Sadržaj

Uvod

Kontejner je standardna jedinica softvera koja pakira kod i sve njegove ovisnosti tako da se aplikacija može brzo i pouzdano pokretati u različitim okruženjima. Oni "sjede" na fizičkom serveru i njegovom operacijskom sustavu i s njim dijele kernel. Slični su virtualnim strojevima (eng. virtual machines ) utoliko što su također virtualizirani sustavi.

Međutim, za razliku od virtualnih strojeva koji sadrže cijele operacijske sustave i sve ovisnosti koje im trebaju za izvršavanje zadanih operacija (te su zbog toga zahtjevne za resurse), kontejeri s hostom dijele kernel, te u sebi sadržavaju samo aplikacije, njihove ovisnosti i potrebne knjižnice (eng. library).

Razlika između virtualnih strojeva i kontejnera.

Slika 1: Hipervizor sjedi na fizičkom stroju i omogućuje kreiranje virtualnih strojeva. Svaki virtualni stroj ima svoj operacijski sustav, i zauzima određene resurse potrebne za pokretanje odvojenih OS-a. S druge strane, kontejneri su povezani s operacijskim sustavom fizičkog računala dijeleći njegov kernel i odvojene su samo aplikacije i njihove ovisnosti. Zbog toga kontejneri troše značajno manje resursa od virtualnih strojeva.

Apptainer

Apptainer je jedno od kontejnerskih rješenja. Glavna svojstva su mu:

mobilnost
reproducibilnost
korisnička sloboda
podrška za HPC

Mobilnost računanja omogućuje da se workflow definira u kontejneru za koji korisnik može biti siguran da će se moći izvršavati na različitim strojevima, neovisno o operacijskom sustavu (dok god je Linux) i infrastrukturi. Mobilnost je osigurana time što se Apptainer kontejneri spremaju u slike (eng. image) koje su jedna datoteka koja obuhvaća sve datoteke u kontejneru. Slike se mogu izgraditi kao read-only (zadano ponašanje) čime se osigurava dosljednost u ponovnom korištenju.

Korisnička sloboda se odnosi na mogućnost korisnika da unutar kontejnera instaliraju aplikacije s poželjnim verzijama i knjižnicama, neovisno o stanju na poslužitelju na kojem će taj kontejner kasnije pokretati. Dopremanjem kontejnera na bilo koji resurs, korisnici mogu koristiti aplikacije koje god žele.

Apptainer je kompatibilan s HPC-om. Podržava InfiniBand, ima podršku za MPI, radi bez problema s većinom raspoređivača poslova te ima podršku i za rad s GPU-ovima.

Korisnik unutar Apptainer kontejnera je isti onaj koji je i izvan kontejnera te ima jednake ovlasti unutar i izvan kontejnera. Ako se kontejner koristi na klasteru, korisnik ne može unutar kontejnera napredovati do root ovlasti te nema opasnosti da nehotično (ili namjerno) napravi štetu sustavu. Ako korisnik mora mijenjati kontejner, morat će to raditi na lokalnom računalu, na kojem ima root ovlasti, pa promijenjeni kontejner ponovno dopremiti na klaster.

Apptainer je vrlo jednostavan za korištenje. Koristi se kao bilo koja druga aplikacija (ne pokreće se servis kao npr. u slučaju Dockera - zato dobro radi s raspoređivačima poslova!).

Ima svega nekoliko osnovnih naredbi:

build: naredba za izgradnju kontejnera
exec: naredba za izvršavanje naredbe u kontejneru
inspect: naredba za gledanje labela, runscripti, test scripti te varijabli okoline
pull: naredba za povlačenje slika sa Singularity ili Docker Huba
run: naredba za pokretanje slike kao izvršne datoteke
shell: naredba za pokretanje ljuske u kontejneru

Izgradnja kontejnera

build može kreirati kontejnere u dva različita formata:

image - temeljen na SquashFSu u formatu read-only
sandbox - u formi direktorija, pogodni za interaktivnu modifikaciju kontejnera opcijom --writable

Osim izgradnje, naredbom build može se konvertirati između image i sandbox formata, ili izgraditi kontejnere iz Apptainer recepta zvanih definition files.

Izgradnja kontejnera iz Apptainer recepta preporuča se, jer tako osigurava dosljednost u ponovnom korištenju (svi koraci izgradnje kontejnera su sadržani u Apptainer receptu koji je vidljiv u kontejneru).

Apptainer recept se sastoji od dva glavna dijela:

zaglavlje (engl. header )
sekcija (engl. sections )

Zaglavlje je obvezan dio recepta, dok su sekcije opcionalne. U zaglavlju se definira bazni OS koji se želi instalirati u kontejneru, a u sekcijama se navode svi ostali koraci koje želimo iskoristiti prilikom izgradnje kontejnera (npr. kopirati datoteke, instalirati softver, kreirati varijable okoline i sl.)

Slika 2: Workflow za izradu i korištenje kontejnera. Slika je preuzeta

sa stranice Singularitya; preteča Apptaineru koja funkcionira

na identičan način.

Apptainer recepti

Header

U headeru se definira bazni operacijski sustav koji će se koristiti u kontejneru. Osnovne ključne riječi su:

Bootstrap - referencira tip baze koji će se koristiti
From - ime kontejnera (ili referenca na layere u slučaju Dockera) koji će se koristiti

Tip Bootstrap baze može biti na primjer:

shub - za slike koje su na Singularity Hubu
docker - za slike na Docker Hubu
localimage - za slike spremljeno lokalno

Primjer za bazu shub :

Bootstrap: shub
From: vsoch/hello-world

Više informacija o Apptainer receptima dostupno je na službenim stranicama.

Sections

Nakon zaglavlja, izgradnja i namještanje okoline kontejnera zapisuje se u poglavljima. Neka od najvažnijh su:

%files - dostavljanje datoteka u kontejner
%post - izvršavanje komandi unutar kontejnera tijekom izgradnje
%environment - definicija varijabli okoline unutar kontejnera tijekom izvršavanja (nakon njegove izgradnje)
%runscript - zadane naredbe koje se izvršavaju korištenjem apptainer run ... ili direktnim izvršavanjem kontejnera

Primjer recepta sa službenih stranica napisan ispod u sebi će:

izgraditi osnovni operativni sustav Ubuntu v22.04
dostaviti datoteku hello_world.txt unutar kontejnera u /my_data/hello_world.txt
osvježiti apt repozitorije i instalirati aplikacije cowsay i lolcat
uključiti izvršne datotke cowsay i lolcat iz /usr/games u korisničku okolinu
definirati izvršnu naredbu date | cowsay | lolcat kao zadanu
definirati autora kontejnera

BootStrap: library
From: ubuntu:22.04

%files
    hello_world.txt /my_data/hello_world.txt

%post
    apt-get -y update
    apt-get -y install cowsay lolcat

%environment
	export LC_ALL=C
    export PATH=/usr/games:$PATH

%runscript
    date | cowsay | lolcat

%labels
    Author GodloveD

Navedeni recept (npr. apptainer.def ) možemo izgraditi u image naredbom build:

# izgradnja imagea korištenjem naredbe build
[korisnik@kompjuter:~] $ apptainer build apptainer.sif apptainer.def
...
INFO:    Creating SIF file...
INFO:    Build complete: apptainer.sif

# ispis detalja datoteke
[korisnik@kompjuter:~] $ ls -l apptainer.sif
-rwxr-xr-x 1 marko marko 83701760 svi  25 10:41 apptainer.sif

Korištenje javnih repozitorija

Proces izgradnje i nadogradnje kontejnera može se ubrzati korištenjem javnih repozitorija koji sadrže već testirane recepte (što je uostalom i svrha kontejnera) koji se mogu koristiti u receptima ili pri izgradnji sandbox kontejnera.

Neki od poznatijih repozitorija su:

hub.docker.com - najpoznatija meka za kontejnere i obično prvi rezultat Google upita
condaforge - kontejneri s već pripremljenim upraviteljima paketa conda
Nvidia NGC - posvećeno svim aplikacijama koje koriste CUDU
biocontainers.pro - posvećeno bioinformatici

Izgradnja na Supeku

U slučaju da niste u mogućnosti izgraditi kontejner na svojem osobnom računalu, pružamo mogućnost izgradnje kontejnera na pristupnom poslužitelju login-gpu.hpc.srce.hr

Pri izgradnji, treba pripaziti na sljedeće:

graditi u direktoriju /scratch, koji nije dio Lustre dijeljenog datotečnog sustava
prebaciti kreirani image nazad u vaš korisnički direktorij, jer u protivnom neće biti vidljiv izvan pristupnog čvora login-gpu.hpc.srce.hr
nakon izgradnje obrisati sve kreirane datoteke
pri sandbox izgradnji koristiti opciju fakeroot (jer korisnici nemaju sudo ovlasti)

Primjer sandbox izgradnje s dodatnim knjižnicama korištenjem Ubuntu v20.04 operativnog sustava:

# login na pristupni poslužitelj gpu
[korisnik@kompjuter ~]$ ssh korisnik@login-gpu.hpc.srce.hr
Last login: Wed May 24 09:23:06 2023 from x.x.x.x

# pomicanje u /scratch i kreiranje direktorija za izgradnju
[korisnik@x3000c0s27b0n0 ~]$ cd /scratch
[korisnik@x3000c0s27b0n0 scratch]$ mkdir ${USER}-apptainer
[korisnik@x3000c0s27b0n0 scratch]$ cd ${USER}-apptainer

# izgradnja sandbox verzije
[korisnik@x3000c0s27b0n0 korisnik-apptainer]$ apptainer build ubuntu_20.04_sandbox docker://ubuntu:20.04
[korisnik@x3000c0s27b0n0 korisnik-apptainer]$ apptainer shell --writable --fakeroot ubuntu_20.04_sandbox
Apptainer> ...
Apptainer> ... dodatne komande za izgradnju kontejnera ...
Apptainer> ...
Apptainer> exit

# mijenjanje sanboxa u image, prebacivanje u korisnički i 
[korisnik@x3000c0s27b0n0 korisnik-apptainer]$ apptainer build ubuntu_20.04.sif ubuntu_20.04_sandbox
[korisnik@x3000c0s27b0n0 korisnik-apptainer]$ mv ubuntu_20.04.sif ~
[korisnik@x3000c0s27b0n0 korisnik-apptainer]$ cd ~

# brisanje direktorija za izgradnju
[korisnik@x3000c0s27b0n0 korisnik-apptainer]$ rm -rf /scratch/${USER}-apptainer

Korištenje kontejnera

Kada jednom imamo gotov kontejner, postoji nekoliko naredbi za interagiranje s njim:

shell - pokretanje korisničke ljuske
exec - pokretanje naredbe
run - pokretanje zadane naredbe

Naredbom shell pokreće se ljuska unutar kontejnera, te se interagira s kontejnerom kao da je pokrenuta ljuska na malom virtualnom stroju.

# otvaranje ljuske
[korisnik@kompjuter:~] $ singularity shell apptainer.sif
...

# izvršavanje komande unutar kontejnera
Apptainer> date | cowsay
 _______________________________
< Thu May 25 10:59:05 CEST 2023 >
 -------------------------------
        \   ^__^
         \  (oo)\_______
            (__)\       )\/\
                ||----w |
                ||     ||

# izlaženje iz ljuske u kontejneru
Apptainer> exit

# izvršavanje iste komande izvan kontejnera
[korisnik@kompjuter:~] $ date | cowsay
bash: cowsay: command not found

Naredbom exec izvršava se naredba unutar kontejnera:

# izvršavanje naredbe cowsay unutar kontejnera
[korisnik@kompjuter:~] $ date | apptainer exec apptainer.sif cowsay
...
 < čet, 25.05.2023. 11:05:46 CEST  >
 --
        \   ^__^
         \  (oo)\_______
            (__)\       )\/\
                ||----w |
                ||     ||

Naredbom run pokreće se kontejner pozivanjem runscripte definirane u Apptainer receptu.

# izvršavanje komandom run
[korisnik@kompjuter:~] $ apptainer run apptainer.sif
...
 < čet, 25.05.2023. 11:05:46 CEST  >
 --
        \   ^__^
         \  (oo)\_______
            (__)\       )\/\
                ||----w |
                ||     ||

# direktno izvršavanje
[korisnik@kompjuter:~] $ ./apptainer.sif
...
 < čet, 25.05.2023. 11:06:05 CEST  >
 --
        \   ^__^
         \  (oo)\_______
            (__)\       )\/\
                ||----w |
                ||     ||

Podnošenje kontejnera na Supeku

U slučaju da se koristi Apptainer kontejner na Supeku, podnošenje poslova je jednako kao i u slučaju aplikacija koje su instalirane direktno na klasteru.

Na primjer, ako želimo pokrenuti kontejner apptainer.sif nakon što ga dopremimo na Supek, minimalna skripta PBS apptainer-test.sh bit će:

#!/bin/bash
#PBS -N apptainer-test
apptainer run apptainer.sif

Koju možemo podnijeti na sljedeći način i provjeriti njen izlaz nakon malo vremena:

# podnošenje skripte apptainer-test.sh
[korisnik@x3000c0s25b0n0:~] $ qsub apptainer-test.sh

# nakon par sekundi provjerimo sadržaj direktorija
[korisnik@x3000c0s25b0n0:~] $ ls -l apptainer-test*
-rw------- 1 mkvakic hpc  75 May 25 11:31 apptainer-test.e10537
-rw------- 1 mkvakic hpc 229 May 25 11:31 apptainer-test.o10537
-rw-r--r-- 1 mkvakic hpc  63 May 25 11:31 apptainer-test.sh

# ispišemo sadržaj standardnog izlaza
[korisnik@x3000c0s25b0n0:~] $ cat apptainer-test.o10537
 _________________________________
< Thu May 25 09:31:17 Europe 2023 >
 ---------------------------------
        \   ^__^
         \  (oo)\_______
            (__)\       )\/\
                ||----w |
                ||     ||

MPI aplikacije u kontejneru

Apptainer podržava paralelizaciju i širenje na više čvorova korištenjem MPI standarda na dva načina:

hybrid model - izvršavanje korištenjem MPI implementacije u kontejneru
bind model - izvršavanje korištenjem MPI implementacije izvan kontejnera

Pri tom aplikacija koja koristi MPI mora biti ABI kompatibilna (MPICH verzija v3.1 nadalje). Način na koji se to inače postiže je dopremanjem knjižnice libmpi.so.12 putem varijable okoliša LD_LIBRARY_PATH prije poziva aplikacije:

# postavljanje LD_LIBRARY_PATH
[korisnik@kompjuter] $ export LD_LIBRARY_PATH=/putanja/do/libmpi.so.12:$LD_LIBRARY_PATH

# izvršavanje aplikacijom mpiexec
[korisnik@kompjuter] $ mpiexec -np 10 ./moja_ABI_kompatibilna_MPI_aplikacija

U slučaju kontejnera, varijable okoliša se uglavnom nasljeđuju od računala s kojeg se pokreće, no u ovom slučaju potrebno je dodatno namjestiti okolinu što se može učiniti na dva načina:

korištenjem --env ili --env-file opcije pri pokretanju kontejnera
namještanjem APPTAINERENV_* varijable okoliša prije pozivanja kontejnera

Na Supeku je potrebno je koristiti bind model, zbog knjižnica koje osiguravaju integraciju sa sustavom za upravljanje PBS i mrežom Slingshot. Moduli koji osiguravaju spajanje definicijom varijabli okoliša CRAY_LD_LIBRARY_PATH i LD_LIBRARY_PATH su:

cray-pals - integracija Craya sa sustavom PBS Professional
cray-mpich-abi - dostavljanje ABI kompatibilnih knjižnica
cray-pmi - knjižnica za spajanje s Crayevim sučeljem za pokretanje paralelnih programa
libfabric - mrežni API za spajanje na Slinghot

Dodatno, pri pozivu se moraju spojiti odgovarajući direktoriji u kontejner:

/opt - putanja za knjižnice Cray
/run - putanja za PBS
/usr/lib64 - putanja za sistemske knjižnice

Pri podnošenju posla na Crayu, to se može učiniti na sljedeći način (primjerice, u skripti PBS mpi-test.sh) :

#!/bin/bash

#PBS -N mpi-test
#PBS -l select=2:ncpus=1
#PBS -l place=scatter

# dopremanje modula
module load PrgEnv-gnu
module load cray-mpich-abi
module load cray-pals
module load cray-pmi
module load libfabric

# namještanje okolišne varijable LD_LIBRARY_PATH u kontejneru:
#
#     1) CRAY_LD_LIBRARY_PATH        - Cray knjižnice iz /opt
#     2) LD_LIBRARY_PATH             - sistemske knjižnice iz /usr/lib64
#     3) \$LD_LIBRARY_PATH           - očuvanje varijable ako već postoji u kontejneru
#     4) /opt/cray/pe/pals/1.2.3/lib - putanja za PALS servis
#
APPTAINERENV_LD_LIBRARY_PATH="${CRAY_LD_LIBRARY_PATH}:${LD_LIBRARY_PATH}:\$LD_LIBRARY_PATH:/opt/cray/pe/pals/1.2.3/lib"

# izvršavanje kontejnera mpi-test.sif s aplikacijom mpiexec modula cray-pals
mpiexec --no-transfer \
  apptainer exec \
    --bind /opt \
    --bind /run \
    --bind /usr/lib64 \
    mpi4py-install.sif \
      /myapp/mpi-test

Gdje je su recept za izgradnju kontejnera mpi-test.sif i aplikacija mpi-test.c:

mpi-test.sif

Bootstrap: docker
From: rockylinux:8

%files
  mpi-test.c /myapp/

%environment
  export LD_LIBRARY_PATH=/usr/lib64/mpich/lib:$LD_LIBRARY_PATH
  export PATH=/usr/lib64/mpich/bin:$PATH

%post

  # osvježi i instaliraj knjižnice za kompilaciju
  dnf update -y
  dnf install mpich-devel -y

  # namjesti okolinu za razvoj MPICHom
  export LD_LIBRARY_PATH=/usr/lib64/mpich/lib:$LD_LIBRARY_PATH
  export PATH=/usr/lib64/mpich/bin:$PATH
  
  # prevedi aplikaciju u izvršnu datoteku
  mpicc -o /myapp/mpi-test /myapp/mpi-test.c

mpi-test.c

// Author: Wes Kendall
// Copyright 2011 www.mpitutorial.com
// This code is provided freely with the tutorials on mpitutorial.com. Feel
// free to modify it for your own use. Any distribution of the code must
// either provide a link to www.mpitutorial.com or keep this header intact.
//
// An intro MPI hello world program that uses MPI_Init, MPI_Comm_size,
// MPI_Comm_rank, MPI_Finalize, and MPI_Get_processor_name.
//
#include <mpi.h>
#include <stdio.h>

int main(int argc, char** argv) {
  // Initialize the MPI environment. The two arguments to MPI Init are not
  // currently used by MPI implementations, but are there in case future
  // implementations might need the arguments.
  MPI_Init(NULL, NULL);
  
  // Get the number of processes
  int world_size;
  MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &world_size);
  
  // Get the rank of the process
  int world_rank;
  MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &world_rank);

  // Get the name of the processor
  char processor_name[MPI_MAX_PROCESSOR_NAME];
  int name_len;
  MPI_Get_processor_name(processor_name, &name_len);

  // Print off a hello world message
  printf("Hello world from processor %s, rank %d out of %d processors\n",
         processor_name, world_rank, world_size);

  // Finalize the MPI environment. No more MPI calls can be made after this
  MPI_Finalize();
}

Osnovni operativni sustav kontejnera

Zbog bind model spajanja, potrebno je koristiti operativne sustave koji su slični operativnom sustavu Supeka Red Hat Enterprise Linux 8.6.

Neki od mogućih su:

Grafički procesori i CUDA

Apptainer pruža podršku za izvršavanje na grafičikim procesorima ako su aplikacije i kontejneri namijenjeni za njihovo korištenje.

Ova mogućnost jednostavno se ostvaruje korištenjem opcije --nv pri izvršavanju kontejnera komandama exec ili run.

Ispod se nalazi primjer izgradnje kontejnera PyTorch v1.13.1 za duboko učenje i njegovo testiranje na pristupnom poslužitelju s grafičkim čvorovima:

# spajanje na pristupni poslužitelj
[korisnik@kompjuter:~] $ ssh mkvakic@login-gpu.hpc.srce.hr

# izgradnja pytorch kontejnera
[korisnik@x3000c0s27b0n0:~] $ apptainer build pytorch_1.13.1.sif docker://pytorch/pytorch:1.13.1-cuda11.6-cudnn8-runtime

# print raznih informacija
[korisnik@x3000c0s27b0n0:~] $ apptainer run --nv ./pytorch_1.13.1.sif python -c "import torch; print('Is cuda available?:', torch.cuda.is_available())"
Is cuda available?: True

[korisnik@x3000c0s27b0n0:~] $ apptainer run --nv ./pytorch_1.13.1.sif python -c "import torch; print('Device count:', torch.cuda.device_count())"
Device count: 1

[korisnik@x3000c0s27b0n0:~] $ apptainer run --nv ./pytorch_1.13.1.sif python -c "import torch; print('Current device:', torch.cuda.current_device())"
Current device: 0

[korisnik@x3000c0s27b0n0:~] $ apptainer run --nv ./pytorch_1.13.1.sif python -c "import torch; print('Device name:', torch.cuda.get_device_name(0))"
Device name: NVIDIA A100-PCIE-40GB

Space shortcuts

Page tree