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5VL GridCloud-22-11-2024

Nov 22, 2024|Nov 29, 2024|13 min 26 sec

Ende Folie 36 (Security)

Detaillierte Vorlesungsnotizen: Hochleistungsrechner und Sicherheitssysteme

Inhaltsverzeichnis

  1. Einführung
  2. Leistungsbenchmarks
  3. Systemleistung und Metriken
  4. Systemrankings
  5. Spezifische Systeme
  6. Energieverbrauch und Effizienz
  7. Verteilte Systeme und Grids
  8. Sicherheit in verteilten Systemen
  9. Abschluss und Diskussion

Einführung

In dieser Vorlesung wurden verschiedene Aspekte von Hochleistungsrechnern und deren Sicherheitsmechanismen behandelt. Der Fokus lag auf Leistungsbenchmarks, Systemmetriken, Rankings, Energieeffizienz sowie den Sicherheitskonzepten Authentifizierung, Autorisierung, Identifikation und Delegation.

Der Dozent begann mit einer allgemeinen Einführung in die Thematik und stellte die Wichtigkeit von Hochleistungsrechnern in der heutigen Forschung und Industrie heraus. Dabei wurde betont, dass die Auswahl des richtigen Systems entscheidend für den Erfolg von Projekten ist. Ein Beispiel hierfür ist die Simulation komplexer physikalischer Prozesse, die nur mit leistungsfähigen Rechnern realisierbar sind.

Leistungsbenchmarks

LINPACK-Benchmark

Die LINPACK-Benchmark sind ein wichtiger Maßstab für die Leistungsbewertung von Systemen. Sie sind abgeleitet aus realen Umgebungen und dienen dazu, die Rechenleistung eines Systems zu messen. Ein LINPACK-Benchmarksystem verwendet lineare Gleichungslöser, die als Kernkomponente fungieren.

Wichtige Aspekte:

  • LINPACK-Benchmark messen die Leistung in realen Umgebungen.
  • Sie basieren auf linearen Gleichungslösern.
  • Die Metrik ist essenziell für die Bewertung der Geschwindigkeit und Effizienz eines Algorithmus.

Beispiel: Stellen Sie sich vor, ein Hochleistungsrechner soll das Verhalten eines Klimamodells simulieren. Die LINPACK-Benchmark messen dabei, wie schnell und effizient der Rechner die zugrunde liegenden linearen Gleichungssysteme lösen kann, die für die Simulation notwendig sind.

Lineare Gleichungslöser

Lineare Gleichungslöser sind fundamentale Werkzeuge in der numerischen Mathematik. Sie sind notwendig für viele Anwendungen und bilden die Basis für die Bewertung der Rechenleistung eines Systems.

Formel für lineare Gleichungssysteme:

Dabei ist eine Matrix, der Lösungsvektor und der Ergebnisvektor.

Lineare Gleichungslöser sind essenziell, da sie in vielen wissenschaftlichen und technischen Anwendungen verwendet werden, beispielsweise in der Simulation von physikalischen Systemen oder in der Datenanalyse.

Beispiel: Ein Ingenieur nutzt einen Hochleistungsrechner, um das Spannungsverhalten eines Brückenmodells zu simulieren. Die Simulation erfordert die Lösung eines großen linearen Gleichungssystems, um die Kräfte und Spannungen an verschiedenen Punkten der Brücke zu berechnen.

Systemleistung und Metriken

E-Clock

Der E-Clock ist eine Metrik zur Messung der Rechenleistung eines Systems. Ein System mit 1,742 E-Clock pro Sekunde hat eine Leistung von Operationen pro Sekunde.

Wichtige Aspekte:

  • Misst die Anzahl der Operationen pro Sekunde.
  • Hilft bei der Bewertung der Rechenleistung eines Systems.
  • Ein höherer E-Clock-Wert bedeutet eine höhere Rechenleistung.

Beispiel: Ein Supercomputer mit einer Leistung von 2 E-Clocks pro Sekunde kann Operationen pro Sekunde ausführen, was ihn extrem leistungsfähig für komplexe Simulationen macht.

TPU und TPU-Cores

Tensor Processing Units (TPUs) sind spezialisierte Hardwarekomponenten zur Beschleunigung von Machine-Learning-Modellen. Die Anzahl der TPU-Cores bestimmt maßgeblich die Rechenleistung eines Systems.

Wichtige Aspekte:

  • TPUs sind für maschinelles Lernen optimiert.
  • Mehr TPU-Cores erhöhen die Rechenleistung.
  • TPUs werden häufig in Supercomputern und großen Rechenzentren eingesetzt.

Beispiel: Ein Unternehmen, das Deep-Learning-Modelle für die Bildverarbeitung entwickelt, nutzt einen Supercomputer mit 100 TPU-Cores, um die Trainingszeiten ihrer Modelle erheblich zu verkürzen.

Systemrankings

Top-500 Liste

Die Top-500 Liste rankt die leistungsstärksten Supercomputer weltweit. Systeme wie El Capitan und verschiedene Microsoft-Systeme sind häufig in den oberen Rängen zu finden.

Beispiele:

  • El Capitan: Ein leistungsstarker Supercomputer mit hoher Anzahl an Rechenkernen.
  • Microsoft Systeme: Selbstgebaute Systeme, die in der Top-500 Liste gut positioniert sind.

Aktuelles Beispiel: El Capitan hat kürzlich den ersten Platz in der Top-500 Liste belegt, basierend auf ihrer Rechenleistung und Effizienz in Benchmarks wie dem LINPACK-Test.

Energieeffizienz

Die Energieeffizienz ist ein wichtiger Faktor bei der Bewertung von Hochleistungsrechnern. Ein System kann auf der Top-500 Liste hoch platziert sein, aber in Bezug auf die Energieeffizienz nur Platz 18 erreichen.

Formel zur Berechnung der Energieeffizienz:

Ein hoher Energieverbrauch kann die Betriebskosten erheblich erhöhen und die Umweltbelastung verstärken.

Beispiel: Ein Supercomputer, der FLOPS erreicht und 50 Megawatt verbraucht, hat eine Energieeffizienz von FLOPS pro Watt. Ein anderer Rechner mit derselben Rechenleistung, aber nur 30 Megawatt Verbrauch, hat eine höhere Energieeffizienz.

Spezifische Systeme

El Capitan

El Capitan ist ein leistungsstarker Supercomputer, der häufig in Benchmarks erscheint. Er zeichnet sich durch eine hohe Anzahl an Rechenkernen und eine starke Performance in spezifischen Anwendungen aus.

Wichtige Merkmale:

  • Hohe Anzahl an Rechenkernen.
  • Optimiert für spezifische Anwendungen.
  • Hohe Platzierung in Leistungsbenchmarks.

Beispiel: El Capitan wird häufig für Wettervorhersagen und Klimasimulationen eingesetzt, da seine Rechenleistung es ermöglicht, komplexe Modelle in kürzester Zeit zu berechnen.

Microsoft Systeme

Microsoft entwickelt eigene Hochleistungsrechner, die sich in der Top-500 Liste gut positionieren. Diese Systeme sind oft selbstgebaut und auf spezifische Anwendungen optimiert.

Wichtige Merkmale:

  • Selbstgebaute Systeme.
  • Optimiert für spezifische Anwendungen.
  • Hohe Platzierung in Leistungsbenchmarks.

Beispiel: Microsofts Azure-Cluster werden für große Datenanalysen und maschinelles Lernen genutzt, wobei ihre maßgeschneiderte Hardware eine optimale Leistung für diese Aufgaben bietet.

Energieverbrauch und Effizienz

Der Energieverbrauch von Hochleistungsrechnern ist ein kritischer Faktor. Systeme wie El Capitan können eine Stromaufnahme von bis zu 38 Megawatt haben, was erhebliche Betriebskosten verursacht.

Beispiel: El Capitan verbraucht 38 Megawatt Strom, was die Betriebskosten auf Millionen Euro pro Jahr erhöht. Im Vergleich dazu verbraucht ein kleinerer Supercomputer mit 20 Megawatt nur halb so viel Strom, was die Energieeffizienz deutlich verbessert.

Formel zur Berechnung der Energieeffizienz:

Ein hoher Energieverbrauch kann die Nachhaltigkeit und Kosteneffizienz eines Systems beeinträchtigen.

Beispiel: Ein System, das 1,742 E-Clock pro Sekunde erreicht und 38 Megawatt verbraucht, hat eine Energieeffizienz von FLOPS pro Watt.

Verteilte Systeme und Grids

Verteilte Systeme, auch Computational Grids genannt, ermöglichen die Zusammenarbeit mehrerer Rechner zur Lösung komplexer Aufgaben. Diese Systeme bieten eine hohe Skalierbarkeit, erfordern jedoch effektive Verwaltung und Sicherheitsmaßnahmen.

Wichtige Aspekte:

  • Zusammenarbeit mehrerer Rechner.
  • Hohe Skalierbarkeit.
  • Effektive Verwaltung und Sicherheitsmaßnahmen erforderlich.

Grid-Programm

Das Grid-Programm ist ein Ansatz zur Verwaltung verteilter Ressourcen. Es umfasst die Verteilung von Aufgaben an verschiedene Systeme und die Koordination der Rechenleistung.

Beispiel: Colony Computing versucht, Rechenplattformen aus verschiedenen Organisationen zusammenzustellen, um eine gemeinsame Rechenleistung für große wissenschaftliche Projekte bereitzustellen.

Weitere Beispiele:

  • SETI@home: Ein verteiltes System zur Suche nach außerirdischem Leben durch Analyse von Radioteleskopdaten.
  • Folding@home: Ein Projekt zur Simulation von Proteinstrukturen zur Erforschung von Krankheiten wie Krebs.

Sicherheit in verteilten Systemen

Die Sicherheit in verteilten Systemen ist von entscheidender Bedeutung, um die Integrität und Vertraulichkeit der Daten zu gewährleisten. Die wesentlichen Konzepte umfassen Authentifizierung, Autorisierung, Identifikation und Delegation.

Authentifizierung

Authentifizierung ist der Prozess der Überprüfung der Identität eines Benutzers oder Systems. Methoden umfassen Passwörter, biometrische Daten und digitale Zertifikate.

Beispiel: Ein Benutzer meldet sich mit einem Personalausweis und einem Passwort an einem System an. Nur wenn beide Angaben korrekt sind, wird die Authentifizierung als erfolgreich betrachtet.

Autorisierung

Autorisierung bestimmt, welche Ressourcen ein authentifizierter Benutzer oder System nutzen darf. Dies erfolgt oft durch Rollen und Berechtigungen.

Formel für Berechtigungsprüfung:

Beispiel: Ein Administrator hat die Berechtigung, alle Dateien auf einem Server zu bearbeiten, während ein normaler Benutzer nur Leserechte für bestimmte Verzeichnisse besitzt.

Identifikation

Identifikation ist der Prozess der Zuordnung einer Aktion oder eines Zugriffs zu einem spezifischen Benutzer oder System.

Beispiel: Ein Benutzer wird identifiziert, indem seine Anmeldeinformationen mit den gespeicherten Daten abgeglichen werden. Dadurch kann das System nachvollziehen, welcher Benutzer welche Aktionen ausführt.

Delegation

Delegation ermöglicht es einem Benutzer, bestimmte Berechtigungen an einen anderen Benutzer oder Prozess zu übertragen, ohne die vollständigen Zugangsdaten preiszugeben.

Beispiel: Ein Administrator delegiert einem anderen Benutzer die Berechtigung, bestimmte Aufgaben auszuführen, ohne ihm die vollständigen Administratorrechte zu geben. Dies erhöht die Sicherheit, indem nur notwendige Berechtigungen weitergegeben werden.

Zertifikate

Zertifikate sind digitale Dokumente, die die Identität eines Benutzers oder Systems bestätigen. Sie werden von vertrauenswürdigen Certification Authorities (CAs) ausgestellt.

Beispiel: Ein Benutzer erhält ein Zertifikat von einer CA, das seine Identität bestätigt und ihm Zugang zu bestimmten Ressourcen im Netzwerk gewährt.

Proxy-Zertifikate

Proxy-Zertifikate ermöglichen es einem Benutzer, bestimmte Berechtigungen an einen anderen Prozess oder Benutzer zu delegieren, ohne die vollständigen Zugangsdaten weiterzugeben.

Diagramm:

graph LR
A[Benutzer A] -->|Delegiert| B[Proxy-Zertifikat]
B --> C[Benutzer B]

Wichtige Aspekte:

  • Proxy-Zertifikate sind abgeleitete Zertifikate.
  • Sie ermöglichen die Delegation von Rechten ohne Weitergabe der Originalzertifikate.
  • Proxy-Zertifikate haben eine begrenzte Gültigkeitsdauer zur Erhöhung der Sicherheit.

Beispiel: Ein Forscher möchte einem Kollegen erlauben, bestimmte Datenanalysen durchzuführen, ohne ihm vollständigen Zugriff auf das gesamte System zu gewähren. Dazu erstellt er ein Proxy-Zertifikat mit eingeschränkten Rechten, das der Kollege verwenden kann.

Abschluss und Diskussion

In dieser Vorlesung wurden die Grundlagen von Hochleistungsrechnern, deren Leistungsbewertung und Energieeffizienz sowie die wesentlichen Sicherheitsmechanismen in verteilten Systemen behandelt. Die Bedeutung von Authentifizierung, Autorisierung, Identifikation und Delegation wurde hervorgehoben, ebenso wie die Rolle von Zertifikaten und Proxy-Zertifikaten in der Sicherung von Systemen.

Wichtige Erkenntnisse:

  • Leistungsbenchmarks sind entscheidend für die Bewertung von Supercomputern.
  • Energieeffizienz gewinnt zunehmend an Bedeutung bei der Auswahl von Rechensystemen.
  • Sicherheit in verteilten Systemen erfordert robuste Authentifizierungs- und Autorisierungsmechanismen.
  • Zertifikate und Proxy-Zertifikate sind zentrale Elemente zur Sicherstellung der Identität und Rechteverwaltung.

Diskussionspunkte:

  • Wie können wir die Energieeffizienz weiter verbessern, ohne die Rechenleistung zu beeinträchtigen?
  • Welche neuen Sicherheitsbedrohungen könnten in verteilten Systemen auftreten und wie können wir ihnen begegnen?
  • Wie lässt sich die Delegation von Rechten sicher und effizient gestalten, insbesondere in großen Netzwerken?

Beispielhafte Diskussion: Ein Student könnte fragen, wie Proxy-Zertifikate in einer Cloud-Umgebung implementiert werden können, um den Zugriff auf sensible Daten zu kontrollieren. Die Antwort könnte beinhalten, dass Proxy-Zertifikate in der Cloud genutzt werden, um temporäre Zugriffsrechte zu vergeben, die automatisch nach Ablauf der Gültigkeitsdauer widerrufen werden.

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