Tiểu luận môn điện toán lưới và đám mây GRID COMPUTING VS CLOUD COMPUTING

Định nghĩa về Grid “Grid là một loại hệ thống song song, phân tán cho phép chia sẻ, lựa chọn, kết hợp các tài nguyên phân tán theo địa lý, thuộc nhiều tổ chức khác nhau dựa trên tính sẵ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN



BÀI TIỂU LUẬN MÔN ĐIỆN TOÁN LƯỚI VÀ ĐÁM MÂY TÊN ĐỀ TÀI:

GRID COMPUTING VS CLOUD COMPUTING

Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Phi Khứ

Họ tên học viên: Đặng Thị Mỹ Hạnh

Mã số học viên: CH1301012

CHƯƠNG 1 NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ ĐIỆN TOÁN LƯỚI –

GRID COMPUTING

1 Định nghĩa về Grid

“Grid là một loại hệ thống song song, phân tán cho phép chia sẻ, lựa chọn,

kết hợp các tài nguyên phân tán theo địa lý, thuộc nhiều tổ chức khác nhau dựa

trên tính sẵn sàng, khả năng, chi phí của chúng và yêu cầu về chất lượng dịch vụ

(QoS) của người dùng để giải quyết các bài toán, ứng dụng có quy mô lớn trong

khoa học, kỹ thuật và thương mại Từ đó hình thành nên các “tổ chức ảo” (Virtual

Organization - VO)), các liên minh tạm thời giữa các tổ chức và tập đoàn, liên kếtvới nhau để chia sẻ tài nguyên hoặc kỹ năng nhằm đáp ứng tốt hơn các cơ hội kinhdoanh hoặc các dự án có nhu cầu lớn về tính toán và dữ liệu, toàn bộ việc liên

minh này dựa trên các mạng máy tính” (Tiến sỹ Ian Foster)

2 Đặc trưng

- Có sự kết hợp, chia sẻ các tài nguyên không được quản lý tập trung

- Sử dụng các giao diện và giao thức chuẩn, mang tính mở, đa dụng

- Đáp ứng yêu cầu cao về chất lượng dịch vụ

3 Tài nguyên của Grid

3.1 Tài nguyên tính toán

Đây là tài nguyên phổ biến nhất, là các chu kỳ tính toán (computing cycles)được cung cấp bởi bộ vi xửlý của các thiết bị trong Grid Các bộ vi xử lý khôngcần phải cùng loại mà có thể có tốc độ, kiến trúc, chạy phần mềm khác nhau

Có 3 cách để khai thác tài nguyên tính toán của Grid:

- Cách đơn giản nhất là chạy các ứng dụng hiện có trên một node của Gridthay vì chạy trên máy tính cục bộ

- Thiết kế ứng dụng, tách các công việc thành các phần riêng rẽ để có thể thựcthi song song trên nhiều bộ xử lý khác nhau

- Chạy ứng dụng thực thi nhiều lần trên nhiều node khác nhau trong Grid

3.2 Tài nguyên lưu trữ (phần cứng)

Tài nguyên phổ biến thứ nhì trong Grid là tài nguyên lưu trữ Mỗi thiết bịtrong Grid thường cung cấp một số dung lượng lưu trữ phục vụ cho việc thực thiứng dụng trên Grid Tài nguyên lưu trữ có thể là bộ nhớ trong, ổ đĩa cứng hoặc các

thiết bị lưu trữ khác Bộ nhớ trong thường dùng để lưu trữ dữ liệu tạm thời cho ứngdụng, trong khi các thiết bị lưu trữ ngoài có thể được sử dụng để tăng không gianlưu trữ, tăng hiệu suất, khả năng chia sẻ và đảm bảo tính tin cậy của dữ liệu.

3.3 Tài nguyên phương tiện liên lạc

Khả năng liên lạc giữa các máy tính phát triển nhanh chóng đã giúp cho côngnghệ Grid trở nên hiện thực, do đó đây cũng là một tài nguyên quan trọng Ở đâybao gồm việc liên lạc, trao đổi dữ liệu giữa các thành phần trong Grid và giao tiếpgiữa Grid với bên ngoài Một số công việc đòi hỏi một lượng dữ liệu lớn nhưngcác dữ liệu này thường không nằm trên máy đang thực thi công việc Khả năng vềbăng thông trong những trường hợp như vậy là một tài nguyên then chốt, ảnhhưởng đến khả năng của Grid

Việc giao tiếp với bên ngoài được thực hiện thông qua mạng Internet Grid cóthể sử dụng các kết nối Internet để liên lạc giữa các node Vì các kết nối này khôngchia sẻ một đường truyền nên làm tăng băng thông truy cập Internet

Các đường truyền dự phòng đôi khi cần thiết để giải quyết tốt hơn các vấn đề

về hư hỏng mạng và truyền dữ liệu lớn

3.4 Tài nguyên phần mềm, ứng dụng

Grid có thể được cài đặt các phần mềm mà có thể quá mắc để cài trên tất cảmọi máy tính trong Grid Các phần mềm này chỉ cần được cài trên một số node.Thông qua Grid, khi một công việc cần đến chúng, nó sẽ gửi dữ liệu đến node đãđược cài đặt phần mềm và cho thực thi Đây có thể là một giải pháp tốt để tiết kiệmchi phí về bản quyền phần mềm

3.5 Tài nguyên các thiết bị đặc biệt

Là các thiết bị dùng trong khoa học, kỹ thuật như kính viễn vọng, các bộ cảmbiến (sensor),… Các thiết bị này chủ yếu thu thập các dữ liệu khoa học, phục vụcho các bước phân tích, xử lý sau này

Ví dụ

Một ví dụ về grid được biết đến là ACEnet (Atlantic ComputationalExcellence Network) Có 9 thành viên tham gia, 9 thành viên này là các trường đạihọc trong vùng Atlantic có sự phân tán về vị trí địa lý

- Memorial University of Newfoundland, NL

- Saint Francis Xavier University, NS

- Saint Mary’s University, NS

- University of New Brunswick, NB

- Dalhousie University, NB

- Mount Allison University, NB

- University of Prince Edward Island, PE

- Brasdor (brasdor.ace-net.ca) tại AtFX

- Fundy (fundy.ace-net.ca) tại UNB

- Mahone (mahone.ace-net.ca) tại Saint Mary’s

- Placenctia (placentia2.ace-net.ca) tại MUN

- Glooscap (glooscap.ace-net.ca) tại Dal

- Courtenay (courtenay.ace-net.ca) tại UNBSJ

Mỗi một cluster bao gồm một số máy tính (gọi là nút), và mỗi một nút cónhiều CPUs với nhiều lõi Có máy AMD Opteron-based chạy trên Red HatEnterprise Linux AS 4 (RHEL4) hoặc Avance Platform 5 (RHEL5)

Chi tiết

Tài nguyên phần mềm

Một lượng lớn các phần mềm khác nhau được cài đặt trên lưới ACE-net.Dưới đây là một vài ví dụ:

- Scientific Computing Packages (Phần mềm tính toán khoa học kỹ thuật):

DiVinE-mc, GAUSSIAN, Maple, MATLAB (MATLAB là một môi trường tính

toán số và lập trình, được thiết kế bởi công ty MathWorks MATLAB cho phéptính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuậttoán, tạo các giao diện người dùng và liên kết với những chương trình máy tínhviết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác Với thư viện Toolbox, MATLAB cho phép

mô phỏng tính toán, thực nghiệm nhiều mô hình trong thực tế và kỹ thuật),Mathematica, Octave, Spin, v.v…

- Graphics và Visualization (Phần mềm đồ họa): feh, ferret, Molden, NCARgraphics, VTK

- Scientific Libraries (Thư viện khoa học kỹ thuật): ACML, PGI, BLAS,FFTW, GMP, GSL, HDF4, HDF5, NetCDF, Sun Performance Library (SunPerformance Library là một bộ tối ưu hóa, các bài toán con với lời giải tối ưu đểgiải quyết trong đại số tuyến tính và các vấn đề liên quan đến số học khác SunPerformance Library dựa trên tập hợp các ứng dụng có sẵn từ Netlib tại địa chỉhttp://www.netlib.org Sun đã tăng cường các ứng dụng phổ biến và đóng góichúng lại thành Sun Performance Library), SS12 và szip

- Parallel APIs: BSPonMPI, MPI, OpenMP, pyMPI, BLACS

- Compilers và Languages: Portland Group Compilers (C, C++, Fortran), SunStudio 12 Compilers (C, C++, Fortran), GNU compilers (C, C++, Fortran, Java),Java, 64 bit VM, Mono (.NET), Perl, Python và Ruby

4 Các thành phần trong kiến trúc Grid tổng quát

Tổ chức ảo (VO): là đơn vị cơ bản quan trọng trong hệ thống Grid Việc thiếtlập, quản lý, khai thác các quan hệ chia sẻ tài nguyên giữa các tổ chức ảo đòi hỏiphải có kiến trúc hệ thống mới, kiến trúc Grid

Kiến trúc Grid phải là kiến trúc dựa chuẩn, hướng mở để dễ sử dụng, liên kếthoạt động tốt, có tính khả chuyển (portability) cao Những protocol chuẩn sẽ giúpđịnh nghĩa các service chuẩn, nhờ đó có thể xây dựng các service cao cấp hơn mộtcách dễ dàng

Kiến trúc Grid tổng quát

4.1 Tầng Fabric

Là tầng thấp nhất của kiến trúc lưới, đại diện cho các thiết bị vật lý và toàn bộtài nguyên của lưới mà các tổ chức, người dùng muốn chia sẻ, sử dụng Các tàinguyên có thể tồn tại dưới dạng vật lý như các máy tính, hệ thống lưu trữ, các danhmục, tài nguyên mạng, các loại sensor, cũng có thể là các thực thể logic đại diệncho một tập các tài nguyên vật lý, như hệ thống file phân tán, các cluster…

4.2 Tầng Connectivity

Định nghĩa các giao thức liên lạc và chứng thực cơ bản cần thiết cho các giaodịch mạng đặc trưng của lưới Các giao thức liên lạc cho phép trao đổi dữ liệu giữacác tài nguyên tầng Fabric Các giao thức chứng thực xây dựng trên những dịch vụliên lạc nhằm cung cấp cơ chế mã hóa, bảo mật, xác minh và nhận dạng ngườidùng và tài nguyên Hiện nay, Grid được xây dựng trên các giao thức có sẵn của bộTCP/IP protocol stack, cụ thể là các tầng Netword (IP và ICMP), Transport (TCP,UDP) và Application (DNS, OSPF,…)

4.3 Tầng Resource

Dựa trên các giao thức liên lạc và chứng thực của tầng Connectivity để xâydựng các giao thức, API, và SDK nhằm hỗ trợ việc thương lượng, khởi tạo, theodõi, điều khiển, tính toán chi phí và chi trả cho các hoạt động chia sẻ trên từng tàinguyên riêng lẻ một cách an toàn Bản cài đặt các giao thức của tầng Resource sẽgọi các chức năng của tầng Fabric để truy cập và điều khiển các tài nguyên cục bộ

4.4 Tầng Collective

Trong khi tầng Resource tập trung vào các tài nguyên đơn lẻ, tầng Collectivechứa các giao thức, dịch vụ, API, SDK không liên hệ đến bất kỳ một tài nguyên cụthể nào mà thực hiện quản lý toàn cục, tập trung vào các giao tác giữa các tập tàinguyên

4.5 Tầng Application

Tầng trên cùng của kiến trúc lưới bao gồm các ứng dụng của người dùng chạytrong môi trường VO

5 Kiến trúc Grid trong thực tế

Trong thực tế, kiến trúc Grid tổng quan đã được cài đặt và xây dựng gồm 4tầng tương ứng với các tầng của kiến trúc tổng quát như sau:

Kiến trúc Grid trong thực tế với các thành phần 5.1 Tầng Fabric (tầng Fabric)

Giống như tầng Fabric trong kiến trúc tổng quát

5.2 Tầng Core Middleware (Connectivity và Resource và nửa dưới của Collective)

Cung cấp các dịch vụ như quản lý tiến trình ở xa, kết hợp, phân phối các tàinguyên, quản lý truy cập không gian lưu trữ, đăng ký và tìm kiếm thông tin, bảomật và các khía cạnh của QoS như đặt trước, mua bán và trao đổi tài nguyên,…Các dịch vụ này là sự trừu tượng hoá tính phức tạp và đa dạng của các tài nguyênbằng cách cung cấp một phương pháp chung để truy cập tài nguyên

5.3 Tầng User-level Middleware (Collective)

Tận dụng các giao diện ở tầng Core Middleware để cung cấp các dịch vụ cómức độ trừu tượng cao hơn Tầng này bao gồm các môi trường phát triển phầnmềm, công cụ lập trình, resource broker, bộ lập lịch,…

5.4 Tầng Application và Portal (Application)

Giống như tầng Fabric trong kiến trúc tổng quát

6 Grid Middleware

Grid middleware là gói phần mềm nằm giữa lớp ứng dụng và hệ điều hành.Grid middleware quản lý security, truy cập và trao đổi thông tin:

+ Cung cấp khả năng kết nối số lượng người dùng lớn

+ Che giấu tài nguyên chia sẻ như máy tính, trung tâm dữ liệu, những thiết bị cần thiết khác…

+ Cung cấp các công cụ để quản lý, khởi tạo các liên kết trao đổi thông tin

6.1 Mục đích và lợi ích của Grid Middleware

a Mục đích

- Xây dựng các giao tiếp và các giao thức có tính mục đích chung, tính mở vàtính chuẩn Vì hệ thống lưới được xây dựng trên những giao tiếp và giao thức vớirất nhiều mục đích khác nhau Những giao tiếp và giao thức này đều chỉ ra đượcnhững kết quả cơ bản mang tính nền tảng như việc xác thực, khám phá tài nguyên,truy xuất tài nguyên Do đó, việc xây dựng các giao tiếp, giao thức chuẩn và mở làrất quan trọng, nếu không chỉ xây dựng được những ứng dụng mang tính đặc thù

mà thôi

- Định nghĩa những giao thức chuẩn: grid middleware định nghĩa nội dung vàchuỗi các sự kiện trao đổi thông điệp sử dụng các thao tác yêu cầu từ xa Điều nàyrất quan trọng và cấp thiết để thực hiện tính interoperability (khả năng mà 2 thựcthể khác nhau có thể làm việc với nhau và được thực hiện bởi các giao thức thôngthường) mà hệ thống lưới phụ thuộc vào

- Cung cấp các API chuẩn: đó là các giao diện lập trình ứng dụng chuẩn, địnhnghĩa những giao tiếp chuẩn để viết mã thư viện, và cấu trúc các thành phần củaGrid bằng cách cho phép những thành phần mã nguồn được sử dụng lại.

b Lợi ích của Grid Middleware

- Tránh cho các nhà phát triển ứng dụng không phải lập trình ở mức thấp,tránh được các error-prone flatform như việc lập trình mạng mức socket

- Giảm chi phí thời gian phát triển phần mềm khi tập trung phát triển chuyênmôn trước rồi mới phát triển ứng dụng bằng cách tái sử dụng framework chứkhông cần xây dựng lại từ đầu

- Cung cấp các trừu tượng hướng mạng ở mức cao gần với yêu cầu ứng dụngcho việc phát triển hệ thống rời rạc

- Cung cấp nhiều dịch vụ phát triển, như đăng nhập và bảo mật giúp cho việchoạt động hiệu quả trong môi trường mạng

6.2 Kiến trúc Grid Middleware

Grid Middleware nằm giữa 2 tầng là tầng ứng dụng (Applications) và tầngthiết bị (Fabric) Grid middleware gồm 2 tầng chính:

a Tầng các dịch vụ tập hợp (Collective services)

Có khả năng quản lý một tập các tài nguyên trong khi lớp tài nguyên chỉ tậptrung vào việc tương tác giữa các tài nguyên đơn lẻ Và nó dựa trên lớp kết nối vàlớp tài nguyên để hiện thực rất nhiều hành vi chia sẻ mà không cần phải thay thếnhững yêu cầu mới ứng với mỗi tài nguyên được chia sẻ Ví dụ:

- Directory service cho phép các thành viên tham gia vào tổ chức ảo có thểkhám phá ra tài nguyên hay các thuộc tính của tài nguyên Nó cho phép ngườidùng truy vấn về tài nguyên bằng tên hoặc các thuộc tính như kiểu, sự sẵn sàng,hay tải

- Coallocation-allocation, scheduling, and brokering services cho phép cácthành viên của tổ chức ảo yêu cầu việc định vị cho một hay nhiều tài nguyên vàphân bổ nhiệm vụ cho những tài nguyên thích hợp

- Monitoring and diagnotics services hỗ trợ việc theo dõi các tài nguyên của

tổ chức ảo về lỗi, việc tấn công hay việc quá tải

- Data replication services hỗ trợ quản lý việc lưu trữ tài nguyên để tối đa hiệuquả truy xuất như thời gian đáp ứng, khả năng tin cậy, chi phí,…

- Grid-enabled programming systems cho phép các mô hình lập trình thânthiện, chẳng hạn như MPI (Message-passing Interfaces),…

+ Workload management systems and collaboration frameworks

+ Software discovery service

+ Community authorization servers

+ Community accounting and payment services

Các giải pháp xác thực cho môi trường tổ chức ảo (VO – VirtualOrganization) có thể có 4 đặc tính sau:

- Single sign-on: Người dùng có thể được xác thực chỉ 1 lần bằng cách đăngnhập vào hệ thống và có thể truy xuất vào nhiều tài nguyên lưới

- Việc ủy quyền: Người dùng có khả năng ủy quyền cho 1 chương trình khác

để thực thi giống như những hành vi của người dùng khi người dùng đã đượcxác thực Đến lượt chương trình có thể ủy quyền cho nhưng chương trình khác 1cách tùy chọn

- Việc tích hợp với nhiều giải pháp bảo mật cục bộ: Đó là việc mỗi tổ chức,mỗi tài nguyên đã có nhưng giải pháp bảo mật riêng cho mình Do đó, các giảipháp bảo mật của hệ thống lưới sẽ tận dụng các giải pháp bảo mật cục bộ có sẵnnày mà không cần phải thay thế 1 giải pháp bảo mật mới, và chỉ cần cho phép ánh

xạ vào môi trường cục bộ

- Mối quan hệ đáng tin cậy dựa trên người dùng: Để người dùng có khảnăng truy xuất vào tài nguyên từ nhiều nhà cung cấp khác nhau, thì hệ thống bảomật không cần phải yêu cầu các nhà cung cấp tài nguyên phải liên lạc với nhau đểcấu hình cho môi trường mạng Chẳng hạn, nếu người dùng có quyền truy xuấtvào tài nguyên của tổ chức A và B, thì người dùng có thể truy xuất vào cả 2 tài

nguyên của tổ chức A và B với nhau mà không cần sự liên lạc giữa những nhàquản trị bảo mật của tổ chức A và B

Cũng trong lớp này, các tài nguyên đơn lẻ có khả năng chia sẻ Nó định nghĩacác giao thức về sự thương lượng an toàn, khởi tạo, theo dõi, điều khiển, tài khoản

và sự trả chi phí cho việc chia sẻ các thao tác trên những tài nguyên đơn lẻ Lớp tàinguyên sẽ được hiện thực bởi các giao thức để truy xuất và điều khiển các tàinguyên cục bộ, bao gồm 2 lớp chính:

- Giao thức thông tin (Information protocol) được sử dụng để rút ra thông tin

về cấu trúc và trạng thái của tài nguyên chẳng hạn như cấu hình của tài nguyên, tảihiện thời, hay chính sách sử dụng,…

- Giao thức quản lý (Management protocol) được sử dụng để thỏa thuận việctruy xuất vào tài nguyên chia sẻ, chẳng hạn về yêu cầu tài nguyên (bao gồm việcđặt chỗ và chất lượng dịch vụ) và các thao tác thực hiện như khởi tạo, truy xuất tàinguyên,…

7 Các Grid middleware phổ biến

Mô hình lập trình cấp cao

Trừu tượng hóa

và các mô hình thị trường tính toán

Lĩnh vực Tập trung vào

thực thi và kiểm soát công việc

Mô hình tính toán chung, tổng quát

Mô hình tính toán chung, tổng quát

Mô hình tính toán chung, tổng quát

Hệ thống các thành phân tầng

Chuẩn Mới bắt đầu áp

dụng OGSA, OGSI vào phiên bản hiện đang phát triển

OGSA, OGSI Không có Không có OGSA,

OGSI nếu sử dụng với Globus

Mô hình triển

khai

Abstract Job Object

Mô hình đồng hồ cát ở mức độ hệ thống

Siêu hệ thống hướng đối tượng

Mô hình đồng hồ cát ở mức độ hệ thống