Tecnologías Específicas

Ingeniería de Computadores

Descripcion y Objetivos

Los centros de proceso de datos (CPDs) son infraestructuras que dan soporte a servicios esenciales para la industria, la ciencia, las administraciones públicas, y la Sociedad en general. Los modernos CPDs cuentan con decenas e incluso miles de nodos de cómputo y almacenamiento, y una red de altas prestaciones que los interconecta. Un conjunto este que proporciona los recursos y la capacidad computacional y de almacenamiento requeridos por las exigentes aplicaciones que se desarrollan en ellos para ofrecer de manera eficiente los servicios a los usuarios.

La red de interconexión juega un papel esencial en estos sistemas pues debe soportar eficazmente todo el tráfico de datos que las aplicaciones generan cuando están en plena actividad. Tráfico que se debe tanto a la comunicación entre los procesos de las aplicaciones como a los datos con origen o destino en los nodos de almacenamiento.

Para ofrecer el servicio final a los usuarios y aplicaciones cabe la posibilidad de que la potencia y los recursos del sistema no se repartan de forma óptima, lo que puede dar lugar a fenómenos indeseables, aunque de distinta naturaleza, tales como una distribución injusta (unfairness) del ancho de banda de la red, o la interferencia entre trabajos (job interference). Para evitar esos fenómenos, o reducir su impacto, se emplean distintas estrategias, como la provisión de servicios diferenciados y calidad de servicio (QoS), o la virtualización. 
En ambos casos, la idea principal es asignar determinados recursos de la red (canales virtuales, zonas físicas, etc.) a los distintos flujos de tráfico, según la aplicación o usuario que los generó. 

Por tanto, proporcionar calidad de servicio a las aplicaciones ha sido y es una de las preocupaciones, y como consecuencia un área importante de trabajo, de la comunidad científica y de la industria. Sin embargo, el hecho de que las aplicaciones no hayan necesitado QoS real por parte de la red de interconexión hasta no hace mucho tiempo, unido a que los propios elementos de interconexión no disponían del soporte necesario para proporcionar esa QoS, ha dificultado la expansión de las técnicas propuestas hasta la fecha para proporcionar QoS.

Conscientes de la importancia y necesidad de garantizar QoS, los diseñadores y fabricantes de tecnologías de red llevan incorporando en las últimas décadas soporte y mecanismos que, utilizados adecuadamente, permiten proporcionar QoS a las aplicaciones. Las características de estas nuevas tecnologías, y su amplia implantación en los sistemas CPD actuales, invitan claramente a estudiar las posibilidades que ofrecen y en qué medida podrán satisfacer los requisitos que exigen las aplicaciones actuales y futuras. 

Tradicionalmente, la provisión de QoS se ha enfocado desde dos puntos de vista: proporcionar garantías de ancho de banda y/o latencia, o realizar unos servicios diferenciados para que distintos tipos de tráfico obtengan distintas prestaciones desde el punto de vista de la red. 

El objetivo de este Trabajo Fin de Grado es habilitar una gestión avanzada de los recursos de red, incluida la QoS para los desafiantes patrones de tráfico que se producen al mezclar cargas de trabajo de HPC con cargas de almacenamiento en la misma interconexión y a escala. Para ello se evaluará el rendimiento del soporte de QoS de una tecnología de red de interconexión ampliamente usada en los CPD actuales como es Ethernet, mezclando patrones de tráfico sintéticos (en la plataforma) con aplicaciones analíticas en ejecución (a nivel de clúster). Se procederá́ a estudiar los mecanismos que dicha tecnología incorpora para evaluarlos en plataformas y modelos de simulación escalables, y perfilar su camino hacia el producto de red de interconexión. 

 

Metodología y Competencias

Para lograr el objetivo principal de este trabajo, se ha elaborado un plan de actuación que consiste básicamente en desarrollar las siguientes tareas principales (se indica el tiempo estimado de realización en meses, asumiendo una dedicación de 6 meses, 50 horas/mes y 300 horas de dedicación total al TFG):

-    Revisar el soporte hardware/software de tecnologías de red actuales, en particular Ethernet. Se trata de obtener la información sobre las características de los recursos que esta tecnología de red incorpora para proporcionar QoS. Duración: 1 mes.

-    Estudiar los mecanismos propuestos en la literatura para proporcionar QoS. Además de revisar el soporte de QoS de la tecnología de red, es importante también conocer cómo se ha estado utilizando hasta ahora, para determinar si la forma de hacerlo sigue siendo válida o requiere cambios significativos. Duración: 1 mes.

-    Estudiar las necesidades de QoS de las aplicaciones habituales para estos entornos. Para realizar propuestas eficientes, es imprescindible tener una visión precisa de las aplicaciones que se usan en los CPDs y sus requisitos de QoS. Duración: 1 mes.

-    Diseñar estrategias de provisión de QoS. Se realizará una comparación de las técnicas que se hayan considerado más interesantes y se estudiará su optimización para la tecnología de red considerada. Duración 2 meses.

-    Evaluar el rendimiento de las estrategias para proveer QoS. Una vez incorporadas las nuevas propuestas al simulador, se comprobará su comportamiento, en términos de las métricas habituales en este tipo de estudios, como son latencia, ancho de banda, productividad, jitter, etc. Duración: 1 mes.

Se asume que la elaboración de la memoria se irá desarrollando a lo largo de esos 6 meses.

El desarrollo de este Trabajo Fin de Grado tendrá un indudable impacto en varias de las competencias asociadas a la formación del solicitante en la Tecnología Ingeniería de Computadores del Grado en Ingeniería Informática que está cursando. En concreto, se trabajarán las competencias:

[IC3] Capacidad de analizar y evaluar arquitecturas de computadores, incluyendo plataformas paralelas y distribuidas, así como desarrollar y optimizar software para las mismas. Será necesario conocer la estructura y componentes de los grandes computadores paralelos, y más específicamente, la red de interconexión que incorporan, sobre la que se tendrá que realizar el estudio y correspondiente evaluación.

[IC4] Capacidad de diseñar e implementar software de sistema y de comunicaciones. Por medio de un simulador de redes de interconexión, se desarrollará software para dar soporte de QoS a las comunicaciones de aplicaciones que circula por la red de interconexión de sistemas masivamente paralelos.

[IC7] Capacidad para analizar, evaluar, seleccionar y configurar plataformas hardware para el desarrollo y ejecución de aplicaciones y servicios informáticos. Las tecnologías de red incorporan soporte hardware que, adecuadamente configurado, permiten ofrecer ciertos niveles de QoS a las aplicaciones. En este trabajo se deberá estudiar ese soporte y proponer configuraciones del mismo adecuadas para proporcionar esos niveles de QoS.

 

Medios a utilizar

Los recursos principales que será necesario utilizar, y que se pondrán a disposición del alumno, serán:

- Simulador de redes de interconexión, en el que se incorporarán las propuestas que surjan en este trabajo.
- Clúster Cellia, para estudiar las características de la red de interconexión y, si fuera necesario, para obtener el tráfico de algunas aplicaciones.

 

Bibliografía

Bibliografía
- Documentación del clúster Cellia y de sus componentes. 
- Documentación del estándar IEEE 802.1
- Artículos sobre QoS en redes de interconexión de centros de datos.