Fachbereich Mathematik und Informatik

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Projektseminar: Internet- und GPU-basiertes Cloud Computing
Aktuell

15.03.2011:
Die Vorsprechung zum Projektseminar findet am 18.03.2011 von 11-13 Uhr in SR7 statt.

Inhalt

Der aufstrebende Bereich des Cloud-Computing ermöglicht die dynamische Zusammenstellung beliebiger Rechnersysteme für anspruchsvolle verteilte Anwendungen. Gleichzeitig ist die Programmierung moderner Grafikkarten (GPU-Computing) ein wichtiges Mittel zur Umsetzung rechenintensiver Anwendungen geworden.

Das Thema dieses Projektseminars (Praktikum) ist die Verwendung von GPUs in Cloud-Systemen. Hierbei müssen CPUs und GPUs verwaltet und die Kommunikation zwischen den Rechnersystemen realisiert werden. Die OpenCL-API (Open Computing Language) spezifiziert ein einheitliches Modell für die Programmierung auf Rechnersystemen mit Graphics Processing Units (GPU) und CPU. In diesem Projektseminar soll eine Lösung entwickelt werden, die OpenCL für die Verwendung in Cloud-Systemen erweitert.

Im Rahmen dieses Projektseminars erlernen die Teilnehmer zunächst die Grundlagen des Cloud-Computings und der GPU-Programmierung mit OpenCL. Darauf aufbauend sollen abhängig von der Teilnehmerzahl und -qualifikation unterschiedliche Aspekte abgedeckt werden:

  • Entwurf und Implementierung einer Scheduling-Komponente, die eingehende Arbeitsaufträge annimmt und auf die zur Verfügung stehenden Ressourcen (GPUs und CPUs) verteilt. Hierbei müssen insbesondere Ressourcenanforderungen spezifiziert und überprüft werden.
  • Entwurf und Implementierung einer Bibliothek für OpenCL, welche die Verwaltung von CPUs und GPUs und die notwendige Netzwerkkommunikation innerhalb von Cloud-Systemen übernimmt. Um eine größtmögliche Kompatibilität zu bestehenden OpenCL-Anwendungen zu gewährleisten, soll sich das Interface dieser Bibliothek am bestehenden OpenCL Interface orientieren.

Die Teilnahme an diesem Projektseminar setzt grundlegende Kenntnisse der Programmiersprachen C und C++ voraus.

Zeit und Ort
Vorstellung: Dienstag, 25.01.2011 um 10 Uhr c.t. im SR 7
Projektsitzung: Dienstags, 10-12 Uhr c.t., wöchentlich, SR 7
Anmeldung Anmeldung per Mail an  Dominique Meiländer bis zum 28.01.2011.
Zuordnung Dipl. Informatik - Projektseminar,
M.Sc. Informatik - Projektseminar
Veranstalter Prof. Sergei Gorlatch,
 Dipl.-Inf. Philipp Kegel,
 Dipl.-Inf. Dominique Meiländer,
 Dipl.-Inf. Michel Steuwer

Themen der Einfürungsreferate

Cloud-Computing

Cloud Computing und Infrastructure-as-a-Service (IaaS) beschreiben das Konzept Ressourcen, wie z.B. Rechenleistung oder Speicherkapazität, bei speziellen Anbietern (Infrastructure Provider) zu mieten. IaaS ermöglicht es den Betreibern von Anwendungen im Internet auf die kostenintensive Anschaffung eigener Ressourcen zu verzichten und Ressourcen, dem Bedarf angepasst, zu mieten: es wird nur bezahlt was aktuell benötigt wird und unbenutzte Ressourcen können ad-hoc freigegeben werden.

Inhalte:

  • IaaS-Prinzip
  • Hardware-Virtualisierung
  • Kommunikation mit Cloud-Service
  • Architektur der Eucalyptus Private Cloud und des Amazon EC2 Webservice
Weitere Informationen
  • Nurmi, D., Wolski, R., Grzegorczyk, C., Obertelli, G., Soman, S., Youseff, L., Zagorodnov, D. (2009): Eucalyptus: an open-source cloud computing infrastructure, Journal of Physics: Conference Series. WWW:  Artikel DOI
  • Barham, P., Dragovic, B., Fraser, K., Hand, S., Harris, T., Ho, A., Neugebauer, R., Pratt, I., Warfield, A. (2003): Xen and the art of virtualization, Proceedings of the nineteenth ACM symposium on Operating systems principles (SOSP), ACM. WWW:  Artikel
  • WWW:  Eucalyptus Public Cloud
  • WWW:  Amazon Elastic Compute Cloud (Amazon EC2)

Ressourcen-Management-Strategien

Zur Verwaltung mehrerer Ressourcen in einem verteilten System, benötigt man eine Komponente, welche eingehende Arbeitsaufträge annimmt und auf die zur Verfügung stehenden Ressourcen verteilt. In diesem Vortrag soll der grundlegende Aufbau einer solchen Komponente skizziert und ein Überblick über vorhandene Umsetzungen gegeben werden.

Inhalte:

  • Abstrakter Aufbau einer Ressourcen-Management-Komponente
  • Klassifizierung vorhandener Ansätze bzgl. Systemorganisation, Ressourcenbeschreibung, Strategien zur Lastverteilung
  • Konkrete Umsetzungen der beschriebenen Ansätze
Weitere Informationen
  • Krauter, K., Buyya, R., Maheswaran, M. (2001): A taxonomy and survey of grid resource management systems for distributed computing, Software: Practice and Experience, John Wiley & Sons, Ltd. WWW:  Artikel DOI

Performance-Modelle

Heterogene Rechensysteme bieten unterschiedlichen Verarbeitungseinheiten (z.B. CPUs und GPUs) an, welche zur Berechnung von Problemen eingesetzt werden können. Um eine geeignete Verarbeitungseinheit auszuwählen benötigt man Strategien und Modelle, welche die unterschiedlichen Verarbeitungseinheiten im Hinblick auf das vorliegende Problem bewerten und die benötigte Laufzeit abschätzen. Dieser Vortrag soll geeignete Performance-Modelle zur effizienten Auswahl von Verarbeitungseinheiten vorstellen.

Weitere Informationen
  • Jiménez, V. J., Vilanova, L., Gelado, I., Gil, M., Fursin, G., Navarro, N. (2009): Predictive Runtime Code Scheduling for Heterogeneous Architectures, Proceedings of the 4th International Conference on High Performance Embedded Architectures and Compilers (HiPEAC). WWW:  Artikel DOI

OpenCL-Programmiermodell

OpenCL ist ein offener Industriestandard zur parallelen Programmierung heterogener Systeme. Dieser Vortrag soll eine Einführung in das Programmiermodell von OpenCL geben. Dabei sollen die zentralen Begriffe von OpenCL geklärt werden: Host, Device, Kernel, ... Insbesondere soll der Aufbau eines OpenCL Devices, sowie die Ausführung eines Kernels auf einem Device erläutert werden.

Weitere Informationen

OpenCL-API

In diesem Vortrag soll die praktische Programmierung von OpenCL im Vordergrund stehen. Dabei soll anhand eines einfachen Beispiels die wichtigsten Schritte bei der Programmierung dargelegt werden. Insbesondere sollte dabei die Erstellung eines Kernels besprochen werden. Dabei sind, aufbauend auf dem Vortrag 'OpenCL-Programmiermodell', weitere OpenCL Begriffe einzuführen, etwa wie Work-Item oder Work-Group.

Weitere Informationen

Netzwerkprogrammierung mit Sockets

Sowohl für die Implementierung einer verteilten OpenCL-Implementierung als auch für den Zugriff auf Cloud-Resourcen ist die Verwendung von Sockets zur Netzwerkkommunikation unabdingbar. Dieser Vortrag soll daher einen Überblick sowie eine kurze Einführung in die Socketprogrammierung in C vermitteln. Anhand eines einfachen Programmbeispiels in C soll die Anwendung in der Praxis demonstriert werden.

Weitere Informationen

Related Work

In diesem Vortrag sollen wichtige Forschungsarbeiten und Softwareprojekte vorgestellt werden, die sich mit der verteilten Implementierung der OpenCL-API befassen. Neben der einer knappen Funktionsbeschreibung der einzelnen Projekte und deren Vergleich, soll auch die Relevanz dieser Funktionen für die Arbeit im Projektseminar evaluiert werden.

Weitere Informationen
Fristen und Termine
Vorstellung:25.01.2011
Vorbesprechung:18.03.2011
Einführungsvorträge:05.04.2011
Präsentation des Prototypen:31.05.2011
Abschlußvortrag:26.07.2011
Abgabe der Ausarbeitung:26.08.2011


Unterlagen

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