Thema: Modularisierung einer bestehenden Softwarearchitektur durch Grid Computing unter besonderer Berücksichtigung von Oracle 10g

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1 Thema: Modularisierung einer bestehenden Softwarearchitektur durch Grid Computing unter besonderer Berücksichtigung von Oracle 10g Diplomarbeit von Lars Franke aus Rudolstadt BERUFSAKADEMIE LÖRRACH STAATLICHE STUDIENAKADEMIE UNIVERSITY OF COOPERATIVE EDUCATION Ausbildungsbereich Wirtschaft Betreuender Dozent: Herr Dirk Ücker Abgabetermin: Kurs: WWI01B Fachrichtung Informationssysteme Unternehmen Delta Energy Solution AG Betreuer im Betrieb: Herr Jörg Sobottka

2 Ehrenwörtliche Erklärung Ich versichere hiermit, dass ich meine Diplomarbeit mit dem Thema Modularisierung einer bestehenden Softwarearchitektur durch Grid Computing unter besonderer Berücksichtigung von Oracle 10g selbstständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe. Basel, Diplomarbeit Lars Franke 2

3 Kurzfassung In der vorliegenden Arbeit wird versucht, anstehende bzw. auftretende Probleme in der IT mit neuen Grid Computing Technologien zu beseitigen. Zu den angesprochenen Problemen gehören vor allem Performanceengpässe, eine schlechte Ressourcennutzung, unzuverlässige Systeme sowie Sicherheitsprobleme. Dazu werden als Erstes die erwähnten Probleme genauer untersucht. Deren Lösung erfolgt durch unterschiedliche Computerarchitekturen. In einem Konzept wird dabei dargestellt, welche Architektur die Aufgaben mit welchen Mitteln lösen kann. Um Klarheit bei der Lösung sicherzustellen, werden die Architekturen auf zwei Produkten von Oracle abgebildet: 1. Am Beispiel von Oracle9i wird die Lösung der Probleme durch die 3-Tier Architektur sowie die Architektur mit Forms- / Reportsserver erläutert. 2. Am Beispiel von Oracle10g, der neusten Version von Oracle Software, wird die Problemlösung durch die Grid Computing Architektur erklärt. Im Ergebnis steht fest, dass Oracle10g theoretisch mehr Möglichkeiten bietet, um die angesprochenen Fälle mit Hilfe von Grid Computing zu lösen. Die Umsetzung wird anschliessend zeigen, ob sich diese Erkenntnis auch in der Praxis zeigt. Jedoch kann die Umsetzung nicht alle Probleme mit deren Lösung darstellen, da im zeitlichen Rahmen einer Diplomarbeit z.b. nicht gezeigt werden kann, wie zuverlässig ein System arbeitet. Daher werden in diesem praktischen Teil hauptsächlich die Performance der Systeme verglichen. Diplomarbeit Lars Franke 3

4 Danksagung In diesem Abschnitt möchte ich mich für die stete Unterstützung und die erteilte Hilfe während der Anfertigung dieser Diplomarbeit bedanken. Besonderer Dank geht hierbei an den Betreuer der BA, Herrn Dirk Ücker, sowie den Betreuer der Delta Energy Solution AG, Herrn Jörg Sobottka. Beide Betreuer gaben mir wertvolle Unterstützung, hilfreiche Tipps, zahlreiche Anregungen sowie erforderliche Kritiken im Laufe der gesamten Bearbeitungszeit. Besonderer Dank geht auch an die Geschäftsführung der Delta Energy Solution AG. Nur durch den Abschluss des Ausbildungsvertrages konnte ich im Verlauf der letzten drei Jahre wertvolle Erfahrungen sammeln und als Ergebnis diese Diplomarbeit erstellen. An dieser Stelle möchte ich mich für die gute Ausbildung bedanken und verspreche auch in Zukunft, stets das in mich gesetzte Vertrauen zu erfüllen. Nicht zuletzt möchte ich mich ebenfalls bei allen nicht namentlich genannten Personen bedanken, die mir während der Bearbeitungszeit hilfreich zur Seite standen, sei es durch das Nennen wichtiger Quellen, Zeit für praktische Umsetzungen oder jegliche Tipps und Hilfen bei Korrekturen. Diplomarbeit Lars Franke 4

5 Inhaltsverzeichnis Seite Ehrenwörtliche Erklärung...2 Kurzfassung...3 Danksagung...4 Abkürzungsverzeichnis...7 Abbildungsverzeichnis...9 Tabellenverzeichnis...10 Anlagenverzeichnis Einleitung Motivation Problemstellung und -abgrenzung Ziel der Arbeit Vorgehen Grundlagen Datenbanken Datenbank Management System Cluster Tier Architektur Architektur mit Forms- / Reportsserver Oracle Forms und Oracle Reports Architektur Grid Computing ET Problemanalyse Performance-Engpässe Schnelle Netzwerke Zugriff auf Daten Schlechte Ressourcennutzung Ausfallsicherheit Kosteneinsparung Unzuverlässige Systeme Vermeiden eines Single Point of Failure Zentrales Management Unsichere Systeme Zusammenfassung Lösungskonzept Lösungskonzept mit Oracle9i Beseitigung der Performanceprobleme Ausnutzung von Ressourcen Zuverlässigkeit des Systems Sicherheit...33 Diplomarbeit Lars Franke 5

6 4.2 Lösung der Probleme durch Grid Computing Lösung für Performanceengpässe Performance durch RAC Performance durch Netzwerkoptimierung Zugriff auf Daten Ausnutzung von Ressourcen im Grid Ausfallsicherheit Kosteneinsparung Zuverlässigkeit Single Point of Failure Zentrales Management im Grid Sicherheit Zusammenfassung Umsetzung Aufbau einer Testumgebung Beschreibung der Testfälle Testfall A Testfall B Testfall C Ergebnis der Tests Ergebnisse von Testfall A Ergebnisse von Testfall B Ergebnisse von Testfall C Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Erreichte Ergebnisse Ausblick Erweiterbarkeit der Ergebnisse Übertragbarkeit der Ergebnisse...52 Quellenverzeichnis...53 Stichwortverzeichnis...55 Anhang...57 Diplomarbeit Lars Franke 6

7 Abkürzungsverzeichnis ACID AG Bzw. CD CPU DB DBA DBMS Atomicity, Consistency, Isolation, Durability Aktien Gesellschaft Beziehungsweise Compact Disc Central Processing Unit Datenbank Datenbank Administrator Datenbank Management System ET3000 Energy Trading 3000 GB GHz GUI Inc. IT LAN LDAP MB MHz MS NAS PC PL / SQL RAC RM SAN SMP SP Gigabyte Giga Hertz Graphical User Interface Incorporated Informations- Technologie Local Area Network Lightweight Directory Access Protocol Megabyte Mega Hertz Microsoft Network Attached Storage Personal Computer Procedural Language / Structured Query Language Real Application Cluster Risk Management Storage Area Network Symmetric Multiprocessing Service Pack Diplomarbeit Lars Franke 7

8 SQL SSL TB TCO TCP/IP USB Vgl. z.b. Structured Query Language Secure Socket Layer Terabyte Total Cost of Ownership Transfer Control Protocol / Internet Protocol Universal Serial Bus Vergleiche zum Beispiel Diplomarbeit Lars Franke 8

9 Abbildungsverzeichnis Seite Abbildung 1: Entwicklung der Performance im Grid Abbildung 2: Vorgehensweise Abbildung 3: Aufbau eines Cluster Abbildung 4: 3-Tier Architektur Abbildung 5: ET3000 Module Abbildung 6: 3-Tier bei Oracle Abbildung 7: Shared Disk vs. Shared Nothing Architektur Abbildung 8: Job Scheduling im Grid Abbildung 9: Oracle Enterprise Manager 9i Abbildung 10: Oracle Enterprise Manager 10g Grid Control Abbildung 11: Ziele des Enterprise Manager 10g Grid Control Diplomarbeit Lars Franke 9

10 Tabellenverzeichnis Seite Tabelle 1: Unterschied Cluster - Grid Computing Tabelle 2: Netzwerktopologien Tabelle 3: Testsystem A Tabelle 4: Testsystem B Diplomarbeit Lars Franke 10

11 Anlagenverzeichnis Seite Anlage 1: Checkliste für Linux Oracle10g Installation Anlage 2: Ausschnitt aus Quelle [MEOR04] Anlage 3: Auszug aus [BRGO03] Anlage 4: Ausschnitt 2 aus Quelle [MEOR04] Diplomarbeit Lars Franke 11

12 1 Einleitung 1.1 Motivation In der heutigen Zeit ist es selbstverständlich, dass Informationen über das Internet ausgetauscht werden. Das zeigt auch folgendes Zitat: Die Zahl der Hosts hat sich von im Januar 1993 auf im Januar 2000 vervielfacht. 1 Doch was wäre, wenn die heutige Infrastruktur des Internet oder Intranet noch effektiver genutzt werden könnte? Kann es grosse Vorteile bringen, wenn über das Internet nicht nur Informationen, sondern auch Rechenleistung und Speicherkapazität ausgetauscht werden? Wenn ja, dann könnten viele ungenutzte Ressourcen plötzlich effektiv nutzbar gemacht werden. Die Kapazitäten der vorhandenen Hardware können gemeinsam ungeahnte Rechenkapazitäten zur Verfügung stellen, ohne dass grosse Investitionen nötig sind. Somit können komplexe Softwaresysteme, wie z.b. ET der Delta Energy Solution AG, um ein vielfaches beschleunigt werden. Datenbanken, welche die Datenbasis für ET3000 bilden, benötigen sehr viele Computerressourcen. Die Ressourcenansprüche sind nicht nur in Bezug auf die Rechenleistung besonders hoch. Auch die Zugriffsgeschwindigkeit auf die gespeicherten Daten spielt eine wesentliche Rolle. Die Datendateien einer Datenbank haben oft eine Grösse von mehreren GB, Tendenz steigend. Eine solche Datei nach einem Datensatz zu durchsuchen, dauert unabdinglich eine gewisse Zeit. Ist eine solche Datendatei allerdings nur virtuell vorhanden und real auf mehrere Rechner verteilt, verringert sich die Zugriffszeit gewaltig. Dadurch können nicht nur die vorhandenen IT - Systeme effizient genutzt werden, es folgt auch automatisch eine Senkung der TCO im IT Bereich. Die TCO könnten sich durch den Verbund der vorhandenen Hardware verringern, es müssen keine teuren Supercomputer gekauft werden, um die Leistung zu erhöhen. Eine zentrale Administration und damit ein geringerer Verwaltungsaufwand im Grid führt zu weiteren Kostenvorteilen. Die folgende Abbildung soll darstellen, wie der Performancegewinn von der Grösse des Grids abhängig ist. Dabei ist zu erkennen, dass bei einem globalen Grid die Leistung am höchsten ist. Das ist die Vision von Grid Computing. Unendliche Rechen- und Speicherkapazitäten sollen, ähnlich wie die Informationen im Internet, für jeden nutzbar werden. 1 Quelle: [UNIB00] 2 Energy Trading 3000, das Standardprodukt der Delta Energy Solution AG Diplomarbeit Lars Franke 12

13 EINLEITUNG Abbildung 1: Entwicklung der Performance im Grid 3 Grid Computing ist der Nachfolger des Internet. Das ist bei vielen Firmen zu sehen. Oracle ändert z.b. den Namen seiner neusten Datenbank von ursprünglich Oracle 9i (i wie Internet) nach Oracle 10g (g wie Grid Computing). Auch für IBM ist Grid Computing eine Schlüsseltechnologie. Jährlich werden derzeit mehr als 4 Mrd. $ in Grid Computing investiert. Durch die Nutzung von offenen Standards soll die Kompatibilität unterschiedlicher Grid Systeme garantiert werden. Zu den offenen Standards gehören Technologien wie TCP/IP zur Verbindung der Rechner oder standardisierte Sicherheitsmechanismen, um die Daten vor fremden Zugriffen zu schützen. ET3000 enthält mehrere Funktionen, die viel Zeit in Anspruch nehmen. Dazu gehören komplexe Berechnungen mit grossen Datenmengen. Die Bearbeitungszeit für solche Berechnungen könnte gegenüber anderen Architekturen durch Grid Computing enorm verringert werden. Durch die geringeren Verarbeitungszeiten könnte die Produktivität bei der Arbeit mit ET3000 in der Entwicklung sowie im Produktiveinsatz bei Kunden verbessert werden. Vor der definitiven Nutzung der neuen Grid Computing Funktionen in Oracles Datenbank 10g muss getestet werden, wie sich die Funktionalitäten des Grid auf ET3000 auswirken. Um einen Unterschied feststellen zu können, werden mehrere Architekturansätze implementiert. Somit 3 Quelle: [RIVE04] Diplomarbeit Lars Franke 13

14 EINLEITUNG kann die Performance von Grid Computing gegenüber anderen Architekturen wie der 3-Tier Architektur oder der Forms- / Reportsserverarchitektur verglichen werden. Das Ergebnis wird zeigen, in welchem Masse eine Veränderung der Verarbeitungsgeschwindigkeit in ET3000 erkennbar wird und welche weiteren Vor- und Nachteile Grid Computing darüber hinaus bringt. 1.2 Problemstellung und -abgrenzung Diese Arbeit zeigt auf, ob Grid Computing mit dem derzeitigen Wissens- und Softwarestand eine sinnvolle Architektur für ET3000 ist. Dazu sollen zuerst Probleme der heutigen IT Systeme aufgegriffen werden, welche es anschliessend zu lösen gilt. Die möglichen Lösungen der Probleme werden zum einen am Beispiel der schon seit längerem bekannten 3-Tier Architektur, zum anderen am Beispiel von Grid Computing gezeigt. Im Praktischen Teil dieser Arbeit werden Analyseaufgaben, Risk Management Szenarien und Auswertungen, die Bestandteil von ET3000 sind, auf ihre Performance untersucht. Die gemessenen Werte werden unter Berücksichtigung der zwei unterschiedlichen Architekturen verglichen. Ein grosser Teil der Arbeit beschäftigt sich mit Grid Computing. Dessen Möglichkeiten, wie Lastverteilung, kürzere Wartezeiten oder Ausnutzen von vorhandener Rechenleistung und Rechenkapazität sollen erläutert werden. Zum Vergleich sollen auch die Möglichkeiten von Oracle9i-Produkten aufgezeigt werden, welche zur Umsetzung der vorhandenen Probleme bereit stehen. In den Oracle9i-Produkten ist die 3-Tier- und die Forms- / Reportsserverarchitektur umgesetzt. Somit steht am Ende fest, welche Architektur die grössten Vorteile und Möglichkeiten bietet, um die Probleme in der heutigen Computerwelt zu lösen. Die Anforderungen eines Datenbanksystems an den Grid stehen in dieser Arbeit nicht zur Diskussion. Dies wurde bereits in der vergangenen Studienarbeit des Autors behandelt. Auch Datenbanksysteme, welche gewissermassen im Mittelpunkt der Arbeit stehen, sollen nicht detailliert erläutert werden. Vielmehr soll herausgearbeitet werden, wie sich das DBMS in einer Grid Computing Umgebung verhält. 1.3 Ziel der Arbeit Das Ziel der Arbeit ist es, die Einführung einer bestehenden Softwarearchitektur in ein Grid Computing Umfeld zu planen und zu testen. Dabei sollen mögliche alternative Architekturen aufgezeigt, und anhand fest definierter Aufgaben- und Problemstellungen verglichen werden. Es sollen Probleme der heutigen Computerwelt, die unter anderem auch bei der Delta Energy Solution AG, sowie anderen Institutionen auftreten, gezeigt werden. Mögliche Lösungen der Probleme durch Grid Computing sowie anderer Architekturen werden beleuchtet. Somit stellt sich auch heraus, ob der Grid mehr Möglichkeiten bietet wie z.b. die 3-Tier Architektur. Diplomarbeit Lars Franke 14

15 EINLEITUNG 1.4 Vorgehen 2. Kapitel: Grundlagen Klären von wichtigen Begriffen für den weiteren Verlauf der Arbeit Grundlagen Datenbanken Datenbank Management System Cluster 3-Tier Architektur Architektur mit Forms- / Reportsserver Grid Computing ET Kapitel: Problemanalyse Analyse der Probleme in der heutigen Computerwelt Vorhandene Probleme Performance Engpässe Schlechte Ressourcennutzung Unzuverlässige Systeme Unsichere Systeme Zusammenfassung und Überleitung in das Lösungskonzept 4. Kapitel: Lösungskonzept Wie können die angesprochenen Probleme durch die jeweilige Architektur gelöst werden Oracle9i: 3-Tier und Forms- / Reportsserver Oracle10g: Grid Computing Mögliche Lösung der Performance Probleme Mögliche Lösung der schlechten Ressourcennutzung Mögliche Lösung für unzuverlässige Systeme Mögliche Lösung der Sicherheitsprobleme Zusammenfassung und Überleitung in die Umsetzung 5. Kapitel: Umsetzung Dies ist der praktische Teil der Arbeit. Anhand von Testfällen werden neue Technologien getestet Beschreibung der Testfälle Aufbau einer Testumgebung Testfall A Testfall B Ergebnis der Testfälle Testfall C 6. Kapitel: Zusammenfassung Erreichte Ziele Ausblick Erweiterbarkeit/ Übertragbarkeit Abbildung 2: Vorgehensweise Diplomarbeit Lars Franke 15

16 EINLEITUNG Abbildung 2 zeigt das Vorgehen der Arbeit, welches sich in ihrer Kapitelstruktur widerspiegelt. Demnach beginnt die Arbeit in Kapitel 2 mit einigen Grundlagen. Es werden Begriffe erklärt, die für den weiteren Verlauf der Arbeit, sowie für den Einstieg in Grid Computing, wichtig sind. Die Begriffserklärung dient dazu, die später in der Arbeit vorkommenden Fachbegriffe klar abgrenzen zu können. Weiterhin bieten die Grundlagen einen Einstieg in das Thema der Arbeit. Zu den Begriffen gehören Datenbanken, Datenbank Management Systeme, Cluster, die 3-Tier Architektur, die Forms- / Reportsserverarchitektur, Grid Computing sowie ET3000, das Produkt der Delta Energy Solution AG. In Kapitel 3 werden anstehende Probleme der heutigen Computerwelt aufgegriffen. Diese Probleme werden untergliedert in Performanceprobleme, Probleme durch schlechte Ressourcennutzung, Probleme durch unzuverlässige Systeme und Sicherheitsprobleme von Computersystemen. Im Lösungskonzept sollen die in Kapitel 3 angesprochenen Probleme gelöst werden. Die Hauptproblempunkte der Problemanalyse werden dabei übernommen. Das Lösungskonzept sieht eine mögliche Lösung durch folgende Architekturen: 1. Die 3-Tier Architektur und die Architektur mit Forms- und Reportsserver. Die Lösung wird hier am Beispiel von Oracle9i Application Server und Datenbank erarbeitet. Durch Oracle9i können diese beiden Architekturen zusammengefasst umgesetzt werden. 2. Die Grid Computing Architektur. Das Lösungskonzept wird auf Basis von Oracle10g, der neuen Grid Datenbank von Oracle, umgesetzt. Der Fokus der Arbeit liegt auf Grid Computing, der neueren Architektur. Deshalb wird dieser Teil der Arbeit umfangreicher ausfallen, wie der erste Teil. In der Umsetzung kommt es zum Aufbau einer Testumgebung. In dieser Testumgebung werden drei Testfälle definiert und durchgeführt. Beim ersten Testfall handelt es sich um den Test der angesprochenen Datenbanken als Datenbasis für ET3000. Im zweiten Testfall wird die zentrale Verwaltung der beiden Datenbankversionen durch den Enterprise Manager getestet und in Testfall C wird versucht, einen Datenbankgrid zu erstellen. Anschliessend werden die Ergebnisse der Testfälle dargestellt. Im Anschluss erfolgt eine Zusammenfassung der Arbeit. In dieser werden hauptsächlich die erreichten Ziele, ein Ausblick, sowie die Übertragbarkeit und Erweiterbarkeit des Ergebnisses der Arbeit dargestellt. Diplomarbeit Lars Franke 16

17 2 Grundlagen 2.1 Datenbanken Eine Datenbank (engl.: Database) ist ein elektronisches Archiv für die strukturierte, speicherplatzsparende Aufbewahrung großer Mengen inhaltlich zusammengehöriger Daten, aus dem viele Anwender oder Programme gleichzeitig und innerhalb kurzer Zugriffszeiten Daten abrufen können. 4 Aus dieser Definition stellen sich mehrere Punkte heraus: Eine Datenbank ist eine Ablage für grosse, strukturierte und zusammengehörige Daten Viele Anwender und Programme greifen gleichzeitig auf die Daten in der Datenbank zu Die Zugriffszeiten sind kurz Der letzte Punkt ist dabei relativ zu sehen, da die Zugriffszeiten bei sehr grossen Datenmengen, z.b. im TB-Bereich, recht lang werden können. An diesem Punkt kommt wieder die Grid Computing Technologie zum Einsatz. Eines der bereits erwähnten Ziele ist die Verringerung von Zugriffszeiten, um eine kürzere Wartezeit der Benutzer zu erreichen. Die Verringerung der Zugriffszeit erfolgt hierbei durch das Aufteilen einer (virtuellen) grossen Datendatei auf mehrere Rechner. 2.2 Datenbank Management System Data Base Management System. A complex set of programs that control the organization, storage and retrieval of data for many users; extensively used in business environments. Data is organized in fields, records and files. A database management system must also control the security of the database. Examples of database management systems are Oracle, Sybase, and Datacom. 5 Das Datenbankmanagementsystem ist verantwortlich für die Verwaltung der Datenbank. Die Daten von vielen Benutzern werden in den entsprechenden Datendateien angeordnet und verwaltet. Weiterhin bietet ein DBMS verschiedene Sicherheitsmechanismen für den Zugang zu den Daten 4 Zitat aus [NELE04] 5 Zitat aus [COMP04] Diplomarbeit Lars Franke 17

18 GRUNDLAGEN oder für die Sicherung und Wiederherstellung von Daten im Falle eines ungewollten Systemausfalls. Auch die Multi User Funktionen sind von grosser Bedeutung, da im Normalfall mehrere Personen gleichzeitig auf Datenbanken zugreifen. Eine der wichtigsten Funktionen von DBMS ist die ACID Eigenschaft oder Transaktionsfähigkeit. Diese beschreibt folgende Punkte: Atomicity Jede Änderung eines Datenbestandes erfolgt entweder komplett oder gar nicht. Consistency Sind die Werte zweier Variablen miteinander verknüpft, sodass in Abhängigkeit der einen Variable der Wertebereich der anderen Variable eingeschränkt ist, so muss der Wert der anderen Variable ein Element aus diesem Wertebereich sein. Isolation Sollten mehrere Benutzer zur gleichen Zeit auf die gleichen Daten zugreifen, so sollten sie sich nicht gegenseitig behindern. Die vorgenommen Aktionen müssen so durchgeführt werden, als würden die Benutzer nacheinander auf die Daten zugreifen. Durability Jede durchgeführte Änderung an Daten muss auch später ersichtlich bzw. nachvollziehbar sein, selbst wenn es nach Bestätigung der Änderung zu einem Systemausfall kommt. Die ACID Eigenschaft muss bei Grid Computing auf mehrere, möglicherweise weltweit verteilte Computerressourcen verteilen. Dadurch entsteht wiederum eine höhere Komplexität des Systems. Eine Datenbank im Grid benötigt also auch ein DBMS, welches mit der Verteilung der Daten umgehen kann. 2.3 Cluster The word "cluster" is used broadly in computer networking to refer to a number of different implementations of shared computing resources. Typically, a cluster integrates the resources of two or more computing devices (that could otherwise function separately) together for some common purpose. 6 Ein Cluster stellt den Verbund von mindestens zwei Computern dar. Durch diesen Verbund können die Rechen- oder Speicherkapazitäten dieser Rechner gemeinsam genutzt werden. Ein Cluster ist also eine Gruppe von Servern, die zusammen wie ein einzelnes System agieren und somit eine hohe Verfügbarkeit garantieren. Jeder Rechner im Cluster ist dabei selbstständig lauffähig. Die Rechner können also jederzeit aus dem Cluster herausgenommen werden, genauso wie jederzeit neue Ressourcen hinzugefügt werden können. Dadurch ist es unwesentlich, wenn eines der Systeme im Cluster ausfällt. Dessen Arbeit kann jederzeit von einem der anderen angeschlossenen Systeme übernommen werden. Ein Cluster bringt somit nicht nur mehr Geschwindigkeit, sondern gleichzeitig eine höhere Datensicherheit. Die Daten sind möglicherweise über mehrere Systeme hinweg gespiegelt, es wird von gewollter Redundanz gesprochen. 6 Zitat aus [CONE04] Diplomarbeit Lars Franke 18

19 GRUNDLAGEN Abbildung 3: Aufbau eines Cluster 7 Wie Abbildung 3 verdeutlicht, besteht der Cluster aus mehreren Rechnern, welche sich in mehreren Subnetzen befinden können. Die Subnetze werden dabei über Switches verbunden. Die Daten befinden sich auf gemeinsam genutzten Datenspeichern, wie z.b. SAN oder NAS Elementen. Um die Arbeiten der einzelnen Rechner zu koordinieren sind leistungsstarke Scheduler im Einsatz. Der Zugriff auf den Cluster erfolgt über das Netzwerk. Cluster Computing konzentriert sich meistens auf homogene verteilte Systeme, die in einer Domain verwaltet werden. Der Fokus liegt auf dem high throughput computing. Wichtig ist also ein hoher Datendurchsatz in einer Firma. Cluster spielen im Umfeld von Grid Computing eine Vorreiterrolle, da in einem Cluster, ähnlich wie im Grid, die Leistung der Rechner gemeinsam genutzt wird. Der genaue Unterschied eines Cluster zu einem Grid wird in Tabelle 1 des Kapitels 2.6 herausgearbeitet. 7 Quelle: [FREE04] Diplomarbeit Lars Franke 19

20 GRUNDLAGEN Tier Architektur Abbildung 4: 3-Tier Architektur 8 Die 3-Tier Architektur ist, wie in Abbildung 4 dargestellt, aus drei Schichten zusammengesetzt. Jede Schicht kann sich dabei auf einem anderen Rechner befinden. Die oberste Schicht ist die Präsentationsschicht. Diese ist auf der Clientseite und enthält die grafische Benutzeroberfläche. Das GUI ist dabei ohne, oder nur mit wenig Programmierlogik versehen und dient dazu, Benutzereingaben zu erfassen und das Ergebnis einer Verarbeitung strukturiert auf dem Bildschirm darzustellen. Die Präsentationsschicht, auch Frontend genannt, ist die einzige Schicht, die ein Endanwender zu sehen bekommt. Die zweite Schicht, die Applikationsschicht oder Middle Tier, enthält die Programmierlogik. Sie wird auch als Business Logic bezeichnet. In dieser Schicht werden Rechenoperationen erfasst und verarbeitet. Wird in der Präsentationsschicht nach einer Berechnung verlangt, so wird diese Berechnung an die Applikationsschicht weitergeleitet, um zu einem späteren Zeitpunkt ein Ergebnis geliefert zu bekommen. Die Datenhaltungsschicht, welche auch Backend genannt wird, ist hauptsächlich für das Speichern und Verwalten von Daten verantwortlich. Die Datenhaltungsschicht besteht aus einer DB und einem DBMS, z.b. von Oracle. In dieser Schicht werden nur Daten gespeichert, eine Verarbeitung findet nicht statt. Die drei Schichten arbeiten zusammen, um die Performance und die Skalierbarkeit des Systems zu verbessern. So werden im Frontend die Benutzereingaben erfasst, Verarbeitungen eingeleitet oder Daten für Analysen angefordert. Die Anfrage wird weitergeleitet zum Middle Tier. Dort werden sie nun verarbeitet und Berechnungen werden durchgeführt. Das Middle Tier benötigt möglicherweise weitere Daten, welche vom Backend angefordert werden. Nach der Verarbeitung werden die Ergebnisse an das Frontend zurückgesendet. Die verarbeiteten Daten werden, wenn nötig, im Backend aktualisiert. Die Kommunikation erfolgt dabei über Standards wie LAN und TCP/IP. Die drei Schichten, oder zumindest die Datenhaltungsschicht und die Präsentationsschicht, können laut Definition jederzeit ausgetauscht werden. Dies ist ein weiterer Vorteil dieser Architektur, 8 Quelle: [SOVS04] Diplomarbeit Lars Franke 20

21 GRUNDLAGEN da die Flexibilität sehr hoch ist. Wenn z.b. als Datenbasis eine Access-Datenbank eingesetzt wird, kann es mit steigender Anwenderzahl und Komplexität schnell zu Engpässen kommen. In diesem Fall kann die Access Datenbank gegen eine Oracle Datenbank ausgetauscht werden, um die Skalierbarkeit zu erhöhen. Weiterhin könnte ein Oracle Forms basiertes Frontend gegen ein browserbasiertes Frontend ausgetauscht werden. In beiden Fällen ist der Umstieg ohne eine Änderung an einer der beiden anderen Schichten möglich. 2.5 Architektur mit Forms- / Reportsserver Oracle Forms und Oracle Reports Oracle Forms und Oracle Reports sind Bestandteil der Oracle Developer Suite. Diese ist das Entwicklungswerkzeug von Oracle, mit dem ET3000 der Delta Energy Solution AG entwickelt wird. In Oracle Forms können schnell Masken erstellt werden. Die Programmierung geschieht letztendlich mit PL/SQL. Bei Oracle Forms handelt es sich um ein sehr mächtiges Entwicklungstool. Datenbanktabellen können in Forms direkt als Datenblock abgebildet und manipuliert werden. Mit Oracle Reports werden Auswertungen von Datenbankdaten generiert. Somit sind diese Entwicklungswerkzeuge optimal für die Arbeit mit Datenbanken geeignet. Datenbankoperationen werden ohne Umwege ausgeführt Architektur Der Forms- und Reportsserver spielt in dieser Architektur die Rolle der Applikationsschicht. Die klassischen Forms und Reports werden über eine Laufzeitumgebung in der Präsentationsschicht ausgeführt. Bei der Architektur mit Forms- und Reportsserver werden hingegen die Forms und Reports auf einem leistungsstarken Server ausgeführt. Die Masken selbst werden mittels eines Applet im Browser auf der Präsentationsschicht dargestellt. Oft verwendete, statische Reports werden bei dieser Architektur in einem Cache-Speicher zwischengespeichert und müssen somit nicht bei jedem Aufruf erneut generiert werden. Somit ist der zweite Aufruf eines solchen Reports wesentlich schneller. Die Dauer, wie lange ein Report zwischengespeichert wird, kann dabei fest definiert werden. Somit hat diese Architektur gewisse Gemeinsamkeiten mit der 3-Tier Architektur. Die Präsentationsschicht besteht aus einem Browser, die Applikationsschicht aus dem Forms- / Reportsserver und die Datenbank stellt die Datenhaltungsschicht dar. 2.6 Grid Computing Grid computing is a hardware and software infrastructure that clusters and integrates high-end computers, networks, databases and scientific instruments from multiple sources to form a virtual supercomputer on which users can work collaboratively. 9 Bei Grid Computing handelt es sich also um einen Cluster von mehreren Rechnern, um rechenintensive Aufgaben verteilt zu verarbeiten. Ein weiteres Merkmal von Grid Computing sind geringe Kosten durch Nutzung von Standardhardware, sowie eine hohe Ausfallsicherheit. Sollte eines der angeschlossenen Systeme ausfallen, so kann dessen Arbeit von den anderen Rechnern über- 9 Zitat aus [COWO04] Diplomarbeit Lars Franke 21

22 GRUNDLAGEN nommen werden. Die Leistungsressourcen im Grid sind somit dynamisch an die veränderbaren Bedingungen im Grid bzw. an die steigenden Hardwareansprüche anpassbar. Somit ist das System skalierbar bis zu mehreren Petabytes an Daten oder mehreren Teraflops 10 an Rechenleistung, trotz geringer Kosten. Folgende Definition beschreibt nochmals die wichtigsten Punkte der Grid Computing Technologie: Ein Grid ist eine Sammlung verteilter Computing Ressourcen, welche über Netze (WANs, LANs) verbunden sind, und die dem Endbenutzer oder einer Applikation wie ein einzelnes großes (virtuelles) System erscheint. Die Idee ist dabei, dass über Grenzen von einzelnen Arbeitsplätzen, Einrichtungen oder Ressourcen hinweg eine Zusammenarbeit durch standardisierte, sichere und koordinierte Ressourcennutzung möglich wird. Grid Computing erlaubt das verteilte Rechnen nicht nur lokal, sondern auch über Einrichtungs-, System- und Software-Grenzen hinweg, und erleichtert dadurch jedem, der innerhalb eines solchen Grids ist, die Nutzung der Rechenleistung, Daten oder Informationen von allen anderen. 11 Die Folgende Tabelle soll nun deutlich machen, wie sich ein Grid Computing System von einem Cluster unterscheidet. Cluster Grid Computing Meist Firmenintern Weltweit (ist die Vision) Homogene verteilte Systeme Heterogene verteilte Systeme Geografisch nahe beieinander Grosse Geografische Entfernung möglich High throughput Computing High performance Computing Zentral verwaltet Nicht zentral verwaltet Komplettes System besteht aus möglichst gleicher Soft- und Hardware Der Benutzer weiss: Meine Abfrage wird in unserem Cluster verarbeitet Die Rechner im Cluster werden nur in diesem genutzt Die Knoten bestehen aus einzelnen Rechnern Soft- und hardwareunabhängig Tabelle 1: Unterschied Cluster - Grid Computing Der Benutzer weiss nicht, wo die Abfragen verarbeitet werden Die Rechner im Grid können einzeln genutzt oder dem Grid hinzugefügt werden Die Knoten bestehen aus einzelnen Rechnern oder aus Clustern 2.7 ET3000 ET3000, das marktführende Energiehandels- und Datenmanagement-System von Delta Energy, hilft in der täglichen Abwicklung des physikalischen Energiehandels sowie in der Einhaltung der Regeln für die Netzreservierung und Transportkapazitäts-Anmeldung. Das Fahrplan- Management wie auch die Zählererfassung, die Ausgleichsabrechnung und die Energieverrechnung werden mit ET3000 durchgängig unterstützt Bsp.: 10 Teraflops sind 10 Milliarden Fliesskommaberechnungen pro Sekunde 11 Zitat aus Quelle: [DLRS04] 12 Zitat aus [DELT03] Diplomarbeit Lars Franke 22