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'''Grid-Computing''' ist eine Form des [[Verteiltes System|verteilten Rechnens]], bei der ein virtueller [[Supercomputer]] aus einem [[Rechnerverbund|Cluster]] [[Lose Kopplung|lose gekoppelter]] Computer erzeugt wird. Es wurde entwickelt, um rechenintensive Probleme zu lösen. Heute wird Grid-Computing in vielen Bereichen, zum Teil auch kommerziell, eingesetzt, so in der [[Pharmaforschung]] und den [[Wirtschaftswissenschaft]]en, beim [[Elektronischer Handel|elektronischen Handel]] und bei [[Webservice|Webdiensten]]. Es wird auch zum [[Risikomanagement]] in der [[Baudynamik]] und beim [[Finanzmanagement]] genutzt.

Von typischen Computerclustern unterscheidet sich Grid-Computing in der wesentlich loseren Kopplung, der [[Heterogenität (Informationstechnik)|Heterogenität]] und der geographischen Zerstreuung der Computer. Des Weiteren ist ein Grid meistens für eine spezielle Anwendung bestimmt und nutzt häufig standardisierte [[Programmbibliothek]]en und [[Middleware]]. Insbesondere im Datenbank-Bereich kann Grid-Computing mit [[In-Memory-Datenbank|In-Memory]]-Technologien kombiniert werden.

Die Grundlagen des Grid Computing stammen von [[Ian Foster (Informatiker)|Ian Foster]], [[Carl Kesselman]] und Steven Tuecke (2001).

== Grundlagen ==
=== Definition ===
Der erste Versuch einer Definition stammt von Ian Foster und Carl Kesselman in dem Buch „The Grid: Blueprint for a New Computing Infrastructure“:

{{Zitat
|Text=A computational grid is a hardware and software infrastructure that provides dependable, consistent, pervasive, and inexpensive access to high-end computational capabilities.
|Sprache=en
|Übersetzung=Ein Computational Grid ist eine Hardware- und Software-Infrastruktur, die einen zuverlässigen, konsistenten, von überall erreichbaren und preiswerten Zugriff auf die Kapazitäten von Hochleistungsrechnern ermöglicht.
|ref=<ref name="foster98blueprint">I. Foster, C. Kesselman: ''The Grid: Blueprint for a new computing infrastructure.'' Morgan Kaufmann, Tech. Rep., 1998.</ref>}}

Da diese Definition vor der eigentlichen Entstehung von Grids verfasst wurde, wurde sie von Ian Foster in der zweiten Auflage des Buches noch einmal deutlich verfeinert:

{{Zitat
|Text=The sharing that we are concerned with is not primarily file exchange but rather direct access to computers, software, data, and other resources, as is required by a range of collaborative problem-solving and resource-brokering strategies emerging in industry, science, and engineering. This sharing is, necessarily, highly controlled, with resource providers and consumers defining clearly and carefully just what is shared, who is allowed to share, and the conditions under which sharing occurs. A set of individuals and/or institutions defined by such sharing rules form what we call a virtual organization.
|Sprache=en
|Übersetzung=Die gemeinsame Nutzung von Ressourcen, mit der wir uns hier beschäftigen, ist nicht primär der Austausch von Dateien, sondern vielmehr der direkte Zugriff auf Computer, Software, Daten und andere Ressourcen, wie sie bei einer Reihe von kollaborativen, problemlösenden und Ressourcen vermittelnden Strategien benötigt werden, die zurzeit in Industrie, Wissenschaft und im Ingenieurwesen auftauchen. Diese gemeinsame Nutzung von Ressourcen ist, notwendigerweise, in einem Höchstmaß kontrolliert, wobei die Anbieter und Konsumenten der Ressourcen klar und eindeutig festlegen, welche Ressourcen geteilt werden, wem die gemeinsame Nutzung erlaubt ist, und unter welchen Bedingungen die gemeinsame Nutzung erfolgt. Eine Menge von Individuen und/oder Institutionen, die sich durch solche Richtlinien zur gemeinsamen Nutzung von Ressourcen ergeben, formen das, was wir eine Virtuelle Organisation nennen.
|ref=<ref name="foster02blueprint">I. Foster, C. Kesselman: ''The Grid: Blueprint for a new computing infrastructure.'' 2. Auflage, Morgan Kaufmann, Tech. Rep., 2003, ISBN 978-1-55860-933-4</ref>}}

Der wesentliche Unterschied zur ursprünglichen Definition ist, dass die gemeinsame Nutzung von Ressourcen durch Virtuelle Organisationen bestimmt wird. Diese spielen in den heutigen Implementationen des Grids eine zentrale Rolle. Es werden nun nicht mehr nur Hochleistungsrechner als Ressource bezeichnet, sondern allgemeine Ressourcen, wie physikalische Experimente.

Es gibt noch weitere Versuche einer einheitlichen Definition in der Literatur (vgl.<ref name="foster01anatomy">I. Foster, C. Kesselman, S. Tuecke: ''The Anatomy of the Grid: Enabling Scalable Virtual Organizations.'' In: ''International Journal of High Performance Computing Applications.'' Bd. 15, Nr. 3, 2001, S. 200–222.</ref><ref name="foster02physiology">I. Foster, C. Kesselman, J. M. Nick, S. Tuecke: ''The physiology of the grid.'' IBM Corporation, Poughkeepie, NY 12601, Tech. Rep., June 2002.</ref>).

Fälschlicherweise werden Systeme wie [[Rechnerverbund|Cluster Computing]], [[Peer-to-Peer]]-Computing oder [[Meta computing]] als Grid-Systeme bezeichnet. Diese weisen zwar Aspekte des Grid-Computing auf, jedoch fehlen wesentliche Punkte um sie als Grid zu bezeichnen. Dieser Problematik hat sich Ian Foster in einer 3-Punkte-Checkliste angenommen.<ref name="foster02checklist">I. Foster: ''What is the Grid? A three point checklist.'' Juli 2002.</ref> Die Eigenschaften eines Grid-Systems werden in kurzen Worten wie folgt definiert:

; Ein Grid…
; … koordiniert [[Betriebsmittel (Informatik)|Ressourcen]], die nicht einer zentralen Instanz untergeordnet sind …
: Ein Grid koordiniert und integriert Ressourcen und Benutzer unterschiedlicher administrativer Domänen innerhalb desselben Unternehmens oder innerhalb unterschiedlicher Länder. In diesem Zusammenhang werden u. a. auf Sicherheit, Abrechnung und Mitgliedschaft Rücksicht genommen (vgl.<ref name="foster98security">I. Foster, C. Kesselman, G. Tsudik, S. Tuecke: ''A security architecture for computational grids.'' In: ''ACM Conference on Computer and Communications Security.'' 1998, S. 83–92.</ref><ref name="humphrey01security">{{Literatur | Autor = M. Humphrey, M. R. Thompson | Titel = Security implications of typical Grid Computing usage scenarios | Sammelwerk = Proceedings 10th IEEE International Symposium on High Performance Distributed Computing | Jahr = 2001 | Seiten = 95–103 | DOI= 10.1109/HPDC.2001.945180}}</ref>). Ressourcen können unter anderem Cluster, Massenspeicher, Datenbanken, Anwendungen oder Messgeräte sein.
; … und verwendet [[Offener Standard|offene, standardisierte]] Protokolle und Schnittstellen, …
: Ein Grid nutzt offene und allgemein gehaltene Protokolle und Schnittstellen, die grundsätzliche Funktionen für die Authentifizierung, die Autorisierung, die Ressourcen-Ermittlung und den Ressourcen-Zugriff gewährleisten.
; … um nicht-triviale [[Quality of Service|Dienstgüten]] bereitzustellen.
: Ein Grid verwendet bestehende Ressourcen in einer koordinierten Art und Weise, um verschiedene Dienstgüten bereitzustellen, abhängig von beispielsweise der Antwortzeit, dem Durchsatz, der Erreichbarkeit oder Sicherheit. Oder es erfolgt, um komplexen Benutzererwartungen zu entsprechen, eine Neueinteilung mehrerer Ressourcentypen, damit der Nutzen des kombinierten Systems signifikant größer ist als die Summe seiner Teile.
[[Volunteer-Computing]]-Projekte (z. B. [[SETI@home]]) werden in der Regel nicht zu den Grid-Computing-Systemen gezählt, da die Rechenleistung dort, anders als beim Grid-Computing, nicht von Organisationen, sondern von anonymen und möglicherweise nicht vertrauenswürdigen Clients zur Verfügung gestellt wird.<ref>{{Internetquelle |autor= [[David P. Anderson]] |url=https://boinc.berkeley.edu/boinc_papers/vc_grid.doc |titel=Why volunteer computing is not grid computing |werk= |hrsg= [[Boinc]] |datum= |format=[[Microsoft Word#Dateiformat|DOC]]; 84 kB |sprache=en |abruf=2015-12-22}}</ref>

=== Herkunft ===
Konzepte für die Verteilung rechenintensiver Aufgaben hat es bereits in den 1960er Jahren gegeben. Die meisten der heutigen Forschungsarbeiten an Grid-Systemen haben ihren Ursprung jedoch in frühen Experimenten mit Hochgeschwindigkeitsnetzen. In diesem
Zusammenhang sind insbesondere die Projekte FAFNER und I-WAY zu nennen.

Der Begriff '''Grid''' hat seinen Ursprung in dem Vergleich dieser Technologie zum [[Stromnetz]] (engl. ''Power Grid''). Demnach soll das Grid einem Benutzer ebenso einfach Ressourcen wie Rechenleistung oder Speicherplatz über das Internet zur Verfügung stellen, wie es möglich ist Strom aus einer Steckdose zu beziehen. Der Benutzer übergibt seinen Auftrag über genormte [[Schnittstelle]]n an das Grid, woraufhin die [[Ressource]]n[[Allokation (Informatik)|allokation]] automatisch erfolgt.

==== I-WAY ====
Das I-WAY-Projekt<ref name="foster96iway">T. DeFanti, I. Foster, M. Papka, R. Stevens, and T. Kuhfuss: ''Overview of the i-way: Widearea visual supercomputing.'' In: ''International Journal of Supercomputer Applications.'' vol. 10, 1996, pS.123–130.</ref> (Information Wide Area Year) wurde im Jahr 1995 innerhalb der Gigabit-Testumgebung an der University of Illinois,<ref name="catlett92gigabit">C. Catlett: ''In search of gigabit applications.'' In: ''Communications Magazine, IEEE.'' Bd. 30, Nr. 4, 1992, S. 42–51.</ref> in dem 17 Einrichtungen in den USA und Kanada zu einem Hochgeschwindigkeitsnetz zusammengeschlossen wurden, durchgeführt. Es hatte zur Aufgabe, verschiedene Supercomputer unter Verwendung existierender Netzwerke zu verbinden. I-WAY hat die Entwicklung des Globus-Projekts in hohem Maße unterstützt.

=== Zielsetzung ===
Die motivierende Zielsetzung, die zu der Entwicklung der Grid-Technologie geführt hat, war die gemeinsame, koordinierte Nutzung von Ressourcen und die gemeinsame Lösung von Problemen innerhalb dynamischer, institutionsübergreifender, virtueller Organisationen (vgl.<ref name="foster01anatomy" />). Das bedeutet, nach der Festlegung von Abrechnungsdaten und Rechten soll ein direkter Zugang zu beispielsweise Rechenleistungen, Anwendungen, Daten oder Instrumenten gemeinschaftlich ermöglicht werden. Eine virtuelle Organisation (VO) ist in diesem Zusammenhang ein dynamischer Zusammenschluss von Individuen oder Institutionen, die gemeinsame Ziele bei der Nutzung des Grids verfolgen. Zwar liegt der Fokus vieler Arbeiten beim verteilten Rechnen, dennoch ist oberstes Ziel, analog zu der Entstehung des Internets, die Entwicklung eines einheitlichen, globalen Grids.


=== Klassifikation ===
Grob gesprochen lassen sich Grid-Computings unterteilen in Klassen, wie
* Rechengrids ''(Computing Grids)'': Zugriff auf verteilte Rechenressourcen
* Datengrids ''(Data Grids)'': Zugriff auf verteilte Datenbanken
* Ressource Grids
* Service Grids
* Knowledge Grids

Die Klasse des ''Computing grid'' ist vergleichbar mit dem ''Power grid'', also dem [[Stromnetz]]: Dazu stellt der Verbraucher von Rechenleistung eine Verbindung zum Rechennetz her, ähnlich wie der Stromverbraucher zum Stromversorgungsnetz. Dort ist alles, was hinter der Steckdose passiert, für den Konsumenten verborgen; er nutzt einfach die angebotene Leistung.

In der Klasse des ''Data grid'' kooperieren nicht nur die (Hochleistungs-)Computersysteme der Beteiligten, um Rechenleistung zur Verfügung zu stellen, sondern auch Datenbestände werden verknüpft. Zugang zu solchen Grids bietet meist ein Grid-[[Portal (Informatik)|Portal]].

Daneben wird auch die Bereitstellung von [[Netzwerkressourcen]] „gridifiziert“, d. h. eine automatische Auswahl aus einem ''Pool'' von Ressourcen aufgrund bestimmter [[QoS]]-Parameter getroffen. Idealerweise sollte die Wahl der Ressourcen applikationsgetrieben, also abhängig von der Anwendung im Computing-Grid oder Data-Grid sein.

== Architektur und Implementierungen ==
=== Allgemeines ===
Zur Architektur eines '''Grid''' gibt es mehrere Konzepte. Jedem bekannten Konzept ist eigentümlich, dass es außer der nachfragenden Instanz und der von dort gestellten tatsächlichen Leistungsanforderung eine koordinierende Instanz für die Agglomeration von Rechenleistung und für die Zusammenführung der Teilleistungen geben muss. Außerdem ist eine strenge Hierarchie erforderlich, welche die Agglomeration von Rechenleistung nach objektiven Kriterien zulässt oder ausschließt. Jeder Computer in dem „[[Gitter]]“ ist eine den anderen Computern zunächst hierarchisch gleichgestellte Einheit (Peer-2-Peer).

Die typischen Aufgaben, bei denen sich Grid-Computing als Strategie anbietet, sind solche, die die Leistung einzelner Computer überfordern. Dazu gehören beispielsweise die [[Integration (Software)|Integration]], [[Auswertung (Informatik)|Auswertung]] und [[Darstellung (Wiedergabe)|Darstellung]] von sehr großen Datenmengen aus der [[naturwissenschaft]]lichen und [[medizin]]ischen Forschung. In der Routine werden die Techniken auch angewandt in der [[Meteorologie]] und rechenintensiven Simulationen in der Industrie. Insbesondere die Teilchenphysik mit Großexperimenten (z. B. der [[Large Hadron Collider]]) als naturwissenschaftliche Anwendung ist ein Vorreiter in der Weiterentwicklung und Etablierung von Grid-Technologien.

Die typischen Probleme, die Grid-Computing mit sich bringt, sind der steigende Aufwand als Teil der verfügbaren Leistung für die Koordination. Daher steigt die Rechenleistung wegen des Koordinationsaufwandes nie linear mit der Zahl der beteiligten Rechner. Dieser Aspekt tritt bei komplexen numerischen Aufgaben in den Hintergrund.

=== OGSA ===
Eine mögliche [[Softwarearchitektur]] für Grids ist die von Ian Foster mitentwickelte [[Open Grid Services Architecture]] (OGSA).
Diese wird in Ansätzen bereits in ihrem Vorläufer, der Open Grid Services Infrastructure (OGSI), beschrieben. Deren Grundidee ist die Darstellung von beteiligten Komponenten (Rechner, Speicherplatz, Mikroskope, …) als Grid-Services in einer offenen Komponentenarchitektur.

Mit der Konvergenz der Web-Services des [[W3C]] und des OGSA Standards des [[Open Grid Forum]] (OGF) wurden Grid-Services auf einer technischen Ebene, so wie sie beispielsweise im Globus Toolkit 4 implementiert sind, zu Web-Services, welche die technischen Funktionalitäten der Grid-Middleware ermöglichen. OGSA schlägt in diesem Zusammenhang den Einsatz von [[WSRF]] (dem ''Web Services Resource Framework'') als grundlegenden Baustein für Service-Grids vor. So bekommen die Web-Services, deren Einsatz einheitliche Zugriffsverfahren auf die einzelnen Dienste eines Grids ermöglicht, zusätzlich noch einen Zustand: Sie werden mit statusbehafteten (engl. stateful) Ressourcen (wie Dateien, Java-Objekten bzw. [[Plain Old Java Object|POJOs]], Datensätzen in einer [[Datenbank]]) assoziiert. Dies ermöglicht es erst, Funktionalitäten auszuführen, die sich über mehrere Transaktionen erstrecken. Die Kombination eines Web-Services mit einer solchen statusbehafteten Ressource bildet eine sogenannte [[WS-Resource]].

=== Virtuelle Organisationen ===
Ein zentrales und hardwareunabhängiges Konzept hinter der Grid-Philosophie ist das der [[Virtuelle Organisation|virtuellen Organisationen]] (VO, siehe dort). Dabei werden Ressourcen (bzw. [[Webservice|Services]]) dynamisch virtuellen Organisationen zugewiesen.

=== Implementierungen / Grid-Middleware ===
* [[g-Eclipse]]
* [[Globus Toolkit]]
* [[Unicore]]
* [[gLite]]
* [[Sun Grid Engine]]

=== Hardware ===
Praktisch gesehen benötigt man an Hardware nichts weiter als einen [[Computer]] mit einer Netzwerkverbindung. Auf diesen Grid-Computern übernimmt eine [[Software]] das Lösen einer Teilaufgabe, welche beispielsweise mit Hilfe von Software, die eine große Aufgabe in eine Anzahl von Teilaufgaben für alle [[Netzwerkknoten|Knoten]] im Grid aufspalten kann und die Teilergebnisse wieder zusammenfasst, generiert wurde.

== Wissenschaftliche Projekte ==
=== EGEE/EGI ===
{{Hauptartikel|Enabling Grids for E-sciencE}}
Das im März 2006 zu Ende gegangene EGEE-Projekt ([[Enabling Grids for E-sciencE]], früher Enabling Grids for E-science in Europe) ist das größte Grid-Projekt der Europäischen Union, mittlerweile mit weltweitem Einsatz. Unter dem Namen EGEE2 wird es seit
April 2006 fortgesetzt. Das Projekt wurde in der ersten Projektphase von der [[Europäische Union|EU]] mit 32 Millionen [[Euro]] gefördert und stellt die weltweit größte Grid-Infrastruktur dar. 2010 wurde EGEE durch [[European Grid Infrastructure]] (EGI) abgelöst.

Beteiligt sind unter anderen [[CERN]] (Schweiz), [[Karlsruher Institut für Technologie]] (KIT, Deutschland), [[Rutherford Appleton Laboratory]] (RAL, Vereinigtes Königreich), [[Istituto Nazionale di Fisica Nucleare]] (INFN, Italien) und [[Academia Sinica]] (ASCC, Taiwan).

=== Nordugrid ===
Das offene Grid [[Nordugrid]] auf der Basis der Grid-Middleware [[Advanced Resource Connector|ARC]] ist aus einem Zusammenschluss von fünf skandinavischen Instituten hervorgegangen.

=== XtreemOS ===
''Building and Promoting a Linux-Based Operating System to Support Virtual Organizations for Next Generation Grids'' ist ein Projekt, welches im 6. Rahmenprogramm von der [[Europäische Union|Europäischen Union]] gefördert wird. Neben 17 europäischen Projektpartnern sind auch zwei aus China an [[XtreemOS]] beteiligt. Es ist im Juli 2006 gestartet und soll vier Jahre lang laufen.

=== Neugrid ===
[[Neugrid]] ist ein Projekt, das von der Europäischen Union im 7. Rahmenprogramm finanziert wurde. Seine Infrastruktur ermöglicht der Wissenschaft die Erforschung von neurodegenerativen Erkrankungen.

=== Nationale Grid Infrastruktur Initiativen ===
Wie in diversen anderen Ländern (z. B. US: Cyberinfrastructure, UK: UK e-Science / OMII, NL: BIG-Grid) gibt es auch in Deutschland und Österreich Grid-Initiativen zum Aufbau einer nationalen Grid-Infrastruktur.
* [[D-Grid|Deutsche Grid-Initiative]]
* [[Austrian Grid]]


== Siehe auch ==
* [[Verteiltes System]]
* [[Liste der Projekte verteilten Rechnens]]
* [[Semantic Grid]]
* [[Hochleistungsrechnen]] (HPC)
* [[Volunteer-Computing]]
* [[Peer-to-Peer]]
* [[E-Science]]
* [[Xgrid]]

== Literatur ==
* Ian Foster, Carl Kesselman: ''The Grid: Blueprint for a New Computing Infrastructure'', 2. Auflage, Elsevier, o. O., 2004, ISBN 1-55860-933-4 (1. Auflage 1999, ISBN 1-55860-475-8)
* Ian Foster: ''What is the Grid? A Three Point Checklist'', Juli 2002, [http://dlib.cs.odu.edu/WhatIsTheGrid.pdf PDF-Download auf Fosters Homepage]
* Anthony Hey, Geoffrey Fox, Fran Berman: ''Grid Computing: Making The Global Infrastructure a Reality'', 1. Auflage, John Wiley & Sons, o. O., 2003, ISBN 0-470-85319-0
* Ahmar Abbas: ''Grid Computing: A Practical Guide to Technology and Applications'', 1. Auflage, Charles River Media, o. O., 2003, ISBN 1-58450-276-2
* Jochen Fingberg, [[Marit Hansen]] et al.: ''[https://dl.gi.de/server/api/core/bitstreams/eb3c8165-7799-467b-8106-4531d1b1d347/content Integrating Data Custodians in eHealth Grids – Security and Privacy Aspects]'', NEC Lab Report, 2006
* Jörn Altmann (Hrsg.), Daniel J. Veit (Hrsg.): ''Grid Economics and Business Models: 4th International Workshop, GECON 2007, France'', Springer-Verlag, Heidelberg/Berlin, 2007, ISBN 3-540-74428-2

== Weblinks ==
* [http://boinc.berkeley.edu/ Grid Computing mit BOINC]
* [https://www.eurocloud.org Europaïsche Föderation der Cloud Computing und SaaS Industrie]
* [http://www.enzyklopaedie-der-wirtschaftsinformatik.de/wi-enzyklopaedie/lexikon/technologien-methoden/Hardware/Grid-Computing/index.html/?searchterm=grid%20computing Grid-Computing in der Enzyklopädie der Wirtschaftsinformatik]
* [https://www.heise.de/tp/features/Grid-Computing-Das-wahre-Web-2-0-3416869.html heise.de – Grid-Computing: Das wahre Web 2.0?]
* [https://www.weltderphysik.de/service/suche/?id=14&L=0&q=grid+computing weltderphysik.de – Grid-Computing]

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Rechnerarchitektur]]
[[Kategorie:Verteiltes Rechnen]]
[[Kategorie:IT-Architektur]]
[[Kategorie:Computercluster]]

Grid-Computing - Versionsgeschichte

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