Grid, Cloud, HPC: Über die Veränderungen des Computing in Forschung und Wissenschaft

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1 Zentrum für Informationsdienste und Hochleistungsrechnen Grid, Cloud, HPC: Über die Veränderungen des Computing in Forschung und Wissenschaft Dresden Zellescher Weg 12 Tel Cloud-Computing-Tag im IKMZ der BTU Cottbus 14. April 2011 Übersicht! Einführende Bemerkungen! Grid Computing Grid Computing in der Praxis Grid am ZIH! Cloud Computing Was ist Cloud Computing? Forschung & Entwicklung Cloud Computing am ZIH! Zusammenfassung 1

2 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 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 2

3 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 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.) 3

4 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 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 4

5 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 Grid Computing! Was ist ein Grid? Koordiniertes Teilen von Ressourcen in einer dynamischen, multiinstitutionellen virtuellen Organisation.! Ressourcen Rechen-Ressourcen (Cluster, HPC ) Speicher (Platten, Tape ) Instrumente (Telekope, Mikroskope ) Datenarchive Neu: Cloud-Ressourcen 5

6 European Grid Infrastructure! Grid Computing ist in der Wissenschaft in der Produktion angekommen.! Europäische Grid Infrastruktur (EGI) The European Grid Infrastructure enables access to computing resources for European scientists from all fields of science, from Physics to Humanities. (Steven Newhouse, EGI) Vereinigung der nationalen Grid-Infrastrukturen (NGI)! Deutschland: NGI-DE Angesiedelt bei der Gauß-Allianz Teil des D-Grid! Offen für alle Wissenschaftler European Grid Infrastructure Status Jan 2011 (yearly increase) users: +38% LCPUs (cores): +18.5% 117PB disk: % 91.5PB tape: +50 % 28 million jobs/month: +86.7% 340 sites: +7.25% 56 countries: +7.7% 217 VOs: +24% 30 active VOs: constant Archeology Astronomy Astrophysics Civil Protection Comp. Chemistry Earth Sciences Finance Fusion Geophysics High Energy Physics Life Sciences Multimedia Material Sciences 6

7 European Grid Infrastructure Avian flu research Neuroscience Earthquake impact modelling High energy physics Sharing medical records securely European Middleware Initiative (EMI)! Harmonisierung und Standardisierung der europäischen Grid-Middlewares! EU FP7 Projekt mit 26 Partnern! Nachhaltige gemeinsame Grid-Middleware Distribution (ARC, glite, UNICORE, dcache)! ZIH Datenmanagement mit UNICORE-Middleware Standardisierung des Storage Accounting 7

8 NGI-DE/D-Grid! Nationale deutsche Grid-Initiative! Aufbau einer Grid-Infrastruktur in Deutschland! Gestartet 2005! ca. 100 Millionen Euro vom BMBF! Projekte Aufbau Grid-Infrastruktur für wissenschaftliche Communities Aufbau Kern-D-Grid Schaffung von generischen Grid-Diensten Kommerzielle Projekte HPC-Grids: DEISA! Distributed European Infrastructure for Supercomputing Applications! Heterogene HPC-Infrastruktur! Ziel: transparenter Zugriff auf HPC-Ressourcen! UNICORE + GPFS/GridFTPSingle Sign On globales Daten Management Workflow und Job Management Science Gateways (Portale) 8

9 Grid Computing am ZIH Ressourcen Provider Grid Computing am ZIH Ressourcen Provider! Backbone Provider im D-Grid/NGI-DE 9

10 Grid Computing am ZIH Nutzer! Einige Beispiele! Biomedizinische Forschung Medizinische Bildauswertung, z.b. Berechnung von 3D-Filmen für die Prostata-Biopsie Genetik: Auswertung automatische Mikroskopie-Experimente! Teilchenphysik ATLAS-Experiment am LHC! Astrophysik Datenanalyse Simulationen Auswertung von Gravitationswellenexperimenten Grid Computing am ZIH F&E! European Middleware Initiative! D-Grid: MoSGrid Grid-Dienste für Chemie Portalbasiert, verteiltes Filesystem, Workflows! D-Grid: WisNetGrid Entwicklung von Wissensdiensten auf dem Grid Zugriff auf heterogene Datenquellen Metadaten und Ontologien Beispiel-Communities Geisteswissenschaften Landschaftsarchitektur/Umwelt Mol ecul e Rec ipe Result Data Repositories Grid Workfl ow Grid Resources 10

11 Cloud Computing Was ist Cloud Computing? John McCarthy, 1961: If computers of the kind I have advocated become the computers of the future, then computing may someday be organized as a public utility just as the telephone system is a public utility. 11

12 Was ist Cloud Computing? 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. 12

13 Cloud Computing - Basistechnologien! Virtualisierung! Service orientierte Architekturen! Intelligentes Management 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

14 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 Virtualisierung Virtualisierungskonzepte Netzwerkvirtualisierung Loadbalancing und Failover Client virtuelle IP VLAN Technologie Loadbalancer + Transparenz + Sicherheit - Aufwand Anwendungsserver VPN Beispiel: Amazon Elastic Load Balancing, Amazon VPC 14

15 Service Orientierte Architekturen! Abstraktion von konkreten Technologien! Kapselung von Funktionalitäten! Lose Kopplung! Dienste verwenden Dienste! Implementierung z.b. als Webservices Management! Verwaltung physischer Ressourcen! Verwaltung der virtuellen Instanzen! Bereitstellung der physischen Ressourcen! Scheduling! Abrechnung des Verbrauchs! 15

16 Cloud Typen! Anbieter und Nutzer gehören verschiedenen Organisationen an! Dienstleistungen sind öffentlich zugänglich! Anbieter und Nutzer gehören derselben Organisationen an! Nutzung Organisationseigener Ressourcen! Datenhoheit gewährleistet! Kombination aus Public und Private Cloud! Auslagerung von Systemteilen! Kompensation von Lastspitzen Cloud Dienste Ready-to-use Software Software as a Service SaaS Programming & Execution Enviroment CPU, Storage, Network Platform as a Service PaaS Infrastructure as a Service IaaS 16

17 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 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

18 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 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 Center of Excellence in diesem Jahr 18

19 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 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 19

20 Cloud Computing am ZIH Was bringt die Zukunft? Server-Virtualisierung! Services für Nutzer virtualisieren Web Server Projekt-Server Testumgebungen! Wie bereits mit VMWare praktiziert! Kann durch Cloud-Management vereinfacht werden? Bereitstellung verschiedener Systemumgebungen Redundante Services Nutzer konfigurieren und starten ihre Server bei Bedarf selber Zusammenfassung! IT-Versorgungskonzepte müssen heute nachhaltig in die Organisation von Prozessen an Universitäten eingreifen, um zukunftsfähige Strukturen zu schaffen! Cloud-Computing als Technologie wird überall Einzug halten! Die klassischen Leerlaufzeiten sind üblicherweise seit einigen Jahren im Rahmen des zentralen Ressourcen-Sharings an Universitäten bereits genutzt! Die Business-Modelle der Cloud-Anbieter für den Wissenschaftsbereich werden sich noch anpassen Politische Randbedingungen Langfristbeziehungen Daten-Affinität 20

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