Escalonamento de E/S Transversal para Sistemas de Arquivos Paralelos : das Aplicações aos Dispositivos

This thesis focuses on I/O scheduling as a tool to improve I/O performance on parallel file systemsby alleviating interference effects. It is usual for High Performance Computing (HPC)systems to provide a shared storage infrastructure for applications. In this situation, when multipleapplications are concurrently accessing the shared parallel file system, their accesses willaffect each other, compromising I/O optimization techniques’ efficacy.We have conducted an extensive performance evaluation of five scheduling algorithms at aparallel file system’s data servers. Experiments were executed on different platforms and underdifferent access patterns. Results indicate that schedulers’ results are affected by applications’access patterns, since it is important for the performance improvement obtained througha scheduling algorithm to surpass its overhead. At the same time, schedulers’ results are affectedby the underlying I/O system characteristics - especially by storage devices. Differentdevices present different levels of sensitivity to accesses’ sequentiality and size, impacting onhow much performance is improved through I/O scheduling.For these reasons, this thesis main objective is to provide I/O scheduling with double adaptivity:to applications and devices. We obtain information about applications’ access patternsthrough trace files, obtained from previous executions. We have applied machine learning tobuild a classifier capable of identifying access patterns’ spatiality and requests size aspects fromstreams of previous requests. Furthermore, we proposed an approach to efficiently obtain thesequential to random throughput ratio metric for storage devices by running benchmarks for asubset of the parameters and estimating the remaining through linear regressions.We use this information on applications’ and storage devices’ characteristics to decide the bestfit in scheduling algorithm though a decision tree. Our approach improves performance byup to 75% over an approach that uses the same scheduling algorithm to all situations, withoutadaptability. Moreover, our approach improves performance for up to 64% more situations, anddecreases performance for up to 89% less situations. Our results evidence that both aspects- applications and storage devices - are essential for making good scheduling choices. Moreover,despite the fact that there is no scheduling algorithm able to provide performance gainsfor all situations, we show that through double adaptivity it is possible to apply I/O schedulingtechniques to improve performance, avoiding situations where it would lead to performanceimpairment.Esta tese se concentra no escalonamento de operações de entrada e saída (E/S) como uma soluçãopara melhorar o desempenho de sistemas de arquivos paralelos, aleviando os efeitos dainterferência. É usual que sistemas de computação de alto desempenho (HPC) ofereçam umainfraestrutura compartilhada de armazenamento para as aplicações. Nessa situação, em quemúltiplas aplicações acessam o sistema de arquivos compartilhado de forma concorrente, osacessos das aplicações causarão interferência uns nos outros, comprometendo a eficácia de técnicaspara otimização de E/S.Uma avaliação extensiva de desempenho foi conduzida, abordando cinco algoritmos de escalonamentotrabalhando nos servidores de dados de um sistema de arquivos paralelo. Foramexecutados experimentos em diferentes plataformas e sob diferentes padrões de acesso. Osresultados indicam que os resultados obtidos pelos escalonadores são afetados pelo padrão deacesso das aplicações, já que é importante que o ganho de desempenho provido por um algoritmode escalonamento ultrapasse o seu sobrecusto. Ao mesmo tempo, os resultados doescalonamento são afetados pelas características do subsistema local de E/S - especialmentepelos dispositivos de armazenamento. Dispositivos diferentes apresentam variados níveis desensibilidade à sequencialidade dos acessos e ao seu tamanho, afetando o quanto técnicas deescalonamento de E/S são capazes de aumentar o desempenho.Por esses motivos, o principal objetivo desta tese é prover escalonamento de E/S com duplaadaptabilidade: às aplicações e aos dispositivos. Informações sobre o padrão de acesso dasaplicações são obtidas através de arquivos de rastro, vindos de execuções anteriores. Aprendizadode máquina foi aplicado para construir um classificador capaz de identificar os aspectosespacialidade e tamanho de requisição dos padrões de acesso através de fluxos de requisiçõesanteriores. Além disso, foi proposta uma técnica para obter eficientemente a razão entre acessossequenciais e aleatórios para dispositivos de armazenamento, executando testes para apenas umsubconjunto dos parâmetros e estimando os demais através de regressões lineares.Essas informações sobre características de aplicações e dispositivos de armazenamento são usadaspara decidir a melhor escolha em algoritmo de escalonamento através de uma árvore dedecisão. A abordagem proposta aumenta o desempenho em até 75% sobre uma abordagem queusa o mesmo algoritmo para todas as situações, sem adaptabilidade. Além disso, essa técnicamelhora o desempenho para até 64% mais situações, e causa perdas de desempenho em até 89%menos situações. Os resultados obtidos evidenciam que ambos aspectos - aplicações e dispositivosde armazenamento - são essenciais para boas decisões de escalonamento. Adicionalmente,apesar do fato de não haver algoritmo de escalonamento capaz de prover ganhos de desempenhopara todas as situações, esse trabalho mostra que através da dupla adaptabilidade é possívelaplicar técnicas de escalonamento de E/S para melhorar o desempenho, evitando situações emque essas técnicas prejudicariam o desempenho.Ordonnancement d’E/S Transversal pour les Systèmes de Fichiers Parallèles : desApplications aux DispositifsCette thèse porte sur l’utilisation de l’ordonnancement d’Entrées/Sorties (E/S) pour atténuer leseffets d’interférence et améliorer la performance d’E/S des systèmes de fichiers parallèles. Ilest commun pour les plates-formes de calcul haute performance (HPC) de fournir une infrastructurede stockage partagée pour les applications qui y sont hébergées. Dans cette situation,où plusieurs applications accèdent simultanément au système de fichiers parallèle partagé, leursaccès vont souffrir de l’interférence, ce qui compromet l’efficacité des stratégies d’optimisationd’E/S.Nous avons évalué la performance de cinq algorithmes d’ordonnancement dans les serveurs dedonnées d’un système de fichiers parallèle. Ces tests ont été exécutés sur différentes platesformeset sous différents modèles d’accès. Les résultats indiquent que la performance des ordonnanceursest affectée par les modèles d’accès des applications, car il est important pouraméliorer la performance obtenue grâce à un algorithme d’ordonnancement de surpasser sessurcoûts. En même temps, les résultats des ordonnanceurs sont affectés par les caractéristiquesdu système d’E/S sous-jacent - en particulier par des dispositifs de stockage. Différents dispositifsprésentent des niveaux de sensibilité à la séquentialité et la taille des accès distincts, ce quipeut influencer sur le niveau d’amélioration de obtenue grâce à l’ordonnancement d’E/S.Pour ces raisons, l’objectif principal de cette thèse est de proposer un modèle d’ordonnancementd’E/S avec une double adaptabilité : aux applications et aux dispositifs. Nous avons extraitdes informations sur les modèles d’accès des applications en utilisant des fichiers de trace,obtenus à partir de leurs exécutions précédentes. Ensuite, nous avons utilisé de l’apprentissageautomatique pour construire un classificateur capable d’identifier la spatialité et la taille desaccès à partir du flux de demandes antérieures. En outre, nous avons proposé une approche pourobtenir efficacement le ratio de débit séquentiel et aléatoire pour les dispositifs de stockage enexécutant des benchmarks pour un sous-ensemble des paramètres et en estimant les restantsavec des régressions linéaires.Nous avons utilisé les informations sur les caractéristiques des applications et des dispositifsde stockage pour décider automatiquement l’algorithme d’ordonnancement le plus appropriéen utilisant des arbres de décision. Notre approche améliore les performances jusqu’à 75% parrapport à une approche qui utilise le même algorithme d’ordonnancement dans toutes les situations,sans capacité d’adaptation. De plus, notre approche améliore la performance dans 64%de scénarios en plus, et diminue les performances dans 89% moins de situations. Nos résultatsmontrent que les deux aspects - des applications et des dispositifs - sont essentiels pour faire desbons choix d’ordonnancement. En outre, malgré le fait qu’il n’y a pas d’algorithme d’ordonnancementqui fournit des gains de performance pour toutes les situations, nous montrons queavec la double adaptabilité il est possible d’appliquer des techniques d’ordonnancement d’E/Spour améliorer la performance, tout en évitant les situations où cela conduirait à une diminutionde performance