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(1)

2A

SI

6

 

– Ouverture

SI

 

de

 

grande taille :

Grids,

 

Clouds

 

et

 

Réseaux de

 

Capteurs

Stéphane Vialle

Stephane.Vialle@supelec.fr http://www.metz.supelec.fr/~vialle

SI de grande taille Stephane Vialle

Ex.

 

de

 

SI

 

de

 

grande taille :

Grids,

 

Clouds

 

et

 

Réseaux de

 

Capteurs

1. Premise of Grid computing 2. Grid computing emergence 3. Inside the Grid (Key issues and examples) 4. Classification of Grids 5. Example of structured Grid 6. Cloud computing emergence 7. New Cloud computing approach 8. Sensor networks

SI de grande taille Stephane Vialle

Premise of Grid Computing… 

CASA

 

project

(1990

1995)

Two research issues:

• Impact of high speed WAN on  HPC applications?

• What algorithms and  implementations to achieve speedupacross a high speed  WAN?

Objective: distribution of large computations on several  supercomputers across  a (high speed) Gigabit WAN

SI de grande taille Stephane Vialle

Premise of Grid Computing… 

CASA

 

project

 

(1990

1995)

t

Cray YMP Intel DELTA

Network

Calcul 1 Calcul 2

Vector computation Parallel scalar computation

Hiding network time:

•3 stage pipeline

•Overlaped computations 

and communications

Chemical computation:

Results:

•Cray Y‐MP + Intel DELTA vsCray Y‐MP: speedup 3.4

•Pipeline: overlapping at 98% 

SI de grande taille Stephane Vialle

Premise of Grid Computing… 

Synthetic

 

Force

 

project

 

(1990

1998)

Objective: Distributed Interactive Simulation of War.

Distributed Multi‐Agent system. 

Research issue: Size Up(× 100) n ×100000 entities n ×10000 vehicles Military training:  • Fine simulation of  military operations. • Many simultaneous  users • Interactive simulation

SI de grande taille Stephane Vialle

Premise of Grid Computing… 

Synthetic

 

Force

 

project

 

(1990

1998)

Multi‐Agent simulation:

Application with many different computational parts Interactive application with many simultaneous users Interconnection of standard and specific hardware March 1998: simulation of 100000entities

(2)

SI de grande taille Stephane Vialle

Premise of Grid Computing… 

Results

 

of

 

the

 

experiments

Need of a specific (and new) middleware

(grid middleware)

Main difficulties:complex to develop and to deploy Distributed computing across a WAN:  Possible: achieves speedup Allows to use specific (adapted) resources (not locally available) Interactive and distributed computing on heterogeneous resources:  Possible: achieves size up Allows more realistic simulations, with more users.

SI de grande taille Stephane Vialle

Ex.

 

de

 

SI

 

de

 

grande taille :

Grids,

 

Clouds

 

et

 

Réseaux de

 

Capteurs

1. Premise of Grid computing 2. Grid computing emergence 3. Inside the Grid (Key issues and examples) 4. Classification of Grids 5. Example of structured Grid 6. Cloud computing emergence 7. New Cloud computing approach 8. Sensor networks

SI de grande taille Stephane Vialle

Grid Computing Emergence

Ian

 

Foster’s

 

view

• An infrastructure to provide computing/storage/communication capabilities to users, when they need, where they need, and in a transparent way.

• To build « virtual organizations ». Ian Foster (Globus – 1stGrid middleware)

SI de grande taille Stephane Vialle

Grid Computing Emergence

Proof

 

of

 

concept

 

(1995‐2000)

• 125 sites, 23 countries 

• A testbed for the first Grid middleware

GUSTO: Globus Ubiquitous Supercomputing Testbed Organization

SI de grande taille Stephane Vialle

Grid Computing Emergence

Different

 

kinds

 

of

 

Grids

Grid of (reliable) supercomputers: 

•for size up

•to access the right supercomputer (with the right architecture) 

SI de grande taille Stephane Vialle

Grid Computing Emergence

Different

 

kinds

 

of

 

Grids

Grid of available (and volatile) desktop PCs everywhere on Internet: •Ex: Seti@Home, LHC@Home, …

•Highly dynamic Grids (resources appear and disappear …) •A generic middleware will be developed 

(3)

SI de grande taille Stephane Vialle

Grid Computing Emergence

Different

 

kinds

 

of

 

Grids

Grids of DATA: •To share huge data. 

•Repository can not be centralized… (too long access times)

•file migration vsreplication?

•distributed vscentralized directory?

•directory and repository coherence?

Management of 

CERN experiment 

results

Data storage + Computing rsrc

SI de grande taille Stephane Vialle

Grid Computing Emergence

Different

 

kinds

 

of

 

Grids

Collaborative Grid: distributed virtual and enhanced reality • Real time issues, requires QoS …

• Concert across Internet in 2003, with expensive devices

Collaborative work on virtual objects in 2009, medium cost devices

SI de grande taille Stephane Vialle

Ex.

 

de

 

SI

 

de

 

grande taille :

Grids,

 

Clouds

 

et

 

Réseaux de

 

Capteurs

1. Premise of Grid computing 2. Grid computing emergence 3. Inside the Grid (Key issues and examples) 4. Classification of Grids 5. Example of structured Grid 6. Cloud computing emergence 7. New Cloud computing approach 8. Sensor networks

SI de grande taille Stephane Vialle

Inside the Grid

Key

 

issues

 

of

 

a

 

Grid

 

middleware

 

(1)

• Local functionalities on the resources with  standard interfaces

Ex : authentication on the local resource • Global (collective) services

Ex : authentication all over the Grid

Adaptability is required to maintain 

functionalities when the Grid is changing

Heterogeneous rsrc and many potential failures

low level modules high level services Distributed resources Adaptive applications • Minimal set of available (and standard)   functionalities on each resource The « hourglass » model (of Globus‐1):

SI de grande taille Stephane Vialle

Inside the Grid 

Key

 

issues

 

of

 

a

 

Grid

 

middleware

 

(2)

Each site has its own authentication mechanisms… can be  long and complex to log on each site! ‐A user authenticate only once, using a high level  authentication service (with a std interface) ‐Then he is automatically authenticated on any resources  he is using, with the help of low level modules Low level modules High level services Distributed resources Adaptive  applications From high level services to low level modules

SI de grande taille Stephane Vialle

Inside the Grid 

Key

 

issues

 

of

 

a

 

Grid

 

middleware

 

(3)

Based on certificat exchange

GridFTP  (extension of  « ftp ») +  Grid directory LDAP based  (hierarchy of  LDAPs) Brooker and  scheduler  + DataBase of  resource 

availability « Withoutwould be security no Grid issues, middleware there   research ». G. Khan, 2004.

(4)

SI de grande taille Stephane Vialle

Inside the Grid 

Becoming

 

closer

 

of

 

Web

 

services

Network OGSA Enabled Storage OGSA Enabled Servers OGSA Enabled Messaging OGSA Enabled Directory OGSA Enabled File Systems OGSA Enabled Database OGSA Enabled Workflow OGSA Enabled Security OGSA Enabled Web Services OGSI – Open Grid Services Infrastructure

OGSA Architected Services Applications Network OGSA Enabled Storage OGSA Enabled Servers OGSA Enabled Messaging OGSA Enabled Directory OGSA Enabled File Systems OGSA Enabled Database OGSA Enabled Workflow OGSA Enabled Security OGSA Enabled Web Services OGSI – Open Grid Services Infrastructure

Web Services OGSA Architected Services

Applications

WSRF

Open Grid Service Architecture GLOBUS  III

GLOBUS  IV  using web services GLOBUS  IV  evolution

SI de grande taille Stephane Vialle

Inside the Grid 

Grid

 

middleware

 

for

 

independent

 

tasks

XtremWeb server Internet PC cluster (workers) Desktop PCs (clientsor workers) Client running: embarrassingly parallel applications, or sequential tasks Key issues: •to deal with security of desktop workers •support high volatility of desktop workers Many similar  industrial products and

SI de grande taille Stephane Vialle

Inside the Grid 

Grid middleware

 

for

 

independent

 

tasks

Rq : hostRegister Contact the last known XtremWeb server, or 

contact the “root” XtremWeb server Rq : workRequest Send its features to the XtremWeb server and wait for a task to process

Rq : workAlive Signal its activity to its XtremWeb server

Rq : workResult

Send its result to a specified server or to its XtremWeb 

server Becoming unused Waiting for a task Processing a task Task finished Register the new worker

Send back a task:

‐binary code,  ‐data,

‐server @ 

(to reply) Re‐schedule the task if no “I am alive” 

message received Communication protocol Worker ‐‐XtremWeb server:

•communication started by the worker 

•data sent back to the worker by the server 

User/Worker Task server

Compatible with 

statelessfirewalls

SI de grande taille Stephane Vialle

Inside the Grid 

Network

 

Enabled

 

Server

 

(NES):

 

an

 

API

and

 

some

 

Grid

 

middlewares for

 

RPC

//GridRPC grpc_call… Brooker (« agent »)  allocating 

resources Computing servers  (running « solvers ») User laptop User application API: GridRPC Specific Grid middleware (NetSolve, Ninf, Diet) Distributed  resources + + Allows to implement more complex parallel applications: •can call a parallel solver (run on one site) •can overlap solver runs and/or communications (async. RPC)

SI de grande taille Stephane Vialle

Inside the Grid 

Network

 

Enabled

 

Server

 

(NES):

 

an

 

API

and

 

some

 

Grid

 

middlewares for

 

RPC

Components of the  brooker(or « agent »)

On demand analyse,  allocation and  scheduling Continuous performance measurement Statistical DB  building Client Server Server Server Server Server Server Server Server Server Scheduler Monitor Monitor Monitor Data‐ base 1 2 3 4 5

Generic mechanism for 

resource allocation:

SI de grande taille Stephane Vialle

Inside the Grid 

API

 

and

 

Grid

 

middleware

 

for

 

Active

 

Objects

JAVA based

Support a large variety of parallel algorithms:

•Independent computations

•GRID RMI (object version of GRID RPC)

•Master‐Workers

(5)

SI de grande taille Stephane Vialle

Inside the Grid 

API

 

and

 

Grid

 

middleware

 

for

 

a

 

virtual

 

shared

 

memory

JavaSpace A virtual shared memory 

spaceis located on one  machine.

A space is R/W by any task 

from any machine.

Industrial products with distributed  spaces (scalable spaces) exist :

SI de grande taille Stephane Vialle

Ex.

 

de

 

SI

 

de

 

grande taille :

Grids,

 

Clouds

 

et

 

Réseaux de

 

Capteurs

1. Premise of Grid computing 2. Grid computing emergence 3. Inside the Grid (Key issues and examples) 4. Classification of Grids 5. Example of structured Grid 6. Cloud computing emergence 7. New Cloud computing approach 8. Sensor networks

SI de grande taille Stephane Vialle

Grid Computing Emergence

Evolution

 

of

 

Grids

 

from

 

1998

 

to

 

2006

e‐Science Grids

Enterprise Grids Experimental Grids HPC – meta‐computing Web services

3

 

families

 

of

 

Grids

SI de grande taille Stephane Vialle

Grid Computing Emergence

e

Science

 

Grids

Middleware: Globus‐II Globus‐II ++ gLITE

2008: 150/200 Virtual Organizations 7500/14000 users 150000 jobs/day 2008: • 259 sites • 52 countries EGEE: European production Grid for scientific research »

Each participant brings resources,

and can access all resources.

Grid engineers make compatible 

security policies of all sites

SI de grande taille Stephane Vialle

Grid Computing Emergence

Experimental

 

Grids

Objective 1: 5000 processors

objective: 5000 cores

achieved, and surpassed

Grid’5000: French experimental Grid

Objective 2: a real multi‐site Grid

15 clusters on 9 sites, +++

Private RENATER network, 

10Gbit/s

Objective 3: a Grid for computer 

science research

NO production of applicative 

results

On demand OS deployment !!

« first cloud in the world » 

SI de grande taille Stephane Vialle

Grid Computing Emergence

Enterprise

 

Grids

Definition:  One enterprise uses its PCs to run its independent &  compute‐intensive tasks. The enterprise Grid is installed inside its secure network. PCs of the Grid are not volatile:  •desktop PCs: PC of absent people, •server farm: reliable and monitored. Examples:

•September 2006: BNB‐Paribas used a 3000 server‐PC Grid       (with QoS)

(6)

SI de grande taille Stephane Vialle

Ex.

 

de

 

SI

 

de

 

grande taille :

Grids,

 

Clouds

 

et

 

Réseaux de

 

Capteurs

1. Premise of Grid computing 2. Grid computing emergence 3. Inside the Grid (Key issues and examples) 4. Classification of Grids 5. Example of structured Grid 6. Cloud computing emergence 7. New Cloud computing approach 8. Sensor networks

SI de grande taille Stephane Vialle

Example of structured Grid

New

 

e

Science

 

Grid for

 

LHC

LHC@home LCG: LHC  Computing Grid

Voluntary computing +  unused PCs in  the laboratories

A World Grid both for  data and computations:

15 PetaOctets/yearHuge computations

CERN

 ‐

LHC

SI de grande taille Stephane Vialle

Example of structured Grid

New

 

e

Science

 

Grid

 

for

 

LHC

LCG: the LHC Computing Grid

Node T‐0 : data production site, at CERN Node T‐1 : Complete storage sites 

in the world

Node T2 : Partial storage site in the world (database caches)

Node T3 : Computing nodes in the world (ex: clusters)

hierarchyof tier nodes, to store  and cache huge data, and to run  huge computations.

SI de grande taille Stephane Vialle

Ex.

 

de

 

SI

 

de

 

grande taille :

Grids,

 

Clouds

 

et

 

Réseaux de

 

Capteurs

1. Premise of Grid computing 2. Grid computing emergence 3. Inside the Grid (Key issues and examples) 4. Classification of Grids 5. Example of structured Grid 6. Cloud computing emergence 7. New Cloud computing approach 8. Sensor networks

SI de grande taille Stephane Vialle

Cloud Computing Emergence

An

 

industrial

 

initiative

 

(?)

Business model: •A company provides computing  resources •Price is function of the consumed  CPU time (parallelism is free) •Data security inside the cloud •Secure connection to join the cloud •QoS is provided •Virtualization on each node allows to support various applications  from various customers Personal point of view: the next step after Enterprise Grids.

SI de grande taille Stephane Vialle

Cloud Computing Emergence

An

 

industrial

 

initiative

 

(?)

Large data centers:

•have global cooling and control of the machines

•allows to reduce management cost Mutualisation: 

•a customer requires machines only when he needs (on demand)

•allows to share resources between users (customers)

Ex : in March 2009, Salesforce.commanaged data of 54 000 entreprises 

with only 1000 servers. Virtualization:

•each application is run inside a virtual machine

•provides the environment required by the customer application

•allows to always use the most efficient available machines

•allows to use at 100% each machine (if machine are shared)

(7)

SI de grande taille Stephane Vialle

Cloud Computing Emergence

A

 

basic

 

classification

Cloud of software (Software as a Service)

Ready to run some identified applications 

Ex: Supelec experimented a private cloud of Matlab Cloud of plateform (Platform as a Service)

Ready to provide  a development environment on an available hardware resource. Cloud of hardware (Infrastructure as 

a Service)

Ready to provide hardware resources . The user/customer has to deploy an 

environment before to use these machines.

Google search engine ? Google mail ?

Grid’5000 ? 

Amazone ? 

SI de grande taille Stephane Vialle

Cloud Computing Emergence

First

 

cloud

 

assessment

« CLOUD » buzzword is a success! Several major actors make money with « cloud technology » Cloud was initially less ambitious than Grid, but aimed to be easier  to deploy, to manage and to use From a customer point of view : •using extra resources on demand is a nice idea •how can I be sure to get these extra resources when I need ?

limit of the « mutualisation » and QoS •how can I be sure my data are in a secure system ?

limit of virtualization, remote security and transfer security Private cloud can be an interesting compromise

SI de grande taille Stephane Vialle

Cloud Computing Emergence

From

 

Grid

 

to

 

Cloud

 

?

e‐Science Grids Enterprise Grids Experimental Grids HPC Web services

3

 

kinds

 

of

 

Clouds

IaaS PaaS SaaS Virtualisation technics Security

SI de grande taille Stephane Vialle

Ex.

 

de

 

SI

 

de

 

grande taille :

Grids,

 

Clouds

 

et

 

Réseaux de

 

Capteurs

1. Premise of Grid computing 2. Grid computing emergence 3. Inside the Grid (Key issues and examples) 4. Classification of Grids 5. Example of structured Grid 6. Cloud computing emergence 7. New Cloud computing approach 8. Sensor networks

SI de grande taille Stephane Vialle

New Cloud Computing Approach

New

 

approach

 

in

 

cloud

 

computing

But … looks like a Grid ?

Grid middleware technology is now introduced has the  « Grid infrastructure for Cloud » (HPCS 2011 conference) New cloud researches:

•Multi‐site Clouds

•Inter‐Clouds (interconnecting clouds of different institutions)

 fusion of different cloud providers

 a cloud provider can rent resources of another one

50% news about « cloud » claim this new approach is promising 50% news about « cloud » say « WARNING »!

•it will (technically) fail!

•there is no business model!

•there is no need for these new clouds!

SI de grande taille Stephane Vialle

New Cloud Computing Approach

New

 

classification

The NIST definition of cloud computing (September 2011):

•Axis 1: IaaSPaaSSaaS •Axis 2: who can use the cloud ?

Private cloud: exclusive use by a single organization     comprising multiple consumers (business units)

Community cloud: exclusive use by a specific community of 

consumers from different organizations

Public cloud: open use by the general public

Hybrid cloud: composition of 2 or more cloud infrastructures  (private, public, or community)

(8)

SI de grande taille Stephane Vialle

New Cloud Computing Approach

New

 

classification

Possible complete classification:

IaaS PaaS SaaS

Private clouds Community clouds Public clouds Hybrid clouds Users Service Owner & manager (?)

Institution of the only user One limited institution

Some limited institutions Any institutions Where are stored the data ? Ex: “EU data have to stored inside EU”

SI de grande taille Stephane Vialle

New Cloud Computing Approach

Future

 

of

 

the

 

Cloud

 

Computing

2008 – 2010: Europe has started some FP7 projects about « cloud »

•development of new Cloud middleware

•some of these projects are now calling for experiments

currently no real evaluation 

September 2011: Europe opened a new call about « cloud » •to not develop new middleware •to develop « cloud applications » : with a business model at European scale 2012 : Governments want to be sure institutional/national data  are stored inside the country ! Pb with inter‐clouds/cloud roaming

SI de grande taille Stephane Vialle

New Cloud Computing Approach

Future

 

of

 

the

 

Cloud

 

Computing

Questions :

Missing real large cloud applications? A European cloud infrastructure has a sense? Multi‐sites, multi‐institution clouds have a sense? HPC‐Cloud ? Aneo & Supelec are experimenting the new  MS Azur‐HPC cloud…

SI de grande taille Stephane Vialle

Ex.

 

de

 

SI

 

de

 

grande taille :

Grids,

 

Clouds

 

et

 

Réseaux de

 

Capteurs

1. Premise of Grid computing 2. Grid computing emergence 3. Inside the Grid (Key issues and examples) 4. Classification of Grids 5. Example of structured Grid 6. Cloud computing emergence 7. New Cloud computing approach 8. Sensor networks

SI de grande taille Stephane Vialle

Réseaux de capteurs

Des SI de grande taille avec de nouvelles contraintes

Capteurs fixes Capteurs mobiles

Alimentation  électrique pérenne Ex : trackingen  environnement urbain ou  industriel Ex : capteurs embarqués 

dans des voitures

Batteries ou 

alimentation non 

pérenne

Ex : mesure de température 

dans la nature

Ex : capteurs portés par 

des personnes Motivation : un moyen de « réaliser des mesures au plus 

près d’un phénomène » Aujourd’hui : de k×100 à k×1000 capteurs. 

demain : k×100 000.

Différentes configurations avec différentes contraintes

SI de grande taille Stephane Vialle

Réseaux de capteurs

Des

 

applications

 

très

 

variées

Exemples d’applications :

•Mesure du graphe de mobilité des personnes dans un hôpital 

pour détecter des contaminations et propagation de maladies 

nosocomiales. 

•Collecte de mesure environnementales (températures, pluie) et 

comportementale (allumage phares, déclenchement d’ABS) par 

des capteurs dans les voitures, pour améliorer la gestion du 

trafic. 

•Supervision de la radioprotection en temps réel dans les 

centrales nucléaires (EDF) par des réseaux ad hoc de capteurs 

(9)

SI de grande taille Stephane Vialle

Réseaux de capteurs

Besoin

 

spécifiques

 

aux

 

réseaux

 

de

 

capteurs

Besoin de nouveaux protocoles réseaux pour :

•minimiser les dépenses d’énergie

•tolérer de nombreuses pannes de nœuds du réseau

•supporter l’apparition et la disparition fréquente de nœuds mobiles

•…

Besoin de traitement de signal complexe pour : •analyser de gros flux d’information  •détecter des données erronées  •… 

Besoin de nouvelles applications

distribuées pour :

•exploiter ces masses de 

données en temps réel

•réagir rapidement en cas 

de situation anormale

•…

Exemple : projet “Live‐E!” 

En février 2009 : 106 stations météo dans13 pays

SI de grande taille Stephane Vialle

From Grid to private Clouds, to inter‐Clouds.

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