Fallstudie zur Mars Curiosity Mission von NASA/JPL

2014

Das Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA ist das erste NASA-Zentrum für die Weltraumforschung mit Robotern. JPL hat Roboter auf alle Planeten des Sonnensystems geschickt. NASA/JPL ist bei den Bundesbehörden außerdem führend bei der Integration von Cloud Computing. Tatsächlich ist Cloud Computing ein wesentlicher Bestandteil der Pipeline für die taktischen Operationen für die Mars Science Laboratory-Mission. Vom Kontrollzentrum in Pasadena, Kalifornien, aus nutzt NASA/JPL Amazon Web Services (AWS) zur Erfassung und Speicherung von Bildern und Metadaten, die vom Mars Exploration Rover und den Mars Science Laboratory-Missionen eingehen. Der Mars Exploration-Rover Opportunity ist seit seiner Landung vor acht Jahren weiterhin aktiv, und der Mars-Rover Curiosity landete am 5. August 2012.

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Die NASA/JPL verwendet Amazon Web Services (AWS), um Bilder und Metadaten zu erfassen und zu speichern, die von den Missionen Mars Exploration Rover und Mars Science Laboratory gesammelt wurden."

Die Herausforderung

Am 26. November 2011 brachte die NASA Curiosity auf die 8 Monate dauernde Reise zum Roten Planeten. Diese prestigeträchtige Mission zeichnete sich durch eine Reihe von Herausforderungen aus, die für einen Erfolg überwunden werden mussten. Zunächst stellte sich die Landung als enorme Herausforderung dar, da sich die Masse von Curiosity bei früheren Landeversuchen als untragbar erwiesen hatte. Die Ingenieure von JPL hatten eine innovative Eintritts-/Sinkflug-/Landetechnik entwickelt, die mit einem „Luftkran“-Manöver endete, mit dem Curiosity sanft auf die Oberfläche abgesenkt wurde. Die NASA wollte sicherstellen, dass Fans auf dem gesamten Globus mit minutenaktuellen Details der Mission an diesem aufregenden Erlebnis teilhaben konnten, insbesondere während der letzten sieben Minuten vom Eintritt des Rovers in die Marsatmosphäre bis zur Landung auf dem Mars. Die Verfügbarkeit, Skalierbarkeit und Leistung der „mars.jpl.nasa.gov“-Website war dafür während der Landung von entscheidender Bedeutung. Vor der Zusammenarbeit mit AWS wäre die Unterstützung von mehreren hunderttausend gleichzeitigen Website-Besuchern sehr schwierig gewesen, da sie eine extrem leistungsstarke Web- und Live-Videostreaming-Infrastruktur erforderte, über die NASA/JPL nicht verfügte.

NASAs Jet Propulsion Laboratory nutzte AWS zum Streamen der Bilder und Videoaufnahmen von Curiositys Landung. Mithilfe von Cloud Computing konnte JPL schnell Kapazität bereitstellen und die AWS Cloud zur erfolgreichen Bereitstellung von begeisternden Mars-Bildern für die Öffentlichkeit nutzen. Den öffentlichen Benutzern, die von überall auf der Welt die Seite besuchten, stellte NASA/JPL seine Inhalte aus ebenfalls weltweit verteilten AWS-Regionen bereit, um den Zuschauern ein besseres Erlebnis zu bieten und dem weltweiten Bedarf entsprechend zu skalieren. Durch die innovative Verwendung von Amazon Route 53und Elastic Load Balancers (ELB) konnte NASA/JPL die Auslastung über die AWS-Regionen ausgleichen und die Verfügbarkeit der Inhalte unter allen möglichen Umständen während der Mars-Landung von Curiosity gewährleisten. Die letztendliche Architektur, die von NASA/JPL und Amazon Web Services gemeinsam entwickelt und überprüft wurde, gab der NASA die Sicherheit, dass mit dem Bereitstellungsmodell das unglaubliche Erlebnis einer Landung auf einem anderen Planeten kostengünstig skaliert, übertragen und bereitgestellt werden konnte. Mit den ehrgeizigen Zielen, die Daten für die Öffentlichkeit bereitzustellen, traf NASA/JPL Vorbereitungen, um mehrere hundert Gigabit/Sekunde an Datenverkehr für mehrere hunderttausend gleichzeitige Zuschauer zur Verfügung zu stellen.

Gründe für Amazon Web Services

NASA/JPL gelang es, innerhalb nur weniger Wochen ihre Webhosting- und Live-Videostreaming-Lösungen zu entwickeln, zu testen und bereitzustellen, die mit einer Reihe Services in AWS entwickelt wurden. Die Live-Videostreaming-Architektur von NASA/JPL wurde aus einer Kombination von Adobe Flash Media Server, Amazon Elastic Compute Cloud (Amazon EC2)-Instances mit dem beliebten nginx-Caching-Tier, Elastic Load Balancing, Amazon Route 53 für DNS-Verwaltung und Amazon CloudFront zur Bereitstellung von Inhalten entwickelt. AWS CloudFormation automatisiert die Bereitstellung von Live-Videostreaming-Infrastruktur-Stacks in mehreren AWS-Availability Zones (AZ) und Regionen.

Zusätzlich wurden Amazon EC2-Instances, auf denen die Amazon Linux AMI ausgeführt wurde, mit Konfigurationsskripten und Amazon EC2-Instance-Metadaten konfiguriert. Kurz vor der Landung stellte NASA/JPL Stacks der AWS-Infrastruktur bereit, die jeweils 25 Gbps Datenverkehr bewältigen konnten. NASA/JPL nutzte Amazon CloudWatch zur Überwachung von Spitzen im Datenverkehrsvolumen und zur Bereitstellung zusätzlicher Kapazitäten basierend auf dem regionalen Bedarf. Als die Datenverkehrsvolumen Stunden nach der Landung wieder auf das Normalmaß zurückgingen, nutzte NASA/JPL AWS CloudFormation zur Freigabe von Ressourcen mit einem einzigen Befehl.

Die mars.jpl.nasa.gov-Website basiert auf dem Open-Source-CMS (Content Management System) Railo, das auf Amazon EC2 läuft. Gemeinsam genutzter Speicher für Railo wird von Amazon EC2-Instances bereitgestellt, auf denen Gluster auf einem Pool von Amazon Elastic Block Store (EBS)-Volumes ausgeführt wird, um eine konstant hohe Leistung bei der Datenträger-E/A zu erzielen. Das CMS interagiert auch mit einer hochverfügbaren Multi-AZ-MySQL-Datenbank, die vom Amazon Relational Database Service (RDS) verwaltet wird. Der Datenverkehr wird von einer Reihe Elastic Load Balancers mithilfe von Amazon Route 53 auf CMS-Server verteilt, um so eine ausgeglichene Datenverkehrverteilung auf die ELBs zu erreichen. Amazon CloudFront wird ebenfalls zur Verteilung von Datenverkehr auf Points of Presence weltweit eingesetzt, um somit die Latenz für internationale Besucher zu verringern und die Gesamtskalierbarkeit der Lösung zu verbessern.

Darüber hinaus nutzt die NASA Amazon Simple Workflow Service (Amazon SWF) zum Kopieren der aktuellsten Bilder vom Mars in Amazon S3. Metadaten werden in Amazon SimpleDB gespeichert und Amazon SWF löst die Bereitstellung von Amazon EC2-Instances für die Verarbeitung von Bildern aus, sobald eine Übertragung von Curiosity auf die Erde erfolgt. Im nachstehenden Diagramm ist die Webarchitektur von NASA/JPL dargestellt.

Die Vorteile

Mit dem Betrieb der „mars.jpl.nasa.gov“-Website in Amazon Web Services konnte NASA/JPL seine Botschaft in die Welt bringen, ohne eine eigene Infrastruktur aufbauen zu müssen. Der große Funktionsumfang und die einfache Anwendung von AWS ermöglichten NASA/JPL die Erstellung einer stabilen, skalierbaren Webinfrastruktur innerhalb von zwei bis drei Wochen anstatt innerhalb mehrerer Monate.

Nachdem Curiosity nun sicher auf dem Mars gelandet ist, nutzt die Mission weiterhin Amazon Web Services zur Automatisierung der Analyse von Bildern vom Mars und optimiert somit die Zeit, die Wissenschaftlern zur Identifizierung potenzieller Gefahren oder von Bereichen von wissenschaftlichem Interesse zur Verfügung steht. In Folge können Wissenschaftler eine längere Befehlssequenz an Curiosity senden, wodurch der Umfang der Forschungen erhöht wird, den Mars Science Laboratory an jedem Marstag durchführen kann.

Tom Soderstrom von NASA JPL erzählt, wie die Cloud beim Beantworten kosmischer Fragen hilft

NASA/JPL-Live-Videostreaming-Architektur

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Über NASA Jet Propulsion Laboratory

Das Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA ist das erste NASA-Zentrum für die Weltraumforschung mit Robotern.  


Genutzte AWS-Services

Amazon EC2

Der Web-Service Amazon Elastic Compute Cloud (Amazon EC2) stellt sichere, skalierbare Rechenkapazitäten in der Cloud bereit. Der Service ist darauf ausgelegt, Cloud Computing für Entwickler zu erleichtern.

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Amazon EBS

Amazon Elastic Block Store (EBS) ist ein einfach zu bedienender, leistungsstarker Block Storage-Dienst, der für die Verwendung mit Amazon Elastic Compute Cloud (EC2) sowohl für den Durchsatz als auch für transaktionsintensive Workloads in jeder Größenordnung entwickelt wurde.

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Amazon CloudFront

Amazon CloudFront ist ein schneller Content Delivery-Service (CDN), der Daten, Videos, Anwendungen und APIs sicher, mit niedriger Latenz, hoher Übertragungsgeschwindigkeit und innerhalb einer entwicklerfreundlichen Umgebung an Kunden auf der ganzen Welt liefert.

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Amazon SWF

Amazon SWF unterstützt Entwickler beim Erstellen, Ausführen und Skalieren von Hintergrundaufträgen, die parallele oder sequenzielle Schritte aufweisen.

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Amazon RDS

Amazon Relational Database Service (Amazon RDS) erleichtert Ihnen die Einrichtung, Verwaltung und Skalierung einer relationalen Datenbank in der Cloud.

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Amazon SimpleDB

Amazon SimpleDB ist eine hochverfügbare, NoSQL-Datenbank zur Auslagerung des Arbeitsaufwands bei der Datenbankadministration.

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AWS CloudFormation

AWS CloudFormation bietet eine einfache Sprache, mit der Sie alle Infrastrukturressourcen in Ihrer Cloud-Umgebung beschreiben und bereitstellen können.

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Webhosting

Amazon Web Services bietet mit seinen Cloud-Webhosting-Lösungen Unternehmen, gemeinnützigen Organisationen und Behörden eine kostengünstige Möglichkeit, ihre Websites und Webanwendungen bereitzustellen.

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