Paralleles Rechnen und Grid Computing am ZIV Zustandsbericht und Ausblick

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1 Dipl. Geophys. Martin Leweling muenster.de) Westfälische Wilhelms Universität Münster Zentrum für Informationsverarbeitung

2 Inhalt Parallelrechner ZIVcluster Hard und Softwareausstattung des Clusters Zugang zum System Batch System, Queues, Nutzungsmöglichkeiten Systemmanagement Bisherige Nutzung des Clusters ZIVGrid Hard und Softwareausstattung Zugang Nutzungsbeispiel Perspektiven für ZIVGrid und ZIVcluster

3 Geschichte des Parallelrechners Dez Feb. 2003: Feb. März 2003: April 2003: Mai Juni 2003: Januar 2004: Juni 2004: Juni 2005: Erster Aufbau durch Fa. Bechtle. Beim Aufbau stellen sich zahlreiche Komponenten als defekt heraus; zusätzlich verzögern Baumaßnahmen im Gebäude Einsteinstr. 60 die Installation. Probebetrieb. Immer wieder kommt es zu überhitzungs bedingten Ausfällen von Komponenten. Produktionsbetrieb beginnt, ohne dass Mängel beseitigt wurden. Der Cluster wird nach Plänen des ZIV umgebaut (Dauer: zwei Wochen). Seither ist ein stabiler Produktionsbetrieb möglich. Einführung einer dedizierten und einer seriellen Queue. Erweiterung um 4 Knoten für serielle Jobs. Der Cluster wird in neue Schränke eingebaut.

4 bis Juni 2005 heute

5 Hardwareausstattung: 98 Rechenknoten (IBM xseries 335) 94 Intel Xeon 2.4 Ghz (512kb Level2 Cache, 1GB Memory) 4 Intel Xeon 2.8 Ghz (512kb Level2 Cache, 2.5 GB Memory) 37 GB IDE Festplatte, davon 1 GB Swap Space 28 GB Scratch Space (/scratch) 2 GB Temporary Space (/tmp)

6 Hardwareausstattung: 2 Kopfstationen (head nodes) IBM xseries 345 Intel Xeon 2.2 Ghz (512kb Level2 Cache) 1.5 GB Hauptspeicher 36 GB SCSI Festplatte davon 2 GB Swap Space 2 GB Temporary Space (/tmp) nur auf Dialog Station: 24 GB Scratch Space (/scratch)

7 Hardwareausstattung: Drei Netzwerke grau: Gigabit Ethernet orange: Myrinet (MPI, GPFS) blau: RSA Netzwerk (ca. jeder 9. Knoten; ASM Prozessoren weiterer Knoten über daisy chain verbunden).

8 Hardwareausstattung: Ansicht des Myrinet Switches 8 Linecards mit jeweils 8 Fibre Ports 1 Monitoring Linecard (ganz oben, mit 2 Ethernet Anschlüssen); Monitoring über Web Interface hot pluggable

9 Hardwareausstattung Flatpanel Monitor Headnodes Fibre Channel RAID 5 Array mit 547GB Kapazität (IBM FastT200) genutzt für GPFS; Failover Konfiguration über FC Switch

10 Problemursache Nr. 1: PDU (Power Distribution Unit): zwischen den Racks angebracht direkt neben der CPU nur bis 35 Betriebstemperatur spezifiziert Falsche Sicherung eingebaut Folge: 4 Ausfälle in 5 Monaten! (= Stromausfall auf 21 Knoten) Lösung: Umbau des Clusters, heute befinden sich die PDUs ganz unten

11 System Software Betriebssystem Red Hat Linux 7.3 (Standard Distribution) Kernel mit mmap Patch von IBM Dateisystem GPFS von IBM GPFS: General Parallel File System Nicht Open Source, unregelmäßige Updates ( ) Hohe Performance (+) Ermöglicht parallelen Zugriff auf Dateien (+) ist auf einwandfreie Funktion des Myrinets angewiesen (d.h. toleriert auch sehr kurzzeitige Aussetzer nicht) ( ) Portable Batch System (PBS), Version 5.4.2

12 System Management CSM (Cluster Systems Management) von IBM Zentrale Verwaltung von Konfigurationsdateien über cfengine Installation der Knoten vom Management Node aus über RedHat Kickstart Templates (/csminstall) Repositorium von Konfigurationsdateien in /cfmroot; Verteilung der Dateien mit cfmupdatenode a bzw. bei Definition von Knotengruppen Update aller Rechenknoten mit cfmupdatenode n ComputeNodes Integration von Reliable Scalable Cluster Technology (RSCT) u.a. Definition von Fehlerbedingungen und automatischen Reaktionen (mkcondition, mkcondresp...); Beispiel: Shutdown des GPFS bei Nichterreichbarkeit von Knoten Open Source Tools (z.b. Ganglia, cacti, mysql) Eigenentwicklungen

13 Monitoring (Auslastung) Open Source Lösung: Ganglia Cluster Toolkit (http://ganglia.sourceforge.net) auf jedem Node 1 Monitoring Dämon (gmond) auf dem zentralen Node 1 zusätzlicher Dämon (gmetad) Verteilung der Messdaten im Abstand von einigen Sekunden über Multicast Daten werden mit Hilfe von RRDTool in sog. Round Robin Databases gesammelt (stündlich, täglich, wöchentlich, monatlich, jährlich) Neben voreingestellten Metriken lassen sich eigene Messpunkte in Ganglia einspeisen (z.b. scratch space)

14 Monitoring (Hardware) Open Source Lösung cacti (http://www.raxnet.net) arbeitet ebenfalls mit RRDTool Verwaltung der Konfiguration über mysql

15 Monitoring (Hardware) Myrinet Switch verfügt mit der Monitoring Linecard über eigenes Webinterface Daten werden mit Hilfe von lynx über Skripte in cacti Datenbank eingespeist

16 Monitoring (Hardware) Myricom Mute (http://www.myri.com) Visualisierung des Traffics auf dem Myrinet Switch

17 Hardware Monitoring IBM Advanced System Management (ASM) Prozessoren besitzen ein Webinterface zum Monitoring und zur Fernsteuerung. Über Kommandozeilen Tools (mpcli) können Messpunkte in die Cacti Datenbank übernommen werden. Großes Minus: Programmierung in Java ist zu schwerfällig für Hardwareüberwachung Besser wären kernel integrierte Gerätetreiber gewesen!

18 Hardware Defekte nach 3 Jahren Betrieb 4 Linecards des Myrinet Switches (alle 12 Linecards wurden inzwischen ausgetauscht) 7 Myrinet Hostadapter (alle 96 Adapter wurden Oktober 2004 ausgetauscht) 5 Stromverteiler (Power Distribution Units) (Fehlerursache: Überhitzung, Konstruktionsfehler) 2 Knoten Netzteile 1 Festplatte 1 Lüfter davon in 2005: 1 Myrinet Hostadapter, 1 PDU, 1 Lüfter

19 Entwicklungsumgebung: MPI MPI 1 (Message Passing Interface) für paralleles Rechnen Hier: MPICH GM MPI Chamaeleon (portable Implementation von MPI) mit GM als Low Level Message Passing System für Myrinet Hardware Kompilerabhängige Installationen (z.b. f. Intel Fortran, Portland Fortran) In /gpfs/a/mpich_intel und /gpfs/a/mpich_pgi z. Zt. Version GM in /usr/local/gm z. Zt. Version 1.6.4

20 Entwicklungsumgebung: Compiler Intel Fortran und C Compiler (Version 7.1) in /opt/intel/compiler70 Fortran 77, 90, 95 (ifc) C++ (icc) Portland Compiler Suite (Version 4.0) in /gpfs/a/pgi Fortran 77 und 90 (pgf77, pgf90) High Performance Fortran (pghpf) C und C++ (pgcc, pgcc) Bei beiden Compilern sollten für parallele Programme die MPI Frontends (mpif77, mpicc...) verwendet werden. Die Intel Compiler sind hierbei standardmäßig im Pfad.

21 Installierte Libraries Performance Vergleich unterschiedlicher BLAS Implemetierungen Linpack (HPL), 16 Nodes Intel MKL Problem size N Atlas BLAS Goto BLAS Gflops

22 Cluster Performance zum Vergleich: für Top500 braucht man heute 1646 Gflops HLRS in Stuttgart: 8923 Gflops

23 Portable Batch System (PBS) Queues Vorrangige Ziele: Hohe Auslastung des Clusters und breite Benutzerbasis Relativ viele Queues (zur Zeit 6) sind konfiguriert, um verschiedene Nutzungsprofile abzudecken Queues ermöglichen High Performance Computing (HPC) und High Throughput Computing (HTC) im Wechsel, so dass ein Kompromiss zwischen beiden Enden des Nutzerspektrums erreicht wird. Die Betonung im Begriff Parallelrechner soll auf parallel liegen; die Nutzung für serielle Programme wird daher beschränkt (teure Myrinet Hardware soll nach Möglichkeit nicht brach liegen).

24 Portable Batch System (PBS) Queues Zur Abarbeitung von Aufträgen (Jobs) gibt es z. Zt. 6 Queues: expressq (1 Stunde, 2 dedizierte Knoten) serialq (2 Tage, 4 dedizierte Knoten, nur für serielle Jobs) testq (2 Stunden, max. 80 Knoten) smallq (48 Stunden, max. 80 Knoten) bigq (160 Stunden, max. 80 Knoten) dedicatedq (2 Stunden, im Self Service eine Woche im Voraus reservierbar, exklusiv auf bis zu 92 Knoten, maximal 8 Stunden an einem Stück) Einteilung der Queues ist verhandelbar!

25 Portable Batch System (PBS) Kommandos Kommandos zur Job Steuerung (siehe man pbs ) qsub qalter qdel qhold qmove qmsg qrerun qrls qsig qstat Batch Job abschicken Attribute eines Batch Jobs ändern Batch Job löschen Batch Job in der Queue anhalten, damit er vom Scheduler nicht zur Ausführung gebracht wird Batch Job in eine andere Queue verschieben Einen Kommentar in die Ausgabe eines Batch Jobs schreiben Einen laufenden Job beenden und neu in die Queue schicken Gegenteil von qhold Signal an laufenden Job senden Status von Batch Jobs und Queues abfragen

26 Software Probleme nach 3 Jahren Betrieb Veraltete Software, zum Teil keine Update Möglichkeit ohne Austausch der gesamten Softwareinstallation GPFS ist äußerst fehlerintolerant im Bezug auf Myrinet Hardware: längerer stabiler Betrieb erst seit Austausch praktisch der gesamten Myrinet Hardware. Betriebssystem läßt sich bei Hauptspeicherknappheit leicht zum Absturz bringen (trotz Begrenzung in limits.conf).

27 Grundlegendes zur Benutzung Homepage: muenster.de/ziv/server/zivcluster Zugang ausschliesslich über ssh (Secure Shell) Bei Unix/Linux Standard, Windows Clients z.b. Putty, SSH (über DFN beziehbar, siehe auch Dialog Server ZIVunix) Filetransfer per scp und sftp (kein FTP!) Anmeldung über Webseite (Link auf der Homepage) Passwortänderungen nur auf dem Headnode head0102 des Clusters durchführen (Befehl: passwd)

28

29 Bisherige Nutzung insgesamt: CPU Jahre (ca. 75%)

30 Bisherige Nutzung insgesamt: Batch Jobs

31 Statistisches Verteilung der Jobs auf: smallq 32.0%, testq 23.2%, bigq 19.1%, serialq 15.5%, expressq 10.0%, dedicatedq 0.2% Verteilung der Rechenzeit auf: bigq 79.8 %, smallq 18.1%, serialq 1.6%, testq 0.5%, andere < 0.1% Exitstatus: ok 63.0%, Zeitüberschreitung, qdel, kill 9, kill 15: 23.0%, Programmfehler 7.9%, andere 6.1% (Hardware, PBS, Segfault...) Durchschnittliche Wartezeiten in Stunden: bigq 30.1, smallq 5.9, serialq 3.5, testq 2.4, expressq % aller Jobs warten weniger als 1 Tag Anzahl Knoten: 1: 44.1%, 2: 15.8%, 4: 10.4%, 8: 8.0%, 6: 5.5%, 16: 4.9%, andere: 11.3%

32 Grid Computing mit Condor: das ZIVGrid Homepage: muenster.de/ziv/server/zivgrid Zugang erfolgt über ZIVcluster (d.h. Anmeldung...) Verwendet wird als Middleware Condor (University of Wisconsin). Ziel: freie Ressourcen der ZIVPool Rechner möglichst effizient zum Rechnen zur Verfügung zu stellen. In diesem Vortrag: Unterschiede zum Morfeus Grid der IVV NWZ. Im ZIVGrid wird z.zt. einheitlich Condor verwendet

33 Grid Computing mit Condor: das ZIVGrid Nach dem Einloggen auf ZIVcluster: Kompilieren mit condor_compile

34 Grid Computing mit Condor: das ZIVGrid Normalerweise wird das Standard Universe verwendet. Dabei sind checkpointing und remote system calls möglich! Beispiel für ein Submit Description File (z.b. bench.cmd): executable output input error log queue = bench.exe = bench.out = bench.in = bench.err = bench.log (Angabe zwingend) (f. Standard Output) (f. Standard Input) (f. Standard Error) (f. Condor Statusmeldungen) (zum Absenden, zwingend) Die Datei wird mit condor_submit bench.cmd von ZIVcluster aus abgeschickt.

35 Grid Computing mit Condor: das ZIVGrid Einige Tage später (1): Job Status mit condor_q

36 Grid Computing mit Condor: das ZIVGrid Einige Tage später (2): Grid Status mit condor_status

37 Grid Computing mit Condor: das ZIVGrid Einige Tage später (3): Job Historie mit condor_userlog bench.log Fertige Ergebnisse landen im gleichen Verzeichnis, aus dem der Job abgeschickt wurde.

38 Grid Computing mit Condor: das ZIVGrid Funktionierendes Checkpointing!

39 Grid Computing mit Condor: das ZIVGrid Fazit: ZIVGrid bietet die Möglichkeit, sehr lange Berechnungen durchzuführen. Es läuft ausschließlich unter Linux. Zur Zeit sind so der ZIVPool 2 dediziert nachts und am Wochenende nutzbar (16 Rechner mit 2.8 Ghz Pentium 4 und 1 GB Hauptspeicher). 36 ZIVPool 3 Rechner nehmen teil, falls sie gerade unter Linux laufen. Keine parallelen Jobs (kein schnelles Netz vorhanden, kein Checkpointing). To Do: Monitoring (z.b. Ganglia) To Do: Anbindung Morfeus ZIVGrid (z.b. Flocking?) To Do: Position im NRW Grid (Aachen, Köln) bestimmen. To Do: Benutzen!!! Anderenfalls kann man keine Erfahrungen sammeln.

40 ZIVcluster und ZIVGrid: Perspektiven 16 neue Rechenknoten werden beschafft: Intel EM64T CPUs, 3.6 Ghz, 4GB Hauptspeicher, Myrinet Durch neue Rechnerarchitektur muss die gesamte Clustersoftware runderneuert werden (Betriebssystem, GPFS, Compiler, Bibliotheken, Anwendungen, Überwachung...). Das System wird heterogener (32bit und 64 bit). Es ergeben sich aber auch neue Nutzungsmöglichkeiten (mehr Hauptspeicher...) Eine Neukonfiguration der Queues erscheint sinnvoll. Möglich z.b. in Zukunft 16 dedizierte Knoten in der testq, dafür Wegfall der expressq... Integration ZIVcluster ZIVGrid könnte erweitert werden (z.b. Condor Checkpointing für serielle Programme?).

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