Архитектура, протоколы, сервисы GRID

Некоторые Требования
Идентификация
Авторизация&правила
Поиск ресурсов
Описание ресурсов
Резервирование ресурсов
Распределённые алгоритмы
Доступ к удалённым данным
Высоко-скоростная пересылка данных
Гарантирование производительности
Обнаружение несанкционированного доступа
Распределение ресурсов
Счета и оплата
Обнаружение неполадок
Эволюция систем
Мониторинг
И т.д.
И т.д.
…

Многоуровневая Архитектура Grid (По Аналогии с Архитектутой Интернета)

Уровень связи:
Протоколы & Сервис
Коммуникация
Internet протоколы: IP, DNS, routing, etc.
Защищённость: Grid Security Infrastructure (GSI)
Единая идентификация, авторизация и защищённая передача сообщений
Однократный логин, делегирование, идентификация
Public key technology, SSL, X.509, GSS-API
Инфраструктура поддержки: централизованная выдача сертификатов, управление сертификатами и ключами, …

Уровень ресурсов:
Протоколы & Сервис
Grid Resource Allocation Management (GRAM)
Удалённые ресурсы : выделение, резервирование, мониторинг и управление компьютерными ресурсами
GridFTP протокол (FTP расширения)
Высокоскоростной доступ к данным и пересылка
Grid Resource Information Service (GRIS)
Доступ к информации
В проекте: доступ к каталогам, доступ к библиотеке програм, Catalog access, code repository access, и т.д.
Всё пострено на уровне: GSI & IP

Общий Уровень:
Протоколы & Сервис
Раcпределение ресурсов (e.g., Condor Matchmaker)
Поиск и выявление ресурсов
Каталог реплик
Сервис копирования
Сервис по одновременному резервированию и выделению
И т.д.

Пример:
Data Grid Aрхитектура
Приложение, специфичное для какой-то области
Выбор реплики, управление заданием, виртуальный каталог данных, …
Каталог реплик, управление репликами, выделение ресурсов, выдача сертификатов, каталоги метаданных
Доступ к данным, доступ к компьютерам, доступ к информации о сети,..
Коммуникации, поиск сервиса (DNS), идентификация, авторизация, делегация
Системы хранения данных, кластеры, сети, ...
Collective
(App)
App
Collective
(Generic)
Resource
Connect
Fabric

Основные протоколы
Глобус (The Globus Toolkit™) основан на четырёх основных протоколах
Уровень связи:
защищённость: Grid Security Infrastructure (GSI)
Уровень ресурсов:
Управление ресурсами: Grid Resource Allocation Management (GRAM)
Информационный сервис: Grid Resource Information Protocol (GRIP)
Пересылка данных: Grid File Transfer Protocol (GridFTP)
Также основные протоколы ‘общего’ уровня
Информационный сервис, управление репликами, и т.д.

Grid Security Infrastructure (GSI)
Глобус использует протоколы и APIs GSI для создания защищённости
GSI протоколы расширяют стандартные протоколы public key
Стандарты: X.509 & SSL/TLS
Расширения: X.509 Proxy Certificates & Delegation
GSI расширяет стандартное GSS-API

Управление ресурсами
The Grid Resource Allocation Management (GRAM) протокол и API позволяет запуск программ на удалённых компьютерах, управление этими программами – несмотря на локальные особенности и неоднородность
Resource Specification Language (RSL) используется для передачи информации/требований на удалённый ресурс
Многоуровневая архитектура позволяет конкретным приложениям специфицировать требования выделения ресурсов в терминах GRAM
Используется в Кондоре, PBS, MPICH-G2, …

Доступ к данным и их пересылка
GridFTP: расширенная версия популярного FTP протокола для доступа к данным на Grid
Надёжный, эффективный, гибкий, параллельный, одновременный, и т.д.:
Пересылка данных третьими лицами, пересылка неполных файлов
Параллельность, striping (e.g., на параллельных файловых системах PVFS)
Надёжная, возобновляемая пересылка данных
Соответствующее воплощение
Существующие клиенты и серверы: wuftpd, ncftp
Гибкие, расширяемые библиотеки в Глобусе (Globus Toolkit)

Site
Site
Запуск заданий в грид
UI
RB
CE
SE
WN
CE
SE
WN
UI – Интерфейс пользователя
RB – Брокер ресурсов
BDII – Информационная база данных по ресурсам
RLS – Сервер реплик файлов
CE – Компьютерный элемент
SE – Элемент хранения данных
WN – рабочая нода
FS – файловый сервер
MyProxy – сервер продление действия сертификата пользователя

Site
Запуск заданий в грид
UI
RB
CE
SE
WN
Site
CE
SE
WN
UI – Интерфейс пользователя
RB – Брокер ресурсов
BDII – Информационная база данных по ресурсам
RLS – Сервер реплик файлов
CE – Компьютерный элемент
SE – Элемент хранения данных
WN – рабочая нода
FS – файловый сервер

Site
Запуск заданий в грид
UI
RB
CE
SE
WN
Site
CE
SE
WN
UI – Интерфейс пользователя
RB – Брокер ресурсов
BDII – Информационная база данных по ресурсам
RLS – Сервер реплик файлов
CE – Компьютерный элемент
SE – Элемент хранения данных
WN – рабочая нода
FS – файловый сервер

Site
Запуск заданий в грид
UI
RB
CE
SE
WN
Site
CE
SE
WN
UI – Интерфейс пользователя
RB – Брокер ресурсов
BDII – Информационная база данных по ресурсам
RLS – Сервер реплик файлов
CE – Компьютерный элемент
SE – Элемент хранения данных
WN – рабочая нода
FS – файловый сервер

Site
Запуск заданий в грид
UI
RB
CE
SE
WN
Site
CE
SE
WN
UI – Интерфейс пользователя
RB – Брокер ресурсов
BDII – Информационная база данных по ресурсам
RLS – Сервер реплик файлов
CE – Компьютерный элемент
SE – Элемент хранения данных
WN – рабочая нода
FS – файловый сервер

Site
UI
RB
CE
SE
WN
Site
CE
SE
WN
UI – Интерфейс пользователя
RB – Брокер ресурсов
BDII – Информационная база данных по ресурсам
RLS – Сервер реплик файлов
CE – Компьютерный элемент
SE – Элемент хранения данных
WN – рабочая нода
FS – файловый сервер
Запуск заданий в грид

DataGrid Architecture
Collective Services
Information & Monitoring
Replica Manager
Grid Scheduler
Local Application
Local Database
Underlying Grid Services
Computing Element Services
Authorization Authentication & Accounting
Replica Catalog
Storage Element Services
Database Services
Fabric services
Configuration
Management
Node
Installation &
Management
Monitoring
and Fault Tolerance
Resource Management
Fabric Storage
Management
Grid
Fabric
Local Computing
Grid
Grid Application Layer
Data Management
Job Management
Metadata Management
Object to File Mapping
Logging & Book-keeping

LHC Computing Grid Project (LCG)
Основной задачей проекта LCG является создание глобальной инфраструктуры региональных центров для обработки, хранения и анализа данных физических экспериментов LHC.
Новейшие технологии GRID являются основой построения этой инфраструктуры.
Проект LCG осуществляется в две фазы.
1 фаза (2001-2005 гг.) - создание прототипа и разработка проекта системы (LCG TDR).
2 фаза (2005-2007 гг.) - создание инфраструктуры LCG, готовой к обработке, хранению и анализу данных на момент начала работы ускорителя в 2007 году.

Пакет GLOBUS Toolkit.
Пакет VDT (Virtual Data Toolkit), разработанный в американских GRID проектах: PPDG, GriPhyN и iVDGL.
Этот пакет представляет собой набор надстроек над библиотекой инструментальных средств GLOBUS, позволяющих реализовывать распределенную вычислительную систему, но без GRID сервисов.
Он включает в себя пакет Condor/Condor-G, который используется в качестве распределенной системы запуска заданий в пакетном режиме.
Набор компонент, разработанных в проекте
EU DATAGRID : ресурс-брокер (обеспечивающий сервис по распределению заданий), информационная служба, replica catalog.
Состав программного обеспечения
(GRID middleware) для проекта LCG

LHC Computing Grid Project
http://lcg.web.cern.ch/LCG/

Участие российских институтов в проектах LCG/EGEE

LCG Grid Operations Centre
LCG infrastructure (node types)
RB Resource Broker node
MON Node that runs GOUT
LCFG LCFGng server
MDS Regional GIIS node
BDII Information Index replacement
RLS Relplica location service node (RMC + LRC)
CE Computing Element, gateway to computing resource
SE Storage Element
WN Worker node, Farm node that provides the computing cycles for the CE
PROX Proxy renewal service node
IC Information Catalogue, used by RGMA
NM Network monitoring node
VOMS Virtual organization management service server
VO Virtual organization server
UI User interface node

Модель служб
Система включает в себя несколько постоянных служб и потенциально много временных служб
Все службы обеспечивают определенные интерфейсы Грид-служб
надежность, управление временем исполнения, доступностью, авторизацией, оповещением, обновлением, управляемостью
Интерфейсы для управления требованиями Грид-служб
исполнение, регистрация, открытие, время выполнения ...
Надежное и безопасное управление распределенными ресурсами

Базовые службы Грид
поиска сервисов Discovery Services
регистрации сервисов Registry Services
управления именами Name Space Management Services
аутентификации Authentication Services
авторизации Authorization Servcies
ресурсов Resource Services
резервирования Reservation Services
брокера запросов Brokering Services
планирования заданий Scheduling services
балансировки загрузки Load Balancing services
отказоустойчивости Fault Tolerance Services
событий и оповещений Event and Notification Services
протоколирования Loggin Services
мониторинга Instrumental and Monitoring
биллинга Accounting Services
кеширования и репликаций Data Caches and Data Replication
Services
поиска метаданных Metadata Search Services
транзакций Transaction Services
администрирования Administration Services

Open GRID Service Architecture - OGSA
Общепринятая точка зрения: следующее поколение глобально-распределенных систем будет основано на Грид-сервисах с открытой архитектурой (OGSA)
OGSA:
основной объект - Грид-служба ( ≠ Web-service)
обширный набор служб, которые VO могут комбинировать различными способами для создания Грид-систем с заданными свойствами;
определяет стандарты методов создания, наименования, поиска экземпляров служб и т.п.;
предполагает платформо-независимую интеграцию распределение ресурсов на основе технологий Java и XML, а также протокола SOAP.
WS – GT3 – WSRF – GT4 - ...

Открытая архитектура GRID-служб (OGSA)
Эволюция технологии Grid привела к возникновению Open Grid Services Architecture, которая определяет стандартные механизмы для создания, именования и обнаружения экземпляров Grid-служб.
OGSA поддерживает создание и применение служб для виртуальных организаций (VO), предлагая общее представление вычислительных ресурсов, сетей, баз данных, программ, трактуя их как службы, предлагающие свои возможности посредством обмена сообщениями.
OGSA представляет эволюцию технологий Grid и Web-служб.
Поддерживая временные, сохраняющие состояния экземпляры служб, OGSA значительно расширяет возможности Web-служб, при минимальной доработке имеющихся технологий. OGSA обеспечивает реализацию концепций Grid, позволяя при этом использовать инструментарий Web-служб.
Службы и абстракции OGSA предлагают строительные блоки, которые применяются для реализации Grid-служб более высокого уровня.

OGSA (Open Grid Services Architecture)

Components for Globus Toolkit 4

gLite http://www.glite.org

gLite Services for Release 1
Software stack and origin (simplified)
Computing Element
Gatekeeper (Globus)
Condor-C (Condor)
CE Monitor (EGEE)
Local batch system (PBS, LSF, Condor)
Workload Management
WMS (EDG)
Logging and bookkeeping (EDG)
Condor-C (Condor)
Storage Element
File Transfer/Placement (EGEE)
glite-I/O (AliEn)
GridFTP (Globus)
SRM: Castor (CERN), dCache (FNAL, DESY), other SRMs
Catalog
File and Replica Catalog (EGEE)
Metadata Catalog (EGEE)
Information and Monitoring
R-GMA (EDG)
Security
VOMS (DataTAG, EDG)
GSI (Globus)
Authentication for C and Java based (web) services (EDG)

Main Differences to LCG-2
Workload Management System works in push and pull mode
Computing Element moving towards a VO based scheduler guarding the jobs of the VO (reduces load on GRAM)
Distributed and re-factored file & replica catalogs
Secure catalogs (based on user DN; VOMS certificates being integrated)
Scheduled data transfers
SRM based storage
Information Services:
R-GMA with improved API and
registry replication
Prototypes of additional services
Grid Access Service (GAS)
Package manager
DGAS based accounting system
Job provenance service
Move towards Web Services

Standards
Web Services Fast moving area
Follow WSRF and related standards but are not early adopters
WS-I compatibility is a target
Challenging to write WSDL which is WS-I compatible AND can be processed by all the tools
Industry strength tooling not always available
Trying to keep back from the bleeding edge
Work on standards bodies
Active contributions to
GGF OGSA-WG
GMA in OGSA
Data Design team
GGF INFOD-WG
OASIS WS-N
GGF GSM-WG (SRM)
Co-chairing WG
Replica Registration Service
And following many, many others
Adopting mature standards is a goal

Основные подсистемы gLite
Вычислительный элемент (Computing Element – CE) – это служба, представляющая ресурсный узел грид и выполняющая на нем функции управления заданиями (запуск, удаление и т.д.). Обращения к CE могут исходить либо от интерфейса пользователя, либо от Менеджера загрузки (Workload Manager –WM), который распределяет задания по множеству CE.
В gLite функциональность CE расширена по сравнению с аналогичной службой LCG-2. Если в LCG-2 CE может работать только в соответствие с Push моделью (WM самостоятельно принимает решение о посылке задания на CE), то в gLite возможен режим работы CE также и в Pull модели, когда CE запрашивает задание у WM.
Помимо функций управления заданиями CE также вырабатывает информацию о состоянии ресурсов. В Push модели ее публикует информационная служба, и она используется WM для выбора CE, на котором будет запускаться задание. В Pull модели информация встраивается в посылаемое WM сообщение "CE доступен".

Подсистема управления данными (Data Management Subsystem - DM) включает три службы, поддерживающие доступ к файлам: элемент памяти (Storage Element – SE), службы каталога (Catalog Services – CS) и диспетчер данных (Data Scheduling –DS). Все службы работают с данными на файловом уровне, в противоположность, например, системам баз данных, которые оперируют такими элементами как записи и поля.
В распределенной среде грид пользовательские файлы могут храниться во множестве экземпляров – реплик, размещенных в разных местах, и задача CS и DS состоит в том, чтобы сделать процесс управления репликами прозрачным для пользователя, так чтобы приложения получали доступ к файлам по их именам или дескрипторам метаданных.
Доступ к данным файлов реально происходит через SE, но DM поддерживает также концепцию виртуальных наборов данных. Это открывает новые интересные возможности, основанные на абстракции глобальной файловой системы: при навигации по файлам клиентское приложение может быть устроено как командная оболочка Unix, используя команды смены директорий, просмотра файлов и т.п. Защита файлов обеспечивается в DM списками контроля доступа ACL (Access Control Lists).
Основные подсистемы gLite

Подсистема учета (Accounting Subsystem - DGAS) аккумулирует информацию об использовании ресурсов грид отдельными пользователями, группами пользователей и виртуальными организациями. Собранная информация позволяет построить общую картину деятельности в грид, на основе которой может формироваться политика распределения ресурсов и взиматься плата за их использование.
Подсистема протоколирования (Logging and Bookkeeping - LB) отслеживает выполняющиеся в разных точных грид шаги обработки задания, фиксируя происходящие с ним события (запуск, распределение на подходящий CE, начало выполнения и т.д.) и запоминая их. Информация о событиях (протокол) поставляется компонентами WM и CE, для чего в эти компоненты встраиваются обращения к LB.
Протоколы собираются в два приема. Вначале события передаются в локальную службу (Locallogger) и записываются в файл на диске. Locallogger отвечает за передачу протокола одному из серверов хранения (Bookkeeper), который "укрупняет" события, давая общую картину изменения состояний задания (Submitted, Running, Done…). Помимо того, Bookkeeper сохраняет различные атрибуты задания: его описание (JDL); CE, на котором оно выполнялось; коды завершения и т.д. Как протокол состояний, так и протокол событий можно получить либо с помощью специального интерфейса WM, либо через уведомления при определенных изменениях состояния, например, при окончании задания.
Основные подсистемы gLite

Подсистема информационного обслуживания и мониторинга грид (Relational Grid Monitoring Architecture - R-GMA) решает задачу сбора и управления данными о состоянии грид, получая информацию от множества распределенных источников – поставщиков. В ее основе лежит разработанная одной из групп Global Grid Forum (GGF-PERF) схема "Потребитель-Поставщик", описывающая способ взаимодействия этих компонентов. Поскольку схема достаточно общая, она применима как для хранения данных о грид (какие ресурсы и службы доступны, каковы их характеристики), так и для мониторинга приложений.
R-GMA представляет собой реляционную реализацию этого общего подхода. При наличии множества распределенных поставщиков с точки зрения информационных запросов R-GMA действует как одна большая реляционная база данных.
Основные подсистемы gLite