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1 Università degli Studi di Napoli Federico II Facoltà di Scienze MM.FF.NN. Corso di Laurea in Informatica Tesi Sperimentale di Laurea Triennale Integrazione di servizi file transfer dedicati al GRID Computing su NAS Server del Data Center S.Co.P.E Relatori Candidato Prof. G. Russo Domenico Del Prete Dr. S. Pardi matr. 873/1 Anno accademico 2007/2008 I

2 Ringraziamenti Al termine di questo lavoro, desidero ringraziare tutti coloro che mi hanno offerto il supporto necessario per portare a compimento questa esperienza accademica. In particolare ringrazio il Prof. Guido Russo e il Dr. Silvio Pardi che hanno creduto nelle mie capacità e mi hanno supportato con la loro esperienza in tutte le fasi del lavoro. Ringrazio i ricercatori e gli sviluppatori dei vari progetti Grid che ho conosciuto in questi mesi nella control room, dai quali ho ricevuto preziosi consigli: Vania, Giancarlo e tutti gli altri. Inoltre devo ringraziare tutti i miei compagni di studi che sono diventati col passare dei mesi e degli anni miei amici, con i quali ho vissuto a più stretto contatto l esperienza universitaria: Andrea, Flavio, Vittorio, Vincenzo, Luigi Massa, Duffi, Ferdinando, Alduccio, Francesco Colmayer; Albenzo, Maurizio, Giusy, Paolo Caruso, Rosy, Stefano, Daniela, Enzo Imposimato, con i quali ho condiviso gioie e dolori della vita universitaria; un ringraziamento e un saluto vanno a tutti i tirocinanti del centro S.Co.P.E. con i quali ho condiviso le scoppiettanti pause caffè: Luigi Ilardi, Alessandro, Armando, il memorabile Saviano e tutti gli altri. Inoltre un ringraziamento particolare va a Joak che grazie alla sua valida conoscenza ha saputo consigliarmi e aiutarmi come un vero amico disponibile sa fare. Non posso poi non ringraziare i miei amici di sempre: Gennaro, Umberto, Mirco, Gaetano, Salvatore, Giuseppe, Diaisa, Asia, che mi hanno tenuto allegro in momenti nei quali non speravo di esserlo. Infine, il ringraziamento più grande e più sentito è rivolto alla mia famiglia, in particolare ai miei genitori per l'incrollabile sostegno morale ed economico che mi ha permesso di raggiungere questo importante traguardo. II

3 INDICE GENERALE Introduzione La Griglia Computazionale Il progetto S.Co.P.E La filosofia GRID L'architettura della Griglia Computazionale I servizi core I servizi collective Sistemi di Storage in ambito GRID Problematiche ed esigenze di storage in ambito GRID Gli scopi funzionali dei sistemi di storage GRID La gestione dello storage nel Data Center La possibilità di utilizzare NAS Server in ambito GRID Le attrezzature prese in esame: Synology DS 508 & LACIEethernet disk I protocolli di trasferimento in ambito GRID FTP (File Transfer Protocol) SCP (Secure CoPy) BBFTP (BaBar FTP) GridFTP GridFTP tramite Globus Toolkit Gli obiettivi della tesi Alternativa a sistemi di storage costosi e complessi La scelta dell'apparecchiatura NAS: Synology DS Integrazione di applicazioni su sistemi di storage embedded L'implementazione dei servizi sul NAS Server Synology Gli strumenti utilizzati Implementazione del servizio BBFTP Implementazione del servizio GridFTP Configurazione dei servizi con l'uso di GSI Message Privacy: cifratura tramite crittografia asimmetrica Non ripudation e message integrity tramite firma digitale Maggiore sicurezza con la delegazione proxy Configurazione dei certificati sul NAS server Integrazione dei servizi nel sistema web d'amministrazione...63 III

4 6.1 Predisposizione del server per consentire l'integrazione web Le tecnologie utilizzate Integrazione servizio BBFTP Integrazione servizio GridFTP Testing prestazionale dei servizi Il piano di testing Il risultato dei test Conclusioni...90 Bibliografia...92 Appendice N 1:...94 Appendice N 2:...96 Appendice N 3: IV

5 Introduzione L'oggetto della presente tesi identifica una sperimentazione originale: l obbiettivo sperimentale è stato quello di estendere e potenziare le funzionalità di un apparecchiatura di tipo NAS (Network Attached Storage) della Synology, originariamente designata a piccole e medie aziende per il management di servizi multimediali e di dati, per integrarlo nell ambito dell infrastruttura GRID della Federico II, capace quindi di soddisfare tutte le tipologie di requisiti ricercate in quest ambito, da quelle prestazionali e dei servizi offerti a quelle inerenti alla sicurezza e la riservatezza. L apparecchiatura presa in esame è un sistema di storage embedded, concepito per fornire esclusivamente servizi contemplati in fase di progettazione. Su questo sistema è stata svolta una intensa attività sperimentale che ha portato all implementazione di funzionalità aggiuntive embedded: il protocolli di trasferimento BBFTP e GridFTP, attraverso procedure di cross-compilazione e compilazione nativa, permettendo di utilizzare il server NAS come componente di Storage Element all interno dell infrastruttura grid del progetto S.Co.P.E.; inoltre sono state estese le funzionalità al kernel del sistema operativo esistente, favorendo l integrazione di nuove applicazioni. Sono state modificate le componenti del sistema web di management fornito dalla casa produttrice consentendo l esecuzione di script di shell in modalità esclusiva, favorendo così l integrazione di moduli aggiuntivi autoprodotti. E stata quindi estesa l interfaccia web d amministrazione sviluppando componenti aggiuntivi, al fine di permettere il monitoraggio e la gestire dello stato dei nuovi servizi implementati nel sistema. Sono stati configurati i servizi di file transfer compilando altresì l architettura di sicurezza Grid Security Infrastructure (GSI), garantendo l integrità dei messaggi, il non ripudio e la privacy sul trasferimento dei dati, tutto questo con l uso di certificati X.509 e crittografia asimmetrica. Finita l attività implementativa, sono state eseguite diverse batterie di test con i seguenti obiettivi: Pagina 1 di 101

6 Mettere sotto stress il sistema con i nuovi protocolli Confrontare i servizi di trasferimento preesistenti con quelli implementati Validare l attività svolta Le informazioni pervenute dall attività di testing hanno dimostrato un notevole margine di guadagno sia nelle prestazioni di trasferimento che nella qualità di sicurezza acquisita sullo scambio delle informazioni. La sperimentazione svolta permette d inquadrare l apparecchiatura su un alta fascia di utenza; questi risultati consentirebbero la possibilità di customizzare a livello di fabbrica il DS 508 Synology NAS server implementando i servizi di BBFTP e GridFTP in maniera nativa così da rendere disponibile sul mercato dei prototipi di NAS nativamente grid-compliant. Questa magnifica esperienza ha saputo arricchirmi di nuove capacità e saperi; per di più, oltre alla specifica problematica affrontata ho avuto modo di fare pratica anche su altre numerose apparecchiature di calcolo del Data Center, toccando con mano le diverse e complesse tecnologie che le governano. Pagina 2 di 101

7 1. La Griglia Computazionale 1.1 Il Progetto S.Co.P.E La presente tesi si inserisce nell ambito del progetto S.Co.P.E [1] dell Università Federico II di Napoli. L acronimo sta per Sistema Cooperativo Distribuito ad alte Prestazioni per Elaborazioni Scientifiche Multidisciplinari, il progetto è stato finanziato sui fondi PON L'obiettivo del progetto era la realizzazione di un Data Center composto da un sistema di calcolo ad alte prestazioni, rivolta al calcolo intensivo, basato sul paradigma del Grid e sulle più moderne tecnologie di calcolo distribuito, a supporto della ricerca e delle imprese. Figura 1.1: Infrastruttura del progetto S.Co.P.E Il progetto è nato sulla base di una preesistente infrastruttura di rete metropolitana, che connette al gigabit tutte le maggiori strutture di ricerca dell Ateneo; l architettura del Data Center S.Co.P.E ha integrato le risorse di calcolo e storage già disponibili nell'ateneo, con nuovo hardware ad alte prestazioni. Tali risorse sono infine inglobate in un unica piattaforma di tipo Grid, basata su middleware di nuova generazione, che a sua volta permette l'integrazione con le altre infrastrutture di griglia, nazionali ed internazionali. Pagina 3 di 101

8 Figura 1.2: Il Data Center S.Co.P.E Il Data Center è realizzato su una potente infrastruttura di calcolo fornita dalla Dell. Esso opera nell ambito della modellistica, del calcolo numerico a elevate prestazioni, nella gestione di grandi banche dati, nella simulazione e analisi di informazioni in ambito scientifico e applicativo-strategico; le aree scientifiche maggiormente coinvolte sono: scienze del microcosmo e del macrocosmo, scienze della vita, scienze dei materiali e scienze dell'ambiente. L'infrastruttura di calcolo si propone d'entrare nella classifica dei 150 centri di super calcolo più potenti del mondo, anche se chiaramente la classifica è molto dinamica. La parte hardware comprende al momento: a) 33 rack telecontrollati, 304 server blade (doppia CPU quad core per un totale di 2432 core), raggruppati in 16 blade per chassis; b) 26 server 1U; c) 10 server 2U d) Otto server 8U quadriprocessori dual Figura 1.3: I server blade del Data Center core; e) Soluzioni di storage misto: 200Terabyte di Storage Fiber Channel + 32 Terabyte di Storage iscsi Pagina 4 di 101

9 f) Rete Gigabit ethernet; g) Infiniband su ogni macchina h) Rete Fibre Channel 1.2 La filosofia GRID In molti settori, tra cui la scienza, l'ingegneria e l'industria, le collaborazioni tra diversi istituti e molti individui sono diventate fondamentali;; esperimenti scientifici, in particolare il campo della ricerca di base (come quelli di fisica delle particelle con l acceleratore LHC Large Hadron Collider del CERN) sono portati avanti da folti gruppi di scienziati e tecnici. L'esigenza di raggiungere uno scopo comune, risultato del lavoro collettivo, presuppone la possibilità di condividere software, dati, e tecniche comuni di risoluzione dei problemi. Le Organizzazioni Virtuali Le griglie computazionali nascono per venire incontro alle necessità delle organizzazioni virtuali (Virtual Organization, VO) [2]. Queste sono degli insiemi di persone o istituti, che al fine di raggiungere uno scopo comune, necessitano di condividere in modo dinamico risorse e dati attraverso regole ben determinate. Questo modello di condivisione quindi non è definita a priori, ma può essere modificata nel corso del tempo a seconda delle necessità richieste, come il bisogno di nuovi o particolari servizi, abilitare l'uso di questi servizi a nuovi utenti, escluderne degli altri. Una VO è caratterizzata, quindi, non tanto da Figura 1.4: La condivisione dinamica delle V.O. Pagina 5 di 101

10 chi ne fa parte, ma quanto dalle politiche di accesso e utilizzo dei servizi e delle risorse condivise. La metodologia Grid adottata da S.Co.P.E consente di collegare insieme risorse eterogenee distribuite su larga scala geografica in un unico grande sistema permettendone l'utilizzo tramite meccanismi dinamici e facendole apparire come se fossero una singola entità. In altre parole, la griglia computazionale di S.Co.P.E è un'infrastruttura hardware e software scalabile ed interoperabile. Il suo obiettivo è quello di ampliare le capacità computazionali oggi disponibili tramite un utilizzo più intensivo delle risorse hardware già presenti; queste risorse infatti possono fornire una potenza di calcolo di parecchi ordini di grandezza più grande, rispetto quella a disposizione del singolo utente, venendo sfruttate anche quando rimangono inutilizzate dai possessori. Le caratteristiche di scalabilità e di interoperabilità sono fondamentali per un tale sistema distribuito. La scalabilità garantisce il graduale incremento della potenza di calcolo disponibile via via che le risorse entrano a far parte della rete, mentre l'interoperabilià consente la compatibilità tra i diversi tipi di risorse ed un'evoluzione dinamica delle VO. L'infrastruttura Grid di S.Co.P.E possiede, innanzi tutto, un insieme di protocolli comuni, che garantisce indipendenti metodi di controllo e gestione locale delle risorse: in questo modo può abilitare interazioni tra i diversi componenti del sistema; inoltre, con l'utilizzo di procedure gli utenti possono scoprire e utilizzare le risorse condivise. L'Application Program Interface (API) e Software development kit (SDK) utilizzate dagli sviluppatori aiutano, poi, la rapida costruzione di applicazioni che utilizzino al meglio le potenzialità offerte dalla Grid. Pagina 6 di 101

11 1.3 L'architettura della Griglia Computazionale L architettura definisce gli scopi, le modalità di funzionamento e le interazioni fra i componenti fondamentali del sistema. L'architettura del Grid S.Co.P.E si può definire di tipo aperta, ovvero in continua evoluzione: in questo modo da fissare regole ben precise per poi soddisfare le richieste di estensibilità ed interoperabilità richieste dalla generica Griglia Computazionale. Il Middleware costituisce l'insieme dei protocolli, servizi, API e SDK necessari al funzionamento dell'infrastruttura Grid. Fornisce meccanismi di autenticazione e autorizzazione e la possibilità di utilizzare le risorse implementando servizi atti alla loro scoperta, al loro utilizzo (trovare disponibilità della CPU, reperire i dati di input, archiviare i dati in uscita, gestire e sincronizzare le repliche di file ecc.); in altre parole è un software che gestisce tutte le risorse del calcolo distribuito. Il Middleware di S.Co.P.E è INFNGRID [3]; esso garantisce: piena compatibilità con il middleware EGEE (glite/lcg) release e aggiornamenti/bugfix frequenti semplicità di integrazione con l'infrastruttura Grid italiana (Grid.it) ed europea (EGEE) disponibilità di tool consolidati nati in ambito INFN ed utilizzati in diversi progetti ed infrastrutture Grid esistenti (GridICE, VOMS, DGAS Distributed Grid Accounting System) supporto tecnico sulla release e sui tool con la possibilità di comunicare direttamente con gli sviluppatori del middleware INFNGRID è diviso in due aree principali: quella dei servizi core e quella dei servizi collective. Pagina 7 di 101

12 1.3.1 I servizi core I servizi Core sono presenti sulle risorse di calcolo di ciascun sito periferico e consentono l'inserimento delle risorse locali nell'infrastruttura Grid (policy di utilizzo) e richiedono management locale (start-up, aggiornamenti e troubleshooting). I principali servizi core sono: repository pacchetti del middleware (YAIM) Contiene tool automatici per l'installazione e l'aggiornamento dei nodi grid, consente l'installazione automatica del sistema operativo tramite PXE (sistema di boot remoto) e contiene una replica dei pacchetti INFNGRID e degli aggiornamenti del sistema operativo. servizi di computing (Worker Node e Computing Element) I Computing Element sono l'interfaccia Grid verso una Farm costituita da nodi di calcolo (Worker Node WN); gestiscono i job di calcolo tramite un batch-queue system; tramite il batch system è possibile partizionare l'insieme di risorse di calcolo (CPU) e definire delle policy di utilizzo da parte delle varie VO (CPU time, numero di job concorrenti) mediante la creazione di code batch; inoltre ciascun Computing Element è fornito di certificato digitale (rilasciato al momento dalla CA INFN di Firenze) che attesta l'attendibilità delle transazioni. I Worker Node rappresentano host disponibili per l'esecuzione di job e vengono gestiti/allocati dai Computing Element. Figura 1.5: La comunicazione attraverso i Computing Element Pagina 8 di 101

13 servizi di storage (Storage Element) Gli Storage Element rappresentano lo spazio di storage Grid e fanno utilizzo del protocollo GridFTP per il trasferimento di file; essi consentono di gestire lo spazio di storage in modo da permetterne l'utilizzo da parte di varie VO. Ciascuno Storage Element è fornito di certificato digitale (rilasciato dalla CA INFN) che attesta l'attendibilità delle transazioni. User Interface (U I) Sono i componenti che permettono agli utenti di accedere alle risorse Grid. Le funzionalità di base sono: la sottomissione, visualizzazione e cancellazione dei job, il recupero dell'output dei job. L'utente può accedere all'ui tramite collegamento remoto di una UI di infrastruttura o di gruppo (esempio con SSH), tramite un PC desktop o notebook personale configurato con i componenti della UI, tuttavia l'utente per poter accedere ai servizi Grid deve utilizzare il proprio certificato personale secondo lo schema che segue: Figura 1.6: L'accesso ai servizi Grid tramite UI I servizi collective Questa tipologia di servizi consente l'utilizzo trasparente delle risorse di computing e storage: Monitoraggio e diagnostica dei servizi: consentono il monitoraggio delle risorse di una VO, inclusi gli attacchi (intrusion detection). Servizi di autenticazione / autorizzazione (con Virtual Organization Membership Pagina 9 di 101

14 Service) I servizi VOMS estendono le informazioni presenti nel certificato proxy di un utente con VO membership, gruppo, ruolo, privilegi; ha una gestione degli utenti tramite interfaccia web e con un solo VOMS server è possibile gestire più VO. Servizi di allocazione dei job (Resorce Broker) Il Resource Broker consente di abbinare un job (seriale o parallelo) ad una risorsa di computing e/o storage, tale abbinamento prende il nome di matchmaking e può avvenire o tramite l'elaborazione di requirement del job o attraverso lo stato della Grid. Ciascun Resource Broker è fornito di certificato digitale (rilasciato dalla CA INFN) che attesta l'attendibilità delle transazioni. Servizi informativi (Information Index) L'information Index è un servizio informativo che rappresenta ogni risorsa di calcolo e di storage presente nell'infrastruttura Grid. Essa espone il proprio stato e le proprie caratteristiche tramite il servizio GRIS (Grid Resource Information Service); ciascun GRIS si registra presso un Information Index che effettua il caching delle informazioni fornite dai vari GRIS in modo da fornire una visione aggregata delle risorse di tutta l'infrastruttura. Cataloghi di file / repliche (LCG File Catalog) E' un sistema di data management per la GRID che offre funzionalità come: localizzazione dei dati, copia dei dati, gestione e replica dei dati, gestione dei metadati, inoltre possiede un backend MySQL. Il livello di trasporto è basato su GSIFTP e possiede almeno una User Interface (UI). Figura 1.7: Localizzazione dei dati Figura 1.8: Il ruolo dell'lcg File Catalog Pagina 10 di 101

15 Figura 1.9: Tipico schema di un sito Grid L'architettura della Griglia è formata da più livelli (layers) che rispecchiano la forma di una clessidra (hourglass) nella quale il Middleware si posiziona al centro. Ogni layer è costruito sulle potenzialità e i comportamenti offerti dai layer inferiori. Il modello è focalizzato su aspetti architetturali. Alle due estremità della clessidra si trovano da un lato le applicazioni degli utenti e dall altro le Farm di computer. Figura 1.10: I livelli dell'architettura Grid equiparati a quelli Internet Protocol Fabric: Costituisce il layer di base del modello a clessidra dell'architettura Grid; è composto da risorse computazionali, di rete, storage system e dai cataloghi. Sono tutte quelle risorse computazionali e di rete, inclusi storage system e cataloghi, alle quali si accede tramite i protocolli Grid. Sono necessari sia dei meccanismi attraverso i quali le risorse possano essere scoperte, ovvero possano rendere pubblici i loro stati e potenzialità, sia dei meccanismi che ne consentano la gestione (resource management) assicurando che i servizi offerti rimangano affidabili. Pagina 11 di 101

16 Connectivity: è il secondo layer del modello a clessidra dell'architettura Grid; è costituito dai protocolli di comunicazione ed autenticazione necessari per l'infrastruttura Grid. Alcuni definiscono le regole di accesso e scambio di dati tra le varie risorse all'interno del layer Fabric; altri sono deputati alla fornitura di meccanismi per la verifica dell'identità degli utenti. In riferimento all'utilizzo dei protocolli di comunicazione e autenticazione, l'importanza del problema della sicurezza impone, quando possibile, l'uso di tecniche già esistenti (e quindi testate). L'autenticazione di un utente o di una risorsa deve possedere le caratteristiche seguenti: Single sign on: L'utente, una volta autenticato, deve poter utilizzare più risorse Grid senza l'obbligo di autenticarsi ogni volta su ognuna di esse. Delega: I programmi devono sapere quali sono le risorse sulle quali l'utente è autorizzato ad effettuare operazioni, così da poterle utilizzare e avere la possibilità di delegare un po' di permessi a sottogruppi di altri programmi al fine di distribuire le esigenze di calcolo. Interazione con le procedure di sicurezza locale: In Grid, le procedure di sicurezza non devono sostituire quelle locali, cioè dei vari siti che mettono a disposizione le risorse, ma devono piuttosto interagire ed essere compatibili con esse. Relazioni di fiducia: Gli utenti utilizzano contemporaneamente risorse diverse senza la necessità che le procedure che gestiscono la sicurezza nei vari siti comunichino tra di loro. Resource: è il terzo layer del modello a clessidra dell'architettura Grid; si basa sui protocolli di comunicazione ed autenticazione forniti dal layer Connectivity. Questo layer si basa sui protocolli di comunicazione ed autenticazione forniti dal layer precedente per definire protocolli, API e SDK che agiscano su una singola risorsa. Si possono definire due classi di protocolli: Pagina 12 di 101

17 Information protocols: Sono utilizzati per ottenere informazioni sullo stato di una risorsa, la sua configurazione e le sue politiche di accesso ed uso. Management protocols:. Sono utilizzati per negoziare l'accesso alle risorse attraverso la specificazione delle richieste dell'utente. Collective: è il quarto layer del modello a clessidra dell'architettura Grid e come specificato precedentemente, riguarda il coordinamento di collezioni di risorse; comprende quei componenti che, basati su quelli dei livelli precedenti, possono offrire una molteplice varietà di servizi, anche meno generali, ovvero rivolti a particolari VO. 2. Sistemi di Storage in ambito GRID 2.1 Problematiche ed esigenze di storage in ambito GRID In un Data Center l'architettura più semplice da configurare e da gestire viene espressa con una configurazione DAS, ovvero Direct Attached Storage [4]. I DAS sono dispositivi di immagazzinamento dati collegati direttamente a un server o a una workstation senza una rete a fare da tramite; alcune volte il termine DAS viene utilizzato principalmente per differenziare gli storage non collegati a una rete dagli Storage Area Network e dai Network Attacched Storage. Tra le architetture di storage il sistema DAS è stato uno dei primi sviluppati. Tradizionalmente sono delle estensioni alla capacità di immagazzinamento dati di un server che mantengono, nella maggior parte dei casi, alte prestazioni di trasferimento e accesso ai dati. I protocolli più utilizzati nella comunicazione con il server sono SCSI, SAS e Fibre Channel mentre l'interfacciamento avviene tramite un Host Bus Adapter. Pagina 13 di 101

18 Figura 2.1: Tipica struttura di una DAS Per garantire robustezza, affidabilità e velocità di accesso, i controller dei dischi implementano spesso delle struttura RAID (acronimo per Redundant Array of Indipendent Disks) i quali a seconda delle configurazioni possono garantire ridondanza (affidabilità) e velocità. Quando però il numero dei server cresce, riesce difficile gestire il numero dei dischi, soprattutto se i dischi possono avere caratteristiche diverse, controller diversi e File System diversi. La connessione diretta al server utilizzata nei DAS presenta alcuni limiti non trascurabili: l'accesso e la condivisione delle informazioni sono difficili da gestire; l'espansione comporta numerosi problemi; manca la flessibilità di configurazione; è presente il coinvolgimento dei server nelle operazioni di trasferimento dati verso lo storage. Le unità di memorizzazione e il formato dei dati sono vincolati alla piattaforma a cui è connessa l'unità. Le elevate performance messe a disposizione dai server e dai dispositivi di memorizzazione non sono quindi pienamente utilizzabili, risultando spesso inadeguate rispetto alla crescente domanda di prestazioni richieste dalle applicazioni e dagli utenti. Le reti tradizionali utilizzano server e protocolli di rete Pagina 14 di 101

19 per trasferire i dati da e verso i client. Questi trasferimenti occupano un'elevata larghezza di banda, cicli macchina della CPU e molta memoria. Risulta chiaro quindi che, ogni volta che si effettuano operazioni intensive di scrittura/lettura dei dati attraverso la rete le prestazioni generali di quest'ultima crollano. Per snellire le limitazioni dei DAS, si può ricorrere a soluzioni diverse come quelle SAN: Storage Area Network [5]. Esso si può generalizzare come disco di rete connesso ad alta velocità (generalmente almeno un Gigabit/sec); Più precisamente, il dizionario tecnico pubblicato dalla Storage Networking Industry Association (SNIA) definisce una rete SAN nei seguenti termini: «Una rete il cui scopo principale è il trasferimento di dati tra sistemi di computer ed elementi di storage e tra elementi di storage. Una rete SAN consiste in un infrastruttura di comunicazione, che fornisce connessioni fisiche e in un livello di gestione, che organizza connessioni, elementi di storage e sistemi di computer in modo da garantire un trasferimento di dati sicuro e robusto.» L'architettura SAN lavora in modo che tutti i dispositivi di memorizzazione siano disponibili a qualsiasi server della rete LAN o MAN di cui la SAN in questione fa parte; una SAN può essere anche condivisa fra più reti interconnesse, anche di natura diversa: in tal caso uno dei server locali fa da ponte fra i dati memorizzati e gli utenti finali. Il vantaggio di un'architettura di questo tipo è che tutta la potenza di calcolo dei server è utilizzata per le applicazioni, in quanto i dati non risiedono direttamente in alcuno di questi. Pagina 15 di 101

20 Figura 2.2: Tipica struttura di una SAN In una rete SAN le periferiche di storage sono connesse ai server attraverso una topologia costituita essenzialmente da canali di comunicazione, (molto spesso in fibra ottica) da switch, router e bridge che in teoria consentono la coesistenza di sistemi e dispositivi di storage di natura eterogenea, sebbene nella pratica gli aspetti di interoperabilità costringano ancora a creare reti SAN omogenee. Questo permette di evitare un sovraccarico della rete dato che tutto il traffico è gestito da questi dispositivi. Normalmente una SAN utilizza dischi collegati con una struttura di tipo RAID per migliorare le prestazioni e aumentare l'affidabilità del sistema. I centri di calcolo devono poter accedere ai dati in modo rapido e sicuro e quindi la filosofia dell'architettura SAN è quella di poter integrare tutte le caratteristiche dei tradizionali sistemi di memorizzazione, ovvero: Alte prestazioni Alta disponibilità Scalabilità Facilità di gestione Pagina 16 di 101

21 Tutto ciò, con le caratteristiche di connettività e accesso distribuito del network computing, fornisce un architettura di rete dedicata alla gestione e archiviazione dei dati, in grado di non sovraccaricare i server nelle operazioni di scrittura e lettura dei dati, da e verso lo storage. 2.2 Gli scopi funzionali dei sistemi di storage GRID Nell'ambito del Grid Computing troviamo che i numerosi sistemi di storage, siano essi distribuiti in ambito geografico o all'interno di una rete locale, vengono gestiti centralmente da un apposito software (middleware) che provvede a ridistribuirne ondemand le risorse. I componenti chiave di una Grid Storage comprendono un file system distribuito e tecnologie di virtualizzazione (per esempio sistemi RAID scalabili) che consentono di adattare l'approccio Grid all'ambiente storage. Gli elementi base di una struttura Grid Storage sono rappresentati dai cosiddetti storage brick (mattoncino di storage) costituiti da apparecchiature di storage che prevedono non solo capacità di archiviazione dei dati, ma anche capacità di calcolo e di comunicazione. Le capacità di calcolo dello storage brick gli consentono di ospitare l'apposito software di gestione e di connettersi all'ambiente Grid insieme a tutte le altre risorse che ne entreranno a fare parte. L'inserimento di un nuova apparecchiatura all'interno della Griglia Computazionale consisterà, quindi, semplicemente nell'aggiunta dell'apparato al pool di risorse storage, mentre le funzioni di amministrazione, autenticazione e assegnazione dei diritti saranno automaticamente gestiti dal software di controllo della Grid Storage che comunicherà con il software ospitato dalla nuova risorsa. L'aggiunta di nuovi storage brick, grazie alle caratteristiche di questi ultimi, consentirà quindi non solo di aumentare le capacità di spazio dati dell'intera griglia, ma anche le sue capacità di calcolo e comunicazione (connessione). E' come dire che l'intera struttura Grid eredita di volta in volta le caratteristiche peculiari di ogni nuovo elemento che ne entra a fare parte, una caratteristica sicuramente da non sottovalutare, considerate le esigenze di scalabilità e adattabilità richieste dalle moderne necessità aziendali di archiviazione e Pagina 17 di 101

22 gestione dei dati. Le esigenze di Storage per Grid attualmente più richieste, riguardano sopratutto gli esperimenti scientifici del CERN di Ginevra (come quello di LHC - Large Hadron Collider [6]), per le attività di elaborazione dati e simulazioni. Gli esperimenti di LHC e in particolare di ATLAS (uno dei suoi rivelatori), producono più 10 Terabyte di dati al giorno, i quali vengono processati da un'infrastruttura estesa su 33 nazioni, dalle straordinarie capacità di calcolo: stiamo parlando di server dedicati all'analisi e allo storage dei dati, ed il Data Center S.Co.P.E è tra i centri che stanno svolgendo un ruolo fondamentale. La struttura della Griglia Computazionale è divisa su diversi Tier [7] che rappresentano anche i diversi livelli attraverso i quali passeranno i dati e a seconda dei quali verranno elaborati. Una volta eseguito l'esperimento i dati arrivano direttamente nel Tier-0 del Cern, qui vengono elaborati e ridistribuiti agli altri centri Tier1 della infrastruttura, 11 in totale. I centri Tier-1 sono gli elaboratori dei dati grezzi, tutti collegati con link a 10Gbps al Cern e interconnessi tra loro in una speciale rete. Completata l'elaborazione dai centri Tier-1, i dati vengono trasferiti ai centri Tier-2, come quelli del Data Center S.Co.P.E all'interno delle quali gli scienziati hanno la possibilità di analizzare i dati, utilizzando se necessaria anche la potenza di calcolo della rete Tier-1 per ulteriori ricerche. Gli step della fase di elaborazione seguono la seguente successione: I. Il Tier-1 riceve dal Tier-0 una frazione dei dati (raw) o di dati già sottoposti ad una prima fase di ricostruzione, e deve archiviarli. II. I dati vengono elaborati in loco per produrre dati in formato utile all analisi. III. I dati da analizzare vengono inviati ai Tier-2 e agli altri Tier-1. IV. Da i Tier-2 viene effettuata la produzione Montecarlo (simulazione MC) ma archiviata nel Tier-1, che provvede anche a smistarli verso gli altri Tier. V. Il Tier-1 deve anche essere dotato di risorse con cui effettuare l analisi.. Pagina 18 di 101

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