Ziele und Arbeitsprogramm

Ziel dieses Vorhabens ist es, die Application-Service-Providing-Konzeption auf Basis neuester Internet-Software-Technologien für technisch-wissenschaftliche Simulationen auf PC-Clustern zu entwickeln. Damit soll diese kostengünstige Art von Hochleistungsrechenkapazität und aktuelle wissenschaftliche Software auf besonders einfache Art und Weise Nutzern aus dem Bereich der Wissenschaft und der Industrie zugänglich gemacht werden. Hiermit hoffen wir, vor allem kleineren Instituten und mittelständischen Ingenieurbüros den Weg hin zum Einsatz von Simulationstechnologie zu ebnen. Daher ist die erfolgreiche Durchführung dieses Projekts praktisch Voraussetzung, um in Zukunft inhaltlich orientierte Forschungsprojekte, die diese Rechnerinfrastruktur nutzen werden, mit eben solchen Partnern einzuwerben und erfolgreich durchzuführen.

Konkret muss hierzu eine ASP-Basissoftware entwickelt werden, die die Web-Benutzungsschnittstelle, das Session-Management, Ein-/Ausgabedatentransfer, Authentisierung und Verschlüsselung, sowie Abrechnung in großen PC-Clustern ermöglicht. Darüber hinaus ist gerade für die häufig komplexen Job-Abläufe in wissenschaftlichen Simulationen eine adäquate Beschreibungs- und Steuerungsmöglichkeit zu finden. Um diese umfangreiche Softwareumgebung möglichst frühzeitig zur Verfügung zu haben, soll auf Entwicklungen des Projektpartners s+c aufgesetzt werden, die dieser in das Projekt miteinbringt und die vor allem im Hinblick auf große Installationen wie das PC-Cluster an der Universität Tübingen mit 192 Prozessoren erweitert werden müssen. Durch die Einbeziehung dieses Firmenpartners soll darüber hinaus die Anwendbarkeit der Konzepte in industriellen Umgebungen sichergestellt werden und eventuell ASP-Kunden von s+c zur frühzeitigen Evaluierung gewonnen werden.

Damit diese Basisentwicklungen sich permanent an konkreten Anforderungen orientieren, sollen parallel dazu zwei wissenschaftlich in der Physik und in der Informatik beheimatete Prototypen entwickelt werden. Ein Ziel ist die an der TAT entstandenen bereits parallelisierten Smoothed-Particle-Hydrodynamics-Codes auf die ASP-Plattform anzupassen und im Rahmen eines DFG-Transferprojekts mit Bosch einzusetzen. Zum anderen sollen die am IfI/VIS erarbeiteten Lösungen zur verteilten Visualisierung über Image-Streaming an die Graphikhardware des PC-Clusters adaptiert und für die SPH-Visualisierung verwendet werden.

Arbeitspaket 1: Ressourcen-Management

Ausgehend von der Evaluation von Lösungen zur Kopplung von Clustern mit Ressourcen-Management-Lösungen soll geprüft werden, inwieweit diese Lösungen schon den Anforderungen eines Inter-ASP-Dienstes genügen (Sicherheitsaspekte, Ausfallsicherheit, Transparenz des Monitorings). In diesem Zusammenhang werden auch die Kopplungsmöglichkeiten der Cluster innerhalb eines Ressourcen-Management-Systems mit Hilfe einer VLAN-Koppelung des s+c Clusters mit dem TAT-Cluster untersucht. Weiterhin wird die Partitionierung des ASP-Angebots in eine hochsichere Industriepartition und eine offenere Wissenschaftspartition betrachtet.

Der Einsatz von hardwareunterstütztem Check-Pointing soll im Hinblick auf effiziente Maschinenauslastung zur Unterstützung bei der Fehlersuche und zur Erlangung erhöhter Sicherheit untersucht werden. Generell soll die Ressourcenallokation für den ASP-Benutzer transparent erfolgen.

Arbeitspaket 2: ASP-Basissoftware

Das Arbeitspaket umfasst die Weiterentwicklung der von s+c entwickelten Grundversion der webbasierten ASP-Zugangssoftware. Aufbauend auf und in Kombination mit herkömmlichen Webtechnologien (HTML, CGI, JavaScript, server-side Template-Skripting mit Perl, PHP, Zope etc.) sollen Teile der GUI mittels Java funktional erweitert und verbessert werden, mit dem Ziel, eine intuitiv bedienbare, plattformunabhängige und von der Performanz her alltagstaugliche Benutzerschnittstelle zu realisieren.

Session-Management in Verbindung mit persistenter Datenhaltung auf Serverseite ermöglichen eine komfortable Navigation und die Verwaltung von Benutzerprofilen und -präferenzen. Ein webbasierter Filemanager zur Abwicklung des nötigen Dateitransfers und eine ebenfalls webbasierte leistungsfähige Editiermöglichkeit von Parameter- und Inputdaten, Eingabemasken, die das Starten von Rechenjobs/Simulationen erleichtern sowie Visualisierungsmöglichkeiten für die Berechnungsergebnisse sollen mittelfristig die kommandozeilenbasierte Login-Umgebung ersetzen. Einige Teilaspekte der hier sehr wichtigen Sicherheitsfragen wie Authentisierung und Verschlüsselung mittels SSL, Zertifikatverwaltung etc. sind noch zu präzisieren.

Um den Benutzern eine automatisierbare Integration in deren Softwaresystem zu ermöglichen, soll der Einsatz von XMLRPC untersucht werden. XMLRPC soll zum einem dem Kontrollfluss und zum anderen dem Datenaustausch dienen.

Die Entwicklung einer Datenbankumgebung zum verlässlichen Accounten und automatischen Abrechnen der in Anspruch genommenen Rechenleistungen sind weiterhin noch zu lösende Aspekte, ebenso wie Fragen der Skalierung auf Multiprozessormaschinen, Multithreading und Parallelisierung, die transparente Verteilung sowie die softwareseitige Partitionierung der vorhandenen Ressourcen zwecks sicherer Trennung bzw. Abschirmung von Daten und Prozessen der einzelnen ASP-Anwender. Letztere Anforderungen überschneiden sich inhaltlich zum Teil mit der Entwicklung des Produkts FlowGuide, dessen Einsatz u.a. hierfür geplant ist.

Arbeitspaket 3: Job-Flow-Software

Hier konzentrieren sich die Arbeiten auf die Realisierung von wissenschaftlichen Job-Flows unter Verwendung des s+c Produkts FlowGuide. Dazu gehört z.B. die Definition von Standard-Abläufen und deren Beschreibung mit FlowScript. Die in diesem Zusammenhang notwendigen Erweiterungen von FlowScript/FlowGuide müssen genauso implementiert werden wie die Anbindung an die ASP-Basissoftware.

Des Weiteren soll die Kopplung verschiedener PC-Cluster untersucht werden. Ein prototypisches Szenario wäre hier, den TAT-Cluster als Überlauf für den s+c-Cluster bei zu großen Ressourcen-Anforderungen (zu hoher Andrang, zu großer Plattenplatz- oder Speicherbedarf etc.) einzusetzen. Die Weiterleitung von Jobs müsste für die Benutzer transparent sein. Dafür muss ein Konzept für die Kopplung/Verteilung zwischen verschiedenen Clustern in FlowScript realisiert werden. Hier ist insbesondere auch zu überlegen, inwieweit man dafür LSF einsetzen kann.

Im Endausbau soll der Job-Flow via einer grafischen UML-Schnittstelle gesteuert werden können. Aus den gerichteten Grafen der UML-Diagramme können die erforderlichen XML-basierten FlowScript-Anweisungen generiert werden.

Arbeitspaket 4: Verteilte Visualisierung im ASP-Kontext

Einige Knoten des PC-Clusters werden mit 3D-Graphikkarten ausgestattet und erlauben damit hardware-beschleunigte Visualisierung. Allerdings muss hierzu die generierte Graphik aus dem Framebuffer dieser Karten ausgelesen und in komprimierter Form als Bildstrom an das Client-System des Benutzers übertragen werden. Erste Erfahrungen mit diesem Ansatz sind vielversprechend, sind jedoch bisher nur über die P-Buffer-Extension auf SGI-Plattformen realisiert.

In diesem Arbeitspaket soll untersucht werden, wie hardware-beschleunigtes Offscreen-Rendering auch mit PC-Karten und unter Linux durchgeführt werden kann. Darüber hinaus soll der parallele Einsatz mehrerer Knoten für die Stereo-Darstellung und die effiziente Kompression der Bilder evaluiert werden. Hierbei sind insbesondere asymmetrische Kompressionsverfahren von Interesse, da möglichst wenig Rechenlast auf dem Client bei geringen Bandbreitenanforderungen angestrebt wird.

Arbeitspaket 5: Prototypische Anwendung

Prototyisch soll ein parallelisierter Smoothed-Particle-Hydrodynamic Code, der an der TAT erstellt wurde, eine ASP Schnittstelle erhalten. Die gegebene Problematik ist insofern typisch für den geplanten Einsatz, als die hierbei benötigten Rechenleistungen für die Simulation des Primärzerfalls von Flüssigkeits/Gas-Gemischen nur mit Parallelrechnern erbracht werden können. Auf der Seite des Pilotanwenders Robert Bosch GmbH muss eine Integration in bestehende nicht parallele Rechnerarchitekturen und Softwaresysteme erfolgen.

Es soll gezeigt werden, dass mittels ASP eine Bereitstellung von wissenschaftlichen Anwendungen und von Hochleistungsrechnerkapazitäten möglich ist, ohne dass die Benutzer mit der Komplexität der eingesetzten Rechnerumgebungen konfrontiert werden. Die Integration in die bestehenden Simulationssysteme bei diesem industriellen Anwender soll mittels des plattformunabhängigen XMLRPC untersucht werden.

Der hohe Anfall an Daten bei nur begrenzter Internetbandbreite erfordert für den industriellen Anwender eine erhebliche serverseitige Datenreduktion bei dieser dreidimensionalen strömungsmechanischen Simulation. Der Einsatz von serverseitigem (Volume-)Rendering mit interaktiver Visualisierung auf Thin Clients soll prototypisch implementiert werden.

Ausgehend von dieser prototypischen Anwendung ist die Weiterentwicklung des SPH/ASP Programmes zur kommerziellen Reife in einem DFG-Transferprojekt, welches im Rahmen des SFB 382 angesiedelt werden soll, angestrebt.

Arbeitsplan/Zeitplan:

Arbeitspaket	1. Jahr				2. Jahr
	I	II	III	IV	I	II	III	IV
AP1: Ressourcen-Management	x	x	x	x	x
AP2: ASP-Basissoftware	x	x	x	x	x	x	x
AP3: Job-Flow-Software				x	x	x	x
AP4: ASP-Visualisierung			x	x	x	x	x	x
AP5: Anwendungsprototyp				x	x	x	x	x

   
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