Portais temáticos de tempo, de clima e ambientais: democratizando e facilitando a utilização de modelos numéricos

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1 Portais temáticos de tempo, de clima e ambientais: democratizando e facilitando a utilização de modelos numéricos Julio Cezar Gonçalves de Freitas 1, Eugênio Sper de Almeida 1, Bruno Bustamante Ferreira Leonor 1, Stanley Kurtz Matias de Lima 1, Alexandre Augusto D avila de Oliveira 1, Luiz Henrique Ribeiro Coura da Silva 1, Marcus Vinícius Salgado Mendes 1, Emerson Júnior dos Santos 1, Luiz Flávio Rodrigues 1, Karla Maria Longo 2, Saulo Ribeiro de Freitas 1, Marcelo Felix Alonso 1 {julio.freitas, eugenio.almeida, bruno.leonor, stanley.lima, alexandre.oliveira, luiz.coura, marcus.mendes, emerson.santos, luiz.flavio, karla.longo, saulo.freitas, 1 Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos (CPTEC) 2 Centro de Ciência do Sistema Terrestre (CCST) Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) - Brasil ABSTRACT: The implementation of numerical atmospheric models is a challenge for researchers because they have to deal with issues that are beyond the goal of his research. Portals to implement models of time, climate and environment represent a technological advance, because they allow researchers to maintain their focus on their research and not the details for implementing the experiments. This paper aims to describe the thematic portal developed for the computational grid of SAEMC (South American Emissions, Mega-cities and Climate) and present new initiatives in developing portals for other models and other computing infrastructure. Keywords: clusters, grid computing, atmospheric modeling, thematic portal RESUMO: A execução de modelos numéricos atmosféricos representa um desafio para pesquisadores, pois estes tem que lidar com questões que fogem do objetivo de sua pesquisa. Portais temáticos para a execução de modelos de tempo, de clima e ambientais representam um avanço tecnológico, pois possibilitam que os pesquisadores mantenham o foco em sua pesquisa e não nos detalhes para a execução dos experimentos. Este trabalho tem como objetivo descrever o portal temático desenvolvido para a grade computacional do projeto SAEMC (South American Emissions, Mega-cities and Climate) e apresentar as novas iniciativas em desenvolvimento de portais para outros modelos e outras infraestruturas computacionais. Palavra-chave: clusters, grade computacional, modelagem atmosférica, portal temático 1. Introdução Atualmente existem diversas áreas do conhecimento que possuem requisitos de alta capacidade de processamento e armazenamento (locais ou distribuídos) para solucionar problemas e permitir o avanço da ciência. A área de ciências atmosféricas utiliza-se de modelos numéricos atmosféricos, programas complexos que necessitam de recursos computacionais de alto-desempenho, para simulações de tempo, de clima e ambientais. No entanto, obter alocação de recursos computacionais, conectar-se através de linha de comando a cada recurso computacional, configurar códigos e ambientes, combinar todas as

2 ferramentas, descobrir os melhores recursos para gerar informações para sua pesquisa e apresentá-las de forma gráfica não são tarefas fáceis. A abordagem de portais temáticos (WILKINS-DIEHR, 2007) tem um papel importante em prover uma ponte entre infraestruturas computacionais e as comunidades de cientistas. Os portais permitem, através de interfaces web, um uso mais eficiente das aplicações e acesso simplificado a recursos computacionais locais (clusters) ou remotos (grades computacionais) para a execução desses modelos, escondendo as complexidades de gerenciamento das infraestruturas. Este trabalho tem como objetivo descrever o portal temático para execução de modelo de qualidade do ar na grade computacional do projeto SAEMC. Apesar do enfoque deste trabalho a modelos de qualidade do ar, as tecnologias adotadas e o software desenvolvido para o portal permitem o fácil acoplamento a outros modelos numéricos de tempo, de clima e ambientais e a outras infraestruturas computacionais (clusters, supercomputadores ou middlewares para grades computacionais). Uma vantagem imediata desses portais é possibilitar que pesquisadores acessem os recursos computacionais providos pelas instituições envolvidas no projeto, ocultando a complexidade da utilização destes através de um ponto único de acesso a tais recursos, diminuindo assim a quantidade de possíveis pontos vulneráveis a ataques. E-Science é o termo utilizado para indicar o desenvolvimento de métodos de obtenção de tais recursos. A seção 2 descreve portais temáticos. As tecnologias utilizadas para o desenvolvimento deste trabalho são apresentadas na Seção 3. Na Seção 4 é apresentado o portal temático para qualidade do ar desenvolvido para o projeto SAEMC. Conclusões e trabalhos futuros encontram-se na Seção Portais temáticos Adotou-se neste trabalho como conceito de portal temático o conjunto de ferramentas e serviços para execução de aplicações de uma determinada área do conhecimento, integradas através de um portal que provê acesso a infraestruturas computacionais. Eles representam uma resposta direta à complexidade de lidar com grande variedade de recursos. A área de ciências atmosféricas utiliza-se intensamente de modelos numéricos de tempo, de clima e ambiental, que possui uma alta complexidade para sua configuração, execução e visualização dos resultados produzidos. O projeto SAEMC buscou investigar a questão da previsão da qualidade do ar em mega-cidades da América do Sul (GÓMEZ et al, 2008). Para atender as necessidades deste projeto, desenvolveu-se um portal que utilizou o modelo numérico CATT-BRAMS (Coupled Aerosol Tracers and Transport model to the Brazilian developments on the Regional Atmospheric Modeling System) como modelo de qualidade do ar. Demandas recentes surgiram para atender solicitações para desenvolvimento de portais temáticos de tempo, de clima e ambiental para serem acoplados a grade computacional do SINAPAD (Sistema Nacional de Processamento de Alto Desempenho) e ao novo sistema de supercomputação do INPE/CPTEC. Os portais em desenvolvimento visam simplificar a utilização dos modelos BRAMS e GLOBAL/CPTEC. Através do uso desses portais, pesquisadores terão acesso a recursos computacionais locais ou distribuídos a partir de seus próprios computadores. 3. Tecnologias utilizadas O principal recurso computacional utilizado para a execução do modelo de qualidade do ar foi o cluster de HPC (High-Performance Computing). Trata-se de um ambiente de

3 computação paralela formado por um conjunto de computadores, interligados através de switches para permitir a comunicação e o compartilhamento de serviços e arquivos. Experimentos complexos podem exigir maior capacidade de processamento do que a oferecida pela instituição, sendo necessário agregar outros clusters de forma a permitir a resolução do problema. Grade computacional (FOSTER et al., 1998) é o ambiente que possibilita agregar recursos computacionais geograficamente distribuídos para prover respostas as limitações encontradas nas arquiteturas computacionais centralizadas, assim os pesquisadores podem ter acesso aos recursos e serviços sem a necessidade de conhecimento onde os mesmos estão localizados. A tecnologia de grade utilizada foi o glite (Lightweight Middleware for Grid Computing) (BURKE et al., 2009) que implementa soluções para autenticação de usuários através de certificados digitais, controlando o acesso e permissões de utilização dos recursos. Através de um meta-escalonador global (WMS - Workload Management System) e de escalonadores locais ele permite a execução de tarefas em ambientes geograficamente distintos. Para monitorar as execuções ele utiliza um banco de dados de informações que possibilita recuperar, parar e continuar a execução de uma tarefa. Como interface do usuário com a infraestrutura computacional adotou-se o Liferay Portal (SEZOV JR, 2009), que é um portlet container de código aberto compatível com os principais servidores de aplicação, banco de dados e sistemas operacionais. Ele é responsável por integrar todos os portlets disponíveis e exibi-los aos usuários. A facilidade de customização e personalização torna o Liferay uma ferramenta adaptável e flexível, possibilitando aos desenvolvedores a construção de portais robustos de maneira eficiente. Portlets são componentes independentes utilizados para disponibilizar conteúdo e informação em um portal. Essas informações podem vir de outros sistemas e serem integradas no portal via portlets, que, por sua vez, são gerenciados por um portlet container que processa a requisição e gera um conteúdo dinâmico. O portlet promove a reutilização, uma vez criado ele pode ser reutilizado quantas vezes necessárias por diversos portais, essa é uma das características que o fez ganhar grande popularidade junto às equipes de desenvolvimento de portais para Web. (HEPPER, 2008) 4. Portal para modelo de qualidade do ar O portal para modelos de qualidade do ar é composto de quatro portlets: (1) gerenciamento de credenciais (Credential Manager); (2) definição de parâmetros do modelo CATT-BRAMS (Parameterization); (3) controle de tarefas (Management) e (4) visualização dos resultados gerados pelo modelo de qualidade do ar (Presentation). O gerenciamento das credenciais dos usuários é de responsabilidade do portlet Credential Manager (Figura 1a). Ele exibe as seguintes informações: estado, tempo remanescente e data de criação da credencial além do nome de usuário. Se não possuir uma credencial o usuário deverá solicitar a criação de uma enviando seu certificado digital para o portal, caso a credencial esteja vencida a mesma pode ser renovada. A configuração da tarefa que será submetida na grade computacional é realizada pelo portlet Parameterization (Figura 1b), que a realiza de uma forma simples e direta. Ele possui uma lista onde o usuário deve escolher uma entre quatro grandes capitais da América do Sul (São Paulo e Rio de Janeiro - Brasil, Santiago - Chile e Buenos Aires - Argentina) prédefinidas para esta versão do portal e um campo onde deve ser definida a data para a execução. Os parâmetros para execução do modelo são carregados através de variáveis prédefinidas em um arquivo de entrada relacionado à cidade escolhida. Esses parâmetros são exibidos em campos com os respectivos nomes que representam essas variáveis. O portal para modelos de qualidade do ar utiliza o arquivo de configuração do modelo CATT-BRAMS,

4 chamado RAMSIN. O pesquisador realiza suas parametrizações e salva seu trabalho, ou seja, cria uma tarefa. A disponibilização de informações referentes ao estado das tarefas dos usuários é realizada pelo portlet Management. Essas informações são distribuídas em colunas onde são apresentados o ID do processo, a cidade escolhida para a rodada do modelo, o local de execução da tarefa na grade, as datas de criação, submissão, início e final da execução da tarefa, o estado da tarefa e alguns recursos para o usuário interagir com a grade, como: submeter, atualizar, cancelar, remover ou editar a tarefa e aceitar, rejeitar, baixar e/ou visualizar seu resultado. Figura 1. Portlets para gerenciamento de credenciais (a), definição de parâmetros do CATT-BRAMS (b) e controle de tarefas (c) Para exibição dos resultados da rodada do modelo é utilizado o portlet Presentation, (Figura 2), que contém uma lista de variáveis onde o usuário seleciona qual deseja visualizar. As variáveis visualizadas são CO2, Temperature, Topography, Particulate Material e Source1. Este portlet permite ainda que o pesquisador verifique os arquivos de log da execução do modelo. Figura 2. Portlet Presentation Os portais atualmente em desenvolvimento utilizarão das mesmas tecnologias empregadas para o desenvolvimento do projeto SAEMC. Os desafios esperados serão no acoplamento do portal as novas infraestruturas.

5 5. Conclusões O portal desenvolvido para o projeto SAEMC demonstrou que pode-se simplificar a utilização de modelos numéricos de qualidade do ar em ambiente de grade computacional. A ferramenta desenvolvida permite a definição de parâmetros de entrada do modelo de qualidade do ar, a submissão e o monitoramento deste modelo na grade computacional e a visualização dos dados produzidos. A flexibilidade das tecnologias empregadas no desenvolvimento dos portais temáticos para grades computacionais permite que os mesmos possam ser acoplados a clusters de HPC ou supercomputadores. A participação dos usuários tem sido fundamental na definição deste portal e a curto prazo espera-se incorporar novas funcionalidades de forma que suas interfaces sejam mais intuitivas e com mais recursos. Atualmente esta sendo projetado um novo portal temático para atender a grade computacional do SINAPAD e em breve iniciará o projeto do portal do novo supercomputador do INPE/CPTEC. Agradecimentos Este trabalho foi realizado com o auxílio financeiro do Inter-American Institute for Global Change Research (IAI) CRN II 2017, que é apoiado pela National Science Foundation E.U. (Grant GEO ). Referências bibliográficas BURKE, S.; CAMPANA, S.; LANCIOTTI, E.; LORENZO, P. M.; MICCIO, V.; NATER, C.; SANTINELLI, R.; SCIABÀ, A glite 3.1 user guide. Disponível em: <https://edms.cern.ch/file/722398/1.3/glite-3-userguide.html>. Acesso em: 16 de maio de FOSTER, I.; KESSELMAN, C The grid: blueprint for a new computing infrastructure. Morgan Kaufmann. San Francisco, California. GÓMEZ, D.; ALCAFUZ, R.; ANDRADE, M. F.; BEHRENTZ, E.; CONCEPCIÓN, E.; CÓRDOVA, A. M.; DAWIDOWSKI, L.; FREITAS, S.; GALLARDO, L.; GARCÍA, G.; GARRIDO, E.; LONGO, K.; MENA, M.; OSSES, A.; OSSES, M.; PÉTRON, G.; ROJAS, M.; SMICHOWSKI, P.;TORO, M. V.; TORRES, G.; VASCONCELLO, P. South American emissions, mega-cities and climate: the SAEMC collaborative research network. Cuarto Encuentro Internacional E-ICES 4, Malargüe (Argentina), octubre HEPPER, S Java portlet specification v2. Disponível em: <http://www.jcp.org/en/jsr/detail?id=286>. Acesso em: 13 de maio de SEZOV JR, R. L Liferay portal administrator's guide. Disponível em: <http://docs.liferay.com/portal/5.2/official/liferay-administration-guide.pdf>. Acesso em: 15 de maio de WILKINS-DIEHR, N Special issue: science gateways - common community interfaces to grid resources. Concurrency and Computation: Practice & Experience. Vol. 19, N.6: , doi: /cpe.v19:6.

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