NASA 的噴射推進實驗室 (JPL) 是頂尖的 NASA 機器人太空探索中心,JPL 已將機器人送至太陽系的每個行星。NASA/JPL 也是美國聯邦政府中率先採用雲端運算的機構。實際上,雲端運算正是火星科學實驗室任務戰術運作管道中不可或缺的要角。NASA/JPL 從位於加利佛尼亞州帕薩迪納的控制室,利用 Amazon Web Services (AWS) 擷取並存放火星探測漫遊者及火星科學實驗室任務收集到的影像與中繼資料。火星探測漫遊者機遇號 8 年前登陸火星之後,至今仍在火星上漫遊;火星漫遊者好奇號則於 2012 年 8 月 5 日登陸。

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NASA JPL 研究員 Tom Soderstrom 探討雲端如何解答宇宙大哉問

2011 年 11 月 26 日,NASA 發射好奇號,展開為期 8 個月的遠赴火星之旅。這項備受矚目的任務必須克服多項挑戰才能成功。首先,登陸就是一大挑戰,因為好奇號的質量很大,導致先前嘗試登陸都不成功。JPL 的工程師設計了一套創新的進入大氣層/降落/登陸技術,最後以「空中吊車」操縱將好奇號緩緩降至地面。NASA 希望將這趟刺激的體驗確實分享給全球的天文迷,因此準備提供即時任務詳細資訊,尤其是漫遊者在火星大氣層中降落並登陸的最後 7 分鐘。mars.jpl.nasa.gov 網站的可用性、可擴展性與效能,是登陸轉播活動的關鍵。尚未與 AWS 合作之前,支援數十萬名同時瀏覽網站的訪客是一大難題,需要可觀的 Web 與即時影片串流基礎設施,但 NASA/JPL 並不具備此種設施。

NASA 噴射推進實驗室採用 AWS 串流好奇號登陸過程中的相關影像與視訊。雲端運算使 JPL 得以迅速佈建容量,並利用 AWS 雲端將迷人的火星體驗提供給大眾。全球的一般大眾使用者都會造訪 NASA 網站,因此 NASA/JPL 透過世界各地的 AWS 區域提供內容,以強化觀眾體驗,並因應全球需求擴展。Amazon Route 53Elastic Load Balancer (ELB) 的創新用法,使 NASA/JPL 得以控制各個 AWS 區域之間的負載平衡,進而確保其內容在任何可想像的狀況下都能維持可用。由 NASA/JPL 與 Amazon Web Services 共同開發並審核的最終架構,可保證 NASA 的部署模型能以經濟實惠的方式擴展、運作並確實提供登陸另一顆行星的驚人體驗。NASA/JPL 將資料傳播給大眾的目標堅定不移,因此他們已經準備好處理數十萬名同時瀏覽的觀眾每秒數百 GB 的流量。

NASA/JPL 在短短數週之內就成功設計、建立、測試並部署 Web 託管,以及使用各種 AWS 服務建立的即時影片串流解決方案。NASA/JPL 的即時影片串流架構研發過程中,結合了 Adobe Flash Media Server、執行熱門快取層 nginx 的 Amazon Elastic Compute Cloud (Amazon EC2) 執行個體、Elastic Load Balancing、用於 DNS 管理的 Amazon Route 53,以及用於內容交付的 Amazon CloudFrontAWS CloudFormation 可在多個 AWS 可用區域 (AZ) 及區域自動部署即時影片串流基礎設施堆疊。

此外,執行 Amazon Linux AMI 的 Amazon EC2 執行個體,是透過組態指令碼與 Amazon EC2 執行個體中繼資料進行設定。登陸前不久,NASA/JPL 佈建了 AWS 基礎設施的堆疊,每一個堆疊都能處理 25 Gbps 的流量。NASA/JPL 使用 Amazon CloudWatch 來監控流量峰值,並根據區域需求佈建額外容量。登陸完成,流量恢復正常程度之後,NASA/JPL 使用 AWS CloudFormation,一個命令就能解除資源的佈建。下圖為即時影片串流的架構圖。

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圖 1:NASA/JPL 即時影片串流架構

mars.jpl.nasa.gov 網站以開放原始碼內容管理系統 (CMS) Railo 為基礎,在 Amazon EC2 上執行。Railo 的共用儲存由 Amazon EC2 執行個體提供,這些執行個體會在 Amazon Elastic Block Store (EBS) 磁碟區集區上執行 Gluster,以維持高效能的磁碟 I/O。該 CMS 也與高度可用的異地同步備份 MySQL 資料庫互動,該資料庫由 Amazon Relational Database Service (RDS) 負責管理。多個 Elastic Load Balancer 會透過 Amazon Route 53 將流量分散到各個 CMS 伺服器,以便在各 ELB 之間依照權重分發流量。這套系統也使用 Amazon CloudFront 將流量分散至世界各地的網路連接點,進而減少各國訪客遭遇的延遲,並提升解決方案的整體可擴展性。

不只如此,NASA 還利用 Amazon Simple Workflow Service (Amazon SWF) 將最新的火星影像複製到 Amazon S3。中繼資料會存放在 Amazon SimpleDB 中,且每次好奇號傳回的資料轉送回地球時,Amazon SWF 都會觸發佈建 Amazon EC2 執行個體以處理影像。下圖顯示 NASA/JPL 的 Web 架構。

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圖 2:NASA/JPL Web 架構圖

在 Amazon Web Services 上操作 mars.jpl.nasa.gov 網站,NASA/JPL 不需要親自架設基礎設施,就能將訊息廣播發送給全世界。AWS 包羅萬象的功能與易用性,讓 NASA/JPL 只需二到三週就能建構出穩固且可擴展的 Web 基礎設施,而不需要耗費數個月。

如今好奇號已經平安登陸火星,該任務仍會持續使用 Amazon Web Services 自動分析火星傳回的影像,讓科學家有更多時間辨認潛在的危險或特別具有科學價值的區域。拜此所賜,科學家現在能夠傳送更長的命令序列到好奇號,進而增加火星科學實驗室每個火星日可進行的探索量。

要進一步了解 NASA/JPL 的任務並探索火星,請瀏覽 http://mars.jpl.nasa.gov;要進一步閱讀 NASA 如何使用 AWS 雲端打造可相互操作、遵循標準、安全且經濟實惠的環境,請瀏覽 NASA 部落格

要進一步了解 AWS 如何支援公共部門關鍵任務的雲端運算應用程式,請瀏覽 http://aws.amazon.com/government-education/

如需 NASA/JPL 如何使用 AWS 雲端進行其他任務與研究的詳細資訊,請參閱 NASA/JPL 的沙漠研究與培訓案例NASA/JPL 的 MER 與 CARVE 任務客戶成功案例。