¿QUÉ SON?

El término clúster del inglés cluster, que significa grupo o racimo) se aplica a los conjuntos o conglomerados de ordenadores unidos entre si normalmente por una red de alta velocidad que se comportan como si fuesen una única computadora.

La tecnología de clústeres ha evolucionado normalmente por una red de alta velocidad y que se comportan como si fuesen una única computadora.

La tecnología de clústeres ha evolucionado en apoyo de actividades que van desde aplicaciones de súper cómputo y software para aplicaciones críticas, servidores web y comercio electrónico, hasta bases de datos de alto rendimiento, entre otros usos.

El cómputo con clústeres surge como resultado de la convergencia de varias tendencias actuales que incluyen la disponibilidad de microprocesadores económicos de alto rendimiento y redes de alta velocidad, el desarrollo de herramientas de software para cómputo distribuido de alto rendimiento, así como la creciente necesidad de potencia computacional para aplicaciones que la requieran.

Simplemente, un clúster es un grupo de múltiples ordenadores unidos mediante una red de alta velocidad, de tal forma que el conjunto es visto como un único ordenador, más potente que los comunes de escritorio.

¿PARA QUE SIRVEN?

Los clústeres son usualmente empleados para mejorar el rendimiento o la disponibilidad por encima de la que es provista por un solo computador típicamente siendo más económico que computadores individuales de rapidez y disponibilidad comparables.

De un clúster se espera que presente combinaciones de los siguientes servicios:

1. Alto rendimiento

2. Alta disponibilidad

3. Balanceo de carga

4. Escalabilidad

La construcción de los ordenadores del clúster es más fácil y económica debido a su flexibilidad: pueden tener todos la misma configuración de hardware y sistema operativo (clúster homogéneo), diferente rendimiento pero con arquitecturas y sistemas operativos similares (clúster semihomogéneo), o tener diferente hardware y sistema operativo (clúster heterogéneo), lo que hace más fácil y económica su construcción.

Para que un clúster funcione como tal, no basta solo con conectar entre sí los ordenadores, sino que es necesario proveer un sistema de manejo del clúster, el cual se encargue de interactuar con el usuario y los procesos que corren en él para optimizar el funcionamiento.

TIPOS

El término clúster tiene diferentes connotaciones para diferentes grupos de personas. Los tipos de clústeres, establecidos de acuerdo con el uso que se dé y los servicios que ofrecen, determinan el significado del término para el grupo que lo utiliza. Los clústeres pueden clasificarse según sus características:

· HPCC (High Performance Computing Clusters: clústeres de alto rendimiento).

· HA o HACC (High Availability Computing Clusters: clústeres de alta disponibilidad).

· HT o HTCC (High Throughput Computing Clusters: clústeres de alta eficiencia).

Alto rendimiento: Son clústeres en los cuales se ejecutan tareas que requieren de gran capacidad computacional, grandes cantidades de memoria, o ambos a la vez. El llevar a cabo estas tareas puede comprometer los recursos del clúster por largos periodos de tiempo.

Alta disponibilidad: Son clústeres cuyo objetivo de diseño es el de proveer disponibilidad y confiabilidad. Estos clústeres tratan de brindar la máxima disponibilidad de los servicios que ofrecen. La confiabilidad se provee mediante software que detecta fallos y permite recuperarse frente a los mismos, mientras que en hardware se evita tener un único punto de fallos.

Alta eficiencia: Son clústeres cuyo objetivo de diseño es el ejecutar la mayor cantidad de tareas en el menor tiempo posible. Existe independencia de datos entre las tareas individuales. El retardo entre los nodos del clúster no es considerado un gran problema.

Los clústeres pueden también clasificar en:

· clústeres de IT comerciales (de alta disponibilidad y alta eficiencia) y

· clústeres científicos (de alto rendimiento).

A pesar de las discrepancias a nivel de requisitos de las aplicaciones, muchas de las características de las arquitecturas de hardware y software, que están por debajo de las aplicaciones en todos estos clústeres, son las mismas. Más aún, un clúster de determinado tipo, puede también presentar características de los otros.

COMPONENTES

En general, un clúster necesita de varios componentes de software y hardware para poder funcionar:

· nodos

· almacenamiento

· sistemas operativos

· conexiones de red

· middleware

· protocolos de comunicación y servicios

· aplicaciones

· ambientes de programación paralela

NODOS

Pueden ser simples ordenadores, sistemas multiprocesador o estaciones de trabajo. En informática, de forma muy general, un nodo es un punto de intersección o unión de varios elementos que confluyen en el mismo lugar. Ahora bien, dentro de la informática la palabra nodo puede referirse a conceptos diferentes según el ámbito en el que nos movamos:

· En redes de computadoras cada una de las máquinas es un nodo, y si la red es Internet, cada servidor constituye también un nodo.

· En estructuras de datos dinámicas un nodo es un registro que contiene un dato de interés y al menos un puntero para referenciar (apuntar) a otro nodo. Si la estructura tiene solo un puntero, la única estructura que se puede construir con él es una lista, si el nodo tiene más de un puntero ya se pueden construir estructuras más complejas como árboles o grafos.

El clúster puede estar conformado por nodos dedicados o por nodos no dedicados.

En un clúster con nodos dedicados, los nodos no disponen de teclado, ratón ni monitor y su uso está exclusivamente dedicado a realizar tareas relacionadas con el clúster. Mientras que, en un clúster con nodos no dedicados, los nodos disponen de teclado, ratón y monitor y su uso no está exclusivamente dedicado a realizar tareas relacionadas con el clúster, el clúster hace uso de los ciclos de reloj que el usuario del computador no está utilizando para realizar sus tareas.

Cabe aclarar que a la hora de diseñar un clúster, los nodos deben tener características similares, es decir, deben guardar cierta similitud de arquitectura y sistemas operativos, ya que si se conforma un clúster con nodos totalmente heterogéneos (existe una diferencia grande entre capacidad de procesadores, memoria, disco duro) será ineficiente debido a que el middleware delegará o asignará todos los procesos al nodo de mayor capacidad de cómputo y solo distribuirá cuando este se encuentre saturado de procesos; por eso es recomendable construir un grupo de ordenadores lo más similares posible.

ALMACENAMIENTO

El almacenamiento puede consistir en una NAS, una SAN, o almacenamiento interno en el servidor. El protocolo más comúnmente utilizado es NFS (Network File System), sistema de ficheros compartido entre servidor y los nodos. Sin embargo existen sistemas de ficheros específicos para clústeres como Lustre (CFS) y PVFS2.

Tecnologías en el soporte del almacenamiento en discos duros:

· IDE o ATA: velocidades de 33, 66, 100, 133 y 166 MB/s

· SATA: velocidades de 150, 300 y 600 MB/s

· SCSI: velocidades de 160, 320, 640 MB/s. Proporciona altos rendimientos.

· SAS: aúna SATA-II y SCSI. Velocidades de 300 y 600 MB/s

· Las unidades de cinta (DLT) son utilizadas para copias de seguridad por su bajo costo.

NAS (Network Attached Storage) es un dispositivo específico dedicado al almacenamiento a través de red (normalmente TCP/IP) que hace uso de un sistema operativo optimizado para dar acceso a través de protocolos CIFS, NFS, FTP o TFTP.

Por su parte, DAS (Direct Attached Storage) consiste en conectar unidades externas de almacenamiento SCSI o a una SAN (storage area network: ‘red de área de almacenamiento’) a través de un canal de fibra. Estas conexiones son dedicadas.

Mientras NAS permite compartir el almacenamiento, utilizar la red, y tiene una gestión más sencilla, DAS proporciona mayor rendimiento y mayor fiabilidad al no compartir el recurso.

SISTEMA OPERATIVO

Un sistema operativo debe ser multiproceso y multiusuario. Otras características deseables son la facilidad de uso y acceso. Un sistema operativo es un programa o conjunto de programas de computadora destinado a permitir una gestión eficaz y segura de sus recursos. Comienza a trabajar cuando el gestor de arranque carga en memoria su núcleo y gestiona el hardware de la máquina desde los niveles más básicos, permitiendo también la interacción con el usuario. Se puede encontrar normalmente en la mayoría de los aparatos electrónicos que utilicen microprocesadores para funcionar, ya que gracias a estos podemos entender la máquina y que ésta cumpla con sus funciones (teléfonos móviles, reproductores de DVD, radios, computadoras, etc.).

CONEXIONES DE RED

Los nodos de un clúster pueden conectarse mediante una simple red Ethernet con placas comunes (adaptadores de red o NICs), o utilizarse tecnologías especiales de alta velocidad como Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Myrinet, InfiniBand, SCI, etc.

Ethernet

· Son las redes más utilizadas en la actualidad, debido a su relativo bajo coste. No obstante, su tecnología limita el tamaño de paquete, realizan excesivas comprobaciones de error y sus protocolos no son eficientes, y sus velocidades de transmisión pueden limitar el rendimiento de los clústeres. Para aplicaciones con paralelismo de grano grueso puede suponer una solución acertada.

· La opción más utilizada en la actualidad es Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), siendo emergente la solución 10 Gigabit Ethernet (10 Gbit/s). La latencia de estas tecnologías está en torno a los 30 a 100 μs, dependiendo del protocolo de comunicación empleado.

· En todo caso, es la red de administración por excelencia, así que aunque no sea la solución de red de altas prestaciones para las comunicaciones, es la red dedicada a las tareas administrativas.

Myrinet (Myrinet 2000 y Myri-10G).

· Su latencia es de 99 a 10 μs, y su ancho de banda es de 2 a 10 Gbit/s (para Myrinet 2000 y Myri-10G, respectivamente).

· Es la red de baja latencia más utilizada en la actualidad, tanto en clústeres como en MPP; está presente en más de la mitad de los sistemas del top500. Tiene dos bibliotecas de comunicación a bajo nivel (GM y MX). Sobre estas bibliotecas están implementadas MPICH-GM, MPICH-MX, Sockets-GM y Sockets MX, para aprovechar las excelentes características de Myrinet. Existen también emulaciones IP sobre TCP/IP, IPoGM e IPoMX.

InfiniBand

· Es una red surgida de un estándar desarrollado específicamente para realizar la comunicación en clústeres. Una de sus mayores ventajas es que mediante la agregación de canales (x1, x4 y x12) permite obtener anchos de banda muy elevados. La conexión básica es de 2 Gbit/s efectivos y con ‘quad connection’ x12 alcanza los 96 Gbit/s. No obstante, los startups no son muy altos, se sitúan en torno a los 10 μs.

· Define una conexión entre un nodo de computación y un nodo de I/O. La conexión va desde un Host Channel Adapter (HCA) hasta un Target Channel Adapter (TCA). Se está usando principalmente para acceder a arrays de discos SAS.

SCI (scalable coherent interface) IEEE standard 1596-1992

· Su latencia teórica es de 1,43 μs y su ancho de banda de 5333 Mbit/s bidireccional. Al poder configurarse con topologías de anillo (1D), toro (2D) e hipercubo (3D) sin necesidad de switch, se tiene una red adecuada para clústeres de pequeño y mediano tamaño.

· Al ser una red de extremadamente baja latencia, presenta ventajas frente a Myrinet en clústeres de pequeño tamaño al tener una topología punto a punto y no ser necesaria la adquisición de un conmutador. El software sobre SCI está menos desarrollado que sobre Myrinet, pero los rendimientos obtenidos son superiores, destacando SCI Sockets (que obtiene startups de 3 microsegundos) y ScaMPI, una biblioteca MPI de elevadas prestaciones.

· Además, a través del mecanismo de preloading (LD_PRELOAD) se puede conseguir que todas las comunicaciones del sistema vayan a través de SCI-SOCKETS (transparencia para el usuario).

MIDDLEWARE

El middleware es un software que generalmente actúa entre el sistema operativo y las aplicaciones con la finalidad de proveer a un clúster lo siguiente:

· Una interfaz única de acceso al sistema, denominada SSI (Single System Image), la cual genera la sensación al usuario de que utiliza un único ordenador muy potente;

· Herramientas para la optimización y mantenimiento del sistema: migración de procesos, checkpoint-restart (congelar uno o varios procesos, mudarlos de servidor y continuar su funcionamiento en el nuevo host), balanceo de carga, tolerancia a fallos, etc.;

· Escalabilidad: debe poder detectar automáticamente nuevos servidores conectados al clúster para proceder a su utilización.

Existen diversos tipos de middleware, como por ejemplo: MOSIX, OpenMOSIX, Cóndor, OpenSSI, etc.

El middleware recibe los trabajos entrantes al clúster y los redistribuye de manera que el proceso se ejecute más rápido y el sistema no sufra sobrecargas en un servidor. Esto se realiza mediante políticas definidas en el sistema (automáticamente o por un administrador) que le indican dónde y cómo debe distribuir los procesos, por un sistema de monitorización, el cual controla la carga de cada CPU y la cantidad de procesos en él.

El middleware también debe poder migrar procesos entre servidores con distintas finalidades:

· Balancear la carga: si un servidor está muy cargado de procesos y otro está ocioso, pueden transferirse procesos a este último para liberar de carga al primero y optimizar el funcionamiento;

· Mantenimiento de servidores: si hay procesos corriendo en un servidor que necesita mantenimiento o una actualización, es posible migrar los procesos a otro servidor y proceder a desconectar del clúster al primero;

· Priorización de trabajos: en caso de tener varios procesos corriendo en el clúster, pero uno de ellos de mayor importancia que los demás, puede migrarse este proceso a los servidores que posean más o mejores recursos para acelerar su procesamiento.

AMBIENTES DE PROGRAMACIÓN PARALELA

Los ambientes de programación paralela permiten implementar algoritmos que hagan uso de recursos compartidos: CPU (central processing unit: ‘unidad central de proceso’), memoria, datos y servicios.

VENTAJAS

–Economías de escala: para las empresas miembros, potenciando su capacidad de ingreso y desarrollo de mercados, y aumentando sus beneficios.

–Mayor competitividad: desarrollando nuevos productos, y de mejor calidad.

–Permanencia en el mercado: permitiendo que las empresas que se integren tengan una mayor estabilidad, producto de las debilidades, fortalezas, amenazas y oportunidades detectadas por los miembros más antiguos

–Menores costos de Investigación: Investigación conjunta que beneficia al grupo y disminuye los costos individuales

–Facilidad de acceso para los clientes: La concentración de empresas en una región atrae más clientes, provocando que el mercado se amplíe para todas, más allá de lo que sería el caso si cada una estuviese operando aisladamente.

–Incremento de la productividad: La fuerte competencia inducida por esta concentración de empresas genera una mayor especialización y división de trabajo.

–Mayor integración de la cadena: La fuerte interacción entre productores, proveedores y usuarios facilita e induce un mayor aprendizaje productivo, tecnológico y de comercialización.

– Menores costos de Transacción: La mayor cercanía con proveedores y clientes genera un menor costo de transacción.

En resumen, podemos decir que un clúster o agrupación, presenta las clásicas ventajas para sus miembros, de emprender acciones en conjunto, que por sí solas no podrían afrontar, o requeriría de mucho esfuerzo y tiempo para hacerlo.

DESVENTAJAS

Junto con esto, si un clúster es exitoso, lo más probable es que se vayan formado encadenamientos en diferentes direcciones alrededor de la actividad central o base, por lo que un clúster puede resultar en un polo de atracción para otras empresas.

· Muchos autores mencionan que en general, las ventajas competitivas de la concentración son:

· Atracción proveedores

· Mejora oferta de factores

· Efecto positivo sobre costos (Ventajas de la especialización)

· División externa del trabajo y especialización productiva de las empresas.

· Fluido eficiente de informaciones

· Facilidad para tomar acuerdos (Ventajas de la integración)

· Relaciones de confianza

· Intercambio conocimientos estratégicos