Microplanificación de asignación tardía y almacenamiento temporal distribuidos para flujos de trabajo intensivos en datos

Resumen

El mundo de hoy en día se encuentra inundado por ingentes cantidades de información digital procedente de muy diversas fuentes. Todo apunta, además, a que esta tendencia se agudizará en el futuro. Ni la industria, ni la sociedad en general, ni, muy particularmente, la ciencia, permanecen indiferentes ante este hecho. Al contrario, se esfuerzan por obtener el máximo provecho de esta información, lo que significa que deben capturarla, transferirla, almacenarla y procesarla puntual y eficientemente, utilizando una amplia gama de recursos computacionales. Pero esta tarea no es siempre sencilla. Un ejemplo representativo de los desafíos que suponen el manejo y procesamiento de grandes cantidades de datos es el de los experimentos de física de partículas del Large Hadron Collider (LHC), en Ginebra, que cada año deben gestionar decenas de petabytes de información. Basándonos en la experiencia de una de estas colaboraciones, hemos estudiado los principales problemas relativos a la gestión de volúmenes de datos masivos y a la ejecución de vastos flujos de trabajo que necesitan consumirlos. En este contexto, hemos desarrollado una arquitectura de propósito general para la planificación y ejecución de flujos de trabajo con importantes requisitos de datos, que hemos llamado Task Queue. Este nuevo sistema aprovecha el modelo de asignación tardía basado en agentes que ha ayudado a los experimentos del LHC a superar los problemas asociados con la heterogeneidad y la complejidad de las grandes infraestructuras grid de computación. Nuestra propuesta presenta varias mejoras con respecto a los sistemas existentes. Los agentes de ejecución de la arquitectura Task Queue comparten una tabla hash distribuida (Distributed Hash Table, DHT) y realizan la asignación de tareas de una manera cooperativa. De esta forma, se evitan los problemas de escalabilidad de los algoritmos centralizados de asignación y se mejoran los tiempos de ejecución. Esta escalabilidad nos permite realizar una microplanificación de grano fino lo cual posibilita nuevas funcionalidades, como la implementación de una cache distribuida en los nodos de ejecución y el uso de la información de ubicación de los datos en las decisiones de asignación de tareas. Esto mejora la eficiencia del procesado de datos y ayuda a aliviar los habitualmente congestionados servicios de almacenamiento del grid. Además, nuestro sistema es más robusto frente a problemas en la interacción con la cola central de tareas y ofrece mejor comportamiento en situaciones con patrones de acceso a datos exigentes o en ausencia de servicios de almacenamiento locales. Todo esto ha sido demostrado en una amplia serie de pruebas de evaluación. Dado que nuestro procedimiento de planificación de tareas distribuido requiere el uso de mensajes de broadcast, también hemos realizado un profundo estudio de las posibles aproximaciones a la implementación de esta operación sobre el DHT Kademlia, el cual es utilizado para la cache de datos compartida. Kademlia ofrece enrutamiento a nodos individuales pero no incluye ninguna primitiva de broadcast. Nuestro trabajo expone las peculiaridades de este sistema, particularmente su métrica basada en la operación XOR, y estudia analíticamente qué técnicas de broadcast pueden ser usadas con él. También se ha desarrollado un modelo que estima la cobertura de nodos en función de la probabilidad que cada mensaje individual alcance su destino correctamente. Como validación, los algoritmos se han implementado y se han evaluado exhaustivamente. Además, proponemos varias técnicas para mejorar los protocolos en situaciones adversas, por ejemplo cuando el sistema presenta una alta rotación de nodos o la tasa de error en las entregas no es despreciable. Esta técnicas incluyen redundancia, reenvío e inundación (flooding), así como combinaciones de las mismas. Presentamos un análisis de las fortalezas y debilidades de los diferentes algoritmos y las mencionadas técnicas complementarias.