Lustre je paralelni raspodijeljeni datotečni sustav koji koristi Supek, namijenjen okruženju HPC u kojem veliki broj korisnika generira i koristi iznimnu količinu podataka, i čija je visoka dostupnost i brzina prijenosa bitna radi što efikasnijeg izvođenja paralelnih aplikacija.
Način na koji ovo postiže je fizičkim razdvajanjem opisa datotečnog sustava (tzv. namespacea ) od njegovog stvarnog sadržaja (u objektnom obliku) koji je na Supeku pohranjen na stotinjak SSD-ova u tehničkoj izvedbi ClusterStor E1000.
Lustre datotečni sustav se sastoji od nekoliko glavnih komponenata (s pripadnim dijagramom ispod):
Slika 1. Dijagram datotečnog sustava Lustre (Figure 1 u izvornoj publikaciji)
Pri svakoj datotečnoj operaciji čitanja ili pisanja, klijent šalje zahtjev Metadata Serveru na kojem se nalazi virtualni zapis opisa i lokacija pravog podatka raspodijeljenog na više Object Storage Servera. Jednom kada se tražena datoteka (ili datoteke) pronađu, stvara se direktna veza između klijenta i fizičkog zapisa, koja osigurava pristup i njeno daljnje upravljanje.
U višekorisničkom okruženju poput klastera Supek, pristup i upravljanje podataka mora biti usklađeno između svake korisničke aplikacije koja im pristupa. Ovo se postiže naizmjeničnim osvježavanjem i usklađivanjem virtualnog zapisa koje ima svoje granice optimalnog izvođenja, iznad kojeg se performanse drastično smanjuju za cijeli datotečni sustav kojim se upravlja i sve korisnike koji ga koriste.
Neke od preporuka za Lustre dijeljeni datotečni sustav uključuju:
ls, find, du
ili df
Ispod se nalazi primjer čitanja sadržaja direktorija komandom ls -l *
stotinu puta zaredom (što je tipično opterećenje jednog klastera) nad raznim kombinacijama broja direktorija i datoteka koje zajedno sadrže 10GB podataka.
Ako uzmemo u obzir dva rubna slučaja: 1) tisuću datoteka u jednom direktoriju naspram 2) tisuću direktorija s jednom datotekom, vidljivo je da se množenjem direktorija efikasnost ove operacije značajno smanjuje (approx. 20 puta). Slični trend vidljiv je i u ostalim kombinacijama (10/100 vs. 100/10, itd.) što upućuje na nužnost agregacije podataka u manji broj direktorija i idealno datoteke većeg obujma.
Slika 2. Vrijeme izvođenja komande ls -l *
stotinu puta nad
kombinacijama broja direktorija (1-1000) i datoteka (1-100) koje
zajedno sadrže 10GB podataka. Crne crtane linije povezuju točke
s istim brojem datoteka.
Python knjižnice danas se većinom instaliraju korištenjem aplikacija pip ili conda; upraviteljima knjižnica koji osiguravaju dopremanje svih ovisnosti potrebnih za instalaciju i razvoj aplikacija python.
Iako ove aplikacije pružaju veoma jednostavno i efikasno okruženje za brzi razvoj i eksperimentiranje raznih kombinacija knjižnica, svakom novom instalacijom broj datoteka se multiplicira i dodatno opterećuje dijeljeni sustav (učestalim čitanjem i pisanjem pri razvoju ili izvršavanju).
Ispod se nalazi primjer okruženja nastalog pip instalacijama za samo jednu verziju pythona, koje u sebi sadrži tipični data stack u kojem se nalazi (approx.):
Ako pretpostavimo slična ubrzanja iz prethodnog dijagrama, Lustre datotečni sustav možemo potencijalno koristiti i do deset puta efikasnije (ili barem jedan značajan dio njegove funkcionalnosti) ako okrupnimo podatke u jednu veću, zasebnu cjelinu.
# broj direktorija [korisnik@kompjuter:] $ find ~/.local/lib/python3.9/site-packages /usr/local/lib/python3.9/dist-packages -type d | wc -l 4338 # broj datoteka [korisnik@kompjuter:] $ find ~/.local/lib/python3.9/site-packages /usr/local/lib/python3.9/dist-packages -type f | wc -l 47355 # veličine [korisnik@kompjuter:] $ du -hcs ~/.local/lib/python3.9/site-packages /usr/local/lib/python3.9/dist-packages 939M /home/marko/.local/lib/python3.9/site-packages 747M /usr/local/lib/python3.9/dist-packages 1.7G total |
Upute ispod pretpostavljaju da kontejner gradite na osobnom računalu. U slučaju da niste u mogućnosti graditi kontejnere na svojem računalu, upute za izgradnju na Supeku možete naći na našem wikiju. |
Jedan od sve ustaljenijih načina dopremanja aplikacija na HPC klastere su apptainer i singularity; sučelja za stvaranje izoliranih razvojnih okolina zvanih kontejneri.
Kontejneri su datoteke koje u sebi sadrže aplikacije i njihove ovisnosti potrebne za izvršavanje u formi slike (engl. image) koja se stvara na osobnom računalu i, jednom kada se pripremi, doprema na superračunalo i koristi kao bilo koja druga aplikacija.
Upravo zbog činjenice da image sadrži sve ovisnosti i strukturu direktorija unutar samo jedne datoteke je ovaj način najpoželjniji za rad na Lustreu.
Ispod se nalaze upute za razvoj osnovnog python data stacka koji se sastoji od knjižnica:
Detaljnije upute možete naći na službenim stranicama i našem wikiju.
Prvi korak je stvaranje osnovnog kontejnera data_stack_sandbox
u interaktivnom modu ili verziji sandbox:
# izgradnja sandbox verzije [korisnik@kompjuter:~] $ apptainer build --sandbox data_stack_sandbox docker://ubuntu:20.04 ... INFO: Creating sandbox directory... INFO: Build complete: data_stack_sandbox # sadržaj trenutnog direktorija [korisnik@kompjuter:~] $ ls -l total 154520 drwxr-xr-x 18 korisnik korisnik 4096 svi 23 16:33 data_stack_sandbox drwxr-xr-x 18 korisnik korisnik 4096 svi 23 09:51 ubuntu_20.04 -rw-r--r-- 1 korisnik korisnik 119 svi 23 15:17 ubuntu_20.04.def -rwxr-xr-x 1 korisnik korisnik 158208000 svi 23 15:24 ubuntu_20.04.sif |
Nakon stvaranja interaktivne sandbox verzije, otvorimo ljusku unutar kontejnera korištenjem sudo ovlasti i instaliramo sve ovisnosti korištenjem pip installa:
# interaktivna sjednica u kontejneru [korisik@kompjuter] $ sudo apptainer shell --writable data_stack_sandbox/ INFO: /etc/singularity/ exists; cleanup by system administrator is not complete (see https://apptainer.org/docs/admin/latest/singularity_migration.html) WARNING: Skipping mount /etc/localtime [binds]: /etc/localtime doesn't exist in container Apptainer> apt update ... Reading state information... Done 10 packages can be upgraded. Run 'apt list --upgradable' to see them. # instalacija pip3 Apptainer> apt install python3-pip -y ... Running hooks in /etc/ca-certificates/update.d... done. # instalacija python knjižnica Apptainer> pip3 install numpy scipy pandas matplotlib ipython ... Successfully installed asttokens-2.2.1 backcall-0.2.0 contourpy-1.0.7 cycler-0.11.0 decorator-5.1.1 executing-1.2.0 fonttools-4.39.4 ipython-8.13.2 jedi-0.18.2 kiwisolver-1.4.4 matplotlib-3.7.1 matplotlib-inline-0.1.6 numpy-1.24.3 packaging-23.1 pandas-2.0.1 parso-0.8.3 pexpect-4.8.0 pickleshare-0.7.5 pillow-9.5.0 prompt-toolkit-3.0.38 ptyprocess-0.7.0 pure-eval-0.2.2 pygments-2.15.1 pyparsing-3.0.9 python-dateutil-2.8.2 pytz-2023.3 scipy-1.10.1 six-1.16.0 stack-data-0.6.2 traitlets-5.9.0 tzdata-2023.3 wcwidtWARNING: Running pip as the 'root' user can result in broken permissions and conflicting behaviour with the system package manager. It is recommended to use a virtual environment instead: https://pip.pypa.io/warnings/venv h-0.2.6 # ispis verzija knjižnica Apptainer> pip3 freeze ... ipython==8.12.2 matplotlib==3.7.1 matplotlib-inline==3.7.1 numpy==1.24.3 pandas==2.0.1 scipy==1.10.1 ... |
Nakon instalacije knjižnica, prebacujemo sandbox direktorij data_stack_sandbox
u image verziju data_stack.sif
i dostavljamo ju na Supeka:
# prebacivanje sandbox verzije u image [korisnik@kompjuter:~] $ sudo apptainer build data_stack.sif data_stack_sandbox/ ... INFO: Build complete: data_stack.sif # veličine verzija sandbox i image [korisnik@kompjuter:~] $ du -hcs data_stack* 832M data_stack_sandbox 272M data_stack.sif 1.1G total # dopremanje image verzije na Supek [korisnik@kompjuter:~] $ scp data_stack.sif mkvakic@login-gpu.hpc.srce.hr:. data_stack.sif 100% 272MB 111.0MB/s 00:02m |
Nakon spajanja na superračunalo Supek, kontejner možemo koristiti pozivom naredbe apptainer exec
:
# login na pristupni poslužitelj gpu [korisnik@kompjuter:~] $ ssh korisnik@login-gpu.hpc.srce.hr Last login: Wed May 24 08:16:00 2023 from x.x.x.x # sadržaj korisničkog direktorija [korisnik@kompjuter:~] $ ls -l total 278088 -rwxr-xr-x 1 mkvakic hpc 284729344 May 24 08:02 data_stack.sif # pokretanje dopremljenog imagea na Supeku [korisnik@kompjuter:~] $ apptainer exec data_stack.sif python3 --version Python 3.8.10 |
Prethodni koraci lokalne izgradnje mogu se lokalno zapisati u .def datoteci, što omogućuje dosljedniju instalaciju u slučaju nadogradnje, ali i direktno pozivanje imagea putem poglavlja %runscript
Koraci koji se nalaze ispod su:
%post
poglavlje s koracima instalacije (linija 5)%runscript
poglavlje s zadanom izvršnom datotekom python3 (linija 10)# ispis definicijske datoteke [korisnik@kompjuter:~] $ cat data_stack.def Bootstrap: docker From: ubuntu:20.04 %post apt update apt install python3-pip -y pip3 install numpy scipy pandas matplotlib ipython %runscript exec python3 $@ # izgradnja imagea [korisnik@kompjuter:~] $ apptainer build data_stack.sif data_stack.def ... INFO: Creating SIF file... INFO: Build complete: data_stack.sif # dopremanje na Supeka [korisnik@kompjuter:~] $ scp data_stack.sif mkvakic@login-gpu.hpc.srce.hr:. data_stack.sif 100% 335MB 110.9MB/s 00:03 # login na pristupni poslužitelj gpu [korisnik@kompjuter:~] $ ssh mkvakic@login-gpu.hpc.srce.hr Last login: Wed May 24 09:18:44 2023 from x.x.x.x # direktno izvršavanje imagea na Supeku [korisnik@x3000c0s27b0n0] $ ./data_stack.sif --version Python 3.8.10 |
U slučaju da želimo specifičnu verziju pythona i njegovih knjižnica, možemo koristiti miniforge verziju conde; upravitelj python paketima koji stvara virtualna okruženja.
Prvi korak je izgradnja sandbox verzije i instalacija mambe korištenjem službenih uputa:
# izgradnja sandbox verzije [korisnik@kompjuter:~] $ sudo apptainer build --force --sandbox data_stack_sandbox docker://ubuntu:20.04 ... # otvaranje interaktivne sjednice u sandbox kontejneru [korisnik@kompjuter:~] $ sudo apptainer shell --writable data_stack_sandbox/ # osvježavanje apt repozitorija Apptainer> apt update ... # instalacija curl Apptainer> apt install curl -y ... # preuzimanje Miniforge conde Apptainer> curl -L -O https://github.com/conda-forge/miniforge/releases/latest/download/Miniforge3-Linux-x86_64.sh ... 100 82.9M 100 82.9M 0 0 30.7M 0 0:00:02 0:00:02 --:--:-- 42.0M # batch instalacija u /usr/local/miniforge Apptainer> bash Miniforge3-Linux-x86_64.sh -b -p /usr/local/miniforge ... installation finished. |
Ispod se nalaze detalji za dopremanje python verzije v3.10 i prethodno navedenih python knjižnica.
Koraci koji su potrebni su opisani ispod, dok se detaljnije upute nalaze na službenim stranicama. Instalacija se sastoji od:
data_stack
(linija 3)data_stack
(linija 14)Napomena: Komande ispod pretpostavljaju da ste i dalje u sandbox kontejneru.
# aktivacija conde u kontejneru Apptainer> source /usr/local/miniforge/bin/activate # kreiranje virtualnog okruženja data_stack (base) Apptainer> conda create -n data_stack python=3.10 -y ... # aktivacija virtualnog okružaenja data_stack (base) Apptainer> conda activate data_stack # instalacija knjižnica pipom (data_stack) Apptainer> pip3 install numpy scipy pandas matplotlib ipython ... Downloading and Extracting Packages Preparing transaction: done Verifying transaction: done Executing transaction: done # ispis instaliranih knjižnica (data_stack) Apptainer> pip3 list ... ipython 8.13.2 matplotlib 3.7.1 matplotlib-inline 0.1.6 numpy 1.24.3 pandas 2.0.1 scipy 1.10.1 ... |
Korištenje instaliranog data_stack
virtualnog okruženja osigurava se izvršavanjem python izvršne datoteke u /usr/local/miniforge/envs/data_stack/bin/python3
:
# ispis verzije i staze __init__.py datoteke knjižnice matplotlib u kontejneru [korisnik@kompjuter:~] $ apptainer exec data_stack_sandbox/ /usr/local/miniforge/envs/data_stack/bin/python3 -c 'import matplotlib; print("matplotlib verzija je: ", matplotlib.__version__); print("matplotlib __init__ datoteka je:", matplotlib.__file__)' ... matplotlib verzija je: 3.7.1 matplotlib __init__ datoteka je: /usr/local/miniforge/envs/data_stack/lib/python3.10/site-packages/matplotlib/__init__.py |
Ostali koraci pretvaranja u image i dopremanja na Supek ostaju isti, dok se cjelokupan proces kao i prije može zapisati u .def datoteci u kojoj je moguće definirati /usr/local/mambaforge/envs/data_stack/bin/python3
kao direktnu izvršnu naredbu.
Cjelokupan proces izgradnje specifičnog python virtualnog okruženja može se preskočiti korištenjem već pripremljenih kontejnera koji u sebi već sadrže condu, poput condaforge/miniforge3
Ako se koriste kao baza za izgradnju gore navedenog virtualnog okruženja, definicijska datoteka .def izgledala bi na sljedeći način i mogla koristiti za izgradnju slike koja se može dopremiti na Supeka:
%post
poglavlje s instalacijskim naredbama (linije 4 do 9)%environment
poglavlje koje postavlja okoliš za virtualno okruženje data_stack
(linije 11 do 22)%runscript
poglavlje koje definira izvršnu naredbu python3 (linije 24 do 26)Bootstrap: docker From: condaforge/miniforge3 %post conda create -n data_stack python=3.10 -y . /opt/conda/bin/activate conda activate data_stack pip3 install numpy scipy pandas matplotlib ipython %environment . /opt/conda/bin/activate conda activate data_stack %runscript exec python3 $@ |