Grid Computing. Einführung. Marc Lechtenfeld. Seminar Grid Computing Sommersemester 2004 Universität Duisburg-Essen

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1 * Grid Computing Einführung Marc Lechtenfeld Seminar Grid Computing Sommersemester 2004 Universität Duisburg-Essen

2 Übersicht 1 Problematik 2 Systemanforderungen 3 Architektur 4 Implementation 5 Projekte 6 Zusammenfassung 7 Ausblick 2

3 1. Problematik In vielen Bereichen werden Computer zur Lösung von unterschiedlichen Problemen eingesetzt Komplexe Probleme, die nur mit aufwendige Analysen und Problemlösungsstrategien gelöst werden können Probleme können von heutigen Systemen trotz immer leistungsfähigerer Systeme nicht in gewünschter Weise gelöst werden 3

4 Ursachen Große Datenmengen Zeitaufwendige und anspruchsvolle Verarbeitung Heterogene und dynamische Ressourcen Verteilte Beteiligte und Ressourcen 4

5 Fehlende Technik Zur Verfügung stehende Technologie wird den Leistungsanforderungen nicht gerecht Keine Integration der verschiedenen Ressourcen oder zu wenig Flexibilität und Kontrolle Es existiert keine integrierte Architektur zur zuverlässigen und effizienten Problemlösung 5

6 2. Systemanforderungen In Analogie zu einem Stromversorgungsnetz möchte man ein Computational Grid Bereitstellung und koordinierte Nutzung unterschiedlichster Ressourcen Leichter und zuverlässiger Zugang, wie der Bezug von elektrischem Strom aus der Steckdose 6

7 Beispielszenario Astrophysik Detektor empfängt ein Signal Positionsbestimmung für die Beobachtung erfordert aufwendige Analysen und zeitkritische Simulationen Bestimmung und Auswahl geeigneter Ressourcen Automatisches Verteilen der Aufgaben auf die ausgewählten Maschinen und Start der Analysen Benachrichtigung, dass weitere Daten benötigt werden Benachrichtigung internationaler Kollegen, die passende Simulation erstellen 7

8 Beispielszenario Astrophysik Aufwandsbestimmung für die Verarbeitung Aufteilen der Aufgabe auf mehrere Ressourcen Verarbeitung wird durch die Nutzung mehrerer Ressourcen automatisch optimiert Nach Netzwerkzusammenbruch automatische Verlegung der betroffenen Teilaufgaben Währenddessen: Beobachtung des Fortschritts der Simulation von verschiedenen Geräten aus Positionsbestimmung und Beobachtung mit Hilfe der Ergebnisse der Simulation und Analyse 8

9 Ressourcen Verwendung heterogener Ressourcen Gemeinsame Nutzung Unterschiedliche Verfügbarkeit 9

10 System Koordinierte Nutzung der verteilten Ressourcen Zuverlässiges Arbeiten auch bei Ressourcenausfall Optimale und dynamische Ressourcennutzung Erweiterbarkeit um weitere Ressourcen 10

11 Zugriff Einfache und transparente Nutzung Zugriff wie auf einen einzigen, virtuellen Computer Blackbox verbirgt technische Details Nutzung unterschiedlicher Geräte für den Zugriff Sicherheit durch Zugriffsbedingungen für Ressourcen 11

12 Eine Definition Grid technologies and infrastructures support the sharing and coordinated use of diverse resources in dynamic, distributed virtual organizations Ian Foster et al. Grid services for distributed system integration 12

13 3. Architektur Schichtenmodell Protokollarchitektur 13

14 Sanduhr Modell Oberer Teil spezifiziert die einzelnen Anwendungen Hals besteht aus wenigen Kernabstraktionen und Protokollen Unteren Teil bilden die einzelnen Ressourcen System kann beliebig erweitert werden, solange der Hals beibehalten wird. 14

15 Schichtenmodell Fabrik Schicht Einheitlicher Zugriff auf die unterschiedlichen Ressourcen Realisiert Hardware- und Dienstunabhängigkeit Implementiert die ressourcenspezifischen Operationen Abfrage-Mechanismen Ressourcen-Management- Mechanismen 15

16 Schichtenmodell Connectivity Schicht Sichere Kommunikation zwischen heterogenen Systemen Kommunikations- und Authentisierungsprotokolle Merkmale der Authentisierung: Single sign on Delegation Integration lokaler Sicherheitslösungen Benutzerbasierte Vertrauensbeziehungen Realisiert Systemunabhängigkeit 16

17 Schichtenmodell Resource Schicht Überwachung und Verwaltung der einzelnen Ressourcen Protokolle Informations-Protokolle für Zustandsinformationen Management-Protokolle für gemeinsames Arbeiten 17

18 Schichtenmodell Collective Schicht Nutzung mehrerer Ressourcen Effiziente und zuverlässige Bearbeitung der Aufgaben Positions-/Ressourcenunabhängigkeit Funktionen: 18

19 Schichtenmodell Collective Schicht (2) Funktionen der Collective Schicht Directory Services zum Auffinden von Ressourcen Scheduling und Brockering Services zur Planung von Aufgaben und der Belegung der Ressourcen Monitoring und Diagnostic Services zur Überwachung des Fortschritts Data replication services für einen performanten Zugriff 19

20 Schichtenmodell Application Schicht Unabhängigkeit von bestimmten Programmen und Aufgaben Programme der Benutzer, die mit dem Grid interagieren Nutzung verschiedener Frameworks und Bibliotheken 20

21 Schichtenmodell - Beispiel 21

22 4. Implementation OGSA Open Grid Service Architecture Weiterentwicklung des Globus Toolkits Verbindet Grid Computing mit Web Service Techniken 22

23 Globus Toolkit Open-Source Implementation der Architektur Einsatz in vielen Grid Projekten Unterstützt den Aufbau von Grids und Grid Programmen durch Dienste und Software Bibliotheken wichtigsten Komponenten GRAM mit Gatekeeper-Dienst für das sichere und zuverlässige Erstellen und Verwalten der Services MDS zum Auffinden und zum Lesen der Konfigurations- und Statusinformationen GSI für die Sicherheit 23

24 Service Orientierung Services Alle Ressourcen werden durch Services repräsentiert Virtualisierung Vermeidet Abhängigkeiten Mehrere Logische Ressourcen können auf eine physische Ressource zugreifen Vereinfacht Angebot komplexer Dienste auf verschiedenen Plattformen Interoperabilität lässt sich in zwei Teilprobleme zerlegen: Definition der Service Schnittstellen Definition der Protokolle zum Aufruf 24

25 Web Services Web Services Web Anwendungen Vorteile durch die Verwendung von Web Services: Es existieren bereits Mechanismen zum Auffinden und Aufrufen von Services Nutzung einer Vielzahl von bestehenden Web Services und Tools 25

26 Grid Services Grid Service Web Service, der sich an bestimmte Konventionen hält eine bestimmte Schnittstelle zur Verfügung stellt Schnittstelle stellt verschiedene Funktionen bereit zum Auffinden von Diensten und zum Abfragen von Informationen zum dynamisch Erstellen von Services und zur Beeinflussung ihres Lebenszykluses um bei Zustandsänderungen von den Diensten benachrichtigt zu werden 26

27 OGSA Architektur 27

28 5. Projekte Ausgewählte internationale Grid Projekte: Biomedical Informatics Research Network Integration und Analyse biomedizinischer Daten Earth System Grid - Analyse großer Datenbanken für Klimamodelle European Union Data Grid Hochenergiephysik, Umweltwissenschaften und Bioinformatik GridLab gridlab.org Grid-Techniken und Anwendungen Network for Earthquake Engineering Simulation - Erdbebenforschung 28

29 Zusammenfassung Viele Probleme verlangen nach komplexen Problemlösungsstrategien, die mit heutiger Technologie nicht umgesetzt werden können Man wünscht sich eine Infrastruktur, die eine gemeinsame und koordinierte Nutzung unterschiedlichster Ressourcen in dynamischen und verteilten virtuellen Organisationen ermöglicht Realisiert werden die Eigenschaften durch eine Protokollarchitektur mit fünf Schichten Das Globus Toolkit und die serviceorientierte OGSA sind zwei Implementierungen, die man zum Aufbau von Grids und Grid Anwendungen verwenden kann. 29

30 The ultimate goal is a fundamental shift in how we go about solving human problems, and a new way of interacting with technology Carl Kesselman 30

31 Probleme Ressourcen sind durch ein Netzwerk verbunden Geschwindigkeit der Netzwerkverbindung bestimmt Effizienz der Verarbeitung Art der Anwendungen, die vom Grid profitieren 31

32 The ultimate goal is a fundamental shift in how we go about solving human problems, and a new way of interacting with technology Carl Kesselman 32

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