Dr. Karl-Remeis-Sternwarte Bamberg - Astronomisches Institut

Das Forschungsteam von Prof. Wilms konzentriert sich auf die Röntgenastronomie und ist auch an der Entwicklung mehrerer neuer Röntgenteleskope beteiligt, die im nächsten Jahrzehnt gestartet werden sollen. Sie verwenden die Software SIXTE, die ihnen hilft, die vom Teleskop erwarteten Daten zu simulieren. Derzeit läuft die Software auf Universitätsservern und benötigt etwa 512 GB Arbeitsspeicher. Sie stehen jedoch vor Herausforderungen bei der Skalierung der Systeme und ziehen Cloud-Alternativen in Betracht, um ihren Simulationsbedarf zu decken.

Die SIXTE-Software simuliert Röntgeninstrumente auf wissenschaftlichen Satelliten für Missionen, die üblicherweise von NASA und ESA geleitet werden. Sie wird auch für Instrumente wie eROSITA auf der russisch-deutschen Spectrum-X-Gamma-Mission und für Projekte der Chinesischen Akademie der Wissenschaften eingesetzt. Die Software prognostiziert, wie Beobachtungen von Himmelsobjekten mit einem bestimmten Satellitendesign aussehen würden.

Sie ist modular aufgebaut, in C++ geschrieben und unter der GPL verfügbar. SIXTE umfasst Sensorphysik, Röntgenbildgebungsmodule und Tools zum Aufbau von Datenanalyse-Pipelines. Zu den Nutzern gehören Wissenschaftler, die wissenschaftliche Anwendungsfälle planen, Instrumentenentwickler, die die Leistung bewerten, und Softwareentwickler, die am Bodensegment der Satellitenmission arbeiten.

Ziel

‍Die Forschungsgruppe wollte eine skalierbare Lösung für das Hosting und den Betrieb ihrer SIXTE-Simulationssoftware auf einer Cloud-Infrastruktur implementieren, die Redundanz, Skalierbarkeit und Dauerhaftigkeit gewährleistet. Dieser Übergang von On-Premise-Servern zur Cloud erforderte Klarheit über Kosten, Leistung und Nutzung von Cloud-Systemen. Um dies zu erreichen, stellte Ankercloud ein Proof-of-Concept-Setup bereit, das die Forschungsgruppe beim Entwurf, der Einrichtung, dem Hosting und der Schulung zur Nutzung von AWS-Servern unterstützte. Ankercloud führte auch Benchmarking-Tests durch, um die Preis-Leistungs-Vorteile verschiedener AWS-Instanztypen zu vergleichen und empfahl das am besten geeignete Setup für das Team auf AWS.

Die Lösung zielte darauf ab, eine umfassende Cloud-Infrastruktur zu schaffen, um die Anforderungen der Forschungsgruppe an die SIXTE-Simulationssoftware effektiv zu erfüllen. Sie umfasste:

1. VPC-Konfiguration: Eine dedizierte Virtual Private Cloud (VPC) in der Region us-west-1 (Ohio) wurde eingerichtet, die alle Availability Zones (AZs) abdeckt. Die VPC wurde mit wesentlichen Komponenten wie DHCP-Optionssätzen, Haupt-Routing-Tabellen und Netzwerk-ACLs verknüpft. Innerhalb der VPC wurden 4 Subnetze konfiguriert, darunter 2 öffentliche Subnetze für den Internetzugang und 2 private Subnetze für interne Ressourcen.
2. Internetzugang: Ein Internet-Gateway für den Internetverkehr innerhalb öffentlicher Subnetze wurde mit konfigurierten Routing-Tabellen implementiert. Für private Subnetze wurden sekundäre Routing-Tabellen eingerichtet, die den ausgehenden Datenverkehr an ein NAT-Gateway leiten.
3. Sicherheitsmaßnahmen: Sicherheitsgruppen wurden erstellt, um den Datenverkehr für EC2-Instanzen zu regulieren und durch das Hinzufügen notwendiger Regeln eine sichere Kommunikation innerhalb der Infrastruktur zu gewährleisten.
4. EC2-Instanz-Bereitstellung: EC2-Instanzen wurden mithilfe eines CloudFormation-Stacks gestartet, wobei der Fokus auf geeigneten Instanztypen wie r5a.8xlarge lag. Diese Instanzen wurden den dafür vorgesehenen Sicherheitsgruppen zur Durchsetzung der Zugriffskontrolle zugewiesen.
5. Anwendungs-Setup: Die SIXTE-Software wurde auf EC2-Instanzen installiert, indem die gezippten Dateien der SIXTE- und SIMPUT-Software heruntergeladen und installiert wurden, gefolgt von der Kompilierung und Installation der Simulationssoftware.
6. AMI-Erstellung: Es wurden Amazon Machine Images (AMIs) für EC2-Instanzen erstellt, um Replikation und Bereitstellung zu ermöglichen. Die Überprüfung der Softwarefunktionalität wurde sichergestellt und eine klare Identifizierung durch Benennung und Beschreibung gewährleistet.
7. CloudFormation-Vorlagen: Die Lösung nutzte in einem S3-Bucket gespeicherte CloudFormation-Vorlagen, um die Cloud-Infrastruktur für das Hosting der SIXTE-Simulationssoftware effizient zu erstellen. Diese Vorlagen automatisierten den Bereitstellungsprozess, wodurch Konsistenz über verschiedene Umgebungen hinweg gewährleistet wurde. Mit CloudFormation bot die Lösung Skalierbarkeit und Flexibilität, was der Forschungsgruppe ermöglichte, sich leicht an wechselnde Anforderungen anzupassen und Simulationen effektiv in einer zuverlässigen Cloud-Umgebung durchzuführen.
8. HPC- und Parallelcluster: Die Einrichtung eines HPC- (High-Performance Computing) und Parallelclusters auf der AWS-Infrastruktur bietet eine skalierbare, kostengünstige und effiziente Lösung für die Migration der SIXTE-Simulationssoftware in die Cloud für die Röntgenastronomie-Forschung. Diese Einrichtung fördert die Skalierbarkeit, indem Simulations-Workloads auf mehrere Rechenknoten verteilt werden, was eine zeitnahe Fertigstellung gewährleistet. Redundanzmaßnahmen wie Backup-Knoten und Datenreplikation gewährleisten einen unterbrechungsfreien Betrieb. Von Ankercloud durchgeführte Benchmarking-Tests helfen, die Leistung zu optimieren und Kosten zu kontrollieren, während zentralisierte Verwaltungstools die Ressourcenzuweisung und Job-Planung optimieren, wodurch das Team in die Lage versetzt wird, sich mit Vertrauen in ihre Cloud-Infrastruktur auf ihre Forschung zu konzentrieren.

Die geschäftlichen Vorteile der Implementierung dieser Infrastruktur für das Hosting der SIXTE-Simulationssoftware umfassen:

1. Skalierbarkeit und Flexibilität: Die Einrichtung ermöglicht es der Forschungsgruppe, ihre Simulationskapazitäten bedarfsgerecht zu skalieren, ohne die Einschränkungen von lokalen Servern. Diese Flexibilität ermöglicht es ihnen, sich an wechselnde Forschungsbedürfnisse und Workload-Anforderungen anzupassen.
2. Kostenoptimierung: Durch die Nutzung von Cloud-Diensten kann die Forschungsgruppe Kosten optimieren, indem sie nur für die genutzten Ressourcen bezahlt, Vorauszahlungen für Hardwareinvestitionen vermeidet und die Betriebskosten für Wartung und Upgrades senkt.
3. Verbesserte Zugänglichkeit und Zusammenarbeit: Das Hosting der Software in der Cloud verbessert die Zugänglichkeit für Forscher, indem es ihnen ermöglicht, von überall mit einer Internetverbindung auf die Simulationsumgebung zuzugreifen. Dies fördert die Zusammenarbeit innerhalb des Teams und potenziell mit externen Partnern oder Kollaborateuren.
4. Erhöhte Sicherheit und Zuverlässigkeit: Die Nutzung von AWS-Diensten bietet robuste Sicherheitsfunktionen und Zuverlässigkeit, wodurch die Integrität und Verfügbarkeit der Simulationsumgebung gewährleistet wird. Dies hilft, wertvolle Forschungsdaten zu schützen und gewährleistet die Kontinuität des Betriebs auch bei Hardwareausfällen oder Störungen.
5. Schnellere Erkenntnisgewinnung: Durch die Möglichkeit, Ressourcen bei Bedarf schnell bereitzustellen und zu skalieren, können Forscher den Simulationsprozess beschleunigen und schneller Erkenntnisse gewinnen. Diese Agilität ermöglicht es ihnen, ihre Forschungshypothesen und Experimente effizienter zu iterieren, was potenziell zu bahnbrechenden Entdeckungen in der Astrophysik führen kann.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Übergang zur Cloud-Infrastruktur für das Hosting der SIXTE-Simulationssoftware der Forschungsgruppe zahlreiche Vorteile bietet. Sie bietet Skalierbarkeit und Anpassungsfähigkeit, wodurch sie auf wechselnde Forschungsanforderungen reagieren können, ohne die Einschränkungen traditioneller Server. Kosteneffizienzen werden durch die Bezahlung nur der genutzten Ressourcen erzielt, wodurch anfängliche Hardwareinvestitionen entfallen und laufende Betriebskosten gesenkt werden. Verbesserte Zugänglichkeit und Zusammenarbeit fördern eine reibungslose Teamarbeit zwischen Forschern und externen Partnern und erleichtern den Wissensaustausch und die Innovation. Die agile Ressourcenbereitstellung beschleunigt den Simulationsprozess, was zu schnelleren Erkenntnissen und potenziell bahnbrechenden Entdeckungen in der Astrophysik führt. Insgesamt befähigt die Einführung der Cloud-Infrastruktur die Forschungsgruppe, ihre wissenschaftlichen Bestrebungen mit größerer Effizienz und Effektivität voranzutreiben.

Über Ankercloud

Ankercloud realisiert Projekte unter Nutzung von AWS-Diensten und unterstützt Kunden weltweit. Ankercloud ist ein Advanced Partner von AWS mit langjähriger Erfahrung in der Bereitstellung von Lösungen auf Multi-Cloud-Plattformen. Ein Team von Fachleuten bespricht die Anforderungen detailliert und entwirft den Lösungsansatz in einem agilen Projektliefermodell. Ein praxisorientierter Beratungsansatz wird auf allen Ebenen der Organisation gefördert, um das Vertrauen und den Respekt der Kunden zu gewinnen. Dies verschafft Ankercloud einen Wettbewerbsvorteil im Partner-Ökosystem als bevorzugte Wahl.

Über Amazon Web Services

‍Amazon Web Services (AWS) hat Tausenden von Organisationen, von globalen Unternehmen bis hin zu kleinen Betrieben, bei der Migration in die Cloud geholfen. Der Kunde entschied sich für AWS, da es im Vergleich zu jedem anderen Cloud-Anbieter deutlich mehr Dienste und Funktionen innerhalb dieser Dienste bietet – von Infrastrukturtechnologien wie Computing, Speicher und Datenbanken bis hin zu neuen Technologien wie maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz, Data Lakes und Analysen sowie dem Internet der Dinge. Es war die beste Wahl, um zukunftssicher zu sein.