Service-Oriented Ad Hoc Grid Computing

Subject of this thesis are the design and implementation of an ad hoc Grid infrastructure. The vision of an ad hoc Grid further evolves conventional service-oriented Grid systems into a more robust, more flexible and more usable environment that is still standards compliant and interoperable with other Grid systems. A lot of work in current Grid middleware systems is focused on providing transparent access to high performance computing (HPC) resources (e.g. clusters) in virtual organizations spanning multiple institutions. The ad hoc Grid vision presented in this thesis exceeds this view in combining classical Grid components with more flexible components and usage models, allowing to form an environment combining dedicated HPC-resources with a large number of personal computers forming a "Desktop Grid". Three examples from medical research, media research and mechanical engineering are presented as application scenarios for a service-oriented ad hoc Grid infrastructure. These sample applications are also used to derive requirements for the runtime environment as well as development tools for such an ad hoc Grid environment. These requirements form the basis for the design and implementation of the Marburg ad hoc Grid Environment (MAGE) and the Grid Development Tools for Eclipse (GDT). MAGE is an implementation of a WSRF-compliant Grid middleware, that satisfies the criteria for an ad hoc Grid middleware presented in the introduction to this thesis. GDT extends the popular Eclipse integrated development environment by components that support application development both for traditional service-oriented Grid middleware systems as well as ad hoc Grid infrastructures such as MAGE. These development tools represent the first fully model driven approach to Grid service development integrated with infrastructure management components in service-oriented Grid computing. This thesis is concluded by a quantitative discussion of the performance overhead imposed by the presented extensions to a service-oriented Grid middleware as well as a discussion of the qualitative improvements gained by the overall solution. The conclusion of this thesis also gives an outlook on future developments and areas for further research. One of these qualitative improvements is "hot deployment" the ability to install and remove Grid services in a running node without interrupt to other active services on the same node. Hot deployment has been introduced as a novelty in service-oriented Grid systems as a result of the research conducted for this thesis. It extends service-oriented Grid computing with a new paradigm, making installation of individual application components a functional aspect of the application. This thesis further explores the idea of using peer-to-peer (P2P networking for Grid computing by combining a general purpose P2P framework with a standard compliant Grid middleware. In previous work the application of P2P systems has been limited to replica location and use of P2P index structures for discovery purposes. The work presented in this thesis also uses P2P networking to realize seamless communication accross network barriers. Even though the web service standards have been designed for the internet, the two-way communication requirement introduced by the WSRF-standards and particularly the notification pattern is not well supported by the web service standards. This defficiency can be answered by mechanisms that are part of such general purpose P2P communication frameworks. Existing security infrastructures for Grid systems focus on protection of data during transmission and access control to individual resources or the overall Grid environment. This thesis focuses on security issues within a single node of a dynamically changing service-oriented Grid environment. To counter the security threads arising from the new capabilities of an ad hoc Grid, a number of novel isolation solutions are presented. These solutions address security issues and isolation on a fine-grained level providing a range of applicable basic mechanisms for isolation, ranging from lightweight system call interposition to complete para-virtualization of the operating systems

A formal architecture-centric and model driven approach for the engineering of science gateways

From n-Tier client/server applications, to more complex academic Grids, or even the most recent and promising industrial Clouds, the last decade has witnessed significant developments in distributed computing. In spite of this conceptual heterogeneity, Service-Oriented Architecture (SOA) seems to have emerged as the common and underlying abstraction paradigm, even though different standards and technologies are applied across application domains. Suitable access to data and algorithms resident in SOAs via so-called ‘Science Gateways’ has thus become a pressing need in order to realize the benefits of distributed computing infrastructures.In an attempt to inform service-oriented systems design and developments in Grid-based biomedical research infrastructures, the applicant has consolidated work from three complementary experiences in European projects, which have developed and deployed large-scale production quality infrastructures and more recently Science Gateways to support research in breast cancer, pediatric diseases and neurodegenerative pathologies respectively. In analyzing the requirements from these biomedical applications the applicant was able to elaborate on commonly faced issues in Grid development and deployment, while proposing an adapted and extensible engineering framework. Grids implement a number of protocols, applications, standards and attempt to virtualize and harmonize accesses to them. Most Grid implementations therefore are instantiated as superposed software layers, often resulting in a low quality of services and quality of applications, thus making design and development increasingly complex, and rendering classical software engineering approaches unsuitable for Grid developments.The applicant proposes the application of a formal Model-Driven Engineering (MDE) approach to service-oriented developments, making it possible to define Grid-based architectures and Science Gateways that satisfy quality of service requirements, execution platform and distribution criteria at design time. An novel investigation is thus presented on the applicability of the resulting grid MDE (gMDE) to specific examples and conclusions are drawn on the benefits of this approach and its possible application to other areas, in particular that of Distributed Computing Infrastructures (DCI) interoperability, Science Gateways and Cloud architectures developments

Helmholtz Portfolio Theme Large-Scale Data Management and Analysis (LSDMA)

The Helmholtz Association funded the "Large-Scale Data Management and Analysis" portfolio theme from 2012-2016. Four Helmholtz centres, six universities and another research institution in Germany joined to enable data-intensive science by optimising data life cycles in selected scientific communities. In our Data Life cycle Labs, data experts performed joint R&D together with scientific communities. The Data Services Integration Team focused on generic solutions applied by several communities

3rd EGEE User Forum

We have organized this book in a sequence of chapters, each chapter associated with an application or technical theme introduced by an overview of the contents, and a summary of the main conclusions coming from the Forum for the chapter topic. The first chapter gathers all the plenary session keynote addresses, and following this there is a sequence of chapters covering the application flavoured sessions. These are followed by chapters with the flavour of Computer Science and Grid Technology. The final chapter covers the important number of practical demonstrations and posters exhibited at the Forum. Much of the work presented has a direct link to specific areas of Science, and so we have created a Science Index, presented below. In addition, at the end of this book, we provide a complete list of the institutes and countries involved in the User Forum

Security for Service-Oriented On-Demand Grid Computing

Grid Computing ist mittlerweile zu einem etablierten Standard für das verteilte Höchstleistungsrechnen geworden. Während die erste Generation von Grid Middleware-Systemen noch mit proprietären Schnittstellen gearbeitet hat, wurde durch die Einführung von service-orientierten Standards wie WSDL und SOAP durch die Open Grid Services Architecture (OGSA) die Interoperabilität von Grids signifikant erhöht. Dies hat den Weg für mehrere nationale und internationale Grid-Projekten bereitet, in denen eine groß e Anzahl von akademischen und eine wachsende Anzahl von industriellen Anwendungen im Grid ausgeführt werden, die die bedarfsgesteuerte (on-demand) Provisionierung und Nutzung von Ressourcen erfordern. Bedarfsgesteuerte Grids zeichnen sich dadurch aus, dass sowohl die Software, als auch die Benutzer einer starken Fluktuation unterliegen. Weiterhin sind sowohl die Software, als auch die Daten, auf denen operiert wird, meist proprietär und haben einen hohen finanziellen Wert. Dies steht in starkem Kontrast zu den heutigen Grid-Anwendungen im akademischen Umfeld, die meist offen im Quellcode vorliegen bzw. frei verfügbar sind. Um den Ansprüchen einer bedarfsgesteuerten Grid-Nutzung gerecht zu werden, muss das Grid administrative Komponenten anbieten, mit denen Anwender autonom Software installieren können, selbst wenn diese Root-Rechte benötigen. Zur gleichen Zeit muss die Sicherheit des Grids erhöht werden, um Software, Daten und Meta-Daten der kommerziellen Anwender zu schützen. Dies würde es dem Grid auch erlauben als Basistechnologie für das gerade entstehende Gebiet des Cloud Computings zu dienen, wo ähnliche Anforderungen existieren. Wie es bei den meisten komplexen IT-Systemen der Fall ist, sind auch in traditionellen Grid Middlewares Schwachstellen zu finden, die durch die geforderten Erweiterungen der administrativen Möglichkeiten potentiell zu einem noch größ erem Problem werden. Die Schwachstellen in der Grid Middleware öffnen einen homogenen Angriffsvektor auf die ansonsten heterogenen und meist privaten Cluster-Umgebungen. Hinzu kommt, dass anders als bei den privaten Cluster-Umgebungen und kleinen akademischen Grid-Projekten die angestrebten groß en und offenen Grid-Landschaften die Administratoren mit gänzlich unbekannten Benutzern und Verhaltenstrukturen konfrontieren. Dies macht das Erkennen von böswilligem Verhalten um ein Vielfaches schwerer. Als Konsequenz werden Grid-Systeme ein immer attraktivere Ziele für Angreifer, da standardisierte Zugriffsmöglichkeiten Angriffe auf eine groß e Anzahl von Maschinen und Daten von potentiell hohem finanziellen Wert ermöglichen. Während die Rechenkapazität, die Bandbreite und der Speicherplatz an sich schon attraktive Ziele darstellen können, sind die im Grid enthaltene Software und die gespeicherten Daten viel kritischere Ressourcen. Modelldaten für die neuesten Crash-Test Simulationen, eine industrielle Fluid-Simulation, oder Rechnungsdaten von Kunden haben einen beträchtlichen Wert und müssen geschützt werden. Wenn ein Grid-Anbieter nicht für die Sicherheit von Software, Daten und Meta-Daten sorgen kann, wird die industrielle Verbreitung der offenen Grid-Technologie nicht stattfinden. Die Notwendigkeit von strikten Sicherheitsmechanismen muss mit der diametral entgegengesetzten Forderung nach einfacher und schneller Integration von neuer Software und neuen Kunden in Einklang gebracht werden. In dieser Arbeit werden neue Ansätze zur Verbesserung der Sicherheit und Nutzbarkeit von service-orientiertem bedarfsgesteuertem Grid Computing vorgestellt. Sie ermöglichen eine autonome und sichere Installation und Nutzung von komplexer, service-orientierter und traditioneller Software auf gemeinsam genutzen Ressourcen. Neue Sicherheitsmechanismen schützen Software, Daten und Meta-Daten der Anwender vor anderen Anwendern und vor externen Angreifern. Das System basiert auf Betriebssystemvirtualisierungstechnologien und bietet dynamische Erstellungs- und Installationsfunktionalitäten für virtuelle Images in einer sicheren Umgebung, in der automatisierte Mechanismen anwenderspezifische Firewall-Regeln setzen, um anwenderbezogene Netzwerkpartitionen zu erschaffen. Die Grid-Umgebung wird selbst in mehrere Bereiche unterteilt, damit die Kompromittierung von einzelnen Komponenten nicht so leicht zu einer Gefährdung des gesamten Systems führen kann. Die Grid-Headnode und der Image-Erzeugungsserver werden jeweils in einzelne Bereiche dieser demilitarisierten Zone positioniert. Um die sichere Anbindung von existierenden Geschäftsanwendungen zu ermöglichen, werden der BPEL-Standard (Business Process Execution Language) und eine Workflow-Ausführungseinheit um Grid-Sicherheitskonzepte erweitert. Die Erweiterung erlaubt eine nahtlose Integration von geschützten Grid Services mit existierenden Web Services. Die Workflow-Ausführungseinheit bietet die Erzeugung und die Erneuerung (im Falle von lange laufenden Anwendungen) von Proxy-Zertifikaten. Der Ansatz ermöglicht die sichere gemeinsame Ausführung von neuen, fein-granularen, service-orientierten Grid Anwendungen zusammen mit traditionellen Batch- und Job-Farming Anwendungen. Dies wird durch die Integration des vorgestellten Grid Sandboxing-Systems in existierende Cluster Scheduling Systeme erreicht. Eine innovative Server-Rotationsstrategie sorgt für weitere Sicherheit für den Grid Headnode Server, in dem transparent das virtuelle Server Image erneuert wird und damit auch unbekannte und unentdeckte Angriffe neutralisiert werden. Um die Angriffe, die nicht verhindert werden konnten, zu erkennen, wird ein neuartiges Intrusion Detection System vorgestellt, das auf Basis von Datenstrom-Datenbanksystemen funktioniert. Als letzte Neuerung dieser Arbeit wird eine Erweiterung des modellgetriebenen Softwareentwicklungsprozesses eingeführt, die eine automatisierte Generierung von sicheren Grid Services ermöglicht, um die komplexe und damit unsichere manuelle Erstellung von Grid Services zu ersetzen. Eine prototypische Implementierung der Konzepte wird auf Basis des Globus Toolkits 4, der Sun Grid Engine und der ActiveBPEL Engine vorgestellt. Die modellgetriebene Entwicklungsumgebung wurde in Eclipse für das Globus Toolkit 4 realisiert. Experimentelle Resultate und eine Evaluation der kritischen Komponenten des vorgestellten neuen Grids werden präsentiert. Die vorgestellten Sicherheitsmechanismem sollen die nächste Phase der Evolution des Grid Computing in einer sicheren Umgebung ermöglichen

AccTEE: A WebAssembly-based Two-way Sandbox for Trusted Resource Accounting

Remote computation has numerous use cases such as cloud computing, client-side web applications or volunteer computing. Typically, these computations are executed inside a sandboxed environment for two reasons: first, to isolate the execution in order to protect the host environment from unauthorised access, and second to control and restrict resource usage. Often, there is mutual distrust between entities providing the code and the ones executing it, owing to concerns over three potential problems: (i) loss of control over code and data by the providing entity, (ii) uncertainty of the integrity of the execution environment for customers, and (iii) a missing mutually trusted accounting of resource usage. In this paper we present AccTEE, a two-way sandbox that offers remote computation with resource accounting trusted by consumers and providers. AccTEE leverages two recent technologies: hardware-protected trusted execution environments, and Web-Assembly, a novel platform independent byte-code format. We show how AccTEE uses automated code instrumentation for fine-grained resource accounting while maintaining confidentiality and integrity of code and data. Our evaluation of AccTEE in three scenarios – volunteer computing, serverless computing, and pay-by-computation for the web – shows a maximum accounting overhead of 10%