Verteilte Systeme. Geteilte Last ist halbe Last. 7. Lastverteilung

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1 Verteilte Systeme 7. Lastverteilung Geteilte Last ist halbe Last Potential an Parallelarbeit im Rechnernetz optimal ausnutzen Kreative Lastverteilung Verteilte Programmierung Mechanische Lastverteilung Auf welchem Rechner soll eine neue Last ausgeführt werden? Ziel: Gleiche Auslastung aller beteiligten Rechner Problem: Fehlender globaler Zustand 1

2 Lastbegriffe Systemspezifisch Prozesse Anwendungsspezifisch Verteilbare Berechnungsabschnitte? Grundüberlegungen 2

3 Viele Pakete! Genügend Parallelarbeit Alle Rechner nutzbar Kleine Pakete! Kurze Aufträge Geringe Lastabweichungen 3

4 Zu klein?! Verteilen kostet Heisenberg läßt grüßen Paketgröße häufig a priori nicht bekannt? Trägheit Stabiles Systemverhalten Leer! 4

5 Architektur? Verteiler Verteiler Verteiler Verteiler Systemsoftware Hardware Systemsoftware Hardware Systemsoftware Hardware Systemsoftware Hardware Architektur Lastmetrik Welche Last hat ein Rechner aktuell Welche Last erzeugt ein Paket auf einem Rechner Verteilung des Lastwerts der beteiligten Rechner Entscheidungsgrundlage für den Verteiler Verteilung des Lastpakets auf gewählten Rechner Welche Informationen müssen übertragen werden 5

6 Häufig keine einzelne Zahl Mehrere Bestandteile Prozessorauslastung Anzahl der Prozesse Anzahl rechnender und rechenwilliger Prozesse CPU- Auslastung Bedienzeit... Speicherauslastung Hauptspeicherbedarf Hintergrundspeicherbedarf Kommunikationslast E/A- Verkehr in Byte/s pro Netzanschluß Vergleichbarkeit zweier Lastvektoren? Lastmetriken Einzelprobleme CPU- Auslastung Differenzierung jenseits von 100% nicht möglich Vergleichbarkeit bei verschiedenen Prozessortypen kritisch Prozeßanzahl Besondere Unverträglichkeiten mit anderen Prozessen auf demselben Rechner Speicherauslastung Systemsoftware wird versuchen, den gesamten physischen Speicher zu nutzen, d.h. Wert immer nah bei 100%... 6

7 Verteilung / Ermittlung der Lastwerte Push- und Pull- Ansätze Pull Last verdrängen, Lastwerte anziehen Lastwerte bei Erzeugung eines Pakets ermitteln Varianten Von allen Rechnern Überflutungsalgorithmus, Broadcast Von einer festen Teilmenge Zufällige Teilmenge 7

8 Push Last verdrängen, Lastwerte verteilen Unabhängig vom Erzeugungszeitpunkt Varianten An alle Rechner verteilen An eine feste Teilmenge verteilen An eine zufällige Teilmenge verteilen Alter der Lastwerte Last von B Last von A Last von B aus Sicht von A A verteilt Last auf B Zeit Endliche Ausdehungsgeschwindigkeit der Information Lösungsansätze Lokale Information selbständig aktualisieren Keine krassen Sprünge Lasten fallen nicht plötzlich auf 0 Exponentielle Verzögerung 8

9 Paketweitergabe Ist der auszuführende Code lokal vorhanden? Ja Identische Pfadnamen Achtung Netzwerkdateisystem (siehe nächste Folie) Nein Zusätzlicher Kommunikationsaufwand Function- Shipping (Schutzproblematik) Umfang der zu übermittelnden Daten Umfang der Ergebnisdaten Super! der Code ist schon dort!? Code Starte n Pakete Leer 1 Leer 2 Leer n n Rechner, Code per NFS o.ä. für jeden Rechner zugreiiar Rechner über Ethernet verbunden Übertragungszeit Code über NFS: 10 ms Übertragungszeit Auftrag und Argumente: 1 ms n autonom ausführbare Lastpakete Zeitpunkt der Fertigstellung Code über NFS? Code lokal vorhanden (z.b. im Cache)? 9

10 Verteilungsverfahren Verteilungsverfahren Statische Verfahren Optimale Verteilung vor dem Start der Anwendung ermitteln Dynamische Verfahren Ausführungsort wird für jedes Lastpaket bei der Erzeugung ermittelt Ohne Migration Lastpaket wechselt den Ausführungsort nicht Mit Migration Lastpaket kann den Ausführungsort wechseln Statische Lastverteilung Prozessorlast Speicherlast Kommunikationslast (12,3) (8) (1,2) (12) (1) (3,35) (99) (2) (120,2) (6) (7,10) (32) (99,6) Alle Bestandteile der Lastmetrik sind für alle Prozesse bekannt Ausführungsplattform k Prozessoren 10

11 Statische Lastverteilung (1) (120,2) (12,3) (2) (3,35) (8) (6) (99,6) Prozessorlast Speicherlast Kommunikationslast (12) (99) (1,2) (32) (7,10) Partitioniere in k Subgraphen Prozessor- und Speicherlast erfüllbar Kommunikationslast zwischen den Subgraphen minimal Interne Kommunikationslast vernachlässigbar Jeder Subgraph auf einen Rechner Probleme Exklusive Prozessorbenutzung Keine Dynamik Optimale Lösungen berechenbar Dynamisch, mit Migration Quellknoten Nachrichten sammeln Prozeß entfernen Migrationsentscheidung Günstigen Zeitpunkt abwarten Zustand einfrieren Adreßraum übertragen Prozeßstatus übertragen Nachrichten weiterleiten Zielknoten Adreßraum wieder au;auen Prozeßstatus wieder au;auen Migration von Prozessen während der Laufzeit Identische Umgebung auf dem Zielrechner notwendig Copy- on- Reference Zusätzlich bei Unterlast Pakete anziehen 11

12 Dynamisch, ohne Migration Kritik an anderen Verfahren Statische Verfahren selten anwendbar Migrationsbasierte Verfahren zu teuer Häufig zu hoher Aufwand bei der Verteilung/ Ermittlung des Lastwerts Initial Placement Nur bei Paketentstehung Zielknoten ermitteln Im Extremfall zufällige Wahl eines Knotens In Untersuchungen liefert dieses Verfahren sehr gute Ergebnisse Hohe Anzahl an Lastpaketen wesentlich In diesem Fall liefern komplexere Verfahren nur unwesentlich bessere Ergebnisse siehe [Eager et al. 1986] 12

13 Anwendungsbeispiel Nutzung ungenutzter Workstations Viele Universitätsrechner meiste Zeit unbenutzt Untersuchung in USA: Selbst zu Hochzeiten 30% der Rechner ungenutzt Viele rechenintensive und verteilbare Probleme Auiau eines Rechnerverbunds Andere können meinen Rechner verwenden, wenn ich nicht da bin! Ich kann die Rechner Anderer verwenden, wenn die nicht da sind! Probleme Ermittlung arbeitsloser Rechner Transparente Ausführungsumgebung Was tun, wenn Besitzer wieder kommt? Abbrechen oder Sichern? Beispiel: Condor- System [Litzkow et al. 1988] Arecibo Observatorium Puerto Rico Durchmesser 305 m Fläche m 2 Radiodurchmusterung des Himmels Aufnahme des Radiosignals 21 cm Wasserstouand, Bandbreite 2 MHz Aufteilung in 50 sec Abschnitte, Bandbreite 20 khz Suche nach künstlichen Signalen: Fourieranalyse 257 GByte Daten pro Woche ca. 400 CD- ROM 13

14 Client- Seite Bildschirmschoner Lädt Portionen auf den lokalen Rechner Fourieranalyse während der Idle- Phasen Übermittlung der Ergebnisse Dezember 2006: 14

15 Aktive User (- 2005) Aktive User (2013) 15

16 und Trier BOINC Berkeley Open Infrastructure for Network Computing Aus entstanden (u.a. David Anderson) Generische Plattform für Verteilung von Rechenaufgaben Anwendungsfelder Klimaprognosen, Teilchenpyhsik, Medizin, Biochemie, Mathematik, Kryptograhpie Status (Juli 2012) 7.5 Millionen teilnehmende Computer Mittlere Rechenleistung 1.1 PFLOP pro Tag Insgesamt bisher ca. 1 ZFLOP (10 21 FLOP) 16

17 D.L. Eager, E.D. Lazowska, J. Zahorjan Adaptive Load Sharing in Homogeneous Distributed Systems IEEE Transactions on Software Engineering Vol. SE- 12, pp , 1986 Literatur M.J. Litzkow, K. Livny, M.W. Mutka Condor - A Hunter for Idle Workstations Proc. 8th Intl. Conf. on Distributed Computing Systems IEEE, pp ,

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