Tecnologías Específicas

Ingeniería de Computadores

Descripcion y Objetivos

Las redes de interconexión son un elemento fundamental en los centros de proceso de datos (CPDs o Data-centers) en la era del Big-Data, donde los datos almacenados en todo el planeta se van a multiplicar por diez en los próximos seis años. Los CPDs actuales, formados por decenas de miles de nodos, se dedican a ofrecer servicios a aplicaciones on-line de uso intensivo de datos (OLDI services), deep learning, almacenamiento masivo y cloud computing. Estas aplicaciones manejan enormes volúmenes de datos y al mismo tiempo requieren unos tiempos de respuesta mínimos. En la arquitectura de los CPDs, la red de interconexión es un elemento fundamental, ya que debe ofrecer unas prestaciones mínimas para dar soporte a las operaciones de comunicación que las aplicaciones requieren que se realicen entre los nodos del sistema.

De hecho, se ha documentado una serie de casos de uso de servicios y aplicaciones que se ejecutan en los Data-centers, que son críticos para la red de la interconexión, ya que demandan altas velocidades de comunicación entre los nodos servidores, al mismo tiempo que requieren un tiempo de respuesta muy corto. Entre estos casos de uso críticos, podemos distinguir cuatro tipos: aplicaciones intensivas de datos en línea (OLDI, por las siglas en inglés de on-line data-intensive), como los grandes sitios web de búsqueda; aplicaciones de Deep Learning para el análisis instantáneo de datos; almacenamiento distribuido y aplicaciones en la nube (Cloud Computing). Las enormes cargas de tráfico generadas en la red por estos servicios llevan a la red de interconexión a la saturación y a la congestión del tráfico. En estos escenarios, la congestión y sus efectos negativos, como el bloqueo de cabeza de línea (head-of-line -HoL- blocking), degradan el rendimiento de la red y aumentan el tiempo de respuesta de las aplicaciones y servicios.

Con el fin de eliminar la congestión y, por tanto, sus efectos negativos, algunas técnicas configuran los nodos destino de los datos para que reclamen datos a los nodos fuente de los mismos a una velocidad que esos destinos puedan consumir. Este enfoque, llamado planificación en destino (DS, por las siglas en inglés de destination scheduling,), es seguido por varios protocolos de transporte, como HOMA. Concretamente, en las técnicas DS una fuente determinada genera una solicitud de envío de datos, y cuando llega al destino, ese destino programa una respuesta de concesión cuando hay recursos disponibles para recibir toda la transferencia. Este comportamiento genera un retraso en el RTT que es mayor en los escenarios de congestión. Sin embargo, en estas situaciones, las transferencias pueden ser programadas de tal manera que se eviten totalmente los retrasos en las colas y se elimine completamente la congestión.

El objetivo de este TFG es modelar HOMA en un simulador de red de interconexión, y la evaluación de sus prestaciones en situaciones de congestión, en comparación con otras técnicas de control de congestion ya disponibles en el simulador. De los resultados obtenidos se espera poder realizar en el futuro un análisis de las posibles mejoras que se pueden proponer en los protocolos DS, para operar de forma más eficiente en los Data-centers de la próxima generación.

 

Metodología y Competencias

Para alcanzar los objetivos del TFG, las actividades principales a realizar 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, del problema de la congestión, de las técnicas de planificación en destino (DS), 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 simulador (2 meses).
2. Modelar las funcionalidades de HOMA y sus modos de funcionamiento en el simulador (3 meses).
3. Estudio comparativo y evaluación de las prestaciones de los modelos desarrollados (2 meses).
4. Documentación de los resultados y redacción de la memoria de TFG (1 mes).

Competencias adquiridas:

• 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.
• Capacidad para diseñar, desplegar, administrar y gestionar redes de computadores.

 

Medios a utilizar

Los medios a utilizar para el desarrollo del TFG son los siguientes:

• Simulador de red de interconexión disponible en el grupo RAAP.
• Servidor de GIT y GitLab disponible en el grupo RAAP.
• Ordenador tipo PC.

 

Bibliografía

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

• Diversos libros y artículos sobre redes de interconexión, modelado y simulación.
• Documentación de los simuladores y librerías asociadas.
• HOWTO's para lanzar simulaciones de gran tamaño en los clústeres de cómputo GALGO y CELLIA, disponibles en el I3A.
• Toda la bibliografía está disponible.