GRID-технологии

УТВЕРЖДАЮ
Директор ИК
___________ М.А. Сонькин
«___» ____________2011 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
GRID-технологии
НАПРАВЛЕНИЕ ООП 230100 Информатика и вычислительная техники
СПЕЦИАЛИЗАЦИИ ПОДГОТОВКИ Информационное и программное обеспечение
автоматизированных систем, Распределенные автоматизированные системы
КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ)
БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН ПРИЕМА
магистр
2011 г.
КУРС 1 СЕМЕСТР 2
КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ
4 кредита ECTS
ПРЕРЕКВИЗИТЫ
КОРЕКВИЗИТЫ
М2.Б1, М2.Б2
М1.В3
ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:
Лекции
27 час.
Лабораторные занятия
45 час.
АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
72 час.
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
72 час.
ИТОГО
144 час.
ФОРМА ОБУЧЕНИЯ
очная
ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ
экзамен
ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ
кафедра ИПС
ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ ИПС
Сонькин М.А
РУКОВОДИТЕЛЬ ООП
Чередов А.Д.
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ
Ботыгин И.А.
2011 г.
1. ЦЕЛИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Целями преподавания дисциплины являются:

формирование у студентов знаний в области технологий управления ресурсами распределенных систем;

формирование у студентов знаний и понимания особенностей использования GRID-технологий в распределенных супервычислених, "высокопоточных" вычислениях, вычислениях "по требованию" и в коллективных
вычислениях;

формирование у студентов понимания перспектив развития глобальной
инфраструктуры, интегрирующей мировые компьютерные ресурсы для
реализации крупномасштабных информационно-вычислительных проектов

формирование у студентов способности самостоятельного изучения отдельных тем дисциплины и решения типовых задач при реализации
GRID-проектов;

формирование у студентов навыков работы по использованию и применению инструментария программирования современных распределенных
приложений;

формирование у студентов мотивации к самообразованию за счет активизации самостоятельной познавательной деятельности.
Поставленные цели полностью соответствуют целям (Ц1-Ц5) ООП.
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП
Дисциплина «GRID-технологии» (М2.В.4.1, М2.В.6.1) является вариативной
дисциплиной в профессиональном цикле (М2).
Для её успешного усвоения необходимы знания базовых понятий математики
и вычислительной техники, умения применять вычислительную технику для решения практических задач, владения навыками работы на персональном компьютере и
создания профессиональных программных продуктов.
Пререквизитами данной дисциплины являются базовые дисциплины профессионального цикла подготовки магистров (М2): «Вычислительные системы»
(М2.Б1) и «Технология разработки программного обеспечения» (М2.Б2).
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
После изучения данной дисциплины магистранты приобретают знания, умения и владения, соответствующие результатам основной образовательной программы: Р3, Р4*. Соответствие результатов освоения дисциплины «GRID-технологии»
формируемым компетенциям ООП представлено в таблице.
Формируемые
компетенции в
соответствии с
ООП*
З.3.1.4 (З.3.1.6)
Результаты освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины студент должен знать:
У.3.1.4 (У.3.1.6),
У.4.3.4 (У.4.3.6)
В результате освоения дисциплины студент должен уметь:
В.3.1.4 (В.3.1.6)
В результате освоения дисциплины студент должен владеть:
2
*Расшифровка кодов результатов обучения и формируемых компетенций представлена в Основной образовательной программе подготовки магистров по направлению 230100 «Информатика и вычислительная техника».
В результате освоения дисциплины выпускник обладает следующими общекультурными и профессиональными компетенциями:
Требования ФГОС – ОК-2; ОК-4; ПК-4; ПК-5.
1. Универсальные (общекультурные):
 способен к самостоятельному обучению новым методам исследования, к изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности (ОК-2 ФГОС);
 способность использовать на практике умения и навыки в организации исследовательских и проектных работ, в управлении коллективом (ОК-4
ФГОС);
2. Профессиональные:
 проектно-конструкторская деятельность:
 способность формировать технические задания и участвовать в разработке аппаратных и/или программных средств вычислительной техники (ПК-4);
 выбирать методы и разрабатывать алгоритмы решения задач управления и
проектирования объектов автоматизации (ПК-5 ФГОС);
4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
4.1 Аннотированное содержание разделов дисциплины:
Раздел 1
1.1. Технологии управления ресурсами распределенных систем. Концепции
метакомпьютинговых систем.
1.2. Концепция глобальной инфраструктуры, интегрирующей мировые компьютерные ресурсы для реализации крупномасштабных информационновычислительных проектов (GRID технология).
1.3. Основные определения в GRID-системах. Обоснование потребности в использовании высокопроизводительных сетей.
Раздел 2
2.1. Многоуровневая система служб для управления данными в GRIDтехнологиях.
2.2. Службы верхнего уровня. Управление тиражированием (Replica
Management). Оптимизация запросов и управление шаблоном доступа (Query
Optimization & Access Pattern Management).
2.3. Службы промежуточного слоя. Организация пересылки, поиска и доступа
к данным.
2.4. Нижележащие службы. Системы управления хранением данных (Castor,
HPSS, локальные файловые системы).
Раздел 3
3.1. Системы управления метаданными.
3.2. Создание распределенного иерархического кэша. Обеспечение необходимых механизмов безопасности.
3
3.3. Гетерогенность репозиториев данных в инфраструктуре Data GRID.
Раздел 4
4.1. Тиражирование данных как процесс управления копиями. Стратегия кэширования, при которой идентичные файлы доступны в нескольких местах GRIDинфраструктуры.
4.2. Синхронизация реплик с другими репликами. Зависимость качества реплики от протоколов обновления и сетевых параметров GRID-инфраструктуры.
Стратегия обновления и создания реплик.
4.3. Использование механизма связи на каждом GRID-узле для тиражирования
метаданных.
4.4. Реализация различных протоколов тиражирования (синхронные и асинхронные методы обновления).
Раздел 5
5.1. Вычислительная GRID-инфраструктура.
5.2. Использование GRID-технологий в распределенных супервычислених
(решение очень крупных задач, требующих огромных процессорных ресурсов, памяти и т.д.).
5.3. Использование GRID-технологий в "высокопоточных" вычислениях (HighThroughput Computing), позволяющих организовать эффективное использование ресурсов для небольших задач, утилизируя временно простаивающие компьютерные
ресурсы.
Раздел 6
6.1. Использование GRID-технологий в вычислениях "по требованию" (OnDemand Computing), крупные разовые расчеты.
6.2. Использования GRID-технологий в вычислениях с привлечением больших объемов распределенных данных (Data-Intensive Computing);
6.3. Использования GRID-технологий в коллективных вычислениях
(Collaborative Computing).
Лабораторные занятия
1. Возможности инструментальных наборов средств GRID-технологий (сокеты
и коммуникационные библиотеки).
2. Обеспечение службы доступа высокого уровня и оптимизация глобальной
пропускной способности с использованием GRID-кэшей.
3. Осуществление глобального кэширования и создание локальных кэшей на
основе систем массовой памяти.
4.2 Структура дисциплины по разделам и формам организации обучения
приведена в таблице 1.
Таблица 1
Структура дисциплины по разделам и формам организации обучения
Название раздела/темы
Контр. Р.
Раздел 1
Аудиторная работа
СРС
(час)
(час)
Лекции
Лаб. зан.
4
4
8
Раздел 2
4
Тест 1
10
4
10
Итого
16
24
Раздел 3
Раздел 4
Раздел 5
4
7
4
6
6
14
10
8
18
Раздел 6
4
5
18
27
Итого
27
45
72
144
20
21
36
Тест 2
4.3 Распределение компетенций по разделам дисциплины
Распределение по разделам дисциплины планируемых результатов обучения по основной образовательной программе, формируемых в рамках данной дисциплины и
указанных в пункте 3.
Таблица 2.
Распределение по разделам дисциплины планируемых результатов обучения
№
1.
2.
3.
4.
Формируемые
компетенции
З.3.1.4 (З.3.1.6)
У.3.1.4 (У.3.1.6)
У.4.3.4 (У.4.3.6)
В.3.1.4 (В.3.1.6)
1
+
2
+
+
+
+
Разделы дисциплины
3
4
+
+
+
+
+
+
+
+
5
+
+
+
+
6
+
+
+
+
5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
В таблице 2 приведено описание образовательных технологий, используемых
в данном модуле.
Таблица 3
Методы и формы организации обучения (ФОО)
ФОО
Методы
IT-методы
Работа в команде
Case-study
Игра
Методы проблемного обучения.
Обучение на основе опыта
Опережающая самостоятельная работа
Проектный метод
Поисковый метод
Исследовательский метод
Другие методы
Лекц.
Лаб. раб.
СРС
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
6. ОРГАНИЗАЦИЯ И УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
6.1. Самостоятельную работу студентов (СРС) можно разделить на текущую и творческую.
Текущая СРС – работа с лекционным материалом, подготовка к
лабораторным работам, практическим занятиям с использованием сетевого
образовательного ресурса (портал ТПУ, сайт кафедры ИПС); опережающая
самостоятельная работа; выполнение домашних заданий; изучение тем, вынесенных
на самостоятельную проработку; подготовка к контрольной работе, экзамену.
Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа
5
(ТСР) – поиск, анализ, структурирование информации по темам, выносимым
на самостоятельное изучение (ресурсы Интернет в том числе).
6.2. Содержание самостоятельной работы студентов по дисциплине
В процессе изучения дисциплины студенты должны самостоятельно овладеть
следующими темами:
1. Технологические основания для создания GRID-инфраструктур (волоконнооптические сети, высокопроизводительные процессоры, параллельные архитектуры,
протоколы связи, математическое обеспечение распределенных структур, механизмы обеспечения безопасности).
2. Базовые функции GRID. Базовые компоненты архитектуры. Конечные системы.
3. Кластеризация как физическое соединение и интеграция двух и более серверов с целью обеспечения высокого коэффициента готовности (обеспечение работы
критических для бизнеса приложений на протяжении максимально продолжительного промежутка времени) и масштабируемости системы.
4. Основные характеристики специального программного и аппаратного обеспечения, обеспечивающие работу кластера.
Промежуточный контроль знаний – теоретических и практических – производится в процессе защиты студентами лабораторных работ, по результатам контрольной работы. Контроль и оценка знаний производится в соответствии с рейтинг-планом. Окончательный контроль знаний производится в форме экзамена (с
учетом набранных баллов).
6.3. Контроль самостоятельной работы
Рубежный контроль в виде контрольной работы по теоретической и практической части.
По результатам текущего и рубежного контроля формируется допуск студента
к экзамену. Экзамен проводится в устной форме.
6.4.Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Для самостоятельной работы студентов используются сетевые образовательные ресурсы, представленные в портале ТПУ, на сайте каф. ИПС, сеть Internet и
другие научно-образовательные ресурсы.
7. СРЕДСТВА (ФОС) ТЕКУЩЕЙ И ИТОГОВОЙ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА
ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Для организации текущего контроля полученных студентами знаний по данной дисциплине используются тесты, размещенные на сайте каф. ИПС. Каждый
тест имеет 2 или 3 варианта и содержит несколько вопросов. Текущий контроль
освоения дисциплины осуществляется при сдаче студентом лабораторных работ.
Для контрольной работы предлагается перечень из теоретических вопросов и практических задач. Экзаменационные билеты также содержат теоретическую и практическую части.
8. РЕЙТИНГ КАЧЕСТВА ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Распределение учебного времени:
Лекции
Лабораторные работы
Самостоятельная работа студентов
36 час
54 час
108 час
Основные положения по рейтинг-плану дисциплины
6
На дисциплину выделено 100 баллов и 6 кредитов, которые распределяются
следующим образом:
2-й семестр: 6 кредитов, 100 баллов – лекции, лабораторные работы, контрольная работа, экзамен.
- текущий контроль
75 баллов;
- промежуточная аттестация (экзамен)
25 баллов.
Допуск к сдаче экзамена осуществляется при наличии более 60 баллов, обязательным является выполнение всех лабораторных работ и контрольной работы.
Итоговый рейтинг определяется суммированием баллов, набранных в течение
семестра и на экзамене.
Рейтинг-план освоения дисциплины в течение семестра приведен в
ПРИЛОЖЕНИИ 1.
9. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

основная литература:
1. Олифер В.Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы:
Учебник для вузов. 3-е издание - Питер, 2006
2.
I. Foster and C. Kesselman (eds), "The Grid 2: Blueprint for a New Computing
Infrastructure", Morgan Kaufmann Publishers, 2004.
3. Ian Foster and Carl Kesselman (eds), "The Grid, Blueprint for a New computing
Infrastructure", Morgan Kaufmann Publishers, Inc., 1998.
4. Гитис Л. Кластерный анализ в задачах классификации, оптимизации и
прогнозирования. Издательство Московского государственного горного университета, 2004

дополнительная литература:
1.
Таненбаум Э. Компьютерные сети 3-е издание - Питер, 2002.
2. Стивен Норткат, Марк Купер, Мэтт Фирноу, Карен Фредерик. Анализ типовых нарушений безопасности в сетях - Вильямс, 2001 г.
3. Иванов М. А. Криптография. Криптографические методы защиты информации в компьютерных системах и сетях - КУДИЦ-ОБРАЗ, 2001 г.

программное обеспечение и Internet-ресурсы:
1. Операционная система Windows Vista, Windows 7 Corporative.
2. http://www.gridclub.ru
3. http://gridcafe.web.cern.ch
4. http://EnterTheGrid.com
5. http://www-1.ibm.com/grid
10. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Лабораторные работы выполняются в компьютерных классах, оснащенных
16-ю компьютерами на базе процессоров Intel Core 2 Duo.
Компьютерный классы
(Ул. Советская, 84/3,
Ауд. 407а, 407б-ИК)
Компьютеры Intel Core2 1,6GHz (16 шт.),
мониторы LCD 17" Acer (16 шт.)
Сетевой коммутатор CNet 16 ports
7
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС по направлению 230100 «Информатика и вычислительная техника».
Программа одобрена на заседании кафедры информатики и проектирования
систем
протокол № 14 от «30» 06 2011 г.
Автор – доцент каф. Информатики и проектирования систем
Ботыгин Игорь Александрович
Рецензент – профессор каф. Информатики и проектирования систем
Погребной Владимир Кириллович
8
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Дисциплина « GRID-технологии»
Институт кибернетики
Кафедра информатики и проектирования систем
Семестр 2
Группы 8ВМ12
Преподаватель Ботыгин Игорь Александрович, доцент
Число недель
Кол-во кредитов
Лекции, час
Лаб. работы, час.
Всего аудит. работы, час. – 90
Самост. работа, час.
ВСЕГО, час.
– 18
–6
– 36
– 54
– 108
– 198
Рейтинг-план освоения дисциплины «GRID-технологии»
Недели
Текущий контроль
Теоретический материал
Название раздела
1
Раздел 1
2
Раздел 2
Практическая деятельность
Темы лекций
Контролир. Баллы Название лаб. работ
Баллы Индивид. задание Баллы Итого
материал
Технологии управления ресурсаВозможности инструми распределенных систем. Конментальных наборов
цепции
метакомпьютинговых
средств GRIDсистем.
технологий (сокеты и
Концепция глобальной инфракоммуникационные
структуры, интегрирующей мибиблиотеки).
ровые компьютерные ресурсы для
реализации крупномасштабных
информационно-вычислительных
проектов (GRID технология).
Основные определения в GRIDсистемах. Обоснование потребности в использовании высокопроизводительных сетей.
Многоуровневая система служб
Возможности инстру- 5
5
для управления данными в GRIDментальных наборов
технологиях.
средств GRIDтехнологий (сокеты и
коммуникационные
библиотеки).
9
Недели
Текущий контроль
Теоретический материал
Название раздела
Темы лекций
Раздел 3
Системы управления метаданными.
3
4
5
6
Создание распределенного иерархического кэша. Обеспечение
необходимых механизмов безопасности..
7
Гетерогенность
репозиториев
данных в инфраструктуре Data
GRID.
8
Раздел 4
Практическая деятельность
Контролир. Баллы Название лаб. работ
Баллы Индивид. задание Баллы Итого
материал
Службы верхнего уровня. УправВозможности инструление тиражированием (Replica
ментальных наборов
Management). Оптимизация засредств GRIDпросов и управление шаблоном
технологий (сокеты и
доступа (Query Optimization &
коммуникационные
Access Pattern Management).
библиотеки).
Службы промежуточного слоя. Тест 1.
2
Возможности инстру2
Организация пересылки, поиска и
ментальных наборов
доступа к данным.
средств GRIDНижележащие службы. Системы
технологий (сокеты и
управления хранением данных
коммуникационные
(Castor, HPSS, локальные файлобиблиотеки).
вые системы).
Возможности инстру- 7
ментальных наборов
средств GRIDтехнологий (сокеты и
коммуникационные
библиотеки).
Возможности инструментальных наборов
средств GRIDтехнологий (сокеты и
коммуникационные
библиотеки).
Обеспечение службы 7
доступа высокого
уровня и оптимизация
глобальной пропускной способности с
использованием
GRID-кэшей.
Обеспечение службы
Тиражирование данных как про-
10
7
4
11
Недели
Текущий контроль
Теоретический материал
Название раздела
Практическая деятельность
Темы лекций
Контролир. Баллы Название лаб. работ
Баллы Индивид. задание Баллы Итого
материал
цесс управления копиями. Страдоступа высокого
тегия кэширования, при которой
уровня и оптимизация
идентичные файлы доступны в
глобальной пропускнескольких
местах
GRIDной способности с
инфраструктуры.
использованием
GRID-кэшей.
9
Раздел 5
Вычислительная
GRIDОбеспечение службы
7
7
инфраструктура.
доступа высокого
уровня и оптимизация
глобальной пропускной способности с
использованием
GRID-кэшей.
10
Использование GRID-технологий
Обеспечение службы
в распределенных супервычиследоступа высокого
них (решение очень крупных зауровня и оптимизация
дач, требующих огромных проглобальной пропускцессорных ресурсов, памяти и
ной способности с
т.д.)
использованием
GRID-кэшей.
Всего по контрольной точке (аттестации) № 1
32
11
Использование GRID-технологий Тест 2.
2
Обеспечение службы 7
3
12
в "высокопоточных" вычислениях
доступа высокого
(High-Throughput
Computing),
уровня и оптимизация
позволяющих организовать эфглобальной пропускфективное использование ресурной способности с
сов для небольших задач, утилииспользованием
зируя временно простаивающие
GRID-кэшей.
компьютерные ресурсы.
12
Использование GRID-технологий
Обеспечение службы
в "высокопоточных" вычислениях
доступа высокого
(High-Throughput Computing)
уровня и оптимизация
глобальной пропускной способности с
использованием
11
Недели
Текущий контроль
Теоретический материал
Название раздела
Практическая деятельность
Темы лекций
Контролир. Баллы Название лаб. работ
Баллы Индивид. задание Баллы Итого
материал
GRID-кэшей.
13
Раздел 6
Использование GRID-технологий
Осуществление гло8
8
в вычислениях "по требованию"
бального кэширования
(On-Demand Computing), крупные
и создание локальных
разовые расчеты
кэшей на основе систем массовой памяти.
14
Использование GRID-технологий
Осуществление гло5
5
в вычислениях "по требованию"
бального кэширования
(On-Demand Computing), крупные
и создание локальных
разовые расчеты
кэшей на основе систем массовой памяти.
15
Использования GRID-технологий
Осуществление гло9
9
в вычислениях с привлечением
бального кэширования
больших объемов распределени создание локальных
ных
данных
(Data-Intensive
кэшей на основе сиComputing)
стем массовой памяти.
Всего по контрольной точке (аттестации) № 2
66
16
Использования GRID-технологий
Осуществление глов вычислениях с привлечением
бального кэширования
больших объемов распределени создание локальных
ных
данных
(Data-Intensive
кэшей на основе сиComputing)
стем массовой памяти.
17
Использования GRID-технологий
Осуществление гло9
9
в коллективных вычислениях
бального кэширования
(Collaborative Computing).
и создание локальных
кэшей на основе систем массовой памяти.
18
Использования GRID-технологий
Осуществление глов коллективных вычислениях
бального кэширования
(Collaborative Computing).
и создание локальных
кэшей на основе систем массовой памяти.
Итоговая
75
Экзамен
25
Итого баллов по дисциплине
100
12
Зав. кафедрой ИПС
Сонькин М.А.
Преподаватель
Ботыгин И.А.
«30» 06 2011г.
13
14