Auf dem Weg in die Wolke

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1 Auf dem Weg in die Wolke Versuch einer Wegbeschreibung von Gestern nach Morgen Agenda: Begriff Cloud Datenspeicherung und -kommunikation Sichten auf die Cloud Versuch einer Prognose einige energetische Aspekte Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Fakultät Informatik/Mathematik Prof. Dr.-Ing. Axel Toll Dresden, den 11. Februar 2015

2 Cloud Computing [ ( ) Folie 2

3 Definitionen zum Cloud Computing Die Bezeichnung Cloud Computing steht für eine IT-Strategie mit verteilten Hard- und Software-Ressourcen, die von einem oder mehreren Providern bereitgestellt und auf Anforderung genutzt werden können. [ ( ) Cloud Computing ist ein Modell, das es erlaubt bei Bedarf, jederzeit und überall bequem über ein Netz auf einen geteilten Pool von konfigurierbaren Rechnerressourcen (z. B. Netze, Server, Speichersysteme, Anwendungen und Dienste) zuzugreifen, die schnell und mit minimalem Managementaufwand oder geringer Serviceprovider-Interaktion zur Verfügung gestellt werden können. [ ( ) Charakteristika: Datenablage/Speicherung Funktionalitäten Ortstransparenz Folie 3

4 Warum Speicherung Ursprüngliche Kommunikation: unmittelbar, vorrangig akustisch Gespräch bidirektional Einer <=> Einer Vortrag, Rede unidirektional Einer => Viele Theater unidirektional Viele => Viele Grenzen: 1. Speicherung und Wiedergabe begrenzt auf das individuelle Gedächtnis 2. Ortsgebundenheit von Speicherung und Kommunikation (v max = Hörbereich, Bewegungsfreiheit der Person) Anforderungen an Speicherung: Speichern und Lesen über längere Zeiträume wiederholtes Vervielfältigen Transportmedium Folie 4

5 Speichermedien Medium (Auswahl) Schreiben/Lesen Vervielfältigung Transport ca v. Chr. Stein ca v. Chr. 10. Jh. Papyrus/Pergament Kerbholz Mensch Mensch Mensch Papier/Buch 1887 (Hermann Hollerith) 1930 Lochkarte, Lochstreifen Maschine 8. Jh. und 15. Jh. Maschine Magnetband 1956 (IBM) Magnetplatte 1977 (Sony - erstes Gerät am Markt) CD/DVD Computer Computer 1970-er (Netzwerke) 1994 (ScanDisk 4MB CompactFlash-Medium) 1998 (Sony erster Memory Stick) Flashspeicher Computer Folie 5

6 Speichermedien und Speicherzugriff Sequentieller Zugriff Lochkarte Magnetband Wahlfreier Zugriff Magnetplatte Flashspeicher Adressierung Organisationsformen Dateisystem Datenbanksystem Folie 6

7 Organisationsformen der Datenspeicherung Dateisystem anwendungsbezogene Datenablage i.a. hierarchische Struktur Funktionalitäten: sicheres Speichern und schnelles Wiederauffinden und Lesen Zugriffsschutz Datenbanksystem Bank: sicheres Aufbewahren von Werten über längere Zeiten anwendungsunabhängige Datenablage i.a. relationale oder objektrelationale Struktur Funktionalitäten: performantes Speichern und Lesen der Daten (Zugriffsvermittlung) Zugriffsschutz Konsistenz der Daten erhalten durch Integritätssicherung (semantisch, operational, physisch) ACID-Prinzip (atomicity, consistency, isolation, durability) Folie 7

8 Datenkategorien und Organisationsformen der Speicherung Datenkategorien: strukturierte Daten (Tabellen mit Feldern, XML, ) unstrukturierte Daten (Texte, Videos, Bilder, ) semistrukturierte Daten (Dokumente, XML, ) Dateisystem Datenbanksystem strukturierte Daten semistrukturierte Daten unstrukturierte Daten Folie 8

9 Weltweites Datenvolumen 2009: 0,8 Zettabyte 2010: 1,2 Zettabyte 2011: 1,8 Zettabyte 2015: 8,6 Zettabyte *) Verdopplung alle 2 Jahre 1,8 ZettaByte = 200 Milliarden HD-Filme mit jeweils 2 h Länge = 47 Millionen Jahre Filme 1 Zettabyte = Byte = Byte [IDC-Studie "Extracting value from Chaos ] *) Prognosewert nach [ ( ) Folie 9

10 Dynamik der Datenkommunikation Maximal erreichbare Bitrate bei verschiedenen Mobilfunkstandards (logarithmische Darstellung) [ System] ( ) [ ( ) Datennetz steigende Übertragungsraten steigende Nutzerzahlen zunehmende Vernetzung der Geräte neue Anwendungstypen (App, ) Datenspeicher steigendes Datenvolumen steigende Anzahl zu bearbeitender Anfragen Hochverfügbarkeit akzeptierte Antwortzeiten (Performance) Verteilung der Datenbestände zunehmende Ortstransparenz Folie 10

11 Hochverfügbarkeit Hochverfügbarkeit: Ein System gilt als hochverfügbar, wenn eine Anwendung auch im Fehlerfall weiterhin verfügbar ist und ohne unmittelbaren menschlichen Eingriff weiter genutzt werden kann. Verfügbarkeitsklassen Klasse: Downtime: 2-99% 7:18:18 h/monat oder 3 Tag 15:39:36 h/jahr 3-99,9% 43:48 min/monat oder 8:45:58 h/jahr 4-99,99% 4:23 min/monat oder 52:36 min/jahr 5-99,999% 26,3 s/monat oder 5:16 min/jahr 6-99,9999% 2,63 s/monat oder 31,6 s/jahr Technologien zur Sicherung der Hochverfügbarkeit: Festplattenspiegelung Clusterdienst Datenbank-Spiegelung mit Replikation [Gräfe, Toll: Script zur Lehrveranstaltung Datenbanksysteme II] Folie 11

12 Verteilte Datenhaltungssysteme - ACID versus BASE Datenhaltung verteilt auf mehreren Knoten Verteilte Datenhaltungssysteme CAP-Theorem [Eric Brewer 2000] A C P C Consistency (Konsistenz) Alle Knoten enthalten zur gleichen Zeit die gleichen Daten. A Availability (Verfügbarkeit) Alle Anfragen werden stets mit akzeptabler Antwortzeit geliefert. P Partition Tolerance (Ausfalltoleranz) Das System arbeitet auch beim Ausfall einzelner Knoten weiter. Klassisches Datenbanksystem: ACID-Prinzip (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability) NoSQL-Datenbanken: BASE-Prinzip (Basically Available, Soft State, Eventual Consistency) Eventual Consistency verzögerte Konsistenz Folie 12

13 Technisch-Technologische Sicht: Einige Sichten auf die Cloud steigende Datenmenge und Anzahl an Anfragen: => Anpassung des Systemverhaltens: z.b. AP aus CAP und verzögerte Konsistenz klassische Konsistenzanforderung => klassisches Datenbanksystem steigende Anzahl an Anwendungen, welche die Netzinfrastruktur und die Daten in der Cloud nutzen und diese mehren => durchdringt zunehmend alle Lebensbereiche: Webmail Online-Festplatte Blogs Soziale Netzwerke Office ERP App xy Weitere Aspekte: Sicherheit (Daten, Datenübertragung, ) rechtliche Rahmenbedingungen (außerhalb D?, außerhalb EU?) Outsourcing (Vorteile, Nachteile) Verlust der Kontrolle über die eigenen Daten? (vollständige Datenlöschung noch möglich?) Verschiebung der Machtverhältnisse Folie 13

14 Verlagerung der Hoheit Unternehmen Kunden Umweltverschmutzer aber ich bin doch Marktführer Hoheit Produkte Preise zu teuer Ausbeuterbetrieb Kommunikation in Anlehnung an [Schönefeld: Praxisleitfaden Enterprise 2.0] Folie 14

15 Das Internet vergisst nicht am : am : am : am : [ ( ) Folie 15

16 Beschleunigtes Wachstum der Nutzerzahlen Zeitdauer in Jahren bis zum Erreichen von 50 Millionen Nutzern: ,75 Telefon Radio PC Fernseher Mail ipod Dropbox Facebook Twitter Und die Anfragen aller Nutzer müssen vom System stets und in akzeptabler Antwortzeit bearbeitet werden! [Angeli, Kundler: Der Online Shop Handbuch für Existenzgründer] [ ( ) [ ( ) Folie 16

17 Teilungseffekt 2 Nutzer 4 Nutzer 8 Nutzer 16 Nutzer Folie 17

18 Netzwerkeffekte (1) Fernsehen / Rundfunk Wert V (Value) in Abhängigkeit der Teilnehmeranzahl N V ~ N [Sarnoff] V = N V(1.000) = V(1.001) = Telefonnetz obere Abschätzung: V ~ N 2 [Metcalfe] V(N) = N(N - 1)/2 wirtschaftliche Abschätzung: V(1.000) = 1.000*999/2 = V(1.001) = 1.001*1.000/2 = V ~ N * lg(n) [Odlyzko] V(N) = N* lg(n) V(1.000) = 1.000*lg(1.000) = V(1.001) = 1.000*lg(1.001) = 1.003,43 in Anlehnung an [Schönefeld: Praxisleitfaden Enterprise 2.0] Folie 18

19 Netzwerkeffekte (2) Netz mit Teilmengen 3 Teilnehmer => 4 potentielle Teilmengen A B C AB AC BC obere Abschätzung: V ~ 2 N [Reed] V(N) = 2 N - N - 1 V(3) = = 4 V(4) = = 11 V(100) = = 1,07 * V(1000) = = 1,07 * ABC 800 V 4 Teilnehmer => 11 potentielle Teilmengen A B C D AB AC AD BC BD CD ABC ABD ACD BCD ABCD V = N V = N * lg(n) V = N * (N - 1)/2 V = 2N 1 50 N in Anlehnung an [Schönefeld: Praxisleitfaden Enterprise 2.0] Folie 19

20 Ausgewählte Zitate: Schwierigkeit von Prognosen Rutherford B. Hayes, 19. US Präsident (1877): Wer braucht schon ein Telefon? Lord Kelvin, Vorsitzender der königlich britischen Akademie der Naturwissenschaften (1895): Man kann keine Flugmaschinen bauen, die schwerer sind als Luft. Harry Warner (1927)«Wer zum Teufel will denn schon Schauspieler reden hören? ehemaliger IBM-Chef Thomas J. Watson (1943): Ich glaube, dass es einen Weltmarkt für vielleicht fünf Computer geben wird. Popular Mechanics (1949) Während eine Recheneinheit des ENIAC noch mit Röhren ausgestattet ist und 30 Tonnen wiegt, werden die Computer der Zukunft vielleicht nur 1000 Röhren benötigen und nur noch 1,5 Tonnen schwer sein. Ken Olson, Präsident der Digital Equipment Corp. (1977): Es gibt keinen Grund, warum Menschen einen Computer für zuhause wünschen sollten. Bill Gates, Microsoft-Gründer (1995): Das Internet ist nur ein Hype. Science Fiction? [ ( ) Folie 20

21 Weitere Anwendungsgebiete, Neue Speichermedien weitere Anwendungsgebiete individuelle Navigationsunterstützung neue Speichermedien Forschern am Institut für Bioinformatik des European Molecular Biology Laboratory (EMBL- EBI) haben eine Methode entwickelt, um digitale Daten in Form von DNA abzuspeichern. Wie bei der bisherigen Speicherung von digitalen Daten ist die DNA relativ simpel aufgebaut, was die Möglichkeiten betrifft, Daten in großen Mengen zu speichern. Den großen Vorteil einer Speicherung mittels DNA sehen die Forscher vor allem darin, dass diese keinen Strom benötigt und viel länger halten als herkömmliche Speichermedien. intelligente Fahrsysteme Sprachmittler individuelle medizinische Überwachung intelligente dezentrale Energiequellen [ ( ) [ ( ) Folie 21

22 Neue Endgeräte Google Glass Apple Watch Google Co-Founder Sergey Brin Wears Google Glasses [ ( ) Apple Watch: Release erst im Frühjahr 2015 [ 2015_ html] ( ) Brille und Uhr versus Smartphone Degradiert zum Taschenrechner Das gute alte Smartphone könnte bald aus der Mode kommen, zugunsten von Computern in Brillen und Uhren [Die Zeit, ] Folie 22

23 Einzelwerte Einige energetische Aspekte (1) einzelne Google-Suche: nach IZT Berlin 1) : 4,0 Wh nach Google 2) : 0,3 Wh eine Minute Youtube Stream: nach Google 2) : 0,2 Wh Energieverbrauch der IT Stromverbrauch: weltweite Rechenzentren ) : 1,1 1,5 % des Weltstromverbrauchs Rechenzentren USA ) : 1,7 2,2 % des Stromverbrauchs der USA Rechenzentren Deutschland ) : 1,8 % des Stromverbrauchs Deutschlands (9,7 TWh, 4% Rückgang gegenüber 2008 trotzt steigender Anzahl installierter Server) Datennetz (Kabel, Mobil), Endgeräte,? prognostiziertes Steigerung weltweit ) : 200 %, eingetretene Steigerung: 56% prognostiziertes Steigerung USA ) : 200 %, eingetretene Steigerung: 36% 1): [ ( ) IZT Institut für Zukunftsstudien und Technologiebewertung Berlin, ): [ ( ) 3): [Hintemann, Fichtner: Energieverbrauch und Energiekosten von Servern und Rechenzentren in Deutschland, Mai 2012] 4): [ ( ) Folie 23

24 Einige energetische Aspekte (2) [Frauenhofer IZM: Abschätzung des Energiebedarfs der weiteren Entwicklung der Informationsgesellschaft, März 2009] Nettostromverbrauch Deutschland gesamt in 2007: 541 TWh Folie 24

25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Papa, wie seid ihr eigentlich früher ins Internet gekommen, als es noch keine Computer gab? [ ( ) Folie 25