Cos'é una (Computing) GRID?

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1 Incontro Borsisti Progetto Lauree Scientifiche Perugia, 26 agosto 1 settembre 2007 Cos'é una (Computing) GRID? Istituto Nazionale Fisica Nucleare Sezione di Perugia Università Studi di Perugia

2 Perché il Computing? Esempi di uso quotidiano di computing : Web condivisione di documenti e dati via rete accesso a risorse di calcolo uso di database uso di programmi cooperativi via rete creazione di documenti etc. etc 2

3 Che cos'é una GRID? Esempio di GRID: la GRID Elettrica: Ovunque ci si interfacci ad essa (spina) si ottiene l'erogazione di un servizio di qualità prestabilita (potenza elettrica a 220 Volt). Elementi chiave: 1) affidabilità del servizio (24/24 ore 7/7 giorni) 2) semplicità ed omogeneità di accesso : 1 spina (interfaccia) = 2 poli (+ 1 messa a terra) Tuttavia anche in un caso così semplice l'implementazione delle interfacce è molto diversa ( > 14 tipi)... 3

4 Cos'é una Computing GRID? Definita da Ian Foster e Carl Kesselman nel 1998 nel libro The GRID: A blueprint for a new computing infrastructure the Grid is a service for sharing computer power and data storage capacity over the Internet. Ossia: é un sistema pensato per permettere ad una comunità di utenti di usare risorse di calcolo distribuite in Internet come se fossero di fronte ad un unico sistema di calcolo. 4

5 Che cos'é una Computing GRID? Una GRID completa dovrebbe soddisfare i seguenti criteri: 1) nessun controllo amministrativo centrale delle risorse di calcolo coinvolte nella GRID; 2) Uso di protocolli general-purpose, ossia la GRID serve per una pluralità di usi; ( home non è considerato una GRID) 3) Alta qualità di servizio assicurata dai vari partecipanti alla GRID (niente peer-to-peer); 4) Utenti organizzati in gruppi di lavoro chiamati Virtual Organization; 5

6 Struttura della Computing GRID Utente Dal punto di vista dell'utente, per accedere alle risorse di calcolo si usa il seguente schema funzionale praticamente da sempre... Sistema di calcolo (PC) INTERFACCIA (tastiera,schermo) 6

7 Struttura della Computing GRID Nel caso di una computing GRID lo schema è praticamente lo stesso con la differenza che si inserisce uno strato intermedio (middleware) che è l'essenza stessa della GRID: Risorse Hardware e Software Utente GRID (middleware) User Interface 7

8 Architettura di una Computing GRID Dal punto di vista software una Computing GRID è organizzata a strati: Gli strati intermedi sono chiamati il middleware della GRID e sono la sua parte caratterizzante 8

9 Perché serve una Computing GRID? Nel corso dei decenni la potenza dei sistemi di calcolo è sempre aumentata, ma le richieste per le applicazioni sono aumentate ad una velocità superiore. Il motivo è che più i sistemi diventano potenti e più diventano accessibili alla risoluzione problemi altrimenti non affrontabili. Esempio: Trasformazione di un file video in un altro formato; Oggi qualunque PC riesce a trasformare un film (circa 2 ore di durata) da DVD a Divx in una manciata di minuti. Solo 6-7 anni fa ci sarebbero voluti giorni o settimane, rendendo tale applicazione virtualmente impensabile. 9

10 Perché serve una Computing GRID? In ambito scientifico si sono sempre cercate soluzioni alla frontiera della tecnologia per poter affrontare problemi sempre più complessi. Spesso i ricercatori stessi hanno sviluppato soluzioni innovative perchè quelle disponibili commercialmente non erano sufficienti. Esempio: 1) Sviluppo di processori speciali dedicati alla soluzione di particolari problemi scientifici (hardware); 2) Sviluppo di programmi e/o sistemi operativi e/o compilatori ottimizzati al caso specifico (software). 10

11 Perché serve una Computing GRID? Se il problema che si vuole affrontare richiede troppe risorse di calcolo (cioè usando solo un processore si impiegherebbero anni...) Se non si possono aumentare le prestazioni del singolo processore, per velocizzare la risoluzione del problema si può parallelizzarlo Cioè: si suddivide il problema in pezzetti per poterlo assegnare a diversi processori che funzionano in parallelo (cluster). Due possibilità per la parallelizzazione: 1) i processori sono indipendenti l'uno dall'altro durante l'esecuzione; 2) i processori devo comunicarsi informazioni durante l'esecuzione. 11

12 Un po' di storia... Anni 80: compaiono i primi cluster di processori; comunicano con software proprietari (DIGITAL, IBM, etc.) Anni 90: con l'avvento del protocollo TCP/IP per collegare i computer, e con l'aumentare del rapporto prezzo/prestazioni dei PC, arrivano le prime PC Farm o cluster di PC connessi presenti nello stesso edificio. Il sistema operativo non è più proprietario (Unix, Linux) diventa importante il software di gestione delle risorse (Batch system) Anni 2000: cominciano ad emergere le prime architetture di GRID che collegano cluster di PC situati in sedi distanti geograficamente anche grazie all'aumento della velocità di trasmissione delle reti (10 Gbit/sec attualmente). Anni 2010:????? 12

13 Sembra semplice ma... Il problema fondamentale quando si cerca di costruire un insieme di risorse è il fatto che: - sono acquistate da attori diversi sono acquisite in tempi diversi hanno sistemi operativi diversi hanno compilatori diversi hanno politiche di uso diverse... E cosi' via... Quindi occorre omogeneizzare almeno alcune cose 13

14 Genesi di una Computing GRID Alla fine degli anni 90 la comunità dei Fisici delle Particelle Elementari (High Energy Physiscs = HEP) cominciò a porsi il problema di come analizzare la enorme mole di dati che sarebbe stata raccolta all'entrata in funzione del collisionatore protone-protone LHC, dai 4 esperimenti che lo avrebbero utilizzato. I dati del problema: esempio: per l'esperimento CMS (Compact Muon Solenoid) 120 istituzioni di ricerca 3500 fisici 1 milione di Gigabyte di dati in un anno 14

15 Genesi di una Computing GRID Nel 2000 si raggiunse il consenso sul fatto che occorreva l'uso di una Computing GRID per risolvere il problema. Per sviluppare questa GRID occorrevano risorse e competenze straordinarie rispetto a quelle disponibili tradizionalmente nell'ambito dei gruppi di ricerca della Fisica Particellare. Si è cercata allora una collaborazione più ampia anche con altri settori disciplinari aventi problematiche simili per poter sottomettere un progetto comune di ricerca alla Unione Europea coinvolgente anche aziende: DATAGRID. I settori di ricerca coinvolti sono stati: Metereologia, Astronomia, Biologia Molecolare, Chimica,... 15

16 Genesi di una Computing GRID In seguito ci sono stati altri progetti, anche delle comunità di ricerca degli USA o di altre nazioni non UE, tesi a sviluppare e raccordare tra di loro diverse Computing GRID. Attualmente questi sforzi hanno portato ad avere la seguente situazione: Esistenza di una Computing GRID di produzione comune, usata dalle varie comunità scientifiche (Virtual Organization): Worlwide LHC Computing GRID (WLCG) in Europa + Open Science GRID (OSG) negli USA Sviluppo delle caratteristiche della GRID a cura di vari progetti sia finanziati dalla UE (EGEE, EGEE-2, EGEE-3) che dai vari Enti di ricerca (INFNGRID, OSG). 16

17 Architettura di WLCG User Interface Dal punto di vista infrastrutturale abbiamo il seguente schema: Sistema di Monitoraggio Resource Broker Sito GRID Sito GRID Sistema Informativo Sito GRID GRID 17

18 Architettura di WLCG Un singolo sito GRID è organizzato nel seguente modo: Resource Broker Sistema Informativo Locale Sistema di Monitoraggio SITO GRID Storage Element File System Computing Element Worker Worker Worker Node Node Node File System 18

19 Funzionalità di WLCG Quali funzionalità deve fornire WLCG? Un meccanismo di autenticazione per autorizzare l'accesso (authentication). Un meccanismo di sottomissione di richieste di uso di risorse di calcolo (job submission). Un meccanismo di controllo dello stato delle richieste di uso (job monitoring). La capacità di riavere indietro i risultati della elaborazione richiesta (job retrieval). Un sistema per tenere conto della quantità di risorse utilizzate dal singolo utente e dalla sua VO (accounting). 19

20 Autenticazione e Sicurezza Il meccanismo deve soddisfare ai seguenti requisiti: - Comunicazione sicura e confidenziale tra elementi della GRID; - Necessità di gestione multidominio che implica l assenza di un sistema gestito centralmente. - Necessità di supportare una unica firma per richieste multiple di uso delle risorse, definendo quindi il meccanismo di delega delle credenziali. 20

21 Autenticazione e Sicurezza Il meccanismo di autenticazione e di sicurezza di LCG GRID si chiama GRID Security Infrastructure (GSI) e si basa su: - chiavi criptate pubbliche - certificati X protocollo Secure Socket Layer (SSL) che consente di scambiare le chiavi e autenticare le due parti di una comunicazione. 21

22 Autenticazione e Sicurezza Problema: come assicurarsi che il certificato ottenuto non venga usato in maniera non consentita? Il certificato utente, che ha una parte privata protetta da una password, è usato per generare e firmare un certificato temporaneo chiamato proxy che non contiene la password dell utente e che ha una scadenza (24 ore di default). 22

23 Autenticazione e Sicurezza Un proxy è firmato dallo user invece che dalla CA. Si crea quindi una catena di autenticazioni che permette una minore necessità di sicurezza sulle password dei proxy, perché comunque hanno durata limitata. 23

24 Autenticazione e Sicurezza Un nuovo elemento della GRID é il VOMS (Virtual Organization Manager Server) che gestisce i certificati di una VO permettendo anche di aggiungere informazioni al singolo certificato creando uno pseudo-certificato che viene poi letto dall elemento della GRID. Le informazioni aggiuntive sono quelle relative al ruolo ricoperto dall utente nella VO per allocare le risorse di conseguenza. 24

25 WLCG: Fasi della job submission (1) Job Status Resource Broker User Interface Network Server Workload Manager (1) Login sulla UI e creazione del certificato proxy. RB Stor age Job Control Computing Element Match Maker / Broker Informatio n Service Storage Element 25

26 WLCG: Fasi della job submission (2) Job Status Resource Broker User Interface Network Server (2) Il job viene sottomesso dalla UI al RB assieme alla Input SandBox Submitted Workload Manager RB Stor age Job Control Match Maker / Broker Informatio n Service Status = Submitted Computing Element Storage Element 26

27 WLCG: Fasi della job submission (3) Job Status Resource Broker User Interface Waiting Network Server (3) Il WM interroga l'information Service per fare il match-making Submitted Workload Manager RB Stor age Match Maker / Broker Job Control Informatio n Service Status = Waiting Computing Element Storage Element 27

28 WLCG: Fasi della job submission (4) Job Status Resource Broker User Interface Waiting Network Server (4) Il WM prepara il job per la sottomissione e lo passa al Job Control. Submitted Workload Manager RB Stor age Ready Match Maker / Broker Job Control Informatio n Service Status = Ready Computing Element Storage Element 28

29 WLCG: Fasi della job submission (5) Job Status Resource Broker User Interface Submitted Waiting Network Server (5) Workload Manager Il Job Control RB passa il job al Stor CE prescelto e age anche la Input SandBox è inviata. Ready Match Maker / Broker Scheduled Job Control Informatio n Service Status = Scheduled Computing Element Storage Element 29

30 WLCG: Fasi della job submission (6) Job Status Resource Broker User Interface Status = Running Waiting Network Server (6) Il CE passa il job al Worker Node prescelto per l'esecuzione e sullo Storage Element viene scritta la Input SandBox. Submitted Workload Manager Ready Match Maker / Broker Scheduled Running RB Stor age Job Control Worker Node Computing Element Informatio n Service Storage Element 30

31 WLCG: Fasi della job submission (7) Job Status Resource Broker User Interface Status = Running Waiting Network Server (7) Durante l'esecuzione possono essere acceduti file remoti o creati nuovi file sullo Storage Element. Submitted Workload Manager Ready Match Maker / Broker Scheduled Running RB Stor age Job Control Worker Node Computing Element Informatio n Service Storage Element 31

32 WLCG: Fasi della job submission (8) Job Status Resource Broker User Interface Workload Manager Ready Match Maker / Broker Scheduled Running RB Stor age Informatio n Service Job Control Status = Done Done Worker Node Computing Element Waiting Network Server (8) Il job termina e l'output (Output SandBox) viene inviato al RB. Submitted Storage Element 32

33 WLCG: Fasi della job submission (9) Job Status Resource Broker User Interface Workload Manager Ready Match Maker / Broker Scheduled Running RB Stor age Informatio n Service Job Control Status = Cleared Done Cleared Worker Node Computing Element Waiting Network Server (9) L'utente può rtirare l'output SandBox dal RB. Submitted Storage Element 33

34 WLCG: Fasi della job submission In ogni momento l utente può, dalla User Interface, inviare richieste al servizio di logging e bookkeping per avere informazioni sullo stato del job e ai vari BDII per avere informazioni sullo stato delle risorse. Se il sito dove è stato destinato il job risulta impossibilitato ad accettarlo, il job viene automaticamente risottomesso ad un altro Computing Element che soddisfi le stesse richieste. Dopo un numero massimo di risottomissioni viene etichettato come aborted. 34

35 WLCG GRID: Organizzazione Ci sono diverse sovrastrutture organizzative che si mappano sulla WLCG GRID: 1) Strutture di gestione (CIC, ROC, Site Manager); 2) Strutture di sviluppo (EGEE, OSG, LCG); 3) Strutture di utenti (Virtual Organizations); 4) Strutture funzionali degli esperimenti a LHC (Tier0, Tier1, Tier2, Tier3); 35

36 WLCG GRID: Organizzazione Le strutture di gestione hanno il compito di gestire giorno per giorno la GRID e di controllarne il funzionamento risolvendo i vari problemi. Sono organizzate in maniera mista, cioè sia gerarchica che a rete. - Site manager - Regional Operation Centre - Core Infrastructure Centre 36

37 WLCG GRID: Organizzazione Site Manager: Sono i responsabili locali di un sito GRID. Spettano a loro: - le manutenzioni hardware; - l installazione e la rimozione di nodi; - la risoluzione dei problemi di rete; - la cooperazione con i CIC-on-duty per la risoluzione dei problemi legati al loro sito; - la definizione delle politiche di accesso alle risorse locali assieme agli utenti locali; Regola fondamentale della GRID: le risorse sono controllate da chi le ha pagate. 37

38 WLCG GRID: Organizzazione Costruire una Computing GRID significa - sviluppare i tool necessari per costruire il middleware, e altrettanto importante: - costruire l infrastruttura organizzativa (persone!!) di supporto sia per il servizio che per il monitoring. e non bisogna dimenticare gli aspetti legali!!! (nei vari paesi ci sono legislazioni diverse, es. leggi su privacy e antiterrorismo) 38

39 Monitoring di WLCG 39

40 Monitoring di WLCG 40

41 Stato attuale di WLCG Numero di Nazioni = 53 Numero di Siti GRID = 311 Numero di Resource Brokers = 87 Numero di Computing Elements (CE) = 390 Numero di CPU stimate ~ Valore stimato dell'hardware installato = decine di M 41

42 Stato attuale di WLCG Bassa attività: > 1 giorno CPU per settimana Media attività: > 1 mese CPU per settimana Alta attività: > 1 anno CPU per settimana Ci sono 40 Virtual Organizations attualmente supportate. 42

43 A cosa servirà la GRID tra 5 anni? Permettere agli esperimenti di LHC di analizzare i dati. Permettere alle altre aree scientifiche di disporre di capacità di calcolo altrimenti non facilmente accessibili. Costituire un laboratorio per comprendere i problemi connessi alla gestione e allo sviluppo di una Computing GRID veramente multinazionale, multiorganizzazione, multiuso, di scala difficilmente eguagliabile a breve termine. Diffondere le competenze e l'abitudine all'uso di strumenti di Computing GRID anche in ambito extra-accademico. 43

44 A cosa servirà la GRID tra 10 anni? Difficile ad immaginarsi... Pensate alla nascita del WEB... O alla diffusione e uso dei cellulari... 44

45 A cosa servirà la GRID tra 10 anni? Difficile ad immaginarsi... Pensate alla nascita del WEB... O alla diffusione e uso dei cellulari... Pensate infine a quello che disse Faraday ad un ministro che gli chiedeva a cosa servissero le correnti elettriche: Non so a cosa serviranno, ma voi di sicuro ne tasserete l'uso... 45

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