Subsecciones
En los clusters la eficacia del sistema de comunicación es
crítica.
Si las comunicaciones fallan el cluster dejará de ser un cluster
y se convertirá en un conjunto de máquinas que no cooperarán, algo lejos del objetivo.
Por lo tanto es usual disponer en sistemas cluster de alta disponibilidad de una red alternativa
por si la red principal fallara.
Cabe decir que una red es un elemento bastante fiable a nivel físico: es difícil que una vez
instalada y probada, falle.
Sobre las topologías y tecnologías de red que existen se hablará en las próximas secciones.
Otro tema importante de la red es la eficiencia: de nada sirve una red
si está congestionada.
Hay que tener en cuenta que todas las comunicaciones entre nodos pasan a través de la red; dependiendo
de la cantidad de nodos la red puede ser la culpable directa de mermar la eficacia computacional
del cluster. Es por esta razón que la inversión en una red tecnológicamente moderna es habitual en estos sistemas.
Existen muchas topologías de red que se han impuesto en diversos entornos,
cada una de estas topologías tienen sus propios puntos fuertes.
Las topologías estáticas son topologías donde
una vez hechas las conexiones, éstas no cambian.
Las redes dinámicas están construidas con elementos que se pueden conectar
entre varios caminos, esto hace que si un camino está siendo
usado se pueda usar otro, permitiendo más paralelismo.
La topología de la red influye mucho en el grado de paralelismo
que se pueda alcanzar.
Las redes estáticas fueron las primeras en aparecer.
En estas redes se distingue entre redes punto a punto y redes con
acceso a medio compartido.
Van a verse los ejemplos más usados, explicando las ventajas
y los inconvenientes de cada una de ellos.
Entre las redes punto a punto destacan:
- Lineal.
Todos los nodos están conectados de forma lineal; como la comunicación es
de punto a punto el peor caso es cuando un nodo de una esquina quiera conectar
con un nodo que esté en la otra esquina.
En este caso se necesitan N-1 pasos para llegar hasta el destino, siendo
N el número de nodos en la red.
- Anillo.
Es similar al caso de la red lineal pero los nodos de las esquinas están
unidos entre sí
sto tiene la ventaja que añadiendo un solo enlace más
se consigue que el diámetro de la red pase de N-1 a
pues ahora los dos nodos más alejados son los que estén en dos puntos extremos
de un anillo con la mitad de los nodos en cada lado hasta llegar hasta
ellos.
- Estrella.
Hay un nodo central que se conecta con todos los demás nodos.
Todos los nodos sólo se conectan al nodo central.
Esto tiene la ventaja de que en 2 pasos se llega desde cualquier nodo a
cualquier otro (excepto el central que solo necesita uno).
Pero la desventaja que el nodo central tiene que soportar mucha sobrecarga,
pues tiene que llevar todas las comunicaciones que están ocurriendo.
Además si ese nodo central cayera, la red dejaría de funcionar.
- Árbol.
Cada nodo puede tener unido a él varios nodos hijos y está unido a un nodo
padre, menos el nodo raíz y los nodos hoja.
Una variante muy usada es el árbol binario en el que cada nodo tiene como
máximo 2 nodos hijos.
Esto hace que se puedan hacer varios cálculos (recorridos, ...) de forma más efectiva.
Una mejora de este árbol es el árbol jerárquico que consta de más enlaces
según se sube en las ramas del árbol, esto es así porque los padres tienen
que llevar a cabo todas las comunicaciones que quieran hacer sus hijos
que no tengan como destinatarios a sus hermanos y como a cuanta más altura
más hijos tiene cada padre (entendiendo por hijos: hijos, nietos, bisnietos,
etc.) hay más comunicaciones de las que el padre se tiene que hacer cargo por
lo que se necesitan más posibilidades de comunicación.
Los pasos que tiene que seguir un dato de uno de los nodos para que llegar
a su nodo más lejano es
.
- Malla.
Los nodos están conectados en una red 2D. Cada uno se conecta
con otros cuatro nodos excepto los nodos que están en los bordes de la
malla que se conectan a 2 o 3 nodos.
El aspecto que tiene esta forma de conectar una red es como un tablero
de ajedrez donde los puntos donde se cruzan las líneas son los nodos y
las líneas son los medios de comunicación.
Los pasos que se tienen que seguir para que un dato llegue de un nodo a
su nodo más alejado son 
siendo r el número de nodos por lado que hay.
Suele implementarse en circuitos para soportar multiprocesadores.
- Sistólica.
Muy parecida a la malla 2D pero existen más
conexiones entre los elementos: 6 conexiones. Es una red más cara de construir pero
que necesita menos pasos para llegar los datos de un nodo a otro nodo.
- Totalmente conectada.
Esta red es la más cara de construir porque cada nodo
está conectado a todos los demás. Esto permite que un dato
llegue de un nodo a cualquier otro en 1 paso, minimizándose al máximo el
tiempo gastado en el traspaso de información.
Esta configuración sólo es viable para un número de nodos pequeño.
- Hipercubo.
Es una malla de N dimensiones, este número de dimensiones es el grado del hipercubo.
En esta malla cada nodo conecta con un número de nodos igual al grado del
hipercubo, el número de nodos del que dispone el hipercubo es 
.
En esta configuración todos los nodos son iguales, conectan con el mismo
número de nodos.
Aunque es un poco difícil de visualizar con grados mayor que el grado tres,
es una configuración bastante usada (Intel hizo en su día una red de este
tipo con procesadores 286).
Figura:
La importancia de la red. Topología de redes estáticas
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Estas redes cambian su topología dinámicamente: cuando dos nodos necesitan
conectarse la red puede cambiar de tal forma que se puedan conectar, así
no se necesita pasar por todos los nodos o crear una complicada estructura
de conexión.
En el caso anterior los nodos tenían que proveer de las capacidades que
necesitaba la red (por ejemplo el nodo central de una red tipo estrella
tenía que tener características especiales) .
Este es el caso donde la red es controlada por los nodos.
La red está formada de cajas de conmutación: cambiando las cajas de conmutación
se cambia la red.
Hay dos tipos de redes dinámicas:
- Redes monoetapa: sólo necesitan un paso para conectar dos nodos diferentes
(una sola etapa).
- Redes multietapa: realizan las conexiones entre los nodos en más de un paso.
En las redes monoetapa si no se puede acceder desde cualquier elemento a
otro cualquiera se necesita recircular la información.
Dentro de este tipo de redes es de especial interés el caso de la red de
barras cruzadas: los procesadores tanto formando una linea en horizontal
como en vertical y unas vias los conectan; cuando un procesador se quiere
comunicar con otro, la posición (proc X, proc Y) se activa con lo que se
hace una conexión.
Esto permite que todos los procesadores puedan mantener conexiones independientes.
Mientras que no haya dos procesadores que quieran comunicarse con un mismo
procesador no habrá ningún problema.
Este esquema es bastante caro y no merece la pena si no se hacen muchas
conexiones simultáneas.
Figura:
La importancia de la red. Barras cruzadas
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Las redes multietapa son más complejas.
Para comprenderlas primero tenemos que comprender las cajas de conmutación.
Las cajas de conmutación tienen dos entradas y dos salidas.
Para un ejemplo las entradas se llamaran e1 y e2 y las salidas s1 y s2.
Se pueden formar cuatro posibles configuraciones, según se relacionan las
entradas con las salidas:
- Paso directo: las dos entradas pasan directamente a las 2 salidas.
La entrada e1 sale por la salida s1 y la entrada e2 sale por la entrada
s2.
- Cruce: las salidas salen en sentido inverso a las entradas.
La entrada e1 se conecta con la salida s2 y la entrada e2 se conecta con
la salida s1.
- Difusión inferior: ésta y la siguiente configuración se usan para hacer
broadcast. En esta configuración la entrada e1 se conecta a la salida s1 y s2 y la
entrada e2 se deja sin conectar. Por lo tanto se asegura que
por e2 no está pasando una comunicación para realizar esta operación.
- Difusión superior: similar al caso anterior, pero ahora es la entrada e2
la que se conecta a las salidas s1 y s2 y la entrada e1 la que no se conecta
a nada.
Se pueden dividir las redes multietapa en tres tipos:
- Con bloqueo: en estas redes para llegar de un nodo a otro solo hay un camino,
para ahorrar conexiones, gracias a las cajas de conmutación varios caminos
van a una caja por lo que puede ocurrir que la conexión simultánea de varios
nodos produzca conflictos.
Tras realizar una asociación entre dos nodos, intentar hacer otra asociación
puede bloquear.
Figura:
La importancia de la red. Red dinámica con bloqueo
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En este ejemplo si los dos primeros nodos quieren conectar con el primer
nodo, tendrán que esperar porque los dos necesitan el mismo enlace.
- Reordenables: existen varios caminos para llegar al mismo lugar, siempre
se puede conectar otro camino, pero quizás habría que reordenar la situación.
Estas redes son más complejas pero aunque se necesite reordenación, podemos
conectar simultáneamente los nodos.
Además estas redes se pueden construir de un tamaño arbitrario usando el
método de red de benes, solo hay que unir redes de este tipo de potencia
de 2 para conseguirlo.
Figura:
La importancia de la red. Red dinámica reordenable
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- Sin bloqueo: estas redes pueden manejar todas las conexiones posibles sin
que se produzcan bloqueos, para conseguir esto, todas las cajas de conmutación
de un nivel (una columna) se conectan a todas las cajas de conmutación
de la siguiente columna.
Van a verse las tecnologías de red más usadas en el clustering.
Estas tecnologías son las mismas que imperan en el mundo de las redes locales
de medio y alto rendimiento y son:
- Serie
- Ethernet
- Fast Ethernet
- Gigabit Ethernet
- ATM
Por supuesto estas no son las únicas tecnologías existentes, pero si que
son las más comunes. Las comunicaciones a través de Token Ring o sus derivados quedan
fuera de este tema.
- Serie: puede ser un poco sorprendente ver este método de comunicación aquí
pero al menos una aplicación muy importante puede usarlo por lo
que puede ser un buen método de comunicación si se necesita una forma sencilla
de comunicarse con otro nodo.
La aplicación que usa este método es Heartbeat del que se habla con más
detalle en el capítulo de clusters HA.
La comunicación serie es perfecta para esta aplicación pues sus pequeños pulsos no necesitan
gran ancho de banda pero en un medio compartido como Ethernet pueden ocasionar
colisiones que afecten en gran medida al rendimiento de otras comunicaciones
que se lleven a cabo en el cluster.
- Ethernet: la velocidad máxima teórica es de 10 Mb/segundo y aunque hace pocos años
era un estandar y estaba muy extendido el uso de esta tecnología en redes
locales, la caída de los precios de los equipos de 100 Mb/segundo (Fast Ethernet) ha hecho
que esta tecnología quede desfasada.
Ethernet está especificado en el estandard IEEE 802.3, es half
duplex. Existe un medio compartido que físicamente puede ser
topología tipo bus (por ejemplo de cable coaxial) o en topología
tipo estrella con un hub o un switch como elemento central.
El acceso al medio compartido se gestiona con CSMA/CD (Carrier
Sense Medium Access/Colision Detection) Esto quiere decir que la
tarjeta de red antes de enviar la información escucha la
linea mirando el voltaje de la línea sabe si hay datos o no en
ella.
Si no hay datos, envía sus datos y se pone a escuchar la línea, si el voltaje
es superior a un determinado umbral, más de una tarjeta está intentando
enviar datos a la línea a la vez.
En este caso, se considera que los datos que se enviaron se enviaron con
errores y se vuelve a intentar enviarlos tras un tiempo aleatorio (
, siendo 
el número de intento). Este método de acceso
al medio impone ciertas condiciones a las redes Ethernet. Por ejemplo
tiene que haber un tamaño mínimo de paquete (46 bytes) y una longitud máxima de segmento.
Es de especial mención la gran diferencia que existe entre usar un
hub y un switch. El hub simplemente conecta todos
los cables que le entran con todos, sirve pues para tener una topología
física de estrella. A su vez pero se obtiene una topología lógica de bus; esto
tiene la ventaja de que si se corta un cable sólo se incomunica un
ordenador, no todos.
El switch en cambio, a parte de tener la misma función que el
hub, sólo conecta los cables de los ordenadores que se están comunicando.
Hay 2 tipos de switch:
- Cut-through (al vuelo): en cuanto lee la dirección de
destino del paquete lo reenvía por el cable adecuado, así varios ordenadores pueden estar comunicándose simultáneamente
siempre que las parejas de ordenadores que se comunican sean distintas.
- Almacenamiento y reenvío: similar al anterior pero no envía un paquete hasta
que lo tiene completo. Esto evita algunas colisiones y elimina los paquetes
erróneos lo antes posible, además aporta mejora en la gestión de la red,
como conteo de paquetes, filtros y otras opciones que dependen de cada
fabricante en cuestión, el problema es que la latencia de la red aumenta.
- Fast Ethernet: Utiliza la misma técnica que Ethernet pero con velocidades de 100 Mb/segundo,
puede usar el cableado existente por lo que los cambios se reducen a las
tarjetas de red (hoy en día las mismas tarjetas de 10 Mb/segundos también
tienen soporte para esta tecnología) y a los concentradores (en los que
sí que hay que hacer mayores inversiones pues son bastante más caros).
Existen concentradores con puertos 10/100 para facilitar la migración a
esta tecnología.
Como la trama mínima sigue del mismo tamaño, el tamaño máximo de estas
redes tiene que ser 10 veces inferior para poder detectar cualquier colisión.
Está normalizado en el 802.3u.
- Gigabit Ethernet: esta es la tecnología Ethernet de
más reciente aparición, que consigue velocidades de 1 Gbps o
superiores y es compatible con las dos tecnologías anteriores.
Se disminuye la distancia para detectar colisiones.
Se puede usar cables de categoría 5 pero para grandes distancias se recomienda
el uso de fibra óptica.
Cuando lo que se necesita es una red LAN de altísimas prestaciones (como
la que puede necesitar un cluster) y se dispone del dinero necesario, la
elección está entre esta tecnología y ATM.
- ATM: se basa en una tecnología de conmutación de celdas.
Las celdas son de un tamaño fijo (53 bytes, 5B cabecera + 48B datos), esto
simplifica en gran medida el procesamiento de las celdas, acelerando la
conmutación y disminuyendo el retardo.
Da muchos servicios de valor añadido de los que no dispone Ethernet, por
ejemplo permite que la velocidad de transferencia sea fijada dinámicamente
bajo demanda.
No sólo eso, sino que puede garantizar otros factores, como el retardo,
por lo que la gran ventaja es el QoS (calidad de servicio) que de forma inherente proporciona.
Es una red orientada a conexión y tiene
un control del tráfico y de la congestión muy eficiente.
Los problemas que plantea frente a otras soluciones es que es una alternativa
muy cara: la tecnología es compleja y aún no existen muchas aplicaciones
desarrolladas.
Otro tema importante aparte de las topologías o tecnologías de red utilizadas
son los protocolos que se adaptan mejor a sistemas cluster.
Generalmente la tecnología de red de cluster
más utilizada suele ser ATM o Ethernet y dado el precio de los dispositivos
ATM suele ser normalmente la segunda.
En cualquier caso, el protocolo más extendido en el uso de las redes de
cualquier tipo actualmente es IP (Internet Protocol).
IP permite trabajar sobre cualquier tecnología de red, ya que es independiente
del medio de comunicación físico.
IP es un protocolo no orientado a conexión y no fiable que se basa en técnicas
de el mejor esfuerzo (best effort) para encaminar sus
paquetes. Esto es en cierto modo una ventaja, en el caso de que se
utilice sobre redes no conectivas como pueden ser Ethernet, o una
desventaja en redes ATM. En cualquier caso la adaptabilidad del
protocolo IP a cualquier red mediante capas que actúan de interfaz
permite situar este protocolo por encima de ATM, Frame Relay, Ethernet o redes
LAN en general e incluso sobre líneas serie o paralelo.
El protocolo IP se encarga de cumplir los siguientes objetivos en una comunicación:
- Definir el formato de bloques de datos que será enviado, para evitar errores
de cabecera o tipo de archivos.
- Esquema de direccionamiento.
- Movimiento de datos entre nivel de transporte y nivel de red, dependiente
de cada implementación.
- Encaminamiento de los datagramas.
- Fragmentación y agrupación de los datagramas en el caso de que sea necesario
al pasar el paquete por redes de MTU más pequeña.
Es un protocolo ampliamente utilizado y con muchos años de uso.
La práctica totalidad de los sistemas que se conectan a redes tienen alguna
implementación IP ya sea completa o incompleta, lo que nos permite tener
redes de equipos hetereogéneos.
IP no es sólo un protocolo aislado, sino que trabaja en conjunto con otros
protocolos como TCP para realizar transmisiones.
Estos protocolos son ICMP e IGMP en el nivel de red3.9 y
TCP y UDP en el nivel de transporte.
El protocolo ICMP (Internet Control Message Protocol) se encarga de
mandar mensajes de control: errores en host, fallos de encaminamiento y
mensajes similares, entre los host de la red. IGMP (Internet Group Message Protocol) se encarga
de mantener actualizada la información relativa a la creación de grupos
para la multidifusión, broadcast o multicast.
El conjunto de estos protocolos dotan a la solución de una completa solidez
en uso y funcionamiento.
El formato de bloques de IP no interviene en el factor de diseño de
clusters, además, en el caso de IP, permite reducir bastante
el tamaño de los paquetes que hay que enviar o ampliarlos al máximo de
lo que nos permita la red.
El esquema de direccionamiento tampoco es un problema para los clusters,
aunque empieza a serlo a nivel mundial por la escasez de direcciones.
Se espera que en poco tiempo la red vaya migrando a IPv6, en cualquier
caso desde el punto de vista particular de los clusters el uso de IPv6
o IPv4 no tiene por que ser drástico e incluso puede favorecernos esta
migración por hacer que los paquetes sean más
configurables.
Respecto al encaminamiento y la fragmentación de los datagramas, permiten
tener clusters diseminados por una geografía más extensa.
Generalmente los clusters suelen localizarse en un mismo aula, edificio
o entorno, pero existen problemas para los que pueden ser necesarias redes
de área extensa para los que IP ya esta ampliamente comprobado y utilizado,
como por ejemplo organizaciones internacionales o empresas multinacionales.
Este documento no pretende ser muy duro en cuanto a la teoría de
redes. Lo básico para configurar la necesaria para interconectar
nuestros nodos. Lo que sí es necesario es dar una explicación de porqué utilizar IP en
clusters.
- Ampliamente utilizado, conocido y comprobado.
- Efectividad en la mayoría de las redes probadas.
- Perfecto para ambientes hetereogéneos.
El principal motivo para utilizar IP es que en la mayoría de los casos y
a pesar de que pueda consumir en muchos casos demasiado ancho de banda
o capacidad de proceso, es mejor utilizar un protocolo comprobado y válido
que uno a desarrollar para un sistema concreto.
Existen otros protocolos de red que se han utilizado para entornos distribuidos
como pueden ser IPX/SPX, Appletalk u otros; e incluso algunas soluciones se han basado
directamente sobre capas de nivel de enlace para efectuar las comunicaciones
entre los nodos. GNU/Linux soporta sin problemas todos estos protocolos.
Figura:
La importancia de la red. Encapsulamiento IP
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Los protocolos de red están divididos por capas. En la subsección anterior
se ha visto la capa de red, ahora se dará paso a las capas que existen a nivel
de transporte: UDP y TCP.
La mayoría de los protocolos de transporte tienen elementos comunes.
Los protocolos orientados a conexión deben tener mecanismos para establecer
y liberar conexiones.
Cuando hay múltiples conexiones abiertas en una misma máquina, las entidades
de transporte tendrán que asignar un número a cada conexión y ponerlo en
el mensaje.
En sistemas operativos UNIX y para la red ARPANET existen dos enfoques
para saber a que puerto acceder a un servicio:
- Un servidor de puertos escuchando en el UDP/TCP 111 atendiendo solicitudes,
los servidores registran el nombre del servicio y el puerto en donde está
escuchando, permaneciendo dormidos hasta que les llega una solicitud.
- Los puertos los conocen los clientes que tienen el fichero /etc/services; hay un servidor (inetd o xinetd) que escucha en todos
los puertos que se quieran mantener abiertos, cuando llega una
solicitud crea un nuevo proceso que se encarga de atender la solicitud.
Al cliente le da la impresión de que el servicio está siempre activo.
Otras de las características comunes de todos estos protocolos de nivel
de red y que hacen este nivel tan útil es el control de flujo.
Si por debajo del protocolo de red hay una red fiable (X.21)
o nuestro protocolo no añade fiabilidad a la red (UDP) entonces no será necesario
usar el control de flujo de la capa de transporte.
En otro caso el control de flujo es fundamental.
El emisor tiene una copia local de cada mensaje que se envía por la red
hasta el momento que es asentido, el receptor quizás no desee enviar un
ACK (acknowledgement o asentimiento) de ese mensaje, o no recibió el mensaje correctamente; en esos casos
el ordenador que está enviando los mensajes tiene que reenviar el mensaje,
por ello la necesidad de tener una copia local.
Con este sistema el receptor puede limitar el tráfico que recibe simplemente
tardando más tiempo en asentir los datos recibidos.
Así cada uno de estos protocolos define unos temporizadores y unas reglas
para no sólo controlar el flujo sino controlar que no se produzca congestión
en la red.
Otro punto en común de todos los protocolos de transporte es que permiten
la multiplexión y demultiplexión de las conexiones, para aumentar el ancho
de banda y aprovechar mejor los recursos de los que se disponga.
Es el protocolo de transporte no fiable estándar en Internet. Como protocolo
de transporte que es solamente está implementado en ordenadores finales, no en routers.
Es un protocolo no orientado a conexión (de ahísu nombre, se
envían datagramas) y no es fiable. La cabecera que incluye al
mensaje es la mínima para poder distinguir a que puerto se dirige
y un pequeño checksum de la cabecera. Es usado por las
aplicaciones de los servicios no conectivos, para
enviar pocos datos (se consigue más rendimiento puesto que no se
necesita gastar tiempo en conectar y desconectar) y en
multidifusión.
UDP al contrario de TCP no puede realizar fragmentaciones de los mensajes
puesto que no tiene campos para ello.
Por tanto es la aplicación quien debe dividir los mensajes como crea oportuno.
Como la tecnología física de red también impone una restricción de tamaño
máximo de paquete, otra división se realiza en el nivel IP; por tanto una
aplicación que conociera la MTU evitaría esta segunda división.
Cuando uno de los fragmentos de un mensaje UDP se pierde se tendría que
retransmitir.
En el caso de UDP será la aplicación la encargada, gracias a unos temporizadores,
de retransmitirlo. En el caso de TCP es él mismo el que detecta
y soluciona e problema.
Como sabemos IP si no puede recomponer un datagrama, lo desecha, no tratando
el problema y dejando la solución a capas superiores.
Algunos capas superiores que usan UDP son RPC y todos los aplicaciones que
dependen de estos (DNS, NIS, etc.) y otras aplicaciones como pueden ser
TFTP, BOOTP, DHCP.
Este protocolo junto con UDP son los dos protocolos de transporte estándar
en Internet, es el protocolo fiable de la familia.
Es un protocolo orientado a conexión.
TCP recibe mensajes de cualquier tamaño y los divide en trozos de un máximo
de 64KB se envía cada uno de estos trozos como un mensaje TCP separado.
Para evitar fragmentaciones extra, TCP conoce la MTU de la red, con lo
que se evita que el nivel de red tenga que dividir a su vez para acoplarse
al MTU de la red.
También es misión de TCP ordenar todos los segmentos que hayan llegado separados
y ensamblarlos para obtener el mensaje inicial.
Tiene la ventaja de que las aplicaciones no tienen que preocuparse de tratar
los errores de la comunicación puesto que para la aplicación el canal de
comunicación es perfecto y siempre llega la información integra.
El que sea un servicio orientado a conexión quiere decir que hay 3 fases
en la comunicación, que forman un mínimo de 7 mensajes sin contar los mensajes
de datos:
- Establecimiento de la conexión: es la fase inicial, para conectarse los
paquetes tienen un bit especial llamado SYN.
Para conectarse se debe enviar un segmento con SYN activado y recibir una
confirmación ACK.
Se toman unos nuevos números de secuencia para enviar y para recibir que
empiezan siendo un número muy superior al último número de secuencia recibido
por si llegan segmentos de la conexión anterior y se empieza la conexión,
esto son 3 mensajes.
- Traspaso de información: típicamente aquíse envían todos los datos que
se quieren enviar, el nivel de aplicación verá como todos los datos que
envía, llegan correctamente (si es físicamente posible) y en orden.
- Liberación de la conexión: se realiza gracias a un bit que indica que se
desea finalizar con la conexión actual llamado FIN.
Cuando un extremo activa su bit FIN, su interlocutor tiene que hacer un
ACK y hasta que no lo desee puede posponer el cierre de la comunicación,
cuando esté listo envía un paquete con el bit FIN activado y el primer
ordenador realiza un ACK, liberando la conexión.
Figura:
La importancia de la red. Conexión TCP
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TCP cada vez que envía un segmento inicia un temporizador. Si este temporizador
cumple y no se ha recibido confirmación se vuelve a enviar el mismo segmento
suponiendo que el anterior segmento enviado no llegó o llegó con errores.
Como no se puede saber a ciencia cierta cuánto tardará un segmento a llegar
a su destino, pues dependiendo del paquete podría pasar por una redes u
otras, haber congestiones momentáneas, etc.
se implementa un temporizador variable que irá cambiando según lo que tardaron
los ACK de los anteriores segmentos.
La peor situación que le puede ocurrir a una red físicamente bien es que
tenga congestión, por eso esta situación se intenta evitar a toda costa,
y los protocolos orientados a conexión son mejores para evitarla, por eso
TCP intenta hacer un control de congestión en Internet.
Quien más rápidamente puede reaccionar ante la congestión es el emisor,
por tanto cuando según acabamos de ver se cumple el temporizador de
retransmisión hay error o hay congestión, como las redes actuales
son de muy buena calidad es muy difícil que el error sea a causa del medio de transmisión
por lo tanto el emisor supone que existe congestión con lo que envía los
datos de forma más lenta, siguiendo un algoritmo, con esto se intenta que
se alivie la congestión de la red.
Para controlar el flujo y la congestión se usa la ventana deslizante que
permite enviar varios paquetes antes de que se envíe un ACK, enviar un
ACK por cada paquete es realmente lento por lo tanto cuando se quiere disminuir
la velocidad por el peligro de congestión o porque el receptor no puede
recibir tantos datos la ventana disminuye dejando enviar menos paquetes
por ACK, pudiendo llegar a ser 0, lo que significa que el receptor no puede
en esos momentos recibir nada más.
Cuando se quiere más velocidad se deja enviar más paquetes antes de parar
para esperar un ACK.
A la hora de poner en marcha un cluster ya sea a nivel de producción como
a nivel de investigación, hemos de tener en cuenta que uno de los factores
críticos a la hora de configurar dicho sistema va a ser la red.
Antes de comenzar a instalar el sistema propiamente dicho, se debe hacer
un estudio de que servicios o programas debe correr, y tener en cuenta
cómo éstas van a afectar a la carga en la red.
Este apartado es bastante importante en la instalación de redes por los
siguientes motivos.
- El coste de instalacíon puede llegar a ser insignificante respecto al coste
que puede llevar una ampliación en un sistema que ha sido mal diseñado
desde un principio, tanto a nivel físico en la instalación (en la cual
no entraremos) como a nivel de capacidad de la red.
- La mayoría de los clusters están montados sobre redes
LAN, con protocolos UDP/IP o TCP/IP, generalmente no tienen ninguna manera
de controlar la congestión de la red, lo que implica que la red debe estar
lo suficientemente bien diseñada y montada como para que se produzca congestión
sólo en casos excepcionales.
- Se debe tener en cuenta, que cuanto más acoplado sea un sistema en su funcionamiento,
más crítica se vuelve la comunicación, por tanto mejor diseñada debe
estar la red de comunicación.
- El coste que se produce al escalar un cluster, tanto económicamente como
en tiempo no debe estar muy ligado al coste de escalar la red.
Como se puede ver, a lo largo de todo el proceso el funcionamiento de la
red es crítico en cualquier sistema de tipo cluster, es más, no sólo es
necesario un entorno de red adecuado para el sistema, sino que este debe
estar en cierta manera infrautilizado para poder asegurar que no se va
a llegar a condiciones de congestionamiento.
A la hora de diseñar una red tenemos que tener claros ciertos conceptos
acerca del sistema que queremos instalar, el funcionamiento que éste debe
tener, los servicios que debe tener y sobre todo, la funcionalidad que
se le va a dar.
Hay que conocer la funcionalidad del
sistema:
- Funcionalidad del sistema
- Funcionalidad general para la que el sistema debe funcionar.
- Servicios que deberá correr el sistema.
- Factores que externos que pueden afectar a nuestro sistema.
Todos estos puntos quizá entren en el ámbito de la administración
del sistema, pero son necesarios en el caso de partir de cero, con la primera
instalación de un cluster.
Lo que pretenden es que no haya problemas a la hora de tener claro que
servicios o funcionalidades están por encima de que otras.
No existe ningún sistema cluster de carácter general,
la mayoría de ellos se compone de varias aplicaciones trabajando juntas.
Si estas aplicaciones deben acceder a recursos compartidos, hay que
tener claras dos cosas: cuáles tienen más prioridad, y cómo obtener la
prioridad.
Por otro lado están los factores técnicos que afectan a los servicios que
utilizará la red.
Una vez que se sabe los servicios que poseerá el cluster es necesario describir
el tipo de funcionamiento que tiene cada servicio y demás características.
- Factores técnicos de cada servicio relativos a la red.
- Funcionalidad del servicio.
- Prioridad del servicio en el sistema.
- Rrioridad del servicio en la red.
- Factor de carga del sistema.
- Factor de carga de la red.
- Características de la comunicación que realiza el servicio.
- Tiempos de latencia
- Tipo de protocolos UDP, TCP.
- Carga sobre la red a nivel general.
Todos los factores técnicos deben estar referidos a cada servicio particular.
Para usuarios expertos puede ser obvio que programas o servicios acaparan
más la red o deben tener más prioridad, para alguien profano a ese servicio,
o parte del sistema deberá rellenar solamente los factores teóricos que
el crea oportunos.
A partir de este apartado, el diseñador de la red debe conocer cada uno
de los servicios que la red va a utilizar tanto con conocimiento teórico
como práctico para poder tener una visión generalizada.
Esta visión debe ser tanto de como puede afectar este servicio a otros
y al sistema en general como para tener los conocimientos necesarios para
instalar el servicio sin que este provoque problemas de ningún tipo.
Cuando un diseñador inexperto no haya instalado un sistema o un servicio
de este tipo, lo conveniente es hacer uso de un entorno de simulación reducido
en el cual hacer las instalaciones pruebas y verificaciones para después
proceder a realizar extrapolaciones a un sistema grande, se ha de recordar
siempre que la depuración de un error en un sistema distribuido crece exponencialmente
con el número de nodos que tiene el sistema, y en el caso de que
éste utilice varios servicios a la vez, el crecimiento de la complejidad
crece más aún a medida que escala el cluster.
Cuando intervienen varios sistemas, todos ellos complejos y completos en
un entorno distribuido, se debe tener el suficiente conocimiento de cada
uno de los sistemas a montar como para asegurar que el conjunto de todos
ellos no desestabilizara el funcionamiento de los otros.
El siguiente punto a tener en cuenta es hacer aproximaciones a las necesidades
de red que se han extrapolado de cada servicio, y saber de que recursos
se cuentan para satisfacer estas necesidades.
En este punto, se debe exigir un equilibrio entre los recursos que se tienen
y la efectividad de dicho funcionamiento.
Por ejemplo, en un entorno de trabajo con openMosix, NFSROOT y XWindow en un
laboratorio de investigación científica probablemente se dé más importancia
a la red openMosix que a el sistema de archivos NFS o XWindow.
Así que probablemente se separen dichas dos redes
como redes aisladas de manera que NFSROOT o X Window no interfieran sobre
openMosix y al mismo tiempo openMosix esté aislado: sus paquetes de información
de estado de cada nodo no interrumpirán las comunicaciones largas debido a colisiones
cuando openMosix está en un estado sin migraciones.
- Localizar recursos de los que se dispone o saber con que
medios se cuentan.
- equipos o nodos
- switches/hubs
- routers
- otros servicios como impresoras en red y demás que puedan afectar la carga
de la red
- Estimar la carga de cada red que puede llegar cada servicio contando con
los recursos que se poseen3.10.
- Equilibrar la carga dependiendo de:
- prioridad
- servicio
- recurso
En este caso no cuenta tanto el conocimiento del sistema, una vez que se
conoce como puede llegar a cargar un servicio y de los recursos que se
posee, el diseñador, coloca cada servicio en redes aisladas o interconectadas,
intentando que interfieran cuanto menos mejor los servicios entre sí, en
este apartado, se evalúan las tecnologías de red aplicadas a cada servicio
asícomo de los medios de que se dispone para asegurar el funcionamiento
y disponibilidad de los servicios.
Por ejemplo, en el caso de Heartbeat, se suele utilizar como ya hemos visto
un cable de serie de modem nulo, para asegurar que se produce una doble
vía de comunicación entre los dos ordenadores que se desea
replicar o controlar, e incluso el propio Heartbeat se encarga de
comprobar la vía secundaria periódicamente para asegurar que
esta estará disponible en el caso de que el sistema principal caiga.
Como conclusiones de este tema hay que el sistema de comunicación
es crítico en cualquier sistema paralelo, ya que al tener varios elementos
de proceso (entiéndase por elementos de proceso a los procesadores, nodos,
procesos, módulos, etc. que componen el sistema paralelo o
distribuido), es necesaria la comunicación entre los elementos de
proceso para realizar un trabajo conjunto.
En el caso de sistemas implementados en el kernel de un sistema operativo
el fallo del sistema puede provocar el malfuncionamiento de una máquina
y por tanto se puede requerir del reseteo de la misma.
Por último se han dado los puntos necesarios para diseñar una red correctamente,
ya que generalmente cuesta más escalar un sistema mal diseñado con fallos
respecto a los requerimientos iniciales que un sistema que sea bien diseñado
y quizá sobredimensionado desde el principio.
miKeL a.k.a.mc2
2004-09-06