PAULI FIGUEREDO GOMES USO DE COMPUTAÇÃO EM GRADE EM ORGANIZAÇÕES VIRTUAIS
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1 PAULI FIGUEREDO GOMES USO DE COMPUTAÇÃO EM GRADE EM ORGANIZAÇÕES VIRTUAIS FLORIANÓPOLIS
2 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE SISTEMAS DE INFORMAÇÃO USO DE COMPUTAÇÃO EM GRADE EM ORGANIZAÇÕES VIRTUAIS Monografia submetida à Universidade Federal de Santa Catarina como parte dos requisitos para a obtenção do Bacharelado em Sistemas de Informação PAULI FIGUEREDO GOMES FLORIANÓPOLIS, JULHO DE
3 USO DE COMPUTAÇÃO EM GRADE EM ORGANIZAÇÕES VIRTUAIS PAULI FIGUEREDO GOMES Esta monografia foi julgada adequada para a obtenção do título de bacharel em sistemas de informação, e aprovada em sua forma final pelo programa. Prof. Carlos Becker Westphall Orientador Prof. Coordenador do Curso de Sistemas de Informação Banca Examinadora: 3
4 AGRADECIMENOS 4
5 Resumo USO DE COMPUTAÇÃO EM GRADE EM ORGANIZAÇÕES VIRTUAIS Pauli Figueredo Gomes Julho/2007 Orientador: Área de Concentração: Palavras-Chaves: Número de Páginas: 5
6 Sumário 1 INTRODUÇÃO Motivação Objetivo Geral Objetivos Específicos Organização do Trabalho 12 ORGANIZAÇÕES VIRTUAIS Conceituação Ontologia 13 COMPUTAÇÃO EM GRADE Conceituação Arquitetura Ambiente Conectividade Recursos Coletivo Aplicação Áreas de Aplicação Supercomputação Distribuída Computação de alta vazão Computação sob demanda Computação de processamento intensivo de dados Computação Colaborativa Comparação com outras tecnologias Peer-to-Perr Cluster Padronização Ferramentas My Grid e OurGrid Condor 21 6
7 3.7 Globus Toolkit 22 7
8 Lista de Figuras 8
9 Lista de Tabelas 9
10 Glossário 10
11 Capítulo 1 1 Introdução 1.1 Motivação Em meados dos anos 90, um grupo de cientistas da comunidade de Processamento de alto desempenho criou o conceito de computação em Grade. A proposta principal era disponibilizar uma infraestrutura de hardware e de software que possibilitasse o acesso a grande capacidade computacional distribuídos geograficamente. Embora num primeiro momento a computação em grade se pareça com outras técnicas de computação de alto desempenho como os Clusters, ela apresenta diferenças consideráveis como a grande distribuição geográfica e a grande variedade de recursos envolvidos. A utilização deste paradigma ainda não é totalmente utilizada por empresas e usuário fora do meio cientifico e acadêmico. Apesar dos investimentos o acesso a recursos através de ambientes de grades ainda é bastante complexo e necessita de grande especialização dos usuários que pretendem utilizar esta tecnologia. Portanto, constata-se a existência de uma poderosa tecnologia mas que ainda é pouco utilizado por seu alto grau de complexidade. Com isso torna-se considerável prover meios para que usuários possam fazer o uso mais transparente possível em um ambiente de grande computacional. 1.2 Objetivo Geral Este presente trabalho tem como objetivo geral prover um estudo para as possibilidades de uso de computação em grande em organizações virtuais, usando o Globus 4.0 como plataforma de computação em grade. A idéia básica é realizar um estudo de caso em que exemplifique o uso desta plataforma numa organização virtual no lado cliente, estudar suas características, e complexidade para um usuário comum e apontar possíveis problemas, dificuldades, etc. E se possível propor uma solução através de um protótipo de exemplo. 11
12 1.3 Objetivos Específicos Com base no objetivo geral acima exposto, os seguintes objetivos específicos são propostos: Estudo do ambiente de grade computacional Globus 4.0; Estudo de um caso de uso de um ambiente de grades computacionais do lado cliente e uma organização virtual no Globus; Avaliação do estudo de caso focando sua utilização por um usuário comum para verificar o grau de complexidade desta tecnologia enfrentada por este usuário. 1.4 Organização do Trabalho O capítulo 2 é apresentado os conceitos referentes as organizações virtuais. O capítulo 3 é apresentado a parte conceitual de computação em Grade que é a principal tecnologia na qual este trabalho foi elaborado. Juntamente neste capítulo é apresentada uma descrição detalhada do Globus Toolkit. Já finalizando o capítulo serão mostrados alguns exemplos de trabalhos correlatos a este trabalho. O capítulo 4 apresenta o estudo de caso e uma avaliação do mesmo, bem como um modelo conceitual e sua arquitetura e como a mesma pretende contribuir para o problema apresentado. No capítulo 5 serão discutidas as questões que envolvem a implementação da arquitetura proposta. Questões relativas às tecnologias de implementação, como por exemplo à linguagem de desenvolvimento etc. Por fim no capítulo 6 as conclusões do trabalho são apresentadas, bem como os resultados obtidos e os possíveis trabalho futuros e melhorias. 12
13 Capítulo 2 Organizações Virtuais 2.1 Conceituação O uso de tecnologias de informação e comunicação tornou-se uma importante característica para que organizações e empresas possam atender suas necessidades da forma mais ágil possível. Essa forma de organização baseada na forte cooperação com intenso uso das tecnologias de informação resume-se num conceito conhecido como Organizações Virtuais (Ovs). Este paradigma de cooperação trouxe uma serie de novos desafios na forma como os sistemas empresariais são gerenciados e planejados. O uso intenso de tecnologias de informação por determinadas empresas provocou a necessidade de união de varias outras empresas para poderem se tornar competitivas frente as grandes empresas que fazem o uso em grade intensidade dessas tecnologias. 2.2 Ontologia Uma ontologia é um tipo de uma representação de conhecimento que descreve a conceitualização de algum domínio. Ela especifica um vocabulário incluindo termos chaves, interconexão semântica e algumas regras de inferência (Singh e Huhns, 2005). Uma representação compartilhada é essencial para o mútuo entendimento de comunicações. De forma geral, pode-se dizer que ontologias são aplicadas para possibilitar ou facilitar a comunicação entre diferentes pessoas, aplicações, sistemas, entre outros, os quais fazem parte do mesmo domínio do conhecimento, mas nem sempre compartilham de uma mesma conceituação a respeito dos componentes deste domínio (Fleischman, 2004). 13
14 Capítulo 3 Computação em Grade 3.1 Conceituação A computação em Grade é uma nova abordagem para os antigos sistemas distribuídos com a diferença de possuir compartilhamento de recursos em larga escala. Com a constante melhoria do desempenho que redes de computadores vem experimentando, naturalmente surgiu a idéia de se utilizar computadores independentes conectados em rede como plataforma para execução de aplicações paralelas (Foster e Kesselman,1999). Isto possibilita que se possa executar aplicação complexa com grande demanda computacional, alocando diversos recursos espalhados na internet, a um custo relativamente baixo. Pose-se fazer uma analogia da computação em grade com a distribuição de energia elétrica. Assim da mesma forma que um usuário da rede elétrica possui acesso a energia elétrica de acordo com a sua demanda, com a computação em grade pretende-se oferecer poder computacional na medida em que o usuário necessitar. Já o usuário não tem que se preocupar de onde e aonde estes recursos se encontram e sim apenas fazer o uso que lhe é necessário. O termo Grade (Grid ) foi criado em meados dos anos 90 para denotar a então proposta de infraestrutura de computação distribuída para ciência e engenharia avançada (Foster e Kesselman, 1999). Falar das características de uma Grid 14
15 Figura 3.1: Exemplo de uma Grade Computacional 3.2 Arquitetura A arquitetura de Grade por ser de grade abrangência e envolve uma grande numero de parceiros e recursos é necessário uma arquitetura com base em protocolos e padrões que definam mecanismos básicos. Uma arquitetura aberta baseada em padrões facilita a escalabilidade, interoperabilidade, portabilidade e compartilhamento de código (Foster e Kesselman, 2004). Isto é fundamental pois irá permitir o compartilhamento entre as partes e permitindo a adição de novos participantes. Em (Foster et al., 2001) é proposto uma arquitetura que mostra os componentes principais. 15
16 Figura3.2: Arquitetura de Grade (Foster et al., 2001) A seguir segue uma breve descrição de cada componente desta arquitetura e suas principais funções Ambiente Camada responsável por fornecer os recursos compartilhados, como por exemplo: armazenamento, catálogos e sensores. Alguns são considerados básicos para o funcionamento desta camada. Um exemplo disto é o mecanismo de pesquisa que permite descobrir informações sobre a estrutura e estado do recurso. E um segundo para o gerenciamento para fins de controle de garantia de qualidade de serviço Conectividade Nesta camada são definidos os protocolos centrais de comunicação e autenticação requeridos por transações exclusivas de uma rede em grade. Eles permitem a troca de dados entre os recurso e a camada ambiente. 16
17 3.2.3 Recursos Nesta camada são definidos alguns protocolos, (APIs) Application Programming Interfaces e (SDKs) Software Development Kit s para uma serie de utilizações; como por exemplo para iniciação, monitoração, controle, geração de relatório, dentre outras tarefas para compartilhar recursos individuais. Estas duas camadas (Recursos e conectividade) formam o gargalo da arquitetura, portanto os protocolos a serem utilizados devem ser limitados a um conjunto pequeno Coletivo Esta camada fornece uma serie de protocolos, APIs e SDKs que possibilita e efetiva a interação de recursos. Seus componentes fornecem muitos recursos sendo compartilhados. Os serviços desta camada são: Serviços de diretórios: permite a descoberta e a existência de propriedades de recursos. Serviços de co-alocação: escalonamento e mediação (brokering): permite a alocação de um ou mais recursos para propósitos específicos e escalonamento. Serviços de monitoramento de diagnósticos: dão suporte a monitoração de falhas, ataques e outros recursos. Serviços de aplicação de dados: dão suporte ao gerenciamento de recursos de armazenamento e aumenta a velocidade de acesso as dados. Serviços de programação para a grade: são modelos de programação para serem usados em ambientes de grades. Serviços de descoberta de softwares: permite a descoberta e seleção da aplicação e plataforma que a mesma será executada. Serviço de autorização: define políticas de acesso a recursos. Serviço de autorização: força a definição de políticas de acesso a recursos. Serviço de compatibilizarão e pagamento: coletam informações de usos de recursos para propósitos de cobrança. Serviço de colaboração: fornecem a troca coordenada de informação. 17
18 3.2.5 Aplicação Esta camada esta relacionada com as aplicações dos usuários que operam dentro de um ambiente de VO. Seu desenvolvimento é realizado a partir de chamadas de serviços fornecidos pelas camadas anteriores. Cabe aqui lembrar que embora esta arquitetura representar a necessidades requeridas por um ambiente de grades computacionais ainda não existe um padrão estabelecido de arquitetura. 3.3 Áreas de Aplicação São muitas as áreas de aplicação que podem fazer o uso de uma infraestrutura de computação em grade, as de maiores relevâncias podem ser agrupadas em 5 principais classes como definidas em (Foster e Kesselman, 1999) Supercomputação Distribuída Faz o uso de Grades para agregar uma quantidade muito grande de poder computacional para que seja possível resolver problemas que os sistemas simples não conseguem. Estes recursos podem ser uma grande quantidade de computadores espalhados pela internet ou todos os computadores de uma determinada empresa. Este tipo de aplicação encontra bastante uso nas áreas que necessitam fazer simulações de problemas complexos, tanto na pesquisa cientifica, como na física, biologia, metrologia, campo militar, economia, finanças e computação gráfica Computação de alta vazão Neste tipo de aplicação as Grades computacionais é utilizada para escalonar uma grande quantidade de recursos independentes, com o objetivo principal de utilizar recursos ociosos, geralmente neste trata-se de estações de trabalho. 18
19 Ela busca reunir uma certa quantidade de recursos disponíveis para a solução de um determinado problema. Um projeto bastante conhecido nesta classe de aplicação é o projeto SETI@Home, para a busca de vida extraterrestre, onde umas grandes quantidades de dados são analisadas em máquinas espalhadas na internet Computação sob demanda Geralmente neste tipo de aplicação utiliza-se a computação em grade para se fazer uso, por um período determinado de recursos que não podem ser mantidos localmente por questões financeiras. Esses recursos são diversificados nesta classe, podemos citar por exemplo: computadores, aplicações, repositório de dados, sensores, etc. Nesta classe de uso, as decisões de utilização de recurso nas aplicações costumam ser orientadas por questões de financeiras ao invés de questões de desempenho como até então vinham sendo utilizadas como principal recurso Computação de processamento intensivo de dados Neste tipo de aplicação que faz uso intensivo de dados, o objetivo principal é sintetizar novas informações a partir de dados que são mantidos em repositórios, bibliotecas digitais e bancos de dados geograficamente distribuídos. Este tipo de síntese faz uso intensivo de uso computacional e de comunicação de dados Computação Colaborativa Já neste tipo de aplicação a atenção é voltada para a preocupação de melhorar a interação homem-a-homem, onde é definido um espaço virtual estruturado. Muitas destas aplicações buscam melhorar o uso compartilhado de recursos computacionais, tais como arquivos de dados e simulações. Como exemplo podemos citar: ambientes de realidade virtual, entretenimento e de educação. 19
20 3.4 Comparação com outras tecnologias Podemos perceber a computação em grade não é a única plataforma para execução de aplicações paralelas. Por essa razão nesta seção será feito um breve comparativo de grades computacionais com duas outras tecnologias: Peer-toPeer(P2P) e clusters Peer-to-Peer O P2P é uma tecnologia que provocou uma mudança considerável em relação aos paradigmas até então existentes. Neste tipo de paradigma não há dependência de uma organização central ou hierárquica, além de dispor aos seus integrantes as mesmas capacidades e responsabilidades. O termos Peer-to-Peer refere-se a uma classe de sistemas e aplicações que utilizam recursos distribuídos para executar tarefas de forma descentralizada (Milojicic et al., 2002). A inexistência de um servidor central significa que é possível cooperar para a formação de uma rede P2P sem qualquer investimento adicional em hardware de alto desempenho para coordená-la (Rocha et al., 2004). Uma outra vantagem é o de agregar e utilizar a capacidade de processamento e armazenamento que fica não sendo utilizada em máquinas ociosas. O modelo P2P apresenta a vantagem da escalabilidade para fazer uso de crescimento no numero de usuários e equipamentos conectados aumentando a capacidade de processamento. Dessa forma, estabelece-se que redes P2P são redes virtuais com o objetivo de compartilhar recursos entre os seus participantes (Rocha et al., 2004). Em geral, é aceito pela comunidade cientifica que sistemas P2P devam suportar os seguintes requisitos (Rocha et al.,2004): Capacidade de lidar com diferentes taxas de transmissão entre os usuários; Autonomia parcial ou total dos nós; Garantia parcial ou total dos nós em relação a um servidor central; Capacidade de nós se comunicarem diretamente uns com os outros. 20
21 3.4.2 Cluster A computação em Cluster surgiu no inicio da década de 90, quando observaram que com a paralisação de processamento, ou seja, interligando-se dois ou mais computadores, poderia se obter uma grande quantidade de poder computacional, ao invés de se preocupar em construir processadores cada vez mais potentes (Baker e Buyya, 1988). Um cluster é um tipo de sistema de processamento paralelo, que consiste de uma coleção de computadores interconectados trabalhando juntos como se fosse um único recurso integrado. O que tem contribuído para que os clusters sejam difundidos como uma plataforma pratica para processamento paralelo é a padronização de ferramentas e utilitários usados por aplicações paralelas, como por exemplo a biblioteca Message Passing Interface (MPI) (Brucket al., 1995). 3.5 Padronização Aqui serão apresentados questões referentes a padronização na área de grids. Tais como o Opem Grid Service Arquitecture (OGSA). Seus objetivos principais, definições etc e de outras tentativas de padronizações existentes como por exemplo a Grid Interoperability Project (GRIP) e uma possível comparação. 3.6 Ferramentas Aqui serão dados as definições das principais ferramentas desenvolvidas para Grades computacionais de uma forma geral e nos subitens posteriores será dado uma ênfase maior ao My Grid e OurGrid e ao Globus que será apresentado com detalhes My Grid e OurGrid Nesta seção será apresentado o projeto My grid e OurGrid, sua definição, arquitetura, principais características e funcionalidades Condor 21
22 Esta seção será dedicada a plataforma condor. Sua definição, objetivo, arquitetura e uma breve comparação com o Globus. 3.7 Globus Toolkit Neste capítulo pretendo apresentar o Globus Toolkit, que é a tecnologia base para este trabalho. Será feita uma descrição detalhada do Globus bem como as partes que o constituem, seus principais componentes e serviços. Serão abordados temas como o seu núcleo, questões de segurança, funcionalidades oferecidas por cada parte apresentada, gerenciamento de dados, escalonamento, arquitetura etc. 22
23 Referências Bibliográficas Berman, F., Fox, G., e Hey, T., editors (2003). Grid Computing: Making the Global Infrastructurea Reality. John Wiley & Sons. Berstis, V. e Ferreira, L. (2002). Fundamentals of Grid Computing - IBM RedPaper. Cirne, W. (2002). Grids computacionais: Arquiteturas, tecnologias e aplicações. Em Anais do Terceiro Workshop em Sistemas Computacionais de Alto Desempenho, Espírito Santo, Brasil. CoG (2005). Commodity Grid Kits. último acesso em : Maio de Condor (2005). The Condor Project: High Throughput Computing. edu/condor/, último acesso em: Abril de Dantas, M. R. (2003). Grids Computacionais - Fundamentos, Ambientes e Experiências, em Computação em Cluster. Brasport. Foster, I., Kesselman, C., Nick, J., e Tuecke, S. (2002). The Physiology of the Grid: An Open Grid Services Architecture for Distributed Systems Integration - OGSA. Em Global Grid Forum. Foster, I., Kesselman, C., e Tuecke, S. (2001). The anatomy of the Grid: Enabling scalable virtual organizations. International Journal of Supercomputer Applications. v., páginas Globus (2000). Resource Specification Language (RSL). 23
24 toolkit/docs/3.2/gram/ws/developer/mjs_rsl_s%chema.html, último acesso em : Maio de Globus (2005). Globus Alliance. último acesso em: Março de IBM (2005). Grid computing zone at IBM developerworks. developerworks/grid/, último acesso em : Abril de Sotomayor, B. (2004). The Globus Toolkit 3 Programmer s Tutorial. org/gt3-tutorial/, último acesso em : Abril de
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