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Sistemas com múltiplos processadores (FRACAMENTE ACOPLADO - LOOSELY…

Sistemas com múltiplos processadores

FRACAMENTE ACOPLADO - LOOSELY COUPLED

  Vários pares de CPU-Memória são conectados por uma interconexão de alta velocidade. 





  Cada memória é local a uma CPU e pode ser acessada somente por ela. 





  As CPUs se comunicam enviando mensagens com várias palavras por meio da interconexão. 





  Não existe memória global compartilhada nesse projeto. 





  São mais fáceis de construir multicomputadores (isto é, troca de mensagens) do que multiprocessadores (memória compartilhada), mas são mais difíceis de programar.

Consiste basicamente em um:

    CPU 


    memória 


    interface de rede 


    disco rígido (às vezes)

Cada nó tem uma placa de rede com um ou dois cabos saindo dela, podendo ser ligadas a switches, formar um anel ou outra topologia, como grade (grid) ou malha (mesh).

É bidimensional.

  Altamente regular e fácil de escalar para tamanhos grandes.

É uma grade com as margens conectadas.

  É mais tolerante a falhas do que a grade / mesh. 





  Possui o diâmetro menor, pois os cantos opostos podem se comunicar em 2 passos.

  a) chave simples


  b) anel


  c) grade / malha


  d) toro duplo


  e) cubo


  f) hipercubo

Comutação

Estabelece um rota e não existe buffer intermediário.

Roteamento Wormhole

  É uma variação da comutação de circuitos que quebra cada pacote em subpacotes e permite que o primeiro subpacote inicie antes mesmo de o caminho todo ter sido construído.

É interessante ter 2 placas de rede:

    uma mapeada no espaço do usuário para o tráfego de aplicações 


    uma mapeada no espaço do núcleo para o uso do sistema operacional

Chamadas Bloqueantes x Não Bloqueantes

São síncronas.

  Quando um processo chama a primitiva send, ele especifica um destinatário e um buffer para enviar àquele destinatário. Enquanto a mensagem está sendo enviada, o processo emissor é bloqueado (isto é, suspenso). A instrução seguinte não é executada. O mesmo acontece para o receive, em que o processo fica suspenso na primitiva receive até que uma mensagem seja recebida.

São Assíncronas.

  se send é não bloqueante, ela retorna imediatamente o controle para o processo chamador, antes que a mensagem seja enviada. A vantagem é que o processo emissor pode continuar a computação em paralelo com a transmissão da mensagem, em vez de a CPU ter de ficar ociosa (supondo que nenhum outro processo possa ser executado). 





  Contudo, a vantagem no desempenho oferecida pelas primitivas não bloqueantes é contrabalançada por uma desvantagem séria: o emissor não pode modificar o buffer da mensagem antes que esta tenha sido enviada. 





  Assim as escolhas do lado do emissor são: 



    envio bloqueante 


    envio não bloqueante com cópia 


    envio não bloqueante com interrupção 


    cópia na escrita

RPC (Remote Procedure Call).

  Quando um processo em uma máquina chama um procedimento em outra. 





  A troca de mensagem ou IO não é visível ao programador. 





  A ideia é fazer com que a chamada remota seja muito parecida com uma chamada local.

É um pequeno procedimento de biblioteca ao qual o cliente deve ser ligado.

  Representa o procedimento servidor no espaço de endereçamento do cliente.

É o procedimento ao qual o servidor é ligado.

  Esses procedimentos escondem o fato de uma chamada de procedimento do cliente para o servidor não ser local.

DSM (Distributed Shared Memory) - Memória compartilhada distribuída

  Preserva a ilusão de memória compartilhada, mesmo quando de fato ela não existe.

Multiprocessador: todos os processos residem na mesma memória.

  Multicomputador:  Cada nó tem sua própria memória e seu próprio conjunto de processos. 





  O escalonamento no multiprocessador é mais difícil. 





  O algoritmo mais simples é manter uma única lista centralizada de processos prontos, porém não funciona, visto que cada processo pode somente executar na CPU em que ele está alocado atualmente. Contudo, quando um novo processo é criado, uma escolha pode ser feita sobre o local onde colocá-lo - para balacear a carga.

Executa no nó que criou o processo, a menos que está sobrecarregado.

  Medida de sobrecarga: 



    quantidade de processos 


    quantidade do conjunto total de trabalho 


    alguma outra 






  Se o nó está sobrecarregado, ele seleciona outro nó aleatoriamente e pergunta qual é a sua carga (usando a mesma métrica). Se a carga do nó investigado estiver abaixo de um limiar, o processo excedente é enviado para ele. Caso contrário, outra máquina será questionada. 





  Se nenhum nó adequado foi encontrado dentro de N tentativas, o algoritmo termina e o processo excedente executa na máquina que foi originado.

É iniciado por um receptor com pouca carga.

  Sempre que um processo finaliza, o sistema verifica se ele dispõe de trabalho suficiente. Em caso negativo, ele escolhe alguma máquina aleatoriamente e solicita trabalho a ela. Esse processo continua até achar uma máquina sovrecarregada. 





  A vantagem é que esse algoritmo não sobrecarrega o sistema nos momentos críticos. 





  O algoritmo iniciado pelo emissor faz um grande número de sondagens justamente quando o sistema menos pode tolerá-los - quando ele está sobrecarregado. 





  É melhor ter uma sobrecarga extra quando o sistema não está super atarefado do que quando está.

  a) Multiprocessador de memória compartilhada


  b) Multicomputador com troca de mensagem (fortemente acoplado)


  c) Sistemas distribuídos de longa distância

São similares aos multicomputadores pelo fato de cada nó ter sua própria memória privada, sem nenhuma memória física compartilhada no sistema.

  Contudo, os sistemas distribuídos são ainda mais fracamente acoplados do que os multicomputadores. 





  Cada nó em um sistema diistribuído é um computador completo, com todos os periféricos (no multicomputador não é completo). 





  Os nós de um multicomputador normalmente estão em uma única sala, de modo que eles podem se comunicar por meio de uma rede dedicada de alta velocidade, ao passo que os nós de um sistema distribuído podem estar espalhados ao redor do mundo. 





  Todos os nós de um multicomputador executam o mesmo sismtea operacional, compartilham o mesmo sistema de gerenciamento de arquivos e estão sujeitos a um gerenciamento comum, enquanto os nós de um sistema distribuído podem executar diferentes sistemas operacionais, ter seus próprios sistemas de arquivos e estar sujeitos a um gerenciamento  diferente. 





  Do ponto de vista de aplicações, multiprocessadores e multicomputadores são apenas grandes racks com equipamentos em uma sala de máquinas. Ambos são usados para resolver problemas computacionalmente intensivos, enquanto um sistema distribuído que conecte todos os computadores pela Internet geralmente é muito mais envolvido em comunicação do que em computação, sendo empregados de modo diferente. 





  O que os sistema distribuídos acrescentam à rede de comunicação subjacente é um certo paradigma comum (modelo) que fornece uma maneira uniforme de ver o sistema como um todo.





  A intenção do sistema distribuído é transformar um grupo de máquinas fracamente cnectadas em um sistema coerente com base em um conceito. A ideia é fornecer algo que unifique o sistema.





  Os sistemas distribuídos são construídos sobre as redes de computadores.

Em vez de dizer que qualquer coisa é um documento ou qualquer cois é um arquivo, vamos dizer que qualquer coisa é um objeto.

Commom Object Request Broker Architecture (CORBA)

  O CORBA é um sistema cliente-servidor, no qual processos clientes localizados em máquinas clientes podem invocar operações sobre objetos localizdos em máquinas servidoras.





  O CORBA for projeado para ser um sistema hetrogêneo que executa uma variedade de plataformas de sistemas peracionais e é programado em várias linguagens.





  O CORBA funciona apenas de modo aceitável em sistemas de pequena escala.

ORB (Object Request Broker - Agente de Solicitação de Objetos)

  Possibilita que uma plataforma invoque um servidor em outra plataforma diferente.





  Os ORBs são colocados entre o cliente e o servidor para permitir que eles correspondam.





  A função dos ORBs é esconder os detalhes de comunicação e distribuição de baixo nível dos códigos do cliente e servidor. Os ORBs escondem do cliente a localização do servidor, se o servidor é um programa binário, e etc.

Todo CORBA é definido por uma interface em uma linguagem chamada IDL (Interface Definition Language), que diz quais métodos o objeto exporta e que tipos de parâmetros cada um espera.

  A especificação IDL pode ser compilado em um procedimento STUB no cliente e armazenada em um biblioteca.





  A especificação IDL também pode ser compilada em um procedimento esqueleto (skeleton), que é usado do lado do servidor. Se o servidor não sabe antecipadamente quais objetos do CORBA um processo precisa usar, uma invocação dinâmica também é possível.

IIOP (Internet InterOrb Protocol)

  É um protocolo para intercomunicação na internet entre os sistemas ORB.

FORTEMENTE ACOPLADOS - TIGHTLY COUPLED

  Sistemas nos quais entre 2 e cerca de 1000 cpus se comunicam via memória compartilhada. 





  Nesse modelo cada cpu tem acesso igual a toda a memória física que é única. 





  Em geral envolve considerável troca de mensagens. 





  A troca de mensagens é invisível aos programadores.

Cada palavra da memória pode ser lida tão rapidamente quanto qualquer outra palavra de memória.

  Baseado em Barramento








  a) Os processadores mais simples tem como base um único barramento. Duas ou mais CPUs e um ou mais módulos de memória comunicam-se por intermédio do mesmo barramento. Como muitas CPUs compartilhando um único barramento, chega-se a um limite. 





  b) Adiciona uma cache em cada CPU. A cache pode estar dentro ou próximo ao chip da CPU, estar na mesma placa do processador ou usar alguma combinação dessas possibilidades. Como muitas leituras podem ser feitas diretamente da cache local, haverá menos tráfego no barramento e o sistema poderá suportar mais CPUs. 





  c) Cada CPU tem, além de uma cache, uma memória local e privada que ela acessa via barramento dedicado (privado).

  Com chaves Crossbar








  Faz com que se expanda a quantidade máxima de CPUs suportada. 





  Utiliza um tipo de rede de interconexão que conecta N cpu à K memórias. Chama-se Chave Crossbar (crossbar switch).

É baseado na chave 2x2 simples. Possui 2 entradas e 2 saídas.

  As mensagens que chegam a uma das linhas de entrada podem ser chaveadas para uma das linhas de saída.

  Variação da rede de Comutação


  que é não é  bloqueante.

São redes maiores de comutação multiestágio.

  Muitas vezes as Redes Ômega são chamadas de Embaralhamento Perfeito (Perfect Shuffle). 





  É uma rede bloqueante, diferente da Crossbar. Ou seja, nem todos os conjuntos de requisição podem ser processados ao mesmo tempo.

Não apresentam a propriedade de que cada palavra de memória possa ser lida tão rapidamente quanto qualquer outra palavra de memória.

  Assim como a UMA fornecem um único espaço de endereçamento para todas as CPUs, mas são diferentes das UMA, pois o acesso aos módulos de memória local é mais rápido do que o acesso remoto. Assim, todos os programas UMA podem executar em máquinas NUMA sem alterações, mas o desempenho será inferior ao de uma máquina UMA com a mesma velocidade de clock.

Essas características juntas diferenciam o NUMA de outros multiprocessadores:

    existe um espaço de endereçamento único, visível a todas as CPUs 


    o acesso à memória remota é feito via instruções 



        LOAD 


        STORE 




    O acesso à memória remota é mais lento do que o acesso à memória local.

Quando caches coerentes estão presentes, o sistema é chamado de CC-NUMA (cache coherent).

  Multiprocessador Baseado em Diretório








  É o meio mais usado para construir grandes multiprocessadores CC-NUMA. 





  A ideia é manter uma base de dados que informe onde cada linha da cache está e qual é seu status. 





  Quando uma linha da cache é referenciada, a base de dados é pesquisada para descobrir onde ela está e se ela está limpa ou suja (modificada). Visto que essa base de dados deve ser pesquisada em cada instrução que referencia a memória, ela tem de ser armazenada em um hardware de propósito especial extremamente rápido, o qual pode responder em uma fração de um ciclo de barramento.

Conecta sistemas de computadores completos sobr euma rede de longa distância, como a Internet. Cada um desses sistemas obviamente tem sua própria memória, e os sistemas se comunicam por troca de mensagens.

  A única diferença real entre o multicomputador por troca de mensagem e o sistema distribuído é que: 



    Multicomputador por troca de mensagem: são usados computadores completos e os tempos de troca de mensagens muitas vezes estão 10 e 50ms.