Dreier, Bernd

Huber, Annja

Ungerer, Theo

Zahn, Markus

KITopen

Benutzerverwaltung undLeistungsabrechnung aufHypercomputern mit ReGTimeAnnja Huber1, Bernd Dreier1, Markus Zahn1, and Theo Ungerer21 Institut fur Informatik, Universitat Augsburg, D{86 135 Augsburg2 Institut fur Rechnerentwurf und Fehlertoleranz, Universitat Karlsruhe,D{76128 KarlsruheZusammenfassung Durch Hypercomputing sollen raumlich getrenn-te Workstation-Cluster zu einem einzigen virtuellen Rechner verbun-den werden. Mit unserem Softwarepaket ReGTime (Rent Gigaops so-meTimes) wird ein Elektronischer Markt fur die Rechenleistung vonWorkstations verwaltet. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, wiedas Management eines Hypercomputers durch ReGTime unterstutzt wird.1 Einleitung und MotivationMit Workstation-Clustern steht eine hohe Rechenleistung zur Ver-fugung, die mit parallelen Programmiertechniken genutzt werdenkann. Diese Rechenleistung wird haug noch nicht ausgenutzt undliegt auerhalb der Burozeiten oftmals sogar vollstandig brach. Un-sere Vision ist ein Elektronischer Markt fur Rechenleistung, der imInternet das Mieten, Vermieten und Makeln der Rechenleistung vonWorkstations ermoglicht. Dies soll es kleineren und mittleren Un-ternehmen ermoglichen, kurzfristig Supercomputer-Leistung zu nut-zen, ohne da ein eigener leistungsfahiger Hochleistungsrechner an-geschat werden mu. Die Unternehmen konnen dann komplexe An-wendungen, wie zum Beispiel Finite-Elemente-Systeme mit vielenVariablen, zur Verbesserung ihrer Produkte kostengunstig einset-zen. Bisher ist dieser Einsatz nur uber den Zugang zu einem teu-ren Parallelrechner moglich. Solche Programmsysteme werden des-halb momentan nur von Grormen eingesetzt, die uber die notigeHardwareausstattung verfugen. Weitere Anwendungen sind Wetter-vorhersagen oder ahnlich rechenintensive und gut parallelisierbareProbleme.2Das Erreichen einer Supercomputer-Leistung ist mittels Workstati-ons nur durch Zusammenschalten von mehreren Workstation-Clus-tern moglich. Das Management gekoppelter Workstation-Cluster istunter den Stichwortern"Hypercomputing\ [Tav96] bzw."Metacom-puting\ [SC92,Ram95,Fos96] derzeit Gegenstand der Forschung. Dasvon der Universitat Rostock ins Leben gerufene Projekt"Hyper-computing mit Workstation-Clustern\ befat sich mit der Realisie-rung eines Hypercomputers sowie dessen Organisation zum Einsatzfur praktische Applikationen. Es sollen uber 1 000 Workstations ver-schiedener Einrichtungen, die raumlich uber den gesamten deutschenRaum verteilt sind, verbunden und als kollektive parallele Rechnersimultan fur eine arbeitsteilige Durchfuhrung von einzelnen Problem-stellungen eingesetzt werden.Fur den Zugri auf die Ressourcen des Hypercomputers benotigtman ein Managementsystem, welches sowohl dessen Nutzung er-moglicht und koordiniert (Benutzerverwaltung), als auch die Ab-rechnung der verbrauchten Ressourcen ubernimmt (Leistungsabrech-nung). In dieser Arbeit wird aufgezeigt, wie auf einen Hypercomputermit Hilfe des Konzeptes von ReGTime1(Rent G igaops someTimes)zugegrien und abgerechnet werden kann. ReGTime entstand in Zu-sammenarbeit der Universitaten Augsburg und Karlsruhe. ReGTimeunterstutzt die Vermittlung ungenutzter Rechenleistung von Work-stations und ubernimmt deren Verwaltung. Weitere Ansatze mit die-ser Zielsetzung sind uns aus der Literatur nicht bekannt.In dieser Arbeit stellen wir zunachst unser Softwarepaket ReGTi-me vor und erlautern dessen Arbeitsweise. Anschlieend wenden wirdas Konzept konkret auf das Management von Hypercomputern an.Insbesondere bewahren sich die Managementstrategien von ReGTi-me bei der Organisation eines dynamischen Hypercomputers, bei derBenutzerverwaltung und der Leistungsabrechnung.2 Hypercomputer-ManagementBevor wir konkret auf die Anwendung des Hypercomputers einge-hen stellen wir unser Konzept und die Ideen zu ReGTime vor. Diese1 ReGTime ist unter der URL http://www.informatik.uni-augsburg.de/info1/regtime/verfugbar.3lassen sich leicht auf Hypercomputer projizieren und ermoglichendessen Nutzung. Im Besonderen fallen die Punkte Benutzerverwal-tung und Leistungsabrechnung in den Bereich des Managements vonRechnerkapazitaten, die mit Hilfe von ReGTime bearbeitet werden.2.1 Workstation-Cluster-Management mit ReGTimeUnser Softwarepaket ReGTime orientiert sich an den Trading-Me-chanismen [MMJLT96,PB96,MMJL96] eines Elektronischen Mark-tes. Es gibt drei Klassen von Marktteilnehmern: Anbieter, Kundenund Makler. Der Anbieter bietet uber einen ReGTime-Makler seinefreien Kapazitaten uber ein Formular des Maklers im WWW (WorldWide Web) an. Dabei konnen Anbieter und Makler identische Per-sonen sein, d. h. ein Anbieter ubernimmt nur fur sich selbst das Ver-mitteln seiner Workstation-Cluster. Der Handlungsablauf unterliegtfolgendem Modell (Vgl. Abb. 1):unterschreibenVertrag116 7839110524KundeAnbieter AMaklerAnbieter B Anbieter CvorbereitenWorld Wide WebAnfrageAngebotEntscheidungInformationbestätigenVertragVertragAngebote einholen12Abbildung1. Handlungsablauf mit ReGTime4Der Kunde liefert eine Auftrags- bzw. Leistungsbeschreibung ab, in-dem er im Maklerformular mogliche Mietzeiten, Preisvorstellungenund technische Daten uber die Art und Anzahl von Workstations,die gewunschte Software, etc. eintragt. Der Kunde mu einen Maklerkontaktieren und ein Angebot anfordern. Der Makler unterrichtet dieihm bekannten Anbieter von der Anfrage und stellt aus deren Ant-worten Angebote zusammen. Dabei werden die Angaben des Kundenmit den Daten des Vermieters verglichen, die ihrerseits mit einemManagementprogramm verwaltet werden.Insbesondere konnen auch Workstation-Cluster mehrerer Anbieterzu einem Angebot fur den Kunden kombiniert werden. Der Kundehat schlielich die Wahl, ob er eines der Angebote annehmen mochte.Ein Angebot beinhaltet u. a. die Anzahl der beteiligten Workstation-Cluster sowie die Preisangaben der einzelnen Anbieter, die bis jetztnoch anonym, d. h. nur dem Makler bekannt sind. Die Nutzung dergemieteten Rechner erfolgt durch die Bereitstellung eines normalenUnix-Logins fur die vertraglich festgelegte Mietdauer.Neben einer rein mietdauerbezogenen Abrechnung bieten wir mitReGTime eine nutzungsbezogene Abrechnung an. Wir bauen auf dasUnix-Abrechnungsverfahren auf, das der Betriebssystemkern fur je-den Proze unterstutzt. Daraus werden folgende Informationen wei-tergeleitet2:{ die Identitat des Benutzers, der den Proze ausfuhrte,{ die Rechenzeit des Prozesses (getrennt nach Benutzer- und Sy-stemmodus),{ der durchschnittliche Speicherbedarf wahrend der Ausfuhrungund{ der Umfang ausgefuhrter Ein-/Ausgabeoperationen.Nach Vertragsende wird aus den gesammelten Informationen dieRechnung erstellt und nach momentanem Stand noch schriftlich bzw.zusatzlich per eMail verschickt. Daruber hinausgehende buchungs-technische Aspekte sind nicht integriert. Eine detaillierte Beschrei-bung des Ablaufes und der Implementierung ndet man in [DHK+96].2 Diese Darstellung bezieht sich auf Solaris 2.x. Andere moderne Unix-Systeme habengleiche Funktionalitat, das im PC-Bereich populare Linux stellt bisher allerdings keinAccounting zur Verfugung.52.2 Integration von ReGTime in das Hypercomputing-ProjektIm Projekt Hypercomputing stellen sich konkrete Anforderungen andas Management der Workstation-Cluster. Zunachst gehen wir da-von aus, da raumlich verteilte Workstation-Cluster zur Verfugungstehen. Als Ressourcenverwaltungssystem fur die einzelnen Clusterwird im Hypercomputer der Universitat Rostock LSF [ZWZD92] be-nutzt. Die beteiligten Workstation-Cluster werden dezentral admini-striert und fur die Vermietung freigegeben. Die Organisationseinhei-ten sind nicht einzelne Rechner sondern jeweils abgeschlossene Clu-ster. Dabei kann eine Einrichtung, wie z. B. eine Universitat auch mitmehreren Clustern am Hypercomputer beteiligt sein. Damit ergebensich nachfolgende Aspekte fur die Bereiche"Benutzerverwaltung\und"Leistungsabrechnung\ auf Hypercomputern.Benutzerverwaltung Unser Konzept ReGTime bietet fur die Be-nutzerverwaltung folgende Losung: Alle am Hypercomputer beteilig-ten Workstation-Cluster teilen einem Makler ihrer Wahl mit, da siezur Vermietung zur Verfugung stehen und damit Teil des Hypercom-puters werden. Der ganze Hypercomputer soll dabei nicht nur durcheinen einzigen Makler verwaltet werden, sondern das Mieten solldezentral uber mehrere Makler erfolgen konnen. Diese sind jedochmiteinander verbunden bzw. untereinander bekannt (registriert), soda alle Makler im Grunde die selben Informationen besitzen. DieseAufteilung soll das Risiko des kompletten Ausfalls der Angebots-erstellung und Vertragsabschlusse vermindern, um Anwendern mitweniger rechenintensiven Programmen bei ausreichend vorhandenerRechenleistung trotzdem die Moglichkeit zu bieten, Rechenleistungmieten zu konnen. Ein weiterer Vorteil dieser Verteilung der Maklerist die leichtere Administration, da bei einer Anderung (Hinzufugenoder Entfernen eines Anbieters) jeweils nur der Makler benachrich-tigt werden mu, bei welchem der Anbieter eingetragen ist. Die vor-her registrierten Anwender wenden sich an einen ReGTime-Maklerihrer Wahl, um geeignete Rechner zu dem fur sie gewunschten Zeit-punkt fur ihre Applikationen zu nden. Das heit, ReGTime uber-nimmt die Vermittlung der Ressourcen, wobei der authentizierte6Kunde nur auf den fur ihn relevanten Teil des Hypercomputers Zu-gri erhalt. Dadurch erhalt man einen dynamischen Hypercomputer.Der Hypercomputer entspricht in seiner bisherigen Projektdarstel-lung durch die Universitat Rostock einem statischen Modell. EinHypercomputer soll von den Teilnehmern als ein einziges, verteiltesund netzwerkbasiertes Rechnersystem aufgefat werden [Tav96]. MitReGTime ergibt sich jedoch die Moglichkeit, einen dynamischen Hy-percomputer zu kongurieren und die Anzahl der Nutzer bei nichtkonkurrierenden Applikationen zu erhohen und damit eine gute Aus-lastung zu erzielen. Abb. 2 zeigt die Organisation des Hypercompu-ters mittels ReGTime im Uberblick.Die konkrete Realisierung der Benutzerverwaltung mit ReGTimebesteht aus zwei Teilen und lat sich wie folgt umschreiben: ZumEinen mu in Abhangigkeit des zugrundeliegenden Betriebssystemsdes Hypercomputers ein Zugang (z. B. Login) vom Administratordes Workstation-Clusters eingerichtet werden. Diese Kennung mitden damit verbundenen Nutzungsrechten werden vom Administra-tor zur Vermietung freigegeben. Der zweite Teil fallt in den Bereichvon ReGTime, namlich diesen Zugang zu vermieten. Dazu benotigenwir eine Schnittstelle zwischen ReGTime und dem Betriebssystemdes Hypercomputers, welche sich an den konkreten Gegebenheitenorientiert.Der Anwenderkreis des Prototypen wird zu Beginn eingeschranktsein. Fur die Authentizierung der beteiligten Projektpartner bietetReGTime ein Verfahren mittels PGP [Gar95]. Die"privaten Schlus-sel\ der Mieter mussen auf sichere Art dem Anbieter ubermitteltwerden. Da im Hypercomputer samtliche Projektpartner bekanntsind, kann eine einmalige und sichere Ubermittlung der Schlussel er-folgen. Kritisch wird es erst, falls neue Projektpartner hinzukommen.Ein Notardienst konnte die Gewahrleistung elektronischer Schlusselunterstutzen. Alle Anbieter, die einen Zugang zum Hypercomputerbieten, sollten sich bei diesem zentralen Notardienst uber die Kor-rektheit des privaten Schlussels ruckversichern.Leistungsabrechnung Im oben beschriebenen Konzept der Be-nutzerverwaltung bilden die Makler die zentrale Instanz fur den Zu-gri auf den Hypercomputer. Da bereits im Angebot Preise genannt7MaklerAnwenderAnwenderMaklerWorkstation-ClusterMaklerHypercomputerBei einem Makler registrierte Workstation-ClusterVerbindung der Makler  untereinanderAbbildung2. Hypercomputer-Management mit ReGTimesind, mussen die Moglichkeiten der Leistungsverrechnung ab hier un-tersucht werden. Im Folgenden zeigen wir kurz auf, welche Formender Leistungsabrechnung bei Hypercomputern in Betracht kommenkonnten.Der wesentliche Punkt bei der Vergabe von Rechenleistung in einemHypercomputer mit ReGTime ist die Angebotserstellung und da-mit auch die Koordinationsform des Rechenleistungsmarktes selbst.Wenn wir von einem realen elektronischen Markt ausgehen, ist derKoordinationsmechanismus der Preis. Mit ReGTime erstellen wirfur den Kunden ein Angebot mit Preisangabe. Der Kunde lat sichfur einen gewunschten Zeitraum Angebote erstellen und falls er ei-nes zu einem fur ihn akzeptablen Preis erhalt, wird er das Angebotannehmen und die Workstation-Cluster werden gemietet.Die Bereitstellung von Ressourcen im Hypercomputer-Projekt n-det, zumindest am Anfang, unentgeltlich statt. Demzufolge mu einanderer Mechanismus fur die Vergabe der Rechenzeit erfolgen. Bei-spielsweise konnte man festlegen, wieviel Rechenzeit jeder einzelne8Projektpartner bekommt (z. B. anteilig an den selbst beigesteuertenRechnern). Weiterhin benotigt man eine Leistungsbewertung der ein-zelnen Workstations der Anbieter, bzw. wieviel die Rechenleistungder Workstations kostet, so da nach diesem Schema"abgerechnet\werden kann. Das Verwaltungssystem mu protokollieren, wievielRechenzeit der einzelne Nutzer schon verbraucht hat und wieviel ihmdemzufolge noch zur Verfugung steht. Naturlich mu es auch einenMechanismus geben, der das Kontingent der einzelnen Benutzer wie-der auffullt. Bundelt man die Nachfragen die in einem befristetenZeitraum erfolgen, so kann fur die Beteiligten ein optimales Ange-bot errechnet werden. Dabei kann der Nutzer priorisiert werden, derbislang am wenigsten gerechnet hat. Die Angebotsoenlegung kannauf zwei Arten erfolgen: Die Kunden erhalten die Angebote gleich-zeitig oder nacheinander. Im letzteren Fall bekommt der priorisierteNutzer als erster ein Angebot. Je nach Annahme oder Ablehnunggestalten sich die Nachfolgeangebote fur die Mitkonkurrenten.Damit bestimmt die Abrechnung die Organisation des Rechenlei-stungsmarktes. Grundsatzlich unterscheidet ReGTime xe und va-riable Kosten und basiert auf einer Marktform. Zieht man Abspra-chen in Betracht, so konnen beispielsweise elektronische Berechti-gungsscheine vergeben werden. Die Angebotserstellung konnte wieoben beschrieben erfolgen, und die Bezahlung durch Abgabe derBerechtigungsscheine an das Managementprogramm des Hypercom-puters.2.3 FazitEs stehen mehrere Moglichkeiten der Benutzerverwaltung und Lei-stungsabrechnung bei der konkreten Umsetzung des Hypercompu-ters zur Auswahl. Unser Konzept von ReGTime lat sich hier gutanwenden: Ein vorgeschalteter und vom Hypercomputer selbst un-abhangiger Mechanismus sucht mit spezischen Parametern nachgeeigneten Clustern und schat die Moglichkeit des Zugangs. Die-se Instanz ubernimmt nach Ende der Ausfuhrung der Applikationdie Abrechnung. Damit verlagert sich die Organisation auf eine In-stanz auerhalb des Hypercomputers, so da die Administratorender Workstation-Cluster nur fur Bereitstellung der in ihrem Ver-antwortungsbereich stehenden Rechner Sorge tragen mussen. Durch9die ubergeordnete Instanz erhalt man ebenfalls die Moglichkeit, dieAuslastung durch geeignete Koordination zu optimieren.3 ZusammenfassungDie vorliegende Arbeit befat sich mit Zugrismoglichkeiten auf Rech-nerkapazitaten, welche aus Workstation-Clustern gebildet werden.Der Verkauf von Rechenleistung kann mit Hilfe unseres Software-paketes ReGTime organisiert werden. Es bietet, als Grundlage fureinen Elektronischen Markt, den Marktteilnehmern (Anbieter, Kun-den und Makler) eine Basis fur das Mieten und Vermieten von Re-chenleistung. Es ist ein Verwaltungsprogramm, mit dem sich freieRechnerkapazitaten per Internet mieten und vermieten lassen. Durchdie Vermietung konnen Firmen brachliegende Rechenleistung ver-kaufen und damit die Rentabilitat ihrer Rechnerausstattung erhohen.Dieses Konzept kann direkt auf die Anwendung eines Hypercompu-ters ubertragen werden. Der Makler ubernimmt dabei die Aufgabender Benutzerverwaltung und der Leistungsabrechnung. Unter Be-nutzerverwaltung verstehen wir das Vermitteln und Zuteilen der zurVerfugung gestellten Ressourcen. Der Makler ist auerhalb des Hy-percomputers plaziert und nicht fur die technische Realisierung desHypercomputers zustandig. Durch die Aufteilung | es gibt mehre-re Makler, die die Rechenkapazitaten des Hypercompters vergebenkonnen | erhoht sich die Ausfallsicherheit insofern, als da wenig-stens noch der Teil des Hypercomputers vermietet werden kann, wel-cher nicht bei dem ausgefallenen Makler registriert ist. Wir sehendieses Konzept als geeignet, den Zugri auf den Hypercomputer zuorganisieren.Literatur[DHK+96] B. Dreier, A. Huber, H. Karl, T. Ungerer, and M. Zahn. ReGTime |Rent Gigaops someTimes. In Trends in Distributed Systems, pages 84{93. Springer Verlag: Lecture Notes in Computer Science, Vol. 1161, 1996.[Fos96] Ian Foster. High Performance Distributed Computing: The I-WAY Expe-riment and Beyond. In Euro-Par96, pages 3{10, 1996.[Gar95] Simson Garnkel. PGP: Pretty Good Privacy. O'Reilly & Associates,Sebastopol, CA, March 1995.10[MMJL96] M. Merz, K. Muller-Jones, and W. Lamersdorf. Agents, services, andelectronic markets: how do they integrate? In Distributed Platforms, pages287{300. Chapman & Hall, 1996.[MMJLT96] S. Muller, K. Muller-Jones, W. Lamersdorf, and T. Tu. Global TraderCooperation in Open Service Markets. In Trends in Distributed Systems,pages 214{227. Springer Verlag, Lecture Notes in Computer Science, Vol.1161, 1996.[PB96] A. Puder and C. Burger. New concepts for qualitative trader cooperation.In Distributed Platforms, pages 301{313. Chapman & Hall, 1996.[Ram95] Friedhelm Ramme. Building a virtual machine-room | a focal point inmetacomputing. Future Generation Computer Systems, 11:477{489, 1995.[SC92] Larry Smarr and Charles E. Catlett. Metacomputing. Communicationsof the ACM, 35:45{52, June 1992.[Tav96] D. Tavangarian. Hypercomputing mit Workstation-Clustern. http://www.tec.informatik.uni-rostock.de/hypercomp/, 1996.[ZWZD92] S. Zhou, J. Wang, X. Zheng, and P. Delisle. Utopia: A load sharing facilityfor large, heterogeneous distributed computing systems. Technical ReportCSRI-257, Computer Systems Research Institute, University of Toronto,1992.

Benutzerverwaltung und Leistungsabrechnung auf Hypercomputern mit ReGTime

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Benutzerverwaltung und Leistungsabrechnung auf Hypercomputern mit ReGTime

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