Aula 01 - 1 - Mesonpi

VI Escola do CBPF
Computação Distribuída
de Alto Desempenho
Marcelo Giovani
Marcelo Portes Albuquerque
Nilton Alves Jr.
Coordenação de Atividades Técnicas – CAT/CBPF/MCT
VI Escola do CBPF - 2006
1
G5 – Computação Distribuída
de Alto Desempenho
„
„
„
„
„
Aula 1. Redes de Computadores e Arquitetura de Processadores
••História,
História, conceitos
conceitos básicos
básicos ee protocolos
protocolos de
de rede
rede de
de
computadores
computadores Distribuído, Cluster e Grid
Aula 2. Processamento
••Endereçamento,
Endereçamento,equipamentos
equipamentoseefuncionamento.
funcionamento.
••Conceitos
básicos:
paralelismo,
concorrência,
Conceitos básicos: paralelismo, concorrência, granularidade,
granularidade,
speedup
eeeficiência,
pipeline
, ,classificação
Flynn
eficiência,
pipeline
classificação
Flynn de
•speedup
de
Aula 3. Linguagens
de entre
Programa
ção
•Comparações
Comparações
entre arquiteturas
arquiteturas
de computadores
computadores
de 32
32 ee 64
64
•bits:
Topologias
de
comunicação,
tipos
de
cluster,
cluster
Beowulf,
Topologias
de
comunicação,
tipos de cluster, cluster Beowulf,
•••bits:
História
das
Linguagens
de
Programação
História
das
Linguagens
de
Programação
computação
em
Globus
emGrid,
Grid,sistemas
sistemas
GlobuseeCondor
Condor
•computação
Sete
elementos
básicos
da
programação
estruturada
•
Sete
elementos
básicos
da
programação
estruturada
Aula 4. Laborat
ó
rio
de
Linguagem
C/C++
•Filme:
Warriors,
Aeroporto,
IMAX
Discovery
•Filme: Warriors, Aeroporto, IMAX Discovery
••Apresentação
do
de
ApresentaçãoOrientada
doCluster
Clusteraatual
atual
de32bits
32bitseefuturo
futurode
de64bits
64bitsdo
do
••Programação
Objetos
Programação
Orientada
a
Objetos
CBPF
•
Resolução
do
grau
••CBPF
estruturada
versus
objeto
Resolução
deequação
equação
dosegundo
segundo
grau
Aula 5. Laborat
óriode
Biblioteca
MPI
•Programação
Programação
estruturada
versusorientação
orientação
objeto
••Linguagens
Linguagensde
deprogramação
programação paralela
paralelaMPI,
MPI,CHARM
CHARM
•••Resolução
de
Integral
Resolução
dePCI-Express
Integraldefinida:
definida:11ee55processadores
processadores
•Filme:
Filme:NEC,
NEC,
PCI-Express
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2
VI Escola do CBPF
Redes
de
Computadores
Nilton Alves Jr.
Alexandre Urtado de Assis
CBPF/MCT, RedeRio/FAPERJ
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3
Redes de Computadores
compartilham
serviços
e trocam informa
ções
„„ Que
Conjunto
de dispositivos
interligados
fisicamente
Base de dados
Impressora
E-mail
ICQ
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4
Histórico
„
Início da década de 60:
„
„
Em 1969:
„
„
Universidades desenvolvem sistemas de
compartilhamento de recursos computacionais
Interesse Militar através da criação da ARPANET
Em 1977:
„
Criação do modelo OSI (Open Systems Interconnection)
pela ISO (International Organization for Standardization)
para permitir a interoperabilidade entre as diversas
plataformas.
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5
O Modelo OSI
„
Criação de um modelo de Referência
„
„
„
Para interoperabilidade entre os diversos fabricantes
Utilizava o método de “dividir para conquistar”
Criava o conceito de camadas, onde:
„
„
„
Cada camada utiliza os serviços oferecidos pela camada
imediatamente inferior para implementar e oferecer os seus
serviços à camada imediatamente superior
Cada camada do dispositivo origem faz requisições para a
mesma camada no dispositivo destino
Cada camada se restringe a seus serviços, sem se preocupar
com os serviços das demais
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6
Modelo OSI – Camadas
Camada 7
Aplicação
Camada 6
Apresentação
Camada 5
Seção
Camada 4
Transporte
Camada 3
Rede
Camada 2
Enlace
Camada 1
Física
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7
Modelo OSI – Empacotamento
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8
Camada 1 - Física
Aplicação
„
Apresentação
„
Seção
Transporte
Rede
Enlace
Transmissão de bits através de um
canal de comunicação
Especifica as características do meio
físico e da transmissão do sinal
„ Conectores
„ Pinagem
„ Níveis de tensão
„ Dimensões físicas
„ Características mecânicas
„ Características elétricas.
Física
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9
Camada 2 - Enlace
„
Aplicação
Apresentação
„
„
Seção
Transporte
„
Rede
„
Enlace
Agrupa os bits recebidos no nível
físico em quadros (frames)
Tais quadros são delimitados
Detecta e corrige possíveis erros
ocorridos na transmissão
Endereça equipamentos na rede
(endereço MAC)
Faz o controle de utilização do meio
de comunicação
Física
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10
Camada 3 - Rede
Aplicação
Apresentação
„
„
Seção
Transporte
Rede
„
É responsável pelo roteamento de
pacotes através da rede.
O roteamento é baseado em um
mecanismo de endereçamento
global – IP, que identificam
unicamente cada máquina.
Implementa mecanismos de
controle de congestionamento.
Enlace
Física
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11
Camada 4 - Transporte
Aplicação
Apresentação
„
„
Seção
Transporte
Rede
Enlace
„
„
Fornece comunicação fim a fim
confiável
Segmentação e remontagem de
mensagens, protocolos TCP e UDP
Implementa mecanismos de
controle de fluxo fim a fim
Implementa controle e recuperação
de erro fim a fim
Física
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12
Camada 5 - Sessão
Aplicação
„
Apresentação
„
Seção
Transporte
Rede
„
Estabelece e encerra os enlaces de
comunicação
Prevê mecanismos de controle de
diálogo entre os sistemas
Implementa mecanismos de
recuperação de falhas em caso de
interrupções
Enlace
Física
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13
Camada 6 - Apresentação
Aplicação
„
Apresentação
„
Seção
Transporte
„
Compactação/descompactação de
dados
Criptografia
Converte os dados em um formato
de representação universal
Rede
Enlace
Física
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14
Camada 7 - Aplicação
Aplicação
Apresentação
Seção
„
Funciona como uma interface de
ligação entre os processos de
comunicação de rede e as aplicações
utilizadas pelo usuário.
Transporte
Rede
Enlace
Física
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15
O modelo TCP/IP
„
„
„
„
Desenvolvido pelo Departamento de Defesa
Americano (DARPA)
Padrão prático
Evolução da ARPANET
Arquitetura baseada no
conceito de interconexão
de redes (inter-redes)
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16
Camadas TCP/IP
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17
Camadas do protocolo TCP/IP
„
Aplicação:
„
„
„
Camada mais alta
Protocolos de aplicações clientes e servidores HTTP, FTP, SMTP, POP
Transporte:
„
Estabelece comunicações fim a fim
„
„
„
Internet:
„
„
„
„
com garantia de entrega (TCP)
sem garantia de entrega (UDP).
Endereçamento e roteamento de pacotes (IP)
envio de mensagens de controle (ICMP)
Resolução de endereços de hardware (ARP)
Rede:
„
„
Camada mais baixa de acesso ao meio físico
Ethernet, ATM, Frame Relay, Token Ring
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18
Endereçamento IP
„
„
O IP - Internet Protocol define um endereço de
identificação único para a Internet
Endereçamento hierárquico dividido em duas
partes:
„
„
Network ID
Host ID
Network ID
Host ID
Parte comum a todas as
estações de uma mesma rede
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19
Endereçamento IP
„
„
Cada equipamento dentro de uma rede precisa de um
Host ID único.
Endereço possuem 32 bits (4 bytes)
10011000 01010100 00110010 11010111
152
84
50
215
152.84.50.215
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20
Divisão dos endereços IP
„
Os endereços IP foram divididos em 5 classe:
„
„
„
A, B, C, D, E
As classes se diferenciam pelos bits iniciais
E pela quantidade de bits para NetworkID e HostID
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21
Endereços Especiais
„
Localhost:
„
„
„
Endereço de rede:
„
„
„
O endereço localhost ou loopback
O endereço reservado 127.0.0.1
O endereço de rede é composto por todos os bits HostID
iguais a 0.
Ex.: 130.239.0.0
Broadcast:
„
„
„
O endereço broadcast possibilita o envio de um determinado
pacote para todas os dispositivos de uma mesma rede.
É representado por todos os bits do HostID iguais a 1.
Ex.: 130.239.255.255
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22
Classes de endereços – Classe A
8 bits
24 bits
Network ID
0nnnnnnn
126 redes
„
Host ID
hhhhhhhh
hhhhhhhh
„
hhhhhhhh
16.777.214 hosts
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„
Endereços:
1.0.0.0 a 126.0.0.0
Redes reservados:
127.0.0.0 e 0.0.0.0
Rede Invalida:
10.0.0.0
23
Classes de endereços – Classe B
16 bits
Network ID
16 bits
„
Host ID
„
10nnnnnn
nnnnnnnn
16.384 redes
hhhhhhhh
hhhhhhhh
Endereços:
128.0.0.0 a
191.255.0.0
Redes Inválidas:
172.16.0.0 a
172.31.255.255
65.536 hosts
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24
Classes de endereços – Classe C
24 bits
8 bits
Network ID
Host ID
„
„
110nnnnn
nnnnnnnn
nnnnnnnn
2.097.152 redes
hhhhhhhh
Endereços:
192.0.1.0 a
223.255.255.0
Redes Inválidas:
192.168.0.0 a
192.168.255.255
256 hosts
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25
Classes de endereços
„
Classe D
1110gggg gggggggg gggggggg gggggggg
„ Usado para Multicast
„ Endereços:
224.0.0.0 até 239.255.255.255
„
„
Classe E
1111xxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx
„ Reservado para uso futuro
„ Endereços:
240.0.0.0 a 247.255.255.255
„
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26
Máscara de rede
„
„
„
Endereço de 32 bits
Identifica o NetworkID do endereço IP
Uma máscara de rede possui bits ‘1’ para identificar a
NetworkID e bits ‘0’ para identificar o HostID.
11111111 11111111 00000000 00000000
255
255
0
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0
27
Máscara de Rede - ANDing
„
ANDing é um processo interno que define se IP local
pertence a mesma rede de um IP destino.
IP
Máscara
11001000 11111111 00100001 11000111
11111111 11111111 11111111 00000000
(200.255.33.190)
(255.255.255.0)
Resultado
11001000 11111111 00100001 00000000
(200.255.33.0)
if (Resultado IP destino == Resultado IP local)
printf(“IP´s são da mesma rede”);
else
printf(“IP´s de redes diferentes”);
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28
Sub-redes
„
„
„
„
A alocação de endereços baseada em classes gera
problemas de desperdício de endereços
Para melhor aproveitamento dos endereços
muitas redes são divididas em sub-redes
Prática comum quando as redes envolvidas são
muito grandes
Neste caso, o endereço da máscara de rede
também deve ser alterado
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29
Máscara de Sub-rede
‰
A máscara de sub-rede é determinada com base
nos bits extras utilizados para endereçar as subresdes
‰
Ex.: 2 bits
200 .
20
.
32
.
65
/26
11111111 11111111 11111111 11 00000000
NetworkID
ID de sub-rede
HostID
255.255.255.192
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30
Sub-rede classe C
„
„
Aplicar o conceito de sub-redes a uma classe C significa usar o
último octeto não só para identificar os hosts como também
para identificar as sub-redes.
A máscara padrão é 255.255.255.0 e deverá ser
Máscara
Bit sub-rede
Bit hosts
Número de redes
Hosts por rede
255.255.255.128
1
7
2
126
255.255.255.192
2
6
4
62
255.255.255.224
3
5
8
30
255.255.255.240
4
4
16
14
255.255.255.248
5
3
32
6
255.255.255.252
6
2
64
2
255.255.255.254
7
1
128
0
VI Escola do CBPF - 2006
31
ARP
„
Address Resolution Protocol é responsável pela descoberta do
endereço físico (endereço MAC) correspondente ao IP destino
Para mesma rede
Roteador
envia
mensagem
Quem
DA
responde
é D? a com
o MACpara D
A
B
C
D
VI Escola do CBPF - 2006
E
32
ARP
„
Address Resolution Protocol é responsável pela descoberta do
endereço físico (endereço MAC) correspondente ao IP destino
Para uma rede diferente
Roteador
A envia a mensagem para o roteador
Quem
O roteador
é o roteador?
responde
com o MAC
reparssar
ao destino
A
B
C
D
VI Escola do CBPF - 2006
E
33
VI Escola do CBPF
Processadores
de
32 e 64 bits
Marcelo Giovani
Nilton Alves Jr.
VI Escola do CBPF - 2006
34
Evolução – Lei de Moore
Processador/ano
microns
Intel 4004 (71)
15
8088 (79)
3
486
1
Athlon Thoroughbred
0,13
2005
0,07
2015
0,02
2025
Proc. Quânticos?
Processador/Ano
# Transístores
8088 (79)
29.000
286 (82)
• “The complexity for minimum component costs
has increased at 134.000
a rate of
Pentium
60MHz
0,80
roughly
a factor of two per
year ... Certainly over386
the(85)
short term this rate
can be
275.000
Pentium
100MHz
expected
to continue, if0,60
not to increase. Over the longer term, the rate of
486 (89)
1.200.000
increase
is
a
bit
more
uncertain,
although
there
is
no
reason
to
believe
it will
Pentium 166MHz
0,40
PentiumThat
(93) means by3.100.000
not remain nearly constant for at least 10 years.
1975, the
Pentium III 350MHz
0,25
number of components per integrated circuit
for minimum
be 65,000.
Pentium
MMX (97)cost will 4.300.000
Celeron
366
0,22
I believe that such a large circuit can be built on a single wafer.“, Cramming
Pentium
II (98) Moore, Electronics
9.500.000
Athlon
Thunderbird
more
components onto0,18
integrated circuits”,
Gordon
Magazine
19 april 1965. 0,13
Pentiun
4 Northwood
Pentium III
21.000.000
• A densidade de transistores em um chip dobra aAthlon
cada 18 meses.
Pentium IV
VI Escola do CBPF - 2006
35.000.000
42.000.000
35
16bits
•“Nunca
•“Nuncaninguém
ninguémirá
iráprecisar
precisarde
deum
umPC
PCcom
commais
maisde
de640
640kbytes
kbytesde
dememória”.
memória”.
(Willian
(WillianGates
GatesIII,
III,meados
meadosdos
dosanos
anos80)
80)
••Nem
Nemele,
ele,oomago
magodos
dosnegócios
negóciosda
dainformática,
informática,conseguiu
conseguiuprever
preverque
queos
ossoftwares
softwares
teriam
uma
forte
escalada
em
seus
requisitos
de
memória
como
de
fato
teriam uma forte escalada em seus requisitos de memória como de fato veio
veio aa
acontecer.
acontecer.
••PCs
PCs rodando
rodando DOS
DOS 3.0,
3.0, oo 8088
8088 da
da Intel,
Intel, registradores
registradores de
de 16
16 bits,
bits, barramento
barramento de
de
comunicação
comunicaçãode
de88bits,
bits,enderaçamento
enderaçamentode
de1MByte
1MBytede
dememória.
memória.
••Aplicações
Aplicaçõescom
com>1MByte,
>1MByte,EMS
EMS(memória
(memóriaexpandida),
expandida),blocos
blocosde
de64KBytes
64KBytes
VI Escola do CBPF - 2006
36
32bits
••AAhistória
históriaestá
estásempre
semprese
serepetindo.
repetindo.
••Migração
Migração para
para 32
32 bits
bits em
em 1986,
1986, processador
processador 386.
386. OO 386
386 foi
foi um
um processador
processador
extremamente
extremamente revolucionário,
revolucionário, pois
pois além
além de
de permitir
permitir endereçar
endereçar quantidades
quantidades de
de
memórias
impensáveis
para
a
época,
trazia
possibilidades
de
multitarefa,
memórias impensáveis para a época, trazia possibilidades de multitarefa,
isolamento
isolamentode
deaplicações
aplicaçõesetc.
etc.
••Os
Osatuais
atuaisPentium
PentiumIV
IVainda
aindasão
sãoprocessadores
processadoresde
de32
32bits
bitseeassim
assimpodemos
podemospensar
pensar
neles
neles como
como 386s
386s bastante
bastante “anabolizados”,
“anabolizados”, mais
mais rápidos,
rápidos, mais
mais instruções,
instruções, mas
mas
ainda
aindacom
comas
asmesmas
mesmaslimitações
limitaçõesde
deendereçamento
endereçamentode
dememória
memóriade
de19
19anos
anosatrás
atrás. .
VI Escola do CBPF - 2006
37
Histórico
••Para
Para aplicações
aplicações mais
mais críticas,
críticas, foi
foi reinventada
reinventada aa “memória
“memória EMS”
EMS” de
de vinte
vinte anos
anos
atrás.
atrás.Principalmente
Principalmenteem
emservidores
servidoresque
queprecisam
precisammais
maisde
de22Gbytes
Gbytesde
dememória.
memória.
••Na
Na verdade
verdade oo Windows
Windows consegue
consegue enxergar
enxergar até
até 44 Gbytes,
Gbytes, mas
mas com
com oo limite
limite
máximo
de
2
Gbytes
para
uma
única
aplicação.
máximo de 2 Gbytes para uma única aplicação.
••Super
Super servidores
servidores de
de 32
32 bits
bits com
com 8,8, 16
16 ou
ou até
até 32
32 Gbytes
Gbytes de
de RAM,
RAM, utilizam
utilizam um
um
esquema
esquemade
depaginação
paginaçãode
dememória
memóriasemelhante
semelhanteao
aoque
quese
seusava
usavano
noDOS
DOS3.0!!
3.0!!Mais
Mais
eficiente,
eficiente,mais
maissofisticado,
sofisticado,mas
masna
naessência
essênciaaamesma
mesmacoisa.
coisa.
VI Escola do CBPF - 2006
38
Histórico
••Intel
IntelPentium
PentiumIV
IVEM64T:
EM64T:ultrapassa
ultrapassaoolimite
limitede
deendereçamento
endereçamentode
de4Gbytes
4Gbytesalém
além
de
desuportar
suportaralgumas
algumasinstruções
instruçõesde
de64bits.
64bits.
•AMD
•AMDAthlon
Athlon64:
64:suporta
suportanativamente
nativamenteintruções
intruçõesde
de32
32ee64bits
64bits
••Intel
Intel ITANIUM:
ITANIUM: set
set de
de instruções
instruções completamente
completamente diferente
diferente do
do resto
resto ee visa
visa um
um
nicho
nicho muito
muito específico
específico que
que são
são máquinas
máquinas para
para substituir
substituir outras
outras mais
mais caras
caras de
de
arquitetura
arquiteturaRISC.
RISC.
••AMD
AMD Opteron:
Opteron: semelhante
semelhante ao
ao Athlon64
Athlon64 porém,
porém, com
com características
características de
de servidor
servidor
tais
taiscomo
comoL2
L2maior,
maior,capacidade
capacidadede
deaté
até88núcleos,
núcleos,cache
cachededicado
dedicadopara
paracada
cadanúcleo.
núcleo.
••Intel
Intel XEON:
XEON: barramento
barramento bidirecional,
bidirecional, cache
cache compartilhado
compartilhado pelos
pelos núcleos,
núcleos,
somente
somenteinstruções
instruçõesde
de64bits,
64bits,emula
emula32bits.
32bits.
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39
Comparativo Opteron x Xeon
VI Escola do CBPF - 2006
40