Principios de la Computación Paralela y Distribuida

Principios de la Computación Paralela y Distribuida

La computación paralela y distribuida es una rama de la ciencia de la computación que se enfoca en el procesamiento simultáneo de tareas a través de múltiples unidades de procesamiento para mejorar el rendimiento y la eficiencia de los cálculos. En este paradigma, los datos se distribuyen entre nodos conectados en una red, y la comunicación entre nodos es esencial para acceder a datos no locales. Las operaciones fundamentales en este modelo son el envío y la recepción de mensajes, denominadas 'send' y 'receive', que permiten la transferencia de datos y la sincronización de procesos. Por ejemplo, en un escenario con dos procesos, uno puede enviar un dato mientras que el otro lo recibe y lo procesa, ilustrando la colaboración y la dependencia mutua en la computación paralela y distribuida.

Bibliotecas de Comunicación en Computación Paralela

Las bibliotecas de comunicación como PVM (Parallel Virtual Machine) y MPI (Message Passing Interface) son fundamentales para la programación en entornos de computación paralela y distribuida. PVM, desarrollada en el Oak Ridge National Laboratory, facilita la ejecución de programas paralelos en sistemas heterogéneos al simular una única máquina virtual. Proporciona herramientas para la gestión de procesos, comunicación y sincronización, así como estructuras de datos para el intercambio de mensajes. MPI, por su parte, es un estándar que resuelve la falta de portabilidad entre distintos sistemas de procesamiento paralelo masivo (MPP). Ofrece un conjunto de protocolos y funciones para el paso de mensajes, lo que permite la creación de aplicaciones paralelas ejecutables en diversas plataformas, garantizando la interoperabilidad y la escalabilidad.

Arquitectura y Funcionalidad de PVM

PVM se compone de un demonio, 'pvmd3', que opera en cada host de la red, y una biblioteca de funciones que posibilita la interacción entre tareas paralelas. Las aplicaciones en PVM son conjuntos de tareas que se ejecutan en un clúster de hosts interconectados mediante una red IP. Este sistema es apreciado por su tolerancia a fallos, lo que le permite seguir operando incluso cuando una tarea o host se cae. Aunque PVM no es un estándar oficial, ha ganado popularidad en la comunidad científica por su eficacia en el desarrollo de aplicaciones complejas que requieren esquemas de programación paralela.

Estructura y Comunicación en MPI

MPI establece una estructura de programación que se integra con el lenguaje C a través de la inclusión de la cabecera . Un programa MPI inicia con la función MPI_Init y concluye con MPI_Finalize, y entre estas, el desarrollador puede emplear una variedad de operaciones MPI para gestionar la comunicación y el procesamiento paralelo. Los programas MPI organizan los procesos en comunicadores, que son conjuntos de procesos que pueden intercambiar mensajes. Cada proceso tiene un identificador único dentro del comunicador, y el comunicador por defecto es MPI_COMM_WORLD. Las funciones de MPI permiten a los procesos identificar su posición y comunicarse eficientemente dentro del grupo.

Modalidades de Comunicación en MPI

MPI admite dos modalidades principales de comunicación: punto a punto y colectiva. La comunicación punto a punto se realiza entre dos procesos específicos, con funciones como MPI_Send y MPI_Recv que permiten definir el tipo de datos y una etiqueta para la selección de mensajes. Las comunicaciones colectivas, en cambio, involucran a todos los procesos de un comunicador y no requieren etiquetas. Estas operaciones incluyen la sincronización, el intercambio de datos y cálculos colectivos, y son esenciales para la difusión de información y la realización de operaciones de cálculo paralelo en un entorno distribuido.