Descripcion y Objetivos

Las redes de interconexión son un elemento fundamental en los computadores de alto rendimiento (HPCs, High-Performance Computers) y en los centros de proceso de datos (CPDs o Data-centers), donde los requisitos de comunicación de las aplicaciones y servicios que soportan se multiplican constantemente. En efecto, en estos sistemas, la red de interconexión tiene que dar soporte a la comunicación entre la enorme cantidad de nodos de cómputo y almacenamiento (del orden de hasta cientos de miles de nodos) que son necesarios para ofrecer, entre otros, servicios on-line de uso intensivo de datos (OLDI services), supercomputación, deep learning, almacenamiento masivo, cloud computing, etc. Todos estos servicios  manejan enormes volúmenes de datos y al mismo tiempo requieren unos tiempos de respuesta mínimos, por lo que la red de interconexión de estos sistemas debe ofrecer unas prestaciones mínimas bastante elevadas.

Por tanto, es crucial optimizar las prestaciones de la red de interconexión, ya que de otro modo puede convertirse en el cuello de botella del sistema completo, si no es capaz de responder con un alto rendimiento y una baja latencia cuando se ejecutan aplicaciones de cómputo intensivo en el sistema.
Entre los factores de diseño más importantes que determinan las prestaciones de la red destacan la topología, el algoritmo de encaminamiento, la arquitectura de los elementos de la red (conmutadores, interfaces de red y enlaces), etc. 

El grupo RAAP de la UCLM desarrolla investigación de vanguardia en redes de interconexión de altas prestaciones para supercomputadores y centros de proceso de datos, y colabora activamente en este ámbito con empresas e instituciones internacionales como NVIDIA, ATOS/BULL, Intel, Huawei y el CERN. También mantiene otras líneas de investigación en el mismo ámbito con universidades como la Universitat Politècnica de València, Jaume I de Castellón, Carlos III de Madrid, ETH de Zürich, Heidelberg y Simula Research Labs (Oslo, Noruega). 

Para llevar a cabo estas investigaciones con éxito se utilizan herramientas de simulación de redes de interconexión, que permiten modelar el comportamiento de los nuevos de diseños de red propuestos. Entre las herramientas de simulación que utiliza el grupo RAAP, en este TFM se utilizan dos de ellas: el simulador de redes de interconexión Sauron y la librería de generación de topologías TopGen. El simulador Sauron se desarrolló desde cero hace una década, basado en el motor de simulación open-source OMNeT++. Actualmente Sauron se utiliza en proyectos de investigación financiados con fondos europeos (proyecto RED-SEA), fondos nacionales (proyectos HEEDA y DIDASI), y con fondos regionales (proyecto TETRA-2). Sauron también se utiliza en convenios de investigación con otros centros de prestigio internacional, como el experimento ATLAS del CERN (Suiza). 

Por otro lado, la librería TopGen se desarrolló hace más de una década en el grupo RAAP y se utiliza para generar la topología de una red de interconexión de altas prestaciones, en función de los parámetros de entrada del usuario (es decir de los parámetros que el usuario introduce en el simulador). TopGen proporciona al simulador la información de cómo se conectan los elementos de la red. Además, TopGen se encarga de implementar el algoritmo de encaminamiento, y proporciona esta información al simulador para rellenar las tablas de encaminamiento. TopGen es compatible con cualquier simulador de redes de interconexión, siempre que el simulador se integre con esta librería. 

El principal objetivo de este TFM es la integración de la librería TopGen con el simulador de redes de interconexión Sauron. Esta integración se validará mediante experimentos de simulación configurados para emplear determinadas topologías de red de última generación (Megafly, Dragonfly y variaciones de diversas topologías de red con enlaces paralelos), recientemente modeladas en TopGen por el alumno. Adicionalmente, el empleo de estos casos de uso en las pruebas permitirá la evaluación comparativa de las prestaciones de estas topologías de red. En las simulaciones se utilizarán patrones de tráfico realista que modelan el comportamiento de las operaciones de comunicación de las aplicaciones que habitualmente se ejecutan en supercomputadores y centros de proceso de datos.

 

Metodología y Competencias

Para la realización de este TFM se utilizarán dos herramientas fundamentales: el simulador de redes de interconexión Sauron (basado en la plataforma OMNeT++) y la librería de generación de topologías TopGen. Ambas herramientas están disponibles para la realización de este TFM.

Para alcanzar los objetivos del TFM, las actividades principales a realizar son las siguientes. Se indica también el tiempo estimado de realización en meses, asumiendo una dedicación total de 225 horas (180 horas de trabajo autónomo y 45 horas de relación con los tutores) a lo largo de 4 meses, y una dedicación de 56,25 horas/mes:

1) Aprendizaje del simulador Sauron y la plataforma OMNeT++ (0,5 mes)
2) Combinar la librería de topologías de red TopGen con el simulador Sauron (1,5 meses).
3) Validación del funcionamiento de la combinación TopGen+Sauron mediante la evaluación comparativa de las prestaciones de diferentes topologías de red comerciales (1 mes).
4) Documentación de los resultados (1 mes).

Competencias:
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INS01    Capacidad de análisis, síntesis y evaluación.
INS02    Capacidad de organización y planificación.
INS03    Capacidad de gestión de la información.
INS04    Capacidad de resolución de problemas aplicando técnicas de ingeniería.
INS05    Capacidad para argumentar y justificar lógicamente las decisiones tomadas y las opiniones.
PER03    Capacidad de trabajo en un contexto internacional.
PER04    Capacidad de relación interpersonal.
SIS01    Razonamiento crítico.
SIS02    Compromiso ético.
SIS03    Aprendizaje autónomo.
SIS05    Creatividad.
SIS08    Capacidad de iniciativa y espíritu emprendedor.
SIS10    Sensibilidad hacia temas medioambientales.
UCLM01    Dominio de una segunda lengua extranjera en el nivel B1 del Marco Común Europeo de Referencia para las Lenguas.
UCLM02    Capacidad para utilizar las Tecnologías de la Información y la Comunicación.
UCLM03    Correcta comunicación oral y escrita.
UCLM04    Compromiso ético y deontología profesional.

CE1 - Capacidad para la integración de tecnologías, aplicaciones, servicios y sistemas propios de la Ingeniería Informática, con carácter generalista, y en contextos más amplios y multidisciplinares.

CE4 - Capacidad para modelar, diseñar, definir la arquitectura, implantar, gestionar, operar, administrar y mantener aplicaciones, redes, sistemas, servicios y contenidos informáticos.

CE5 - Capacidad de comprender y saber aplicar el funcionamiento y organización de Internet, las tecnologías y protocolos de redes de nueva generación, los modelos de componentes, software intermediario y servicios.

CE16 - Realización, presentación y defensa, una vez obtenidos todos los créditos del plan de estudios, de un ejercicio original realizado individualmente ante un tribunal universitario, consistente en un proyecto integral de Ingeniería en Informática de naturaleza profesional en el que se sinteticen las competencias adquiridas en las enseñanzas.

IC3 - Capacidad de analizar y evaluar arquitecturas de computadores, incluyendo plataformas paralelas y distribuidas, así como desarrollar y optimizar software para las mismas.

IC7 - Capacidad para analizar, evaluar, seleccionar y configurar plataformas hardware para el desarrollo y ejecución de aplicaciones y servicios informáticos.

 

Medios a utilizar

Los medios a utilizar para el desarrollo del TFM son los siguientes:

- Librería open-source TopGen de generación de topologías de red de interconexión.
- Simulador Sauron, disponible para el grupo RAAP.
- Servidor de GIT y GitLab disponible en el grupo RAAP.
- Clústeres de cómputo GALGO y CELLIA, disponibles en el I3A.
- Ordenador tipo PC.

 

Bibliografía

La bibliografía básica para el desarrollo del TFM es la siguiente:

- Diversos libros y artículos sobre redes de interconexión, modelado y simulación, principalmente "Interconnection Networks: An Engineering Approach", J. Duato, S. Yalamanchili, and L. M. Ni, Morgan Kaufmann Publishers, 2003.
- Juan Antonio Villar, German Maglione Mathey, Jesús Escudero-Sahuquillo, Pedro Javier García, Francisco J. Alfaro, José Luis Sánchez Garcia, Francisco J. Quiles. TopGen: A Library to Provide Simulation Tools with the Modeling of Interconnection Network Topologies. HPCS 2018: 452-459.
- Documentación de los simuladores y librerías asociadas.
- Manuales de C++.

Toda la bibliografía está disponible.