STRATEGIES FOR ACHIEVING DEPENDABILITY IN PARALLEL FILE SYSTEMS

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1 UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II Dottorato di Ricerca in Ingegneria Informatica ed Automatica STRATEGIES FOR ACHIEVING DEPENDABILITY IN PARALLEL FILE SYSTEMS XIX Ciclo Tesi di Dottorato di Ricerca Dicembre Ing. Generoso PAOLILLO Tutor: Prof. Stefano RUSSO

2 ::. Contesto applicativo Parallel File System (PFS): utilizzo dello striping dei dati su più nodi elevata banda I/O aggregata Caratteristiche dei PFS: Alte prestazioni e scalabilità Tolleranza ai guasti (data resiliency) Flessibilità ed efficienza nell integrazione con applicazioni parallele Caratteristiche in contrasto: Es.: aumentando il numero dei server di I/O: Migliorano le prestazioni (maggior parallelismo) Decresce l affidabilità del sistema (maggior probabilità di fallimenti) 2/17

3 ::. Problematica Il fallimento di uno solo dei nodi di I/O determina il fallimento dell intero file system parallelo (data loss) Distributed RAID: tecnica di ridondanza dati maggiormente utilizzata nei PFS RAID-10 RAID-5 Client Costo di memorizzazione n/2 1/n Copertura dei fallimenti max. n/2 Disk failures Single Disk failure I/O Nodes a b a Mirroring (RAID-10) b Read nb nb Client Prestazioni Write nb (n-1)b/2 n = numero di nodi di I/O B = banda nodo di I/O I/O Nodes a b c RAID-5 a+b+c 3/17

4 ::. Proposta Tecniche D-RAID basso livello di affidabilità non parametrizzabili Ogni tipologia di applicazione parallela ha dei requisiti unici di affidabilità e prestazioni Recenti studi su field failure data analysis, rivelano che per ogni nodo di un cluster: MTTF < 1 anno MTTR 6 ore Obiettivo Introdurre nei PFS tecniche di ridondanza dei dati che permettano: Una flessibile selezione del livello di copertura dei fallimenti Efficiente utilizzo delle risorse per la ridondanza dei dati Un contenuto overhead di gestione della consistenza 4/17

5 ::. Codici di ridondanza alternativi Erasure Codes (EC) k-of-n: Vantaggi: Ottimo rapporto tra affidabilità e costo di memorizzazione Indipendenza dalla posizione del fallimento Parametrizzabili rispetto al livello di affidabilità (k-of-n) I/O Nodes a Client b a Mirroring (RAID-10) b Svantaggi: Scrittura e lettura necessitano di codifica e decodifica dei dati Le scritture (read-modify-write) necessitano della atomicità Riduzione del parallelismo I/O Nodes Client a b f(a,b) f(a,b) Erasure code (2-of-4) 5/17

6 ::. Problematica di consistenza dei dati Scritture su regioni dello stesso file che condividono una parity stripe unit Client1 read modify write t Client1's file region Client2's file region Parity stripe unit read modify write stripe condivisa stripe inconsistenza unit condivisa I/ O server 0 I/ O server 1 I/ O server 2 I/ O server 3 read modify write t Client 2 6/17

7 ::. Semantica della consistenza PFS Scritture concorrenti effettuate su una stessa regione: sequential consistency (POSIX): Serializzazione delle scritture in uno dei possibili ordini Garanzie forti Dispendiosi controlli della concorrenza Riduzione parallelismo non-conflicting write consistency (weak consistency): Risultato indefinito Massimo livello di parallelismo tra gli accessi Il controllo della concorrenza è demandato ai livelli superiori (es.:middleware, applicazione parallela) PFS di nuova generazione (es. PVFS2) consistenza debole 7/17

8 ::. Strategia proposta per il controllo degli accessi Caratteristiche: Basata sulla tecnica del two phase locking Garantisce la non-conflicting write consistency Ogni server mantiene i lock relativi ai propri dati (device-served lock) In caso di collisione alcuni accessi vengono ritardati (abort and retry) Ottimizzazione: piggy-backing di lock e unlock su read e write Granularità: stripe based Osservazione: Il parallelismo degli accessi viene ridotto solo in presenza di scritture su regioni dello stesso file che condividono almeno una stripe Access control protocol 8/17

9 ::. Assunzioni sui guasti Guasti considerati: Client failure durante una operazione di scrittura Server failure Modalità di fallimento per entrambi: Crash failure Omission failure Errori dovuti al fallimento del client: inconsistenza tra dati e ridondanza lock non rilasciati Il fallimento del server provoca: indisponibilità dei dati temporanea o permanente disallineamento con i server superstiti 9/17

10 ::. Rilevazione e ripristino dai guasti Meccanismo di rilevazione guasti: heartbeat Client failure: L heartbeat è tale da permettere la scoperta di lock orfani sui server (expired timeout) Server failure: I server che non rispondono entro un prefissato timeout sono considerati falliti. I client continuano ad accedere ai server superstiti segnalando tale situazione Ripristino dai guasti: Client failure: Ripristino della consistenza e rilascio dei lock orfani Server failure: Ricostruzione dati parziale (riallineamento) o totale 10/17

11 ::. Selezione trade-off affidabilità/prestazioni Modalità classica di selezione del file system: Stack di riferimento applicazioni parallele Application Application Model-Specific I/O API Model-Specific I/O API High-level I/O Library High-level I/O Library I/O Middleware (MPI-IO) I/O Middleware (MPI-IO) Parallel File System Parallel File System I/O Hardware I/O Hardware pvfs2:/path_mnt/file_name MPI-IO ADIO UFS NFS LUSTRE PVFS2 Nuova modalità per la selezione del livello di affidabilità: Parametri degli Erasure Codes (k-of-n) espressi nella label Soluzione con grana a livello di file pvfs2:/path_mnt/file_namea depfs#3#5:/path_mnt/file_nameb MPI-IO ADIO UFS NFS PVFS2 DePFS(n,k) ( 5, 5) ( 3, 5 ) PVFS2 Client Library Dati Dati Dati Code Dati Code Dati I/O Nodes 11/17

12 ::. Prototipo: Dependable PFS (DePFS) Parallel Virtual File System v.2 (PVFS2): PFS open source per Linux cluster Sviluppato dalla Clemson University e dall Argonne National Laboratory Non presenta alcuna forma di ridondanza dei dati Non fa uso né di lock né di caching e adotta la coherence consistency semantic Modifiche a PVFS2: Protocollo two phase locking per il controllo della concorrenza Approccio client-based per codifica e decodifica (Reed-Solomon basati sulla matrice di Vandermonde) Aggiunta del Recovery Module (detection e recovery) Gestione del trade-off affidabilità/prestazioni per ogni file 12/17

13 ::. Testbed per la valutazione sperimentale Cluster Itanium2 all Ohio Supercomputer Center*: 128 pentium dual processors Intel 1.3 Gigahertz 4GB di RAM e singolo disco 80GB SCSI Interfaccia di rete Myrinet 2000 Performance benchmarking: MPI-IO-TEST: misura la banda aggregata su un unico file vista dall applicazione parallela: Specifico per PFS Utilizza l interfaccia standard MPI Permette di specificare numero di processi e quantità complessiva dei dati da accedere * grants PAS0036 e PAS0121 del Prof. Mario Lauria 13/17

14 ::. DePFS: read performance La read sfrutta i dati memorizzati esplicitamente per evitare operazioni di decodifica: Le prestazioni di DePFS(k,n) risultano le stesse di PVFS2 con k server Aggregate read performance Throughput in MByte/s Number of compute nodes 8-of-8 7-of-8 6-of-8 5-of-8 4-of-8 Throughput aggregato al crescere del numero nodi di computazione (client) 14/17

15 ::. DePFS: write performance La write richiede sempre l aggiornamento della ridondanza: overhead della codifica diviene significativo per (n-k)=2,3, e 4 Aggregate write performance Throughput in MByte/s Number of compute nodes 8-of-8 7-of-8 6-of-8 5-of-8 4-of-8 Throughput aggregato al crescere del numero nodi di computazione (client) 15/17

16 ::. DePFS: prestazioni in presenza di fallimenti Al crescere del numero di server falliti: Write: performance costanti L overhead della codifica continua a pesare sulle performance Read: graduale degradazione delle prestazioni La quantità di dati da ricostruire (decodifica) aumenta Throughput in MByte/s Aggregate write performance Number of failed servers 12-of of of-12 9-of-12 8-of-12 Aggregate read performance Number of failed servers 12-of of of-12 9-of-12 8-of-12 Throughput aggregato all aumentare del numero di server falliti (16 client) Throughput in MByte/s 16/17

17 ::. Conclusioni La strategia proposta ha permesso: Selezione flessibile da parte delle applicazioni parallele del trade-off affidabilità/prestazioni per ogni singolo file Incremento della resiliency associata al singolo file, rispetto alle tradizionali tecniche, al costo di degradazioni delle prestazioni 17/17

18 Grazie dell attenzione domande?

19 ::. DePFS: scalabilità Aumento numero nodi di memorizzazione (server nodes): Numero di client: 8 Numero di server 4,8,12,16, 32 livello di copertura dei fallimenti (n-k): 0 (PVFS2),1,2,3,4 Write: overhead della codifica significativo per (n-k)=2,3, e 4 Read: PVFS2 Aggregate write performance Aggregate read performanace Throughput in MByte/s Number of server nodes Throughput in MByte/s Number of server nodes n=k (n-k)=1 (n-k)=2 (n-k)=3 (n-k)=4 n=k (n-k)=1 (n-k)=2 (n-k)=3 (n-k)=4 19/17

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