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Distributed Computing for Humankind

Constellation Plattform: Einfhrung und Anwendungsmglichkeiten des verteilten Rechnens fr Luft- & Raumfahrtinstitute der Universitt Stuttgart
IRS-Seminar Raumfahrtsysteme & -anwendungen 25.01.2012 Dipl.-Ing. (FH) Andreas HORNIG andreas.hornig@aerospaceresearch.net @andreashornig

Distributed Computing for Humankind

Constellation Plattform: Einfhrung und Anwendungsmglichkeiten des verteilten Rechnens fr Luft- & Raumfahrtinstitute der Universitt Stuttgart
Inhalt: Constellation Plattform Was ist Citizen Science und verteiltes Rechnen? Verteiltes Rechnen Constellation (ctd) Anwendungsmglichkeiten fr Universitt Stuttgart

[01]

Constellation Plattform

Was ist Constellation? Plattform fr Luft- und Raumfahrt bezogene Projekte Verteiltes Rechensystem auf Freiwilligenbasis weltweit erstes Luft- und Raumfahrttechnik BOINC-Projekt Interdisziplinr aufgestellt akademische Studentengruppe an Universitt Stuttgart DGLR Nachwuchsgruppe anwendungsbezogenes Luft- und Raumfahrtprojekt
[c1-4]

[02]

Was ist Citizen Science und verteiltes Rechnen?

Citizen Science? Brgerwissenschaft = jeder Brger Wissenschaft, ausgebt nicht von Universitten und Experten

Quake Catcher Network Sensor [c5]

Private Wetterstation [cp1]

[03]

Was ist Citizen Science und verteiltes Rechnen?

Warum beteiligen sich Freiwillige? untersttzen im Allgmeinen die Wissenschaft untersttzen bestimmte Projekte fr Ruhm und Ehre (Pulsarentdeckung bei Einstein@home) sammeln Credits und stehen in Ligen im Wettbewerb Admins benchmarken Rechnerparks

[04]

Was ist Citizen Science und verteiltes Rechnen?

Grobe Unterteilung in: nicht rechenintensive Anwendungen (Amateur Meteorologie, Sensoren)

[04]

Was ist Citizen Science und verteiltes Rechnen?

Grobe Unterteilung in: nicht rechenintensive Anwendungen (Amateur Meteorologie, Sensoren) manuelle Anwendungen (Stardust@home[c6], GalaxyZoo[c7])

[c7]

[c6]

[04]

Was ist Citizen Science und verteiltes Rechnen?

Grobe Unterteilung in: nicht rechenintensive Anwendungen (Amateur Meteorologie, Sensoren) manuelle Anwendungen (Stardust@home[c6], GalaxyZoo[c7]) rechenintensive Anwendungen Verteiltes Rechnen (Seti@home[c8], Einstein@home[c9])

[c9]

[c7]

[c8]

[c6]

[05]

Was ist Citizen Science und verteiltes Rechnen?

Was ist verteiltes Rechnen (Distributed Computing, DC)? einzelne Arbeitsprozesse mit verteilter Anwendung fr ein gemeinsames Ergebnis
a-b) Distributed System

[cp2]

c) Parallel System

[06]

Verteiltes Rechnen: Einsatz

Berkeley Open Infrastructure for Network Computing (BOINC) nicht das erste DC-System (seit 1999 in Seti @home Classic, seit 2005 BOINC) aber grte Community (2.306.601 User mit 6.648.805 PCs)[c16] BOINC ist geeignet fr Variationsrechnung Kombinatorik Datenauswertung
[cp3]

[c10]

[07]

Verteiltes Rechnen: Im Ablauf

Beispiel: Applikation fr: BOINC Simulation: Erde-Mond-L4 Mission N-Body Methode: Multiple Shooting
(Skizze)[c0]

[08]

Verteiltes Rechnen: Im Ablauf


Projekt App1 Constellation BOINC Server

[cp4-5]
User BOINC Client

WU

Internet

[08]

Verteiltes Rechnen: Im Ablauf


Projekt App1 Constellation BOINC Server App1 WU1 WU WU2 WU3 Internet

[cp4-5]
User BOINC Client

[08]

Verteiltes Rechnen: Im Ablauf


Projekt App1 Constellation BOINC Server App1 WU1 WU WU2 WU3 App1 Internet App1

[cp4-5]
User BOINC Client

App1

[08]

Verteiltes Rechnen: Im Ablauf


Projekt App1 Constellation BOINC Server App1 WU1 WU WU2 WU3 Internet App1

[cp4-5]
User BOINC Client App1

App1

[08]

Verteiltes Rechnen: Im Ablauf


Projekt App1 Constellation BOINC Server App1 WU1 WU WU2 Internet App1

[cp4-5]
User BOINC Client App1

WU3

App1

[08]

Verteiltes Rechnen: Im Ablauf


Projekt App1 Constellation BOINC Server App1

[cp4-5]
User BOINC Client App1 WU1

WU App1 Internet WU2

App1 WU3

[08]

Verteiltes Rechnen: Im Ablauf


Projekt App1 Constellation BOINC Server App1

[cp4-5]
User BOINC Client App1

R1 WU App1 Internet WU2

App1 WU3

[08]

Verteiltes Rechnen: Im Ablauf


Projekt App1 Constellation BOINC Server App1 R1 WU App1 Internet

[cp4-5]
User BOINC Client App1

R2 App1 WU3

[08]

Verteiltes Rechnen: Im Ablauf


Projekt App1 Constellation BOINC Server App1

[cp4-5]
User BOINC Client App1

WU R2 Internet App1

R1

App1

R3

[08]

Verteiltes Rechnen: Im Ablauf


Projekt App1 Constellation BOINC Server App1

[cp4-5]
User BOINC Client App1

WU App1 Internet

R1 R2

R3

App1

[08]

Verteiltes Rechnen: Im Ablauf


Projekt App1 Constellation BOINC Server App1

[cp4-5]
User BOINC Client App1

WU App1 Internet

R1 R2 R3

App1

[08]

Verteiltes Rechnen: Im Ablauf


Projekt App1 Constellation BOINC Server App1

[cp4-5]
User BOINC Client App1

WU App1 Internet

R1 WU R2 R3

App1

[09]

Verteiltes Rechnen: Super Computer und BOINC


C2A2S2E
(DLR Braunschweig)[c11]

HLRS (Uni Stuttgart)[c12] 113.472 Cores 831,40 TFLOPS 22,5 (+10) M [c14], *1 12 (Glckwunsch!)

Constellation 5.239 Computers 2,2 TFLOPS 300 -

Units Computing-Power Costs Top500 (11/2011)


[c32]

7.680 Processors 79,34 TFLOPS 30 M [c13], *1 114

[c11]
Zur Einordnung: intel Centrino Core Duo (mobile, T2050) 1.6ghz: 4,8 GFOPS [c15]
*1 Anschaffungskosten + 5 Jahre Betrieb

[09]

Verteiltes Rechnen: Super Computer und BOINC


C2A2S2E
(DLR Braunschweig)[c11]

HLRS (Uni Stuttgart)[c12] 113.472 Cores 831,40 TFLOPS 22,5 (+10) M [c14], *1 12 (Glckwunsch!)

Constellation 5.239 Computers 2,2 TFLOPS 300 -

Units Computing-Power Costs Top500 (11/2011)


[c32]

7.680 Processors 79,34 TFLOPS 30 M [c13], *1 114

[c11]
Zur Einordnung: intel Centrino Core Duo (mobile, T2050) 1.6ghz: 4,8 GFOPS [c15]
*1 Anschaffungskosten + 5 Jahre Betrieb

[c0]

[10]

Constellation: Verfgbare Infrastruktur

(Stand 13.12.2011)[c16]

User 1995

Rechner 5230

Teams 249

Lnder 66

Credits 103,8M

Status: - Rechenintensive Projekte sind Go - Nicht rechenintensive Projekte fr Sensoren einsetzbar

[11]

Constellation: Kurzhistorie

Kurzhistorie: - Aus meiner Diplomarbeit an HS-Bremen[c17] - Anfrage Rechenkraft.net[c2] - Stammtisch DGLR BG Stuttgart[c1] - Server Integration bei Selfnet[c3] & Server Test - Projektstart mit TrackJack - TrackJack HyEnD-Workunits 26% bearbeitet - Vortrag ber Verteilte Bodenstation auf 28c3 => recht zgig, aber mit Ausdauer

(12.2009) (02.2010) (06.2011) (10.2011) (12.04.2011 Yuri's Night) (14.12.2011) (28.12.2011)

[c0] [cv1]

[12]

Constellation: Die Constellation Konstellation


Legende: - Sub-Projekt - Untersttzer - Team - Partner - User

Constellation Team - 9 Team-Member

[cp6-7]

[12]

Constellation: Die Constellation Konstellation


Bremen - TrackJack (HSB) - OTM (JUB)
Legende: - Sub-Projekt - Untersttzer - Team - Partner - User

Houston, Tx, USA - VOLPEX (Uni Houston)

Marburg - MAGE (Uni Marburg) - Rechenkraft.net e.V.

Stuttgart - Constellation HQ - TrackJack HyEnD - DGSN - DGLR BG - Selfnet e.V. - shack e.V.

Constellation Team - 9 Team-Member

[cp6-7]

[12]

Constellation: Die Constellation Konstellation


Bremen - TrackJack (HSB) - OTM (JUB)
Legende: - Sub-Projekt - Untersttzer - Team - Partner - User

Marburg - MAGE (Uni Marburg) - Rechenkraft.net e.V.

Houston, Tx, USA - VOLPEX (Uni Houston) Constellation User worldwide - 1995 - 5230 - 66 Users Host PCs Lnder

Stuttgart - Constellation HQ - TrackJack HyEnD - DGSN - DGLR BG - Selfnet e.V. - shack e.V.

Constellation Team - 9 Team-Member

[cp6-7]

[13]

Constellation: Sub-Projekte

Aktiv: TrackJack (TJ) Aufstiegsbahnoptimierung - meine Diplomarbeit (Hochschule Bremen, M-LuR) - Aufgabe: Schubverlaufoptimierung der DGLR Gruppe HyEnD - Methode: Parametervariation des Schubverlaufes - seit 12.04.11 26% bearbeitet - Java, CPU, 1-Core

[c17] [c18]

TJ: Ariane 5 Aufstiegssimulation[c0]

by rocketman0815[cv2]

TJ: Schubverlaufsoptimierung bei Qmax[c0]

[13]

Constellation: Sub-Projekte

Aktiv: TrackJack (TJ) Aufstiegsbahnoptimierung [c17] - meine Diplomarbeit (Hochschule Bremen, M-LuR) [c18] - Aufgabe: Schubverlaufoptimierung der DGLR Gruppe HyEnD - Methode: Parametervariation des Schubverlaufes Parametervariation Schubhhe an Sttzstellen - seit 12.04.11 26% bearbeitet - Java, CPU, 1-Core

TJ: Ariane 5 Aufstiegssimulation[c0]

by rocketman0815[c18]

TJ: Schubverlaufsoptimierung bei Qmax[c0]

[14]

Constellation: Sub-Projekte

In Entwicklung: Distributed Ground Station Network


Raisting Erdfunkstation, Deutschland

[cp8]

[14]

Constellation: Sub-Projekte

In Entwicklung: Distributed Ground Station Network (DGSN)


Raisting Erdfunkstation, Deutschland DGSN Bodenstation, Berlin-Neuklln, Deutschland

[cp8]

Nur anschaulich, weil DSGN andere Antennen nutzen wird

[cp9]

[15]

Constellation: Sub-Projekte

In Entwicklung: Distributed Ground Station Network - Aufbau eines weltweit verteilten Sensorennetzes - Telemetry and Tracking - Kleinsatellitenprojekt Flying Laptop des IRS und weitere - mit Stuttgarter Hackerspace shackspace[c4] - Bestimmung der Keplerelemente - externes Tracken und Positionsbestimmung - mit Hilfe der Funkamateure

[c19-21],[c4]

Global Sensor Grid [cp10]

Ausrichtung[cp11]

Data-DumpMode[c0]

[16]

Constellation: Sub-Projekte

In Entwicklung: Distributed Ground Station Network

ADS-B Empfang [c4]

Software fr Triangulation [c0]

Arduino Mega 2560 mit Adafruit GPS shield [c4]

[17]

Universitt Stuttgart: Mgliche Anwendungen

Datenauswertung - Kleinsatellit und Stuttgarter Adler[c21-22] - Geodsie (DBV, Photogrammetrie) => permanente Datenauswertung Terabytes/Monat Simulationen - Planung interplanetarer Langzeitmissionen (Trajektorien fr Mars Hochschubmission) - Space-Debris (n-Body-Simulation) => lange Rechenzeit

Bildverband zur Landkartenherstellung

[cp12-14]

Space Debris & Erde-Mars-Trajektorie

[18]

Universitt Stuttgart: Mgliche Anwendungen

Optimieraufgaben / Parametervariation - Trajektorien: Lagrange Missionen - Bauteiloptimierung: Massenspektrometer fr kosmischer Staub[c23] - Vorauslegung: Flgelprofile - Flugroutenplanung: SOFIA[c24] => Kombinatorik mit hoher Lsungsanzahl Verteiltes Sensorgrid - DGSN fr Kleinsatellit und Stuttgarter Adler[c20-21] => globale Sensordaten
[cp15]

CART3D Airfoil Optimization by OSSculptor[cv3]

SOFIA Flight Plan Editor

[19]

Universitt Stuttgart: Chancen fr Institute

Vorteile Kosteneffizienz Einsatz von Pool-PC Rechner Als ZUSATZ zum HLRS[c12] kein Anstehen fr singulren HPC-Einsatz Grundlast durch DC Ressourcen mit CPU & GPU Outreach and Science & Society Programmieraufgaben Recruiting (P2P Grid, etc...)
P2P Grid fr CFD: zusammen mit shackspace, angedacht fr ESA SOCIS 2012

Singular vs Permanent HPC


60 50
Computing Power [%]

40 30 20 10 0 0 2 4 6
Month

Singular HPC Permanent HPC

10

12

[c0]

[20]

Universitt Stuttgart: Chancen fr Institute


Verfgbare Hardware nutzen Awareness schaffen

[c0]

Constellation Screensaver-Animation (Test)

Uni Stuttgart RUS NWZ Pool (V.57)[25]

[20]

Universitt Stuttgart: Chancen fr Institute


Verfgbare Hardware nutzen Awareness schaffen

[c0]

Constellation Screensaver-Animation (Test)

Uni Stuttgart RUS NWZ Pool (V.57)[c25]

[21]

Space is big. Really big.... Danke fr Ihre Aufmerksamkeit! Fragen? Gerne!


Fragen, Ideen, Teamteilnahme an

Andreas.Hornig@AerospaceResearch.net

DGLR Raumfahrtkonferenz Missionen aus BW[c26]

IAC 2011[c27]

28c3[c28]

[22]

Leute wollen mitmachen! ...man muss sie nur teilnehmen lassen


28c3 1. 2. 3.

[c0]

1.

2.

3.

BBC.co.uk[c29]

webpronews.com[c30]

Golem.de[c31]

Sources
Quellen: [c0] Constellation Plattform [c1] DGLR Bezirksgruppe Stuttgart [c2] Rechenkraft.net [c3] Selfnet [c4] Stuttgarter Hackerspace [c5] Quake Catcher Network [c6] Stardust@home [c7] GalaxyZoo [c8] Seti@home [c9] Einstein@home [c10] BOINC [c11] C2A2S2E - www.AerospaceResearch.net/constellation - www.stuttgart.dglr.de - www.rechenkraft.net - www.selfnet.de - www.shackspace.de - http://qcn.stanford.edu - http://stardustathome.ssl.berkeley.edu - www.galaxyzoo.org - http://setiathome.berkeley.edu - http://einstein.phys.uwm.edu - http://boinc.berkeley.edu - www.dlr.de/as/en/desktopdefault.aspx - www.dlr.de/as/en/desktopdefault.aspx/tabid-4083/6455_read-9239/ [c12] HLRS - www.hlrs.de [c13] Top500: C2A2S2E - www.top500.org/site/history/2952 - www.linux-magazin.de/NEWS/Linux-Superrechner-in-Braunschweig [c14] Top500: HLRS - http://i.top500.org/site/47970 http://www.uni-stuttgart.de/hkom/presseservice/pressemitteilungen/2011/119_hlrs.html?utm_source=twitterfeed&utm_medium=twitter# [c15] Intel - http://download.intel.com/support/processors/coreduo/sb/core_T2000.pdf [c16] BoincStats - http://de.boincstats.com/index.php?list=full&or=7

Sources

Quellen (ctd): [c17] Hochschule Bremen - www.hs-bremen.de [c18] HyEnD - www.hybrid-triebwerk.de [c19] Universitt Stuttgart - www.uni-stuttgart.de [c20] Institut fr Raumfahrtsysteme (IRS) - www.irs.uni-stuttgart.de [c21] Flying Laptop - www.kleinsatelliten.de [c22] UAV Stuttgarter Adler - www.irs.uni-stuttgart.de/uav [c23] Kosmischer Staub - http://www.mpi-hd.mpg.de/dustgroup [c24] Deutsches SOFIA Institut - www.dsi.uni-stuttgart.de [c25] Rechenzentrum Uni Stuttgart (RUS) - www.rus.uni-stuttgart.de [c26] DGLR-Raumfahrtkonferenz - Missionen aus Baden-Wrttemberg - http://www.raumfahrtkonferenz.de [c27] International Astronautical Congress 2011 - www.iac2011.com [c28] 28. Chaos Communication Congress - http://events.ccc.de/congress/2011/Fahrplan/events/4699.en.html [c29] BBC.co.uk: - www.bbc.co.uk/news/technology-16367042 [c30] Golem.de - www.golem.de/1201/88733.html [c31] Webpronews - www.webpronews.com/hackers-satellite-internet-sopa-2012-01 [c32] Top500.org (11/2011) - www.top500.org/lists/2011/11

Sources
Video Quellen [cv1] [cv2] [cv3] 28c3: Building a Distributed Satellite Ground Station Network - A Call To Arms By Andreas -horn- Hornig, hadez - http://www.youtube.com/watch?v=iuwkzNjaPwc HyEnD Micro Hybrid Engine Test-14 by rocketman0815 - www.youtube.com/watch?v=XnvQM9MlCdU CART3D Airfoil Optimization by OSSculptor - http://www.youtube.com/watch?v=hUlFmq0xIK4

Bilder Quellen: [cp1] [cp2] [cp3] [cp4-5] [cp6] [cp7] [cp8] [cp9] [cp10] [cp11] [cp12] [cp13] [cp14] [cp15] http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Wetterstation01.jpeg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Distributed-parallel.svg http://en.wikipedia.org/wiki/File:Setiathomeversion3point07.JPG http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Internet_as_cloud.svg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Germany_location_map.svg http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Germany_in_the_European_Union_on_the_globe_(Europe_centered).svg http://en.wikipedia.org/wiki/File:2005-05-15-raisting_900x460.jpg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Berlin-neukoelln_satellite-dishes_20050314_p1010596.jpg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:World_map_blank_with_blue_sea.svg Student Research Project by Bastian Mayer, RA3AQ Feed with 2,5m Parabolic Antenna http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Blockausgleichung%B3,gKK99.PNG http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/35/Space_Debris_Low_Earth_Orbit.png http://mars.jpl.nasa.gov/MPF/mpf/mpfcruise.html http://www.dsi.uni-stuttgart.de/observatorium/beobachtungen/flugplaner.html

Verteiltes Rechnen im Ablauf


Projekt App1 Constellation BOINC Server App1 WU1 WU WU2 WU3 Internet App1 WU2 R2 App1 WU3 R3

[cp4-5]
User BOINC Client App1 WU1 R1

R1 WU R2 R3

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