Computación Grid. Adaptación de Aplicaciones Grid para el Procesamiento de Imágenes (AAG) Miguel Cárdenas Montes

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1 Grid Adaptación de Aplicaciones Grid para el Procesamiento de Imágenes (AAG) Miguel Cárdenas Montes Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas, Madrid, Spain Máster: Grid y Paralelismo Universidad de Extremadura 2013

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4 I Los primeros conceptos sobre la Grid fueron publicados por Foster y Kesselman en Antes de esta publicación, L. Smarr (1992), en otras publicaciones expresó ciertas ideas sobre la orquestación de recursos distribuidos y dispersos en un área geográfica. Sin embargo, la frontera entre la Distribuida y la Grid parece no estar completamente delimitada. En ambos casos se puede imaginar que las aplicaciones son ejecutadas sobre una capa de software llamada middleware que unifica los recursos computacionales usados como si fuera una máquina virtual única.

5 II Desde el punto de vista de la Distribuida es claro que la Grid es una subclase de la Distribuida. Otra forma de Distribuida es la Voluntaria, en la cual los trabajos son ejecutados en los ordenadores domésticos ubicados en los hogares de los voluntarios.

6 III Por otro lado, la Grid tiene connotaciones basadas en el acceso a servicios, la grid es una capa de servicios para acceder y gestionar recursos de hardware y software, CCAT; basadas en la compartición de datos e instrumentos, NASA; la grid es una red ampliamente distribuida de computadores, datos almacenados, instrumentos y entornos colaborativos; o la última más refinada por Foster, Kesselman y Tuecke (1998), la grid es un conjunto de recursos coordinados compartiendo y resolviendo problemas dentro de una organización virtual, dinámica y multidisciplinar.

7 IV Por último, Foster (2001) propuso una lista de características que debía cumplir una infraestructura para ser considerada como grid: Los recursos coordinados y compartidos en la grid no tienen punto de control central. El uso de protocolos e interfaces estándares, abiertos y de propósito general. La grid debe proveer calidades de servicios no triviales.

8 V High Performance Computing Su objetivo es reducir el tiempo de ejecución de una única aplicación paralela de memoria compartida o distribuida. Su rendimiento se mide en número de operaciones en punto flotante por unidad de tiempo. Áreas de aplicación: meteorología, fusión,... High Throughput Computing Su objetivo es aumentar el número de ejecuciones por unidad de tiempo. Su rendimiento se mide en número de trabajos ejecutados por unidad de tiempo. Áreas de aplicación: física de altas energías, bioinformática, climatología, fusión,...

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10 I

11 II La grid es una infraestructura computacional y de almacenamiento de datos que provee soporte electrónico para nuevos desarrollos en la sociedad, en áreas como el gobierno, la investigación, el ocio y la actividad industrial. Las grids integran conectividad, computación e información para proporcionar una plataforma virtual para cálculo y para gestión de datos, del mismo modo que Internet integra recursos para formar una plataforma virtual para la información. podría transformar la forma de entender la industria, la ciencia o la salud. Las infraestructuras grid proveen la posibilidad de enlazar dinámicamente recursos que soportan ejecuciones a gran escala, uso intensivo de recursos y aplicaciones distribuidas.

12 III Las Grids son intrínsecamente distribuídas, heterogéneas y dinámicas. Éstas prometen un volumen casi infinito de ciclos de CPU y de almacenamiento. La realidad muestra que para alcazar esta promesa, deberían desarrollarse complejos sistemas de software y servicios, los cuales permitan un acceso sencillo al usuario, que los recursos sean usados eficientemente, y que hagan cumplir las poĺıticas que permitan a las comunidades coordinar sus recursos de forma estable. Tanto si los usuarios acceden a un solo recurso (ordenador, archivo de dato, etc.), o usan varios recursos de forma agregada como un computador virtual, la grid debería permitir a los usuarios conectarse con los recursos de forma uniforme, proporcionándoles una plataforma poderosa y comprensiva para computación y gestión de datos.

13 en 3 Capas

14 en 3 Capas: Recursos La capa inferior de este modelo consiste en los recursos hardware que soportan la grid. Estos recursos incluyen los computadores, las redes y los instrumentos científicos conectados. Estos componentes están distribuidos en múltiples instituciones y tienen características diferentes. Además, el conjunto de recursos representados por esta capa son altamente dinámicos. Por un lado, los recursos aparecen o desaparecen en la disponibilidad, en función de las operaciones de cada institución; y por otro lado, en función de las variaciones de rendimiento de los recursos y de la concurrencia con otros usuarios en el entorno multiusuario.

15 en 3 Capas: I La siguiente capa consiste en el software (middleware) que permite la interrelación de los diferentes recursos. Este software permite la coordinación de los recursos de la capa inferior. Los servicios básicos para que los recursos coordinados por el middleware constituyan una infraestructura grid se presentan en la sección siguiente. Este software posibilita una mejora de la productividad de los usuarios y de las aplicaciones.

16 en 3 Capas: II Servicios básicos del middleware: Sistema de Información. de Seguridad. Sistema de Envío de Trabajos. Sistema de Monitorización.

17 en 3 Capas: III El middleware, además de por este software básico, incorpora un conjunto de herramientas de diferente proposito: desde software para soportar trabajos paramétricos, paralelos o interactivos; a herramientas para visualización de datos, entornos gráficos de trabajo, sistemas avanzados de seguridad, repositorios comunes de códigos, librerías científicas, etc. En algunos casos, podría pensarse que entre la capa de middleware y la capa de aplicaciones debe existir una capa de software con capacidades de soporte para aplicaciones complejas (aplicaciones de Barrido de Parámetros, work-flows o herramientas de visualización).

18 en 3 Capas: IV Estos componentes (soporte para aplicaciones complejas, work-flows, herramientas de visualización) no constituyen los pilares básicos del middleware. Bajo esta visión el middleware grid está constituido por cuatro pilares básicos comunes, más una pléyade de software destinado a facilitar el aprovechamiento de los recursos grid. Así pues, dentro de esta categoría se incluirían las herramientas anteriormente mencionadas.

19 en 3 Capas: Aplicaciones I Desde los primeros años de la grid, donde las aplicaciones se restringían a unas pocas aplicaciones de física de altas energías, el número de aplicaciones ha crecido exponencialmente, no solo en número sino también en áreas científicas y tecnológicas implicadas.

20 en 3 Capas: Aplicaciones II Partiendo del catálogo de aplicaciones del proyecto EGEE y otros proyectos europeos, se puede citar la existencia de aplicaciones en las siguientes disciplinas: astrofísica y astronomía, biomedicina, que agrupa actividades diversas como: tratamiento de imágenes médicas, búsqueda de nuevos medicamentos, filogenética, repositorios digitales de información médica, búsqueda de proteínas no sintentizadas en la naturaleza, química computacional (nanotecnología y química del estado sólido), repositorios digitales de archivos históricos, aplicaciones educativas, simulación de física del plasma y dispositivos de fusión, dinámica de fluidos, ciencias computacionales, geología y geofísica, protección civil (simulación de fuegos forestales), matemáticas.

21 por qué ahora? Y por qué hasta ahora no ha sido posible y/o necesaria y/o imprescindible la grid? La ley de Moore Y los últimos instrumentos científicos: telescopios, detectores de partículas subatómica, bancos de datos de genómica o proteómica.

22

23 I Desde un punto de vista funcional, el middleware grid está compuesto por cuatro elementos o servicios. Estos cuatro servicios proveen de las funcionalidades necesarias para crear una infraestructura grid. Los middleware carentes de alguno de los servicios, que se van a presentar a continuación, serían funcionalmente incompletos. Sistema de Información. de Seguridad. Sistema de Envío de Trabajos. Sistema de Monitorización.

24 II Sistema de Información. El Sistema de Información almacena la información sobre el estado de cada uno de los elementos presentes en la grid. Este sistema es interrogado, tanto por los usuarios como por el propio middleware para conocer el estado de la infraestructura. Los elementos de la grid registran y mantienen actualizada la información relevante sobre sus características, estado de operación, software instalado, etc.

25 III de Seguridad. La estructura de seguridad de la grid es crítica para poder mantener el sistema seguro. La autenticación y la autorización por sistema criptográficos asimétricos, permite verificar la identidad y la accesibilidad a los usuarios y de los servicios, así como auditar las actividades realizadas. Adicionalmente, la estructura internacional de certificación permite mantener la confianza en los certificados emitidos para máquinas y usuarios de otros institutos y otros países.

26 IV Sistema de Envío de Trabajos. Este sistema es el responsable del envío de los trabajos a los nodos libres. Además debe implantar un sistema de reenvío de trabajos en caso de aparición de dificultades; por ejemplo, que el nodo de envío esté ocupado. En los trabajos de tipo work-flows, el sistema de envío de trabajos debe tener funciones adicionales como: coordinar y sincronizar las partes que componen el trabajo, recoger los resultados parciales, y suministrarlos a los siguientes componentes.

27 V Sistema de Monitorización. El sistema de monitorización es crítico para que la grid pueda alcanzar los niveles de calidad de servicio que se esperan de un entorno profesional. La ausencia del mismo, significaría la ceguera absoluta sobre el sistema que se trata de gestionar. El sistema de monitorización interrogará al sistema de información para obtener una visión del estado de la infraestructura. Además proveerá de las visiones y presentaciones más adecuadas para exponer la información más relevante del conjunto.

28 VI Sistema de Gestión de Datos. La grid podría operar sin él, pero disminuiría significativamente su potencial. Servicios de transferencia de datos a los nodos y silos de almacenamiento. Los Metadatos son imprescindibles para la apertura de la grid a otras disciplinas científicas.

29 El middleware: metáfora

30 Visión de la grid

31

32 I La Grid supone un nuevo paradigma computacional con una gran aceptación en la comunidad científica y algo menor en la empresarial. Grandes dudas en su aplicabilidad al entorno empresarial. Gracias a la Grid es posible una nueva forma de ciencia extemadamente cooperativa y colaborativa entre múltiples instituciones. Sin la Grid, una parte de la ciencia desarrollada no habría sido posible.

33 II Grandes dudas sobre su futuro. Necesario trabajo de estandarización y armonización. Falta de desarrollo de la grid para el control de dispositivos (científicos). Proceso de aprendizaje, instalación y mantenimiento costoso.

34 III

35 I Ian Foster, Carl Kesselman (eds), The Grid: Blueprint for a New Computing Infrastructure, 1st edition, Morgan Kaufmann Publishers, San Francisco, USA (1 November 1998), ISBN: L. Smarr, C. Catlett, Metacomputing, Communication of the ACM, 35, 1992, pp , ISSN: CCAT, IPG, I. Foster, C. Kesselman, S. Tuecke, The Anatomy of the Grid: Enabling Scalable Virtual Organizations, International Journal of Supercomputer Applications, 15(3), 2001.

36 II Grid Checklist,

37 Gracias Gracias Preguntas? Más preguntas?

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