Tecnologías Específicas

Ingeniería de Computadores
Tecnologías de la Información

Descripcion y Objetivos

Las redes de interconexión de altas prestaciones son el elemento esencial de los sistemas de cómputo de altas prestaciones (HPC) y de los Data-Centers, que están formados por miles de nodos. De hecho, el rendimiento de la propia red de interconexión influye muy notablemente en el rendimiento del sistema completo, por lo que el diseño de la arquitectura de dicha red es una tarea crucial. En el diseño y desarrollo de la arquitectura de red se utilizan habitualmente simuladores como herramientas de soporte, ya que permiten analizar el coste y las prestaciones de las nuevas propuestas arquitectónicas. Sin embargo, el desarrollo de un simulador desde cero es una tarea muy costosa en términos de tiempo y esfuerzo. Por ello, una tendencia habitual en los simuladores de red es utilizar software específico (también denominado "frameworks") para facilitar y acelerar la construcción simuladores. Entre los más famosos y activos destacan OMNeT++ o NS-3, que tienen un gran ecosistema de usuarios y desarrolladores alrededor. No obstante, estos frameworks presentan diversos problemas, como la escalabilidad a la hora de modelar redes de interconexión que conectan del orden de cientos de miles de nodos.

El simulador SST (Structural Simulation Toolkit), es un entorno de simulación desarrollado por los laboratorios Sandia, USA, ampliamente utilizado por importantes empresas y universidades de todo el mundo. Se desarrolló para explorar innovaciones en sistemas paralelos donde la ISA, la micro-arquitectura y la memoria interactúan con el modelo de programación y el sistema de comunicaciones. El paquete proporciona dos capacidades importantes. La primera es un diseño completamente modular que permite la exploración extensa de un parámetro del sistema individual sin la necesidad de cambios intrusivos en el simulador. El segundo es un entorno de simulación paralelo basado en MPI. Esto proporciona un alto nivel de rendimiento y la capacidad de mirar sistemas grandes. El simulador SST se ha utilizado con éxito para modelar conceptos que van desde el procesamiento en memoria, hasta los procesadores convencionales conectados por interfaces de red convencionales y ejecutando MPI.

El objetivo de este TFG es la instalación y puesta en marcha de la herramienta SST en los supercomputadores del grupo RAAP del I3A, así como el diseño y configuración de modelos de red de acuerdo con las especificaciones actuales de los supercomputadores más potentes del mundo. El modelo configurado con SST será capaz de simular redes que interconecten miles de nodos, diferentes topologías de red y algoritmos de encaminamiento. Finalmente, se realizará un análisis de las prestaciones de las redes configuradas en el simulador SST.

 

Metodología y Competencias

Para alcanzar los objetivos del TFG, las actividades principales a realizar por el alumno son las siguientes (se indica el tiempo estimado de realización en meses, asumiendo una dedicación de 8 meses, 37,5 horas/mes y 300 horas de dedicación total al TFG):

1) Conocer con un nivel de detalle adecuado a la carga del TFG el estado del arte de las redes de interconexión de altas prestaciones y de las herramientas de simulación, mediante el estudio de la bibliografía y los simuladores disponibles en el grupo RAAP. Familiarizarse con el proceso de desarrollo del framework SimGrid (1.5 meses).

2) Estudiar y probar el módulo Merlin del simulador SST, que engloba la funcionalidad de la red de interconexión, así como el modelo de conmutador e interfaz de red proporcionados (2 meses).

3) Implementar mejoras en el modelo de conmutador e interfaz de red para ofrecer soporte de control de congestión, mediante esquemas de colas sencillos en las topologías disponibles: Dragonflies, fat-trees e HyperX (1.5 meses).

4) Estudio y evaluación de las prestaciones de los esquemas de colas implementados en Merlin, en los diferentes patrones de tráfico propuestos en SST, tanto patrones de tráfico sintético, como trazas en formato DUMPI (2 meses).

5) Documentar los resultados, incluyendo la memoria del TFG (1 mes).

Competencias adquiridas:

- Capacidad de diseñar y construir sistemas digitales, incluyendo computadores, sistemas basados en microprocesador y sistemas de comunicaciones. 

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

- Capacidad de diseñar e implementar software de sistema y de comunicaciones.

- 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 TFG son los siguientes:

- Simuladores de redes de interconexión disponibles en el grupo RAAP.
- Servidor de GIT y GitLab disponible en el grupo RAAP.
- HOWTO's para lanzar simulaciones de gran tamaño en el cluster CELLIA.
- Ordenador tipo PC.

 

Bibliografía

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

- Jose Duato, Sudhakar Yalamanchili, and Ni Lionel. 2002. Interconnection Networks: An Engineering Approach. Morgan Kaufmann Publishers Inc., San Francisco, CA, USA.

- William James Dally and Brian Patrick Towles. 2004. Principles and Practices of Interconnection Networks. Morgan Kaufmann Publishers Inc., San Francisco, CA, USA.

- Diversos libros y artículos sobre redes de interconexión, modelado y simulación.
- Documentación ofrecida por el framework SST.

Toda la bibliografía está disponible.