Influência da comunicação no rendimento de uma renderização de imagem utilizando uma máquina paralela virtual baseada em redes ATM e Ethernet

Texto

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Influência da comunicação no rendimento de uma renderização de imagem utilizando uma máquina paralela

virtual baseada em redes ATM e Ethernet

Marcelo Souza, Josemar Souza.

(marcelo@cebacad.net, josemar@cebacad.net)

Universidad e Católica do Salvador Curso de Informática

Salvador, Bahia, Brasil.

CEBACAD - Salvador

Centro Baiano de Comp u t ação de Alto Desemp e n h o Salvador, Bahia – Brasil

Resum o: Este artigo apres en t a a avaliação da influência da comu nicação no dese m p e n h o da renderi z ação de uma image m utilizan d o o software PVMPov em uma máquin a paralela virtual de estações de trabalh o. Foi utiliza d a a estru t u r a de Rede do projeto REMAV – Salvador, criand o - se um cluster de estações de trabalho em diferente s localida de s a fim de avaliar o dese m p e n h o (perfor m a n ce ) dessa máquin a utilizan d o - se de uma rede padrão ATM em compar ação a uma rede Ethernet.

Abstr act : This article brings the present ation of the comu nication influence on the image - rendering utilizing the PVMPov software in a network based virtual parallel machine. This work was supplied by the REMAV- Salvador project structure, building machines clusters at several localities in order to evaluate the efficience ( perfor m a nce ) of that machine using a ATM standar t net confronted to a machine using a Ethernet standar t net

Palavras chave: ATM, Ethernet, REMAV, PVM, POVRay, PVMPov, Renderiz ação, NOW, SPMD, Redes de Comp u t a d o r e s, Sistem a s Homogêneo s, Comp ut açã o Paralela, Linux, Cluster .

Key wor d s : ATM, Ethernet, REMAV, PVM, POVRay, PVMPov, Rendering, NOW, SPMD, comp uters networks, Homogeneity syste ms, parallel comp uting, Linux, Cluster.

1 - Introdução

Comp u taçã o Paralela refere - se ao conceito de aumen t o de velocidade na execução de um progra m a através da divisão deste em pequen o s fragmen t o s que são distribuíd o s e process ad o s paralelame n t e, cada fragmen t o em um process ad o r. Com isto obtemo s um ganho de perfor m a n ce na execução de uma tarefa. A premissa é a de que se

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executan d o uma tarefa dividida entre vários processa d o r e s conseguirá executa - la muito mais rápido [1].

Esses sistemas são comp os to s por vários processa d o r e s que opera m concorre n te m e n te, cooperan d o na execução de uma determina d a tarefa.

Nas chama d a s arquitetu r a s paralelas o objetivo principal é o aumen t o da capacida de de processa m e n t o, utilizan d o o potencial oferecido por um grande númer o de processa d o r e s [2].

Apesar de se observar um grande aumen t o na deman d a por aplicações paralelas, a utilização do processa m e n t o seqüencial assu miu um grande crescimen t o no decorrer dos anos, sendo as máquin as que utilizam esta tecnologia as mais divulgad as no mercad o. Podemo s aponta r como principal respo n s ável pelo uso em massa desses equipa me n t o s o baixo custo de aquisição, haja visto que um comp u t a d o r verdadeira me n te paralelo é muito mais caro do que comp u ta d o r e s seqüenciais. Isto torna mais difícil o acesso de usuários de pequen o porte a um hardware originalmen te paralelo [3].

As máq uinas paralelas virtuais de estações de trabalho (MPV), també m conhecidas como NOW (Network of Workstation), utilizam as redes de comp u t a d o r e s comerciais, locais e/o u remotas para paralelizar suas transações. Utiliza um software que permite que um conju n to heterogêneo ou homogêneo de comp u t a d o r e s (série, paralelos ou vetoriais) seja visto como uma única máquin a. Dentre outros softwares poderem o s utilizar o Parallel Virtual Machine (PVM) [4]. PVM é um sistema de passage m de mensage m que habilita uma rede de comp u t a d o r es para ser utilizad a como um único sistema de memória distribuíd a, é um software que permite que um conjun t o heterogêneo ou homogêneo de comp u t a d o r e s seja visto como uma única máquin a, sendo a portabilidad e uma de suas características principais – as bibliotecas de rotinas de comu nicação entre processo s são

“standard ” de fato [5]. A indepen d ê n cia de platafor m a que o PVM dispo nibiliza é indubitavelmen te interessan te; um software pode ser executad o em ambientes diferentes, este fato gera segurança para desenvolvedo res de software criarem aplicações paralelas, tendo em vista a portabilidade possível [6].

1.1 PVMPov

PVMPov é a junção do Software Persistence of Vision Raytracer (POVRay) com o PVM. POV- Ray é um software de raytracing 3d de código aberto, desenvolvido apartir do DKBTrace 2.12 (escrito pôr David K. Buck e Aaron A. Collins) por um grupo chama d o POV- Team . O software POV- Ray com base em infor mações fornecidas pôr um arquivo texto simula luzes que interage m com um objeto definido para criar um efeito tridimen sio n al, esses processo s são chamad o s de renderização. O PVMPov é um atualização de código aberto que da a habilidade ao POVRay de distribuir a renderização no cluster heterogêneo ou homogêneo criado pelo PVM [7].

Utilizan d o o modelo do PVM, tem - se um mestre e vários trabalha d o r es. O mestre é respo n sável por dividir a imagem em pequen o s blocos, que são distribuído s entre os trabalhad o r e s balancean d o sua carga

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auto m atica me n t e. Quando o trabalhad o r termina seu bloco ele envia este para o mestre que combina tudo em uma forma final. Se algum trabalhad o r falhar em sua tarefa é possível que o PVMPov complete a renderização.

2 – Neces sidad e de uma Rede de Alta Velocidade

A rede numa MPV serve como barram en t o para a comu nicação entre as máquin as pertencen tes ao cluster , depen d e n d o da aplicação que está sendo executad a e de como ela foi desenvolvida tem - se a necessida d e de uma grande largura banda e de grande disponibilidad e da rede. Criando - se um cluster com algumas dezen as de máq uinas, a quantid a d e de mensagen s passad a s entre elas pode ser um empecilho no aumen t o de processo s, não se pode perder tempo na trans mis sã o de mensagen s entres as máq uinas do cluster , o processa d o r ficaria ocioso neste tempo, perden d o assim parte da força da MPV.

3. Metodologia utilizada nos experim ent o s

Foi utilizad a para os experimen t o s a rede de alta velocidade do Projeto REMAV- Salvador, que utiliza o padrão de redes ATM. A REMAV- Salvador, Rede Metropolitana de Alta Velocidade – Salvador, é o resulta d o do esforço de seis instituições sediadas nesta capital (Salvador, Bahia, Brasil), todas com larga experiência na constr uçã o de redes corpor ativas e que se consorciara m para montar uma infra - estrut u r a de alta velocidade que permita o desenvolviment o de novos experimen t o s e ofereça condições para colocar em prática uma série de projeto s já em anda me n t o na área de geoprocess a m e n t o, educação a distância, telemedicina, cursos, bibliotecas virtuais, entre outros. ATM é uma tecnologia baseada na segment ação e trans miss ão (comutação) da informação em pequen o s pacotes de taman h o fixo chama d o s de “célula”, tendo com principal característica uma comu tação rápida de pacotes [8]. A Rede ATM do Projeto REMAV- Salvador possibilita não só uma grande largura de banda mais parâmetr o s de QoS (Qualidade de Serviço) que nada mais é do que a possibilidade de se estabelecer parâ me tr o s de qualidad e entre as pontas e no trajeto das células como taman h o mínimo de largura necessário, melhor caminh o, etc.

dentro do cluster ganhan d o assim uma maior velocidade e segurança no trafico de dados. Uma das grandes vantagens da Rede ATM é a de poder interligar ponto s distan tes a grande velocidade [9]. O projeto em sua fase final preten d e a criação de uma MPV entre instituições parceiras (Universidad e Católica do Salvador (UCSal), Universidade Federal da Bahia (UFBa), Governo do Estado da Bahia, Telemar, Compan hia de Desenvolviment o da Região Metropolitan a de Salvador (CONDER), Prefeitura Municipal do Salvador (PMS)). Experiment o s foram e estão sendo feitos utilizan d o máquin as de duas instituições (UCSal e UFBa) parceiras, que estão interligadas através de Rede de Fibra Ótica utilizan d o a tecnologia de redes ATM a 155 Mbps do Projeto REMAV- Salvador (Fig. 1)

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Fig. 1 - Rede do projeto REMAV- Salvador

3. Experiment o s realizado s

Foram realizad o s experimen t o s com o PVMPov que auto m atica me n t e balanceia sua carga dentro do cluster , vale salientar que sendo a o cluster homogêneo não houve necessidad e de balancea m en t o. Foi criado um cluster com três máq uin as homogênea s. Primeirame n t e foi utilizad a uma rede Padrão Ethernet de 10Mbps com três máq uin as utilizan d o a ligação ATM entre as instituições envolvidas nos testes (UCSal e UFBa ) somente como backbone. Logo depois foi utilizad o uma Rede Padrão ATM (com placas de rede a 25Mbps em cada máquina) fazen d o uso das mesmas máquin as do primeiro teste. Nos experime n to s sobre ATM fez - se uso de duas máquina s localizad as na UCSal e duas na UFBa interligadas por um switch ATM de 155Mbps, sendo que a velocidade de interligação ficou limitada a 25Mbps devido a limitação das placas de rede de 25 Mbps. Foi utilizad o o arquivo de texto skyvase.pov contido no pacote do software PVMPov e que conté m as inform ações para a renderiz ação nos experime n to s. O PVMPov lê o arquivo texto que contém as infor mações descreven d o o objeto e a luz em cena e gera uma imagem do ponto de vista da câmera, descrito dentr o do arquivo texto. Diferentes resoluções de imagem, seleciona d as antes da renderização, gerara m uma maior quan tid a d e de processo a fim de avaliar tráfegos variados criado com a maior quantid a d e de processo, com isto foi possível avaliar a eficiência do conjun t o. Às resoluções da imagem utilizada s foram, 640 x 480, 800 x 600, 1024 x 768 e 2048 x 1536.

4. Implem e ntaçã o

Para a implemen taçã o da MPV, utilizou - se como sistema operacional o Linux (Kernel 2.2.9), utilitários para rede ATM (ATM on Linux v0.59), bibliotecas PVM (PVM v3.4.3), POVRay 3.1 Patched PVMPov 3.1g e protocolos Tcp /Ip. Na utilização da Rede ATM opto u - se pelo uso de LANE (Lan Emulation) que simula uma rede Ethernet em cima da rede ATM (Tab.1) (Fig. 2).

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- Trabalhadores (PVM, respon s á v e i s pôr todo o proce s s o)

Host: icaro (UFBa) IP: 200.123.59.15

Net Mask: 255.255.255.0 CPU: Intel Pentium 166 Mhz

Memória: 16 Mb Cache: 512k HD: IDE – 2.1 GB Ethernet: 10 Mbps ATM: 25Mbps

Host: herme s (UCSal) IP: 192.168.10 3.16 Net Mask: 255.255.255.0 CPU: Intel Pentium 166 Mhz

Memória: 16 Mb Cache: 512k HD: IDE - 2.1 GB Ethernet: 10 Mbps ATM: 25 Mbps

Host: perseu (UCSal) IP: 192.168.10 3.15 Net Mask: 255.255.255.0 CPU: Intel Pentium 166 Mhz

Memória: 16 Mb Cache: 512k HD: IDE – 2.1 GB Ethernet: 10Mbps ATM: 25 Mbps

- Mestre (Administrar o Cluster. Não env ol vid o no trabalho)

Host: gandalf (UFBa) IP: 200.128.59.12

Net Mask: 255.255.255.0 CPU: Intel Celeron 466 Mhz

Memória: 64 Mb Cache: 128k HD: IDE – 5.1 GB Ethernet: 10 Mbps ATM: 25Mbps

Tab. 1 – Especificação das máq uin a s

Fig. 2 - Ambiente dos experim e nt o s

5. Resultado s obtido s

Nas Tab. 2 e 3 e Fig. 3, 4 e 5, são mostra d o s os resulta d o s obtidos nos experime n to s:

Resolução (pixels)

Imagem Máquina 640x480 800x600 1024x7 68

2048x153 6

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Skyvase.pov PVM- ATM 47 67 96 340 Tab. 2 – PVMPov sobre cluster PVM- ATM.

640x480

800x600

1024x768

2048x1536 25

50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350

PVMPov sobre cluster PVM-ATM

PVM-ATM

Resolução (pixels)

Tempo (seg)

Fig. 3 – PVMPov sobre cluster PVM- ATM

Resolução (pixels)

Imagem Máquina 640 x4 8

0

800x 6 0 0 102 4x 7 6 8

204 8x 1 5 3 6

Skyvase.pov PVM- Ethernet 48 69 98 344

Tab. 3 – PVMPov sobre cluster PVM- Ethernet.

640x480

800x600

1024x768

2048x1536 25

50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350

PVMPov sobre cluster PVM-Ethernet

PVM-Ethernet

Resolução (pixels)

Tempo (seg)

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Fig. 4 – PVMPov sobre cluster PVM- Ethernet.

Resoluçã o (pixels)

Imagem Máquina 640x 4 8

0

800 x6 0 0 102 4 x 7 6 8

2048 x 1 5 3 6

Skyvase.pov PVM- ATM 47 67 96 340

Skyvase.pov PVM- Ethernet 48 69 98 344

Tab. 4 – PVMPov sobre cluster PVM- ATM / PVM- Ethernet

640x480

800x600

1024x768

2048x1536 0

25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350

PVMPov sobre cluster PVM-ATM / PVM-Ethernet

PVM-ATM PVM-Ethernet

Resolução (pixels)

Tempo (seg)

Fig. 5 –PVMPov sobre cluster PVM- ATM / PVM- Ethernet

6. Conclus õ e s

Não se obteve ganho significativo de perfor ma n ce quan d o utilizan d o a rede padrão ATM a 25 MBps em comp ar ação a uma rede padrão Ethernet a 10 MBps. São necessários mais experime n to s utilizan d o diferentes cenários com uma quantida d e maior de máquin as no cluster afim de melhor ser avaliado a eficiência em uma rede ATM de alta velocidade. Implemen t ações de tecnologias para melhora de trans miss ão das redes ATM precisa m ser testad a s e avaliadas. No entanto provou - se ser possível à utilização e criação de MPV utilizan d o redes ATM. Para melhor avaliação na criação do cluster entre as REMAV do Brasil experimen t o s serão feitos.

7. Trabalho futuro

Muitos experimen t o s ainda são necessários para se avaliar as vantagens de uma Rede ATM na criação de uma MPV. Novos experimen t o s serão feitos considera n d o diferentes configurações de redes:

• “Classical IP”: IP diretam en t e sobre ATM sobre a camada de dado s do ATM AAL5.

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• LANE com MPOA: Com conexões ATM fim - a- fim poden d o ser estabelecidas entre máquin as de um cluster pertencen tes a ELANS (Redes Emuladas em ATM) diferen tes.

As MPV são excelentes alternativas para instituições que busca m um alto poder de processa m e n t o de dados em menor espaço de temp o, mas que não dispõe m de recursos para obter uma máq uina paralela convencional.

Com a existência do Projeto REMAV em todo território Brasileiro, a possibilidade de criação de MPV’s entre as instituições parceiras é uma realidade que precisa ser analisad a e explora d a; caso seja provada a viabilidade. Estand o ainda em desenvolvimen to os drivers e utilitários para redes ATM em platafor m a Linux – o sistema operacional adotad o na criação dessa máq uin a paralela virtual, ainda não é possível obter dado s concretos sobre sua real eficiência. Mais experimen to s serão feitos em busca de melhorias.

6. Referências

[1] Dietz , Hank Linux Parallel Processing How To . 5 January 1998.

http: / / w w w.ld p.org. 2000.

[2] Sterling , Thomas L. Salmon, John. Becker, Donald J. e Savaresse, Daniel F. How to build a Beowulf: a guide to the implementation and aplication of PC clusters . Massach u set t s Institute of Technology. 1999.

[3] Souza, Josemar. Luque, Emilio. Rexachs, Dolores. - 8 - Análise da distribuição de carga em um cluster heterogêneo . VI Congresso Argentino de Ciencias de la Comp u t ació n – CACIC 2000, Universida d Nacional de la Patagonia San Juan Bosco – UNP, Ushuaia, Tierra del Fuego, Argentina. Anais. 2000.

[4] Geist, Al. Beguelin, Adam. Dongarra, Jack. Wicheng, Jiang. Mancheck, Robert. Sundera m, Vaidy. PVM 3 User’s Guide and Reference Manual . Prepared by the Oak Ridge National Laboratory. 1994.

[5] Dongarra, Jack ; Emilio Luque, Tomàs Margalef (Eds.). Recent Advances in Parallel Virtual Machine and Message Passing Interface. 6th European PVM/MPI User’s Group Meeting. Barcelona, Spain. Proceeding.

1999.

[6] Souza, Josemar R. de. Influencia de la comu nicación en el rendimi miento de un sistema de computación paralela, basado en redes de estaciones de trabajo . Arquitetu r a de Comp u t a d o r e s e Processa me n t o Paralelo. Universidade Autôno m a de Barcelona, - UAB. 2000. Tese de Mestrad o.

[7] Flierl, Jakob PVMPov HOWTO Revision 0.1 September 2000 Revised.

2000.

[8] http: / / w ww.at mf o r u m.co m, 25 /0 1 / 2 0 0 1, 10:30.

[9] Souza, Marcelo. Souza, Josemar. Micheli, Milena. Influência da comu nicação no rendimen t o de uma máq uina paralela virtual basead a em Redes ATM – I Worksho p Aplicações Internet2, MetroPOA 2000.

PUCRS, Porto Alegre, Rio Grande do Sul, Brasil. Anais 2000.

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