Design and Evaluation of Low-Latency Communication Middleware on High Performance Computing Systems

Abstract

[Resumen]El interés en Java para computación paralela está motivado por sus interesantes características, tales como su soporte multithread, portabilidad, facilidad de aprendizaje,alta productividad y el aumento significativo en su rendimiento omputacional. No obstante, las aplicaciones paralelas en Java carecen generalmente de mecanismos de comunicación eficientes, los cuales utilizan a menudo protocolos basados en sockets incapaces de obtener el máximo provecho de las redes de baja latencia, obstaculizando la adopción de Java en computación de altas prestaciones (High Per- formance Computing, HPC). Esta Tesis Doctoral presenta el diseño, implementación y evaluación de soluciones de comunicación en Java que superan esta limitación. En consecuencia, se desarrollaron múltiples dispositivos de comunicación a bajo nivel para paso de mensajes en Java (Message-Passing in Java, MPJ) que aprovechan al máximo el hardware de red subyacente mediante operaciones de acceso directo a memoria remota que proporcionan comunicaciones de baja latencia. También se incluye una biblioteca de paso de mensajes en Java totalmente funcional, FastMPJ, en la cual se integraron los dispositivos de comunicación. La evaluación experimental ha mostrado que las primitivas de comunicación de FastMPJ son competitivas en comparación con bibliotecas nativas, aumentando significativamente la escalabilidad de aplicaciones MPJ. Por otro lado, esta Tesis analiza el potencial de la computación en la nube (cloud computing) para HPC, donde el modelo de distribución de infraestructura como servicio (Infrastructure as a Service, IaaS) emerge como una alternativa viable a los sistemas HPC tradicionales. La evaluación del rendimiento de recursos cloud específicos para HPC del proveedor líder, Amazon EC2, ha puesto de manifiesto el impacto significativo que la virtualización impone en la red, impidiendo mover las aplicaciones intensivas en comunicaciones a la nube. La clave reside en un soporte de virtualización apropiado, como el acceso directo al hardware de red, junto con las directrices para la optimización del rendimiento sugeridas en esta Tesis.

[Resumo]O interese en Java para computación paralela está motivado polas súas interesantes características, tales como o seu apoio multithread, portabilidade, facilidade de aprendizaxe, alta produtividade e o aumento signi cativo no seu rendemento computacional. No entanto, as aplicacións paralelas en Java carecen xeralmente de mecanismos de comunicación e cientes, os cales adoitan usar protocolos baseados en sockets que son incapaces de obter o máximo proveito das redes de baixa latencia, obstaculizando a adopción de Java na computación de altas prestacións (High Performance Computing, HPC). Esta Tese de Doutoramento presenta o deseño, implementaci ón e avaliación de solucións de comunicación en Java que superan esta limitación. En consecuencia, desenvolvéronse múltiples dispositivos de comunicación a baixo nivel para paso de mensaxes en Java (Message-Passing in Java, MPJ) que aproveitan ao máaximo o hardware de rede subxacente mediante operacións de acceso directo a memoria remota que proporcionan comunicacións de baixa latencia. Tamén se inclúe unha biblioteca de paso de mensaxes en Java totalmente funcional, FastMPJ, na cal foron integrados os dispositivos de comunicación. A avaliación experimental amosou que as primitivas de comunicación de FastMPJ son competitivas en comparación con bibliotecas nativas, aumentando signi cativamente a escalabilidade de aplicacións MPJ. Por outra banda, esta Tese analiza o potencial da computación na nube (cloud computing) para HPC, onde o modelo de distribución de infraestrutura como servizo (Infrastructure as a Service, IaaS) xorde como unha alternativa viable aos sistemas HPC tradicionais. A ampla avaliación do rendemento de recursos cloud específi cos para HPC do proveedor líder, Amazon EC2, puxo de manifesto o impacto signi ficativo que a virtualización impón na rede, impedindo mover as aplicacións intensivas en comunicacións á nube. A clave atópase no soporte de virtualización apropiado, como o acceso directo ao hardware de rede, xunto coas directrices para a optimización do rendemento suxeridas nesta Tese.

[Abstract]The use of Java for parallel computing is becoming more promising owing to its appealing features, particularly its multithreading support, portability, easy-tolearn properties, high programming productivity and the noticeable improvement in its computational performance. However, parallel Java applications generally su er from inefficient communication middleware, most of which use socket-based protocols that are unable to take full advantage of high-speed networks, hindering the adoption of Java in the High Performance Computing (HPC) area. This PhD Thesis presents the design, development and evaluation of scalable Java communication solutions that overcome these constraints. Hence, we have implemented several lowlevel message-passing devices that fully exploit the underlying network hardware while taking advantage of Remote Direct Memory Access (RDMA) operations to provide low-latency communications. Moreover, we have developed a productionquality Java message-passing middleware, FastMPJ, in which the devices have been integrated seamlessly, thus allowing the productive development of Message-Passing in Java (MPJ) applications. The performance evaluation has shown that FastMPJ communication primitives are competitive with native message-passing libraries, improving signi cantly the scalability of MPJ applications. Furthermore, this Thesis has analyzed the potential of cloud computing towards spreading the outreach of HPC, where Infrastructure as a Service (IaaS) o erings have emerged as a feasible alternative to traditional HPC systems. Several cloud resources from the leading IaaS provider, Amazon EC2, which speci cally target HPC workloads, have been thoroughly assessed. The experimental results have shown the signi cant impact that virtualized environments still have on network performance, which hampers porting communication-intensive codes to the cloud. The key is the availability of the proper virtualization support, such as the direct access to the network hardware, along with the guidelines for performance optimization suggested in this Thesis.