SEDAR: Detección y recuperación automática de fallos transitorios en sistemas de cómputo de altas prestaciones

Abstract

El manejo de fallos es una preocupación creciente en el contexto del HPC; en el futuro, se esperan mayores variedades y tasas de errores, intervalos de detección más largos y fallos silenciosos. Se proyecta que, en los próximos sistemas de exa-escala, los errores ocurran incluso varias veces al día y se propaguen en grandes aplicaciones paralelas, generando desde caídas de procesos hasta corrupciones de resultados debidas a fallos no detectados. En este trabajo se propone SEDAR, una metodología que mejora la fiabilidad, frente a los fallos transitorios, de un sistema que ejecuta aplicaciones paralelas de paso de mensajes. La solución diseñada, basada en replicación de procesos para la detección, combinada con diferentes niveles de checkpointing (checkpoints de nivel de sistema o de nivel de aplicación) para recuperar automáticamente, tiene el objetivo de ayudar a los usuarios de aplicaciones científicas a obtener ejecuciones confiables con resultados correctos. La detección se logra replicando internamente cada proceso de la aplicación en threads y monitorizando los contenidos de los mensajes entre los threads antes de enviar a otro proceso; además, los resultados finales se validan para prevenir la corrupción del cómputo local. Esta estrategia permite relanzar la ejecución desde el comienzo ni bien se produce la detección, sin esperar innecesariamente hasta la conclusión incorrecta. Para la recuperación, se utilizan checkpoints de nivel de sistema, pero debido a que no existe garantía de que un checkpoint particular no contenga errores silenciosos latentes, se requiere el almacenamiento y mantenimiento de múltiples checkpoints, y se implementa un mecanismo para reintentar recuperaciones sucesivas desde checkpoints previos si el mismo error se detecta nuevamente. La última opción es utilizar un único checkpoint de capa de aplicación, que puede ser verificado para asegurar su validez como punto de recuperación seguro. En consecuencia, SEDAR se estructura en tres niveles: (1) sólo detección y parada segura con notificación al usuario; (2) recuperación basada en una cadena de checkpoints de nivel de sistema; y (3) recuperación basada en un único checkpoint válido de capa de aplicación. Cada una de estas variantes brinda una cobertura particular, pero tiene limitaciones inherentes y costos propios de implementación; la posibilidad de elegir entre ellos provee flexibilidad para adaptar la relación costo-beneficio a las necesidades de un sistema particular. Se presenta una descripción completa de la metodología, su comportamiento en presencia de fallos y los overheads temporales de emplear cada una de las alternativas. Se describe un modelo que considera varios escenarios de fallos y sus efectos predecibles sobre una aplicación de prueba para realizar una verificación funcional. Además, se lleva a cabo una validación experimental sobre una implementación real de la herramienta SEDAR, utilizando diferentes benchmarks con patrones de comunicación disímiles. El comportamiento en presencia de fallos, inyectados controladamente en distintos momentos de la ejecución, permite evaluar el desempeño y caracterizar el overhead asociado a su utilización. Tomando en cuenta esto, también se establecen las condiciones bajo las cuales vale la pena comenzar con la protección y almacenar varios checkpoints para recuperar, en lugar de simplemente detectar, detener la ejecución y relanzar. Las posibilidades de configurar el modo de uso, adaptándolo a los requerimientos de cobertura y máximo overhead permitido de un sistema particular, muestran que SEDAR es una metodología eficaz y viable para la tolerancia a fallos transitorios en entornos de HPC.