IT-Versorgung an Deutschen Hochschulen: Über den Aufbruch und Umbruch in Zeiten von Cloud und Exzellenz

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1 Zentrum für Informationsdienste und Hochleistungsrechnen IT-Versorgung an Deutschen Hochschulen: Über den Aufbruch und Umbruch in Zeiten von Cloud und Exzellenz Dresden Zellescher Weg 12 Tel Tagung der DFN-Nutzergruppe Hochschulverwaltung 9. Mai 2011 Wolfgang E. Nagel

2 Übersicht! Strukturwandel im IT-Umfeld Empfehlungen der Kommission für IT-Infrastruktur Neue Anforderungen IT-Services an Hochschulen! Cloud Computing Was ist Cloud Computing? Forschung & Entwicklung Cloud Computing an der TU Dresden! Zusammenfassung Wolfgang E. Nagel

3 Kommission für IT-Infrastruktur Empfehlungen ! Vergangenheit: Dienste des Rechenzentrums für Wissenschaftler! Heute Studierende erwarten zeitgemäße Strukturen der Informationstechnik (moderne Lehrmittel: Laptop, W-LAN; Organisation des Studiums) Unterstützung aller Einrichtungen des Universitätsmanagements (Facility Management, Verwaltung der Daten von Mitarbeitern, Studierenden und Alumni)! Notwendigkeit zu einem ganzheitlichen Service- und Organisationskonzept für die digitale Informationsversorgung und verarbeitung, die digitale Kommunikation sowie den Einsatz digitaler Medien in Forschung, Lehre, Studium und Verwaltung! Wichtiges Ziel der Hochschule ist folglich eine effiziente Integration und Koordination der Informationsversorgung und Informationsverarbeitung

4 Kommission für IT-Infrastruktur Empfehlungen ! Vergangenheit: Große Effizienzgewinne durch Stützung einzelner Prozesse mit IT (Hardware und Software)! Heute Vernetzung und integrierte Nutzung zwingend, Homogenisierung ein Muss Beispiel: Effiziente Prüfungsverwaltung muss integriert sein mit Immatrikulation, mit Präsentationen von Vorlesungen und Inhalten, mit Online-Abfragefunktionen für Studierende und Prüfer und mit dem Abrechnungssystem für die leistungsund belastungsorientierte Mittelvergabe (insbes. bei interdisziplinären Studiengängen) Neue Dienstleistungen und verbesserte Realisierungen Integriertes Informationsmanagement setzt Anpassung der Strukturen voraus (bisher traditionell getrennte Dienstleistung für Telefonie, Medienzentrum, Verwaltungs-IT, Rechenzentren der Fakultäten und Institute, Hochleistungsrechnerbetrieb etc.) Optimierung wird zunächst auf den Bereich der eigenen Hochschule beschränkt sein Hochschulübergeifende Kooperationen werden aus Effizienzgründen in der Zukunft häufiger werden

5 Strukturelle Ziele betreffen auch die Organisation! Effiziente Koordinierungs- und Service-Strukturen! Globale Infrastruktur mittels Einsatz moderner Informations- und Kommunikationstechnik sowie neuer Medien in Forschung, Lehre, Studium und Verwaltung! Transparente Verfügbarkeit von Computing mit Methodik für jeden wissenschaftlichen Bereich (der dies braucht) an jedem Arbeitsplatz (GRID, Cloud, HPC)! Umfassende ubiquitäre, multimediale Plattformen und innovative Servicestrukturen zur Informationsversorgung und -verarbeitung! Neue, effiziente Arbeitsformen unter Berücksichtigung von Mobilität und allgegenwärtig verfügbarer Information

6 Neue Anforderungen! Integration durchgängig IT-gestützte integrierte Prozesse durchgängige organisatorische und technische Integration multimediale und mobile Kommunikation, neue Lehr-, Lern- und Arbeitsformen! Virtualisierung von Daten-, Informations- und Rechendiensten global transparenter Zugriff auf Kapazitäten und Ressourcen global kollaboratives Forschen, Entwickeln, Planen und Handeln! Integrierte wissenschaftliche Arbeitsumgebung neue Formen der Organisation, Kollaboration, Kooperation und Kommunikation mit einer umfassenden Wissensverarbeitung transparente Nutzung eines breiten Spektrums von Diensten sowie Bereitstellung von Ressourcen und Know-how erhöhte Anforderungen aus den Grundsätzen zur Sicherung guter wissenschaftlicher Praxis (Laborbuch, Sicherung der Experimentdaten etc.)

7 Neue Anforderungen! Service-orientierte Architekturen! Forderung nach erhöhter Qualität bedarfsgerechte Verfügbarkeit von Informationen und Ressourcen Service Levels, Verlässlichkeit und Robustheit Mobilität, Ubiquität ( zu jeder Zeit, an jedem Ort )! Sicherheit Transfer, Zugang und Management von Daten Privacy, Protection, Integrität Erweiterte rechtliche Rahmenbedingungen

8 Kommission für IT-Infrastruktur Empfehlungen Herausforderungen für Hochschulen in den letzten fünf Jahren:! Exzellenzinitiative! strukturelle Reformen in Richtung größerer Eigenständigkeit der Hochschulen! zunehmende Ausmaß an Vernetzung über Institutionen und Ländergrenzen hinweg! Entwicklungen auf internationaler Ebene wie der Bologna-Prozess oder der Wettbewerb um internationale Fördermittel und um die besten Köpfe! fundamentale Veränderungen an den Hochschulen sind angestoßen Anforderungsprofil an die IT-Infrastruktur wird qualitativ und quantitativ beständig erweitert Sind ohne diese aber gar nicht mehr beherrschbar! IT-Infrastruktur ist somit Rückgrat einer moderner Hochschulen geworden, betrifft, treibt und beflügelt all deren Bereiche wie Forschung, Lehre, Verwaltung, Leitungsstrukturen oder Hochschulmedizin

9 Kommission für IT-Infrastruktur Empfehlungen ! Über die Bereitstellung der technischen Infrastruktur hinaus werden Rechenzentren heute als Anbieter von Dienstleistungen für die verschiedenen Nutzergruppen an einer Hochschule verstanden! Es wird erwartet, dass sie die Bedürfnisse ihrer Nutzergruppen aufgreifen und entsprechende Versorgungskonzepte entwickeln einerseits mit allgemeinen Basisdiensten, andererseits mit nutzergruppenspezifischen Lösungsansätzen! Spektrum der Nutzergruppen erweitert sich dabei stetig Bisher: Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie Studierende Nun: Gruppen wie Alumni, Schulen, Kooperationspartner in der Industrie sowie alle Bereiche von Hochschulleitung und -verwaltung! Im Mittelpunkt steht das Ziel eines Integrierten Informationsmanagements, das neben der IT der wissenschaftlichen und medizinischen Rechenzentren auch alle anderen IT-gestützten Dienste einer Hochschule umfasst, z. B. die Nachrichten-, Haus- und Medizintechnik sowie das Bibliothekswesen

10 Kommission für IT-Infrastruktur Empfehlungen ! Rechenzentren an Hochschulen, oder besser IT-Service-Zentren, sind zentrale Dienstleister! sollten stets aber auch Einrichtungen mit eigenem Forschungs- und Entwicklungsprofil sein! Wandlungsprozess der klassischen Rechenzentren hin zu modernen IT- Service-Zentren hat sich in den letzten Jahren noch verstärkt

11 Kommission für IT-Infrastruktur Empfehlungen CIOs in der Hochschulpraxis: vier unterschiedliche Umsetzungstypen! Strategischer CIO mit Leitungsfunktion: Ein Vizepräsident oder eine Vizepräsidentin ist explizit für das Informationsmanagement zuständig. Teilweise übernimmt auch der Kanzler die Zuständigkeit für das Informationsmanagement.! Strategischer CIO mit Stabsfunktion: Ein Hochschullehrer oder ein IT- Manager im Präsidialstab koordiniert das Informationsmanagement.! Operativer CIO: Der Leiter einer zentralen Informationsinfrastruktureinrichtung fungiert gleichzeitig als CIO der Hochschule.! Kollektiver CIO: Die CIO-Funktion wird von einem Lenkungsausschuss mit zwei bis drei Personen ausgeübt, der allerdings anders als die traditionelle Senatskommission über unmittelbare Entscheidungsbefugnisse verfügt.! Wichtig ist, dass der CIO einen unmittelbaren Zugang zur Hochschulleitung hat und die IT-Belange der gesamten Hochschule strategisch mit unmittelbarer Richtlinien- und Entscheidungskompetenz führt und verantwortet.

12 IT-Services an Hochschulen Betreiben von Hardware-Infrastrukturen! Netze, Server, Kurz-, Mittel- und Langzeitspeicher, Drucker Betreiben von Grunddiensten! , Datenspeicher, BSCW, Wiki, Groupware, Conferencing! Datensicherung und -archivierung! Identity Management, Single Signon, Access Management! Sicherheit von Endgeräten und des Netzes! Individualisierbare Portale, Dienstekonzeption und -integration Wissenschaftsnahe Dienste! Informationsversorgung! Virtuelle Forschungsumgebungen! standortübergreifende Forschungskooperationen! Workflow Support, Lifecycle Support

13 Cloud Computing Wolfgang E. Nagel

14 Was ist Cloud Computing? Wolfgang E. Nagel

15 Was ist Cloud Computing? Baun, Kunze, Nimis, Tai: Cloud Computing: Web-basierte dynamische IT- Services Unter Ausnutzung virtualisierter Rechen- und Speicherressourcen und moderner Web-Technologien stellt Cloud Computing skalierbare, netzwerkzentrierte, abstrahierte IT-Infrastrukturen, Plattformen und Anwendungen als ondemand Dienste zur Verfügung. Die Abrechnung dieser Dienste erfolgt nutzungsabhängig. Cloud Computing beinhaltet nichts revolutionär Neues. ist die intelligente Zusammenführung existierende Konzepte und Technologien. ist auch eine Marketing-Strategie. bietet für vieles eine Lösungsmöglichkeit, ist aber nicht die Lösung für alles. Wolfgang E. Nagel

16 Cloud Computing - Basistechnologien! Virtualisierung! Service orientierte Architekturen! Intelligentes Management Wolfgang E. Nagel

17 Virtualisierung Virtualisierungskonzepte Platformvirt. VM Anwendungen Gast OS Hypervisor Hardware VM Anwendungen Gast OS Vmware, Xen, KVM Betriebsystemvirt. Container Anwendungen Host OS Hardware Container Anwendungen OpenVZ, Virtuozzo Anwendungsvirt. Anwendungen Google Docs, Microsoft Office 365 Wolfgang E. Nagel

18 Virtualisierung Virtualisierungskonzepte Speichervirtualisierung! dynamisch skalierbarer Speicher! Datenorganisation in Speicherpools! Erweitertes Management (CDN & HSM) Anwendung Datei Fileserver Anwendung Speichermanagement Speicherobjekt Beispiel: Amazon S3 Speicherpool USA Speicherpool IRL Wolfgang E. Nagel

19 Virtualisierung Virtualisierungskonzepte Netzwerkvirtualisierung Loadbalancing und Failover Client virtuelle IP VLAN Technologie Loadbalancer + Transparenz + Sicherheit - Aufwand Anwendungsserver VPN Beispiel: Amazon Elastic Load Balancing, Amazon VPC Wolfgang E. Nagel

20 Service Orientierte Architekturen! Abstraktion von konkreten Technologien! Kapselung von Funktionalitäten! Lose Kopplung! Dienste verwenden Dienste! Implementierung z.b. als Webservices Wolfgang E. Nagel

21 Management! Verwaltung physischer Ressourcen! Verwaltung der virtuellen Instanzen! Bereitstellung der physischen Ressourcen! Scheduling! Abrechnung des Verbrauchs! Wolfgang E. Nagel

22 Cloud Typen! Anbieter und Nutzer gehören verschiedenen Organisationen an! Dienstleistungen sind öffentlich zugänglich! Kombination aus Public und Private Cloud! Auslagerung von Systemteilen! Kompensation von Lastspitzen! Anbieter und Nutzer gehören derselben Organisationen an! Nutzung Organisationseigener Ressourcen! Datenhoheit gewährleistet Wolfgang E. Nagel

23 Cloud Dienste Ready-to-use Software Software as a Service SaaS Programming & Execution Enviroment Platform as a Service PaaS CPU, Storage, Network Infrastructure as a Service IaaS Wolfgang E. Nagel

24 Produkte - IaaS! Amazon Elastic Compute Cloud (EC2) Elastic Block Store (EBS) Simple Storage Service (S3) Elastic MapReduce! Microsoft Azure! Und andere! Aber auch: Open Source Cloud Systeme OpenNebula Eucalyptus Nimbus Und andere Wolfgang E. Nagel

25 Aktuelle Forschungsthemen! Skalierbarkeit! Sicherheit und Datenschutz! Standardisierung von Schnittstellen/ Interoperabilität! Verteilte Daten! Programmiermodelle! Juristische Aspekte! Green IT The Future of Cloud Computing, EU Expert Group Report 2010 Wolfgang E. Nagel

26 Cloud Computing F&E am ZIH: GeneCloud! GeneCloud Projekt im Rahmen des Wettbewerbs Sicheres Cloud Computing für Mittelstand und öffentlichen Sektor Trusted Cloud des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie! Hintergrund Exponentiell steigenden Kosten für die Entwicklung neuer Wirkstoffe in der Pharmaindustrie Verbesserung durch Hochdurchsatzverfahren Erzeugen große Datenmengen großer Rechenleistung für Verarbeitung nötig! Ziel: High-Performance Cloud-Computing-Dienste für die Lebenswissenschaften Aufbau einer Cloud-Infrastruktur und von Cloud Diensten Sicherheitsmechanismen für hohe Anforderungen Wolfgang E. Nagel

27 100GE-Testbed Dresden Freiberg (60/200/400km) / Teilprojekte! Synthetische Lasttests Messung und Optimierung der Leistungskennwerte aller Einzelkomponenten bei unregelmäßigen Datenverkehr und Überlastsituationen auf Transport- und Anwendungsebene Durchgängige Auslastung zu 99.9% möglich! Cluster Virtueller Maschinen Stabilität und Verfügbarkeit 100% Vmotion: Verschiebung von 100 Servern von DD nach FG in 7 Minuten (60km) StorageVmotion: Verschiebung von 100 Servern von Storage in DD nach Storage in FG in 40 Minuten (60km) Einfluss der Streckenlänge auf Latenz / Optimierungen notwendig! Network Attached Storage Testsystem BlueArc Titan-3200 (30 TB Sata) Einfluss der Streckenlänge auf Latenz/Datendurchsatz von 75MB/s (60km) =>15 MB/s (400km) / Einfluss der Latenz Optimierungen notwendig (lfd.)! Videokonferenz Auslastungsunabhängige Videokonferenz (auch im HD-Bereich) ohne Störeinflüsse!! 3D-Visualisierung (lfd.) Wolfgang Wünsch

28 Parallele Dateisysteme! Evaluierung von drei etablierten Dateisystemen! Hauptfragen: kann die 100G-Leitung gesättigt werden Einfluss der Latenz auf kleine und große Dateizugriffe GPFS! Ergebnisse: Performance-Werte z.t. über der Spezifikation des Herstellers Lustre 21,8 GB/s Bandbreite (Maximum ist 25 GB/s) FhGFS 22,58 GB/s GPFS 19,4 GB/s Latenz hat fast keinen Einfluss auf kleine Zugriffe Interaktive Nutzung auch für auch für große Bandbreiten möglich Wolfgang Wünsch

29 Cloud Computing F&E am ZIH: Center of Excellence! Pressemitteilung am 21. März 2011! Strategische Zusammenarbeit der TU Dresden und der TU Bergakademie Freiberg mit Cisco VMware NetApp! Enge Zusammenarbeit für Virtualisierung und sicheres Cloud Computing Schnelle Bereitstellung virtueller Arbeitsumgebungen an mehreren Standorten Maximale Flexibilität von Diensten und Datenredundanz zwischen Universitäten Plattform- und geräteunabhängige Anwendungen! Fertigstellung des Centers of Excellence in diesem Jahr

30 Cloud Computing F&E am ZIH: Center of Excellence! Erstmals in Deutschland sollen Shared Services zwischen zwei Hochschulen in größerem Umfang getestet werden! Beide Hochschulen erhalten Zugriff auf eine Technologie, die maximale Flexibilität von Diensten und Datenredundanz bietet! Studierende und Fachbereiche können dann unabhängig vom Standort, der verwendeten Plattform oder Gerät auf zentral angebotene Anwendungen zugreifen! Als technologische Plattform wird das von Cisco, NetApp und VMware gemeinsam entwickelte FlexPod für VMware eingesetzt werden Einfach skalierbare Datacenter-Lösung Optimierbar für unterschiedliche Anwendungen Konfigurierbar für Desktop- und Server-Infrastrukturen sowie Cloud- Umgebungen

31 Perspectives HPC & Networking Gauss Centre for Supercomputing (LRZ München, FZ Jülich, HLRS Stuttgart) Gauß Allianz (12 HPC Centres / Germany: SCC Karlsruhe, RRZE, RRZN, HLRN, DKRZ, ZIH,.. ) CLOUD NRENs / National Research and Education Networks TU Dresden today: 3x10Gbit/s X-WiN-Cluster- Node GRID (Genf, Lyon, Karlsruhe, Redding, Amsterdam etc.) SAP Services TSI, DTAG-Services Status: Januar

32 Amazon, April 2011 (Interrupt on April 21st) Computerwoche vom 26. April Nach massiven Problemen mit den Amazon Web Services (AWS) in den USA Ende letzter Woche läuft die Cloud-Infrastruktur mittlerweile größtenteils wieder. Vor allem am Gründonnerstag und Karfreitag gingen allerlei auch durchaus namhafte EC2-Kunden - darunter die Webfirmen Foursquare, Reddit und Quora - zwangsweise vom Netz, nachdem bei AWS unter anderem Datenbankinstanzen ausgefallen waren. Die Amazon-Panne war der bislang größte Ausfall bei einem Cloud-Anbieter und unter anderem deswegen besonders bedenklich, weil sie mehrere eigentlich voneinander isolierte "Availability Zones" betraf. Die Analyse von Amazon findet sich unter Analysten hatten bisher geschätzt, dass Amazon in diesem Jahr mit AWS mehr als 500 Millionen Dollar erlösen könnte. Der E-Commerce-Riese aus Seattle sichert seinen Cloud-Kunden vertraglich eine Verfügbarkeit von 99,95 Prozent zu (< 6 Std. Ausfall pro Jahr).

33 Amazon, April 2011 (Interrupt on April 21st) von Amazon an die betroffenen Kunden: Hello, A few days ago we sent you an letting you know that we were working on recovering an inconsistent data snapshot of one or more of your Amazon EBS volumes. We are very sorry, but ultimately our efforts to manually recover your volume were unsuccessful. The hardware failed in such a way that we could not forensically restore the data. What we were able to recover has been made available via a snapshot, although the data is in such a state that it may have little to no utility... If you have no need for this snapshot, please delete it to avoid incurring storage charges. We apologize for this volume loss and any impact to your business. Sincerely, Amazon Web Services, EBS Support

34 Zusammenfassung! IT-Versorgungskonzepte müssen heute nachhaltig in die Organisation von Prozessen an Universitäten eingreifen, um zukunftsfähige Strukturen zu schaffen! Dies muss in enger Abstimmung in Teilen unter direkter Steuerung - des CIOs in der jeweiligen Ausprägung geschehen! Rationalisierungseffekte durch Kompetenzbündelung Es gibt sie, gleichzeitig wachsen aber die Anforderungen an die Dienste und an die Qualität Ziel: wirtschaftlicherer Personaleinsatz in den Versorgungsbereichen Freigesetzte personelle Kapazitäten werden wieder vermehrt den originären Aufgaben in Forschung und Lehre oder auch neuartigen IT-relevanten Aufgaben zugeführt! Die Business-Modelle der Cloud-Anbieter für den Wissenschaftsbereich werden sich noch anpassen (Pol. Randbed., Langfristbeziehungen, Daten-Affinität)! Wir müssen bei unseren Veränderungsprozessen im IT-Bereich sorgfältig und auch vorsichtig sein!

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