éstos incorporan un módulo receptor 8 del sistema de ficheros.The master node 19 also comprises a module Issuer 4 of the file system of the slave nodes, which is connected 15 to said slave nodes 20, so that these they incorporate a receiver module 8 of the file system.
Además, cada nodo esclavo 20 está dotado de un módulo receptor de direcciones IP 7 conectado al módulo 3 del nodo maestro 19 mediante 14, para procesar las direcciones IP asignadas, y comprenden un módulo receptor de ficheros 5 mediante el que se realiza la conexión 12 al módulo emisor de ficheros 1 del nodo maestro 19. El módulo receptor de ficheros 5 está conectado 13 a un módulo receptor cargador de arranque 6 para procesar esta información.In addition, each slave node 20 is provided with a IP address receiver module 7 connected to node module 3 master 19 through 14, to process the assigned IP addresses, and comprise a file receiving module 5 by means of which make connection 12 to the file issuer module 1 of the node master 19. The file receiver module 5 is connected 13 to a boot loader receiver module 6 to process this information.
Tras la descripción de la estructura de los nodos maestro 19 y esclavos 20 para su interconexión mediante la primera red de comunicaciones 27 de baja velocidad, se describe su funcionamiento.After the description of the structure of the master nodes 19 and slaves 20 for interconnection through the first low speed communication network 27, its functioning.
Para realizar el reparto de tareas a los diferentes nodos esclavos 20 se transfieren las diferentes tareas mediante el módulo emisor de ficheros 1 que se recepcionan en el módulo receptor de ficheros 5 de los nodos esclavos 20.To make the distribution of tasks to different slave nodes 20 different tasks are transferred through the module emitting files 1 that are received in the file receiving module 5 of slave nodes 20.
Una de las informaciones más importantes a enviar a los nodos esclavos 20, se refiere a la información de arranque de éstos y al núcleo del sistema operativo para los mismos, lo cual se efectúa mediante el módulo emisor del cargador de arranque 2 a través del módulo emisor de ficheros 1 que es recepcionado mediante el módulo receptor del cargador de arranque 6 de los nodos esclavos 20 y a través del módulo receptor de ficheros 5. La información del cargador de arranque es solicitada inicialmente mediante el módulo receptor cargador de arranque 6 directamente al módulo emisor de cargador de arranque 2 mediante la conexión 16, de modo que el módulo 2 envía la información de la forma ya comentada. Además mediante la conexión 16 el módulo 6 realiza la confirmación al módulo 2 de la recepción de la información correspondiente al cargador de arranque.One of the most important information to send to slave nodes 20, refers to the information of booting these and to the core of the operating system for same, which is done by the transmitter module of the charger boot 2 through the file issuer module 1 which is received by the receiver module of the boot loader 6 of the slave nodes 20 and through the file receiver module 5. Boot loader information is requested initially using the boot loader receiver module 6 directly to the boot loader emitter module 2 via the connection 16, so that module 2 sends the information of the form already commented. In addition, through connection 16, module 6 Confirms module 2 of the receipt of the information corresponding to the boot loader.
Cuando cada nodo esclavo 20 arranca, lo primero que realiza es solicitar una dirección IP mediante la conexión 17 al módulo emisor de direcciones IP dinámicas 3 del nodo maestro 19, de forma que éste asigna las direcciones IP de forma dinámica mediante la conexión 14, y mediante la conexión 17 cada uno de los módulos esclavos 20 envía la confirmación de la recepción de la correspondiente dirección IP. De esta forma cada uno de los nodos esclavos posee un identificador único. Este identificador único se utiliza, aparte de para la red de baja velocidad 27, también para la red de alta velocidad 28.When each slave node 20 starts, the first What you do is request an IP address via connection 17 to the dynamic IP address sender module 3 of master node 19, so that it assigns IP addresses dynamically by connection 14, and by connection 17 each of the slave modules 20 sends confirmation of receipt of the corresponding IP address. In this way each of the nodes Slaves have a unique identifier. This unique identifier is uses, apart from for the low speed network 27, also for the high speed network 28.
Una vez establecidas las direcciones IP, es cuando se puede iniciar la transferencia de ficheros entre el módulo emisor de ficheros 1 y el módulo receptor de ficheros 5 entre el nodo maestro 19 y los nodos esclavos 20.Once the IP addresses are established, it is when you can start the file transfer between the file sending module 1 and file receiving module 5 between master node 19 and slave nodes 20.
El módulo 3 le comunica 11 al módulo 2 donde se encuentra el núcleo de arranque que han de ejecutar los nodos esclavos 20, de forma que el módulo 2 sabe donde buscar el núcleo, para posteriormente transferirlo a los nodos esclavos 20 a través del módulo 1.Module 3 communicates 11 to module 2 where it find the boot kernel that nodes have to run slaves 20, so that module 2 knows where to look for the kernel, to later transfer it to slave nodes 20 through of module 1.
La dirección IP del nodo esclavo 20 al que hay
que transferir el cargador de arranque es proporcionada al módulo
1 por el módulo 3 a través de la conexión
9.The IP address of the slave node 20 to which the bootloader must be transferred is provided to module 1 by module 3 through the connection
9.
Respecto a la segunda red de comunicaciones 28, ésta es una red de alta velocidad de 1 Gbps mediante la cual se efectúa intercambio de información del nodo maestro 19 con los nodos esclavos 22 y entre los distintos nodos esclavos 22 para ejecutar sincronizada y cooperativamente los diferentes subprocesos que determinan la tarea a realizar, así como información de migración de procesos desde el nodo maestro 19 a los dos esclavos 22, consiguiendo el reparto equitativo de la carga entre todos. Para ello, el nodo maestro 19 cuenta con un módulo emisor de información de intercambio 21 entre los nodos esclavos 20, los cuales incorporan un módulo receptor 23 para recibir dicha información a través de la conexión 25.Regarding the second communications network 28, This is a high speed 1 Gbps network through which performs information exchange of master node 19 with the slave nodes 22 and between different slave nodes 22 for execute the different threads synchronously and cooperatively that determine the task to be performed, as well as information on process migration from master node 19 to the two slaves 22, achieving the equitable distribution of the burden among all. For the master node 19 has an information transmitter module of exchange 21 between slave nodes 20, which incorporate a receiver module 23 to receive said information to through connection 25.
Por otro lado, el nodo maestro 19 incorpora un módulo emisor de información para migración de procesos 22 que está conectado a un módulo receptor 24 a través de la conexión 26. De esta manera, cada nodo esclavo 20 conoce el estado del resto de los nodos esclavos a través del nodo maestro 19.On the other hand, master node 19 incorporates a information transmitter module for process migration 22 that It is connected to a receiver module 24 via connection 26. In this way, each slave node 20 knows the state of the rest of the slave nodes through the master node 19.
A título de ejemplo la doble red de comunicaciones de la invención permite ejecutar en paralelo una simulación de campo de velocidades de un fluido en presencia de obstáculos. El dominio problema es una matriz regular en la que todos los sitios actualizan su estado en cada interacción siguiendo unas reglas sencillas que tienen en cuenta el estado de los sitios vecinos. Así la invención se aplica para una simulación de 20.000 interacciones para predecir la evolución temporal del campo de velocidades de un flujo turbulento bidimensional alrededor de un disco de 100 unidades de longitud de diámetro en un dominio problema de 1.000 x 500 unidades de longitud.As an example the double network of communications of the invention allows to execute in parallel a velocity field simulation of a fluid in the presence of obstacles The problem domain is a regular matrix in which all sites update their status in each interaction following some simple rules that take into account the state of the sites neighbors. Thus the invention is applied for a simulation of 20,000 interactions to predict the temporal evolution of the field of speeds of a two-dimensional turbulent flow around a disk 100 units in diameter in a domain problem of 1,000 x 500 units in length.
El dominio problema se divide en tantos subprocesos como nodos esclavos 20 existan, dando lugar a subdominios rectangulares, que en el caso de que por ejemplo existan 10 nodos esclavos 20, éstos subdominios son de 100 x 500. Cada uno de ellos es procesado en el nodo esclavo 20 que le sea asignado.The problem domain is divided into so many threads as slave nodes 20 exist, giving rise to rectangular subdomains, which in the case that for example There are 10 slave nodes 20, these subdomains are 100 x 500. Each of them is processed in the slave node 20 that is assigned.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FA2A | Application withdrawn |
Effective date: 20070622 |
|
| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20080816 Kind code of ref document: A1 |