یک سیستم فایل موازی نسل جدید برای کلاسترهای لینوکس

دانشمندان علوم کامپیوتر از کامپیوترهای عظیم موازی به منظور شبیه سازی رویدادهایی که در دنیای واقعی رخ می دهند استفاده می کنند. این اعمال در چنین مقیاس بزرگی جهت درک بهتر نمودهای علمی یا پیش بینی رفتارها لازم و ضروری می باشند. در اغلب موارد منابع محاسباتی یک فاکتور محدود کننده در حوزه این شبیه سازی ها محسوب می گردند. منابع محدود تنها شامل CPU و حافظه نمی شوند، بلکه این منابع زیرسیستم های ورودی/خروجی را نیز در بر می گیرند، چرا که چنین برنامه هایی معمولا حجم زیادی از داده را تولید و یا پردازش می نمایند. برای اینکه روند شبیه سازی با سرعت بالا اجرا شده و ادامه یابد، سیستم ورودی/خروجی بایستی قادر به ذخیره صدها مگابایت داده در هر ثانیه باشد، و در این عملیات باید دیسک های زیادی مورد استفاده قرار گیرد. نرم افزاری که این دیسک ها را به صورت یک سیستم فایل مرتبط سازماندهی می کند یک "سیستم فایل موازی" نامیده می شود.
سیستم های فایل موازی بویژه به منظور فراهم نمودن ورودی/خروجی های بسیار سریع در مواقعی که بایستی توسط پردازش های زیادی در یک لحظه مورد دسترسی قرار گیرند طراحی شده اند. این پردازش ها میان چندین کامپیوتر مختلف، یا میان گره ها(nodes)، که کامپیوتر موازی را تشکیل می دهند توزیع گردیده است. شکل 1 یک نمای سطح بالا از یک کامپیوتر موازی به همراه یک سیستم فایل موازی را نمایش می دهد. گره هایی که کار محاسبه را انجام می دهند به یکدیگر متصل شده اند و از سوی دیگر توسط شبکه کلاستر به گره های سرور ورودی/خروجی مرتبط هستند، و داده را بر روی دیسک های الصاقی به گره های سرور ذخیره می نمایند.
لازم نیست که شما برای بهره بردن از یک سیستم فایل موازی در یک لابراتوار ملی، که دارای یک کلاستر 1000 گره ای است، مشغول به کار باشید. برای سالها سیستم فایل موازی مجازی (PVFS) مخصوص کلاسترهای لینوکس در دسترس بوده است، که به هر شخصی امکان برپا کردن و استفاده از همان سیستم فایل موازی که در حال حاضر بر روی کلاسترهای بزرگ فراوانی در سراسر دنیا مورد استفاده قرار می گیرند را می دهد. اخیرا یک سیستم فایل موازی کامل تر و جدیدتر بنام PVFS2 عرضه شده است. این سیستم فایل جدید دارای انعطاف پذیری بیشتری بوده، و بهره بیشتری از سخت افزار موجود در کلاسترهای امروزی می برد، با کلاسترهای بزرگتر مطابقت بیشتری دارد، و مدیریت آن نسبت به نسل قبل ساده تر است.
● مفاهیم سیستم فایل موازی
برای دستیابی به کارآیی بالا، یک سیستم فایل موازی فایل ها را همانند سیستم RAID میان گره ها قطعه قطعه و تقسیم می نماید. در این سیستم، بجای دیسک ها، گره ها سرورهای داده محسوب می شوند. همانگونه که یک RAID چندین کانال را به منظور افزایش کارآیی در یک مجموعه از دیسک های محلی متمرکز می کند، یک سیستم فایل موازی نیز اتصالات شبکه را در یک مجموعه از دیسک هایی که به صورت شبکه در آمده اند متمرکز می نماید. قطعه قطعه کردن داده در میان گره ها یک روش ساده برای دستیابی به موازی سازی میان چندین سیستم ورودی/خروجی سری است. بر خلاف حالتی که چندین گره از یک RAID به صورت اشتراکی استفاده می کنند، یک سیستم فایل موازی قادر به استفاده همزمان از چندین لینک شبکه، با حذف گلوگاه محدودکننده، می باشد. تا زمانی که فایلها به این روش قطعه قطعه می شوند و برنامه های موازی وادار به کار بر روی نواحی معینی از یک فایل به اشتراک گذاشته شده می گردند، شبکه و محتویات لود شده دیسک ها توانایی گسترش در میان گره های ذخیره سازی را دارند. >
در مقابل، سیستم های فایل شبکه ای دارای نقش متفاوتی هستند. امروزه، داشتن یک پیکربندی از چندین ماشین با برخی از انواع ذخیره سازی اشتراکی یا سیستم فایل همچون NFS، Windows Networking یا AppleTalk دیگر امر غیر عادی محسوب نمی شود. این سیستم ها با توجه به پیشرفت های حاصل شده در کارآیی آنها (پیشرفت هایی نظیر عمل کش کردن سمت کلاینت) به خوبی home directory ها کار خود را انجام می دهند. کش سازی سمت کلاینت تاریخچه تغییرات محلی فایل را بدون بروزرسانی بیدرنگ در وضعیتی که داده بر روی سرور و یا بر روی حافظه های کش موجود بر روی سایر کلاینت ها ذخیره شده باشد نگه داری می کند. این رویکرد بطور کلی بارگذاری های شبکه را کاهش داده و سرعت انجام اعمال معمولی از قبیل ویرایش یا کامپایل فایل ها را به روشی که هزینه های شبکه را تقریبا شفاف می سازد افزایش می دهد.
در حالی که مزیت کش سازی سمت کلاینت در سیستم های فایل شبکه ای بر کسی پوشیده نیست، برنامه های موازی در صورتیکه داده ارایه شده به آنها ناهماهنگ و متناقض باشد می توانند نتایج نادرستی را تولید نمایند. اگر پردازش ها همواره یک دید مشترک از داده را به اشتراک گذارند، برنامه های موازی قادر خواهند بود بدون خطا به کار خود ادامه دهند. یک روش، حصول اطمینان از این مسیله است که حافظه های کش موجود در هر گره همواره حاوی آخرین داده است. تکنیک های گوناگونی برای حفظ هماهنگی و سازگاری وجود دارد، که توسط هر تکنیک به مشخصه های متفاوتی از کارآیی می توان دست یافت.
برای مثال، برخی سیستم های فایل کلاستر مسیله سازگاری و هماهنگی داده را با استفاده از قفل های فایل به منظور جلوگیری از دستیابی همزمان به فایل حل می کنند. بطور کلی، قفل ها روشی برای حصول اطمینان از این مطلب هستند که تنها یک فرایند در یک لحظه قادر به اعمال تغییرات بر روی داده است. در یک سیستم فایل شبکه ای، معمولا یک قفل بایستی از یک مدیر قفل مرکزی کسب اجازه نماید. قفل های فایل نوع Coarse-grained تضمین می کنند که فقط یک پردازش در یک لحظه قادر به نوشتن داده در یک فایل باشد. کارآیی با افزایش تعداد پردازش ها تنزل خواهد یافت. سایر روش ها شامل طرح های قفل فایل fine-grained، همچون قفل محدوده بایت (byte-range)، می باشند که این امکان را فراهم می آورند که چندین پردازش بصورت همزمان نواحی مختلفی از یک فایل به اشتراک گذاشته شده را بنویسند. به هر حال، آنها با محدودیت های مقیاس پذیری ((scalability نیز مواجه می شوند. بالاسری (overhead) ناشی از نگهداری تعداد زیادی از قفل های از این نوع در نهایت به تنزل کارآیی ختم می گردد. در حالت کلی تر، هر سیستم قفل شبکه ای با یک گلوگاه محدود کننده برای دسترسی داده مواجه می شود. برای دستیابی به مقیاس پذیری و کارآیی در مورد درخواست های برنامه هایی که اعمال ورودی/خروجی زیادی دارند، یک سیستم بدون بالاسری قابل توجه (همچون قفل کردن) و بدون عرضه متفاوت داده میان گره ها (همچون کش سازی سمت کلاینت) مورد نیاز است. برنامه های موازی تمایل دارند که هر فرایند را وادار به نوشتن در نواحی مجزایی از یک فایل به اشتراک گذاشته شده نمایند. برای این نوع برنامه ها، در حقیقت هیچ نیازی به عمل قفل کردن نیست، و ما می خواهیم که تمام اعمال نوشتن بصورت موازی و بدون تاخیر موجود در چنین رویکردهایی ادامه یابد.
بجای داشتن یک سیستم فایل با کارآیی بالا که زمان زیادی را صرف مجادله برای منابع مشترک یا تلاش برای حفظ سازگاری و هماهنگی حافظه های کش کند، حالت ایده آل این است که سیستمی را طراحی کنیم که به اشتراک گذاری منابع و سازگاری مناسب را پشتیبانی نماید. PVFS2 مثالی از یک سیستم فایل موازی نسل آینده است که برای برآورده ساختن این موارد طراحی شده است. در قسمت بعد به بحث در مورد چگونگی راه اندازی PVFS2 خواهیم پرداخت.
● سیستم PVFS2
PVFS2 نشان می دهد که ساختن یک سیستم فایل موازی که بصورت مجازی با پی ریزی دقیق فوق داده و فضانام و همچنین تعریف معانی دستیابی داده که می تواند بدون قفل کردن در دسترس قرار گیرد سازگاری را حفظ کند، امکانپذیر است. این طراحی به بروز برخی از رفتارهای سیستم فایل که مورد انتظار تعدادی از برنامه های سنتی نیست ختم می شود. این معانی در زمینه ورودی/خروجی موازی بحث جدیدی به شمار نمی روند. PVFS2 بصورت دقیق تر معانی را که توسط MPI-IO، یک API ورودی/خروجی با کارآیی بالا، دیکته می شود پیاده سازی می نماید.
PVFS2 همچنین دارای پشتیبانی محلی برای الگوهای انعطاف پذیر ناپیوسته دستیابی داده می باشد. اغلب برنامه های سنتی (نظیر "cat" و "vi") به نواحی داده پیوسته از فایل های باز شده دسترسی دارند، در حالیکه برنامه های علمی اغلب اوقات نیازمند الگوهای دستیابی هستند که ناپیوسته باشند. برای مثال، شما می توانید برنامه ای را تصور نمایید که ستونی از عناصر خارج از یک آرایه را می خواند. برای بازیابی این داده، برنامه ممکن است تعداد زیادی عمل خواندن کوچک و پراکنده را بر روی سیستم فایل انجام دهد. در صورتیکه، اگر بتواند طی یک مرحله تمامی عناصر ناپیوسته را از سیستم فایل درخواست نماید، هم سیستم فایل و هم برنامه به نحو کارآمد تری وظیفه خود را انجام خواهند داد (شکل 2 را ببینید).
علاوه بر کارآیی، ثبات و مقیاس پذیری scalability)) نیز اهداف مهم طراحی به شمار می آیند. به منظور کمک به دستیابی به این اهداف، PVFS2 بر اساس یک معماری مستقل از وضعیت ((stateless طراحی گردیده است. این به آن معنی است که سرورهای PVFS2 تاریخچه مربوط به اطلاعات سیستم فایل، اطلاعاتی مانند اینکه کدام فایل ها باز شده اند یا موقعیت فایل ها و مواردی از این قبیل، را نگهداری نمی کنند. همچنین در این مورد هیچ وضعیت قفل مشترکی برای مدیریت وجود ندارد. مزیت اصلی یک معماری مستقل از وضعیت این است که در آن کلاینت ها قادرند بدون بهم زدن کل سیستم دچار خطا شده و مجددا به کار خود ادامه دهند. این معماری همچنین به PVFS2 این امکان را می دهد که در مواجهه با صدها سرور و هزاران کلاینت بدون اینکه تحت فشار بالاسری و پیچیدگی پیگیری وضعیت فایل یا اطلاعات قفل متعلق به کلاینت های مذکور قرار گیرد وظیفه خود را بدرستی انجام دهد.
بر خلاف PVFS نسل گذشته، PVFS2 دارای یک سیستم شبکه ای و ذخیره سازی ماژولار است. یک سیستم ذخیره سازی ماژولار این امکان را برای چندین back-end ذخیره سازی فراهم می آورد که به راحتی به PVFS2 متصل شوند. این خاصیت تلفیقی کار افرادی را که در حال تحقیق بر روی ورودی/خروجی به منظور آزمایش و تجربه تکنیک های مختلف ذخیره سازی هستند ساده می سازد. همچنین یک سیستم شبکه ای ماژولار اجازه کار بر روی اتصالی از شبکه های چندگانه را داده و فرایند افزودن پشتیبانی برای انواع دیگری از شبکه ها را آسان می نماید. PVFS2 در حال حاضر TCP/IP و همچنین شبکه های Infinibandو Myrinet را پشتیبانی می کند.
این طراحی ها PVFS2 را قادر به انجام وظایف خود به نحو عالی در یک محیط موازی می سازد، اما در وضعیتی که به عنوان یک سیستم فایل محلی مورد استفاده قرار گیرد کار خود را به خوبی قبل انجام نخواهد داد. بدون کش سازی فوق داده سمت کلاینت، برخی اعمال زمان زیادی صرف می کنند.این امر می تواند مدت زمان انجام برنامه هایی همچون "ls" را بیشتر از حد انتظار افزایش دهد. با وجود این محدودیت، PVFS2 برای برنامه هایی که دارای اعمال ورودی/خروجی زیادی هستند مناسب تر است، تا اینکه برای میزبانی یک home directory مورد استفاده قرار گیرد. PVFS2 برای خواندن و نوشتن کارآمد حجم زیادی از داده بهینه شده است، و از اینرو بسیار مناسب برنامه های علمی می باشد.
● اجزاء PVFS2
بسته اصلی PVFS2 شامل سه جزء متفاوت است: یک سرور، یک کلاینت و یک ماژول کرنل. سرور بر روی گره هایی که داده سیستم فایل یا فوق داده را ذخیره می کنند اجرا می شود. کلاینت و ماژول کرنل نیز بوسیله گره هایی که به شکل فعال داده (یا فوق داده) را از سرورهای PVFS2 ذخیره یا بازیابی می کنند مورد استفاده قرار می گیرند. بر خلاف PVFS اصلی، هر سرور PVFS2 توانایی ایفای نقش به عنوان یک سرور داده، یک سرور فوق داده یا هر دو را بصورت همزمان دارد. همانگونه که قبلا گفته شد، سیستم های فایل موازی از تعدادی گره سود می برند که تمام داده میان آنها به شکل قابل پیش بینی قطعه قطعه شده است. این گره ها همان سرورهای داده در PVFS2 هستند. برخی از انواع پیکربندی نیز ممکن است از چندین سرور فوق داده بهره ببرند. ذخیره کردن فوق داده در میان چندین گره کمکی است به موازنه بارگذاری سرور تحت اعمالی که شامل دسترسی سنگین و زیاد به فوق داده هستند (مثلا ایجاد یا تغییر نام تعداد زیادی فایل). این نوع پیکربندی بطور کامل در PVFS2 پشتیبانی می گردد. بهرحال، تعداد سرورهای فوق داده هیچ فشاری بر روی اعمال خواندن یا نوشتن وارد نمی آورد، و اکثر برنامه های علمی اعمال فوق داده کافی جهت هر گونه بهره برداری از پیچیدگی افزوده انجام نمی دهند.
کلاینت های PVFS2 با سرورهای PVFS2 بر روی اتصال شبکه ارتباط برقرار می نمایند. تمامی ارتباط به صورت اختیاری به حالت رمز در می آیند تا اطمینان حاصل گردد که ماشین های دارای معماری های متفاوت توانایی درک یکدیگر را دارند. یک کلاستر مختلط شامل گره های x86، Itanium و PowerPC را تصور نمایید. رمزبندی ارتباط ما تضمین می کند که تمامی گره ها قادر به استفاده از یک PVFS2 volume، صرفنظر از ترتیب بایت محلی یا اندازه کلمه خواهند بود. ماژول کرنل PVFS2 یک درایور کرنل لینوکس است که به یک PVFS2 اجازه نصب را همانند هر نوع سیستم فایل لینوکس دیگری می دهد. وظیفه اصلی آن ترجمه واضح تمامی اعمال سیستم فایل به دستورات کلاینت PVFS2 بر روی PVFS2 نصب شده است.
● دستیابی به سیستم های فایل PVFS2
دو روش جهت دستیابی به سیستم های فایل PVFS2 فراهم گردیده است. روش اول نصب کردن سیستم فایل PVFS2 است. این روش اعمال تغییرات توسط کاربر و دایرکتوری های لیست، یا انتقال فایل ها و همچنین اجرای باینری ها از سیستم فایل را مجاز می شمارد. این مکانیزم با برخی بالاسری های کارآیی مواجه می گردد اما مناسب ترین روش جهت دستیابی تعاملی به سیستم فایل می باشد.برنامه های علمی از روش دوم (MPI-IO) استفاده می نمایند. اینترفیس MPI-IO به دستیابی بهینه به فایل های منفرد توسط تعداد زیادی از پردازش ها بر روی گره های مختلف کمک می کند. آن همچنین اعمال دستیابی غیرپیوسته را فراهم می آورد که جهت دستیابی کارآمد به داده گسترش یافته در سراسر فایل مورد استفاده قرار می گیرد. در مورد تصویر 2 این کار با درخواست هر عنصر هشتمی که در آفست 0 شروع شده و در آفست 56 پایان می یابد، کلا به عنوان یک عملیات سیستم فایل، صورت می پذیرد. در این مقاله ما بر روی روش اول تمرکز کرده ایم.
● راه اندازی PVFS2
PVFS2 جهت اجرا بر روی چندین ماشین در نظر گرفته شده است. در هر صورت، برای سادگی کار، ما PVFS2 را بر روی یک ماشین نصب و راه اندازی می کنیم. ما ماشین را با نام "testmachine1" صدا خواهیم زد و نصب را در محل پیش فرض (/usr/local) انجام خواهیم داد. سپس نسخه PVFS2 را در /mnt/pvfs نصب خواهیم کرد. فرایند مربوط به نصب بر روی چندین ماشین کاملا مشابه روند گفته شده است. PVFS2 بر روی اغلب توزیع های جدید GNU/Linux ایجاد شده است، اما اگر شما مایلید از ماژول کرنل استفاده نمایید، شما به کرنل لینوکس نسخه 2.6.0-test4 یا پس از آن نیاز خواهید داشت. PVFS2 با استفاده از "configure" و "make" ایجاد و نصب گردیده است. در مثال هایی که در ادامه آمده است اینگونه فرض شده که شما به عنوان root وارد سیستم شده اید. در صورتیکه شما مایل به ایجاد ماژول کرنل باشید گزینه "--with-kernel" مورد نیاز خواهد بود.
./configure --with-kernel=/usr/src/linux-2.6.x
▪ make
make install
اگر شما قصد ایجاد ماژول کرنل اختیاری را دارید، اکنون باید آن را بصورت مجزا کامپایل نمایید. این کار را با تغییر دایرکتوری ها به دایرکتوری "src/kernel/linux-2.6" و اجرای "make" انجام دهید. پس از اینکه ماژول ایجاد شد، فایل pvfs2.ko را در محلی به انتخاب خود کپی نمایید (مثلا در /lib/modules/`uname -r`/kernel/fs/pvfs2.ko). پس از آنکه نرم افزار ایجاد و نصب گردید، بایستی پیکربندی شود. بسته PVFS2 ابزاری بنام pvfs2-genconfig را جهت ایجاد فایل های پیکربندی برای هر یک از سرورهای شما فراهم آورده است. هر سرور به دو فایل پیکربندی نیاز دارد (یکی برای پیش فرض های عمومی، و یکی برای تنظیمات محلی) که بایستی در هنگام اجرای pvfs2-genconfig مشخص گردند. یک مثال دستور خط فرمان می تواند به صورت زیر باشد:
▪ pvfs2-genconfig global.conf local.conf
این فرمان اطلاعات دیگری نیز از شما دریافت می نماید؛ بهرحال، احتمالا موارد پیش فرض برای این مثال کفایت می کند. توجه داشته باشید که فایل های ایجاد شده global.conf و local.conf-testmachine1 خواهند بود. قبل از آغاز به کار سرور PVFS2، شما بایستی دایرکتوری هایی را که برای عمل ذخیره سازی مورد استفاده قرار خواهند گرفت را تعیین نمایید. این کار بسیار ساده با آغاز pvfs2-server به همراه یک آرگومان "-f" در کنار نام فایل های پیکربندی صورت می گیرد.
▪ pvfs2-server global.conf local.conf-testmachine1 -f
سرور، فضای ذخیره سازی را آغاز سازی نموده و سپس خارج می شود. حال از این پس با همین خط فرمان اما بدون آرگومان "-f" می تواند شروع به کار نماید.
▪ pvfs2-server global.conf local.conftestmachine1
در مرحله بعد، یک فایل با نام /etc/pvfs2tab ایجاد نمایید. این فایل حاوی خط زیر است:
▪ tcp://testmachine1:3334/pvfs2-fs /mnt/pvfs pvfs2 default 0 0
در این مرحله از کار، اگر شما اینترفیس ماژول کرنل لینوکس را مورد آزمایش قرار نداده اید، می توانید بدون هیچ مشکلی به قسمت Testing بروید. در غیر اینصورت، همین حالا آن را با استفاده از insmod یا modprobe لود نمایید. گام بعدی آغاز به کار برنامه کلاینت PVFS2 است. برنامه کلاینت PVFS2 شامل دو برنامه به نام های pvfs2-client-core و pvfs2-client است. در صورتیکه برنامه pvfs2-client-core در PATH سیستم شما نصب شده باشد، برنامه pvfs2-client آن را بصورت خودکار یافته و شما به سادگی می توانید "pvfs2-client" را اجرا نمایید. در غیر اینصورت، شما باید با استفاده از سوییچ خط فرمان -p محل برنامه pvfs2-client-core را برای pvfs2-client مشخص نمایید.
▪ pvfs2-client -p /usr/local/bin/pvfs2-client-core
و در نهایت، برای نصب نوع نسخه PVFS2 :
▪ mount -t pvfs2 pvfs2 /mnt/pvfs
حالا PVFS2 نصب شده و آماده آزمایش است!
● سیستم فایل جدید خود را آزمایش نمایید
نخستین کار استفاده از ابزار pvfs2-ping به منظور اطمینان از روشن و در حال اجرا بودن سرور است. این ابزار طی یکسری مراحل تعیین می نماید که سیستم بدرستی پیکربندی شده و به درخواست هایی که از سوی کلاینت (کلاینتی که بر روی آن نصب شده است) صادر می شود پاسخ می دهد.
▪ pvfs2-ping -m /mnt/pvfs
سپس یک فایل را با استفاده از pvfs2-import بر روی سیستم کپی نمایید. این ابزار از برخی جهات شبیه "cp" است، اما در هنگام انتقال داده به سیستم فایل از بافرهای بزرگی استفاده می کند. همچنین زمان کپی را محاسبه می نماید.
▪ pvfs2-import linuxdistro.iso /mnt/pvfs/linuxdistro.iso
برای چک کردن فضای قابل استفاده بر روی سرورها، ما ابزاری بنام pvfs2-statfs فراهم کرده ایم. این ابزار اطلاعات را مشابه فرمان "df" گزارش می دهد؛ آن در میان تمامی سرورهای PVFS2 پیکربندی شده شما کار خود را انجام می دهد. همانند "df"، استفاده از گزینه "-h" موجب نمایش خروجی در اندازه خوانا توسط انسان می شود.
▪ pvfs2-statfs -h -m /mnt/pvfs
اگر شما PVFS2 را نصب کرده باشید، امکان استفاده از ابزارهای سیستمی استاندارد همچون "cp" و "df" برای شما فراهم خواهد بود. در هنگام کار با سیستم فایل آزمایشی تان، این احتمال وجود دارد که برخی از اعمال بنظر پاسخ دهندگی کمی داشته باشند. مجددا ذکر این نکته اهمیت دارد که سیستم های فایل موازی همچون PVFS2 برای انتقال حجم زیادی از داده بهینه شده اند.
● نتیجه گیری
هیچ سیستم فایلی وجود ندارد که راه حل کاملی برای هر نوع از اعمال ورودی/خروجی باشد، و PVFS2 نیز از این قاعده مستثنی نیست. برنامه های با کارآیی بالا برای دستیابی داده بر روی مجموعه متفاوتی از مشخصه ها تکیه دارند. به طور خاص، PVFS2 جهت برنامه های دارای حجم زیادی از اعمال ورودی/خروجی بسیار مناسب است. اگر شما حجم زیادی از داده دارید و نیازمند دسترسی سریع به آن از ماشین های فراوانی هستید، ارزش آن را دارد که نگاهی به PVFS2 بیاندازید.
مترجم: امین ایزدپناه