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Tópicos em redes e sistemas distribuídos Carlos Oberdan Rolim Ciência da Computação Sistemas de Informação.
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1 Tópicos em redes e sistemas distribuídos Carlos Oberdan Rolim Ciência da Computação Sistemas de Informação
2 Programação paralela * Baseado na apostila de treinamento Introdução ao MPI – Centro Nacional de Processamento de Alto Desempenho / SP
3 IDEIAS E CONCEITOS O que é paralelismo ? É uma estratégia, que em computação, se utiliza para obter resultados mais rápidos de grandes e complexas tarefas. Uma grande tarefa pode ser executada serialmente, passo a passo, ou, pode ser dividida para ser executada em paralelo. O paralelismo, portanto, é efetuado: Dividindo-se uma tarefa, em várias pequenas tarefas; Distribuindo-se as pequenas tarefas por entre vários "trabalhadores", que irão executá-las simultaneamente; Coordenar os "trabalhadores". OBS: Evite tarefas, nas quais, coordená-las leve mais tempo que executá-las.
4 Programação Serial Tradicionalmente, os programas de um computador são elaborados para serem executados em máquinas seriais: Somente um processador; Uma instrução executada por vez; Tempo de execução irá depender de quão rápido a informação se "movimenta" pelo hardware. Limites: Velocidade da Luz = 30 cm / nanosegundo Velocidade no Cobre = 9 cm / nanosegundo As máquinas seriais mais rápidas, executam uma instrução em aproximadamente 9-12 bilionésimos de segundo;
5 Necessidade de Processamento mais Rápido Existem várias classes de problemas que necessitam de processamento mais rápido: Problemas de modelagem e simulação, baseados em sucessivas aproximações e de cálculos cada vez mais precisos. Problemas que dependem de manipulação de imensas bases de dados: 1 - Processamento de sinal e imagem; 2 - Visualização de dados; 3 - Banco de Dados. Grandes desafios: 1 - Modelagem de Clima; 2 - Turbulência de Fluidos; 3 - Dispersão de Poluição; 4 - Engenharia Genética; 5 - Circulação de Correntes Marítimas; 6 - Modelagem de Semicondutores;....... etc.....
6 Computação Paralela Necessidades para se possuir um ambiente de computação paralela: Múltiplos processadores; Rede ( Interligando os processadores ); Um ambiente que possibilite criar e manipular um processamento paralelo: Sistema Operacional; Modelos de Programação Paralela. Um algoritmo paralelo e um programa paralelo.
7 Programação Paralela Necessidades para se programar em paralelo: Decomposição do algoritmo, ou dos dados, em "pedaços"; Distribuição dos "pedaços" por entre processadores diferentes, que trabalhem simultaneamente; Coordenação do trabalho e da comunicação entre esses processadores; Considerações: Tipo da arquitetura paralela; Tipo da comunicação entre processadores.
8 COMUNICAÇÃO ENTRE PROCESSADORES A maneira como os processadores se comunicam é dependente da arquitetura de memória utilizada no ambiente, que por sua vez, irá influenciar na maneira de se escrever um programa paralelo. Memória compartilhada Memória distribuída
9 Memória Compartilhada Múltiplos processadores operam de maneira independente, mas compartilham os recursos de uma única memória; Somente um processador por vez pode acessar um endereço na memória compartilhada; Sincronização é necessária no acesso para leitura e gravação da memória, pelas tarefas paralelas. A "coerência" do ambiente é mantida pelo Sistema Operacional; Vantagens: Fácil de usar; A transferência de dados é rápida. Desvantagens: Limita o número de processadores. Exemplos: Cray Y-MP, Convex C-2, Cray C-90.
10 Memória Distribuída Múltiplos processadores operam independentemente, sendo que, cada um possui sua própria memória; Os dados são compartilhados através de uma rede de comunicação, utilizando-se "Message-Passing"; O usuário é responsável pela sincronização das tarefas usando "Message-Passing". Vantagens: Não existe limites no número de processadores; Cada processador acessa, sem interferência e rapidamente, sua própria memória. - Desvantagens: Elevado "overhead" devido a comunicação; O usuário é responsável pelo envio e recebimento dos dados. Exemplos: nCUBE, Intel Hypercube, IBM SP1, SP2, CM-5
11 CRIAÇÃO DE UM PROGRAMA PARALELO Se estiver começando com um programa serial, efetuar o debug completo do programa Identificar as partes que podem ser executadas de forma concorrente Requer conhecimento do algoritmo usado Explorar as possibilidades de paralelismo existentes Talvez reestruturar o algoritmo ? Talvez reescrever tudo Decomposição do Programa vamos analisar Codificar Definir a arquitetura onde vai rodar Escolher um paradigma de programação Definir a comunicação vamos analisar Compilar, testar e debugar Otimizar
12 Decomposição do Programa Para se decompor um programa em pequenas tarefas para serem executadas em paralelo, é necessário se ter a idéia da decomposição funcional e da decomposição de domínio.
13 Decomposição Funcional O problema é decomposto em diferentes tarefas que serão distribuídas por entre múltiplos processadores para execução simultânea; Perfeito para um programa dinâmico e modular. Cada tarefa será um programa diferente.
14 Decomposição de Domínio Os dados são decompostos em grupos que serão distribuídos por entre múltiplos processadores que executarão, simultaneamente, um mesmo programa; Perfeito para dados estáticos ( Resolução de imensas matrizes e para cálculos de elementos finitos );
15 Comunicação Em um programa, é essencial que se compreenda a comunicação que ocorre entre os processadores: O Programador tem que entender como ocorrerá a comunicação, para saber tirar vantagens ao se utilizar uma "Message-Passing Library". A programação da comunicação é explicita. "Compiladores Paralelos" ( Data Parallel Compilers ), efetuam toda a comunicação necessária. O programador não necessita entender dos métodos de comunicação. Os métodos de comunicação para "Message-Passing" e para "Data Parallel", são exatamente os mesmos. * Point to Point * One to All Broadcast * All to All Broadcast * One to All Personalized * All to All Personalized * Shifts * Collective Computations
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