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  Cactus

Das  Cactus Toolkit ist eine Open Source Programmierumgebung zur Lösung naturwissenschaftlicher und ingenieurwissenschaftlicher Probleme. Seine modulare Struktur erlaubt auf einfache Art und Weise die Durchführung paralleler Applikationen auf verschiedenen Architekturen und eine gemeinsame gruppenübergreifende Code-Entwicklung. Cactus wurde in der Wissenschaft entwickelt, wo es schon seit vielen Jahren von einem internationalen Team aus Physikern und Informatikern benutzt wird.

Von den Astrophysikern der Numerical Relativity Gruppe des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik, Albert-Einstein-Institut (AEI) wird Cactus zur numerischen Simulation extrem schwerer Massen wie Neutronensterne oder Schwarze Löcher verwendet. Ein genaues Modell solcher Systeme erfordert nach der Allgemeinen Relativtitätstheorie die Lösung des kompletten Satzes der Einstein-Gleichungen - diese stellen die Krümmung der Raumzeit mit der Energieverteilung in Verbindung. Letztendliches Ziel solcher Simulationen ist es, genaue Signalmuster von potenziellen Quellen für Gravitationswellen zu ermitteln, die dann mit den Messungen der verschiedenen Gravitationswellendetekoren auf der Welt wie GEO600 oder LIGO (künftig auch LISA) abgeglichen werden können.

Echtzeitüberwachung und Steuerung von Cactus-Simulationen

Eine der Aufgaben, die im Rahmen des AstroGrid-D Projektes bearbeitet wurden, beinhaltet die Verbesserung der vorhandenen Verfahren zur Überwachung/Steuerung/Visualisierung, die bereits im Cactus Toolkit verfügbar waren, um sie insbesondere auch für Simulationen innerhalb des Grids einsetzen zu können. Dazu wurden Softwaremodule erweitert, die u.a. folgende Standardmonitoring- und -steuerungsfunktionalitäten implementieren:

  • Benutzerauthentifizierung basierend auf Standard-X509-Gridzertifikaten
  • ein genereller Überblick über die Simulations-Parameter (Name des Executables, Parameter-File, Owner, Rundate und Host, Anzahl genutzter Prozessoren, etc....)
  • jeweils akualisierte Informationen zur Laufzeit, wie Iterationszahl und Simulationszeit
  • Zugriff auf stdout/stderr Logdateien
  • Echtzeit-Visualisierung von Zwischenergebnissen (als Beispiel siehe linkes Bild unten)
All diese Methoden sind über eine generische Web-Schnittstelle verfügbar. Die Cactus-Simulation selbst fungiert dabei als eigenständiger HTTPS-Webserver; der Nutzer kann diesen mittels eines Standard-Webbrowsers seiner Wahl kontaktieren.

Online 2D Visualisierung innerhalb einer aktiven Cactus-Simulation
Homepage des Numerical Relativity Cactus Portal

Cactus Web Portal

Ein weiteres wissenschaftliches Ergebnis unserer Arbeit im AstroGrid-D-Projekt war die Entwicklung des Cactus Web-Portals. Die Motivation dafür war es, den Cactus-Nutzern einen gemeinsamen Zugriffspunkt für applikationsspezifische Dienste zur Verfügung zu stellen, damit diese

  • einen besseren Überblick über die durchgeführten Cactus-Simulationen von ihnen selbst sowie ihrer wissenschaftlilchen Kollegen weltweit erhalten (z.B. durch Suche in einem Metadatenkatalog aller Simulationen)
  • eine Cactus-Simulation, die gerade im Grid läuft, beobachten und steuern können
  • auf dynamische Metadaten, die von einer laufenden Cactus-Simulation erzeugt werden, zugreifen und nutzerspezifische Anfragen stellen können
  • die Ergebnisse nächtlich durchgeführter Cactus-Integrationstests sowie deren History einsehen können

Das Cactus-Web-Portal benutzt Standard-Web-Technologien wie RDF zur Speicherung und Verwaltung von Simulations-Metadaten sowie GridSphere als Open-Source Portal-Framework.

Ein öffentliches Cactus User Portal ist auf https://portal.cactuscode.org verfügbar.
Ebenso gibt es ein Numerical Relativity Portal mit personalisiertem Nutzerzugriff für Physiker der Numerical Relativity Community; dieses Portal, welches unter https://portal.aei.mpg.de verfügbar ist, bietet die Ergebnisse der Cactus Integration Tests für eine große Anzahl nicht-öffentlicher Cactus-Code-Module, welche die Physiker für ihre täglichen Cactus-Produktionsläufe benötigen.

Kontakt

Cactus als Grid Usecase wurde im Rahmen des AstroGrid-D-Projekts in enger Kooperation mit dem D-MON-Projekt realisiert. Beide Projekte sind Teilprojekte der vom BMBF geförderten Deutschen Grid-Initiative D-Grid. Der Usecase wurde durch die eScience Gruppe am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Albert-Einstein-Institut (AEI) entwickelt und implementiert.

Wenn Sie mehr über den Cactus Usecase im Grid kennenlernen möchten bzw. Anmerkungen zu dieser Seite haben, kontaktieren Sie bitte die eScience-Gruppe des AEI über deren Mailingliste eScience(at)aei. mpg.de.