Réseaux rapides et stockage distribué dans les grappes de calculateurs : propositions pour une interaction efficace

This work aims at studying the exploitation of high-speed networks of clusters for distributed storage. Parallel applications running on clusters require both high-performance communications between nodes and efficient access to the storage system. Many studies on network technologies led to the design of dedicated architectures for clusters with very fast communications between computing nodes. Efficient distributed storage in clusters have been essentially developed by adding parallelization mechanisms so that the server(s) may sustain an increased workload. In this work, we propose to improve the performance of distributed storage systems in clusters by efficiently using the underlying high-performance network to access distant storage systems. The main question we are addressing is: do high-speed networks of clusters fit the requirements of a transparent, efficient and high-performance access to remote storage? We show that storage requirements are very different from those of parallel computation. High-speed networks of clusters were designed to optimize communications between different nodes of a parallel application. We study their utilization in a very different context, storage in clusters, where client-server models are generally used to access remote storage (for instance NFS, PVFS or Lustre). Our experimental study based on the usage of the GM programming interface of Myrinet high-speed networks for distributed storage did raised several interesting problems. Firstly, the specific memory utilization in the storage access system layers does not easily fit the traditional memory model of high-speed networks. Secondly, client-server models that are used for distributed storage have specific requirements on message control and event processing, which are not handled by existing interfaces. We propose different solutions to solve communication control problems at the file-system level. We show that a modification of the network programming interface is required. Data transfer issues need an adaptation of the operating system. We detail several propositions for network programming interfaces which make their utilization easier in the context of distributed storage. The integration of a flexible processing of data transfer in the new programming interface Myrinet/MX is finally presented. Performance evaluations show that its usage in the context of both storage and other types of applications is easy and efficient.L'objectif de ce travail est d'étudier l'exploitation des réseaux haute performance des grappes dans le cadre du stockage distribué. Les applications parallèles s'exécutant sur les grappes nécessitent à la fois des communications performantes entre les différents noeuds et des accès efficaces au système de stockage. Les travaux menés sur les technologies réseau ont abouti à la conception d'architectures dédiées aux grappes qui permettent des communications très rapides entre les noeuds. Les travaux visant à obtenir un stockage distribué efficace dans les grappes se sont pour leur part principalement focalisés sur des mécanismes de parallélisation pour augmenter la charge de travail supportée par le (ou les) serveur. Nous proposons dans ce travail d'améliorer les performances du stockage distribué dans les grappes en utilisant au mieux le réseau haute performance sous-jacent pour accéder au stockage distant. La question générale que nous soulevons est : est-ce que les réseaux rapides des grappes sont adaptés à un accès transparent, efficace et performant au stockage distant ? Nous montrons que les besoins du stockage sont très différents de ceux du calcul parallèle. Les réseaux des grappes ont été conçus pour optimiser les communications entre les différents noeuds d'une application parallèle. Nous étudions leur utilisation dans le cadre, très différent, du stockage dans les grappes, qui s'appuie généralement sur un modèle client/serveur d'accès aux fichiers distants (par exemple NFS, PVFS ou Lustre). Une étude expérimentale reposant sur l'utilisation de GM, l'interface de programmation du réseau rapide Myrinet, dans le contexte du stockage distribué révèle différents freins. Tout d'abord, l'utilisation mémoire particulière dans les couches système d'accès au stockage s'intègre difficilement dans l'habituelle gestion mémoire des réseaux rapides. Ensuite, les modèles client-serveur utilisés dans le stockage distribué présentent des besoins spécifiques pour la gestion des messages et des événements réseau, besoins non couverts par les interfaces actuelles. Nous proposons différentes solutions pour résoudre, au niveau du système de fichiers les problèmes liés au contrôle du réseau mais montrons qu'il est nécessaire de modifier l'interface de programmation réseau et le système d'explotation pour venir à bout des difficultés liées au transfert de données. Nous détaillons des propositions à mettre en oeuvre dans les interfaces de programmation du réseau pour faciliter leur utilisation dans le cadre du stockage. L'intégration dans une nouvelle interface de programmation, Myrinet/MX, d'une gestion souple des transferts de données est présentée. Les premiers résultats montrent que son utilisation dans le cadre du stockage distribué, mais aussi dans d'autres applications, se révèle aisée et efficace