Grades Computacionais e Grades de Dispositivos Móveis

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1 Grades Computacionais e Grades de Dispositivos Móveis Alencar Machado 1 1 Laboratorio de Sistemas de Comptucao LSC Universidade Federal de Santa Maria UFSM Campus UFSM Santa Maria RS Brasil 3 Departamento de Pós Graduação em Computação Universidade Federal de Santa Maria (UFSM) Santa Maria, RS Brazil alencar.ufsm@gmail.com Abstract. Architectures for high performance is an issue increasingly addressed in the computation because of the high cost of super computers being used as servers for processing. This cost comes from meeting the huge number of PC machines, distributed to laboratories in which much of their time is idle, adding to the architecture of PCs, this is taking into account mobile architectures for networking with expandable and distributed computational power, been so come and often exceeds the computational power of super computers, but but with a very low cost compared to super computers. This article covers architectures and high performance Grids, doing a literature search on it and comparing with Grids that take into account the existing mobile network today. Resumo. Arquiteturas de alto desempenho é um assunto cada vez mais abordado na computação, devido ao grande custo de super computadores sendo utilizados como servidores para processamento. Este custo vem de encontro ao número imenso de maquinas PC, distribuídas em laboratórios que em sua grande parte do tempo estão ociosas, somando a esta arquitetura de PCs, esta se levando em consideração arquiteturas móveis para criação de redes com poder computacional expansível e distribuído, vindo assim a chegar e muitas vezes ultrapassar o poder computacional de super computadores, mas porem com um custo extremamente baixo se comparado a super computadores. Este artigo aborda arquiteturas de alto desempenho como Grids, fazendo uma pesquisa bibliográfica nos mesmo e comparando com Grids que levam em conta a rede móvel hoje existente. 1. Introdução No passado, a computação de alto desempenho era realizada somente em supercomputadores. Esses computadores eram basicamente computadores paralelos, compostos de muitos processadores com memória compartilhada ou distribuída, interconectados por um barramento de alta velocidade. Todavia, esse tipo de computador tem um preço elevadíssimo ainda hoje, devido à sua forma de fabricação, que deve superar limitações físicas importantes. Quando não estão sendo utilizados, há um gigantesco desperdício de recursos, visto que uma quantidade considerável de tempo de computação está sendo perdida. Esse desperdício é evidenciado quando analisamos as necessidades de um país carente de recursos, como o Brasil. Enquanto

2 pesquisadores necessitam de recursos computacionais robustos e caros, na própria instituição já podem existir dezenas ou centenas de máquinas subutilizadas. O tempo ocioso de tais máquinas poderia ser usado pelos pesquisadores, resultando em economia de recursos e eliminação de desperdício.[barbosa] Atualmente surge a necessidade de executar aplicações em paralelo para diversos fins, sendo eles de cálculos matemáticos, analises de imagens ou coletas de informações meteorológicas, entre outros. São aplicações que necessitam de uma demanda de recurso computacionais extremamente elevada, aos quais somente supercomputadores conseguem suprir. Como existe hoje um elevado número de computadores pessoais espalhados por todo o mundo, surgiu a possibilidade de utilizar o poder de processamento de cada PC, até se conseguir um poder computacional elevado o suficiente, com o intuito de executar aplicações que necessitam de tal poder computacional. Em paralelo a estes conceitos de computação em grade, esta em acensão a utilização de recursos móveis, os quais estão dia a dia aumentando seu poder computacional, vindo a ser um componente muito importante na utilizado de grids. Este artigo tem por finalidade fazer uma pesquisa bibliográfica no âmbito de grades computacionais e grades que utilizam redes moveis pervasivas, o artigo esta organizado da seguinte forma: sessão 2 grades computacionais é abordado a arquitetura de uma grade, conceitos e alguns middlewares existentes, sessão 3 grades de dispositivos móveis e pervasivas e abordado conceitos e características que devem ser adicionados a uma grade computacional para conter recursos de pervasividade móvel, demostrando alguns middlewares existentes, sessão 4 semelhanças e diferenças faz um comparativo entre os dois assuntos demostrando onde eles se assemelham e divergem, sessão 5 conclusão, sessão 6 bibliografia utilizada. 2. Grades Computacionais Um ambiente com processamento de alto desempenho é caracterizado, principalmente, pela execução de tarefas paralelas complexas e milhares de aplicações ao mesmo instante. Essa arquitetura estabelece que a parte central de uma arquitetura contemple um conjunto pequeno de abstrações e protocolos, sobre o qual muitas funções de alto nível podem ser mapeadas, e sob o qual diferentes tecnologias podem ser usadas para implementar os protocolos. No caso da arquitetura de uma grade, na parte central estão as camadas de recursos e de conectividade, que contêm um número relativamente pequeno de protocolos e de interfaces de programação. [Rômulo] A arquitetura em camadas da grade computacional segundo [Foster] é composta de quatro níveis, (i) infra estrutura, (ii) conectividade, (iii) recursos, (vi) coletivos, na qual são vistas abaixo. A camada de infra estrutura é responsável por fornecer os recursos de processamento, de armazenamento e de comunicação, para os quais o acesso compartilhado pode ser mediado pelos protocolos da grade. [Aletéia] Camada de conectividade define os protocolos básicos de comunicação e autenticação exigidos por uma grade. Esses protocolos permitem a troca de dados entre os recursos na camada inferior, e fornecem mecanismos de segurança com criptografia para verificar a identidade dos usuários e dos recursos; [Rômulo] Com a comunicação garantida pela camada de conectividade, a camada de recursos tem a responsabilidade de inicializar e controlar o compartilhamento dos

3 recursos individuais. Para isso, os protocolos de informação pertencentes a essa camada são usados para obter informações sobre a estrutura e o estado dos recursos. Os protocolos de gerenciamento são usados para negociar o acesso a recursos compartilhados, especificando, por exemplo, os recursos requeridos e as operações a serem desempenhadas.[aletéia] A camada coletivos adota protocolos e serviços que não são associados a recursos específicos, tais como serviços de diretório para descoberta de recursos, serviços de co alocação e escalonamento, monitoramento, replicação de dados e serviços de colaboração. A ultima camada é a de aplicação, cuja responsabilidade é viabilizar a execução das aplicações. O objetivo é garantir que as aplicações aproveitem os benefícios do ambiente sem o conhecimento das características específicas dos recursos distribuídos.[foster] 2.1 Middleware As maiores funcionalidades da arquitetura Grid estão no nível de middleware. A fim de estruturar melhor os serviços oferecidos nesse nível, o mesmo foi subdividido em middleware básico e middleware de serviços Middleware Básico Em ambientes grid, particularmente, o middleware é definido como uma camada de software que permite aos usuários compartilharem recursos heterogêneos em uma plataforma distribuída. A intenção é amenizar a carga do programador na hora de projetar, programar e gerenciar aplicações distribuídas, fornecendo aos desenvolvedores um ambiente de programação distribuída integrado e consistente[laforenza] Middleware de Serviço. Os middlewares de serviço objetivam fornecer ferramentas que possam criar abstrações sobre a complexidade dos ambientes de grid. Grande parte dos serviços oferecidos pelos middlewares podem variar de sítio para sítio. Assim, em geral, para executar em uma plataforma, novas aplicações têm que ser escritas, ou aplicações existentes precisam ser adaptadas, com o objetivo de interagir com os componentes de middleware de serviços apropriados. O objetivo é obter aplicações eficientes e robustas que sejam capazes de executar em grid, sem que isso gere uma carga ainda maior para o programador ou usuário, ou seja, que a mesma aplicação possa rodar nas mais diversas arquiteturas sem a necessidade de modificações. [Aletéia] Implementações de middleware Globus O Globus Toolkit é um conjunto de ferramentas e bibliotecas de software que dão suporte a arquitetura e as aplicações em Grid. É um projeto desenvolvido pelo Argnone National Laboratory (ANL) e University of Southern California. É mantido por uma comunidade de programadores e é baseada em arquiteturas e códigos abertos. Com ele é possível implementar segurança, busca de informações, gerenciamento de recursos e de dados, comunicação, detecção de falhas e portabilidade[dantas]. Mais informações sobre o Globus em

4 MyGrid O MyGrid objetiva construir um ambiente simplificado para a execução de aplicações sobre recursos computacionais distribuídos. O principal objetivo de MyGrid é simplificar ao máximo o processo de implantação da Grade, permitindo que qualquer usuário tome a iniciativa de instalar uma grade computacional com os recursos que contem. A arquitetura simplificada de MyGrid também implica na limitação do tipo de aplicação que pode ser executada no sistema. Dessa maneira, MyGrid é um ambiente voltado para a execução de aplicações Bag of Tasks (BOTs). Uma aplicação Bag of Tasks é composta por uma ou mais tarefas que podem ser executadas de forma independente, ou seja, não existe comunicação entre as tarefas. A aplicação pode ser composta de tarefas iguais ou diferentes, porém sempre independentes.[goldchleger] Mais informações sobre o MyGrid em OurGrid OurGrid explora a ideia de que um Grid é composto de vários sites que têm o interesse em trocar favores computacionais entre si. Portanto, existe uma rede peer to peer de troca de favores que permite que os recursos ociosos de um site seja fornecido para outro quando solicitado. Para manter o equilíbrio do sistema, em uma situação de contenção de recursos, sites que doaram mais recursos (quando estes estavam ociosos) deverão ter prioridade junto a comunidade quando solicitar recursos.[walfredo] Mais informações sobre OurGrid em Legion Desenvolvido na universidade da Virgínia, objetivou construir um Sistema de Metacomputação, ou seja, um ambiente que integrasse diversos recursos computacionais espalhados, provendo a usuários e desenvolvedores de aplicações a ilusão de que estivessem utilizando um único computador. Sua arquitetura é orientada a objetos, ou seja, todas as entidades do sistema, como computadores, dispositivos de armazenamento, aplicações e serviços de Grade são representado por objetos.[steve] Mais informações sobre o Legion em 3. Grades de Dispositivos Móveis A computação em grade possui várias áreas de aplicações, no entanto, inicialmente sua principal função foi a integração de recursos e o processamento de grandes volumes de dados. Entretanto, grids vem evoluindo não somente na área de alto poder de processamento. As grades estão se tornando pervasivas e ubíquas devido ao avanço dos dispositivos móveis e das redes de sensores. Segundo [Marcelo] a computação em grade pervasiva introduz um novo conceito para infra estruturas de TI, pois suporta uma computação distribuída sobre uma rede de recursos dispersos e heterogêneos, e trabalha para otimizar o uso de recursos disponíveis com vistas a redução de investimentos de capital. A infra estrutura pode consistir se de todos os recursos em rede, desde computadores e dispositivos de armazenamento de variados tipos e capacidades até bases de dados. Neste sentido, surge então um novo paradigma de computação em grade, as grades de dispositivos móveis ou grades móveis. [Navarro] Grades de dispositivos móveis constituem da integração de redes móveis e equipamentos de computação pervasiva a grids de computadores estabelecendo uma

5 nova forma de computação, adaptada ao crescente número de equipamentos móveis com alto grau de interação com o usuário, mas ainda com capacidades de armazenamento e processamento limitadas. [Marcelo] Grades de dispositivos móveis é uma herança de grade computacional com características adicionais da computação móvel, ou seja, a capacidade de suportar usuários móveis de um modo transparente, seguro e eficiente. A utilização de grids não está voltado objetivamente para o processamento de dados, mas sim em utilizar a grade como um fator de homogeneização dos dispositivos não transparecendo ao usuário a infra estrutura de comunicação entre os nodos da grid.[navarro] Segundo [Navarro] aplicações móveis típicas incluem essencialmente acesso remoto a dados, colaboração, mobilidade entre outras características. Dentre os principais serviços que uma grade de dispositivos móveis pode prover, um deles é o acesso a informações de qualquer lugar e a qualquer momento. 3.1 Grades Móveis Pervasivas Grades móveis pervasivas une as duas tecnologias (Computação em Grade e Computação Pervasiva) aproveitando o melhor das duas e permitindo que os usuários tenham mobilidade com alto desempenho e alto desempenho com uma comunicação direta com o ambiente físico de cada aplicação, através das redes móveis conectadas aos grids.[marcelo] Figura 01 Adição de Funcionalidades a Grade [Marcelo] A figura 01 demonstra que inicialmente temos um aumento da heterogeneidade do sistema pela inclusão de dispositivos móveis, instrumento de localização por satélite, etc. Isto torna necessária uma arquitetura que uniformize o desenvolvimento de aplicações, ocultando detalhes específicos de plataformas.[marcelo] As grades atuais precisão adaptar o sistema para suportar os dispositivos, devese conferir mobilidade lógica aos mesmos, permitindo que os dados não sejam perdidos, mesmo que por alguns instantes não exista conexão devido à mobilidade dos equipamentos e a interferências ambientais no caso durante a movimentação, devemos aplicar o máximo possível de técnicas de tolerância a falhas e recuperação de erros. Dada a heterogeneidade muito maior dos componentes, o sistema deve estar apto a trabalhar com dispositivos com recursos limitados, e sabendo disso realizar um balanceamento proporcional da carga em cada nodo, permitindo que além dos

6 processamentos relativos às tarefas do grid cada um possa ocupar o processador pelo tempo suficiente para realizar as tarefas pelas quais ele é responsável direto.[marcelo] 3.2 Projetos em middlewares para grades de dispositivos móveis Projeto GRADEp Tem como objetivo definir a arquitetura para um ambiente de grade pervasiva. As condições de contexto são pró ativamente monitoradas, e o suporte a execução deve permitir que tanto a aplicação como ele próprio utilizem estas informações na gerência da adaptação de seus aspectos funcionais e não funcionais. O sistema simula um ambiente virtual do usuário, onde as aplicações têm o estilo sigame ( follow me applications), permitindo a execução da aplicação do usuário onde ele estiver. As aplicações alvo são distribuídas, adaptativas ao contexto em que executam e compreendem a mobilidade lógica e a física. O mecanismo de adaptação ao contexto previsto para o GRADEp propõe uma estratégia colaborativa entre aplicação e ambiente de execução, através da qual é facultado ao programador individualizar políticas de adaptação para reger o comportamento de qualquer componente da aplicação. As políticas que irão reger os mecanismos de adaptação, funcionais ou não, são especificadas pelo ambiente de desenvolvimento[yamin]. Figura 02 Visão Geral da arquitetura GRADEp. [Isam] A figura 02 apresenta uma visão geral da arquitetura de software para o GRADEp. A representação da consciência do contexto nesta figura como um módulo virtual tem por objetivo ressaltar sua importância na arquitetura, bem como caracterizar sua presença na concepção de todos os outros componentes. Mais informação sobre GRADEp em Projeto GRIDLAB O projeto GridLab [GRIDLAB] é um dos maiores projetos europeus de pesquisa relacionado com o desenvolvimento de ferramentas de aplicações e middlewares para ambientes de grids. O GridLab constitui se de dispositivos móveis integrados as grades, onde os serviços utilizados pelos dispositivos se encontram inseridos em grids. O projeto prove mecanismos de acesso a grade para os dispositivos móveis utilizando APIs disponibilizadas pelo GridLab através de um gateway entre a rede móvel e a web.

7 Figura 3 Arquitetura do GriLab, visão geral [GRIDLAB] A figura 3 demostra a estrutura do projeto GRIDLAB, segundo [Navarro] o GridLab possui uma série de aplicações orientadas a serviços de Grade e ferramentas como gerenciamento de recursos, monitoramento, gerenciamento de dados, segurança entre outros. Tais serviços podem ser acessados por meio do GAT API (Grid Application Toolkit) que pode ser observado na figura 4, e que fornece uma estrutura para usuários finais que precisam desenvolver aplicações, baseado nesta estrutura os usuários desenvolvedores não necessitam de ter um conhecimento dos detalhes sobre o ambiente de execução. Ainda neste espaço chamado de espaço do usuário existe o Gridsphere Portal que permite o desenvolvimento de aplicações por meio de seu framework. Em um espaço abaixo está localizada a camada do middleware, que cobre uma gama de serviços de grade que usuários, aplicações e desenvolvedores necessitam, tais como GRMS (Grid Resource Management and Brokering Service), Data Access and Management (Grid Services for data management and access), GAS (Grid Authorization Service), igrid (GridLab Information Services), Delphoi (Grid Network Monitoring & Performance Prediction Service), Mercury (Grid Monitoring infrastructure), Visualization (Grid Data and Visualization Services), Mobile Services (Grid Services supporting wireless technologies).[navarro] Grid Mobile Services do projeto GRIDLAB O projeto GRIDLAB oferece um pacote de serviços para usuários de dispositivos móveis, neste pacote existem algumas ressalvas quanto aos recursos acessados por estes dispositivos tais como interfaces e conteúdos compatíveis com a banda do aparelho. Segundo [Navarro] o objetivo do Grid Mobile Service é prover ao usuário da Grid a possibilidade de acessar suas aplicações e recursos de qualquer lugar e a

8 qualquer hora pelo uso dos dispositivos móveis. De acordo com o projeto GRILAB estes dispositivos não serão incorporados à Grid como Peers, ou seja, como um nodo que tem funções de cliente e servidor ao mesmo tempo, hora servindo informações ou hora requisitando informações, mas sim como somente clientes, ou seja, com a função de requisitar informações. Isto porque, segundo [GRIDLAB] tais dispositivos possuem sérias limitações e assim não poderiam fazer a função de servidores. Figura 4 Comunicação dos dispositivos móveis e serviços Grid através de um Gateway [GRIDLAB] A figura 4 demostra como é realizado o acesso de dispositivos móveis que utilizem JME a diversos serviços de grade como, autenticação, gerência de recursos, submissão e gerência de tarefas. Esse acesso é provido por uma aplicação Web MCC (Mobile Command Center). Esta possibilidade de comunicação é dada por meio do Gateway de comunicação, este gateway mapeia as características do cliente móvel para os plug ins do gateway que então se comunicam com os serviços da Grade em nome do dispositivo móvel. Essa aplicação, projetada especificamente para atender a requisições provenientes de dispositivos móveis mapeia todos os protocolos de acesso aos serviços de grade para HTTP. Mais informações sobre GridLab em 4. Comparativo Na pesquisa realizada sobre arquiteturas de alto desempenho, não foi encontrado trabalhos correlatos com o mesmo objetivo de buscar características semelhantes entre os dois assuntos abordados (grades móveis pervasivas e grades computacionais).

9 4.1 Semelhanças As duas arquiteturas como seu nome sugere atuam como uma grade permitindo computação distribuída entre nodos de uma rede, vindo assim a formar uma malha computacional, suas principais semelhanças são: 1. Processamento distribuído. 2. Emissão de tarefas para diferentes nodos da rede. 3. Permitir execução de tarefas geograficamente distribuídas. 4. Diminuir a interoperabilidade entre os nodos. 4.2 Diferenças No decorrer da pesquisa constatou se que apesar de sua execução distribuída e alocução de recursos remotos, os middlewares construídos tem propósitos diferentes entre as duas tecnologias. Enquanto que um dos principais objetivos da grade computacional é execução computacional geograficamente distribuída, visando principalmente maquinas desktop ociosas na rede, as grades móveis pervasivas tendem a distribuir sua execução por dispositivos móveis, os quais tem uma grande desvantagem no momento, poder computacional, porem dando acesso as informações da grade em qualquer lugar a qualquer momento. Uma das finalidades das grades móveis pervasivas é a execução móvel de código, assim podendo o executor da tarefa continuar sua execução em um outro determinado momento, o que foi demostrando claramente na pesquisa que não é esse o objetivo das grades computacionais. 5. Conclusão Grades também não resolvem todos os tipos de problemas, mas sim contribuem para uma nova abordagem para solução de problemas que antes necessitavam de um conjunto de tecnologias (a pesar que uma grade seja uma soma de tecnologias trabalhando para um único fim). A possibilidade de tornar esta grade móvel aumenta ainda mais a gama de solução de problemas que neste contexto envolvem mobilidade, informação em tempo real e homogeneização de recursos. Estamos em um momento muito delicado ao que se diz respeito a tecnologias para arquiteturas de alto desempenho, em um artigo nomeado The Different Faces of IT as Service Ian Foster e Steven Tuecke, [Foster] afirma que estamos em uma era parecida com o início da Internet, onde não havia padronização de nomenclaturas. É realizado até uma comparação com uma fábula dos homens cegos que encontram um elefante pela primeira vez e cada um dá uma descrição da parte que encontrou do elefante. Segundo [Navarro] esta comparação é feita para apresentar essa confusão de termos como Grids, computação sobre demanda, virtualização, arquitetura orientada a serviços, Gloud Computing entre outros que tentam representar essa nova era da computação distribuída. O artigo apresentou diversas arquiteturas que procuram gerenciar essa nova era da computação, a qual anos atrás nunca seria possível, pois em momento algum da computação se teve um poder computacional tão grande geograficamente distribuído e ocioso.

10 6. Referências [Rômulo] Rômulo Bandeira Rosinha 2007 Universidade Federal do Rio Grande do Sul UFRGS Mestrado em Ciência da Computação WSPE: um ambiente de programação Peer to Peer para a computação em grade. Acesso em: Julho [Foster]The Anatomy of the Grid Enabling Scalable Virtual Organizations Ian Foster Steven Tuecke Carl Kesselman. Acesso em: Julho [Aleteia] Aletéia Patricia Favacho de Araújo 2008 Paralelização Autonômica de Metaheurísticas em Ambientes de Grid. Tese de Doutorado em Informática PUC Rio Abril rio.br/busca_etds.php? strsecao=resultado&nrseq=12077@1 [Foster] Foster Ian Foster Steven Tuecke Carl Kesselman 1999 The Anatomy of the Grid Enabling Scalable Virtual Organizations. [Laforenza] D. Grid programming: Some indications where we are headed. Parallel Computing 28 (2002), [Alliance]The Globus Alliance. Disponível em:< [Marcelo] Alisson Marcelo Grids Pervasivos Instituto de Informática Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) [Barbosa] Rodrigo Moreira Barbosa 2007 MobiGrid: arcabouço para agentes móveis em ambiente de grades computacionais Universidade de São Paulo (USP) [Yamin] Adenauer Corrêa Yamin 2004 Arquitetura para um Ambiente de Grade Computacional Direcionado às Aplicações Distribuídas, Móveis e Conscientes do Contexto da Computação Pervasiva Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) [Pellegrini] Simone Pellegrini Acessado em 19/05/ Acesso em: Julho [Navarro] Fabio Piola Navarro 2006 Um middleware para Grades de Dispositivos Móveis. [Dantas], M, ALLEMAND, J. e PASSOS, L. An Evaluation of globus and Legion Software Environments.Disponível em: Acesso em: Julho 2009.

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