Aula 01 - 1 (PDF) - Mesonpi - CBPF

VI Escola do CBPF
Computação Computa ão Distribuída Distribu da
de Alto Desempenho
Marcelo Giovani
Marcelo Portes Albuquerque
Nilton Alves Jr.
Coordenação Coordena ão de Atividades Técnicas T cnicas – CAT/CBPF/MCT
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G5 – Computação Computa ão Distribuída Distribu da
de Alto Desempenho
Aula 1. Redes de Computadores e Arquitetura de Processadores
••História, História, conceitos básicos básicos e e protocolos de de rede rede de de
computadores
Aula 2. Processamento computadores Distribuído, Distribu do, Cluster e Grid
••Endereçamento, Endereçamento, equipamentos e e funcionamento.
••Conceitos Conceitos básicos: paralelismo, concorrência, granularidade,
Aula 3. Linguagens • speedup
•Comparações speedupe Comparações e eficiência, de entre Programação
pipeline,
Programa entre arquiteturas pipeline, arquiteturas ão
classificação de de computadores Flynn
computadores Flynn de de 32 32 e e 64 64
•bits: •Topologias bits: Topologias de de comunicação, tipos tipos de de cluster, cluster, cluster cluster Beowulf,
• Beowulf,
computação •História História das das Linguagens
computação em Linguagens de
em Grid, Grid, sistemas de Programação
sistemas Globus Globuse e Condor
• Condor
Aula 4. Laboratório Laborat •Sete Sete elementos básicos
•Filme: rio de Linguagem básicos da da programação estruturada
C/C++
estruturada
•Filme: Warriors, Aeroporto, IMAX IMAX Discovery
••Apresentação Apresentação do do Cluster Cluster atual atual de de 32bits 32bits e e futuro futuro de de 64bits 64bits do
• do
CBPF •Programação Programação Orientada a Objetos Objetos
CBPF
Aula 5. Laboratório Laborat • •Resolução •Programação Resolução Programação rio de Biblioteca de equação estruturada equação do
estruturada MPI
do segundo versus segundo versus orientação grau
orientação grau objeto objeto
••Linguagens Linguagens de de programação paralela paralela MPI, MPI, CHARM
• •Resolução •Filme: Resolução Filme: NEC, de
NEC, de PCI-Express
Integral
PCI-Express
Integral definida: 1 1 e e 5 5 processadores
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VI Escola do CBPF
Redes
de
Computadores
Nilton Alves Jr.
Alexandre Urtado de Assis
CBPF/MCT, RedeRio/FAPERJ
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Redes de Computadores
Que Conjunto compartilham de dispositivos serviços servi os interligados e trocam informações informa fisicamente
ões
Base de dados
Impressora
ICQ
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E-mail
4

Histórico Hist rico
Início In cio da década d cada de 60:
Universidades desenvolvem sistemas de
compartilhamento de recursos computacionais
Em 1969:
Interesse Militar através atrav s da criação cria ão da ARPANET
Em 1977:
Criação ão do modelo OSI (Open ( Open Systems Interconnection)
Interconnection)
pela ISO (International ( International Organization for Standardization)
Standardization)
para permitir a interoperabilidade entre as diversas
plataformas.
Cria
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5

Cria
O Modelo OSI
Criação ão de um modelo de Referência
Para interoperabilidade entre os diversos fabricantes
Utilizava o método m todo de “dividir dividir para conquistar” conquistar
Criava o conceito de camadas, onde:
Cada camada utiliza os serviços servi os oferecidos pela camada
imediatamente inferior para implementar e oferecer os seus
serviços servi os à camada imediatamente superior
Cada camada do dispositivo origem faz requisições requisi ões para a
mesma camada no dispositivo destino
Cada camada se restringe a seus serviços, servi os, sem se preocupar
com os serviços servi os das demais
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6

Modelo OSI – Camadas
Camada 7
Camada 6
Camada 5
Camada 4
Camada 3
Camada 2
Camada 1
Aplicação
Apresentação
Seção
Transporte
Rede
Enlace
Física
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7

Modelo OSI – Empacotamento
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Aplicação
Apresentação
Seção
Transporte
Rede
Enlace
Física
Camada 1 - Física sica
Transmissão de bits através de um
canal de comunicação
Especifica as características do meio
físico e da transmissão do sinal
Conectores
Pinagem
Níveis de tensão
Dimensões físicas
Características mecânicas
Características elétricas.
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Aplicação
Apresentação
Seção
Transporte
Rede
Enlace
Física
Camada 2 - Enlace
Agrupa os bits recebidos no nível
físico em quadros (frames)
Tais quadros são delimitados
Detecta e corrige possíveis erros
ocorridos na transmissão
Endereça equipamentos na rede
(endereço MAC)
Faz o controle de utilização do meio
de comunicação
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Aplicação
Apresentação
Seção
Transporte
Rede
Enlace
Física
Camada 3 - Rede
É responsável pelo roteamento de
pacotes através da rede.
O roteamento é baseado em um
mecanismo de endereçamento
global – IP, que identificam
unicamente cada máquina.
Implementa mecanismos de
controle de congestionamento.
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Camada 4 - Transporte
Aplicação
Apresentação
Seção
Transporte
Rede
Enlace
Física
Fornece comunicação fim a fim
confiável
Segmentação e remontagem de
mensagens, protocolos TCP e UDP
Implementa mecanismos de
controle de fluxo fim a fim
Implementa controle e recuperação
de erro fim a fim
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Aplicação
Apresentação
Seção
Transporte
Rede
Enlace
Física
Camada 5 - Sessão
Estabelece e encerra os enlaces de
comunicação
Prevê mecanismos de controle de
diálogo entre os sistemas
Implementa mecanismos de
recuperação de falhas em caso de
interrupções
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Camada 6 - Apresentação
Apresenta ão
Aplicação
Apresentação
Seção
Transporte
Rede
Enlace
Física
Compactação/descompactação de
dados
Criptografia
Converte os dados em um formato
de representação universal
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Camada 7 - Aplicação Aplica ão
Aplicação
Apresentação
Seção
Transporte
Rede
Enlace
Física
Funciona como uma interface de
ligação entre os processos de
comunicação de rede e as aplicações
utilizadas pelo usuário.
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O modelo TCP/IP
Desenvolvido pelo Departamento de Defesa
Americano (DARPA)
Padrão prático pr tico
Evolução Evolu ão da ARPANET
Arquitetura baseada no
conceito de interconexão
de redes (inter-redes) (inter redes)
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Camadas TCP/IP
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Camadas do protocolo TCP/IP
Aplicação: Aplica
ão:
Camada mais alta
Protocolos de aplicações aplica ões clientes e servidores HTTP, HTTP,
FTP, FTP,
SMTP, SMTP,
POP
Transporte:
Estabelece comunicações comunica ões fim a fim
com garantia de entrega (TCP ( TCP) )
sem garantia de entrega (UDP ( UDP). ).
Transporte:
Internet:
Endere
Endereçamento amento e roteamento de pacotes (IP ( IP)
envio de mensagens de controle (ICMP ( ICMP)
Resolução Resolu ão de endereços endere os de hardware (ARP ( ARP)
Rede:
Camada mais baixa de acesso ao meio físico f sico
Ethernet, Ethernet,
ATM, ATM,
Frame Relay, Relay,
Token Ring
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Endereçamento Endere amento IP
O IP - Internet Protocol define um endereço de
identificação único para a Internet
Endereçamento Endere amento hierárquico hier rquico dividido em duas
partes:
Network ID
Network
Host ID
Network ID
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Host ID
Parte comum a todas as
estações de uma mesma rede
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Endereçamento Endere amento IP
Cada equipamento dentro de uma rede precisa de um
Host ID único. nico.
Endereço Endere o possuem 32 bits (4 bytes)
10011000 01010100 00110010 11010111
152 84 50 215
152.84.50.215
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Divisão dos endereços endere os IP
Os endereços endere os IP foram divididos em 5 classe:
A, B, C, D, E
As classes se diferenciam pelos bits iniciais
E pela quantidade de bits para NetworkID NetworkID
e HostID HostID
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Localhost
Endereços Endere os Especiais
Localhost:
O endereço endere o localhost ou loopback
O endereço endere o reservado 127.0.0.1
Endereço Endere o de rede:
O endereço endere o de rede é composto por todos os bits HostID HostID
iguais a 0.
Ex.: 130.239.0.0
Broadcast:
O endereço endere o broadcast possibilita o envio de um determinado
pacote para todas os dispositivos de uma mesma rede.
É representado por todos os bits do HostID HostID
iguais a 1.
Ex.: 130.239.255.255
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Classes de endereços endere os – Classe A
8 bits 24 bits
Network ID
0nnnnnnn
hhhhhhhh
Host ID
hhhhhhhh hhhhhhhh
126 redes 16.777.214 hosts
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Endereços: Endere os:
1.0.0.0 a 126.0.0.0
Redes reservados:
127.0.0.0 e 0.0.0.0
Rede Invalida:
10.0.0.0
23

Classes de endereços endere os – Classe B
10nnnnnn
16 bits 16 bits
Network ID Host ID
nnnnnnnn
hhhhhhhh hhhhhhhh
16.384 redes 65.536 hosts
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Endereços: Endere os:
128.0.0.0 a
191.255.0.0
Redes Inválidas: Inv lidas:
172.16.0.0 a
172.31.255.255
24

Classes de endereços endere os – Classe C
110nnnnn
24 bits
Network ID
nnnnnnnn
2.097.152 redes
8 bits
Host ID
nnnnnnnn hhhhhhhh
256 hosts
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Endereços: Endere os:
192.0.1.0 a
223.255.255.0
Redes Inválidas: Inv lidas:
192.168.0.0 a
192.168.255.255
25

Classe D
Classes de endereços endere os
1110gggg 1110gggg
gggggggg gggggggg gggggggg
Usado para Multicast
Endereços: Endere os:
224.0.0.0 até at 239.255.255.255
Classe E
1111xxxx 1111xxxx
xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx
Reservado para uso futuro
Endereços: Endere os:
240.0.0.0 a 247.255.255.255
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Máscara scara de rede
Endereço Endere o de 32 bits
Identifica o NetworkID NetworkID
do endereço endere o IP
Uma máscara m scara de rede possui bits ‘1’ para identificar a
NetworkID NetworkID
e bits ‘0’ para identificar o HostID HostID.
11111111 11111111 00000000 00000000
255 255 0 0
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ANDing
Máscara scara de Rede - ANDing
ANDing é um processo interno que define se IP local
pertence a mesma rede de um IP destino.
IP 11001000 11111111 00100001 11000111 (200.255.33.190)
Máscara scara 11111111 11111111 11111111 00000000 (255.255.255.0)
Resultado 11001000 11111111 00100001 00000000 (200.255.33.0)
if (Resultado Resultado IP destino == Resultado IP local) local
printf(“IP
printf IP´s são da mesma rede”); rede );
else
printf(“IP
printf IP´s de redes diferentes”);
diferentes );
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Sub-redes Sub redes
A alocação aloca ão de endereços endere os baseada em classes gera
problemas de desperdício desperd cio de endereços endere os
Para melhor aproveitamento dos endereços endere os
muitas redes são divididas em sub-redes sub redes
Prática Pr tica comum quando as redes envolvidas são
muito grandes
Neste caso, o endereço endere o da máscara m scara de rede
também tamb m deve ser alterado
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Máscara scara de Sub-rede Sub rede
A máscara m scara de sub-rede sub rede é determinada com base
nos bits extras utilizados para endereçar endere ar as sub-
resdes
Ex.: 2 bits
200 . 20 . 32 . 65 /26
11111111 11111111 11111111 11 00000000
NetworkID ID de sub-rede
255.255.255.192
HostID
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Sub-rede Sub rede classe C
Aplicar o conceito de sub-redes sub redes a uma classe C significa usar o
último ltimo octeto não só s para identificar os hosts como também tamb m
para identificar as sub-redes. sub redes.
A máscara m scara padrão é 255.255.255.0 e deverá dever ser
Máscara scara
255.255.255.128
255.255.255.192
255.255.255.224
255.255.255.240
255.255.255.248
255.255.255.252
255.255.255.254
Bit sub-rede sub rede
1
2
3
4
5
6
7
Bit hosts
7
6
5
4
3
2
1
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Número mero de redes
2
4
8
16
32
64
128
Hosts por rede
126
62
30
14
6
2
0
31

Address
ARP
Address Resolution Protocol é responsável respons vel pela descoberta do
endereço endere o físico f sico (endereço (endere o MAC) correspondente ao IP destino
Para mesma rede
Quem D A responde envia é D? a com mensagem o MACpara
D
A B C D E
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Roteador
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Address
ARP
Address Resolution Protocol é responsável respons vel pela descoberta do
endereço endere o físico f sico (endereço (endere o MAC) correspondente ao IP destino
Para uma rede diferente
A envia a mensagem para o roteador
Quem O roteador é o roteador? reparssar responde ao destino
com o MAC
A B C D E
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Roteador
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Marcelo Giovani
Nilton Alves Jr.
VI Escola do CBPF
Processadores
de
32 e 64 bits
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Processador/ano
Intel 4004 (71)
8088 (79)
Evolução Evolu ão – Lei de Moore
486
1
• “The complexity for minimum component costs
286 (82)
has increased at
134.000
a rate of
Pentium roughly 60MHz a factor of two per 0,80 year ... Certainly over 386 the(85) short term this rate 275.000 can be
Pentium expected 100MHz to continue, if0,60 not to increase. Over the longer term, the rate of
486 (89)
1.200.000
Pentium increase 166MHz is a bit more uncertain, 0,40 although there is no reason to believe it will
not remain nearly constant for at least 10 years. Pentium That (93) means by3.100.000 1975, the
Pentium III 350MHz
0,25
number of components per integrated circuit
Celeron 366
0,22
Pentium
for minimum
MMX (97)
cost will
4.300.000
be 65,000.
I believe that such a large circuit can be built on a single wafer.“, Cramming
Athlon more Thunderbird components onto0,18 integrated circuits”, Pentium Gordon II (98) Moore, Electronics 9.500.000
Pentiun Magazine 4 Northwood 19 april 1965. 0,13
Pentium III
21.000.000
Athlon Thoroughbred
0,13
Athlon
• A densidade de transistores em um chip dobra a cada 18 meses.
2005
0,07
Pentium IV
2015
0,02
2025
microns
15
3
Proc. Quânticos?
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Processador/Ano
8088 (79)
# Transístores
29.000
35.000.000
42.000.000
35

16bits
•“Nunca ninguém irá iráprecisar precisar de de um um PC PC com com mais maisde de 640 640 kbytes kbytesde de memória”.
(Willian Gates Gates III, III, meados meadosdos dos anos anos80) 80)
••Nem Nemele, ele, o mago magodos dos negócios da dainformática, informática, conseguiu prever preverque queos ossoftwares softwares
teriam teriamuma umaforte forte escalada em emseus seusrequisitos requisitos de de memória como comode de fato fatoveio veioa a
acontecer.
••PCs PCs rodando DOS DOS 3.0, 3.0, o 8088 8088 da daIntel, Intel, registradores de de 16 16 bits, bits, barramento de de
comunicação de de 8 8 bits, bits, enderaçamento de de 1MByte 1MByte de de memória.
••Aplicações Aplicações com com >1MByte, EMS EMS (memória expandida), blocos blocosde de 64KBytes
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••A A história históriaestá estásempre semprese se repetindo.
32bits
••Migração Migração para para 32 32 bits bits em em 1986, 1986, processador 386. 386. O 386 386 foi foi um um processador
extremamente revolucionário, pois pois além além de de permitir endereçar quantidades de de
memórias impensáveis para para a época, época, trazia trazia possibilidades de de multitarefa,
isolamento de de aplicações etc. etc.
••Os Os atuais atuaisPentium Pentium IV IV ainda aindasão sãoprocessadores processadores de de 32 32 bits bits e e assim assimpodemos podemos pensar pensar
neles neles como como 386s 386s bastante “anabolizados”, mais mais rápidos, mais mais instruções, mas mas
ainda com com as as mesmas limitações de de endereçamento de de memória de de 19 19 anos anosatrás. atrás.
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Histórico Hist rico
••Para Para aplicações mais maiscríticas, críticas, foi foireinventada reinventada a “memória EMS” EMS” de de vinte vinteanos anos
atrás. atrás. Principalmente em emservidores servidores que queprecisam precisam mais maisde de 2 2 Gbytes Gbytesde de memória.
••Na Na verdade verdade o Windows consegue enxergar até até 4 4 Gbytes, Gbytes, mas mas com com o limite limite
máximo de de 2 2 Gbytes Gbytespara parauma umaúnica únicaaplicação. aplicação.
••Super Super servidores de de 32 32 bits bits com com 8, 8, 16 16 ou ouaté até32 32 Gbytes Gbytesde de RAM, RAM, utilizam um um
esquema de de paginação de de memória semelhante ao aoque quese se usava usavano no DOS DOS 3.0!! 3.0!! Mais Mais
eficiente, mais maissofisticado, sofisticado, mas masna naessência essência a mesma mesmacoisa. coisa.
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Histórico Hist rico
••Intel Intel Pentium IV IV EM64T: ultrapassa o limite limitede de endereçamento de de 4Gbytes além além
de de suportar algumas instruções de de 64bits. 64bits.
•AMD •AMD Athlon Athlon64: 64: suporta suporta nativamente intruções de de 32 32 e e 64bits 64bits
••Intel Intel ITANIUM: set set de de instruções completamente diferente do do resto resto e e visa visa um um
nicho nicho muito muito específico que que são são máquinas para para substituir outras outras mais mais caras caras de de
arquitetura RISC. RISC.
••AMD AMD Opteron: semelhante ao ao Athlon64 porém, porém, com com características de de servidor
tais tais como como L2 L2 maior, maior, capacidade de de até até8 8 núcleos, cache cachededicado dedicado para para cada cada núcleo. núcleo.
••Intel Intel XEON: XEON: barramento bidirecional, cache cache compartilhado pelos pelos núcleos,
somente instruções de de 64bits, 64bits, emula emula 32bits.
32bits.
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Comparativo Opteron x Xeon
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